具有耦合的自由磁層的垂直自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩存儲器(sttm)器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實施例屬于存儲器器件的領(lǐng)域，并且具體而言，屬于具有耦合的自由磁層以增強穩(wěn)定性并提供低阻尼的垂直自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩存儲器(STTM)器件的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在過去的幾十年，集成電路中特征的縮放已經(jīng)是不斷發(fā)展的半導體產(chǎn)業(yè)背后的驅(qū)動力?？s放到越來越小的特征使半導體芯片的有限的不動產(chǎn)上的功能單元的密度增大。例如，縮小的晶體管尺寸允許在芯片上包含增大數(shù)目的存儲器件，導致具有增大的容量的產(chǎn)品的制造。然而，對不斷增大的容量的驅(qū)動不是沒有問題的。優(yōu)化每個器件的性能的必要性變得越來越重要。
[0003]自旋轉(zhuǎn)矩器件的操作是以自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象為基礎的。如果使電流通過被稱為固定磁層的磁化層，它將出現(xiàn)自旋偏振。隨著每一電子的通過，它的自旋(角動量)將被轉(zhuǎn)移到被稱為自由磁層的下一磁層的磁化，并將引起其磁化發(fā)生小的變化。即，實際上的由轉(zhuǎn)矩引起的磁化進動。由于電子的反射，轉(zhuǎn)矩還將被施加到相關(guān)固定磁層的磁化上。最終，如果電流超過某一臨界值(其為磁性材料及其環(huán)境所引起的阻尼的函數(shù))，那么自由磁層的磁化將通常在大約1-10納秒的時間內(nèi)被電流脈沖切換。固定磁層的磁化可以保持不變，因為由于幾何結(jié)構(gòu)或者相鄰反鐵磁層的原因，相關(guān)電流低于其閾值。
[0004]可以采用自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩來翻轉(zhuǎn)磁隨機存取存儲器內(nèi)的有源元件。相對于采用磁場來翻轉(zhuǎn)有源元件的常規(guī)磁隨機存取存儲器，自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩存儲器或STTM具有較低的功耗、較好的可升級性的優(yōu)點。但是，在STTM器件制造和使用領(lǐng)域仍然需要重大改進。
【附圖說明】
[0005]圖1圖示了與常規(guī)自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩存儲器(STTM)器件的材料層堆疊體內(nèi)的CoFeB層的厚度對照的阻尼的曲線圖。
[0006]圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于垂直STTM器件的材料層堆疊體的橫截面圖。
[0007]圖3圖示了示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有磁親合自由層的相干切換的示例的示意圖。
[0008]圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的用于垂直STTM器件的另一材料層堆疊體的橫截面圖。
[0009]圖5圖示了用于測量根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的材料堆疊體的阻尼值的曲線圖500。
[0010]圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的用于垂直STTM器件的另一材料層堆疊體的橫截面圖。
[0011]圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的用于垂直STTM器件的另一材料層堆疊體的橫截面圖。
[0012]圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩元件的自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩存儲位單元的示意圖。
[0013]圖9圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子系統(tǒng)的框圖。
[0014]圖10圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的計算設備。
【具體實施方式】
[0015]描述了具有耦合的自由磁層以提供增強的穩(wěn)定性和低阻尼的垂直自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩存儲器(STTM)器件。在以下描述中，闡述了諸如具體的磁層集成和材料體系等很多具體的細節(jié)，以提供對本發(fā)明的實施例的透徹理解。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，可以在不需要這些具體細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明的實施例。在其它實例中，則未描述諸如集成電路設計布局等公知的特征，以免不必要地模糊本發(fā)明的實施例。此外，應當理解，附圖所示的各種實施例只是說明性的表示，并且不必要按比例被繪制。
[0016]一個或多個實施例涉及用于在垂直STTM系統(tǒng)中提高穩(wěn)定性并降低阻尼或維持低阻尼的方法。應用可以在嵌入式存儲器、嵌入式非易失性存儲器(NVM)、磁隨機存取存儲器(MRAM)、磁隧道結(jié)(MTJ)器件、NVM、垂直MTJ、STTM以及非嵌入式或獨立存儲器中的使用。在實施例中，通過將第一自由磁層與第二自由磁層耦合來實現(xiàn)垂直STTM器件中的穩(wěn)定性，如下文更詳細的描述。所耦合的自由磁層提供了增強的穩(wěn)定性和低阻尼。
[0017]穩(wěn)定性是基于STTM的器件以及由其制造的存儲器陣列的縮放所面臨的最重要的問題之一。隨著縮放繼續(xù)，需要更小的存儲元件來配合縮放的單元尺寸，該需要驅(qū)動行業(yè)朝著垂直STTM的方向發(fā)展，對于小存儲元件尺寸而言垂直STTM具有較高的穩(wěn)定性。常見的垂直STTM是用材料層堆疊體實現(xiàn)的，所述堆疊體包括底部電極、固定磁層、電介質(zhì)層(例如，MgO)、自由磁層(例如，CoFeB)、帽蓋層(例如，Ta)和頂部電極。材料層堆疊體的磁隧道結(jié)(MTJ)部分包括固定磁層、電介質(zhì)層和自由磁層。此材料堆疊體是用于制造STTM的基本材料堆疊體，并且可以以較高的復雜性來制造該材料堆疊體。例如，還可以將反鐵磁層包含到底部電極和固定磁層之間。此外，電極自身可以包括多個具有不同屬性的材料層。所述材料堆疊體的最基本形式可以是平面內(nèi)系統(tǒng)，其中，各磁層的自旋如同各層本身一樣處于相同平面內(nèi)。但是，使用層或界面工程，可以將所述材料堆疊體制造為提供垂直自旋系統(tǒng)。在示例中，將自由磁層(例如，由CoFeB構(gòu)成的自由磁層)從用于平面內(nèi)STTM器件的常規(guī)厚度減薄。減薄程度可以充分到使得從自由磁層內(nèi)的與電介質(zhì)層內(nèi)的氧相互作用(例如，與氧化鎂(MgO)層相互作用)的鐵/鈷(Fe/Co)獲得的垂直分量相對于自由CoFeB層的平面內(nèi)分量占據(jù)優(yōu)勢地位。這一示例提供了以具有到自由層的一個界面(即CoFeB-MgO界面)的耦合的單層系統(tǒng)為基礎的垂直系統(tǒng)。來自MgO層的氧對CoFeB層內(nèi)的表面鐵/鈷原子(Fe/Co)造成的氧化程度為自由層提供了強度(穩(wěn)定性)，使之具有垂直占據(jù)主導的自旋態(tài)。這一常規(guī)堆疊體無法提供高穩(wěn)定性和低阻尼。將穩(wěn)定性定義為兩個磁態(tài)(例如(1，0)(平行，反平行))之間的能量勢皇。穩(wěn)定性等于有效磁各向異性、自由磁層的厚度和自由磁層的面積的乘積。阻尼涉及隨著自旋從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時自旋的磁化所經(jīng)歷的磁摩擦。阻尼越大意味著需要的寫入電流越大。但是，對于上文描述的具有單自由磁層(例如，CoFeB膜)的常規(guī)材料堆疊體而言，阻尼隨著以納米(nm)計的CoFeB厚度的降低而升高，如圖1中針對不同的常規(guī)材料堆疊體所圖示的。因而，為了獲得較薄CoFeB所代表的較高穩(wěn)定性，常規(guī)材料堆疊體提供了較高的阻尼。
[0018]在另一方面中，利用堆疊體內(nèi)的附加的自由磁層增強了STTM單元的垂直性質(zhì)或優(yōu)勢的穩(wěn)定性，同時提供了降低的阻尼。作為示例，圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于垂直STTM器件的材料層堆疊體的橫截面圖。參考圖2，用于垂直STTM器件的材料層堆疊體200包括電極202(例如，底部電極)、固定磁層206、電介質(zhì)層208、自由磁層210、導電層212、自由磁層214、帽蓋層216和電極220(例如，頂部電極)。在實施例中，圖2所示的材料堆疊體是垂直系統(tǒng)，其中，磁層的自旋垂直于各層自身的平面。電介質(zhì)層208可以是氧化鎂(MgO)。這一層208可以具有約10歐姆微米2的電阻*面積(RAhMgO是MTJ中采用的自旋過濾隧道電介質(zhì)。所述電介質(zhì)層還提供了用于所述自由磁層210的結(jié)晶化模板(例如，BCC001取向)。在一個實施例中，自由磁層210是CoFeB。這一層可以具有大約0.5-1.5nm(例如，lnm)的厚度?？梢詫⑦@一層用作存儲器存儲。導電層212是薄導電膜，所述膜包括下述成分的至少其中之一:釕(Ru)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、錯(Zr)、鉿(Hf)和鎂(Mg)。導電層212將自由層210和214磁耦合到一起，使得所述導電層增大自由層210的有效厚度，對于相同的給定面積而言其將提高總穩(wěn)定性。注意，單個自由層的厚度不能被提高并實現(xiàn)相同的穩(wěn)定性改善，因為較厚的CoFeB層將引起磁各向異性，從而使垂直磁化退化為平面內(nèi)磁化。導電層還從自由層吸收雜質(zhì)(例如，從CoFeB中吸收硼)，其將改善自由層的結(jié)晶化。更好的自由層結(jié)晶性改善了穩(wěn)定性和自旋極化。而且，導電層應當只有幾埃(例如，顯著低于lnm)，從而使阻尼最小化。將自由層214磁親合至自由層210，從而有助于通過提高自由層的總厚度而提高Keff*t。自由層214的示例包括CoFeB(例如，大約1 nm)或者多層鐵磁材料(例如，Co、CoFe)和非磁性物質(zhì)(例如，Pd、Pt)，例如