專(zhuān)利名稱(chēng)：磁阻存儲(chǔ)器器件和集成電路以及形成自旋扭矩結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及磁阻結(jié)構(gòu)、自旋電子器件、存儲(chǔ)器和集成電路。更具體而言，本 發(fā)明涉及自旋扭矩(spin-torque)磁阻結(jié)構(gòu)和包括基于自旋扭矩的磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (MRAM)的器件。
背景技術(shù)：
磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)使磁部件與標(biāo)準(zhǔn)硅基微電子器件組合來(lái)實(shí)現(xiàn)非易失 性存儲(chǔ)器。例如，硅基微電子器件包括諸如晶體管、二極管、電阻器、互連、電容器或電感器 的電子器件。晶體管包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極晶體管。MRAM存儲(chǔ)器基元包括存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)于 兩個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)(“1”和“0”)的兩個(gè)方向之間切換的磁矩的磁阻結(jié)構(gòu)。在MRAM基元中，按 照自由磁性層的磁化方向來(lái)存儲(chǔ)信息。在常規(guī)自旋轉(zhuǎn)移(spin-transfer)MRAM存儲(chǔ)器基元 中，通過(guò)迫使寫(xiě)入電流直接流過(guò)構(gòu)成MRAM基元的材料層的疊層，將數(shù)據(jù)狀態(tài)編程為“ 1”或 “0”。一般地說(shuō)，通過(guò)流過(guò)一個(gè)層而被自旋極化的寫(xiě)入電流對(duì)隨后的自由磁性層施加自旋扭 矩。根據(jù)寫(xiě)入電流的極性，該扭矩使自由磁性層的磁化在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間切換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的原理提供了，例如，與自由鐵磁性層交換耦合且鄰近該自由鐵磁性層 的自由反鐵磁性層。本發(fā)明的原理還提供子結(jié)構(gòu)，該子結(jié)構(gòu)包括自由反鐵磁性層、釘扎 (pinned)反鐵磁性層以及位于所述自由反鐵磁性層與所述釘扎反鐵磁性層之間的巨磁阻 非磁性間隔物(spacer)層。所述子結(jié)構(gòu)適于提供用于切換所述自由鐵磁性層的磁極化的 大部分自方射丑矩(amajority of spin-torque)。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種磁阻結(jié)構(gòu)。所述磁阻結(jié)構(gòu)包括第一鐵 磁性層；第一非磁性間隔物層，其鄰近所述第一鐵磁性層；第二鐵磁性層，其鄰近所述第一 非磁性間隔物層；以及第一反鐵磁性層，其鄰近所述第二鐵磁性層。例如，所述第一鐵磁性 層可包括第一釘扎鐵磁性層，所述第二鐵磁性層包括自由鐵磁性層，并且所述第一反鐵磁 性層可包括自由反鐵磁性層。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種磁阻存儲(chǔ)器器件。所述磁阻存儲(chǔ)器器件包括 第一鐵磁性層；第一非磁性間隔物層，其鄰近所述第一鐵磁性層；第二鐵磁性層，其鄰近所 述第一非磁性間隔物層；以及第一反鐵磁性層，其鄰近所述第二鐵磁性層。例如，所述第一 鐵磁性層可包括第一釘扎鐵磁性層，所述第二鐵磁性層可包括自由鐵磁性層，并且所述第 一反鐵磁性層可包括自由反鐵磁性層。所述磁阻存儲(chǔ)器器件存儲(chǔ)與磁矩的至少兩個(gè)方向?qū)?應(yīng)的至少兩個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種集成電路。所述集成電路包括襯底；第一鐵 磁性層；第一非磁性間隔物層，其鄰近所述第一鐵磁性層；第二鐵磁性層，其鄰近所述第一 非磁性間隔物層；以及第一反鐵磁性層，其鄰近所述第二鐵磁性層。例如，所述第一鐵磁性 層可包括第一釘扎鐵磁性層，所述第二鐵磁性層可包括自由鐵磁性層，并且所述第一反鐵磁性層可包括自由反鐵磁性層。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種形成自旋扭矩器件的方法，所述方法包括形 成第一鐵磁性層；形成第一非磁性間隔物層，所述第一非磁性間隔物層鄰近所述第一鐵磁 性層；形成第二鐵磁性層，所述第二鐵磁性層鄰近所述第一非磁性間隔物層且包括自由鐵 磁性層；以及形成第一反鐵磁性層，所述第一反鐵磁性層鄰近所述第二鐵磁性層。所述第一 反鐵磁性層包括自由反鐵磁性層。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、器件、存儲(chǔ)器以及方法適于使用比常規(guī)自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁阻器件所 需的寫(xiě)入電流小的寫(xiě)入電流來(lái)改變自由鐵磁性層的磁矩的方向。磁阻存儲(chǔ)器可以為包括本 發(fā)明的自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁阻器件的實(shí)施例的磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)。該MRAM適于使用 遠(yuǎn)小于常規(guī)自旋扭矩MRAM所需的寫(xiě)入電流的寫(xiě)入電流來(lái)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。本發(fā)明的各方面在提 供熱穩(wěn)定性的同時(shí)在自旋扭矩切換的納米結(jié)構(gòu)中提供較低的切換電流。通過(guò)以下對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖來(lái)閱讀，本發(fā)明的這些 和其他特征、目的以及優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。


圖1示例了常規(guī)自旋扭矩磁阻結(jié)構(gòu)；圖2示例了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的自旋扭矩結(jié)構(gòu)；圖3示例了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)自旋扭矩結(jié)構(gòu)的寫(xiě)入；圖4示例了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的形成自旋扭矩結(jié)構(gòu)的方法；以及圖5為示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性封裝的集成電路的截面圖。
具體實(shí)施例方式這里將根據(jù)示例性的自旋扭矩切換器件及其使用方法描述本發(fā)明的原理。然而， 應(yīng)該理解，本發(fā)明的技術(shù)并不局限于在這里所示出和描述的方法。相反，本發(fā)明的實(shí)施例旨 在用于減小自旋扭矩切換器件的切換電流的技術(shù)。雖然可以使用下述材料制造本發(fā)明的實(shí) 施例，但是還可以使用其他材料制造備選實(shí)施例。附圖未按比例繪制。附圖所示出的各種 層的厚度未必指示本發(fā)明的實(shí)施例的層的厚度。為了清楚起見(jiàn)，在附圖中未示出本領(lǐng)域公 知的一些常用層，其包括但不限于，保護(hù)性帽層、籽晶層以及下伏的襯底。該襯底可以為常 規(guī)的半導(dǎo)體襯底，例如硅，或任何其他適宜的結(jié)構(gòu)。這里使用的術(shù)語(yǔ)鄰近或鄰近于的意義包括但不限于鄰接、接觸以及操作地接觸。 特別地，對(duì)于磁耦合，“鄰近”或“鄰近于”包括但不限于操作地磁耦合。這里使用的術(shù)語(yǔ)鄰 接或鄰接的所具有的意義包括但不限于鄰近于。鐵磁材料呈現(xiàn)原子磁矩的平行對(duì)準(zhǔn)，這即使在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下也會(huì)導(dǎo)致相對(duì)大 的凈磁化。平行對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)僅僅發(fā)生在低于特定的臨界溫度(稱(chēng)為居里溫度)的溫度下。鐵磁材料中的原子磁矩呈現(xiàn)出由電子交換力產(chǎn)生的非常強(qiáng)的相互作用并導(dǎo)致原 子磁矩的平行對(duì)準(zhǔn)。交換力可以非常大，例如，等價(jià)于1000特斯拉的數(shù)量級(jí)的場(chǎng)。交換力 為由兩個(gè)電子的自旋的相對(duì)取向?qū)е碌牧孔恿W(xué)現(xiàn)象。元素Fe、Ni以及Co及其一些合金 為典型的鐵磁材料。鐵磁材料的兩個(gè)獨(dú)特的特性為其自發(fā)磁化和存在磁有序溫度(即，居 里溫度)。即使鐵磁體中的電子交換力非常大，熱能最終也會(huì)克服該交換并產(chǎn)生隨機(jī)化效
6應(yīng)。這發(fā)生在被稱(chēng)為居里溫度(T。)的特定溫度下。低于居里溫度時(shí)，鐵磁體是有序的，而 高于居里溫度時(shí)，鐵磁體是無(wú)序的。在居里溫度下，飽和磁化變?yōu)榱?。反鐵磁材料為這樣的材料，該材料具有通常與電子的自旋有關(guān)的、以規(guī)則圖形與 相鄰的自旋對(duì)準(zhǔn)的、在不同的子晶格上的、指向相反的方向的原子或分子的磁矩。通常，反 鐵磁序存在于足夠低的溫度下，在特定溫度(奈耳溫度(N6el temperature))和高于該溫 度時(shí)消失。低于奈耳溫度時(shí)，反鐵磁體是有序的，而高于奈耳溫度時(shí)，反鐵磁體是無(wú)序的。當(dāng) 沒(méi)有施加外部磁場(chǎng)時(shí)，反鐵磁材料對(duì)應(yīng)于消失的總磁化。例如，通過(guò)使得鐵磁體的表面原子與反鐵磁體的表面原子對(duì)準(zhǔn)的被稱(chēng)為交換各向 異性的機(jī)制(例如，其中，當(dāng)在反鐵磁體上生長(zhǎng)鐵磁性膜時(shí)或在隨后的退火期間，施加對(duì)準(zhǔn) 磁場(chǎng))，反鐵磁體可以耦合到鐵磁體。這提供了釘扎鐵磁性膜的取向的能力。這樣的溫度被 稱(chēng)為反鐵磁性層的阻擋溫度(blocking temperature)且通常低于奈耳溫度，當(dāng)?shù)扔诨蚋哂?該溫度時(shí)，反鐵磁性層失去其釘扎鄰近的鐵磁性層的磁化方向的能力。巨磁阻(GMR)為在特定結(jié)構(gòu)中觀察到的量子力學(xué)磁阻效應(yīng)，例如，所述特定結(jié)構(gòu) 包括兩個(gè)鐵磁性層，且在這兩個(gè)鐵磁性層之間具有非磁性間隔物層。磁阻效應(yīng)表現(xiàn)為，當(dāng)兩 個(gè)磁性層的磁化平行時(shí)，由于相對(duì)小的磁散射，該結(jié)構(gòu)的電阻顯著較低。例如，通過(guò)將該結(jié) 構(gòu)放置在外部磁場(chǎng)內(nèi)，可以使兩個(gè)磁性層的磁化平行。巨磁阻效應(yīng)還表現(xiàn)為，當(dāng)兩個(gè)磁性層 的磁化反平行時(shí)，由于相對(duì)高的磁散射，該結(jié)構(gòu)的電阻顯著較高。巨磁阻間隔物層為在兩個(gè) 鐵磁性層之間的非磁性間隔物層，其中包括這些層的結(jié)構(gòu)顯示出GMR效應(yīng)。隧道磁阻(TMR)為發(fā)生在磁隧道結(jié)(MTJ)中的磁阻效應(yīng)。MTJ為由通過(guò)薄絕緣體 分隔的兩個(gè)磁體構(gòu)成的部件。如果絕緣層足夠薄(典型地，幾納米)，則電子可以從一個(gè)磁 體隧穿到另一個(gè)磁體中。因?yàn)樵诮?jīng)典物理學(xué)中該過(guò)程是禁止的，因?yàn)門(mén)MR是嚴(yán)格量子力學(xué) 現(xiàn)象。這里使用的術(shù)語(yǔ)非磁性金屬表示包括非鐵磁性和非反鐵磁性的非磁性的金屬。磁各向異性為與材料的磁特性的方向相關(guān)性。磁各向/同性材料在零磁場(chǎng)中不具 有對(duì)材料磁矩的擇優(yōu)方向，而磁各向異性材料將傾向于使其磁矩對(duì)準(zhǔn)易軸。存在不同的磁 各向異性源，例如磁晶各向異性，其中晶體的原子結(jié)構(gòu)引入磁化的擇優(yōu)方向；形狀各向異 性，當(dāng)顆粒不是完美球形時(shí)，退磁場(chǎng)不是對(duì)所有方向相同，產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)易軸；應(yīng)力各向 異性，其中張力會(huì)改變磁特性，導(dǎo)致磁各向異性；以及在反鐵磁材料和鐵磁材料相互作用時(shí) 發(fā)生的交換各向異性。各向異性場(chǎng)(Hk)可以被定義為能夠從易軸切換材料的磁化的最弱 的磁場(chǎng)。常規(guī)的自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁阻結(jié)構(gòu)或自旋扭矩磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)可包括圖 1示出的二端器件100，其在磁隧道結(jié)疊層中包括自由側(cè)110，其包括自由鐵磁性層(FM 層)111 ；隧道勢(shì)壘層120 ；以及釘扎側(cè)130，其包括釘扎FM層131和釘扎側(cè)反鐵磁性層(AFM 層)132。隧道結(jié)包括在自由側(cè)110與釘扎側(cè)130之間的隧道勢(shì)壘層120。釘扎FM層131 的磁矩的方向被釘扎側(cè)AFM層132固定到一方向(例如，指向右側(cè))。向下流過(guò)隧道結(jié)的電 流使自由FM層111的磁化平行于釘扎FM層131的磁化，例如，指向右側(cè)。向上流過(guò)隧道結(jié) 的電流使自由FM層111的磁化反平行于釘扎FM層131的磁化，例如，指向左側(cè)。向上或向 下流過(guò)器件100的較小的電流用于讀取器件100的電阻，該電阻依賴(lài)于自由FM層111與釘 扎FM層121的磁化的相對(duì)取向。
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在常規(guī)自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁阻結(jié)構(gòu)或常規(guī)自旋扭矩磁阻MRAM中，可以實(shí)現(xiàn)自由磁性 層為鐵磁體或鐵氧磁體而不是反鐵磁體；以及可以使用反鐵磁性層但卻作為釘扎層的部分 而不是自由層的部分。釘扎層使其磁化固定到一方向且不能切換。常規(guī)自旋扭矩MRAM具有幾個(gè)問(wèn)題。一個(gè)問(wèn)題為需要減小切換MRAN基元所需的寫(xiě) 入電流。本發(fā)明通過(guò)在自由層中并入反鐵磁性層而解決該問(wèn)題。在包括三個(gè)層的自旋扭矩反鐵磁結(jié)構(gòu)中可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)小的切換(寫(xiě)入)電流。第 一層為第一反鐵磁體。第二層為非磁性金屬。第三層為第二反鐵磁體。非磁性金屬位于第 一與第二反鐵磁體之間。例如，第一和第二反鐵磁體包括鉻(Cr)，非磁性金屬包括金(Au)。 該反鐵磁結(jié)構(gòu)可以具有比鐵磁結(jié)構(gòu)中的臨界切換電流小一百倍的臨界切換電流，其中該鐵 磁結(jié)構(gòu)具有替代第一和第二反鐵磁體的鐵磁體。臨界切換電流的減小是因?yàn)榕c鐵磁體相 比，反鐵磁體中的退磁場(chǎng)減小。然而，該反鐵磁結(jié)構(gòu)不能用作MRAM，因?yàn)闆](méi)有感測(cè)(讀取) 該結(jié)構(gòu)的磁化狀態(tài)的已知方法。本發(fā)明的一個(gè)方面為一種新型自旋扭矩器件，其包括反鐵 磁結(jié)構(gòu)和該反鐵磁結(jié)構(gòu)的低切換電流，但卻可以用作MRAM電路中的存儲(chǔ)器基元。諸如隧道磁阻器件的自旋扭矩器件包括自由側(cè)、非磁性間隔物層以及釘扎側(cè)。自 由側(cè)可包括單層或多層；同樣地，釘扎側(cè)可包括單層或多層。非磁性間隔物層包括隧道勢(shì)壘 層或金屬層。隧道勢(shì)壘層包括電絕緣材料，當(dāng)用電壓適當(dāng)?shù)仄盟淼绖?shì)壘層時(shí)，電路可以隧 穿該電絕緣材料。金屬層包括導(dǎo)電非磁性金屬層。當(dāng)讀取隧道磁阻器件的狀態(tài)時(shí)，從跨過(guò) 非磁性間隔物層的磁阻信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)。如果非磁性間隔物為隧道勢(shì)壘層，則該磁阻信 號(hào)歸因于隧穿磁阻，或者，如果該間隔物為金屬層，則該磁阻信號(hào)歸因于巨磁阻。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，自旋扭矩結(jié)構(gòu)200包括自由側(cè)210、底釘扎側(cè) 230、頂釘扎端250、GMR間隔物層213以及非磁性間隔物層220。自由側(cè)210包括與自由AFM 層214鄰接且強(qiáng)交換耦合的相對(duì)薄的自由FM層215。自由FM層215鄰接非磁性間隔物層 220，允許用于讀出的與磁阻或巨磁阻相關(guān)的相對(duì)大和相對(duì)小的電阻。非磁性間隔物層220 與自由FM層215之間的界面僅僅產(chǎn)生相對(duì)小量的自選扭矩以有助于切換或?qū)懭胱孕ぞ?結(jié)構(gòu)200。GMR間隔物層213鄰接自由AFM層214和頂釘扎AFM層212，頂釘扎AFM層212 與頂釘扎FM層211鄰接且交換耦合。頂釘扎端250包括頂釘扎AFM層212和頂釘扎FM層 211。諸如MRAM基元的自旋扭矩器件包括例如自旋扭矩結(jié)構(gòu)200。包括一個(gè)或多個(gè)MRAM存 儲(chǔ)器基元的MRAM還可包括其他的電子器件或結(jié)構(gòu)，例如，包括硅的電子器件、晶體管、場(chǎng)效 應(yīng)晶體管、雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管、二極管、電阻器、電容器、電感器、另外的 存儲(chǔ)器器件、互連、模擬電路和數(shù)字電路。在MRAM存儲(chǔ)器基元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于自由FM 層215的磁矩的方向。用于切換或?qū)懭胱孕ぞ亟Y(jié)構(gòu)200的自旋扭矩的大部分來(lái)自在自由AFM層214之 上的層和接口。在自由AFM層214之上，存在自由AFM層214到GMR間隔物層213的界面、 GMR間隔物層213、GMR間隔物層213到頂釘扎層212的界面、以及頂釘扎AFM層212，其在切 換或?qū)懭肫陂g在自由FM層215上產(chǎn)生相對(duì)大的自旋扭矩。自由AFM層214、GMR間隔物層 213以及頂釘扎AFM層212適于提供用于切換自由FM層215的磁極化的大部分自旋扭矩。 通過(guò)使頂釘扎AFM層212的厚度大于自由AFM層214的厚度，還通過(guò)使頂釘扎FM層211位 于頂釘扎AFM層212的頂上且與頂釘扎AFM層212交換耦合，使頂釘扎AFM層212被釘扎。底釘扎側(cè)230包括底釘扎FM層231和底釘扎側(cè)AFM層232，該底釘扎側(cè)AFM層232與釘扎FM層231鄰接且交換耦合。頂釘扎FM層211和底釘扎FM層231中的一者或兩者 可以包括例如反平行(AP)層，該反平行層包括包含鈷和鐵的第一合金(CoFe)的第一 2納 米(nm)厚層、0. Snm釕(Ru)層、以及包含鈷和鐵的第二合金(CoFe)的第二 2納米(nm)厚 層。可替代地，頂釘扎FM層211和/或底釘扎FM層231可以包括簡(jiǎn)單的釘扎層，例如，鈷 和鐵的第三合金(CoFe)的3nm厚層。例如，非磁性間隔物層220可以包括作為隧道勢(shì)壘層 的氧化鎂(MgO)。底釘扎側(cè)AFM層232被強(qiáng)交換耦合到底釘扎FM層231，釘扎底釘扎FM層 231。底釘扎側(cè)AFM層232用于將底釘扎FM層231釘扎到特定的對(duì)準(zhǔn)(alignment)。自由FM層215相對(duì)薄，例如，其厚度僅僅足以獲得良好的跨過(guò)非磁性間隔物層220 的磁阻。自由FM層215的示例性厚度在0. 2nm與Inm之間。例如，自由FM層215包括包 含F(xiàn)e、Co和Ni中的至少一種的合金，例如CoFe。借助于自由AFM層214的晶體各向異性，自由AFM層214可以提供自由組合層240 的熱穩(wěn)定性，包括自由FM層215的熱穩(wěn)定性。自由AFM層214、底釘扎側(cè)AFM層232以及 頂釘扎AFM層212中的任何一種或全部可以包括例如錳(Mn)的合金，例如包含銥和錳的合 金(IrMn)、包含鉬和錳的合金(PtMn)、包含鐵和錳的合金(FeMn)、以及包含鎳和錳的合金 (NiMn)?？商娲兀杂葾FM層214、底釘扎側(cè)AFM層232以及頂釘扎AFM層211可以包括 不同的AFM材料。自由AFM層214可以由與底釘扎側(cè)AFM層232和頂釘扎AFM層211中的 材料相同或不同的材料構(gòu)成。自由AFM層214的厚度為例如在2nm到20nm的范圍。如果 由與底釘扎側(cè)AFM層232和/或頂釘扎AFM層211相同的材料構(gòu)成，則自由AFM層214應(yīng) 比底釘扎側(cè)AFM層232和/或頂釘扎AFM層211薄。GMR間隔物層213包括非磁性金屬，例如，Cu、Au或Ru。該非磁性金屬用于使自由 AFM層214與頂釘扎AFM層212分隔。圖3示出了自旋扭矩結(jié)構(gòu)300的寫(xiě)入操作。自旋扭矩結(jié)構(gòu)300包括被施加有寫(xiě)入 電流的自旋扭矩結(jié)構(gòu)200。在一種情況下，通過(guò)向上的寫(xiě)入電流310A實(shí)現(xiàn)寫(xiě)入，該向上的寫(xiě) 入電流310A包括被驅(qū)動(dòng)為垂直通過(guò)自旋扭矩結(jié)構(gòu)200的電子流。垂直粗實(shí)線(xiàn)上的箭頭方 向指向電子流的方向。為了改變自旋扭矩結(jié)構(gòu)200的數(shù)據(jù)狀態(tài)，寫(xiě)入電流使自由FM層215 和自由AFM層214的磁矩一起切換。如果底釘扎FM層231的磁矩321指向例如左側(cè)，在向 上的寫(xiě)入電流310A內(nèi)流動(dòng)的電子將被自旋極化到向左，并因此在自由FM層215上施加扭 矩以將自由FM層215的磁矩322A切換到向左。此外，自由AFM層214的表面磁矩323A也 將被切換到向左。當(dāng)在向上的寫(xiě)入電流310A中向上流動(dòng)的電子被入射在也被自旋極化到 例如向左的頂釘扎AFM層212上時(shí)，一些電子將被反射回到具有向左的自旋極化的自由AFM 層214和自由FM層215，由此同樣施加扭矩而使自由FM層215的磁矩322A和自由AFM層 214的表面磁矩323B切換到向左。如果數(shù)據(jù)狀態(tài)已經(jīng)對(duì)應(yīng)于否則將被向上的寫(xiě)入電流310A 誘導(dǎo)的數(shù)據(jù)狀態(tài)，則自由FM層215的磁矩322A和自由AFM層214的表面磁矩323A已經(jīng)被 設(shè)定到向左，因此將不會(huì)被向上的寫(xiě)入電流310A切換。相反地，如果電子流沿相反的方向(向下)，如同向下的寫(xiě)入電流310B那樣，則電 子將被自旋極化到向右，并且當(dāng)改變數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，自由FM層215的磁矩322B和自由AFM層 214的表面磁矩323B將被切換到向右。如果數(shù)據(jù)狀態(tài)已經(jīng)對(duì)應(yīng)于否則將被向下的寫(xiě)入電流 310B誘導(dǎo)的數(shù)據(jù)狀態(tài)，則自由FM層215的磁矩322B和自由AFM層214的表面磁矩323B已 經(jīng)被設(shè)定到向右，因此將不會(huì)被向下的寫(xiě)入電流310B切換。
該切換是由從頂釘扎AFM層212跨過(guò)GMR間隔物層213傳遞到自由AFM層214的 自旋扭矩的結(jié)果。還可以存在從底釘扎側(cè)230跨過(guò)非磁性間隔物層220傳遞的自旋扭矩的分量。例如，使用在所施加的磁場(chǎng)中的高溫退火來(lái)設(shè)定第一磁矩321和頂釘扎FM層211 的第四磁矩324的方向?？紤]讀取自旋扭矩結(jié)構(gòu)200。在一個(gè)實(shí)施例中，施加小于寫(xiě)入電流的讀取電流以讀 取非磁性間隔物層220的電阻?？邕^(guò)自旋扭矩結(jié)構(gòu)200施加讀取電流以使其從頂部到底部 或從底部到頂部流過(guò)自旋扭矩結(jié)構(gòu)200。非磁性間隔物層的220的電阻依賴(lài)于自由FM層 215和底釘扎FM層231的相對(duì)磁取向(磁矩的方向)。如果磁取向是平行的，則非磁性間 隔物層220的電阻相對(duì)較低。如果磁取向是反平行的，則非磁性間隔物層220的電阻相對(duì) 較高。如上所述，如果非磁性間隔物層220為電絕緣體，那么非磁性間隔物層220的電阻歸 因于隧穿磁阻，或者，如果非磁性間隔物層220是非磁性金屬，那么非磁性間隔物層220的 電阻歸因于巨磁阻。測(cè)量跨過(guò)自旋扭矩結(jié)構(gòu)200的對(duì)應(yīng)于所施加的讀取電流的電壓，這允 許根據(jù)歐姆定律計(jì)算跨過(guò)自旋扭矩結(jié)構(gòu)200的電阻。因?yàn)榉谴判蚤g隔物層220的電阻在自 旋扭矩結(jié)構(gòu)200內(nèi)的層的串聯(lián)電阻中占優(yōu)勢(shì)，所以通過(guò)測(cè)量自旋扭矩結(jié)構(gòu)200的電阻便可 以以一定的精確度獲得非磁性間隔物層220的電阻。在可替代實(shí)施例中，跨過(guò)自旋扭矩結(jié) 構(gòu)200施加讀取電壓，并且測(cè)量電流，由該電流計(jì)算自旋扭矩結(jié)構(gòu)200的電阻。在許多實(shí)施 例中，相對(duì)于非磁性間隔物層220的電阻，GMR間隔物層213的電阻對(duì)自旋扭矩結(jié)構(gòu)200的 電阻基本上沒(méi)有貢獻(xiàn)。此外，在自旋扭矩結(jié)構(gòu)200內(nèi)的除了非磁性間隔物層220之外的層 的電阻相對(duì)地小于非磁性間隔物層220的電阻?？紤]與比較自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁阻結(jié)構(gòu)的比較寫(xiě)入電流相比的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例 的自旋扭矩結(jié)構(gòu)(例如，自旋扭矩結(jié)構(gòu)200)的寫(xiě)入電流，其中所述比較自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁阻 結(jié)構(gòu)包括(i)在一側(cè)被比較結(jié)構(gòu)非磁性間隔物層鄰接而在另一側(cè)被終端(terminal)鄰接 的比較結(jié)構(gòu)自由鐵磁性層；(ii)比較結(jié)構(gòu)鐵磁性層或另一比較結(jié)構(gòu)非磁性間隔物層。本發(fā) 明的一個(gè)方面是低于比較寫(xiě)入電流的寫(xiě)入電流。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的自旋扭矩結(jié) 構(gòu)，切換自由FM層(例如，自由鐵磁性層215)的磁矩所需要的寫(xiě)入電流的量值小于切換在 比較自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁阻結(jié)構(gòu)中的比較結(jié)構(gòu)自由FM層的比較結(jié)構(gòu)磁矩所需要的比較寫(xiě)入電 流。例如，本發(fā)明的自旋扭矩結(jié)構(gòu)所需的寫(xiě)入電流小于比較自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁阻結(jié)構(gòu)所需的 寫(xiě)入電流的百分之十。圖4示例了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于形成自旋扭矩結(jié)構(gòu)的方法400。例如，該自 旋扭矩結(jié)構(gòu)包括自旋扭矩結(jié)構(gòu)200或MRAM存儲(chǔ)器基元。方法400的步驟可以按照不同于 所示例的順序的順序進(jìn)行。第一步驟410包括形成第一 FM層。第一FM層包括釘扎層，例如，底釘扎FM層231。第二步驟420包括形成第一非磁性間隔物層。第一非磁性間隔物層包括隧道勢(shì)壘 或非磁性金屬。例如，第一非磁性間隔物層包括非磁性間隔物層220。第一非磁性間隔物層 鄰接第一 FM層。第三步驟430包括形成第二 FM層。第二 FM層包括自由FM層，例如，自由FM層 215。第二 FM層鄰接第一非磁性間隔物層。第四步驟440包括形成第一 AFM層。第一 AFM層包括與第二 FM層交換耦合且鄰接的自由層。例如，第一 AFM層包括自由AFM層214。在本發(fā)明的實(shí)施例(例如，MRAM存儲(chǔ) 器基元)內(nèi)，當(dāng)跨過(guò)自旋扭矩結(jié)構(gòu)施加適宜極性的寫(xiě)入電流時(shí)，第二 FM層的磁矩方向和第 一 AFM層的磁矩方向被切換。在切換之后，第二 FM層的磁矩方向和第一 AFM層的磁矩方向 平行并且例如存儲(chǔ)MRAM存儲(chǔ)器基元的數(shù)據(jù)狀態(tài)。第五步驟450包括形成第二非磁性間隔物層。第二非磁性間隔物層包括非磁性金 屬層或GMR間隔物層。例如，第二非磁性間隔物層包括GMR間隔物層213。第二非磁性間隔 物層鄰接第一 AFM層。第六步驟460包括形成第二 AFM層。第二 AFM層包括釘扎AFM層，例如，頂釘扎 AFM層212。第二 AFM層鄰接第二非磁性間隔物層。第一 AFM層、第二非磁性間隔物層以及 第二 AFM層構(gòu)成這樣的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)適于提供用于切換第二 FM層的磁極化的大部分自旋扭 矩并能夠使用相對(duì)低量值的寫(xiě)入電流來(lái)切換第二 FM層的磁極化。第七步驟470包括形成第三AFM層，該第三AFM層包括釘扎AFM層，例如，底釘扎 側(cè)AFM層232。第三AFM層與第一 FM層鄰接并交換耦合。第五步驟480包括形成第三FM層，該第三FM層包括釘扎FM層，例如，頂釘扎FM 層211。第三FM層與第二 AFM層鄰接并交換耦合。圖5為示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性封裝的集成電路500的截面圖。封裝 的集成電路500包括引線(xiàn)框502、附接到引線(xiàn)框的管芯504以及塑性包封模508。雖然圖5 僅僅示出了一種類(lèi)型的集成電路封裝，但本發(fā)明并不局限于此；本發(fā)明可包括以任何封裝 類(lèi)型包封的集成電路管芯。管芯504包括在此描述的器件，并且可包括其他結(jié)構(gòu)或電路。例如，管芯504包括 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的至少一個(gè)自旋扭矩結(jié)構(gòu)或MRAM，例如，自旋扭矩結(jié)構(gòu)200以及根據(jù) 本發(fā)明的方法(例如，圖4的方法)形成的實(shí)施例。例如，其他結(jié)構(gòu)或電路可以包括包含 硅的電子器件、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管、二極管、電 阻器、電容器、電感器、另外的存儲(chǔ)器器件、互連、模擬電路以及數(shù)字電路。自旋扭矩結(jié)構(gòu)或 MRAM可以形成在半導(dǎo)體襯底上或半導(dǎo)體襯底內(nèi)，管芯也包括襯底?？梢栽趹?yīng)用程序(applications)、硬件和/或電子系統(tǒng)中采用根據(jù)本發(fā)明的集成 電路。用于實(shí)施本發(fā)明的合適的硬件和系統(tǒng)可以包括但不限于個(gè)人計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、電子 商務(wù)系統(tǒng)、便攜通信裝置(例如，移動(dòng)電話(huà))、固態(tài)介質(zhì)存儲(chǔ)裝置、功能電路等等。包含這樣 的集成電路的系統(tǒng)和硬件被認(rèn)為是本發(fā)明的一部分。在給出了這里所提供的本發(fā)明的教導(dǎo) 的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠設(shè)想本發(fā)明的技術(shù)的其他實(shí)施和應(yīng)用。雖然這里已經(jīng)參考附圖描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但是應(yīng)理解，本發(fā)明并不 局限于這些精確的實(shí)施例，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不背離所附權(quán)利要求的范圍的情 況下在其中進(jìn)行各種其他改變和修改。
1權(quán)利要求
一種磁阻結(jié)構(gòu)，包括第一鐵磁性層；第一非磁性間隔物層，其鄰近所述第一鐵磁性層；第二鐵磁性層，其鄰近所述第一非磁性間隔物層且包括自由鐵磁性層；以及第一反鐵磁性層，其鄰近所述第二鐵磁性層，其中所述第一反鐵磁性層包括自由反鐵磁性層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻結(jié)構(gòu)，還包括第二非磁性間隔物層，其鄰近所述第一反鐵磁性層；以及第二反鐵磁性層，其鄰近所述第二非磁性間隔物層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻結(jié)構(gòu)，還包括第三反鐵磁性層，其鄰近所述第一鐵磁性層且與所述第一鐵磁性層交換耦合，其中所 述第三反鐵磁性層包括第二釘扎反鐵磁性層；以及第三鐵磁性層，其鄰近所述第二反鐵磁性層，其中所述第三鐵磁性層包括第二釘扎鐵 磁性層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述第二反鐵磁性層包括第一釘扎反鐵磁性層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述第一鐵磁性層包括第一釘扎鐵磁性層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述第一非磁性間隔物層包括隧穿勢(shì)壘層、氧化 鎂和非磁性金屬層中的至少一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述第二非磁性間隔物層包括非磁性金屬層和巨 磁阻層中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的磁阻結(jié)構(gòu)，其中滿(mǎn)足下列中的至少一種i)所述第一反鐵磁性層 包括鉻；ii)所述第二反鐵磁性層包括鉻；以及iii)所述第二非磁性間隔物層包括金、銅和 釕中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁性層與所述第一反鐵磁性層交換耦I(lǐng)=I O
10.根據(jù)權(quán)利要求2的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述第一反鐵磁性層、所述第二非磁性間隔物層 以及所述第二反鐵磁性層中的至少一者適于提供用于切換所述第二鐵磁性層的磁極化的 大部分自旋扭矩。
11.根據(jù)權(quán)利要求3的磁阻結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)下列中的至少一種來(lái)釘扎所述第二反鐵磁 性層i)所述第三鐵磁性層；以及ii)使所述第二反鐵磁性層的厚度大于所述第一反鐵磁 性層的厚度。<
12.根據(jù)權(quán)利要求3的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述第一鐵磁性層和所述第三鐵磁性層中的至 少一者包括下列中的至少一種i)鈷和鐵的合金；以及ii)多個(gè)子層，其中所述多個(gè)子層中 的兩個(gè)具有反平行的磁矩。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁性層包括包含鐵、鈷和鎳中的至少 一種的合金。
14.根據(jù)權(quán)利要求3的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述第一、第二和第三反鐵磁性層中的至少一者 包括合金，并且其中所述合金包括選自錳、銥、鎳、鉬和鐵中的至少一者。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻結(jié)構(gòu)，其適于通過(guò)寫(xiě)入電流切換所述第二鐵磁性層和所述第一反鐵磁性層二者的磁矩。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻結(jié)構(gòu)，其中切換所述第二鐵磁性層的磁矩所需的寫(xiě)入電流 的量值小于切換比較磁阻結(jié)構(gòu)中的比較自由鐵磁性層的比較磁矩所需的比較寫(xiě)入電流，所 述比較磁阻結(jié)構(gòu)包括所述比較自由鐵磁性層，所述比較自由鐵磁性層在一側(cè)被比較非磁性 間隔物層鄰接而在另一側(cè)被器件終端、另一比較非磁性間隔物層和比較鐵磁性層中的至少 一者鄰接。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述第一反鐵磁性層適于為所述第二鐵磁性層 提供熱穩(wěn)定性。
18.—種磁阻存儲(chǔ)器器件，包括第一鐵磁性層；第一非磁性間隔物層，其鄰近所述第一鐵磁性層；第二鐵磁性層，其鄰近所述第一非磁性間隔物層且包括自由鐵磁性層；以及第一反鐵磁性層，其鄰近所述第二鐵磁性層，其中所述第一反鐵磁性層包括自由反鐵 磁性層；其中所述磁阻存儲(chǔ)器器件存儲(chǔ)與磁矩的至少兩個(gè)方向?qū)?yīng)的至少兩個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的磁阻存儲(chǔ)器器件，還包括第二非磁性間隔物層，其鄰近所述第一反鐵磁性層；以及第二反鐵磁性層，其鄰近所述第二非磁性間隔物層，其中所述第一反鐵磁性層、所述第 二非磁性間隔物層以及所述第二反鐵磁性層中的至少一者適于提供用于切換所述第二鐵 磁性層的磁極化的大部分自旋扭矩。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的磁阻存儲(chǔ)器器件，其中存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器基元中的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于在所 述第二鐵磁性層和所述第一反鐵磁性層中的至少一者中的磁矩的方向。
21.一種集成電路，包括襯底；第一鐵磁性層；第一非磁性間隔物層，其鄰近所述第一鐵磁性層；第二鐵磁性層，其鄰近所述第一非磁性間隔物層且包括自由鐵磁性層；以及第一反鐵磁性層，其鄰近所述第二鐵磁性層，其中所述第一反鐵磁性層包括自由反鐵 磁性層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的集成電路，還包括第二非磁性間隔物層，其鄰近所述第一反鐵磁性層；以及第二反鐵磁性層，其鄰近所述第二非磁性間隔物層，其中所述第一反鐵磁性層、所述第 二非磁性間隔物層以及所述第二反鐵磁性層中的至少一者適于提供用于切換所述第二鐵 磁性層的磁極化的大部分自旋扭矩。
23.一種形成自旋扭矩結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括以下步驟形成第一鐵磁性層；形成第一非磁性間隔物層，所述第一非磁性間隔物層鄰近所述第一鐵磁性層；形成第二鐵磁性層，所述第二鐵磁性層鄰近所述第一非磁性間隔物層且包括自由鐵磁 性層；以及形成第一反鐵磁性層，所述第一反鐵磁性層鄰近所述第二鐵磁性層，其中所述第一反 鐵磁性層包括自由反鐵磁性層。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，還包括以下步驟形成第二非磁性間隔物層，所述第二非磁性間隔物層鄰近所述第一反鐵磁性層；以及 形成第二反鐵磁性層，所述第二反鐵磁性層鄰近所述第二非磁性間隔物層。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁阻存儲(chǔ)器器件和集成電路以及形成自旋扭矩結(jié)構(gòu)的方法。提出了磁阻結(jié)構(gòu)、器件、存儲(chǔ)器及其形成方法。例如，一種磁阻結(jié)構(gòu)包括第一鐵磁性層；第一非磁性間隔物層，其鄰近所述第一鐵磁性層；第二鐵磁性層，其鄰近所述第一非磁性間隔物層；以及第一反鐵磁性層，其鄰近所述第二鐵磁性層。例如，所述第一鐵磁性層可以包括第一釘扎鐵磁性層，所述第二鐵磁性層可以包括自由鐵磁性層，并且所述第一反鐵磁性層可以包括自由反鐵磁性層。
文檔編號(hào)H01L27/22GK101901867SQ201010192820
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月29日
發(fā)明者D·沃利奇 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司