具有增強(qiáng)穩(wěn)定性的垂直自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲器(sttm)器件以及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實施例屬于存儲器器件領(lǐng)域，具體而言，屬于具有增強(qiáng)穩(wěn)定性的垂直自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲器(STTM)器件和制造具有增強(qiáng)穩(wěn)定性的垂直STTM器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]過去幾十年間，集成電路中特征的縮放已經(jīng)是不斷增長的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動力?？s放到越來越小的特征能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體芯片有限的面積上功能單元的增大的密度。例如，縮放晶體管尺寸容許在芯片上并入增加數(shù)量的存儲器器件，導(dǎo)致制造具有更大能力的產(chǎn)品。然而，對越來越大能力的驅(qū)動并非沒有問題。優(yōu)化每個器件的性能的必要性變得越來越重要。
[0003]自旋扭矩器件的工作基于自旋轉(zhuǎn)移扭矩現(xiàn)象。如果使電流通過被稱為固定磁性層的磁化層，其在離開時會發(fā)生自旋極化。在每個電子通過時，其自旋(角動量)將被轉(zhuǎn)移為被稱為自由磁性層的下一磁性層中的磁化，并將導(dǎo)致其磁化發(fā)生小的變化。實際上，這是一種扭矩導(dǎo)致的磁化的進(jìn)動。由于電子的反射，扭矩還被施加到相關(guān)聯(lián)的固定磁性層的磁化上。最后，如果電流超過一定臨界值(由磁性材料及其環(huán)境導(dǎo)致的阻尼給出)，則將由通常為大約1-10納秒的電流脈沖切換自由磁性層的磁化。固定磁性層的磁化可以保持不變，因為由于幾何結(jié)構(gòu)或由于相鄰反鐵磁性層，相關(guān)聯(lián)的電流在其閾值以下。
[0004]自旋轉(zhuǎn)移扭矩可以用于翻轉(zhuǎn)(flip)磁性隨機(jī)存取存儲器中的有源元件。自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲器或STTM相對于使用磁場翻轉(zhuǎn)有源元件的常規(guī)磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)具有更低的功率消耗和更好的可縮放性的優(yōu)點。然而，在STTM器件的制造和使用領(lǐng)域中仍然需要顯著的改進(jìn)。
【附圖說明】
[0005]圖1示出了常規(guī)自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲器(STTM)器件的材料層疊置體的截面圖。
[0006]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的垂直STTM器件的材料層疊置體的截面圖。
[0007]圖3為根據(jù)本發(fā)明的實施例的對于比較的STTM器件的作為磁場(mT)函數(shù)的歸一化異?；魻栃?yīng)(EHE)(任意單位)的曲線圖。
[0008]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的垂直STTM器件的另一個材料層疊置體的截面圖。
[0009]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括自旋轉(zhuǎn)移扭矩元件的自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲器位單元的示意圖。
[0010]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子系統(tǒng)的框圖。
[0011]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的計算裝置。
【具體實施方式】
[0012]描述了具有增強(qiáng)穩(wěn)定性的垂直自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲器(STTM)器件和制造具有增強(qiáng)穩(wěn)定性的垂直STTM器件的方法。在以下描述中，闡述了很多特定細(xì)節(jié)，諸如特定的磁性層集成和材料域(regime)，以便提供對本發(fā)明的實施例的透徹理解。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，可以無需這些特定細(xì)節(jié)來實施本發(fā)明的實施例。在其它情況下，未詳細(xì)描述公知的特征，諸如集成電路設(shè)計布局，以免不必要地使本發(fā)明的實施例模糊不清。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，圖中所示的各個實施例是示例性表示，未必是按比例繪制的。
[0013]一個或多個實施例針對用于提高垂直STTM系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。申請人可以包括在嵌入式存儲器、嵌入式非易失性存儲器(NVM)、磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)、磁性隧穿結(jié)(MTJ)器件、NVM、垂直MTJ、STTM和非嵌入式存儲器或獨立存儲器中使用。在實施例中，垂直STTM器件的穩(wěn)定性是通過并入與自由磁性層相鄰的導(dǎo)電氧化層來實現(xiàn)的，如下文更詳細(xì)地描述的。導(dǎo)電氧化層可以具有充當(dāng)電極的一部分和氧化自由磁性層的組分中包括的鐵/鈷(Fe/Co)的一部分的雙重作用。
[0014]穩(wěn)定性是對基于STTM器件及由其制造的存儲器陣列進(jìn)行縮放所面對的最重要問題之一。隨著縮放的持續(xù)，需要更小存儲器元件來適應(yīng)縮放單元尺寸已經(jīng)驅(qū)動垂直STTM的方向上的產(chǎn)業(yè)，對于小存儲元件尺寸而言，垂直STTM具有更高的穩(wěn)定性。常見的垂直STTM通過三種方式實現(xiàn)，該三種方式全部依賴于界面調(diào)諧，以從包括磁性層的材料疊置體中獲得最大量的垂直強(qiáng)度，因此，獲得最大量的穩(wěn)定性。
[0015]作為示出本文所述核心概念的基礎(chǔ)，圖1示出了常規(guī)自旋轉(zhuǎn)移扭矩存儲器(STTM)器件的材料層疊置體的截面圖。參考圖1，面內(nèi)(in-plane) STTM器件的材料層疊置體100包括底部電極102、固定磁性層106、電介質(zhì)層108、自由磁性層110和頂部電極112。材料層疊置體100的磁性隧穿結(jié)(MTJ)部分包括固定磁性層106、電介質(zhì)層108和自由磁性層110。材料疊置體100是用于制造STTM的基礎(chǔ)材料疊置體，并且可以制造成具有更大的復(fù)雜性。例如，盡管疊置體100中未示出，但反鐵磁性層也可以包括在位置104中，S卩，底部電極102與固定磁性層106之間。另外，電極102和電極112自身可以包括具有不同屬性的材料的多個層。圖1中所示的材料疊置體在其最基本形式中可以是面內(nèi)系統(tǒng)，其中磁性層106和110的自旋在層自身相同的平面中，如圖1中的120所示。
[0016]在沒有進(jìn)一步加工(engineer)的情況下，圖1中的材料疊置體100通常是面內(nèi)自旋系統(tǒng)。然而，在層或界面加工的情況下，可以制造材料疊置體以提供垂直自旋系統(tǒng)。在第一個例子中，再次參考作為平臺的材料疊置體100的特征，從用于面內(nèi)STTM器件的常規(guī)厚度減薄自由磁性層110，例如，由CoFeB構(gòu)成的自由磁性層。減薄的程度可以充分大，以使得從層110中的與電介質(zhì)層108中的氧相互作用(例如，與圖1的界面處的氧化鎂(MgO)層108相互作用)的鐵/鈷(Fe/Co)獲得的垂直分量相對于自由CoFeB層110的面內(nèi)分量占支配地位。此例子提供了基于耦合到自由層的一個界面(即，CoFeB-MgO界面)的單層系統(tǒng)的垂直系統(tǒng)。來自MgO層的氧對CoFeB層中表面鐵/鈷原子(Fe/Co)的氧化程度為自由層提供了強(qiáng)度(穩(wěn)定性)，以具有垂直支配的自旋態(tài)。在此例子中，電極102和電極112由諸如鉭(Ta)的單種金屬構(gòu)成。
[0017]在第二個例子中，再次參考作為平臺的材料疊置體100的特征，利用交替的磁性層(例如，鈷(Co))和非磁性層(例如，鈀(Pd))的多層疊置體電極來替代頂部電極112。這種多層方案提供了每個磁性薄膜層(Co)都具有在自旋方向上垂直的界面。此疊置體中的最后(底部)Co層(例如在自由層110上并且形成界面2的Co層)磁性耦合到下方的CoFeB自由層110。替代地，可以在疊置體中的最后(底部)Co層與自由層110之間包括鉭(Ta)的薄層。在完整的自由層中(并且可能除界面I之外)，具有交替的磁性層和非磁性層的電極112中的所有界面(從界面2開始)的總和為待是垂直的自由層110的材料提供了穩(wěn)定性。即，對于此第二個例子，垂直自旋器件的穩(wěn)定性驅(qū)動機(jī)制包括前述第一個例子(即，來自界面I)的MgO耦合加上自由層110到上方垂直磁體的另外的耦合界面2的組合。
[0018]在第三例子中，再次參考作為平臺的材料疊置體100的特征，提供了與第一個例子類似的結(jié)構(gòu)。然而，如圖1所示，向位置130處的疊置體添加了另外的隧穿阻擋過濾層(例如，第二 MgO層)。包括第二 MgO層容許來自這種頂部MgO層的氧與CoFeB自由層110的頂部處中的Fe/Co相互作用(例如，氧化)，實際上相對于第一個例子使單元的穩(wěn)定性加倍。然而，如同此方式一樣的引人注目的是，在將第二 MgO層添加到疊置體100的情況下存在一個基本問題。S卩，這種第二 MgO層實際上是能夠相當(dāng)大程度增大所得疊置體的電阻的薄的電介質(zhì)膜。電阻可能會增大到干擾檢測“I”狀態(tài)和“O”狀態(tài)之間的差異的能力的程度，下文更詳細(xì)地描述該檢測。
[0019]在另一方面，通過使用疊置體內(nèi)的導(dǎo)電氧化層增強(qiáng)了 STTM單元的垂直性質(zhì)或支配的穩(wěn)定性。例如，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的垂直STTM器件的材料層疊置體的截面圖。
[0020]參考圖2，用于垂直STTM器件的材料層疊置體200包括底部電極202、固定磁性層206、電介質(zhì)層208、自由磁性層210和頂部電極。頂部電極由導(dǎo)電氧化物層214 (和可能另外的金屬帽層216)構(gòu)成。材料層疊置體200的磁性隧穿結(jié)(MTJ)部分包括固定磁性層206、電介質(zhì)層208和自由磁性層210。材料疊置體200是用于制造垂直STTM的基礎(chǔ)材料疊置體，并且可以制造成具有更大的復(fù)雜性。例如，盡管在疊置體200中未示出，但也可以在位置204中(即，底部電極202與固定磁性