CN102456830A - 具有垂直各向异性和增强层的磁性隧穿结单元 - Google Patents

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CN102456830A CN2011103525794A CN201110352579A CN102456830A CN 102456830 A CN102456830 A CN 102456830A CN 2011103525794 A CN2011103525794 A CN 2011103525794A CN 201110352579 A CN201110352579 A CN 201110352579A CN 102456830 A CN102456830 A CN 102456830A
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Abstract

本发明涉及具有垂直各向异性和增强层的磁性隧穿结单元，其包括：铁磁自由层；具有至少约
Figure DSA00000609569000011
厚度的增强层；氧化物阻挡层；以及铁磁基准层，其中所述增强层和所述氧化物阻挡层位于所述铁磁基准层和铁磁自由层之间，且所述氧化物阻挡层相邻于所述铁磁基准层，且其中所述铁磁自由层、所述铁磁基准层和所述增强层均具有平面外的磁化方向。

Description

具有垂直各向异性和增强层的磁性隧穿结单元
技术领域
本发明涉及磁性自旋扭矩存储单元，尤其涉及具有垂直各向异性和增强层的磁性隧穿结单元。
背景技术
新型存储器已展现出与常用形式的存储器相匹敌的显著可能性。例如，非易失性自旋转移(spin-transfer)扭矩随机存取存储器(在这里被称为ST-RAM)已被讨论作为“通用”存储器。磁性隧穿结(MTJ)单元由于其高速、相对高的密度和低功耗而在ST-RAM的应用中引起了很多注意。
多数活动已侧重于具有面内磁各向异性的磁性隧穿结单元。然而，对得到足够的温度稳定性需要多低的切换电流存在限制，这进一步限制了CMOS晶体管尺寸，其最终限制存储器阵列密度。另外，存在非常低的单元形状公差和边缘粗糙度，这些因素可能对照相平版印刷技术形成挑战。设计成提高磁性隧穿结单元结构和材料的技术、设计和修正仍是重要的领先领域以使ST-RAM的优势最大化。
发明内容
本公开涉及磁性自旋扭矩存储单元，经常被称为磁性隧穿结单元，其具有与晶片平面垂直对准的(或“面外的”)关联铁磁体层的磁各向异性(即磁化方向)。
本发明的一个特定实施例是磁性隧穿结单元，包括铁磁自由层；具有至少约
Figure BSA00000609569300011
厚度的增强层；氧化物阻挡层；以及铁磁基准层，其中所述增强层和所述氧化物阻挡层位于所述铁磁基准层和铁磁自由层之间，且所述氧化物阻挡层相邻于所述铁磁基准层，且其中所述铁磁自由层、所述铁磁基准层和所述增强层均具有平面外(out-of-plane)的磁化方向。
本发明的另一个具体实施例是一个设备，其包括：包括铁磁自由层的磁性隧穿结单元；具有至少约
Figure BSA00000609569300012
厚度的增强层；氧化物阻挡层；以及铁磁基准层，其中所述增强层和所述氧化物阻挡层位于所述铁磁基准层和铁磁自由层之间，且所述氧化物阻挡层相邻于所述铁磁基准层，且其中所述铁磁自由层、所述铁磁基准层和所述增强层均具有平面外(out-of-plane)的磁化方向；以及晶体管，其中所述晶体管电连接至所述磁性隧穿结单元。本发明的还有另一个具体实施例是存储器阵列，其包括多个并联导电的位线；与所述位线基本正交的多个并联导电的字线；以及多个磁性隧穿结单元，每一个磁性隧穿结单元包括铁磁自由层；具有至少约厚度的增强层；氧化物阻挡层；以及铁磁基准层，其中所述增强层和所述氧化物阻挡层位于所述铁磁基准层和铁磁自由层之间，且所述氧化物阻挡层相邻于所述铁磁基准层，且其中所述铁磁自由层、所述铁磁基准层和所述增强层均具有平面外(out-of-plane)的磁化方向，其中所述多个磁性隧穿结单元被设置在所述位线和字线的交叉点。
通过阅读下面的详细描述，这些以及各种其它的特征和优点将会显而易见。
附图说明
考虑以下联系附图对本公开的各种实施例的详细描述，能更完整地理解本公开，在附图中：
图1A是说明性MTJ单元的示意图；图1B是包括可选钉扎层的说明性MTJ单元的示意图；图1C是包括可选增强层和第一和第二电极的说明性MTJ单元的示意图；图1D是处于低阻态的具有面外磁化方向的说明性MTJ单元的示意性侧视图；以及图1E是处于高阻态的说明性磁性隧穿结存储单元的示意性侧视图；
图2是包括存储单元和半导体晶体管的示例性存储元件的示意图；
图3是说明性存储器阵列的示意图；
图4A(的CoFeB增强层)和4B(
Figure BSA00000609569300023
的CoFeB增强层)是垂直磁矩对为具有的CoFeB的增强层的MTJ单元(图4A)和具有的CoFeB增强层的MTJ单元(图4B)所施加的磁场的图表。
图5示出对具有
Figure BSA00000609569300026
的CoFeB增强层的MTJ单元的TMR率和切换电流(A/cm2)。
这些附图不一定按比例示出。附图中使用的相同数字表示相同部件。然而，将理解在给定附图中使用数字来指代部件不旨在限制另一附图中用同一数字标记的部件。
具体实施方式
本公开针对具有磁各向异性的磁性隧道结单元的多种实施例，磁各向异性导致关联铁磁体层的磁化方向垂直于晶片平面地对准，或“处于面外”。
在以下描述中，参照形成本说明书一部分的一组附图，其中通过图示示出了若干特定实施例。应当理解的是，可构想并可作出其他实施例，而不背离本公开的范围或精神。因此，以下详细描述不应按照限定的意义来理解。本文中所提供的任何定义用于便于对本文中频繁使用的某些术语的理解，而不是为了限制本公开的范围。
除非另外指明，否则在说明书和权利要求书中使用的表示特征大小、量、以及物理性质的所有数字应被理解为在任何情况下均由术语“约”修饰。因此，除非相反地指明，否则在上述说明书和所附权利要求中陈述的数值参数是近似值，这些近似值可利用本文中公开的教导根据本领域技术人员所寻求获得的期望性质而变化。
如本说明书以及所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”涵盖具有复数引用物的实施例，除非该内容明确地指示并非如此。如本说明书以及所附权利要求书中所使用的，术语“或”一般以包括“和/或”的意义来使用，除非该内容明确地指出并非如此。
虽然本发明不仅限于此，但通过对下文提供的示例的讨论将获得对本公开的各个方面的理解。
图1A示出具有垂直或面外磁化方向的说明性MTJ单元。MTJ单元100包括相对柔软的铁磁自由层110、铁磁基准(如，固定的)层140。铁磁自由层110与铁磁基准层140由氧化物阻挡层130或非磁性隧穿阻挡层分隔开。MTJ单元100还包括增强层120。增强层120可相邻于氧化物阻挡层130、相邻于自由层110或既相邻于氧化物阻挡层130又相邻于自由层110。MTJ单元100还可被描述为增强层和位于铁磁基准层与铁磁自由层之间的氧化物阻挡层；以及相邻于铁磁基准层的氧化物阻挡层。
自由层110、基准层140和增强层120各自具有关联的磁化方向。层110、120和140的磁化方向不平行于层延伸方向和在其上形成存储单元100的晶片衬底的平面。在一些实施例中，层110、120和140的磁化方向可被称为“面外”。在一些实施例中，层110、120和140的磁化方向可被称为“至少基本垂直”。在一些实施例中，层110、120和140的磁化方向可被称为“垂直”。在一些实施例中，层110和140的磁化方向可以是“垂直”且层120的磁化方向可以是“面外”或“至少基本垂直”。自由层110的磁化方向相比于基准层140和增强层120更易切换。为了清楚起见，在这些附图中不绘出例如籽晶层或覆盖层之类的其它可选层。
自由层110和基准层140可独立地由例如Fe、Co、或Ni以及其诸如NiFe与CoFe的合金等任何有用铁磁(FM)材料制成。自由层110和基准层250中的一个或两个都可以是单层或多层的。可形成自由层和固定层的材料的特定示例可包括带有垂直各向异性的单层，诸如TbCoFe、GdCoFe和FePt；诸如Co/PtCo/Ni多层的层叠层；以及层叠诸如Co/Fe和CoFeB合金的高自旋极化铁磁材料的垂直各向异性材料。
在实施例中，制成至少自由层110(且在实施例还有基准层140)的材料的成分可被选择为增强补偿温度、垂直各向异性并与相邻增强层交换耦合。用于至少自由层的FePt的示例成分可具有铁(Fe)含量为35-60原子百分比；且白金(Pt)含量为40-65原子百分比。用于至少自由层的TbCoFe示例成分可具有铽(Tb)含量为20-35原子百分子；铁(Fe)含量为40-75原子百分比；且钴(Co)含量为5-40原子百分比。
自由层110和基准层140可基本具有至少
Figure BSA00000609569300041
的厚度。在实施例中，自由层110和基准层140可具有至少
Figure BSA00000609569300042
的厚度。在实施例中，自由层110和基准层140可具有
Figure BSA00000609569300043
的厚度。在实施例中，自由层110和基准层140可具有
Figure BSA00000609569300044
的厚度且可由例如TbCoFe制成。
阻挡层130可由诸如，例如氧化物材料(如，Al2O3、TiOx或MgOx)的电绝缘材料或半导体材料来制成。阻挡层130可以是单层或可以是层叠了另一个氧化物或金属(例如，Mg/MgO双层)的层。可取决于工艺可行性与设备可靠性用自由层110或用基准层140可选地图案化阻挡层130。
增强层120可邻近自由层110。在实施例中，增强层120可直接相邻于自由层110。增强层120可起增强自由层的自旋极化的作用，这导致较高的隧穿磁阻(TMR)。所公开的增强层120可轻微(slightly)解耦(decouple from)于自由层110。这可由增强层120是相对较厚、具有稍微倾斜的磁矩(相对于自由层110)或其组合而实现。增强层120相对于自由层110的稍微倾斜的磁矩还可表征为仅基本垂直于晶片衬底。
在实施例中，增强层120可以是相对较厚的。在实施例中，增强层120可以至少15埃
Figure BSA00000609569300051
厚。在实施例中，增强层120可以至少
Figure BSA00000609569300052
厚。在实施例中，增强层120可以
Figure BSA00000609569300053
到
Figure BSA00000609569300054
厚。在实施例中，增强层120可以
Figure BSA00000609569300055
到
Figure BSA00000609569300056
厚。增强层120的厚度，也就是，至少
Figure BSA00000609569300057
厚，可减弱自由层110和增强层120之间的交换耦合，这导致增强层的磁矩为一定程度的倾斜。增强层的厚度的效果可见于图1A中所示，用箭头表示增强层120的磁矩稍微偏离于自由层110的磁矩的轴。增强层的倾斜的磁矩可容许增强层仍然增加TMR不过同时降低切换电流。
增强层120一般可由任何铁磁材料制成。在实施例中，增强层120可由具有高自旋极化的铁磁材料制成。例如，增强层120可由Fe、Co或Ni及其合金，诸如NiFe、CoFe或者CoFeB合金制成。在实施例中，增强层120可以是具有Co组分在20-86原子百分比、Fe组分从10-60百分比、B组分为4-20百分比的CoFeB合金。在实施例中，增强层120可由CoFeB制成且具有到
Figure BSA00000609569300059
的厚度。
增强层120还可选地具有任何厚度，不过可被制成带有稍微偏离自由层垂直轴的磁矩。这示意地示于图1A中。在这样的实施例中，不必定是增强层的效果，不过增强层的磁矩本身可确保更充分的自旋扭矩转移，这可导致切换电流减少。
图1B示出MTJ单元的另一示例性实施例。MTJ单元101包括可选的钉扎层150，设置在邻近或相邻基准层140处。钉扎层150，若其存在，限定住基准层140的磁化方向。在一些实施例中，这样的钉扎层150可具有零磁化，但仍然能限定住基准层140的磁化。钉扎层，如果存在的话，可以是诸如PtMn、IrMn及其它的反铁磁性规则材料(AFM)。
图1C示出示例性堆栈或设备120，其包括如上所述的MTJ单元103。这样的设备102包括与铁磁自由层110电接触的第一电极170和与铁磁基准层140电接触(或在这个具体实施例中是钉扎层150)的第二电极160。电极160、170将铁磁自由层和基准层110、140电连接至通过层110、140提供读和写电流的控制电路。MTJ单元103两端的电阻由铁磁体层110、140的磁化矢量的相对方向或磁化方向确定。在图示实施例中，铁磁基准层140的磁化方向被钉扎层150限定在预定方向，而铁磁自由层110的磁化方向在自旋矩影响下自由旋转。
在实施例中，诸如图1C中所示，自由层110和增强层120可由可选的插入层125所间隔。可选插入层125可起改善阻挡层质量、降低层间耦合并改善耐蚀性以获得价高的磁阻率的作用。该插入层可由金属、半导体或绝缘材料制成。示例性材料可包括例如钽(Ta)、钌(Ru)、铬(Cr)或者氧化镁(MgO)。
图1D示出，磁性隧穿结存储单元105处于低阻态，其中自由层110的磁化方向与基准层140的磁化方向处于同一方向。在图1E中，磁性隧穿结单元106处于高阻态，其中自由层110的磁化方向与基准层140的磁化方向处于相反方向。在一些实施例中，低阻态可以是“0”数据状态而高阻态是“1”数据状态，而在其它一些实施例中，低阻态可以是“1”而高阻态是“0”。
经由自旋转移切换阻态并因此切换磁性隧穿结存储单元105的数据状态发生在流过磁性隧穿结存储单元105的磁性层的电流变得自旋极化并给予自由层110自旋扭矩时。当充足的自旋扭矩被施加于自由层110时，自由层110的磁化方向可在两相反方向之间切换，并相应地，磁性隧穿结存储单元105可在低阻态和高阻态之间切换。
图2是示例性存储器组件200的示意图，它包括经由导电元件240电连接至晶体管220(诸如基于半导体的晶体管)的存储器元件210。存储器元件210可以是此处描述的任何MTJ单元。晶体管220包括具有掺杂区域(例如，示为n掺杂区域)和在掺杂区域之间的沟道区域(例如，示为p掺杂沟道区域)的半导体衬底250。晶体管220包括栅极260，其电耦合于字线WL以允许选择并使电流从位线BL流至存储单元210。可编程金属化存储单元200的阵列可利用半导体制造技术形成在半导体衬底上。
图3是说明性存储器阵列300的示意电路图。多个存储单元350，如此处描述的，可被设置在阵列中以形成存储器阵列300。存储器阵列300包括多个并联导电的位线310。存储器阵列300包括基本正交于位线310的多个并联导电的字线320。字线320和位线310形成交叉点阵列，其中存储单元350被设置在每个交叉点上。存储单元350和存储器阵列300可使用传统的半导体制造技术来形成。
如此处所述的MTJ单元可使用各种技术来制成，包括例如等离子气相沉积(PVD)、蒸镀和分子束外延(MBE)。
如此处所述的MTJ单元可被用在MRAM应用、记录磁头和使用较大MR率，同时需要热稳定性且易于制造的任何应用中。这样的不同应用的示例可包括，例如，传感器应用和振荡器应用。
具有TbCoFe层和CoFeB增强层的MTJ单元和具有TbCoFe层和
Figure BSA00000609569300074
CoFeB增强层的MTJ单元的作为所施加磁场的函数的垂直磁矩被加以比较。这些结果可见于图4A(
Figure BSA00000609569300075
CoFeB增强层)和4B(CoFeB增强层)中。如通过更平稳的转换所示，增强层和自由层之间的耦合并不像具有
Figure BSA00000609569300077
CoFeB增强层的MTJ单元那样强烈。图4C示出对具有
Figure BSA00000609569300078
CoFeB增强层的MTJ单元的TMR率和切换电流(A/cm2)。从图5可见，具有CoFeB增强层的MTJ单元在RA乘积为35Ω/μm2时具有160％的MR比率。当在MRAM应用中使用这样的MTJ单元时，关键切换电流可以低至1.5x106A/cm2，这对于提供更低能耗的存储器是有利的。
在本公开中，提供具有垂直磁各向异性的磁性隧穿结单元的各种结构性设计。这些设计和布图工艺允许具有足够温度稳定性的减小切换电流，并允许具有对工艺偏差具有更高耐受性的高面积密度。
因此，公开了“具有垂直各向异性和增强层的磁性隧穿结单元”的实施例。上述实现以及其它实现在下面权利要求书的范围内。本领域技术人员将理解本公开可用除所公开的实施例之外的实施例来实施。所公开实施例是为阐述而非限定为目的而给出的，并且本公开仅由所附权利要求书来限定。

Claims (20)

1.一种磁性隧穿结单元，包括：
铁磁自由层；
具有至少约
Figure FSA00000609569200011
厚度的增强层；
氧化物阻挡层；以及
铁磁基准层；
其中所述增强层和所述氧化物阻挡层位于所述铁磁基准层和铁磁自由层之间，且所述氧化物阻挡层相邻于所述铁磁基准层，以及
其中所述铁磁自由层、所述铁磁基准层和所述增强层均具有平面外的磁化方向。
2.如权利要求1所述的磁性隧穿结单元，其特征在于，所述增强层直接位于与所述铁磁自由层相邻处。
3.如权利要求1所述的磁性隧穿结单元，其特征在于，所述增强层与所述铁磁自由层轻微解耦。
4.如权利要求1所述的磁性隧穿结单元，其特征在于，所述增强层至少为约
Figure FSA00000609569200012
厚。
5.如权利要求1所述的磁性隧穿结单元，其特征在于，所述增强层为约
Figure FSA00000609569200013
到
Figure FSA00000609569200014
厚。
6.如权利要求1所述的磁性隧穿结单元，其特征在于，所述增强层包括NiFe、CoFe或CoFeB。
7.如权利要求1所述的磁性隧穿结单元，其特征在于，还包括直接相邻于所述铁磁基准层的钉扎层。
8.如权利要求1所述的磁性隧穿结单元，其特征在于，还包括位于所述铁磁自由层和所述增强层之间的插入层。
9.如权利要求8所述的磁性隧穿结单元，其特征在于，所述插入层包括钽、钌、铬或氧化镁。
10.如权利要求1所述的磁性隧穿结单元，其特征在于，所述铁磁自由层和所述铁磁基准层选自：
TbCoFe、GdCoFe或FePt单层；以及
层叠的Co/PtCo/Ni。
11.如权利要求10所述的磁性隧穿结单元，其特征在于，所述铁磁自由层和所述铁磁基准层均包括从约35到约60原子百分比的铁(Fe)含量的FePt。
12.如权利要求10所述的磁性隧穿结单元，其特征在于，所述铁磁自由层和所述铁磁基准层均包括从约20到约35原子百分比的铽(Tb)含量和从约40到约75原子百分比的铁(Fe)含量的TbCoFe。
13.一种设备，包括：
磁性隧穿结单元，包括：
铁磁自由层；
具有至少约
Figure FSA00000609569200021
厚度的增强层；
氧化物阻挡层；以及
铁磁基准层；
其中所述增强层和所述氧化物阻挡层位于所述铁磁基准层和铁磁自由层之间，且所述氧化物阻挡层相邻于所述铁磁基准层，以及
其中所述铁磁自由层、所述铁磁基准层和所述增强层均具有平面外的磁化方向；以及
晶体管，
其中所述晶体管电连接至所述磁性隧穿结单元。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述增强层直接位于与所述铁磁自由层相邻处。
15.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述增强层至少为约
Figure FSA00000609569200031
厚。
16.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述增强层从约
Figure FSA00000609569200032
至
Figure FSA00000609569200033
厚。
17.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述增强层包括NiFe、CoFe或CoFeB。
18.一种存储器阵列，包括：
多个并联导电的位线；
与所述位线基本正交的多个并联导电的字线；以及
多个磁性隧穿结单元，每一个磁性隧穿结单元包括：
铁磁自由层；
具有至少约
Figure FSA00000609569200034
厚度的增强层；
氧化物阻挡层；以及
铁磁基准层；
其中所述增强层和所述氧化物阻挡层位于所述铁磁基准层和铁磁自由层之间，且所述氧化物阻挡层相邻于所述铁磁基准层，以及
其中所述铁磁自由层、所述铁磁基准层和所述增强层均具有平面外的磁化方向，
其中所述多个磁性隧穿结单元中的每一个被设置在所述位线和字线的交叉处。
19.如权利要求18所述的存储器阵列，其特征在于，所述增强层至少为约
Figure FSA00000609569200035
厚。
20.如权利要求18所述的存储器阵列，其特征在于，所述增强层包括NiFe、CoFe或CoFeB。
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