CN102893332A - 用于自旋扭矩磁随机存取存储器中的垂直各向异性的种子层和自由磁性层 - Google Patents
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Abstract
一种磁性层，其包括至少包含钽的种子层和至少包含铁的自由磁性层。所述自由磁性层生长在所述种子层的顶上且所述自由磁性层为垂直磁化的。所述磁性层可包括在磁隧道结（MTJ）叠层中。
Description
技术领域
本发明涉及磁随机存取存储器，更具体而言，涉及针对具有用于垂直各向异性的种子层（seed layer）和自由磁性层的自旋扭矩（spin-torque）存储器而最佳化的材料。
背景技术
自旋扭矩磁随机存取存储器（MRAM）器件使用二端式的基于自旋扭矩的存储器元件，该存储器元件包括位于磁隧道结（MTJ）叠层中的钉扎（pinned）层、隧道势垒层和自由层，如图1和2中所示。例如，在图1中，MTJ叠层10包括钉扎层12、隧道势垒层14和自由磁性层16。钉扎层12的磁化固定在某个方向上（例如，在水平向右方向上（如图1中所示）或在垂直向上方向上（如图2中所示））。向上传递通过MTJ叠层10的电流使自由磁性层16平行于钉扎层12，而向下传递通过MTJ叠层10的电流使自由磁性层16反平行于钉扎层12。较小电流（具有任一极性）用于读取该器件的电阻，该电阻取决于自由层16与钉扎层12的相对取向。如图1中所示，自由磁性层16和钉扎层12使其磁化位于可导致高切换电流的平面中。
图2为包括钉扎层22、隧道势垒层24合自由磁性层26的MTJ叠层20的实例，其中自由磁性层26和钉扎层22的磁化垂直于平面。层22和层26具有垂直磁各向异性（PMA）。与MTJ叠层20有关的一些问题包括：具有垂直各向异性的磁性材料的数目极少，且这些材料在用于自旋扭矩MRAM器件中时具有基本问题。例如，一些材料对于MTJ叠层的隧道势垒层来说具有低的磁阻（MR）且其它材料必须在高温（例如，500℃）下生长。
发明内容
本发明提供最佳材料选择（material choice）的磁隧道结（MTJ）叠层，这些材料选择具有垂直磁各向异性（PMA），为MTJ叠层的隧道势垒层提供高的磁阻（MR），且可在室温下生长。
根据本发明的实施例，提供一种磁性层。所述磁性层包括：种子层，其至少包含钽；以及自由磁性层，其至少包含铁。所述自由磁性层生长在所述种子层的顶上且所述自由磁性层为垂直磁化的。
根据本发明的一个实施例，提供一种MTJ叠层。所述MTJ叠层包括：种子层，其至少包含钽；以及自由磁性层，其至少包含铁。所述自由磁性层生长在所述种子层的顶上且所述自由磁性层为垂直磁化的。
根据本发明的另一实施例，提供一种基于自旋扭矩的磁随机存取存储器（MRAM）器件。所述基于自旋扭矩的MRAM器件包括MTJ叠层，所述MTJ叠层包括：种子层，其包含钽；以及自由磁性层，其至少包含铁。所述自由磁性层生长在所述种子层的顶上且所述自由磁性层为垂直磁化的。
根据本发明的又一实施例，提供一种自旋扭矩MRAM器件。所述基于自旋扭矩的MRAM包括多层（multi-layer）MTJ叠层，所述多层MTJ叠层包括：多个种子层，每个种子层包含钽；以及多个自由磁性层，所述多个自由磁性层至少包含铁，其中所述多个自由磁性层中的每个自由磁性层以层叠的方式生长在所述多个种子层中的每个种子层的顶上，且所述多个自由磁性层中的每个自由磁性层为垂直磁化的。
通过本发明的技术实现其他特征和优点。在本文中详细描述本发明的其它实施例和方面且将其视为要求保护的本发明的一部分。为了更好地理解具有这些优点和特征的本发明，参考该描述和附图。
附图说明
在本说明书的结尾处的权利要求书中具体地指出和明确地要求保护被视为本发明的主题。通过结合附图给出的以下详细描述，本发明的顶上述和其他特征以及优点将显而易见，在附图中：
图1和2为示例出常规磁隧道结（MTJ）叠层的图；
图3为示例出可在本发明的实施例中实现的MTJ叠层的种子层和自由磁性层的图；
图4为示例出可在本发明的替代实施例中实现的包括隧道势垒层的图3中所示的MTJ叠层的图；
图5为示例出可在本发明的实施例中实现的形成于MTJ叠层的种子层与自由磁性层之间的铁的第一界面材料层的图；
图6为示例出可在本发明的实施例中实现的形成于隧道势垒层上的铁的第二界面层的图；
图7为示例出可在本发明的实施例中实现的多层MTJ叠层的图；
图8为示例出可在本发明的实施例中实现的包括MTJ叠层的磁随机存取存储器（MRAM）器件的图；以及
图9为示例出自由磁性层的每单位面积的磁矩以及自由磁性层的各向异性场（Hk）的图。
具体实施方式
现参考图3，提供磁性层。如图3中所示，该磁性层可包括至少包含钽的种子层102。或者，该种子层102可包含钽和镁（Mg），其中Mg少于该组合物的50%。该磁性层还包括至少包含铁（Fe）的自由磁性层104。根据本发明的实施例，该自由磁性层104生长在该种子层102的顶上且该自由磁性层104为垂直磁化的。根据本发明的实施例，例如，图3中所示的磁性层可被包括在图8中所描述的MTJ叠层中。根据本发明的实施例，种子层102包含至少80%的钽，且自由磁性层104包含至少10%的铁。此外，种子层102具有在从约0.5纳米（nm）至约3纳米（nm）的范围的预定厚度。
根据本发明的实施例，自由磁性层104可还包括钴（Co）和硼（B）中的至少一者。因此，自由磁性层104可包括例如CoFeB。该CoFeB可具有各种组成。例如，CoFeB组合物可包括60%的Co、20%的Fe和20%的B。根据本发明的实施例，Co少于自由磁性层104的组合物的约90%。Fe的组成范围在10%至100%之间；且B少于自由磁性层104的组合物的约40%。本发明并不限于使用CoFeB；也可利用其它合适元素。根据本发明的实施例，自由磁性层104的预定厚度在从约0.5纳米（nm）至约1.5纳米（nm）的范围内。
本发明公开了最佳MTJ叠层材料选择的实例，这些最佳MTJ叠层材料选择提供自旋扭矩切换式MTJ的集成存储器应用所需的切换特性。例如，根据本发明的一个实施例，自由磁性层104具有高的磁阻（MR）。根据本发明的另一实施例，自由磁性层104为体心立方结构（BCC）。根据本发明的另一实施例，自由磁性层104不为L10晶体结构（即，相）。
根据本发明的实施例，隧道势垒层形成于自由磁性层104的顶上，现将参考图4进行描述。如图4中所示，隧道势垒层106形成在自由磁性层104上。该隧道势垒层106由例如氧化镁（MgO）形成。该隧道势垒层106向MTJ叠层添加各向异性。根据本发明的另一实施例，固定钉扎层107可生长在隧道势垒层106的顶上。
此外，根据本发明的当前实施例，可在种子层102与自由磁性层104之间生长界面层，如图5中所示。在图5中，提供包含Fe薄层的界面层108。根据本发明的实施例，该界面层108形成为具有小于0.5纳米（nm）的预定厚度。根据本发明的实施例，种子层102可包括约2纳米（nm）的钽；界面层108可包括约0.3纳米（nm）的铁；且自由磁性层104可包括约0.7纳米（nm）的CoFeB。根据本发明的实施例，界面层108可为第一界面层。在MTJ叠层中可包括另外的界面层（例如，第二界面层），如下文参考图6所论述的。
如图6中所示，根据本发明的另一实施例，还可提供由Fe的薄层形成的第二界面层110，以向自由层-隧道势垒层界面添加各向异性。该第二界面层110可具有小于或等于约0.5纳米（nm）的预定厚度。根据本发明的实施例，MTJ叠层100可包括约2纳米（nm）的Ta的种子层102；约0.3纳米（nm）的Fe的第一界面层；约0.7纳米（nm）的CoFeB的自由磁性层；约0.5纳米（nm）的Fe的第二界面层110和MgO隧道势垒层。可在第二界面层110的顶上生长固定钉扎层（例如，图4中所示的层107）。钉扎磁性层可由例如Co|Pd或Co|Pt多层形成。该钉扎磁性层可由Pt或钯（Pd）中的至少一者以及CoFe或钴（Co）中的至少一者形成。
根据本发明的实施例，当需要较厚的垂直磁性层时，可在本发明的实施例中实现多层MTJ叠层，如下面参考图7所述。在图7中，提供多个种子层102，每个种子层102包含例如钽。此外，还提供多个自由磁性层104。该多个自由磁性层104中的每个自由磁性层104以层叠的方式生长在该多个种子层102中的每个种子层102的顶上。该多个自由磁性层104中的每个自由磁性层104为垂直磁化的。根据本发明的实施例，该多个种子层102中的每个种子层102具有在从约0.2纳米（nm）至约2纳米（nm）的范围内的预定厚度。该多个自由磁性层104中的每个自由磁性层104至少包括铁。层104还可包括钴和硼中的至少一者，例如，层104可包括CoFeB。该多层叠层可包括多于两个的自由磁性层104，如所示。种子层102可包括钽镁，且该组合可以由约2.0纳米（nm）的TaMg|{0.6nm的Fe|0.3nm的TaMg}×N|0.6nm的Fe形成，其中N为正整数。
图8为示例出可在本发明的实施例中实现的具有多个MTJ叠层的基于自旋扭矩的磁随机存取存储器（MRAM）器件的图。如图8中所示，该基于自旋扭矩的MRAM器件200包括多个MTJ叠层205。根据本发明的实施例，这些MTJ叠层205包含如图3至图7中所示的MTJ叠层材料。每个MTJ叠层205被串联连接到晶体管210。每个MTJ叠层205与该晶体管210一起被连接在位线215与补位线（bit line complement）220之间。此外，每个晶体管210在其栅极处被连接到字线225。在写入操作期间，自旋极化的电子在MTJ叠层205的自由磁性层上施加扭矩，这可切换自由磁性层的极性。在读取操作期间，使用电流来检测MTJ叠层205的电阻/逻辑状态。针对读取操作和写入操作两者接通每个相应的晶体管210，以允许电流流过该相应的MTJ叠层205，从而可读取或写入逻辑状态。
图9为示例出自由磁性层的每单位面积的磁矩和自由磁性层的各向异性场（Hk）的图。该各向异性场Hk为迫使磁矩进入平面中所需的面内场。实线300指示恒定激活能，其与磁矩和各向异性的乘积成比例。自由磁性层102的厚度可变化且直接影响磁矩。例如，多个形状305至325各自表示具有不同厚度的自由磁性层的MTJ叠层。例如，形状305表示具有20Ta|XCoFeB|10MgO|3Fe|50TaN的组合物的MTJ叠层，其中X等于8、9或10。形状310表示具有20Ta|2Fe|XCoFeB|10MgO|3Fe|50TaN的组合物的MTJ叠层，其中X等于7、8或9。形状315表示具有20Ta|3Fe|XCoFeB|10MgO|3Fe|50TaN的组合物的MTJ叠层，其中X等于6、7或8。形状320表示具有20Ta|3Fe|XCoFeB|3Ta|3Fe|6CoFeB|10MgO|3Fe|50TaN的组合物的MTJ叠层，其中X等于6或8。形状325表示具有20Ta|3Fe|3CoFeB|3Fe|3Ta|3Fe|6CoFeB|10MgO|3Fe|50TaN的组合物的MTJ叠层。根据本发明的实施例，如图9中所示，随着自由磁性层104的厚度增加，磁矩增加。在本发明的这些实例中，在MgO隧道势垒层106上方的3Fe层为非磁性层且用于在自由磁性层104上获得精确的PMA（其取决于MgO隧道势垒层106的氧化条件）。根据本发明的另一实施例，可在3Fe层上方设置具有Co|Pd或Co|Pt多层的MTJ叠层。
本发明的实施例的MTJ叠层材料具有垂直磁各向异性（PMA）且为MTJ叠层的隧道势垒层提供高的磁阻（MR），且可在室温下生长。例如，MTJ叠层材料包括：包括钽的种子层和至少包含铁的自由磁性层。
在此使用的术语是仅仅用于描述具体实施例的目的，而不旨在限制本发明。在此使用的单数形式的“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中明确地另有规定。还应理解，在用于该说明书中时，术语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。
在下面的权利要求中的所有装置或步骤加功能要素的对应结构、材料、动作和等价物旨在包括用于与具体地要求保护的其他要求保护的要素组合地执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的说明书是为了示例和说明的目的而给出的，而不旨在以所公开的形式穷举或限制本发明。只要不脱离本发明的范围和精神，多种修改和变化对于本领域的普通技术人员是显而易见的。为了最好地解释本发明的原理和实际应用，且为了使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的具有适于所预期的特定用途的各种修改的各种实施例，选择和描述了实施例。
本文中所描绘的流程图仅为一个实例。在不脱离本发明的精神的情况下，可存在对本文中描述的该图或步骤（或操作）的许多变化。例如，可按不同次序执行这些步骤，或可添加、删除或修改步骤。所有这些变化被视为所请求保护的发明的一部分。
虽然已描述本发明的优选实施例，但本领域技术人员在现在和将来将理解可进行落在以下权利要求的范围内的各种改进和增强。这些权利要求应被解释为维持对首次描述的本发明的适当保护。
Claims (22)
1.一种磁性层，包括：
种子层，其至少包含钽；以及
自由磁性层，其至少包含铁，其中所述自由磁性层生长在所述种子层的顶上且所述自由磁性层为垂直磁化的。
2.一种磁隧道结（MTJ）叠层，包括：
种子层，其至少包含钽；以及
自由磁性层，其至少包含铁，其中所述自由磁性层生长在所述种子层的顶上且所述自由磁性层为垂直磁化的。
3.根据权利要求2的MTJ叠层，还包括：
隧道势垒层，其由氧化镁（MgO）形成且形成在所述自由磁性层上。
4.根据权利要求3的MTJ叠层，还包括：
固定钉扎层，其生长在所述隧道势垒层的顶上。
5.根据权利要求3的MTJ叠层，还包括：
包含铁的第一界面层，其形成在所述种子层与所述自由磁性层之间。
6.根据权利要求3的MTJ叠层，还包括：
包含铁的第二界面层，其形成在所述隧道势垒层的顶上。
7.根据权利要求2的MTJ叠层，其中所述种子层包含至少80%的钽且所述自由磁性层包含至少10%的铁。
8.根据权利要求2的MTJ叠层，其中所述种子层的预定厚度在从约0.5纳米（nm）到3纳米（nm）的范围内。
9.根据权利要求2的MTJ叠层，其中所述自由磁性层还包含钴和硼中的至少一者。
10.根据权利要求2的MTJ叠层，其中所述自由磁性层的预定厚度在从约0.5纳米（nm）到约1.5纳米（nm）的范围内。
11.根据权利要求2的MTJ叠层，其中所述种子层包含钽和镁，其中所述镁在从约0%到约50%的范围内。
12.根据权利要求5的MTJ叠层，其中在所述种子层与所述自由磁性层之间的由铁形成的所述第一界面层包含小于0.5纳米的预定厚度。
13.根据权利要求9的MTJ叠层，其中所述钴少于所述自由磁性层的组合物的约90%。
14.根据权利要求9的MTJ叠层，其中所述硼少于所述自由磁性层的组合物的约40%。
15.一种自旋扭矩磁随机存取存储器（MRAM）器件，包括：
磁隧道结叠层（MTJ），其包括：
种子层，其至少包含钽；以及
自由磁性层，其至少包含铁，其中所述自由磁性层生长在所述种子层的顶上且所述自由磁性层为垂直磁化的。
16.根据权利要求15的自旋扭矩MRAM器件，其中所述MTJ叠层还包括：
隧道势垒层，其由氧化镁（MgO）形成且形成在所述自由磁性层上。
17.根据权利要求16的自旋扭矩MRAM器件，其中所述MTJ叠层还包括：
包含铁的第一界面层，其形成在所述种子层与所述自由磁性层之间。
18.根据权利要求16的自旋扭矩MRAM器件，其中所述MTJ叠层还包括：
包含铁的第二界面层，其形成在所述隧道势垒层的顶上。
19.根据权利要求15的自旋扭矩MRAM器件，其中所述自由磁性层还包含钴和硼中的至少一者。
20.一种自旋扭矩磁随机存取存储器（MRAM）器件，包括：
多层磁隧道结叠层（MTJ），其包括：
多个种子层，每个种子层至少包含钽；以及
多个自由磁性层，所述多个自由磁性层至少包含铁，其中所述多个自由磁性层中的每个自由磁性层以层叠的方式生长在所述多个种子层中的每个种子层的顶上，且所述多个自由磁性层中的每个自由磁性层为垂直磁化的。
21.根据权利要求20的自旋扭矩MRAM器件，其中所述多个种子层中的每个种子层的预定厚度在从约0.2纳米（nm）到约2纳米（nm）的范围内。
22.根据权利要求20的自旋扭矩MRAM器件，其中所述多个自由磁性层中的每个自由磁性层还包含钴和硼中的至少一者且具有在从约0.2nm到1.5nm的范围内的预定厚度。
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