CN108604632A - 具有磁性隧道结及热稳定性增强层的存储器单元 - Google Patents

具有磁性隧道结及热稳定性增强层的存储器单元 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种磁阻随机存取存储器MRAM装置。本文描述的所述装置在磁性隧道结的自由层上方具有热稳定性增强层。所述热稳定性增强层改进所述自由层的所述热稳定性，增加所述自由层的磁矩而不使所述自由层的磁性方向在平面内。所述热稳定性增强层可由CoFeB铁磁材料层构成。

Description

具有磁性隧道结及热稳定性增强层的存储器单元
技术领域
本专利文献大体上涉及自旋转移扭矩磁性存储器(STT-MRAM)装置，更特定来说，涉及具有增加磁性隧道结的自由层的热稳定性的热稳定性增强层的STT-MRAM装置。
背景技术
磁阻随机存取存储器(“MRAM”)是一种通过磁性存储元件存储数据的非易失性存储器技术。在一种类型的MRAM中，磁性存储元件包括两个铁磁板或电极，其可保持磁场并由非磁性材料分离，例如非磁性金属或绝缘体。此结构称为磁性隧道结(“MTJ”)。一般来说，板中的一者使其磁化钉扎(即“参考层”)，这意味着此层具有比另一层更高的矫顽力，并需要更大的磁场或自旋极化电流来改变其磁化定向。第二板通常被称为自由层，并且其磁化方向可通过相对于参考层的较小磁场或自旋极化电流来改变。因此，自由层也称为存储层。使用堆叠材料制造MTJ，其中材料的每一堆叠形成MTJ立柱。
MRAM装置通过改变自由层的磁化定向来存储信息。特定来说，基于自由层相对于参考层是平行还是反平行对准，可将“1”或“0”存储在每一MRAM单元中。由于自旋极化隧穿磁阻(TMR)效应，单元的电阻由于两层的磁场的定向而改变。对于平行及反平行状态，单元的电阻将不同，且因此单元的电阻可用于区分“1”及“0”。MRAM装置的一个重要特征是其为非易失性存储器装置，因为其即使在电源关闭时也能维持信息。两个板的横向大小可为亚微米，并磁化方向相对于热波动仍然是稳定的。
自旋转移扭矩或自旋转移切换使用自旋对准(“极化”)电子来改变磁性隧道结中的自由层的磁化定向。一般来说，电子具有自旋，即，电子固有的角动量的量子数。电流通常是非极化的，即其由50％向上自旋及50％向下自旋电子组成。使电流通过磁性层使具有对应于磁性层(即，极化器)的磁化方向的自旋定向的电子极化，因此产生自旋极化电流。如果自旋极化电流传递到磁性隧道结装置中的自由层的磁性区域，那么电子将把其自旋角动量的一部分转移到磁化层，以在自由层的磁化上产生扭矩。因此，此自旋转移扭矩可切换自由层的磁化，实际上，这基于自由层相对于参考层是处于平行状态还是处于反平行状态写入“1”或“0”。
MRAM装置被认为是广泛存储器应用的下一代结构。一种MRAM技术使用垂直磁性隧道结装置。在垂直MTJ装置中，自由层及参考层由薄绝缘体层分离以用于自旋极化隧穿。自由层及参考层具有垂直于其平面的磁性方向，因此产生垂直磁性隧道结(pMTJ)。与面内MTJ技术相比，pMTJ配置可提供更低的临界切换电流，无需使用厚的反铁磁性层的简化层堆叠结构，以及将装置大小减小到40nm以下。
图1说明用于常规MRAM装置的pMTJ堆叠100。如所展示，堆叠100包含设置在堆叠100的底部的一或多个晶种层110，以在上文沉积的层中引发期望的晶体生长。垂直合成反铁磁性层(“pSAF层”)120安置在晶种层110的顶部。MTJ 130沉积在合成反铁磁(SAF)层120的顶部。MTJ 130包含参考层132(其为磁性层)、非磁性隧穿势垒层(即，绝缘体)134及自由层136(其也为磁性层)。应理解，参考层132实际上是SAF层120的一部分，但是当非磁性隧穿势垒层134及自由层136形成在参考层132上时，形成MTJ130的铁磁板中的一者。如图1中所展示，磁性参考层132具有垂直于其平面的磁化方向。也如图1中所展示，自由层136也具有垂直于其平面的磁化方向，但其方向可变化180度。
垂直SAF层120中的第一磁性层114安置在晶种层110上方。垂直SAF层120还具有安置在第一磁性层114上方的反铁磁耦合层116。如通过垂直SAF 120的磁性层114及132中的箭头所见，层114及132具有垂直于其相应平面的磁性方向。此外，非磁性间隔物140安置在MTJ 130的顶部上，并且极化器150可任选地安置在非磁性间隔物140的顶部上。极化器150是具有在其平面中的磁性方向但与参考层132及自由层136的磁性方向正交的磁性层。提供极化器150以使施加到pMTJ结构100的电子电流(“自旋对准电子”)极化。此外，可在极化器150顶部提上供一或多个覆盖层160以保护MTJ堆叠100上下方的层。最后，在覆盖层160上方沉积硬掩模170，并提供硬掩模170以使用反应离子蚀刻(RIE)工艺图案化MTJ结构100的下伏层。
如所论述的，一种类型的MTJ被称为垂直MTJ。在垂直MTJ中，参考层及自由层各自具有垂直于其相应层的平面的磁性方向。磁性存储器装置的电阻对自由磁性层的磁化矢量与参考层的磁化矢量的相对定向敏感。当自由磁性层的磁化矢量及参考层的磁化矢量分别处于反平行对准时，磁性存储器装置的电阻最高。当层自由磁性层的磁化矢量及参考层的磁化矢量分别平行对准时，磁性装置的电阻最低。因此，电阻测量或其等效物可确定自由磁性层的磁化矢量的定向。
MTJ的一个重要特性是热稳定性。针对给定垂直各向异性，每一垂直MTJ的热稳定性(即磁位)与MTJ的磁性材料体积成比例。MTJ的热稳定性是数据保持能力的因素。因此，改进MTJ的自由层的热稳定性是重要设计考虑。由于MTJ的磁性材料体积与垂直各向异性之间的关系，所以随着MTJ立柱尺寸减小，例如当针对下一代MRAM装置缩小现有设计时，热稳定性下降。这是非常不合需要的。遗憾的是，自由层的厚度不能随意增加以添加更多磁矩(体积)以增强热稳定性。因此，仅通过增加用于构造自由层(通常为CoFeB)的材料的厚度，不能增强具有垂直磁性方向的自由层结构的热稳定性。这是因为可获得垂直各向异性的CoFeB的厚度受到限制。针对CoFeB，此厚度可为大约十六(16)埃。高于此厚度，磁化反转为在平面内，意味着MTJ将不再是垂直MTJ。因此，无法通过进一步增加自由层厚度增强垂直MTJ自由(即，存储)层的热稳定性。
垂直磁化方向可使用表面垂直各向异性(界面垂直磁性各向异性)来实现，所述表面垂直各向异性是铁磁膜及用于自由层的非磁性材料的相邻覆盖及晶种层的界面性质。界面垂直磁性各向异性(IPMA)与膜的厚度成反比。针对普通铁磁材料，IPMA变得足够强以在1.2到1.6nm的厚度范围内保持磁化在平面外。然而，在此厚度范围，自由层的磁矩很小。自由层的此小磁矩降低热稳定性。另一方面，增加自由层厚度降低IPMA，这使自由层变为面内磁化。在垂直MTJ装置中，这是不可接受的，因为其将导致隧穿磁阻(TMR)值降级到低于装置可可靠操作的水平。因此，增加自由层厚度通过减小垂直各向异性来降低热稳定性。另外，装置本身变得无用，因为自由层失去其垂直磁性各向异性。这是垂直MTJ MRAM装置要解决的最难的问题之一。
因此，需要增强MTJ的自由层的热稳定性而无须扰乱自由层的厚度。
发明内容
揭示一种MRAM装置，其包括具有垂直各向异性的薄磁性材料层，在本文中称为热稳定性增强(TSE)层，其沉积在非磁性分离层上，其中所述非磁性分离层位于所述自由层与所述TSE层之间。可如本文所描述那样优化TSE层磁化以增强自由层的切换特性。
在实施例中，揭示一种磁性装置。所述实施例包括位于第一平面中的底部电极。所述实施例进一步包括垂直合成反铁磁结构，其包含位于第二平面中的磁性参考层，其中所述磁性参考层具有垂直于所述第二平面并具有固定磁化方向的磁化方向。所述实施例进一步揭示位于第三平面中的非磁性隧道势垒层，其安置在所述磁性参考层上方。所述实施例进一步包括位于第四平面中的自由磁性层，其安置在所述非磁性隧道势垒层上方。所述自由磁性层具有垂直于所述第四平面的磁化矢量，并具有可从第一磁化方向切换到第二磁化方向的磁化方向。所述磁性参考层、所述非磁性隧道势垒层及所述自由磁性层形成磁性隧道结。所述实施例进一步包括位于第五平面中的非磁性热稳定性增强耦合层，其安置在所述自由磁性层上方。所述实施例还包括位于第六平面中的磁性热稳定性增强层，其与所述自由磁性层物理分离并通过所述非磁性热稳定性增强耦合层耦合到所述自由磁性层。所述磁性热稳定性增强层具有垂直于所述第六平面的磁化方向，并具有可从所述第一磁化方向切换到所述第二磁化方向的磁化方向，其中所述磁性热稳定性增强层从所述第一磁化方向到所述第二磁化方向的切换跟踪所述磁性自由层中的切换。所述实施例还包括位于第七平面中的盖层，其安置在所述热稳定性增强层上方。
在所述实施例的方面中，所述磁性装置进一步包括电流源，其引导电流通过位于第七平面中的盖层、位于第六平面中的磁性热稳定性增强层、位于第五平面中的非磁性热稳定性增强耦合层、位于第四平面中的自由磁性层、位于第三平面中的非磁性隧道势垒层、位于第二平面中的磁性参考层、及位于第一平面中的底部电极。
在所述实施例的另一方面中，所述磁性热稳定性增强层包括CoFeB层。
在所述实施例的另一方面中，所述磁性热稳定性增强层包括CoFeB膜，其厚度在1.3纳米与1.5纳米之间。
在所述实施例的另一方面中，所述自由磁性层包含具有Ta中间层的CoFeB。
在所述实施例的另一方面中，所述自由磁性层的总厚度为1.6纳米。
在所述实施例的另一方面中，所述垂直合成反铁磁结构进一步包括第一磁性pSAF层及第二磁性pSAF层，其中所述第一磁性pSAF层在所述第一电极上方并通过交换耦合层与所述第二磁性pSAF层分离。
在所述实施例的另一方面中，铁磁耦合层位于所述第二磁性pSAF层与所述磁性参考层之间。
在所述实施例的另一方面中，所述磁性热稳定性增强层通过所述非磁性热稳定性增强耦合层磁性地耦合到所述自由磁性层。
在所述实施例的另一方面中，所述非磁性热稳定性增强耦合层包括MgO层。
在所述实施例的另一方面中，所述MgO层的厚度在0.6到1.2nm之间。
在所述实施例的另一方面中，所述MgO层的厚度为0.7nm。
在所述实施例的另一方面中，所述非磁性热稳定性增强耦合层在所述磁性热稳定性增强层与自由磁性层之间提供高界面垂直磁性各向异性，使得所述自由磁性层的所述磁性方向保持垂直于所述第四平面，且所述磁性热稳定性增强层的磁性方向保持垂直于所述第六平面。
在另一实施例中，揭示一种磁性装置，其包括垂直磁性隧道结，所述磁性隧道结具有磁性参考层及磁性自由层。所述磁性参考层及所述磁性自由层由非磁性隧道势垒层分离。所述磁性参考层具有垂直于其平面的固定磁性方向。所述磁性自由层具有可在第一垂直磁性方向与第二垂直磁性方向之间切换的可变磁性方向。所述第一垂直磁性方向及所述第二垂直磁性方向垂直于所述磁性自由层。所述实施例进一步包括磁性热稳定性增强层，其安置在所述磁性隧道结的所述磁性自由层上。所述磁性热稳定性增强层包括具有可变磁性方向的磁性材料，所述可变磁性方向可在所述第一垂直磁性方向与所述第二垂直磁性方向之间切换。在实施例中，所述磁性热稳定性增强层从所述第一磁化方向到所述第二磁化方向的切换跟踪所述磁性自由层中的切换。所述实施例进一步包括非磁性热稳定性增强耦合层，其安置在所述磁性隧道结的所述磁性自由层与所述磁性热稳定性增强层之间并使所述磁性隧道结的所述磁性自由层与所述磁性热稳定性增强层物理分离。所述非磁性热稳定性增强耦合层磁性地耦合所述自由磁性层及所述磁性热稳定性耦合层。
在所述实施例的方面中，所述磁性装置进一步包括电极及耦合到所述电极的垂直合成反铁磁结构。所述垂直合成反铁磁结构包含所述磁性参考层。在此实施例的方面中，盖层安置在所述磁性热稳定性增强层上方。
在所述实施例的另一方面中，所述垂直合成反铁磁结构进一步包括第一磁性pSAF层及第二磁性pSAF层。所述第一磁性pSAF层在所述电极上方并通过非磁性交换耦合层与所述第二磁性pSAF层分离。
在所述实施例的另一方面中，所述磁性热稳定性增强层包括CoFeB。
在所述实施例的另一方面中，所述磁性热稳定性增强层包括CoFeB膜，所述CoFeB膜的厚度在1.3纳米与1.5纳米之间。
在所述实施例的另一方面中，所述自由磁性层包含具有Ta中间层的CoFeB。
在所述实施例的另一方面中，所述自由磁性层的总厚度为1.6纳米。
在所述实施例的另一方面中，所述磁性装置进一步包括电流源，所述电流源引导电流通过所述盖层、所述磁性热稳定性增强层、所述非磁性热稳定性增强耦合层、所述自由磁性层、所述非磁性隧道势垒层、所述垂直合成反铁磁结构及所述电极。
在所述实施例的另一方面中，所述非磁性热稳定性增强耦合层在所述磁性热稳定性增强层与自由磁性层之间提供高界面垂直磁性各向异性，使得所述自由磁性层的所述磁性方向及所述磁性热稳定性增强层的所述磁性方向保持在平面外。
参考下文描述及附图，将更好地理解实施例的这些及其它目的、特征，方面及优点。
附图说明
作为本说明书的一部分包含的附图说明目前优选实施例，并与上文给出的一般描述及下文给出的详细描述一起用于解释及教示本文描述的MTJ装置的原理。
图1说明用于具有正交偏振层的MRAM装置的垂直MTJ堆叠。
图2说明使用本文描述的概念制造磁性装置的过程。
图3说明根据本文所描述的教示制造的磁性装置的各个层。
图4是用于各种垂直磁性隧道结装置的薄膜振动样本磁强计(VSM)主磁滞回线数据的图。
图5是比较具有热稳定性增强层的装置与不具有热稳定性增强层的装置的热稳定性的图。
图式不一定按比例绘制，并在整个图式中，出于说明性目的，通常由相似参考数字表示具有类似结构或功能的元件。图式仅希望促进描述本文描述的各种实施例；图式未描述本文揭示的教示的每一个方面，并且不限制权利要求书的范围。
具体实施方式
呈现下文描述以使得所属领域的技术人员能够使用拥有具有高热稳定性的自由层的垂直磁性隧道结来创建及使用STT-MRAM装置。本文揭示的特征及教示中的每一者可单独利用或与其它特征结合使用以实施所揭示的系统及方法。参考附图进一步详细描述单独及组合地利用许多这些额外特征及教示的代表性实例。此详细描述仅希望向所属领域的技术人员教示用于实践本教示的优选方面的进一步细节，并不希望限制权利要求书的范围。因此，在下文详细描述中揭示的特征的组合对于在最广泛意义上实践教示可能不是必需的，而是仅仅经教示以描述本教示的具有特定代表性的实例。
在下文描述中，仅出于解释的目的，阐述特定术语以提供对本教示的透彻理解。然而，对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，实践本教示不需要这些特定细节。
将参考图2及3描述使用本教示的STT-MRAM装置的实施例。图2是展示使用本教示制造STT-MRAM装置300的方法200的流程图。图3说明根据本文所描述的教示制造的STT-MRAM装置300的各个层。应注意，图3说明在所述层中的每一者之间具有空间。所属领域的技术人员将认识到，间隙仅用于说明目的，并且实际STT-MRAM装置在其各个层之间将不具有间隙。应注意，图3中所说明的各个层用于示范性装置。所属领域的一般技术人员将知道可能存在额外层或者所说明的所述特定层可能不存在于装置中。
如将论述，STT-MRAM装置300拥有具有垂直各向异性的薄磁性材料层，在本文中称为热稳定性增强层(TSE)380。如本文描述，TSE层通过分离层375磁性地耦合到MTJ 355的自由层365。在MTJ 355的固定磁性参考层340的相对侧上的铁磁耦合层345提供额外界面以实现高IPMA，这允许自由层维持平面外磁化，其实现高于百分之一百(100)的垂直TMR值。
为制造STT-MRAM装置300，在步骤202中，在半导体晶片(未展示)或其它适当衬底结构上制造底部电极305。在实施例中，底部电极305可包括六个TaN/CuN多层310，六个TaN/CuN多层中的每一者可具有六纳米的厚度。在步骤204期间使用磁控管溅射沉积这些TaN/CuN多层310。底部电极305还可包括在TaN/CuN多层310上方制造的TaN层315，在一个实施例中，TaN层315的厚度可为2nm。在步骤206期间通过磁控管溅射沉积TaN层315。
在制造底部电极305之后，在步骤208期间制造垂直合成反铁磁体(pSAF)结构320。如图2所见，pSAF 320的制造可包含若干步骤，现在将对其进行论述。在步骤210，制造第一磁性pSAF层325。在实施例中，第一磁性pSAF层包括具有垂直各向异性的Co/Ni多层。第一磁性pSAF层325沉积在底部电极305的TaN层315上方。第一磁性pSAF层325是具有垂直于其平面的磁性方向的磁性层，如图3中所展示。在实施例中，第一磁性pSAF层325包括六个Co/Ni层，其中每一Co/Ni层的厚度为0.8纳米。
pSAF 320的制造进一步包含步骤212，其中将非磁性交换耦合层330沉积在第一磁性pSAF层325上方。在实施例中，非磁性交换耦合层330由Co/Ru/Co多层构成，Co/Ru/Co多层包括由0.85nm的Ru层分离的第一及第二0.18nm的Co层。接下来，在步骤214，在交换耦合层330上方沉积第二磁性pSAF层335。在实施例中，第二磁性pSAF层包括具有垂直各向异性的Co/Ni多层。第二磁性pSAF层335是具有垂直于其平面的磁性方向的磁性层，如图3中所见。第二磁性pSAF层335可包括四个Co/Ni多层，其中每一Co/Ni多层厚度为0.8纳米。如图3所展示，由于通过交换耦合层330的反铁磁耦合，第一磁性pSAF层325及第二磁性pSAF层335的磁性方向相互反平行布置。应注意，pSAF 320中的磁性pSAF层325及335中的每一者或任一者可用Co/Pt层或Co/Ni多层与Co/Pt多层两者的组合代替。
pSAF 320的制造进一步可包含步骤216，其中制造垂直磁性隧道结355的参考层340。在实施例中，制造参考层340的步骤216包括步骤218，其中沉积铁磁耦合层345，以及步骤220，其中沉积固定磁性方向层350。在实施例中，铁磁耦合层345可包括Co/Ta多层，而固定磁性方向层350可包括CoFeB膜层及Ta层，其组合具有垂直各向异性。
Co/Ta铁磁耦合层345的Co层可具有0.21nm的厚度，并且Co/Ta铁磁耦合层345的Ta层可具有0.25nm的厚度。固定磁性方向层350可包括具有Ta中间层的CoFeB层。在实施例中，固定磁性方向层350包括0.7nm厚的CoFeB层、0.25nm的Ta层及0.8nm厚的CoFeB层。应注意，Ta中间层可被例如钨(W)、铪(Hf)等的其它材料代替。参考层340的铁磁耦合层345将固定磁性方向层350耦合到垂直合成反铁磁结构320的第二磁性pSAF层335，这有助于维持参考层340、自由层365(待论述)及热稳定性增强层380(也待论述)的垂直磁性方向。
在步骤222，制造垂直磁性隧道结355的剩余层。如所论述，垂直磁性隧道结355包括由非磁性隧道势垒层360分离的参考层340及自由层365。在实施例中，在步骤224处沉积非磁性隧穿势垒层360。非磁性隧穿势垒层360由绝缘体材料构成，所述绝缘体材料可为大约一(1)nm厚的氧化镁(MgO)层。在沉积非磁性隧穿势垒层360之后，执行步骤226，其沉积自由层365。在这些实施例中，自由层365可包括CoFeB层及Ta中间层。在实施例中，第一CoFeB层具有1.1nm的CoFeB厚度，Ta层具有0.25nm的厚度，且第二CoFeB层的具有0.5nm的CoFeB厚度。应注意，其它材料可代替Ta中间层，其实例是钨(W)、铪(Hf)等。
自由层365及参考层340两者皆具有垂直各向异性，且因此具有垂直于每一相应层的平面的磁性方向。取决于存储在装置中的逻辑电平，参考层及自由层的磁性方向将为平行的或反平行的。
在步骤230处，在垂直磁性隧道结的自由层365上方制造非磁性热稳定性增强耦合层375，其用途将在下文进行论述。然后，在步骤232，在非磁性热稳定性增强耦合层375上方制造热稳定性增强层380。在实施例中，热稳定性增强层380包括具有垂直各向异性的CoFeB铁磁性层，其厚度在0.35nm与1.5nm之间，而非磁性热稳定性增强耦合层375可包括MgO层，并可具有可在0.6到1.2nm之间变化的厚度。MgO厚度的选择经选择使得可实现与自由层365的不同磁性耦合强度。针对约0.6nm到0.75nm的MgO厚度，热稳定性增强层380与自由层的磁性耦合较强，并允许优化自由层稳定性。在一个实施例中，非磁性热稳定性增强耦合层375由0.7nm的MgO层组成。随着非磁性热稳定性增强耦合层375的MgO的厚度增加，磁性耦合将指数地减小。当非磁性热稳定性增强耦合层375的MgO的厚度增加时，热稳定性增强层380将变得越来越少地耦合到自由层365，并当MgO厚度超过大约1.2nm时，热稳定性增强层380与自由层365最终解耦。非磁性金属或金属层可代替此实施例中用于非磁性热稳定性增强耦合层375的MgO。
在图3中展示装置300的实施例中，热稳定性增强层380包括沉积在非磁性热稳定性耦合层375上方的厚度为0.35nm的CoFeB层。在另一实施例中，热稳定性增强层380包括厚度在1.3nm与1.5nm之间的CoFeB层。如图3中所展示，热稳定性增强层380是磁性的，具有垂直各向异性，并具有垂直于其平面的磁性方向(由箭头说明)。如还将论述，热稳定性增强层380的磁性方向可切换，并通常将跟踪自由层365的磁性方向。
如所论述，非磁性热稳定性耦合层375可包括厚度为0.7nm的MgO层。薄的CoFeB热稳定性增强层380及MgO非磁性热稳定性增强耦合层375能够在用以制造装置300退火工艺期间改进非磁性隧穿势垒层360的MgO及垂直磁性隧道结355的自由层365的CoFeB的再结晶。非磁性隧穿势垒层360的MgO及自由层365的CoFeB的经增强再结晶改进垂直MTJ结构355的性能(其包含热稳定性)。应注意，在替代实施例中，热稳定性增强层380可用除CoFeB之外的材料来解释，例如Co、Fe、Ni或B的合金。
过程200中的最后步骤234是在热稳定性增强层380上方制造覆盖结构。盖385可包括2nm的TaN层及厚度为10nm的Ru层。
非磁性热稳定性增强耦合层375(例如，MgO层)将热稳定性增强层380铁磁地耦合到自由层365并可用于控制自由层365的稳定程度，因此还允许间接调谐切换自由层365的磁性方向所需的切换电流。可调整热稳定性增强层380的厚度(从0.1到3nm)以针对不同装置大小优化热稳定性及切换电流，并且此厚度的选择将受到许多因素的影响，其包含MTJ层的厚度。
热稳定性增强层380改进装置300的热稳定性，如现在将参考图4及5进行论述。图4是针对垂直磁性隧道结装置的各种实施例的薄膜振动样本磁强计(VSM)主磁滞回线数据的图。应注意，针对这些测试，除热稳定性增强层380的厚度之外，针对每一测试的装置大小大致相同。实施例包含具有垂直磁性隧道结355但不具有热稳定性增强层380的装置。针对此实施例的VSM主磁滞回线标记为曲线405。第二实施例是具有垂直磁性隧道结355及包括1.3纳米的CoFeB层的热稳定性增强层380的装置。针对此实施例的VSM主磁滞回线标记为曲线410。第三实施例是具有垂直磁性隧道结355及包括1.5纳米的CoFeB层的热稳定性增强层380的装置。针对此实施例的VSM主磁滞回线标记为曲线415。
为获得此数据，垂直于每一者的平面施加DC场。施加场开始于-7000奥斯特，其接着在上升到+7000奥斯特(另一极大磁场)之前，减少到0.00奥斯特。然后在增加到-7000之前，施加场从+7000奥斯特稳定地减少到0.00奥斯特。DC施加场的正负符号指示场扫掠的垂直施加场方向。采用沿易磁性轴施加的DC磁场(即采用垂直于样本平面定向的磁场)来进行VSM测量(如图4中的图的Y轴上的归一化磁矩所展示)。针对各种磁场强度由图4的箭头展示垂直合成反铁磁结构320的Co/Ni层325、Co/Ni层335、CoFeB/Ta层350(参考层340的)、自由层365及热稳定性增强层380的垂直各向异性的磁性方向。
从图4中可看出，当施加磁场大约为-6500奥斯特时，垂直合成反铁磁结构320的第一磁性pSAF层325、第二磁性pSAF层335、固定磁性方向层350(参考层340的)、自由层365及热稳定性增强层380的磁性方向都彼此平行。随着磁场减小到大约-2500奥斯特，这是比MRAM装置将在真实世界应用中经历的磁场比大得多的磁场，第二磁性pSAF层335及参考层340的固定磁性方向层350的磁性方向切换使得其与自由层365反平行。然而，在施加大磁场的情况下，自由层365尚未切换。
当大约0.00奥斯特的施加磁场从负变为正时，图4展示自由层365及热稳定性增强层380的磁性方向切换。然而，参考层340的第二磁性pSAF层335及固定磁性方向层350的磁性方向不切换。这表明针对每一实施例(例如，具有及不具有热稳定性增强层380的装置)，参考层340不切换。因此，图4展示热稳定性增强层380的存在不会对参考层340的性能产生负面影响(即，参考层340仍然难以切换)。
当施加磁场开始增加时，举例来说，在+5000奥斯特，图4展示参考层340的第二磁性pSAF层335及固定磁性方向层350(以及垂直合成反铁磁性结构320的第一磁性pSAF层325)的磁性方向切换使得这些层中的每一者的磁性方向再次平行。为完成这些实施例中的每一者的VSM主磁滞回线，接着将施加磁场减小到0.00奥斯特，接着增加磁场，如图4中的曲线405、410及415中的每一者展示。可看出，垂直合成反铁磁结构320的第一磁性pSAF层325、第二磁性pSAF层335、固定磁性方向层350(参考层340的)、自由层365及热稳定性增强层380中的每一者的切换特性针对VSM磁滞回线的此部分是类似的。
在图4中，曲线405、410及415展示在此实例中针对每一实施例的自由层365的磁性方向在大约0.00奥斯特切换。也如图4中所展示，与不具有热稳定性增强层380(参见曲线405)的垂直MTJ装置的自由层相比，具有热稳定性增强层380(参见曲线410及415)的实施例的每一实施例的磁矩(Y轴)增加。因此，构造成在自由层上方具有热稳定性增强层380的两个实施例表明个别垂直MTJ的磁体积的增加。
热稳定性增强层380与自由层365之间的非磁性热稳定性增强耦合层375提供高界面垂直磁性各向异性(IPMA)，其用于维持自由层365及热稳定性增强层380两者的磁性方向在平面外，从而确保热稳定性增强层380及自由层365的磁化方向垂直于其平面。
图5比较具有热稳定性增强层380的装置300与不具有热稳定性增强层380的装置的性能数据。第一行含有矫顽场Hc(单位奥斯特)与装置直径(单位纳米)的中值。第二行展示作用在自由层365上的磁场的零(0)奥斯特的回线偏移，其指示自由层365与具有参考层340的垂直合成反铁磁体(pSAF)结构之间的静磁耦合。与图4中说明的测试一样，除热稳定性增强层380的存在及厚度之外，图5中所展示的每一实例的装置大小是相同的。
特定来说，图5比较不具有热稳定性增强层380的装置(列1)、具有厚度为1.3纳米的热稳定性增强层380的装置(列2)、以及具有厚度为1.5纳米的热稳定性增强层380的装置(列3)的矫顽场(Hc)。众所周知，矫顽场(Hc)是热稳定性(其难以直接测量)的良好指标。制造宽度为60nm、70nm、90nm及100nm的装置300，并针对每一实施例进行测试。如容易看出，与不具有此层的装置相比，具有1.3纳米厚的热稳定性增强层380的装置300具有显著改进的热稳定性。同样地，具有1.5nm厚的热稳定性增强层380的装置300进一步改进热稳定性。实际上，如图5中所见，具有热稳定性增强层380的装置的矫顽场(Hc)从大约100奥斯特增加到大约400奥斯特。这表明当存在热稳定性增强层380时，垂直磁性隧道结的热稳定性得到改进。
在矫顽力Hc增加的同时，临界切换电流不会以可能引起性能问题的方式增加，这与所属领域的一般技术人员对如此大的磁化量的预期相反。这可在表1中看到。特定来说，表1展示用于收集图5中数据的相同测试装置的关键切换参数：
参数 无TSE层 1.3nm TSE层380 1.5nm TSE层380
Jc0+/- 2.1/2.1 4.3/5.6 5.2/6.5
Vc0+/- 0.36/0.54 0.61/0.94 0.7/0.91
Delta+/- 20/22 34/32 30/40
TMR％ 100 97 97
aΩμm2 12.3 13 13
在表1中，Jc0是临界切换电流密度。Vc0是临界切换电压。Delta是热稳定性因子。TMR是隧穿磁阻。RA是隧道结的电阻区域乘积。还应注意，“+/-”表示施加到测试装置的垂直电压的正/负方向。如表1中的数据表明，具有垂直MTJ及热稳定性增强层380的MRAM存储器单元(其中热稳定性增强层380及自由层365的厚度具有3nm的组合厚度)实现平面外磁化及低临界切换电流两者。
应注意，在图3的上下文中论述的实施例具有由CoFeB构造的热稳定性增强层380，热稳定性增强层380也可使用各种其它铁磁材料构造，其实例是Co、Ni、Fe及其合金。特定来说，可使用CoFeB(Ms～1200emu/cc)或CoFe(Ms～1500emu/cc)。通过使用这些材料或适当地将这些材料合金化，可获得热稳定性增强层380的所需磁化值，且因此能够控制自由层的铁磁耦合强度及热稳定性程度。
可使用薄膜沉积来制造如本文所描述的具有垂直磁性隧道结及热稳定性增强层380的MRAM装置300。使用市售的物理气相沉积(PVD)工具，通过常规DC及RF溅射方法沉积层堆叠。层堆叠可在300℃下沉积后退火，在不具有磁场的情况下浸泡1小时。
总之，本教示的一个方面是形成磁性层，其磁性地耦合到垂直磁性隧道结的自由层。本文描述为TSE层的此磁性层具有垂直于其平面的磁化方向，并使用非磁性分离层与MTJ的自由层分离。
所属领域的技术人员将理解，以上揭示仅映射特定实施例。应进一步理解，即使当一层被描述为已经放置在另一层上、覆盖在另一层之上或位于另一层之上时，也可出现中介层。所述理解适用于权利要求书。应进一步理解，虽然已经以二维横截面描绘MTJ立柱，但是其为三维物体，并且所论述的层可覆盖MTJ立柱的三维顶部、所有侧面及所有周围的谷部分。
所属领域的技术人员还应了解，可制造多个装置300并将其作为STT-MRAM装置的相应位单元提供。换句话说，每一装置300可实施为用于具有多个位单元的存储器阵列的位单元。
以上描述及图式仅被认为是对特定实施例的说明，所述特定实施例实现本文描述的特征及优点。可对特定工艺条件进行修改及替换。因此，本专利文献中的实施例不被视为受前述描述及图式的限制。

Claims (22)

1.一种磁性装置，其包括：
底部电极，其位于第一平面中；
垂直合成反铁磁结构，所述垂直合成反铁磁结构包含位于第二平面中的磁性参考层，所述磁性参考层具有垂直于所述第二平面的磁化方向并具有固定磁化方向；
非磁性隧道势垒层，其位于第三平面中并安置在所述磁性参考层上方；
自由磁性层，其位于第四平面中并安置在所述非磁性隧道势垒层上方，所述自由磁性层具有垂直于所述第四平面的磁化矢量并具有可从第一磁化方向切换到第二磁化方向的磁化方向，所述磁性参考层、所述非磁性隧道势垒层及所述自由磁性层形成磁性隧道结；
非磁性热稳定性增强耦合层，其位于第五平面中并安置在所述自由磁性层上方；
磁性热稳定性增强层，其位于第六平面中，所述磁性热稳定性增强层与所述自由磁性层物理分离并通过所述非磁性热稳定性增强耦合层耦合到所述自由磁性层，所述磁性热稳定性增强层具有垂直于所述第六层的磁化方向，并具有可从所述第一磁化方向切换到所述第二磁化方向的磁化方向，其中所述磁性热稳定性增强层从所述第一磁化方向到所述第二磁化方向的切换跟踪所述磁性自由层中的切换；及
盖层，其位于第七平面中并安置在所述热稳定性增强层上方。
2.根据权利要求1所述的磁性装置，其进一步包括电流源，所述电流源引导电流通过位于所述第七平面中的所述盖层、位于第六平面中的所述磁性热稳定性增强层、位于所述第五平面中的所述非磁性热稳定性增强耦合层、位于所述第四平面中的所述自由磁性层、位于所述第三平面中的所述非磁性隧道势垒层、位于所述第二平面中的所述磁性参考层、及位于所述第一平面中的所述底部电极。
3.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述磁性热稳定性增强层包括CoFeB层。
4.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述磁性热稳定性增强层包括CoFeB膜，所述CoFeB膜的厚度在1.3纳米与1.5纳米之间。
5.根据权利要求4所述的磁性装置，其中所述自由磁性层包括具有Ta中间层的CoFeB。
6.根据权利要求5所述的磁性装置，其中所述自由磁性层的总厚度为1.6纳米。
7.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述垂直合成反铁磁结构进一步包括第一磁性pSAF层及第二磁性pSAF层，其中所述第一磁性pSAF层在所述第一电极上方并通过交换耦合层与所述第二磁性pSAF层分离。
8.根据权利要求7所述的磁性装置，其进一步包括位于所述第二磁性pSAF层与所述磁性参考层之间的铁磁耦合层。
9.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述磁性热稳定性增强层通过所述非磁性热稳定性增强耦合层磁性地耦合到所述自由磁性层。
10.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述非磁性热稳定性增强耦合层包括MgO层。
11.根据权利要求10所述的磁性装置，其中所述MgO层的厚度在0.6到1.2nm之间。
12.根据权利要求10所述的磁性装置，其中所述MgO层的厚度为0.7nm。
13.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述非磁性热稳定性增强耦合层在所述磁性热稳定性增强层与自由磁性层之间提供高界面垂直磁性各向异性，使得所述自由磁性层的所述磁性方向保持垂直于所述第四平面，且所述磁性热稳定性增强层的所述磁性方向保持垂直于所述第六平面。
14.一种磁性装置，其包括：
垂直磁性隧道结，其具有磁性参考层及磁性自由层，所述磁性参考层及所述磁性自由层由非磁性隧穿势垒层分离，所述磁性参考层具有垂直于其平面的固定磁性方向，所述磁性自由层具有可在第一垂直磁性方向与第二垂直磁性方向之间切换的可变磁性方向，其中所述第一垂直磁性方向及所述第二垂直磁性方向垂直于所述磁性自由层；
磁性热稳定性增强层，其安置在所述磁性隧道结的所述磁性自由层上方，所述磁性热稳定性增强层包括具有可变磁性方向的磁性材料，所述可变磁性方向可在所述第一垂直磁性方向与所述第二垂直磁性方向之间切换，其中所述磁性热稳定性增强层从所述第一磁化方向到所述第二磁化方向的切换跟踪所述磁性自由层中的切换；及
非磁性热稳定性增强耦合层，其安置在所述磁性隧道结的所述磁性自由层与所述磁性热稳定性增强层之间并使所述磁性隧道结的所述磁性自由层与所述磁性热稳定性增强层物理分离，所述非磁性热稳定性增强耦合层磁性地耦合所述自由磁性层及所述磁性热稳定性耦合层。
15.根据权利要求14所述的磁性装置，其进一步包括：
电极；
垂直合成反铁磁结构，其耦合到所述电极，所述垂直合成反铁磁结构包含所述磁性参考层；
盖层，其安置在所述磁性热稳定性增强层上方。
16.根据权利要求15所述的磁性装置，其中所述垂直合成反铁磁结构进一步包括第一磁性pSAF层及第二磁性pSAF层，其中所述第一磁性pSAF层在所述电极上方并通过非磁性交换耦合层与所述第二磁性pSAF层分离。
17.根据权利要求14所述的磁性装置，其中所述磁性热稳定性增强层包括CoFeB。
18.根据权利要求14所述的磁性装置，其中所述磁性热稳定性增强层包括CoFeB膜，所述CoFeB膜的厚度在1.3纳米与1.5纳米之间。
19.根据权利要求18所述的磁性装置，其中所述自由磁性层包括具有Ta中间层的CoFeB。
20.根据权利要求19所述的磁性装置，其中所述自由磁性层的总厚度为1.6纳米。
21.根据权利要求15所述的磁性装置，其进一步包括电流源，所述电流源引导电流通过所述盖层、所述磁性热稳定性增强层、所述非磁性热稳定性增强耦合层、所述自由磁性层、所述非磁性隧道势垒层、所述垂直合成反铁磁结构及所述电极。
22.根据权利要求14所述的磁性装置，其中所述非磁性热稳定性增强耦合层在所述磁性热稳定性增强层与自由磁性层之间提供高界面垂直磁性各向异性，使得所述自由磁性层的所述磁性方向及所述磁性热稳定性增强层的所述磁性方向保持在平面外。
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