CN110462739A - 用于mram的具有非磁性插入层的进动自旋电流结构 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种磁阻式随机存取存储器MRAM。MRAM装置具有磁性隧道结堆叠，其在磁性隧道结结构中具有性能经显著改进的自由层。所述MRAM装置利用进动自旋电流PSC磁性结构结合垂直MTJ，其中所述PSC磁性层的面内磁化方向是自由旋转。所述进动自旋电流磁性层由非磁性进动自旋电流插入层分离的第一及第二进动自旋电流铁磁性层。

Description

用于MRAM的具有非磁性插入层的进动自旋电流结构
技术领域
本专利文档大体上涉及自旋转移力矩磁性随机存取存储器，且更特定来说，涉及磁性隧道结堆叠，所述磁性隧道结堆叠通过使用进动自旋电流结构而在磁性隧道结结构中具有性能经改进的自由层，所述进动自旋电流结构通过使用铁磁材料及非磁性间隔物层而具有面内各向异性。
背景技术
磁阻式随机存取存储器(“MRAM”)为通过磁性存储元件存储数据的非易失性存储器技术。这些元件为可保持磁化且被非磁性材料(例如非磁性金属或绝缘体)分离的两个铁磁板或电极。一般来说，板中的一者使其磁化钉扎(即，“参考层”)，意指此层具有比另一层高的矫顽性且需要更大磁场或自旋极化电流来改变其磁化的定向。第二板通常被称为自由层且可通过相对于参考层更小的磁场或自旋极化电流改变其磁化方向。参考层与自由层之间的绝缘体使得电子能够从自由层隧穿到参考层。
MRAM装置通过改变自由层的磁化的定向而存储信息。特定来说，基于自由层相对于参考层处于平行还是反平行对准，可在每一MRAM单元中存储“1”或“0”。由于自旋极化电子隧穿效应，单元的电阻由于两个层的磁化的定向而改变。单元的电阻将针对平行及反平行状态而不同且因此单元的电阻可用于在“1”与“0”之间进行区分。MRAM装置的一个重要特征为其为非易失性存储器装置，这是因为甚至在电源关闭时其仍维持信息。两个板的横向大小可为亚微米且磁化方向仍可相对于热波动稳定。
自旋转移力矩或自旋转移开关使用自旋对准(“极化”)电子来改变磁性隧道结中自由层的磁化取向。一般来说，电子拥有自旋，即电子所固有的经量化数目的角动量。电流一般来说为非极化的，即，其由50％向上自旋电子及50％向下自旋电子组成。使电流通过磁性层会将电子极化，其中自旋定向对应于磁性层(即，极化器)的磁化方向，因此产生自旋极化电流。如果自旋极化电流经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-角动量的部分转移到磁化层以在自由层的磁化上产生力矩。因此，此自旋转移力矩可切换自由层的磁化，其实际上基于自由层相对于参考层在平行状态还是反平行状态中而写入“1”或“0”。
图1说明用于常规MRAM装置的磁性隧道结(“MTJ”)堆叠100。如所展示，堆叠100包含一或多个晶种层110，所述一或多个晶种层在堆叠100的底部处提供以在上面所沉积层中起始所要结晶生长。此外，MTJ 130沉积在SAF层120的顶部上。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，其也是磁性层。应理解，参考层132实际上为SAF层120的部分，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MTJ 130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。还如在图1中所看到，自由层136也具有垂直于其平面的磁化方向，但其方向可以变化180度。
SAF层120中的第一磁性层114安置在晶种层110上方。SAF层120还具有安置在第一磁性层114上方的反铁磁性耦合层116。此外，非磁性间隔物140安置在MTJ 130的顶部上且极化器150安置在非磁性间隔物140的顶部上。极化器150为磁性层，其在其平面中具有磁性方向，但是垂直于参考层132及自由层136的磁性方向。提供极化器150以使施加到MTJ结构100的电子(“自旋对准电子”)电流极化化。此外，可在极化器150的顶部上提供一或多个覆盖层160，以保护MTJ堆叠100下面的层。最后，硬掩模170沉积在覆盖层160上，并经提供以使用反应离子蚀刻(RIE)工艺来图案化MTJ结构100的下层。
已经提出各种机制来辅助磁性隧道结(MTJ)装置中的自由层磁化切换，例如用于面内磁性隧道结的正交自旋转移。一个问题是，为了实现面内MTJ结构的正交自旋转移效应，可能需要大的自旋电流来进行切换。对大切换电流的需求可能限制此类装置的商业适用性。提出降低切换电流的一种方法是降低自由层的磁化强度。然而，如果自由层的有效磁化强度显着降低，那么必须限制正交效应，使得自由层不会进入使自由层磁化的最终状态不确定的进动模式。这定义了面内OST结构的操作窗口。在面内装置中，与图1中所展示的不同，参考层及自由层的磁化方向在层的平面中。面内装置的另一方面是热稳定性要求可能将MTJ装置的大小限制到大约六十纳米或更高。
对于例如图1中所展示那些的垂直MTJ结构，进动不是问题。正交极化器在初始状态下作用于自由层磁化，但是当进动保持时，固定正交极化器150仅有助于自由层磁化旋转的一半周期，同时其损害周期的另一半。参考图2A到2B及3对此进行说明。图2A到2B展示MTJ的自由层136的切换。如所看到，自由层136具有垂直于极化器150磁化方向的磁化方向200。自由层136的磁化方向200可以旋转180度。图2A到2B展示关于自由层136的磁化矢量的轴的进动。在进动期间，磁矢量200开始围绕其轴以锥形方式旋转，使得其磁化矢量200'从自由层136的垂直轴202偏转。对于理想状况，在开始进动之前，没有磁矢量200的分量在自由层136的平面中，一旦进动开始，磁矢量200'的分量可经发现既在面内又正交于自由层136。随着磁矢量200'继续进动(即，切换)，矢量200'的旋转从自由层136的中心进一步延伸，如在图2B中所看到。
在使用例如极化器150的极化器的现有MTJ装置中，极化器150的磁化方向是固定的，如图1及3中所展示。还参见美国专利第6,532,164号，其中指出极化层的磁化方向在电流存在下不会变化。在电流通过MTJ之前，自由层136具有与极化器150的磁化方向实质上垂直的磁化方向200。虽然自由层136的磁化方向200可以旋转180度，但此旋转通常被自由层的固有阻尼能力205排除，所述固有阻尼能力由指向轴线202的矢量205表示(在图2A以及图3中展示为虚线)。轴线202垂直于自由层136的平面。此阻尼205具有由阻尼常数定义的值，其维持自由层136的磁化方向。
使电流通过极化器150产生自旋极化电流，其在磁化矢量200上沿极化器150的方向产生自旋转移力矩210。来自极化器的该自旋转移力矩增加了导致自由层磁化方向切换的主自旋转移力矩。在如图1中所展示的那些的装置中，当自旋转移力矩210开始帮助克服自由层136固有的阻尼205时，磁方向200'开始围绕其轴线进动，如图2A中所展示。如在图3中所看到，自旋转移力矩210有助于自由层136的磁化方向以锥状方式围绕垂直于层的平面的轴202进动。当自旋极化电流横穿堆叠100时，自由层136的磁化以连续方式进动(即，它以如图3中所展示的连续方式自身导通)，同时保持振荡，直到自由层136的磁方向在自旋力矩引起进动之前的磁场方向相反，即，自由层136的磁方向切换180度。
图3说明由极化磁性层150提供的自旋极化电流辅助的MTJ的自由层136的进动。来自极化器150的自旋极化电子提供了有助于克服进动215的前半部分中的阻尼205的力矩210，因为由自旋极化电流提供的力矩210与自由层136的固有阻尼205的力矩相反。这在图3的中间部分的右侧示出。然而，来自极化器150的自旋极化电子实际上在进动220的后半部分期间损害了切换过程。其原因在于自旋极化电流中的电子自旋仅在其极化方向上施加力矩210。因此，当磁矢量处于与极化电子的自旋相反的进动周期220的一半时，自旋转移力矩210实际上与自由层136的固有阻尼205一起工作以使旋转更加困难。这在图3的中间部分的左侧展示。实际上，是参考层132(图3中未展示)的磁化矢量在电子的自旋损害进动的所述一半进动周期期间克服自由层136的阻尼以及自旋转移力矩210，且因此是参考层132允许完成进动。
在这些现有装置中，由于极化器150的磁化方向是固定的，一旦进动保持不变，其对完全的180度进动的切换机构没有任何正面影响。这是因为当所有矢量紧密对准时，极化电子将最有助于自旋转移力矩。
由与本专利文档相同的申请人提交的美国专利申请案第14/814,036号揭示一种具有进动自旋电流(“PSC”)磁性层的MRAM装置，所述进动自旋电流磁性层与磁性隧道结的自由磁性层物理分离并且是通过非磁性间隔物耦合到所述自由磁性层。在此共同待决申请案中所描述的装置中，进动自旋电流磁性层的磁化方向跟随自由磁性层的磁化方向的进动，从而致使自旋转移力矩辅助自由磁性层的磁化矢量的切换。美国专利申请案第14/814,036号的揭示内容通过全文引用的方式并入本文中。
使用单个铁磁性层用于进动自旋电流磁性层的MRAM装置的性能基于其厚度及材料的选择而变化。改变进动自旋电流磁性层的厚度的能力是重要的，因为厚度可以影响进动自旋电流效应对磁性隧道结的自由层的切换的影响。材料选择也是如此。实际上，厚度及材料选择影响PSC结构的自旋力矩效率以及PSC结构及自由层之间的耦合强度。
面内铁磁进动自旋电流磁性层的磁矩必须是显著的，以便产生从中穿过的电流的足够自旋极化。在进动自旋电流磁性层与实现具有自由层的进动自旋电流磁性层的进动所需要的磁性隧道结的自由层之间所需的交换耦合还可需要交换耦合强度的窄窗口。另外，由于强烈的静磁耦合(magneto-static coupling)，由面内PSC层与自由层的紧密接近产生的偶极场可导致自由层的稳定性降低。本文中描述的各种实施例克服了这些问题。
发明内容
本发明揭示用于具有磁性隧道结堆叠的MRAM装置的进动自旋电流结构。
在实施例中，磁性装置包含在第一平面中的第一合成反铁磁性结构。第一合成反铁磁性结构包含磁性参考层。磁性参考层具有垂直于第一平面的磁化矢量且具有固定磁化方向。实施例还包含在第二平面中且安置在磁性参考层上方的非磁性隧道势垒层。实施例包含在第三平面中且安置在非磁性隧道势垒层上方的自由磁性层。自由磁性层具有垂直于第三平面的磁化矢量，且具有可从第一磁化方向进动到第二磁化方向的磁化方向。磁性参考层、非磁性隧道势垒层及自由磁性层形成磁性隧道结。实施例还包含在第四平面中且安置在自由磁性层上方的非磁性间隔物层。磁性耦合层包括MgO。实施例还包含在第五平面中的进动自旋电流磁性结构，所述进动自旋电流磁性结构与自由磁性层物理分离并通过非磁性间隔物层耦合到自由磁性层。进动自旋电流磁性结构具有磁化矢量及在第五平面中的可在第五平面中的任何磁方向上自由旋转的磁化方向。进动自旋电流磁性结构包括第一进动自旋电流铁磁性层，非磁进动自旋电流插入层及第二进动自旋电流铁磁性层。第一进动自旋电流铁磁性层可以安置在非磁性间隔物上。非磁性进动自旋电流插入层可以安置在第一进动自旋电流铁磁性层上方。第二进动自旋电流铁磁性层可以安置在非磁性进动自旋电流插入层上方。在实施例中，磁性装置进一步包含在第六平面中且安置在进动自旋电流磁性结构上方的覆盖层。在实施例中，通过进动自旋电流磁性结构的电流的电子在进动自旋电流磁性层的磁方向上对准并注入到非磁性间隔物、自由磁性层、非磁性隧道势垒层及磁性参考层中，且其中进动自旋电流磁性结构的磁化方向进动，从而引起自旋转移力矩辅助自由磁性层的磁化矢量的切换。
在磁性装置的实施例中，非磁性进动自旋电流插入层由自旋扩散长度超过两(2)纳米的材料构成。
在磁性装置的实施例中，非磁性进动自旋电流插入层由Ru薄膜构成。
在磁性装置的实施例中，Ru薄膜具有至少1纳米的厚度。
在磁性装置的实施例中，Ru薄膜具有1.5纳米的厚度。
在磁性装置的实施例中，第一进动自旋电流铁磁性层包括Fe薄膜。非磁性进动自旋电流插入层包括具有长自旋扩散长度的材料。第二进动自旋电流铁磁性层包括CoFeB薄膜。
在磁性装置的实施例中，Fe薄膜具有0.4纳米的厚度。
在磁性装置的实施例中，Fe薄膜具有0.6纳米的厚度。
在磁性装置的实施例中，CoFeB薄膜由40％的Co、40％的Fe及20％的B构成。
在磁性装置的实施例中，CoFeB薄膜具有1.7纳米的厚度。
在磁性装置的实施例中，CoFeB薄膜具有1.85纳米的厚度。
在磁性装置的实施例中，具有长自旋扩散长度的材料选自由Ru、Cu、Ag、Au、Mg及Al组成的群组。
在磁性装置的实施例中，自由磁性层具有有效的磁各向异性，使得其易轴线磁化轴线指向远离垂直方向并相对于其垂直平面形成角度。
实施例，揭示一种制造磁性装置的方法，所述方法包括在衬底上沉积第一合成反铁磁性结构。第一合成反铁磁性结构在第一平面中且具有垂直于第一平面的磁化矢量且具有固定磁化方向。所述方法包含在第一合成反铁磁性结构上沉积交换耦合层，其中交换耦合层位于第二平面中。所述方法还包含在衬底上方沉积第二合成反铁磁性结构。第二合成反铁磁性结构位于第三平面中。第二合成反铁磁性结构包含磁性参考层。第二合成反铁磁性结构及磁性参考层具有垂直于第三平面的磁化矢量且具有固定磁化方向。所述方法还包含在第四平面中沉积非磁性隧道势垒层。非磁性隧道势垒安置在磁性参考层上方。所述方法还包含在第五平面中沉积自由磁性层。自由磁性层安置在非磁性隧道势垒层上方且具有垂直于第五平面的磁化矢量。自由磁性层具有可从第一磁化方向进动到第二磁化方向的磁化方向。磁性参考层、非磁性隧道势垒层及自由磁性层形成磁性隧道结。所述方法进一步包含在安置在自由磁性层上方的第六平面中沉积非磁性间隔物层。所述方法进一步包含在第七平面中安置进动自旋电流磁性结构，所述进动自旋电流磁性结构与自由磁性层物理分离并通过非磁性间隔物层耦合到自由磁性层。进动自旋电流磁性结构具有磁化矢量及在第七平面中的可在第七平面中的任何磁方向上自由旋转的磁化方向。
沉积进动自旋电流磁性结构的方法包含沉积第一进动自旋电流铁磁性层。第一进动自旋电流铁磁性层安置在非磁性间隔物上方。所述方法进一步包含沉积非磁性进动自旋电流插入层。非磁性进动自旋电流插入层安置在第一进动自旋电流铁磁性层上方。所述方法进一步包含沉积第二进动自旋电流铁磁性层。第二进动自旋电流铁磁性层安置在非磁性进动自旋电流插入层上方。
制造磁性装置的方法进一步包含在第八平面中沉积覆盖层。覆盖层安置在进动旋转电流磁性层上方。所述方法进一步包含在400摄氏度或更高的温度下对磁性装置进行退火。
附图说明
包含为本发明说明书的部分的附图说明当前较佳实施例，且与上文给出的一般说明及下文给出的详细说明一起用于解释及教示本文中所描述的MTJ装置的原理。
图1说明用于MRAM装置的常规MTJ堆叠。
图2A到2B说明MTJ中的自由层的进动。
图3说明与具有固定磁化方向的极化磁性层一起使用的MTJ中的自由层的进动。
图4说明与具有可自由旋转的磁化方向的进动自旋电流磁性层一起使用的MTJ中的自由层的进动。
图5说明用于具有进动自旋电流磁性层的MRAM装置的实施例的MTJ堆叠。
图6A到6B为展示具有如本文中所描述的进动自旋电流磁性层的MRAM装置的实施例的制造步骤的流程图。
图7说明用于MRAM装置的MTJ堆叠的实施例，所述MRAM装置具有带有非磁性进动自旋电流插入层的进动自旋电流磁性层。
图8A到8B为展示具有如本文中所描述的进动自旋电流磁性层的MRAM装置的实施例的制造步骤的流程图。
图9说明用于MRAM装置的MTJ堆叠的另一实施例，所述MRAM装置具有带有非磁性进动自旋电流插入层的进动自旋电流磁性层。
图10说明实施例的进动自旋电流磁性层的磁方向。
图11为图7中所说明的装置的薄膜振动样品磁强计(VSM)主要磁滞回线数据的曲线图，其中磁场垂直于装置层的平面施加。
图12为图7中所说明的装置的薄膜振动样品磁强计(VSM)主要磁滞回线数据的曲线图，其中磁场在装置层的平面中施加。
图13为说明具有进动自旋电流磁性层的图7中所说明的MRAM装置的铁磁谐振(FMR)的曲线图。
图14为用于MRAM装置的MTJ堆叠的替代实施例，所述MRAM装置具有带有非磁性进动自旋电流插入层的进动自旋电流磁性层。
各图不一定按比例绘制且类似结构或功能的元件一般来说贯穿各图出于说明性目的而由相似参考编号表示。各图仅打算促进对本文中所描述的各种实施例的描述；各图不描述本文中所揭示的教示的每一方面且不限制权利要求书的范围。
具体实施方式
以下描述经呈现以使得所属领域的任何技术人员能够创建进动自旋电流结构并将其用于例如MRAM装置的磁性半导体装置。可单独或结合其它特征利用本文中所揭示的特征及教示中的每一者来实施所揭示系统及方法。参考附图进一步详细地描述既单独又组合地利用许多这些额外特征及教示的代表性实例。此详细说明仅打算教示所属领域的技术人员关于实践本发明教示的优选方面的进一步细节且不打算限制权利要求书的范围。因此，以下详细说明中所揭示的特征的组合可并非在最广泛意义上实践教示所必要的，且替代地仅经教示以尤其描述本发明教示的代表性实例。
在以下描述中，仅出于解释的目的，阐述具体的术语以提供对本教示的透彻理解。然而，对于所属领域技术人员来说显而易见的是，这些具体细节不是实践本教示所必需的。
本专利文档揭示一种不使用具有固定磁化方向的极化层的MRAM装置。代替具有固定磁化方向的极化层，本专利文档中所描述的MRAM装置利用进动自旋电流(PSC)磁性层350结合垂直MTJ 430，其中PSC层的面内磁化分量方向是自由旋转(且例如在图4中展示)。PSC磁性层350可以与自由层磁化进动动态一起旋转。这将显著地改进自旋电流在克服自由层336的固有阻尼205方面的影响，因为PSC层将有助于自旋力矩贯穿进动周期的整个轨道运动而非仅进动的一半克服此阻尼。在整个180度旋转期间的此进动自旋电流效应显著地增强了自由层磁化切换。
图4说明使用具有旋转的磁化矢量270的PSC磁性层350而非具有固定磁化方向的磁矢量的极化层150的MRAM装置背后的概念。此实施例中的自由层336类似于先前所论述的自由层136，因为其具有固有的阻尼特性205，其可以借助于自旋转移力矩来克服。然而，图4中所展示的实施例用PSC磁性层350代替极化层150。如在图4的底部部分中所看到，由穿过自由层336的自旋电流产生的自旋转移力矩310的方向随着PSC磁性层350的磁化方向的旋转而改变。如在图4的中间所看到，自旋转移力矩310有助于自由层336的磁化方向200'以锥状方式围绕垂直于层的平面的轴线202进动。图4展示磁方向200'围绕轴线202旋转的进动。如所论述，当自旋极化电流横穿装置时，自由层336的磁化以连续方式进动(即，其自身以连续方式接通，如图4中所展示)，其中维持振荡直到自由层336的磁方向在自旋力矩造成进动之前的磁方向相反，即，自由层136的磁方向切换180度。进动自旋电流层350及自由层336磁及/或电子耦合，使得PSC磁性层350的磁化矢量270的磁化方向可自由地跟随自由层336的磁矢量的进动旋转。这可以在图4中看到。
如在图4的右侧中所看到，自旋极化电子提供力矩310有助于克服进动215的前半部分中的阻尼205，因为由自旋极化电流提供的力矩310与自由层336的固有阻尼205的力矩相反。如所论述，PSC磁性层350的磁化矢量270的磁化方向旋转。因此，由PSC磁性层350产生的自旋电流的电子的极化也改变。这意味着施加在自由层336的磁矢量上的力矩310的方向也改变，这可以在图4的底部上看到。因此，与具有固定的极化磁性层150的现有装置不同，自旋极化电流中的电子的自旋在进动周期的两个半周期(包含其中具有固定极化磁性层150的装置实际上损害进动的进动周期220的一半)中施加力矩310。这可以在图4的左侧中看到。如所看到，力矩310继续有助于在整个进动循环中克服自由层136的固有阻尼205。
在实施例中，PSC磁性层350的进动矢量270自由地跟随自由层336的磁矢量的进动旋转。自由层的磁化方向通过来自参考层132的自旋力矩310切换，其中电流的方向定义最终状态。
在图5中展示具有进动自旋电流MTJ结构300的存储器单元。图5中所展示的实施例以及本文中所描述的所有实施例优选地形成在硅衬底或用于磁性装置的其它适当的基底上，且可包含在其制作的互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。MTJ结构300包含一或多个晶种层320，所述一或多个晶种层提供在堆叠300的底部处以在上述所沉积层中起始所要结晶生长。第一合成反铁磁(SAF)层322安置在晶种层320上。如图5中所看到，第一SAF层322为具有垂直于其平面的磁化方向的磁性层。下文将论述第一SAF层322的构造的细节。反铁磁(AFM)耦合层324安置在第一SAF层322上方。AFM耦合层324为非磁性层。第二SAF层326安置在AFM耦合层324上方。如图5中所看到，第二SAF层326具有垂直于其平面的磁方向。在实施例中，第一SAF层322及第二SAF层326的磁方向是反平行的，如在图5中所展示。下文还将论述第二SAF层326的构造的细节。铁磁性耦合层328放置在第二SAF层326上方。铁磁性耦合层328为非磁性层。MTJ 330沉积在铁磁性耦合层328上方。MTJ 330包含参考层332、隧穿势垒层(即，绝缘体)334及自由层336。MTJ 330的参考层332经制作在铁磁性耦合层328上方。MTJ330的隧道势垒层334经制作在参考层332上方。MTJ 330的自由层336经制作在隧穿势垒层334上方。注意，合成反铁磁性层326在技术上还包含铁磁性耦合层328及参考层332，但出于解释目的，此处单独展示。
如图5中所展示，参考层332的磁化矢量具有垂直于其平面的磁化方向。还如在图5中所看到，自由层336也具有垂直于其平面的磁化矢量，但其方向可以变化180度。另外，自由层336设计可以包含指向远离其垂直轴线数度的自由层336的磁化。自由层磁化的倾斜角度可以归因于与PSC磁性层350的交互或由于磁晶各向异性，且将另外有助于通过改进开关的启动来切换自由层磁化。因为参考层332及自由层336各自具有垂直于其相应平面的磁方向，所以MTJ 330被称为垂直MTJ。
非磁性间隔物层340安置在MTJ 330上方。进动自旋电流(“PSC”)磁性结构350安置在非磁性间隔物层340上方。在一个实施例中，PSC磁性层350具有磁化矢量，所述磁化矢量具有平行于其平面的磁方向，且垂直于参考层332及自由层336的磁矢量。可在PSC层350的顶部上提供一或多个覆盖层370，以保护MTJ堆叠300下面的层。
非磁性间隔物层340具有许多性质。例如，非磁性间隔物层340物理地分离自由层336及PSC结构350。非磁性间隔物层340有效地将自旋电流从PSC磁性结构350传输到自由层336。非磁性间隔物层340还促进良好的微结构及高隧穿磁阻(TMR)并且有助于将自由层336的阻尼常数保持为低。
根据本教示，PSC磁性结构350包括多个层。在非磁性间隔物层340上方形成第一进动自旋电流(“PSC”)铁磁性层343。在第一PSC铁磁性层343上方形成非磁性进动自旋电流(“PSC”)插入层345。第二进动自旋电流(“PSC“)铁磁性层347形成在非磁性PSC插入层345上方。
非磁性PSC插入层345改进PSC磁性结构350的性能，因为其允许定制PSC磁性结构350与自由层336的静态及动态耦合。静态耦合是交换耦合，而动态耦合是自旋泵浦效应。
通过非磁性PSC插入层345分离第一铁磁PSC层343及第二铁磁PSC层347避免PSC磁性结构350与自由层336的强静磁耦合。这改进PSC磁性结构350的进动对自由层336的影响，同时还保留自由层336的稳定性。在实施例中，使用薄的非磁性PSC插入层345，其可以经由非磁性PSC插入层345实现第一铁磁PSC层343及第二铁磁PSC层347的静态及动态耦合。静态耦合经由交换耦合发生，而动态耦合经由自旋泵浦发生。静态及动态耦合引起第一铁磁PSC层343及第二铁磁PSC层347的磁矢量的磁方向的进动。在实施例中，非磁性PSC插入层345可以具有从1纳米到3纳米范围的厚度。当非磁性PSC插入层345具有大约1纳米的厚度时，可经由交换实现静态且经由相邻的第一铁磁PSC层343及第二铁磁PSC层347的进动磁化的自旋泵浦效应实现动态耦合。当非磁性PSC插入层345的厚度大于1纳米时，相邻的第一铁磁PSC层343与第二铁磁PSC层347之间的交换耦合变得更小，但经由自旋泵浦效应的动态耦合将存在并变得占优势。此方法提供了对PSC磁性结构350与自由层336之间的耦合的更好控制。
通过使用自旋泵浦机构及/或经由非磁性PSC插入层345促进的交换耦合，PSC磁性结构350提供可以切换磁性隧道结330的自由层336的自旋极化电流。第一铁磁PSC层343，其可以直接沉积在非磁性间隔物层340上，确保由第二铁磁PSC层347生成的自旋电流的连续性，并将编程电流的自旋极化电子转移到自由层336。另外，当小的DC电流通过PSC磁性结构350时例如，在装置读取操作期间，仅PSC磁性结构350的进动磁矢量的小横向分量被转移到自由层336。PSC磁性结构350的进动磁矢量的此小横向分量法向于PSC磁性结构350的薄膜平面且平行于自由层336。根据自旋泵浦及自旋扩散理论，由于进动磁矢量的横向分量与磁阻尼有关，也可以通过选择适当的材料以及材料厚度来调谐此贡献，以实现不同的磁阻尼系数。这原则上可以有助于增强自由层336的稳定性并改进数据保持。
如所论述，通过使来自例如电流源375的直流电流通过PSC磁性结构350、磁性隧道结330及装置300的其余结构来编程MRAM单元。用于编程(例如，写入操作)的电流可以显著地高于用于读取操作的电流。对于在装置写入操作期间使用的较高DC电流，第二PSC铁磁性层347的磁矢量的进动角变大。另外，第二PSC铁磁性层347的磁矢量的面内分量通过自旋泵浦转移到第一PSC铁磁性层343，所述面内分量现在与自由层336正交，因此降低了自由层336的切换所需的能垒。因此，在与使用固定极化层(例如，极化器层150或其它PSC磁性层)的其它MRAM装置相比时，切换自由层336所需的切换电流量降低。
PSC磁性结构350具有以下额外性质。首先，在一个实施例中，PSC磁性结构350的磁化方向是在所述层的平面中，但垂直于自由层336的磁化方向。在其它实施方式中，例如在图10中展示，PSC磁性结构350的磁化方向可以具有水平分量X及垂直分量Z使得自由层336的平面与PSC磁性结构350的磁方向270之间的角度θ可为0与小于90度之间的任何值，但是如所论述，角度尽可能接近零，使得磁方向保持在面内。同样地，如所展示，磁化矢量也可以旋转方式旋转，在图10中展示为锥形旋转280，同时围绕其垂直轴线进动。注意，自由层336的平面与PSC磁性层350的磁方向270之间的角度θ会在此情况下变化。
图5中所展示的MTJ结构中的晶种层320优选地包括Ta、TaN、Cr、Cu、CuN、Ni、Fe或其合金。第一SAF层322优选地包括Co/Ni或Co/Pt多层结构。第二SAF层326优选地包括Co/Ni或Co/Pt多层结构加上具有2到5埃厚度的由钽构成的薄非磁性层。反铁磁性耦合层324优选地由Ru制成，其具有在3到10埃范围内的厚度。铁磁性耦合层328可由Ta、W、Mo或Hf层制成，其具有在1.0到10埃范围内的厚度。隧穿势垒层334优选地由例如MgO的绝缘材料制成，具有大约10埃的厚度。自由层336优选地由沉积在隧穿势垒层334顶部的CoFeB制成。自由层336也可以具有Fe、Co、Ni或其合金的层。MTJ 330上方的间隔物层340可为任何非磁性材料，例如2到20埃的钌、2到20埃的Ta、2到20埃的TaN、2到20埃的Cu、2到20埃的CuN，或2到20埃的MgO。
现在将描述使用进动自旋电流MTJ结构300写入位的方式。特定来说，例如通过电流源375供应电流，电流源375使电流通过进动自旋电流磁性结构350、非磁性间隔物层340、自由磁性层336、非磁性隧道势垒层334及参考层332。通过进动自旋电流磁性结构350的电流的电子在其磁方向上自旋极化，因此产生自旋极化电流，其通过非磁性间隔物层340。自旋极化电流在自由磁性层336上施加自旋转移力矩，这有助于克服构成自由层336的磁性材料的固有阻尼。这致使自由磁性层336绕其轴线进动，如图4中所展示。
一旦自由磁性层336的磁方向开始进动，PSC磁性结构350的磁方向开始旋转，还如图4中所看到。PSC磁性结构350的磁方向的旋转引起电流的电子的自旋极化以对应于PSC磁性结构350的磁方向的方式改变。由于自旋极化电流的电子的自旋对应于PSC磁性结构350的磁方向，所以电子的自旋将自旋转移力矩沿在整个切换循环中变化的方向施加到自由层336。因此，使用PSC磁性结构350的装置可以在整个切换周期内提供自旋转移力矩310。
特定来说，本文中所描述的利用PSC磁性结构350及间隔物340的结构产生进动磁化，其在整个进动周期中向MTJ的自由层336提供自旋电流，且因此显着增强自由层切换过程，这将导致更快的写入时间。
在图6A到6B中展示制造MRAM堆叠500的实施例的方法400的流程图。MRAM堆叠500通常将在某种形式的衬底上制作，在某些实施例中，衬底可为硅衬底。在图7中说明MRAM堆叠500。第一步骤402为沉积晶种层520。在实施例中，可以通过在步骤404处沉积TaN层504且然后在步骤406处沉积Cu层506来构造晶种层520。在实施例中，TaN层504为具有5纳米厚度的薄膜且Cu层506为具有5纳米厚度的薄膜。在替代实施例中，TaN层504可具有从2到20纳米范围内的厚度，而Cu层506可具有从0到20纳米范围内的厚度。
在步骤408处，沉积第一垂直合成反铁磁性层522。在实施例中，第一垂直合成反铁磁性层522可包括Pt层508(在步骤410处沉积)，Co/Pt多层510(在步骤412处沉积)及Co层512(在步骤414处沉积)。在实施例中，Pt层508为具有0.7纳米厚度的Pt薄膜。在其它实施例中，Pt层508可包括具有从0.5到20纳米范围的厚度的Pt薄膜。Co/Pt多层510可包括具有0.6纳米厚度的Co薄膜及具有0.4纳米厚度的Pt薄膜。在其它实施例中，Co/Pt多层510的Co层可以具有0.1至1.0纳米的厚度，且Co/Pt多层510的Pt层可以具有从0.1到1.0纳米范围的厚度。在实施例中，重复Co/Pt多层510，使得Co/Pt多层510包括六个Co/Pt多层。在实施例中，Co层512为具有0.6纳米厚度的薄膜。在其它实施例中，Co层512可具有从0.1到1.0纳米范围的厚度。
如在图7中所看到，第一垂直合成反铁磁性层522具有磁矢量，所述磁矢量具有垂直于其平面的方向。第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向为固定的，且在正常操作条件下不会改变方向(即，旋转或进动)。
在步骤416处，沉积交换耦合层524。在实施例中，交换耦合层524包括具有0.8纳米厚度的Ru薄膜，且在其它实施例中，可为从0.3到1.5纳米的范围。
在步骤418处，制作第二垂直合成反铁磁性层526。第二垂直合成反铁磁性层526的制作(步骤418)包括许多步骤，且包含制作磁性隧道结530的参考层532，如将论述。在步骤420处，沉积Co层514。在实施例中，Co层514为具有0.3纳米厚度的薄膜，且在其它实施例中，可以具有0.1到1.0纳米的厚度。此后，在步骤420处，沉积Co/Pt多层516。在实施例中，Co/Pt多层516包括具有0.6纳米厚度的Co薄膜及具有0.4纳米厚度的Pt薄膜。在其它实施例中，Co薄膜可以具有0.1到1.0纳米的厚度，而Pt薄膜可以具有0.1到1.0纳米的厚度。此外，Co/Pt多层516可包括如本文中所描述的多个Co/Pt层。在实施例中，Co/Pt多层516具有两个具有上文所描述厚度性质的Co/Pt多层。在步骤422处沉积Co/Pt多层516之后，本文中所描述的方法在步骤424处沉积钴层518。在实施例中，Co层518为具有0.6纳米厚度的薄膜，而其它实施例，Co层518可以具有在0.1到1.0纳米范围内的厚度。Co层514、Co/Pt层516及Co层518一起形成磁性结构。Co层514、Co/Pt层516及Co层518的组合的磁方向为固定的，垂直于每一层的平面，且反平行于第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向。
Co层514、Co/Pt层516及Co层518的组合的磁性质将与第二垂直合成反铁磁性层526的参考层532的磁性质交互，以生成具有固定磁方向的磁矢量，所述固定磁方向也垂直于第二垂直合成反铁磁性层526的每一层的平面且反平行于第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向。这些磁矢量如图7中所说明，其中可以看出第二垂直合成反铁磁性层526具有固定且垂直的磁方向，所述磁方向与第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向反平行。注意，第二垂直合成反铁磁性层526及第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向在正常操作条件下为固定的。
在沉积Co层518(步骤424)之后，沉积铁磁性耦合层528(步骤526)。在实施例中，铁磁性耦合层528为具有0.2纳米厚度的Ta薄膜。在其它实施例中，铁磁性耦合层528可为具有从0.1到1.0纳米范围的厚度的Ta、W、Hf或Mo的薄膜。
在步骤426处沉积铁磁性耦合层528之后，沉积参考层532(步骤428)。步骤428，参考层532的制作，包括若干步骤，包含沉积磁性层527(步骤430)，沉积钨(W)层529(步骤432)及沉积磁性层531(步骤434)。在实施例中，磁性层527包括由60％的铁(Fe)、20％的钴(Co)及20％的硼(B)组成的CoFeB薄膜，其中薄膜具有0.6纳米的厚度。在实施例中，W层529包括具有0.2纳米厚度的薄膜。在实施例中，磁性层531包括由60％的铁(Fe)、20％的钴(Co)及20％的硼(B)组成的CoFeB薄膜，其中薄膜具有0.8纳米的厚度。在其它实施例中，磁性层527可包括具有从0.5到1.5纳米范围的厚度的CoFeB薄膜，W层529可包括具有0.1到1.0纳米的厚度的薄膜，且磁性层531可包括具有0.5到2.0纳米的厚度的CoFeB薄膜。
参考层532使用磁性材料构造，使得其具有磁矢量，所述磁矢量具有垂直于其平面的磁方向，在方向上固定，且反平行于第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向。如所论述且如在图7中所看到，第二垂直合成反铁磁性层526的集合材料具有磁矢量，所述磁矢量具有垂直于其集合层中的每一者的平面的磁方向，在方向上为固定并反平行于第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向。注意，第一垂直合成反铁磁性层522及第二垂直合成反铁磁性层526的特定磁方向并不重要，只要其垂直于其相应平面且彼此反平行即可。
如所论述，参考层532为形成磁性隧道结530的结构中的一者。在图6B上继续展示制造包含磁性隧道结530的MRAM堆叠500的方法的流程图。在步骤436处，非磁性隧道势垒层534沉积在参考层532上。在实施例中，非磁性隧道势垒534形成为绝缘材料(例如MgO)的薄膜，且具有1.1nm的厚度。上文论述非磁性隧道势垒534的用途。
磁性隧道结530的制造在步骤438处继续，此时自由层536沉积在非磁性隧道势垒534上方。自由层536的制作包括若干步骤。在步骤440处，磁性层535沉积在非磁性隧穿势垒534上方。在实施例中，磁性层535由CoFeB薄膜构成，所述CoFeB薄膜由60％的铁(Fe)、20％的钴(Co)及20％的硼(B)构成，且具有1.2纳米的厚度。在其它实施例中，磁性层535可包括CoFeB薄膜或其它合适的磁性材料，其具有从0.5到2.0纳米范围的厚度。自由层535的制造在步骤442处继续，其中沉积W层537。在实施例中，W层537包括厚度为0.2纳米的W薄膜，且在其它实施例中，可具有从0.1到1.0纳米范围的厚度。在步骤444处，自由层536的制造继续形成磁性层539。在实施例中，磁性层539可包括由60％的铁(Fe)、20％的钴(Co)及20％的硼(B)构成且具有0.9纳米的厚度的CoFeB薄膜。在其它实施例中，磁性层539可包括CoFeB薄膜或其它合适的磁性材料，其具有从0.5到1.5纳米范围的厚度。
磁性层535及539连同非磁性W层537一起形成自由磁性层536。自由磁性层536具有磁性矢量，所述磁性矢量具有垂直于其平面的磁性方向。另外，自由磁性层536设计可以包含自由层536的磁化，其指向远离其垂直轴线数度。自由层磁化的倾斜角度可以归因于与PSC磁性层550的交互或由于磁晶各向异性，将另外有助于通过改进开关的启动来切换自由层磁化。如图7中所展示，自由磁性层536的磁方向可以从一个方向切换180度到另一反向平行方向。
在步骤438处制作磁性隧道结530之后，执行步骤446，其中沉积非磁性间隔物层540。在实施例中，非磁性间隔物层540可包括具有0.9纳米的厚度的MgO薄膜。在其它实施例中，间隔物层540可包括MgO薄膜，其具有从0.5到1.5纳米范围的厚度。在其它实施例中，间隔物层540可如2015年9月25日提交申请的且名称为“具有自旋电流注入覆盖层的MRAM装置的自旋转移力矩结构”的美国专利申请案第14/866,359号中所描述构造。美国专利申请案第14/866,359号特此通过全文引用方式并入本文中。
在沉积间隔物层540之后，沉积进动自旋电流磁性结构550(步骤450)。如图6B中所看到，进动自旋电流磁性结构550的制造包括若干步骤。在步骤452处，在间隔物层540上方制制作第一进动自旋电流铁磁性层543。在实施例中，第一进动自旋电流铁磁性层543包括具有0.4纳米的厚度的Fe薄膜。在其它实施例中，第一进动自旋电流铁磁性层543可包括具有从0.5到2.0纳米范围的厚度的Fe薄膜。
在步骤454处，在磁性Fe层543上方沉积非磁性进动自旋电流插入层545。在实施例中，非磁性进动自旋电流插入层545可包括具有1.5纳米厚度的Ru薄膜。如将论述，可选择非磁性进动自旋电流插入层545的厚度以控制及调谐第一进动自旋电流铁磁性层543与第二进动自旋电流铁磁性层547(下面所描述)的耦合。使用非磁性进动自旋电流插入层545提供若干改进及优点。例如，非磁性进动自旋电流插入层545使得进动自旋电流磁性结构550能够利用自旋泵浦机制来控制进动自旋电流磁性结构550的自旋力矩效率。非磁性进动自旋电流插入层545还能够减少来自由于第一进动自旋电流铁磁性层543与自由层536之间的分离厚度所致的作用于自由层536的进动自旋电流磁性结构550的偶极边缘场。强边缘场由于作用在自由层536上的大的偶极磁场而为非所要效果且可能阻碍自由层536在正常操作情况下切换。
虽然图7中所展示的实施例的非磁性进动自旋电流插入层545可以由Ru构成，但是也可以使用具有相对长的自旋扩散长度(例如，大于5纳米)的其它非磁性材料。此类非磁性材料的实例包含Cu(其具有大约400nm的自旋扩散长度)、Ag(其具有大约150nm的自旋扩散长度)、Au(大约35nm的自旋扩散长度)、Mg(其具有大约150nm的自旋扩散长度)及Al(其具有大约300nm的自旋扩散长度)。如上文所描述，Ru具有大约十(10)nm的自旋扩散长度。使用如同具有相对长的自旋扩散长度的这些的材料使得可能经由由于自旋泵浦效应所致的动态耦合实现进动自旋电流磁性结构550的所要自旋力矩效率。
在步骤456处，沉积第二进动自旋电流铁磁性层547。在实施例中，第二进动自旋电流铁磁性层547包括由40％的铁(Fe)、40％的钴(Co)及20％的硼(B)组成且具有1.7纳米的厚度的CoFeB薄膜。在其它实施例中，第二进动自旋电流铁磁性层547可包括CoFeB、Co、Fe、Ni及其合金薄膜，其具有在1.0到5.0纳米之间范围的厚度。
注意，间隔物层540用于从进动自旋电流磁性结构550有效地将自旋极化电流注入到磁性隧道结530中。自旋电流是通过进动第二进动自旋电流铁磁性层547的磁化方向来生成且通过使用自旋泵浦效应自旋扩散传输穿过非磁性进动自旋电流插入层545进入到第一进动自旋电流铁磁性层543中来载运。第二进动自旋电流铁磁性层547及第一进动自旋电流铁磁性层543磁化经由自旋泵浦机构动态耦合。第一进动自旋电流铁磁性层543用作自旋电流注入层，其提供由第二进动自旋电流铁磁性层547生成的自旋电流的连续性。
还要注意，当非磁性进动自旋电流插入层545具有高于大约1纳米的厚度时，第一进动自旋电流铁磁性层543与第二进动自旋电流铁磁性层547之间的交换耦合显著地减小。然而，当非磁性进动自旋电流插入层545具有高于大约1纳米的厚度时，第二进动自旋电流铁磁性层547与第一进动自旋电流铁磁性层543之间仅有自旋泵浦效应的动态耦合变得占优势。因此，使用具有由非磁性进动自旋电流插入层545分离的第一进动自旋电流铁磁性层543及第二进动自旋电流铁磁性层547的进动自旋电流磁性结构550提供更好的控制并允许调谐进动自旋电流磁性结构550与自由层536之间的耦合。
在步骤450处制造进动自旋电流磁性结构550之后，沉积覆盖层551(步骤460)。覆盖层551的制造可包括沉积TaN层553(步骤462)及沉积Ru层555(步骤464)。在实施例中，TaN层553包括具有2.0纳米厚度的TaN薄膜，而在其它实施例中，TaN层553可以具有从1.0到5.0纳米范围的厚度。在实施例中，Ru层555包括具有十(10)纳米厚度的Ru薄膜，而在其它实施例中，Ru层555可以具有从1.0到20纳米范围的厚度。在其它实施例中，覆盖层551包括Ru层(没有TaN)或MgO层。在若干原因中，特定的覆盖结构的选择受到所使用的特定退火温度的影响。这是归因于这些特定材料将取决于退火温度具有不同的特性的事实。
在步骤466处，沉积硬掩模557。硬掩模557可包括TaN。此后，MTJ堆叠500在300摄氏度下进行退火1小时。此装置，在退火后，在5到10Ωμm2的电阻区域乘积(RA)范围的情况下具有超过100％的隧穿磁阻(TMR)。
在图8A到8B中说明展示制造MRAM堆叠700的实施例的方法600的流程图。MRAM堆叠700通常将在某种形式的衬底上制作，在某些实施例中，衬底可为硅衬底，且可以包含在其上制作的互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。在图9中说明MRAM堆叠700。第一步骤602为沉积晶种层720。在实施例中，可以通过在步骤604处沉积TaN层704且然后在步骤606处沉积Cu层706来构造晶种层720。在实施例中，TaN层704为具有10纳米厚度的薄膜且Cu层706为具有5纳米厚度的薄膜。在替代实施例中，TaN层704可具有从2.0到20纳米范围内的厚度，而Cu层706可具有从0到20纳米范围内的厚度。
在步骤608处，沉积第一垂直合成反铁磁性层722。在实施例中，第一垂直合成反铁磁性层722可包括Pt层708(在步骤610处沉积)，Co/Pt多层710(在步骤612处沉积)及Co层712(在步骤614处沉积)。在实施例中，Pt层708为具有0.7纳米厚度的Pt薄膜。在其它实施例中，Pt层708可包括具有从0.5到20纳米范围的厚度的Pt薄膜。Co/Pt多层710可包括具有0.6纳米厚度的Co薄膜及具有0.4纳米厚度的Pt薄膜。在其它实施例中，Co/Pt多层710的Co层可以具有0.1至1.0纳米的厚度，且Co/Pt多层710的Pt层可以具有从0.1到1.0纳米范围的厚度。在实施例中，重复Co/Pt多层710，使得Co/Pt多层710包括六个Co/Pt多层。在实施例中，Co层712为具有0.6纳米厚度的薄膜。在其它实施例中，Co层712可具有从0.1到1.0纳米范围的厚度。
如在图9中所看到，第一垂直合成反铁磁性层722具有磁矢量，所述磁矢量具有垂直于其平面的方向。第一垂直合成反铁磁性层722的磁方向为固定的，且在正常操作条件下不会改变方向(即，旋转或进动)。可以选择合成反铁磁性层的厚度，以便最小化从参考层及MTJ结构内的其它磁性层出现的偶极边缘场，所述偶极边缘场在装置制作之后作用在自由层上。
在步骤616处，沉积交换耦合层724。在实施例中，交换耦合层724包括具有0.8纳米厚度的Ru薄膜，且在其它实施例中，可为从0.3到1.5纳米的范围。
在步骤618处，制作第二垂直合成反铁磁性层726。第二垂直合成反铁磁性层726的制作(步骤618)包括许多步骤，且包含制作磁性隧道结730的参考层732，如将论述。在步骤620处，沉积Co层514。在实施例中，Co层714为具有0.3纳米厚度的薄膜，且在其它实施例中，可以具有0.1到1.0纳米的厚度。此后，在步骤620处，沉积Co/Pt多层716。在实施例中，Co/Pt多层716包括具有0.6纳米厚度的Co薄膜及具有0.4纳米厚度的Pt薄膜。在其它实施例中，Co薄膜可以具有0.1到1.0纳米的厚度，而Pt薄膜可以具有0.1到1.0纳米的厚度。此外，Co/Pt多层716可包括如本文中所描述的多个Co/Pt层。在实施例中，Co/Pt多层716具有两个具有上文所描述厚度性质的Co/Pt多层。在步骤622处沉积Co/Pt多层716之后，本文中所描述的方法在步骤624处沉积钴层718。在实施例中，Co层718为具有0.9纳米厚度的薄膜，而其它实施例，Co层718可以具有在0.1到1.0纳米范围内的厚度。
Co层714、Co/Pt层716及Co层718一起形成磁性结构。Co层714、Co/Pt层716及Co层718的组合的磁方向为固定的，垂直于每一层的平面(尽管数度的变化在被认为是垂直的范围内)，且反平行于第一垂直合成反铁磁性层722的磁方向。Co层714、Co/Pt层716及Co层718的组合的磁性质将与第二垂直合成反铁磁性层726的参考层732的磁性质交互，以生成具有固定磁方向的磁矢量，所述固定磁方向也垂直于第二垂直合成反铁磁性层726的每一层的平面且反平行于第一垂直合成反铁磁性层722的磁方向。这些磁矢量如图9中所说明，其中可以看出第二垂直合成反铁磁性层726具有固定且垂直的磁方向，所述磁方向与第一垂直合成反铁磁性层722的磁方向反平行。注意，第二垂直合成反铁磁性层726及第一垂直合成反铁磁性层722的磁方向在正常操作条件下为固定的。
在步骤624处沉积铁磁性耦合层718之后，沉积参考层732(步骤628)。步骤628，参考层732的制作，包括若干步骤，包含沉积钨(W)层729(步骤632)及沉积磁性层731(步骤634)。在实施例中，W层729包括具有0.3纳米厚度的薄膜。在实施例中，磁性层731包括由60％的铁(Fe)、20％的钴(Co)及20％的硼(B)组成的CoFeB薄膜，其中薄膜具有0.8纳米的厚度。在其它实施例中，W层729可包括具有0.2到1.0纳米的厚度的薄膜，且磁性层731可包括具有0.5到1.5纳米的厚度的CoFeB薄膜。
参考层732使用磁性材料构造，使得其具有磁矢量，所述磁矢量具有垂直于其平面的磁方向，在方向上固定，且反平行于第一垂直合成反铁磁性层722的磁方向。如图9中所论述且如在图7中所看到，第二垂直合成反铁磁性层726的集合材料具有磁矢量，所述磁矢量具有垂直于其集合层中的每一者的平面的磁方向，在方向上为固定并反平行于第一垂直合成反铁磁性层722的磁方向。注意，第一垂直合成反铁磁性层722及第二垂直合成反铁磁性层726的特定磁方向并不重要，只要其垂直于其相应平面且彼此反平行即可。
如所论述，参考层732为形成磁性隧道结730的结构中的一者。在图8B上继续展示制造包含磁性隧道结730的MRAM堆叠700的方法的流程图。在步骤636处，非磁性隧道势垒层734沉积在参考层732上。在实施例中，非磁性隧道势垒734形成为绝缘材料(例如，MgO)的薄膜，且具有1.1nm的厚度。上文论述非磁性隧道势垒734的用途。
磁性隧道结730的制造在步骤638处继续，此时自由层736沉积在非磁性隧道势垒734上方。自由层736的制作包括若干步骤。在步骤640处，磁性层735沉积在非磁性隧穿势垒734上方。在实施例中，磁性层735由CoFeB薄膜构成，所述CoFeB薄膜由五十四(54)％的铁(Fe)、十八(18)％的钴(Co)及二十八(28)％的硼(B)构成，其中薄膜具有1.5纳米的厚度。在其它实施例中，磁性层735可包括CoFeB薄膜或其它合适的磁性材料，其具有从0.5到2.5纳米范围的厚度。自由层735的制造在步骤642处继续，其中沉积W层737。在实施例中，W层737包括厚度为0.5纳米的W薄膜，且在其它实施例中，可具有从0.2到1.0纳米范围的厚度。在步骤644处，自由层736的制造以形成磁性层739继续。在实施例中，磁性层739可包括CoFeB薄膜，所述CoFeB薄膜由五十四(54)％的铁(Fe)、十八(18)％的钴(Co)及二十八(28)％的硼(B)构成，其中薄膜具有0.8纳米的厚度。在其它实施例中，磁性层739可包括CoFeB薄膜或其它合适的磁性材料，其具有从0.5到2.0纳米范围的厚度。
磁性层735及739连同非磁性W层737一起形成自由磁性层736。自由磁性层736具有磁性矢量，所述磁性矢量具有垂直于其平面的磁性方向。另外，自由磁性层736设计可以包含自由层736的磁化，其指向远离其垂直轴线数度。自由层磁化的倾斜角度可以归因于与PSC磁性层750的交互或由于磁晶各向异性，将另外有助于通过改进开关的启动来切换自由层磁化。如图9中所展示，自由磁性层736的磁方向可以从一个方向切换180度到另一反向平行方向。
在步骤638处制作磁性隧道结733之后，执行步骤646，其中沉积非磁性间隔物层740。在实施例中，非磁性间隔物层740可包括具有0.9纳米的厚度的MgO薄膜。在其它实施例中，间隔物层740可包括MgO薄膜，其具有从0.5到2.0纳米范围的厚度。在其它实施例中，间隔物层740可如2015年9月25日提交申请的且名称为“具有自旋电流注入覆盖层的MRAM装置的自旋转移力矩结构”的美国专利申请案第14/866,359号中所描述构造。美国专利申请案第14/866,359号特此通过全文引用方式并入本文中。
在沉积间隔物层740之后，沉积进动自旋电流磁性层750(步骤650)。如图8B中所看到，进动自旋电流磁性结构750的制造包括若干步骤。在步骤652处，在间隔物层740上方制制作第一进动自旋电流铁磁性层743。在实施例中，第一进动自旋电流铁磁性层743包括具有0.6纳米的厚度的Fe薄膜。在其它实施例中，第一进动自旋电流铁磁性层743可包括具有从0.5到2.0纳米范围的厚度的Fe薄膜。
在步骤654处，在磁性第一进动自旋电流铁磁性层743上方沉积非磁性进动自旋电流插入层745。在实施例中，非磁性进动自旋电流插入层745可包括具有1.5纳米厚度的Ru薄膜。如在图7中所展示的实施例的上下文中所论述，非磁性进动自旋电流插入层745提供了若干改进及优点。如所论述，非磁性进动自旋电流插入层745使得进动自旋电流磁性结构750能够利用自旋泵浦机制来控制进动自旋电流磁性结构750的自旋力矩效率。还如所论述，非磁性进动自旋电流插入层745也能够实现自旋泵浦机构将第二进动自旋电流铁磁性层747(下文所论述)的进动耦合到第一进动自旋电流铁磁性层743，从而允许自旋力矩使用非磁性间隔物740从进动自旋电流磁性结构750注入到自由层736中。
虽然图9中所展示的实施例的非磁性进动自旋电流插入层745由Ru构成，但是也可使用具有相对长的自旋扩散长度(例如，大于5纳米)的其它非磁性材料。此类非磁性材料的实例包含Cu(其具有大约400nm的自旋扩散长度)、Ag(其具有大约150nm的自旋扩散长度)、Au(大约35nm的自旋扩散长度)、Mg(其具有大约150nm的自旋扩散长度)及Al(其具有大约300nm的自旋扩散长度)。如上文所描述，Ru具有大约十(10)nm的自旋扩散长度。使用如同具有相对长的自旋扩散长度的这些的材料使得可能经由由于自旋泵浦效应所致的动态耦合实现进动自旋电流磁性结构750的所要自旋力矩效率。
在步骤656处，沉积第二进动自旋电流铁磁性层747。在实施例中，第二进动自旋电流铁磁性层747包括由40％的铁(Fe)、40％的钴(Co)及20％的硼(B)组成且具有1.85纳米的厚度的CoFeB薄膜。在其它实施例中，第二进动自旋电流铁磁性层747可包括CoFeB、Co、Fe、Ni及其合金薄膜，其具有在1.0到5.0纳米之间范围的厚度。
正如在图7中所展示的装置500中，间隔物层740用于从进动自旋电流磁性结构750有效地将自旋极化电流注入到磁性隧道结730中。如所论述，自旋电流是通过进动第二进动自旋电流铁磁性层747的磁化方向来生成且通过使用自旋泵浦效应自旋扩散传输穿过非磁性进动自旋电流插入层745进入到第一进动自旋电流铁磁性层743中来载运。第二进动自旋电流铁磁性层747及第一进动自旋电流铁磁性层743磁化经由自旋泵浦机构动态耦合。第一进动自旋电流铁磁性层743用作自旋电流注入层，其提供由第二进动自旋电流铁磁性层747生成的自旋电流的连续性。还如上文关于图7的装置实施例500所论述的，可选择非磁性进动自旋电流插入层745的厚度以选择第二进动自旋电流铁磁性层747与第一进动自旋电流铁磁性层743的所需耦合量，其又可用于调谐进动自旋电流磁性结构750到自由层736的耦合。
在步骤650处制造进动自旋电流磁性结构750之后，沉积覆盖层751(步骤660)。覆盖层751的制造可包括沉积TaN层753(步骤662)及沉积Ru层755(步骤664)。在实施例中，TaN层753包括具有2.0纳米厚度的TaN薄膜，而在其它实施例中，TaN层753可以具有从1.0到5.0纳米范围的厚度。在实施例中，Ru层755包括具有十(10)纳米厚度的Ru薄膜，而在其它实施例中，Ru层755可以具有从1.0到20纳米范围的厚度。在其它实施例中，覆盖层751包括Ru层(没有TaN)或MgO层。如所论述，在若干原因中，特定的覆盖结构的选择受到所使用的特定退火温度的影响。这是归因于这些特定材料将取决于退火温度具有不同的特性的事实。
在步骤666处，使用原位快速热退火炉，在400摄氏度下将MTJ堆叠700进行退火达四十五(45)分钟的浸泡时间。在步骤668处，沉积硬掩模757。硬掩模757可包括具有7.0纳米厚度的TaN层。退火步骤的可接受温度范围在250摄氏度到450摄氏度的范围内。
如所描述用高温退火步骤666制造的MTJ堆叠700致使装置700具有超过一百六十(160)％(其有利地为高)的隧穿磁阻(TMR)及高达大约十(10)至十二(12)Ωμm2的电阻区域乘积(RA)范围。装置700的这些TMR及RA特性为非常期望的，且指示如本文中所描述的进动自旋电流磁性结构750可以承受400摄氏度的高温退火并且仍然表现良好。这意味着可以使用标准CMOS工艺制作具有进动自旋电流磁性结构750的MTJ装置700。这是非常有利的，因为这意味着不需要定制的制造设施，且还意味着MRAM存储器可以嵌入CMOS集成电路中。
图11为具有磁性隧道结530及进动自旋电流磁性结构550的磁性装置500的薄膜振动样品磁强计(VSM)主要磁滞回线数据的曲线图。为了获得此VSM主要磁滞回线(在图11中标记为1100)，以垂直于样品平面的磁方向(即，沿着磁性隧道结530的易磁化轴线)施加磁场。如在图11中所看到的，所施加磁场以-12,000奥斯特开始，然后下降到0.00奥斯特，然后上升到+12,000奥斯特，另一非常大的磁场。然后磁场从+12,000奥斯特降低到0.00奥斯特，然后增加到-12,000奥斯特。DC所施加磁场的正负符号指示磁场扫描的垂直所施加磁场方向。
通过箭头示意性地说明pMTJ的特定组件的磁方向的切换。用箭头1110A、1110B及1110C展示第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向的任何切换，每一箭头说明层的磁方向。用箭头1120A、1120B及1120C展示第二垂直合成反铁磁性层526的磁方向的任何切换，每一箭头说明层的磁方向。最后，用箭头1130A、1130B及1130C展示自由层536的任何切换，每一箭头说明层的磁方向。
如在图11中所看到，当垂直磁场从-12,000奥斯特降低时，磁方向第一垂直合成反铁磁性层522不会反转方向，直到磁场测量大约+4,000奥斯特。这由箭头1110C展示，说明第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向已经切换。这表明第一垂直合成反铁磁性层522非常稳定，因为其在正常使用下不会经历此类情况。此稳定性表明使用进动自旋电流磁性结构550不会对整个参考层532及其交换耦合场的稳定性产生负面影响。
还如在图11中所看到，第二垂直合成反铁磁性层526不会反转方向，直到施加大约-4,000奥斯特的垂直磁场。这由箭头1120A展示，说明第二垂直合成反铁磁性层526的磁方向已经切换。因为装置500在正常操作条件下不会经历如此大的磁场，所以此测试表明第二垂直合成反铁磁性层526非常稳定，这也证明了使用进动自旋电流磁性结构550不会对装置500中的其它磁性结构产生负面影响。这也是重要的，因为含在第二垂直合成反铁磁性层526中的参考层532必须具有固定的磁方向，以使磁性隧道结530正常工作。
最后，图11表明包含进动自旋电流磁性结构550的装置500具有优异的自由层切换性能。自由层的切换在大约0.00奥斯特下发生，且由箭头1130B说明。
尖锐的切换转换指示第一垂直合成反铁磁性层522、参考层532(包含第二垂直合成反铁磁性层526)及垂直磁性隧道结530的自由层536的良好垂直各向异性。4.3kOe的交换耦合指示参考层的良好稳定性。在±3.0kOe之间的磁滞回线的斜率指示进动自旋电流磁性结构550的旋转，其与垂直磁性隧道结530的层正交，即，沿着垂直施加场的难磁化轴线。
图12为具有磁性隧道结530及进动自旋电流磁性结构550的磁性装置500的薄膜振动样品磁强计(VSM)主要磁滞回线数据的曲线图。为了测量VSM主要磁滞回线(在图12中标记为1200)，以位于磁性隧道结530的层的平面中的磁场方向施加磁场。如在图12中所看到的，所施加磁场以-14,000奥斯特开始，然后下降到0.00奥斯特，然后上升到+14,000奥斯特，另一非常大的磁场。然后所施加磁场从+12,000奥斯特平稳地降低到0.00奥斯特，然后增加到-12000奥斯特。然后磁场从+14,000奥斯特降低到0.00奥斯特，然后增加到-14,000奥斯特。DC所施加磁场的正负符号指示磁场扫描的面内所施加磁场方向。
VSM主要磁滞回线1200的斜率增加对应于当磁场在面内施加时磁性隧道结530的层的缓慢旋转，所述磁场正交于那些层的磁方向。VSM主磁滞回线1200在零场附近的急剧转变对应于进动自旋电流磁性结构550的进动。此急剧切换指示进动自旋电流磁性结构550为面内磁化，即沿着面内施加的磁场的易磁化轴线。除了上文的描述之外，图11及12中所展示的VSM主要磁滞回线1100及1200表明自由层530及进动自旋电流磁性结构550相对于彼此正交磁化。
图13展示磁性隧道结装置500的铁磁谐振，其具有在二十四(24)GHz下测量的进动自旋电流磁性结构550。沿垂直方向施加磁场。在8000奥斯特处的虚线1300指示在面内进动自旋电流磁性结构550与垂直磁化自由磁性层536之间在24GHz处的区域边界ω/γ～8.0千高斯。因为自由层536具有垂直于其平面的磁方向，根据共振方程，谐振线出现在ω/γ～8.0千高斯边界下方的共振场中：ω/γ＝Hres-4πMeff。类似地，在ω/γ～8.0千高斯边界上方的场中将发生进动自旋电流磁性结构550谐振，指示强的面内磁化。有效磁化强度值指示自由层536的强垂直各向异性(4πMeff～-3.5千高斯)及进动自旋电流磁性结构的强面内各向异性550(4πMeff～6千高斯)。
图14中展示替代实施例。在此实施例中，磁性装置1400使其MTJ堆叠相对于图5中所展示的实施例为倒置的。特定来说，磁性装置1400包含晶种层1470。进动自旋电流磁性结构1450放置在晶种层1470上方。PSC结构1450包括第一进动自旋电流铁磁性层1447、非磁性PSC插入层1445及第二进动自旋电流铁磁性层1443。第一进动自旋电流铁磁性层1447分别类似于在图5、7及9的上下文中所描述的第二进动自旋电流铁磁性层347、547及747。非磁性PSC插入层1445类似于在图5、7及9的上下文中所描述的非磁性PSC插入层345、545及747。最后，第二进动自旋电流铁磁性层1443类似于分别在图5、7及9的上下文下所描述的第一进动自旋电流铁磁性层343、543及743。进动自旋电流磁性结构1450如对应的进动自旋电流磁性层350、550及750的上下文中所描述操作。
非磁性间隔物层1440放置在PSC结构1450上方。非磁性间隔物层1440具有与上文所论述的非磁性间隔物层340、540及740相同的性质、构造及特性。MTJ 1430放置在非磁性间隔物层1440上方。MTJ 1430通常由自由层1436(其放置在非磁性间隔物层1440上方)及参考层1432构成。自由层1436及参考层1432通过隧穿势垒层1434在空间上彼此分离，所述隧穿势垒层由例如MgO或W等绝缘材料制成。如上文，MTJ 1430作为垂直MTJ，因为参考层及自由层两者的磁方向均垂直于其相应平面。如关于其它实施例所论述，自由磁性层1436设计可以包含自由层1436的磁化，其指向远离其垂直轴线数度。自由层磁化的倾斜角度可以归因于与PSC磁性层1450的交互或由于磁晶各向异性，将另外有助于通过改进开关的启动来切换自由层磁化。铁磁性耦合层1428放置在参考层1432上方。合成反铁磁(SAF)层1426安置在铁磁性耦合层1428上方。反铁磁性耦合层1424放置在SAF层1426上方。另一合成反铁磁性层1422放置在反铁磁性耦合层1424上方。注意，SAF层1426在技术上也包含铁磁性耦合层1428及参考层1432，但是出于解释的目的此处单独展示。SAF层1426及1422在正常操作条件下也具有垂直磁方向。最后，覆盖层1420放置在SAF层1422上方。电流可以由电流源1475提供。除了层的排序之外，磁性装置以与关于图5、7及9中所展示的实施例所描述的相同的方式操作。因此，正如图5、7及9中所展示，PSC磁性层结构1450以使得在自由层1436的整个进动循环中以有益的方式施加自旋转移力矩310的方式旋转。
图5、7、9及14中所说明的装置300、500、700及1400的所有层均可通过薄膜磁控溅射沉积系统而形成，如所属领域的技术人员将了解。薄膜溅射沉积系统可包含必需的物理气相沉积(PVD)室(每一室具有一或多个靶材)、氧化室及溅射蚀刻室。通常，溅射沉积过程涉及具有超高真空的溅镀气体(例如，氩、氪、氙等)，且靶材可由待沉积于衬底上的金属或金属合金制成。因此，当本说明书陈述层被放置在另一层上方时，可以使用此系统沉积此类层。也可以使用其它方法。应了解，用以制造MTJ堆叠300、500、700及1300所需的剩余步骤对所属领域的技术人员来说为众所周知的，且将不在本文中进行详细描述以免不必要地使本文中的揭示内容的方面模糊。
所属领域的技术人员应了解，多个MTJ结构300、500、700及1300可经制造且提供为STT-MRAM装置的相应位单元。换句话说，每一MTJ堆叠300、500、700及1400可实施为具有多个位单元的存储器阵列的位单元。
以上描述及图式仅应视为对实现本文中所描述的特征及优点的特定实施例的说明。可对特定过程条件作出修改及替代。因此，此专利文档中的实施例并不视为受前述说明及图式限制。

Claims (16)

1.一种磁性装置，其包括
第一合成反铁磁性结构，其在第一平面中，所述第一合成反铁磁性结构包含磁性参考层，所述磁性参考层具有垂直于所述第一平面的磁化矢量且具有固定磁化方向；
非磁性隧道势垒层，其在第二平面中且安置在所述磁性参考层上方；
自由磁性层，其在第三平面中且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三平面的磁化矢量且具有能够从第一磁化方向进动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；
非磁性间隔物层，其在第四平面中且安置在所述自由磁性层上方，磁性耦合层包括MgO；
进动自旋电流磁性结构，其在第五平面中，其与所述自由磁性层物理分离且通过所述非磁性间隔物层耦合到所述自由磁性层，所述进动自旋电流磁性结构具有磁化矢量及在所述第五平面中能够在所述第五平面中的任何磁方向上自由旋转的磁化方向，所述进动自旋电流磁性结构包括第一进动自旋电流铁磁性层、非磁性进动自旋电流插入层及第二进动自旋电流铁磁性层，所述第一进动自旋电流铁磁性层安置在所述非磁性间隔物层上方，所述非磁性进动自旋电流插入层安置在所述第一进动自旋电流铁磁性层上方，且所述第二进动自旋电流铁磁性层安置在所述非磁性进动自旋电流插入层上方；及
覆盖层，其在第六平面中且安置在所述进动自旋电流磁性结构上方；
其中通过所述进动自旋电流磁性结构的电流的电子在所述进动自旋电流磁性层的所述磁方向上对准并注入到所述非磁性间隔物、所述自由磁性层、所述非磁性隧道势垒层及所述磁性参考层中，且其中所述进动自旋电流磁性结构的所述磁化方向进动，从而引起自旋转移力矩辅助所述自由磁性层的所述磁化矢量的切换。
2.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述非磁性进动自旋电流插入层由具有超过二(2)纳米的自旋扩散长度的材料构成。
3.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述非磁性进动自旋电流插入层由Ru薄膜构成。
4.根据权利要求3所述的磁性装置，其中所述Ru薄膜具有至少1纳米的厚度。
5.根据权利要求3所述的磁性装置，其中所述Ru薄膜具有1.5纳米的厚度。
6.根据权利要求1所述的磁性结构，其中所述第一进动自旋电流铁磁性层包括Fe薄膜，所述非磁性进动自旋电流插入层包括具有长自旋扩散长度的材料，且所述第二进动自旋电流铁磁性层包括CoFeB薄膜。
7.根据权利要求6所述的磁性结构，其中所述Fe薄膜具有0.4纳米的厚度。
8.根据权利要求6所述的磁性结构，其中所述Fe薄膜具有0.6纳米的厚度。
9.根据权利要求6所述的磁性结构，其中所述CoFeB薄膜由40％的Co、40％的Fe及20％的B构成。
10.根据权利要求9所述的磁性结构，其中所述CoFeB薄膜具有1.7纳米的厚度。
11.根据权利要求9所述的磁性结构，其中所述CoFeB薄膜具有1.85纳米的厚度。
12.根据权利要求6所述的磁性结构，其中具有长自旋扩散长度的所述材料选自由Ru、Cu、Ag、Au、Mg及Al组成的群组。
13.根据权利要求1所述的磁性结构，其中所述自由磁性层具有有效磁各向异性，使得其易轴线磁化轴线指向远离垂直方向并相对于垂直平面形成角度。
14.一种在衬底上方制造磁性装置的方法，其包括：
在所述衬底上方沉积第一合成反铁磁性结构，所述第一合成反铁磁性结构在第一平面中，所述第一合成反铁磁性结构具有垂直于所述第一平面的磁化矢量且具有固定磁化方向；
在所述第一合成反铁磁性结构上方沉积交换耦合层，所述交换耦合层位于第二平面中；
在所述衬底上方沉积第二合成反铁磁性结构，所述第二合成反铁磁性结构在第三平面中，所述第二合成反铁磁性结构包含磁性参考层，所述第二合成反铁磁性结构及所述磁性参考层具有垂直于所述第三平面的磁化矢量且具有固定磁化方向；
在第四平面中沉积非磁性隧道势垒层，所述非磁性隧道势垒安置在所述磁性参考层上方；
在第五平面中沉积自由磁性层，所述自由磁性层安置在所述非磁性隧道势垒层上方且具有垂直于所述第五平面的磁化矢量，所述自由磁性层具有能够从第一磁化方向进动到第二磁化方向的磁化方向，其中所述磁性参考层、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；
在第六平面中沉积非磁性间隔物层并安置在所述自由磁性层上方；
在第七平面中沉积进动自旋电流磁性结构，所述进动自旋电流磁性结构与所述自由磁性层物理分离并通过所述非磁性间隔物层耦合到所述自由磁性层，所述进动自旋电流磁性结构具有磁化矢量及在所述第七平面中的能够在所述第七平面中的任何磁方向上自由旋转的磁化方向，其中沉积所述进动自旋电流磁性结构包括：
沉积第一进动自旋电流铁磁性层，所述第一进动自旋电流铁磁性层安置在所述非磁性间隔物层上方，
沉积非磁性进动自旋电流插入层，所述非磁性进动自旋电流插入层安置在所述第一进动自旋电流铁磁性层上方，及
沉积第二进动自旋电流铁磁性层，所述第二进动自旋电流铁磁性层安置在所述非磁性进动自旋电流插入层上方；
在第八平面中沉积覆盖层，所述覆盖层安置在所述进动自旋电流磁性层上方；
在400摄氏度或更高的温度下对所述磁性装置进行退火。
15.根据权利要求14所述的方法，其中沉积所述自由磁性层的所述步骤包含沉积具有磁晶各向异性的材料，使得所述自由磁性层具有有效磁各向异性，其中其易轴线磁化轴线指向远离垂直方向并相对于垂直平面形成角度。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述衬底具有在其上制作的互补金属氧化物半导体电路。
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