TW201631812A - 磁穿隧接面 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種磁穿隧接面，其包含一導電第一磁電極，該導電第一磁電極包含磁記錄材料。一導電第二磁電極與該第一電極隔開且包含磁參考材料。一非磁性穿隧絕緣體材料在該第一電極與該第二電極之間。該第二電極之該磁參考材料包含一非磁性區域，該非磁性區域包括元素銥。該磁參考材料包含在該非磁性區域與該穿隧絕緣體材料之間包括元素鈷或一富含鈷之合金之一磁性區域。

Description

磁穿隧接面
文中所揭示之實施例係關於磁穿隧接面。
一磁穿隧接面係具有被一薄的非磁性絕緣體材料(例如，介電質材料)隔開之兩個導電磁電極的一積體電路組件。絕緣體材料足夠薄使得電子在適當的條件下可透過絕緣體材料從一磁電極穿隧至另一磁電極。在一正常操作寫入或擦除電流/電壓下，磁電極之至少一者可使其之整體磁化方向在兩個狀態之間切換，且其通常被稱為「自由」或「記錄」電極。另一磁電極通常被稱為「參考」、「固定的」或「釘紮的」電極，且當施加正常操作寫入或擦除電流/電壓時，其之整體磁化方向將不切換。參考電極及記錄電極電耦合至各自的導電節點。穿過參考電極、絕緣體材料及記錄電極在該兩個節點之間流動之電流的電阻取決於記錄電極相對於參考電極的整體磁化方向。因此，一磁穿隧接面可經程式化為至少兩個狀態之一者，且藉由量測流過磁穿隧接面之電流可感測該等狀態。由於磁穿隧接面在兩個導電狀態之間可經「程式化」，已提議將其等用於記憶體積體電路中。此外，磁穿隧接面可用於除記憶體以外之邏輯或其他電路。
記錄電極之整體磁化方向可藉由一電流引發的外部磁場切換或藉由使用一自旋極化電流以引起一自旋轉移磁矩(STT)效應切換。電荷載流子(諸如電子)具有稱為「自旋」之一性質，自旋係該載流子內 在的少量角動量。一電流通常不極化(具有50%「自旋向上」及50%「自旋向下」的電子)。一自旋極化電流係帶有更多任一自旋之電子的電流。藉由使一電流穿過磁性材料，該電流可產生一自旋極化電流。若一自旋極化電流經引導至一磁性材料中，則自旋角動量可傳輸至該材料，藉此影響其磁化定向。若自旋極化電流具有足夠量值，則此可用於激發振盪或甚至翻轉(即，切換)磁性材料之定向/磁疇方向。
10‧‧‧磁穿隧接面構造
10a‧‧‧磁穿隧接面構造
10c‧‧‧磁穿隧接面構造
10d‧‧‧磁穿隧接面構造
12‧‧‧導電第一磁電極
14‧‧‧導電第二磁電極
14a‧‧‧導電第二磁電極
14c‧‧‧導電第二磁電極
14d‧‧‧導電第二磁電極
16‧‧‧非磁性穿隧絕緣體材料
18‧‧‧非磁性區域
20‧‧‧磁性區域
20a‧‧‧隔開的區域
20b‧‧‧隔開的區域
26‧‧‧合金
28‧‧‧元素鉭
31‧‧‧複合物
32‧‧‧複合物
33‧‧‧複合物
40‧‧‧交替區域
45‧‧‧交替區域
50‧‧‧材料
圖1係根據本發明之一實施例之一磁穿隧接面的一圖解結構視圖。
圖2係根據本發明之一實施例之一磁穿隧接面之一圖解結構視圖。
圖3係根據本發明之一實施例之一磁穿隧接面之一圖解結構視圖。
圖4係根據本發明之一實施例之一磁穿隧接面之一圖解結構視圖。
首先參考圖1描述根據本發明之一實施例之一磁穿隧接面。此磁穿隧接面包括一構造10，該構造10可包括磁穿隧接面之主要材料。材料可在構造10之旁邊、立面向內或立面向外。例如，可在構造10附近某處提供積體電路之其他部分或整體製造的組件，且該等組件並不特別切合文中所揭示的發明。
構造10包括一導電(即，電氣)第一磁(即，亞鐵磁性或鐵磁性)電極12，該電極12包括磁記錄材料。一導電第二磁電極14與第一電極12隔開且包括磁參考材料。因此，第一電極12可用作一記錄電極且第二電極14可用作一參考電極。一非磁性穿隧絕緣體材料16在第一電極12與第二電極14之間。除非另有指明，否則文中所描述之任何材料及/ 或結構可係同質的或非同質的，且無論如何可係連續地或不連續地上覆於任何材料。此外，除非另有說明，否則可使用任何合適的既有或待發展之技術形成各材料，其中原子層沈積、化學汽相沈積、物理汽相沈積、磊晶生長、擴散摻雜及離子植入作為實例。儘管磁記錄材料及磁參考材料之一者或兩者可在其中具有內在非磁性之一或多個區域，但是磁記錄材料及磁參考材料係個別整體且集體有磁性的。
第一電極12及第二電極14之位置可顛倒。此外，圖1中之構造10被展示為大體垂直或立面定向。然而，可使用其他定向，例如，水平；對角線；水平、垂直、對角線之一或多個組合等。在此文件中，「水平」指代沿著在製造期間基板處理所相對之一主要表面的一大體方向，且「垂直」係大體正交於其之一方向。此外，如文中所使用之「垂直」及「水平」係獨立於三維空間中基板之定向之相對於彼此大體上垂直的方向。此外在此文件中，「立面」、「上部」、「下部」、「頂部」及「底部」係參考垂直方向。無論如何，第一電極12、穿隧絕緣體材料16及第二電極14之例示性厚度分別為約5埃至200埃、約5埃至50埃及約20埃至300埃。在此文件中，「厚度」本身(前面無方向形容詞)經定義為自具有不同組合物之一緊鄰材料或一緊鄰區域之一最靠近的表面垂直穿過一給定材料或區域之平均直線距離。此外，文中所描述之各種材料可具有實質上恆定的厚度或可變的厚度。除非另有指明，否則若具有可變的厚度，則厚度指代平均厚度。
可使用任何既有或待發展的組合物用於穿隧絕緣體材料16及第一電極12。例如，穿隧絕緣體材料16可包括MgO、TiOx及AlOx之一或多者、基本上由或由MgO、TiOx及AlOx之一或多者組成。例如，第一電極12之磁記錄材料可包括以下項、基本上由或由以下項組成：鈷、鐵、硼及額外的金屬/材料(例如，Ni、Mg、CrO2、NiMnSb、PtMnSb、RXMnO3之一或多者[R：稀土；X：Ca、Ba及/或Sr])。
第二電極14之磁參考材料包含一非磁性區域18及一磁性區域20。非磁性區域18包括元素銥、基本上由或由元素銥組成。磁性區域20包括元素鈷或一富含鈷之合金、基本上由或由元素鈷或一富含鈷之合金組成，且在非磁性區域18與穿隧絕緣體材料16之間。在此文件的內容脈絡中，一「富含鈷之合金」係其中總數按原子/莫耳計鈷係所有元素中數量最多的元素之一合金。例示性富含鈷之合金包含CoFeB及CoM(其中M可係Ta、Ti、W、Mg或Ru之一或多者)。磁性區域20可包括元素鈷與一或多種富含鈷之合金兩者、基本上由或由該兩者組成，其中圖1僅展示元素鈷。
在一實施例中，元素銥直接抵靠元素鈷或富含鈷之合金，且在一實施例中，元素鈷或富含鈷之合金直接抵靠穿隧絕緣體材料。在此文件中，當所陳述之材料或結構相對於彼此存在至少一些實體碰觸接觸時，一材料或結構「直接抵靠」另一者。相比之下，前面無「直接地」之「上面」、「上」及「抵靠」包含「直接抵靠」及其中中介材料或結構引起所陳述之材料或結構相對於彼此無實體觸碰接觸之構造。若兩種所陳述之材料彼此不直接抵靠，則具有不同組合物之一材料位於其等之間。如文中所使用，「不同組合物」僅需要兩種所陳述之材料之彼此可直接抵靠之該等部分化學地及/或物理地不同(例如若此等材料係非同質的)。若兩種所陳述之材料彼此不直接抵靠，則「不同組合物」僅需要兩種所陳述之材料之彼此最靠近之該等部分化學及/或物理地不同(若此等材料係非同質的)。在一實施例中，元素銥可不直接抵靠元素鈷或富含鈷之合金，或元素鈷或富含鈷之合金可不直接抵靠穿隧絕緣體材料。例如，第二電極可包括在元素鈷或富含鈷之合金與穿隧絕緣體材料之間包括鈷、鐵及硼(未在圖1中展示)之一合金。此外在此實例中，可在元素鈷或富含鈷之合金與包括鈷、鐵及硼之合金之間提供一元素鉭層。
元素銥及元素鈷或富含鈷之合金可具有相同或不同的各自最大厚度，其中圖1中展示不同的最大厚度。在一實施例中，元素鈷或富含鈷之合金具有大於元素銥之最大厚度。元素鈷或富含鈷之合金20之一例示性最大厚度為從約2埃至30埃，其中一理想的更狹窄實例為從約4埃至20埃。元素銥18之一例示性最大厚度為從約2埃至15埃，其中一理想的更狹窄實例為從約4埃至7埃。關於厚度之一特定實例係第一電極12為約14埃、穿隧絕緣體16為約12埃及第二電極14為約15埃，其中磁性區域20為約10埃及非磁性區域18為約5埃。
在一些實施例中(例如，如下文所述)，第二電極之磁參考材料包括在非磁性區域與非磁性穿隧絕緣體材料之間個別包括元素鈷或富含鈷之合金之多個隔開的磁性區域。在一些此等實施例中，多個隔開的磁性區域之至少一些緊鄰者藉由元素銥彼此分開。儘管，在一實施例中，第二電極不含鎳且在一實施例中不含釕。
一替代例示性實施例磁穿隧接面構造10a展示於圖2中。已適當使用來自上文所描述之實施例之相似參考符號，用後綴「a」或「b」來指示一些構造差異。構造10a包括導電第一磁電極12、導電第二磁電極14a及其等之間的穿隧絕緣體材料16。第二電極14a包括個別包括鈷或一富含鈷之合金之兩個隔開的區域20a、20b。此等區域之一者(例如，20a)比另一者(例如，20b)更靠近穿隧絕緣體材料16。元素銥18在兩個區域20a與20b之間。可提供兩個以上(未在圖2中展示)隔開的區域20a、20b，例如如下文一些實施例中描述。無論如何，此等隔開的區域可具有相同或不同的各自最大厚度。無論如何，在一實施例中元素銥可具有小於兩個區域20a、20b之至少一者的最大厚度，及在一實施例中可具有小於此兩個區域之各者的最大厚度。無論如何，在一實施例中在包括元素鈷或富含鈷之合金之全部隔開的區域(例如，20a、20b)之間之第二電極14a不含鎳且不含釕。可使用如上文描述之任何 其他屬性或構造。
根據本發明之一實施例之另一磁穿隧接面構造10c展示於圖3中。已適當使用來自上文所描述之實施例之相似參考符號，用後綴「c」或不同的參考符號來指示一些構造差異。在構造10c中，第二電極14c包括在穿隧絕緣體材料16與區域20a之間包括鈷、鐵及硼之一合金26。合金26之一例示性厚度為約2埃至25埃，其中一特定例示性組合物為Co0.6Fe0.2B0.2。在一實施例中，合金26直接抵靠穿隧絕緣體材料16。在一實施例中，合金26不直接抵靠區域20a，例如其中構造10c被展示為在合金26與區域20a之間包括元素鉭28。鉭28之一例示性厚度為約2埃至15埃。可提供合金26，舉例而言，當穿隧絕緣體材料16與合金26具有一結晶體心立方(BCC)晶格且元素鈷或富含鈷之合金20a具有一結晶面心立方(FCC)晶格，且元素鉭28可作為一緩衡器提供於一FCC晶格與原本應為直接抵靠一FCC晶格之一BCC晶格之區域之間。無論如何，可使用如上文所描述之任何其他的屬性或構造。
另一例示性磁穿隧接面構造10d展示於圖4中。已適當使用來自上文所描述之實施例之相似參考符號，用後綴「d」或用不同的參考符號來指示一些構造差異。構造10d包括導電第一磁電極12、導電第二磁電極14d及其等之間之穿隧絕緣體材料16。第二電極14d包括兩種複合物31、32，該兩種複合物31、32個別包括兩對40、45交替區域。可使用兩種以上複合物，其中磁穿隧接面構造10d被展示為包括三種複合物31、32及33。該等複合物不需要相對於彼此具有相同的組合物或構造。然而，各對(例如，分別為40、45)中之交替區域之一者(例如，20a、20b)包括元素鈷或一富含鈷之合金。此外，各對中之交替區域之另一者(例如，18)包括元素銥。
在對40、45之個別者中之元素銥的區域可具有相同或不同的各自最大厚度，其中針對區域18展示相同最大厚度。類似地，在對40、 45之個別者中之鈷或富含鈷之合金的區域可具有相同或不同的各自最大厚度，其中不同的各自最大厚度展示於區域20a、20b中。無論如何，交替區域20b/18/20a/18個別可具有恆定的厚度或具有可變的厚度，其中針對各區域展示恆定的各自厚度。在一實施例中，各對中之交替區域20b/18與20a/18彼此直接抵靠(例如，區域20b直接抵靠其之緊鄰的區域18且區域20a直接抵靠其之緊鄰的區域18)。在一實施例中，兩種複合物彼此直接抵靠。例如及如所示，兩種複合物31及32彼此直接抵靠且兩種複合物32及33彼此直接抵靠。在一實施例中，兩種複合物之一者比兩種給定複合物之另一者更靠近非磁性穿隧絕緣體材料，該更靠近者不直接抵靠非磁性穿隧絕緣體材料。例如，複合物31不直接抵靠穿隧絕緣體材料16。而是，例示性第二電極14d被展示為在複合物材料31與穿隧絕緣體材料16之間包括材料50(例如，元素鈷或富含鈷之合金)。因此，材料50亦在複合物32與穿隧絕緣體材料16之間，且亦在複合物33與穿隧絕緣體材料16之間。此外，在例示性圖4實施例中，合金26包括鈷、鐵及硼且元素鉭28包括第二電極14d之部分。在一實施例中，在包括元素鈷或富含鈷之合金之所有隔開的區域之間(例如，在所有的區域20a與20b之間)之第二電極14d不含鎳且不含釕。
在一實施例中且如所示，個別複合物31、32及33中之交替區域的更狹窄對40具有大於另一對45之一最大厚度之一最大厚度。
關於厚度之一特定實例係區域18及20b各為約5埃、區域20a為約10埃、材料50為約6埃、材料28為約2埃、材料26為約9埃、材料16為約12埃及第一電極12為約14埃。
關於電極14d內之特定區域展示例示性大的中空箭頭，其意欲指示可能的磁定向。此外，此等箭頭的長度意欲指示在此等各自方向上之更大的磁量值。然而，此等係僅舉例而言。特定而言，僅舉例而 言，第二電極14d中之此等區域之磁方向可與所示之方向相反，或進一步舉例而言可在相同方向上及/或具有不同量值。可使用如上文描述之任何其他屬性或構造。
使用具有在元素銥與穿隧絕緣體材料之間包括非磁性元素銥及磁元素鈷或一富含鈷之合金之磁參考材料之一第二電極可使得能夠達成(儘管不需要)特定優勢。例如，此可使得能夠精簡用於參考電極之磁參考材料之材料組合。此外或替代地，此可允許在此等器件內達成帶有用於更高STT效率之力矩平衡之一更穩定磁參考材料時，磁參考材料的堆疊設計種類更多。替代地或此外，可最小化碰撞記錄電極之磁記錄材料的雜散磁場，或許包含一縮小的面內場組件，此歸因於在允許減小所需程式化電流時用於STT效率增益之局部補償的磁矩。此外或替代地，與可實現或引起更高的穿隧磁致電阻(TMR)及更好的耐熱性(例如，超過400℃)之其他磁參考材料相比，元素銥可在堆疊內提供改良的擴散障壁效率。替代地或此外，帶有降低的堆疊高度之一精簡的磁參考材料複合物可經提供用於STT參數之更緊密的單元間的分配。此一低高度的磁穿隧接面堆疊可實現處理工作減少之高密度產品設計，尤其在使用此等堆疊之如蝕刻及囊封的步驟中。
總結
在一些實施例中，一磁穿隧接面包括一導電第一磁電極，該導電第一磁電極包括磁記錄材料。一導電第二磁電極與第一電極隔開且包括磁參考材料。一非磁性穿隧絕緣體材料在第一電極與第二電極之間。第二電極之磁參考材料包含一非磁性區域，該非磁性區域包括元素銥。磁參考材料包含在非磁性區域與穿隧絕緣體材料之間包括元素鈷或一富含鈷之合金之一磁性區域。
在一些實施例中，一磁穿隧接面包括一導電第一磁電極，該導電第一磁電極包括磁記錄材料。一導電第二磁電極與第一電極隔開且 包括磁參考材料。一非磁性穿隧絕緣體材料在第一電極與第二電極之間。第二電極包括個別包括元素鈷或一富含鈷之合金之兩個隔開的區域。兩個區域之一者比兩個區域之另一者更靠近穿隧絕緣體材料。元素銥在兩個區域之間。
在一些實施例中，一磁穿隧接面包括一導電第一磁電極，該導電第一磁電極包括磁記錄材料。一導電第二磁電極與第一電極隔開且包括磁參考材料。一非磁性穿隧絕緣體在第一電極與第二電極之間。第二電極包括個別包括兩對交替區域之兩種複合物。各對中之交替區域之一者包括元素鈷或一富含鈷之合金。各對中之交替區域之另一者包括元素銥。
在遵守法規之情況下，已使用或多或少特定於結構特徵及方法特徵之語言來描述文中所揭示之標的。然而，應瞭解由於文中所揭示之構件包括例示性實施例，所以申請專利範圍不限於所示及所述之特定特徵。因此，申請專利範圍應被賦予如字面意思之全範疇，且應根據等同原則進行適當解釋。
10‧‧‧磁穿隧接面構造
12‧‧‧導電第一磁電極
14‧‧‧導電第二磁電極
16‧‧‧非磁性穿隧絕緣體材料
18‧‧‧非磁性區域
20‧‧‧磁性區域

Claims (23)

  1. 一種磁穿隧接面，其包括：一導電第一磁電極，其包括磁記錄材料；一導電第二磁電極，其與該第一電極隔開且包括磁參考材料；一非磁性穿隧絕緣體材料，其在該第一電極與該第二電極之間；及該第二電極之該磁參考材料包含一非磁性區域，該非磁性區域包括元素銥，該磁參考材料包含在該非磁性區域與該穿隧絕緣體材料之間包括元素鈷或一富含鈷之合金之一磁性區域。
  2. 如請求項1之磁穿隧接面，其中該磁性區域包括元素鈷。
  3. 如請求項1之磁穿隧接面，其中該磁性區域包括一富含鈷之合金。
  4. 如請求項1之磁穿隧接面，其中該磁性區域包括元素鈷及一富含鈷之合金。
  5. 如請求項1之磁穿隧接面，其中該元素銥直接抵靠該元素鈷或富含鈷之合金。
  6. 如請求項1之磁穿隧接面，其中該元素銥及該元素鈷或富含鈷之合金具有不同的各自最大厚度。
  7. 如請求項6之磁穿隧接面，其中該元素鈷或富含鈷之合金具有大於該元素銥之最大厚度。
  8. 如請求項1之磁穿隧接面，其中該元素銥及該元素鈷或富含鈷之合金具有相同的最大厚度。
  9. 如請求項1之磁穿隧接面，其中該磁參考材料包括在該非磁性區域與該穿隧絕緣體材料之間個別包括元素鈷或富含鈷之合金之 多個隔開的磁性區域。
  10. 如請求項9之磁穿隧接面，其中該多個隔開的磁性區域之至少一些緊鄰者藉由元素銥彼此分開。
  11. 如請求項1之磁穿隧接面，其中該磁性區域厚度均勻。
  12. 如請求項1之磁穿隧接面，其中該非磁性區域厚度均勻。
  13. 如請求項1之磁穿隧接面，其中該第二電極不含鎳。
  14. 一種磁穿隧接面，其包括：一導電第一磁電極，其包括磁記錄材料；一導電第二磁電極，其與該第一電極隔開且包括磁參考材料；一非磁性穿隧絕緣體材料在該第一電極與該第二電極之間；及該第二電極包括個別包括元素鈷或一富含鈷之合金之兩個隔開的區域，該兩個區域之一者比該兩個區域之另一者更靠近該穿隧絕緣體材料，元素銥在該兩個區域之間。
  15. 如請求項14之磁穿隧接面，其包括在該穿隧絕緣體材料與該一個區域之間包括鈷、鐵及硼之一合金。
  16. 如請求項15之磁穿隧接面，其中包括鈷、鐵及硼之該合金不直接抵靠該一個區域。
  17. 如請求項16之磁穿隧接面，其中包括鈷、鐵及硼之該合金直接抵靠該穿隧絕緣體材料。
  18. 如請求項14之磁穿隧接面，其中該兩個區域具有不同的各自最大厚度。
  19. 如請求項14之磁穿隧接面，其中該兩個區域具有相同的最大厚度。
  20. 如請求項14之磁穿隧接面，其中該元素銥具有小於該兩個區域 之至少一者的最大厚度。
  21. 如請求項14之磁穿隧接面，其中該元素銥具有小於該兩個區域之各者的最大厚度。
  22. 如請求項14之磁穿隧接面，其中在包括元素鈷或富含鈷之合金之所有隔開的區域之間之該第二電極不含鎳且不含釕。
  23. 一種磁穿隧接面，其包括：一導電第一磁電極，其包括磁記錄材料；一導電第二磁電極，其與該第一電極隔開且包括磁參考材料；一非磁性穿隧絕緣體材料，其在該第一電極與該第二電極之間；及該第二電極包括個別包括兩對交替區域之兩個複合物，各對中之該等交替區域之一者包括元素鈷或一富含鈷之合金，各對中之該等交替區域之另一者包括元素銥。
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