專利名稱：具有電子反射絕緣間隔層的stram的制作方法
具有電子反射絕緣間隔層的STRAM本申請是申請日為2011年4月四日申請號為第200980143739. 5號發明名稱為 “具有電子反射絕緣間隔層的STRAM”的中國專利申請的分案申請。
背景技術：
普及性計算和手持/通信產業的快速發展引起對大容量非易失性固態數據存儲設備的爆炸式需求。相信非易失性存儲器尤其是閃存將代替DRAM占據存儲器市場的最大份額。然而，閃存具有若干缺陷，例如慢存取速度( ms寫和 50-100ns讀)、有限的使用壽命( IO3-IO4編程循環)以及片上系統(SoC)的集成難度。閃存(NAND或NOR)在32nm 節點及以上也面對重大的等比縮放(scaling)問題。磁阻隨機存取存儲器(MRAM)是未來非易失性和通用存儲器的另一個有前景的候選。MRAM具有非易失、快寫/讀速度(< IOns)、幾乎無限的編程壽命(> IO15次循環)和零待機功率的特征。MRAM的基本組件是磁性隧穿結(MTJ)。數據存儲是通過在高阻態和低阻態之間切換MTJ的電阻來實現的。MRAM通過使用電流感應的磁場來切換MTJ的磁化強度從而切換MTJ電阻。隨著MTJ尺寸縮小，切換磁場振幅增加且切換變化變得嚴重。因此，所引發的高功耗限制了傳統MRAM的等比縮小。最近，基于自旋極化電流感應的磁化切換的新型寫入機制被引入到MRAM設計中。 被稱為自旋轉移矩RAM(STRAM)的這種新型MRAM設計使用流過MTJ的(雙向)電流以實現電阻切換。因此，STRAM的切換機制是局部約束的并且相信STRAM具有比傳統MRAM更好的縮放特性。然而，在STRAM進入生產階段前必須克服許多產量限制因素。傳統STRAM設計的一個考慮因素是STRAM單元的自由層厚度折衷。較厚的自由層提高熱穩定性和數據保持， 但也增加切換電流要求，因為切換電流與自由層的厚度成比例。因此，使STRAM單元在電阻數據狀態之間切換所需的電流量很大。
發明內容
本公開涉及包括鏡絕緣體間隔層的自旋轉移矩存儲器。鏡絕緣體間隔層也被稱為電絕緣且電子反射層。電絕緣且電子反射層將自旋電子反射回自由層以幫助切換自由層的磁化方向，因此減小自旋轉移矩存儲單元所需的切換電流。在一個具體實施例中，自旋轉移矩存儲單元包括自由磁性層、參考磁性層、將自由磁性層與參考磁性層分離的電絕緣且非磁性隧穿阻擋層、電極層以及將電極層與自由磁性層分離的電絕緣且電子反射層。通過閱讀下面的詳細描述，這些以及各種其它的特征和優點將會顯而易見。附圖簡述考慮下面與附圖相結合的本公開的各種實施例的詳細描述，可以更加全面地理解本發明
圖1是處于低阻態的示例性磁性隧穿結(MTJ)的橫截面示意圖2是處于高阻態的示例性MTJ的橫截面示意圖；圖3是包括電子反射絕緣間隔層的示例性自旋轉移矩存儲單元的示意圖；圖4A是示例性不均勻電絕緣且電子反射層的橫截面示意圖；圖4B是另一個示例性不均勻電絕緣且電子反射層的橫截面示意圖；圖5是包括第二電子反射絕緣間隔層的示例性自旋轉移矩存儲單元的示意圖；圖6是包括多層參考層的示例性自旋轉移矩存儲單元的示意圖；以及圖7是包括替換的多層參考層的示例性自旋轉移矩存儲單元的示意圖。各附圖不一定按比例繪制。附圖中使用的類似附圖標記表示類似組件。然而，應該理解，使用附圖標記指代給定附圖中的某個組件并不對其它附圖中用相同附圖標記標示的組件構成限制。
具體實施例方式在以下說明書中，參照構成說明書一部分并以示例方式示出若干特定實施方式的一組附圖。應該理解，可以構想出其它實施方式，但不脫離本公開的范圍或精神。因此，下面的詳細說明不應理解為限定。本文提供的定義是為了便于本文頻繁使用的某些術語的理解并且不旨在限定本公開的范圍。除非另行指定，在說明書和權利要求書中使用的表示特征尺寸、量和物理特征的全部數字應當理解為在任何情形下可由術語“大約”就行修飾。因此，除非明示相反情形， 否則說明書之前和所附權利要求書中闡述的數字參數是近似值，這些近似值能根據由本領域內技術人員嘗試利用本文披露的教導獲得的所需特性而改變。通過端點對數值范圍的列舉包括包容在該范圍內的全部數值(例如1-5包括1、 1. 5、2、2. 75,3,3. 80,4和5)以及該范圍內的任一范圍。如說明書以及所附權利要求書中所使用地，單數形式的“一”、“該”以及“所述”涵蓋具有復數對象的實施方式，除非上下文明確地指出其它情形。如說明書和所附權利要求書中使用地，術語“或”通常用于包括“和/或”的語境中，除非內容明確地指出相反情形。本公開涉及包括鏡絕緣體間隔層的自旋轉移矩存儲器。鏡絕緣體間隔層也被稱為電絕緣且電子反射層。電絕緣且電子反射層將自旋電子反射回自由層以幫助切換自由層的磁化方向，因此減小自旋轉移矩存儲單元所需的切換電流。自旋轉移矩存儲單元中使用電絕緣且電子反射層可使所需切換減小至少50%或至少75%或至少90%。盡管本公開并非局限于此，然而本公開各個方面的理解可通過下面提供的示例闡述而獲得。圖1是處于低阻態的示例性磁隧穿結(MTJ)單元10的橫截面示意圖，而圖2是處于高阻態的示例性MTJ單元10的橫截面示意圖。MTJ單元可以是能夠在高阻態和低阻態之間切換的任何有用存儲單元。在很多實施例中，本文所述的可變電阻存儲單元是自旋轉移矩存儲單元。MTJ單元10包括鐵磁體自由層12和鐵磁體參考(即，釘扎)層14。鐵磁體自由層12和鐵磁體參考層14由氧化物阻擋層13或隧穿阻擋層分離。第一電極15與鐵磁體自由層12電接觸，而第二電極16與鐵磁體參考層14電接觸。鐵磁體層12、14可由例如鐵、 鈷、鎳的任何有用鐵磁(FM)合金制成，并且絕緣隧穿阻擋層13可由例如氧化物材料(例如 Al203、Mg0或TiO)的電絕緣材料制成。也可使用其它技術。
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電極15、16將鐵磁體層12、14電連接至提供通過鐵磁體層12、14的讀和寫電流的控制電路。MTJ單元10兩端的電阻由鐵磁體層12、14的磁化矢量的相對方向或磁化方向確定。鐵磁體參考層14的磁化方向被釘扎在預定方向而鐵磁體自由層12的磁化方向在自旋矩影響下自由旋轉。鐵磁體參考層14的釘扎可通過例如使用與諸如PtMn、IrMn等反鐵磁規則材料交換偏磁來實現。圖1示出處于低阻態的MTJ單元10，其中鐵磁體自由層12的磁化方向是平行的并處于與鐵磁體參考層14磁化方向相同的方向。這被稱為低阻態或“0”數據狀態。圖2示出處于高阻態的MTJ單元10，其中鐵磁體自由層12的磁化方向是反平行的并與鐵磁體參考層14的磁化方向相反的方向。這被稱為高阻態或“1”數據狀態。當流過MTJ單元10的磁性層的電流變為自旋極化并將自旋矩施加在MTJlO的自由層12上時，通過自旋轉移切換電阻狀態并因此切換MTJ單元10的數據狀態。當將足夠的自旋矩施加于自由層12時，自由層12的磁化方向可在兩相反方向上切換并因此MTJ單元10可在平行狀態(即低阻態或“0”數據狀態)和反平行狀態(即高阻態或“1”數據狀態)之間切換，這取決于電流的方向。示例性自旋轉移矩MTJ單元10可用來構造包含多個可變電阻存儲單元的存儲設備，其中通過改變自由磁性層12相對于釘扎磁性層14的相對磁化狀態來將數據位存儲在磁性隧道結單元中。可通過測量隨自由層相對于釘扎的磁性層的磁化方向改變的單元電阻而讀出存儲的數據位。為使自旋轉移矩MTJ單元10具有非易失隨機存取存儲器的特征，自由層對于隨機波動表現出熱穩定性，從而自由層的方向僅當受到控制而作出這種改變時才會改變。該熱穩定性可使用不同方法經由磁各向異性而獲得，例如改變位尺寸、形狀和晶態各向異性。可通過要么借助交換要么借助磁場對其它磁性層的磁耦合來獲得額外的各向異性。通常來說，各向異性使得軟軸和硬軸形成在薄磁性層中。硬軸和軟軸是通過沿該方向完全旋轉(飽和)磁化方向所需的通常以磁場形式的外部能量的量級定義的，其中硬軸要求較高的飽和磁場。圖3是示例性自旋轉移矩存儲單元20的示意圖。自旋轉移矩存儲單元20包括自由磁性層FL、參考磁性層RL以及將自由磁性層FL和參考磁性層RL分離的電絕緣且非磁性隧穿阻擋層TB。電絕緣且電子反射層ER將第一電極層El與自由磁性層FL分離。第二電極層E2與參考磁性層RL相鄰。如上所述，參考磁性層RL可以是具有大于0. 5的可接受自旋極化范圍的任何有用鐵磁材料如上所述，自由磁性層FL可以是具有可接受各向異性的任何鐵磁材料。如上所述，第一電極層El和第二電極層E2提供能使自由層FL的磁化方向在兩個相反方向之間切換的電子電流，因此自旋轉移矩存儲單元20能夠在平行狀態(即低阻態或“0”數據狀態) 和反平行狀態(即高阻態或“1”數據狀態)之間切換，這取決于電流的方向。電絕緣且電子反射層ER可以是薄氧化物層或氮化物層且由諸如A10、TiO, TaO, Mg0、ai0、Si0、Ni0、Cu0、AlN、TiN或SiN之類的任何有用的電絕緣且電子反射材料形成。在一個實施例中電絕緣且電子反射層ER的厚度可以在3至15埃的范圍中或5至15埃的范圍中。在一個實施例中電絕緣且電子反射層ER可具有從1至50歐姆μ m2或從1至20歐姆μ m2的面電阻。電絕緣且電子反射層ER能夠將至少一部分電子反射回自由層FL并且允許至少一部分電子穿過電絕緣且電子反射層ER。這些反射的電子能夠增強自旋電流效率，有效地減小使存儲單元20在平行狀態(即低阻態或“0”數據狀態)和反平行狀態(即高阻態或“1” 數據狀態)之間切換所需施加的通過自旋轉移矩存儲單元20的電流量。因此，因為電絕緣且電子反射層ER能夠反射自旋電子以增加自旋電流效率，所以能夠顯著減小切換電流。在一些實施例中，電絕緣且電子反射層ER可具有不均勻的厚度。由此導致的扭曲電流(canted current)能進一步增加自旋效率以進一步減小切換電流。不均勻的電絕緣且電子反射層ER還能減小串聯電阻以維持輸出信號。盡管以下示出并描述不均勻電絕緣且電子反射層ER的兩個實施例，但應理解任何不均勻電絕緣且電子反射層ER結構在本公開的范圍內。圖4A是示例性不均勻電絕緣且電子反射層ER的橫截面示意圖.在該所示的具有不均勻厚度的電絕緣且電子反射層ER的實施例中，電絕緣且電子反射層ER具有限定峰和谷的相對主表面Sl和S2，并為電絕緣且電子反射層ER提供多個變化厚度T1、T2和Τ3。電流沿電絕緣且電子反射層ER的厚度方向傳播通過相對的非平面主表面Sl和S2。圖4Β是另一個示例性不均勻電絕緣且電子反射層ER的橫截面示意圖。在該所示的具有不均勻厚度的電絕緣且電子反射層ER的實施例中，電絕緣且電子反射層ER具有相對的平面主表面Sl和S2。相對的平面主表面Sl和S2限定具有第一厚度Tl并減小到第二厚度Τ2的連續的傾斜電絕緣且電子反射層ER。電流沿電絕緣且電子反射層ER的厚度方向傳播通過相對的非平面主表面Sl和S2。圖5是另一個示例性自旋轉移矩存儲單元30的示意圖。自旋轉移矩存儲單元30 包括自由磁性層FL、參考磁性層RL以及將自由磁性層FL和參考磁性層RL分離的電絕緣且非磁性隧穿阻擋層ΤΒ。電絕緣且電子反射層ER將第一電極層El與自由磁性層FL分離。 第二電絕緣且電子反射層ER2將第二電極層Ε2與參考磁性層RL分離。如上所述，參考磁性層RL可以是具有大于0. 5的可接受自旋極化范圍的任何有用鐵磁材料。如上所述，自由磁性層FL可以是具有可接受各向異性的任何鐵磁材料。如上所述，第一電極層El和第二電極層Ε2提供能使自由層FL的磁化方向在兩個相反方向之間切換的電子電流，因此自旋轉移矩存儲單元30能夠在平行狀態(即低阻態或“0”數據狀態) 和反平行狀態(即高阻態或“1”數據狀態)之間切換，這取決于電流的方向。如上所述，電絕緣且電子反射層ER和ER2可以是獨立的薄氧化物層或氮化物層且由任何有用的電絕緣且電子反射材料形成。在一個實施例中電絕緣且電子反射層ER和ER2 的厚度可以在3至15埃的范圍中或5至15埃的范圍中。在一個實施例中電絕緣且電子反射層ER和ER2可具有從1至50歐姆μ m2或從1至20歐姆μ m2的面電阻。電絕緣且電子反射層ER和ER2能夠將至少一部分電子反射回自由層FL并且允許至少一部分電子穿過電絕緣且電子反射層ER和ER2。這些反射的電子能夠增強自旋電流效率，有效地減小使存儲單元30在平行狀態(即低阻態或“0”數據狀態)和反平行狀態(即高阻態或“1”數據狀態)之間切換所需施加的通過自旋轉移矩存儲單元30的電流量。因此，因為電絕緣且電子反射層ER和ER2能夠反射自旋電子以增加自旋電流效率。第二電絕緣且電子反射層ER2的增加進一步減小切換電流。在一些實施例中，電絕緣且電子反射層ER和ER2具有不均勻的厚度。由此導致的扭曲電流(canted current)能進一步增加自旋效率以進一步減小切換電流。不均勻的電絕緣且電子反射層ER和ER2還能減小串聯電阻以維持輸出信號。圖6是另一個示例性自旋轉移矩存儲單元40的示意圖。該實施例類似于圖3，且增加形成參考層RL的合成反鐵磁體元件。自旋轉移矩存儲單元40包括自由磁性層FL、參考磁性層RL以及將自由磁性層FL和參考磁性層RL分離的電絕緣且非磁性隧穿阻擋層TB。 電絕緣且電子反射層ER將第一電極層El與自由磁性層FL分離。第二電極層E2與參考磁性層RL相鄰。所示的參考磁性層RL被稱為合成反鐵磁體元件。合成反鐵磁體元件包括通過導電且非磁性間隔層SPl分離的第一鐵磁體層FMl和第二鐵磁體層FM2。導電且非磁性間隔層SPl被配置成使得第一鐵磁體層FMl和第二鐵磁體層FM2反鐵磁地對齊，且在很多實施例中，第一鐵磁體層FMl和第二鐵磁體層FM2具有反平行磁化方向，如圖所示。反鐵磁體層 AFM與第二電極層E2相鄰。反鐵磁體層AFM有助于釘扎第一鐵磁體層FMl和第二鐵磁體層 FM2的磁化方向。在所公開的自旋轉移矩存儲單元中使用合成反鐵磁體元件具有若干優點。一些優點包括自由層的靜態場減小、參考層的熱穩定性改善以及層間擴散減少。如上所述，第一鐵磁體層FMl和第二鐵磁體層FM2可以是具有大于0. 5的可接受自旋極化范圍的任何有用鐵磁材料。反鐵磁體層AFM通過例如使用與諸如PtMruIrMn等反鐵磁規則材料交換偏磁來釘扎鐵磁體層。導電且非磁性間隔層SPl可由諸如Ru、Pd等任何有用的導電且非鐵磁材料形成。 如上所述，自由磁性層FL可以是具有可接受各向異性的任何鐵磁材料。如上所述，第一電極層El和第二電極層E2提供能使自由層FL的磁化方向在兩個相反方向之間切換的電子電流，因此自旋轉移矩存儲單元40能夠在平行狀態(即低阻態或“0”數據狀態)和反平行狀態(即高阻態或“1”數據狀態)之間切換，這取決于電流的方向。如上所述，電絕緣且電子反射層ER可以是薄氧化物層或氮化物層且由任何有用的電絕緣且電子反射材料形成。在一個實施例中電絕緣且電子反射層ER的厚度可以在3 至15埃的范圍中或5至15埃的范圍中。在一個實施例中電絕緣且電子反射層ER可具有從1至50歐姆μ m2或從1至20歐姆μ m2的面電阻。電絕緣且電子反射層ER能夠將至少一部分電子反射回自由層FL同時允許一部分電子穿過電絕緣且電子反射層ER。這些反射的電子能夠增強自旋電流效率，有效地減小使存儲單元40在平行狀態(即低阻態或“0”數據狀態)和反平行狀態(即高阻態或“1”數據狀態)之間切換所需施加的通過自旋轉移矩存儲單元40的電流量。因此，因為電絕緣且電子反射層ER能夠反射自旋電子以增加自旋電流效率，所以能夠顯著減小切換電流。在一些實施例中，如上所述，電絕緣且電子反射層ER具有不均勻的厚度。由此導致的扭曲電流(canted current)能進一步增加自旋效率以進一步減小切換電流。不均勻的電絕緣且電子反射層ER還能減小串聯電阻以維持輸出信號。圖7是另一個示例性自旋轉移矩存儲單元50的示意圖。該實施例類似于圖4，且增加形成參考層RL的合成反鐵磁體元件。自旋轉移矩存儲單元50包括自由磁性層FL、參考磁性層RL以及將自由磁性層FL和參考磁性層RL分離的電絕緣且非磁性隧穿阻擋層TB。 電絕緣且電子反射層ER將第一電極層El與自由磁性層FL分離。第二電絕緣且電子反射層ER2設置在形成參考層RL的合成反鐵磁元件內。第二電極層E2與參考磁性層RL相鄰。
所示的參考磁性層RL被稱為合成反鐵磁體元件。合成反鐵磁體元件包括通過導電且非磁性間隔層SPl分離的第一鐵磁體層FMl和第二鐵磁體層FM2。導電且非磁性間隔層SPl被配置成使得第一鐵磁體層FMl和第二鐵磁體層FM2反鐵磁地對齊，且在很多實施例中，第一鐵磁體層FMl和第二鐵磁體層FM2具有反平行磁化方向，如圖所示。反鐵磁體層 AFM與第二電極層E2相鄰。反鐵磁體層AFM有助于釘扎第一鐵磁體層FMl和第二鐵磁體層FM2的磁化方向。第三鐵磁體層FM3通過第二電絕緣且電子反射層ER2與第二鐵磁體層 FM2分離。在其它實施例中，第二電絕緣且電子反射層ER2按需要分離形成合成反鐵磁體元件的其它元件。在所公開的自旋轉移矩存儲單元中使用合成反鐵磁體元件具有若干優點。一些優點包括自由層的靜態場減小、參考層的熱穩定性改善以及層間擴散減少。如上所述，第一鐵磁體層FMl、第二鐵磁體層FM2和第三鐵磁體層FM3可以是具有大于0. 5的可接受自旋極化范圍的任何有用鐵磁材料。反鐵磁體層AFM通過例如使用與諸如PtMn、IrMn等反鐵磁規則材料交換偏磁來釘扎鐵磁體層。導電且非磁性間隔層SPl可由諸如Ru、Pd等任何有用的導電且非鐵磁材料形成。 如上所述，自由磁性層FL可以是具有可接受各向異性的任何鐵磁材料。如上所述，第一電極層El和第二電極層E2提供能使自由層FL的磁化方向在兩個相反方向之間切換的電子電流，因此自旋轉移矩存儲單元50能夠在平行狀態(即低阻態或“0”數據狀態)和反平行狀態(即高阻態或“1”數據狀態)之間切換，這取決于電流的方向。如上所述，電絕緣且電子反射層ER和ER2可以是獨立的薄氧化物層或氮化物層且由任何有用的電絕緣且電子反射材料形成。在一個實施例中電絕緣且電子反射層ER和ER2 的厚度可以在3至15埃的范圍中或5至15埃的范圍中。在一個實施例中電絕緣且電子反射層ER和ER2具有從1至50歐姆μ m2或從1至20歐姆μ m2的面電阻。電絕緣且電子反射層ER和ER2能夠將至少一部分電子反射回自由層FL并且允許至少一部分電子穿過電絕緣且電子反射層ER和ER2。這些反射的電子能夠增強自旋電流效率，有效地減小使存儲單元30在平行狀態(即低阻態或“0”數據狀態)和反平行狀態(即高阻態或“1”數據狀態)之間切換所需施加的通過自旋轉移矩存儲單元30的電流量。因此，因為電絕緣且電子反射層ER和ER2能夠反射自旋電子以增加自旋電流效率，所以能夠顯著減小切換電流。在一些實施例中，電絕緣且電子反射層ER和ER2具有不均勻的厚度。由此導致的扭曲電流(canted current)能進一步增加自旋效率以進一步減小切換電流。不均勻的電絕緣且電子反射層ER和ER2還能減小串聯電阻以維持輸出信號。因此，公開了具有電子反射絕緣間隔層的STRAM的實施例。上述的實現和其他實現落入所附權利要求的范圍內。本領域內技術人員將理解，本公開可通過這里公開以外的其它實施方式來實現。所披露的實施例以闡述而非限定為目的給出，并且本發明僅限于下面的權利要求書。
權利要求
1.一種自旋轉移矩存儲單元，包括 自由磁性層；合成反鐵磁體參考磁性元件；將所述自由磁性層與合成反鐵磁體參考磁性層分離的電絕緣且非磁性隧穿阻擋層； 電極層；將所述電極層與所述自由磁性層分離的電絕緣且電子反射層。
2.如權利要求1所述的自旋轉移矩存儲單元，其特征在于，所述電絕緣且電子反射層具有不均勻的厚度。
3.如權利要求1所述的自旋轉移矩存儲單元，其特征在于，還包括設置在所述合成反鐵磁體參考磁性元件內的第二電絕緣且電子反射層。
4.如權利要求3所述的自旋轉移矩存儲單元，其特征在于，所述合成反鐵磁體元件包括第一鐵磁體層、第二鐵磁體層以及第三鐵磁體層，所述第一和第二鐵磁體層反鐵磁地對齊且由導電且非鐵磁體間隔層分離并且反鐵磁體層與所述第一鐵磁體層相鄰，而且所述第二電絕緣且電子反射層將所述第二鐵磁體層與第三鐵磁體層分離。
全文摘要
公開了具有鏡絕緣間隔層的自旋轉移矩存儲器。自旋轉移矩存儲單元(30)包括自由磁性層(F6)、參考磁性層(RL)、將自由磁性層與參考磁性層分離的電絕緣且非磁性隧穿阻擋層(TB)、電極層(E1、E2)以及將電極層與自由磁性層分離的電絕緣且電子反射層(ER)。
文檔編號G11C11/16GK102339638SQ20111018973
公開日2012年2月1日 申請日期2009年9月28日 優先權日2008年9月29日
發明者D·V·季米特洛夫, D·王, W·田, X·王, Y·鄭, Z·高 申請人:希捷科技有限公司