用于自旋動量轉移磁阻隨機存取存儲器的具有垂直磁各向異性的磁性疊層的制作方法
【專利摘要】一種磁隧道結（MTJ），包括：具有可變磁化方向的磁性自由層；與所述自由層相鄰的絕緣隧道勢壘層；具有不可變磁化方向的磁性固定層，所述固定層被設置為與所述隧道勢壘層相鄰以使得所述隧道勢壘層位于所述自由層與所述固定層之間，其中所述自由層和所述固定層具有垂直磁各向異性；以及下述中的一者或多者：復合固定層，所述復合固定層包括防塵層、隔離物層和基準層；合成反鐵磁性（SAF）固定層結構，所述SAF固定層結構包括位于所述固定層與第二固定磁性層之間的SAF隔離物；以及偶極層，其中所述自由層位于所述偶極層和所述隧道勢壘層之間。
【專利說明】用于自旋動量轉移磁阻隨機存取存儲器的具有垂直磁各向異性的磁性疊層
【技術領域】
[0001]本公開一般而言涉及磁阻隨機存取存儲器(MRAM)領域，更具體地涉及自旋動量轉移(spin momentum transfer, SMT) MRAM0
【背景技術】
[0002]MRAM是使用隧穿磁阻(MR)來存儲信息的一種固態存儲器。MRAM由稱為磁隧道結(MTJ)的磁阻存儲元件的電連接的陣列構成。每個MTJ包括具有可變的磁化方向的磁自由層和具有不可變的磁化方向的磁固定層。自由層和固定層被絕緣的非磁性隧道勢壘層(tunnel barrier)分隔開。MTJ通過切換自由層的磁化狀態而存儲信息。當自由層的磁化方向平行于固定層的磁化方向時，MTJ處于低電阻狀態。當自由層的磁化方向反平行于固定層的磁化方向時，MTJ處于高電阻狀態。MTJ的電阻的不同可用于表示邏輯“I”或“0”，由此存儲信息位。MTJ的MR確定了高阻狀態和低阻狀態之間的電阻差。高阻狀態和低阻狀態之間的相對較大的差別有利于MRAM中的讀取操作。
[0003]可以通過自旋扭矩切換(STT)寫入方法來改變自由層的磁化狀態，在該寫入方法中，在與形成MTJ的磁性膜的膜平面垂直的方向上施加寫入電流。寫入電流具有隧穿磁阻效應，從而改變(或反轉)MTJ的自由層的磁化狀態。在STT磁化反轉中，磁化反轉所需的寫入電流由電流密度確定。隨著寫入電流在其上流動的MTJ中的表面的面積減小，使MTJ的自由層的磁化反轉所需的寫入電流變小。因此，如果以固定電流密度進行寫入，則所需的寫入電流隨著MTJ尺寸變小而變小。
[0004]與具有面內磁各向異性的MTJ相比，包括呈現垂直各向異性(PMA)的材料層的MTJ可以以相對低的電流密度被切換，也降低了總體所需的寫入電流。然而，由于包括PMA MTJ的各種材料層之間的結構和化學不兼容性，使用PMA材料制造的MTJ可能具有相對低的MR。相對低的MR可導致STT MRAM中的讀取操作困難，因為MTJ的高阻狀態和低阻狀態之間的差別也相對小。在PMA MTJ中，固定層和自由層可以在彼此平行或反平行的方向上被磁化，并且固定層可以向自由層施加相對強的偶極場(dipolar field)。固定層偶極場可以將自由層環偏移約1000奧斯特(Oe)或更多。自由層He需要高于來自固定層的偏移場，否則，僅存在一個穩定的電阻狀態，而不是在MTJ中存儲信息所需的兩個穩定的電阻狀態(稱為雙穩定性)。
[0005]MRAM由包括各種MTJ層的磁性疊層的層疊片形成，所述磁性疊層被構圖而形成各個MTJ。MTJ可以采取相對小的圓柱體的形式，每個圓柱體包括層疊的磁性疊層。在片狀膜中，在各種層之間存在奈耳(Neel)稱合,并且不存在固定層偶極場。固定層偶極場在MTJ被構圖之后變得明顯，因為偶極場源于MTJ器件的邊緣。固定層偶極場隨著MTJ被制作地更小而變強，并且跨MTJ不均勻。固定層偶極場在MTJ器件中產生若干問題，包括增加了自由層環偏移以及確保MTJ的雙穩定性所需的最小所需自由層He。必須跨過器件的整個溫度操作范圍維持最小自由層He。固定層偶極場也會改變MTJ的切換模式，并且對器件功能性的影響隨著MTJ尺寸按比例縮小而增加。
【發明內容】
[0006]在一方面中，一種用于磁性隨機存取存儲器(MRAM)的磁隧道結(MTJ),包括:具有 可變磁化方向的磁性自由層；與所述自由層相鄰的絕緣隧道勢壘層；具有不可變磁化方向 的磁性固定層，所述固定層被設置為與所述隧道勢壘層相鄰以使得所述隧道勢壘層位于所 述自由層與所述固定層之間，其中所述自由層和所述固定層具有垂直磁各向異性；以及下 述中的一者或多者:復合固定層，所述復合固定層包括防塵層(dusting layer)、隔離物層 和基準層，其中所述隔離物層位于所述基準層與所述隧道勢壘層之間，并且其中所述防塵 層位于所述隔離物層與所述隧道勢壘層之間；合成反鐵磁性(SAF)固定層結構，該SAF固定 層結構包括位于所述固定層與第二固定磁性層之間的SAF隔離物，其中所述固定層和所述 第二固定磁性層通過所述SAF隔離物反平行地耦合；以及偶極層，其中所述自由層位于所 述偶極層與所述隧道勢壘層之間。[0007]另一方面,一種形成用于磁性隨機存取存儲器(MRAM)的磁隧道結(MTJ)的方法包 括:形成具有可變磁化方向的磁性自由層；在所述自由層之上形成隧道勢壘層，所述隧道 勢壘層包括絕緣材料；在所述隧道勢壘層之上形成具有不可變磁化方向的磁性固定層，其 中所述自由層和所述固定層具有垂直磁各向異性；以及形成下述中的一者或多者:復合固 定層，所述復合固定層包括防塵層、隔離物層和基準層，其中所述隔離物層位于所述基準層 與所述隧道勢壘層之間，并且其中所述防塵層位于所述隔離物層與所述隧道勢壘層之間； 合成反鐵磁性(SAF)固定層結構，所述SAF固定層結構包括位于所述固定層與第二固定磁 性層之間的SAF隔離物，其中所述固定層和所述第二固定磁性層通過所述SAF隔離物反平 行地耦合；以及偶極層，其中所述自由層位于所述偶極層與所述隧道勢壘層之間。[0008]通過當前的示例性實施例的技術實現另外的特征。本申請中詳細描述了其它實施 例，這些實施例被認為是要求保護的發明的一部分。為了更好地理解示例性實施例的特征， 參考說明書和附圖。【專利附圖】
【附圖說明】[0009]現在參考附圖，其中在若干個圖中相似的元件標以相似的附圖標記:[0010]圖1是示例出磁性疊層的一個實施例的橫截面視圖，其中復合固定層位于該磁性 置層的頂部。[0011]圖2是示例出磁性疊層的一個實施例的橫截面視圖，其中復合固定層位于磁性疊 層的底部。[0012]圖3是示例出磁性疊層的一個實施例的橫截面視圖，其中復合固定層和SAF結構 位于磁性疊層的頂部。[0013]圖4是示例出磁性疊層的一個實施例的橫截面視圖，其中復合固定層和SAF結構 位于磁性疊層的底部。[0014]圖5是不例出磁性疊層的一個實施例的橫截面視圖,其中復合固定層和SAF結構 位于磁性疊層的頂部且偶極層位于磁性疊層的底部。[0015]圖6是不例出磁性疊層的一個實施例的橫截面視圖,其中復合固定層和SAF結構位于磁性疊層的底部且偶極層位于磁性疊層的頂部。
[0016]圖7是示例出磁性疊層的一個實施例的橫截面視圖，其中復合固定層位于磁性疊層的頂部且偶極層位于磁性疊層的底部。
[0017]圖8是示例出磁性疊層的一個實施例的橫截面視圖，其中復合固定層位于磁性疊層的底部且偶極層位于磁性疊層的頂部。
【具體實施方式】
[0018]提供了用于STT MRAM的PMA磁性疊層的實施例，在下文中詳細討論示例性實施例。通過包括復合固定層、固定層中的合成反鐵磁性(SAF)結構以及偶極層中的一者或多者，該PMA磁性疊層所形成的MTJ呈現高的MR和減小的固定層偶極場以及相應地減小的自由層環偏移(loop offset)。復合固定層包括三個層:防塵層、隔離物層和基準層。固定層SAF結構包括位于兩個磁性材料層之間的SAF隔離物，這兩個磁性材料層通過所述SAF隔離物反平行地耦合。可以調整所述SAF結構中的所述兩個磁性材料層的磁化，使得它們彼此相反地對準，減小了總體的固定層偶極場。偶極層位于自由層的與隧道勢壘層相反的一側上，并且可以在與固定層相反的方向上被磁化，以抵消固定層偶極場。PMA MTJ可以被形成為以任何組合具有復合固定層、SAF結構和偶極層中的一者或多者，以減小PMA MTJ的固定層偶極場和自由層環偏移。
[0019]首先參考圖1，示出了具有復合固定層107的PMA磁性疊層100的橫截面視圖。復合固定層107包括防塵層104、隔離物105和基準層106。MTJ100還包括在籽層(seedlayer)101上生長的自由層102。在一些實施例中，籽層101可以包括鉭(Ta)、或其中Mg的百分比小于20%的鉭鎂(TaMg)。籽層102的厚度可以為約0.5納米(nm)或更大，并且在一些實施例中為約Inm到約3nm。在各種實施例中，自由層102可以包括具有各種組成的鈷鐵硼(CoFeB) ；Co成分可以小于90%，并且Fe可以為約10%到約100% (純鐵)。自由層102也可以包括CoFeB I Fe或Fe I CoFeB。取決于自由層102的組成，自由層102的厚度可以為約
0.6nm到約2nm。隧道勢壘層103位于自由層102上并且包括諸如氧化鎂(MgO)的絕緣材料。MgO隧道勢魚層103可以通過自然氧化、自由基氧化(radical oxidation)或射頻(RF)濺射形成。
[0020]在圖1所示的實施例中，復合固定層107位于隧道勢壘層103頂上。防塵層104和基準層106通過隔離物105而磁性耦合并且具有PMA。在各種實施例中，防塵層104可以是純 CoFeB、CoFe、Fe、或雙層的 Fe | CoFeB、CoFe | CoFeB、CoFeB | Fe 或 CoFeB | CoFe。防塵層104的厚度可以為約0.5nm到約2nm。在各種實施例中，隔離物105包括非磁性材料，例如鉻(Cr)、釕(Ru)、氮化鈦(TiN)、鈦(Ti)、釩(V)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鋁(Al)、鎂(Mg)、或者諸如MgO的氧化物。在一些實施例中，隔離物105的厚度可以為約0.1nm到約lnm，或者在其它實施例中，可以比Inm更厚；隔離物105的厚度必須允許防塵層104和基準層106通過隔離物105磁性耦合到一起。或者，隔離物層105可以具有三層結構，在一些實施例中，相對薄的中心磁性層(其可以包括CoFeB、Fe或CoFe)被夾在兩個非磁性層(其可以包括Cr、Ru、TiN、T1、V、Ta、TaN、Al、Mg或諸如MgO的氧化物)之間。對于三層隔離物105，中心磁性層的厚度可以為約0.1nm到約0.5nm。在各種實施例中，基準層106可以包括形式為多層或混合物的鈷-鉬(ColPt)或鈷-鈀(Co|Pd)。在圖2-8中示出了可以包括包含防塵層、隔離物和基準層的復合固定層的MTJ的另外的實施例；復合固定層204、307、406、507、606、707和804可以包括以上針對圖1的復合固定層107列出的材料、結構和厚度中的任何材料、結
構和厚度。
[0021]圖2示出了 PMA磁性疊層200的實施例，其中復合固定層204位于底部。復合固定層204包括防塵層203、隔離物202和基準層201。磁性疊層200還包括隧道勢壘層205和自由層206。隧道勢壘層205包括諸如MgO的絕緣材料。MgO隧道勢壘層205可以通過自然氧化、自由基氧化或RF濺射形成。在各種實施例中，自由層206可以包括具有各種組成的CoFeB ；Co成分可以小于90%，并且Fe可以為約10%到約100% (純鐵)。自由層206也可以包括 CoFeB I Fe 或 Fe I CoFeB。
[0022]可以將復合固定層并入到SAF固定層結構中，如圖3的PMA磁性疊層300和圖4的PMA磁性疊層400所示。通過調整位于SAF結構中的SAF隔離物兩側的磁性材料的磁矩和磁各向異性，使得磁矩彼此相反地對準，可以獲得減小的固定層偶極場和居中的(或零偏移的)自由層環。在圖3中，包括防塵層304、隔離物305和基準層306的復合固定層307通過SAF隔離物308而被反平行地耦合到頂部基準層309。頂部基準層309可以以多層或混合物的形式包括鈷-鎳(Co I Ni)、Co |Pd或Co I Pt。在一些實施例中，SAF隔離物308可以包括Ru，并且可以為約8埃到約10埃厚。MTJ300還包括籽層301、自由層302和隧道勢壘層303。在一些實施例中，籽層301可以包括Ta、或其中Mg的百分比小于20%的TaMg。籽層301的厚度可以為約0.5nm或更大，并且在一些示例性實施例中為約Inm到約3nm。在各種實施例中，自由層302可以包括具有各種組成的CoFeB ；Co成分可以小于90%，并且Fe可以為約10%到約100% (純鐵)。自由層302也可以包括CoFeB I Fe或Fe I CoFeB。自由層302的厚度可以為約0.6nm到約2nm，這取決于自由層的組成。隧道勢壘層303位于自由層302上并且包括諸如MgO的絕緣材料。MgO隧道勢壘層303可以通過自然氧化、自由基氧化或射頻(RF)濺射形成。在一些實施例中，復合固定層307可以包括以上針對圖1的復合固定層107列出的材料、結構和厚度中的任何材料、結構和厚度。在具有固定層SAF結構的MTJ的其它實施例中，復合固定層307可以被包括適當磁性材料而省略防塵層304和隔離物305的簡單固定層代替。
[0023]在圖4中，PMA磁性疊層400包括具有防塵層405、隔離物404和基準層403的復合固定層406，該復合固定層406通過SAF隔離物402而被反平行地耦合到底部基準層401。底部基準層401可以以多層或混合物的形式包括Co I N1、Co I Pd或Co I Pt。在一些實施例中，SAF隔離物402可以包括Ru，并且可以為約8埃到約10埃厚。PMA磁性疊層400還包括隧道勢壘層407和自由層408。隧道勢壘層407包括諸如MgO的絕緣材料。MgO隧道勢壘層407可以通過自然氧化、自由基氧化或RF濺射形成。在各種實施例中，自由層408可以包括具有各種組成的CoFeB ；Co成分可以小于90%，并且Fe可以為約10%到約100% (純鐵)。自由層408也可以包括CoFeB |Fe或Fe | CoFeB0在一些實施例中，復合固定層406可以包括以上針對圖1的復合固定層107列出的材料、結構和厚度中的任何材料、結構和厚度。在具有固定層SAF結構的PMA磁性疊層的其它實施例中，復合固定層406可以被包括適當磁性材料而省略防塵層405和隔離物404的簡單固定層代替。
[0024]在圖3和4所示的具有固定層SAF結構的PMA磁性疊層300和400的實施例中，因為頂部基準層309/底部基準層401比復合固定層307/406更遠離自由層302/408，頂部基準層309/底部基準層401的磁矩必須大于復合固定層307/406的磁矩，以便抵消來自 復合固定層307/406的偶極場。在基準層306/403和頂部基準層309/底部基準層401都 包括多層的情況下，頂部基準層309/底部基準層401必須包括多個層重復，因此比基準層 306/403更厚。隨著頂部基準層309/底部基準層401制作得更厚，另外的層重復的補償效 應變得更弱，因為該另外的層重復更遠離自由層302/408。較厚的多層疊層也可能導致在磁 性疊層制造期間較長的沉積時間以及較多的材料花費。因此，除了固定層SAF結構之外還 可以將偶極層并入到PMA磁性疊層中，以便減小抵消來自復合固定層307/406的偶極場所 需的頂部基準層309/底部基準層401的厚度，所述偶極層在與頂部基準層309/底部基準 層401的磁化方向相同并且與基準層306/403的磁化方向相反的方向上被磁化。在圖5和 6中示出了包括復合固定層、固定層SAF結構和偶極層的磁性疊層。或者，可以將偶極層并 入到省略了固定層SAF結構的PMA磁性疊層中，如下面關于圖7和8所示的，并且可以使偶 極層在與固定層相反的方向上磁化。[0025]圖5的PMA磁性疊層500包括具有復合固定層507的固定層SAF結構，所述復合固 定層507通過SAF隔離物508反平行地耦合到頂部基準層509。頂部基準層509可以以多層 或混合物的形式包括Co I NiXo I Pd或Co I Pt。在一些實施例中，SAF隔離物508可以包括Ru， 并且可以為約8埃到約10埃厚。在一些實施例中，偶極層510可以包括鈷鉻鉬(CoCrPt)、 Co I N1、Co I Pd或Co I Pt多層。在一些實施例中，為了增加偶極層510的磁矩并且減小其厚 度，可以直接在CoCrPt、Co I N1、Co I Pd或Co I Pt多層的頂部上生長具有相對大的飽和矩的 CoFeB防塵層(未示出)作為偶極層510的一部分。使偶極層510在與頂部基準層509的磁 化方向相同并且與基準層506的磁化方向相反的方向上磁化，以抵消固定層偶極場并且減 小自由層502的環偏移。位于自由層502和偶極層510之間的籽層501提供偶極層510和 自由層502之間的磁性分離。在一些實施例中，籽層501可以包括Ta、或其中Mg的百分比 小于20%的TaMg。籽層501的厚度可以為約0.5nm或更大，并且在一些示例性實施例中為 約Inm到約3nm。在各種實施例中，自由層502可以包括具有各種組成的CoFeB ；Co成分可 以小于90%，并且Fe可以為約10%到約100% (純鐵)。自由層502也可以包括CoFeB | Fe或 Fe I CoFeB。自由層502的厚度可以為約0.6nm到約2nm，這取決于自由層的組成。隧道勢壘 層503位于自由層502上并且包括諸如MgO的絕緣材料。MgO隧道勢壘層503可以通過自 然氧化、自由基氧化或RF濺射形成。在一些實施例中，包括防塵層504、隔離物505和基準 層506的復合固定層507可以包括以上針對圖1的復合固定層107列出的材料、結構和厚 度中的任何材料、結構和厚度。在具有固定層SAF結構和偶極層的PMA磁性疊層的其它實 施例中，復合固定層507可以是包括適當磁性材料而省略防塵層504和隔離物505的簡單 固定層。[0026]在圖6中，PMA磁性疊層600包括包含復合固定層606的固定層SAF結構，該復合 固定層606通過SAF隔離物602反平行地耦合到底部基準層601。底部基準層601可以以 多層或混合物的形式包括Co I N1、Co I Pd或Co I Pt。在一些實施例中，SAF隔離物602可以 包括Ru，并且可以為約8埃到約10埃厚。在一些實施例中，偶極層609可以包括CoCrPt、 Co I N1、Co I Pd或Co I Pt多層。在一些實施例中，為了增加偶極層609的磁矩并且減小其厚 度，可以直接在CoCrPt、Co|Ni, Co|Pd或Co|Pt多層的底部上生長具有相對大的飽和矩的 CoFeB防塵層(未示出)作為偶極層609的一部分。使偶極層609在與底部基準層601的磁化方向相同并且與基準層603的磁化方向相反的方向上磁化，以抵消固定層偶極場并且減小自由層608的環偏移。位于自由層608和偶極層609之間的蓋層610提供偶極層609和自由層608之間的磁性分離。隧道勢壘層607包括諸如MgO的絕緣材料。MgO隧道勢壘層607可以通過自然氧化、自由基氧化或RF濺射形成。在各種實施例中，自由層608可以包括具有各種組成的CoFeB ；Co成分可以小于90%，并且Fe可以為約10%到約100% (純鐵)。自由層608也可以包括CoFeB | Fe或Fe | CoFeB。在一些實施例中，具有防塵層605、隔離物604和基準層603的復合固定層606可以包括以上針對圖1的復合固定層107列出的材料、結構和厚度中的任何材料、結構和厚度。在具有固定層SAF結構和偶極層的PMA磁性疊層的其它實施例中，復合固定層606可以是包括適當磁性材料而省略防塵層605和隔離物604的簡單固定層。
[0027]在圖5和6中由頂部基準層509/底部基準層601以及偶極層510和609產生的偶極場一起補償由基準層506/603產生的偶極場。只要復合固定層507/606的He大于或小于頂部基準層509/底部基準層601和偶極層510/609的He，這三個層的磁化都可以被調整以減小自由層502/608的偏移場。
[0028]在與固定層相反的方向上磁化的偶極層也可以用于抵消固定層偶極場并且在沒有固定層SAF結構的情況下以自由層的磁化環為中心，如圖7和8所示。在圖7中，PMA磁性疊層700包括復合固定層707和偶極層708。在一些實施例中，偶極層708可以包括CoCrPt、Co I N1、Co I Pd或Co I Pt多層。在一些實施例中，為了增加偶極層708的磁矩并且減小其厚度，可以直接在CoCrPtXo I N1、Co | Pd或Co | Pt多層的頂部上生長具有相對大的飽和矩的CoFeB防塵層(未示出)作為偶極層708的一部分。位于自由層702和偶極層708之間的籽層701提供偶極層708和自由層702之間的磁性分離。在一些實施例中，籽層701可以包括Ta、或其中Mg的百分比小于20%的TaMg。籽層701的厚度可以為約0.5nm或更大，并且在一些示例性實施例中為約Inm到約3nm。在各種實施例中，自由層702可以包括具有各種組成的CoFeB ；Co成分可以小于90%，并且Fe可以為約10%到約100% (純鐵)。自由層702也可以包括CoFeB | Fe或Fe | CoFeB。自由層702的厚度可以為約0.6nm到約2nm，這取決于自由層的組成。隧道勢壘層703位于自由層702上并且包括諸如MgO的絕緣材料。MgO隧道勢壘層703可以通過自然氧化、自由基氧化或RF濺射形成。在一些實施例中，具有防塵層704、隔離物705和基準層706的復合固定層707可以包括以上針對圖1的復合固定層107列出的材料、結構和厚度中的任何材料、結構和厚度。在具有偶極層的PMA磁性疊層的其它實施例中，復合固定層707可以是包括適當磁性材料而省略防塵層704和隔離物705的簡單固定層。
[0029]在圖8中，PMA磁性疊層800包括復合固定層804和偶極層807。在一些實施例中，偶極層807可以包括CoCrPt、Co I N1、Co |Pd或Co |Pt多層。在一些實施例中，為了增加偶極層807的磁矩并且減小其厚度，可以直接在CoCrPt、Co | N1、Co | Pd或Co | Pt多層的底部上生長具有相對大的飽和矩的CoFeB防塵層(未示出)作為偶極層807的一部分。位于自由層806和偶極層807之間的蓋層808提供偶極層807和自由層806之間的磁性分離。隧道勢壘層805包括諸如MgO的絕緣材料。MgO隧道勢壘層805可以通過自然氧化、自由基氧化或射頻(RF)濺射形成。在各種實施例中，自由層806可以包括具有各種組成的CoFeB ;Co成分可以小于90%，并且Fe可以為10%到約100% (純鐵)。自由層806也可以包括CoFeB | Fe或Fe I CoFeB。在一些實施例中，具有防塵層803、隔離物802和基準層801的復合固定層804可以包括以上針對圖1的復合固定層107列出的材料、結構和厚度中的任何材料、結構和厚度。在具有偶極層的PMA磁性疊層的其它實施例中，復合固定層804可以是包括適當磁性材料而省略防塵層803和隔離物802的簡單固定層。
[0030]在圖7和8的PMA磁性疊層700和800中，偶極層708/807和基準層706/801被磁化成相反的方向，使得它們的偶極場彼此抵消。偶極層708/807的He和基準層706/801的He可以不相等。與圖5和6的SAF/偶極PMA磁性疊層500和600相比，可以實現寬的復位場窗口。然而，與圖5和6的SAF/偶極PMA磁性疊層500和600相比，在圖7和8的PMA磁性疊層700和800中需要相對厚的偶極層708/807。
[0031]示例性實施例的技術效果和益處包括具有相對高的磁阻以及相對低的固定層偶極場和自由層偏移環的用于MTJ的PMA磁性疊層。
[0032]本文中所用的術語，僅僅是為了描述特定的實施例，而不意圖限定本發明。本文中所用的單數形式的“一”和“該”，旨在也包括復數形式，除非上下文中明確地另行指出。還要知道，“包含”一詞在本說明書中使用時，說明存在所指出的特征、整體、步驟、操作、單元和/或組件，但是并不排除存在或增加一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、單元和/或組件，以及/或者它們的組合。
[0033]以下的權利要求中的對應結構、材料、操作以及所有功能性限定的裝置(means)或步驟的等同替換，旨在包括任何用于與在權利要求中具體指出的其它單元相組合地執行該功能的結構、材料或操作。所給出的對本發明的描述其目的在于示意和描述，并非是窮盡性的，也并非是要把本發明限定到所表述的形式。對于所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不偏離本發明范圍和精神的情況下，顯然可以作出許多修改和變型。對實施例的選擇和說明，是為了最好地解釋本發明的原理和實際應用，使所屬【技術領域】的普通技術人員能夠明了，本發明可以有適合所要的特定用途的具有各種改變的各種實施方式。
【權利要求】
1.一種用于磁性隨機存取存儲器(MRAM)的磁隧道結(MTJ)，包括: 具有可變磁化方向的磁性自由層； 與所述自由層相鄰的絕緣隧道勢壘層； 具有不可變磁化方向的磁性固定層，所述固定層被設置為與所述隧道勢壘層相鄰以使得所述隧道勢壘層位于所述自由層與所述固定層之間，其中所述自由層和所述固定層具有垂直磁各向異性；以及 下述中的一者或多者: 復合固定層，所述復合固定層包括防塵層、隔離物層和基準層，其中所述隔離物層位于所述基準層與所述隧道勢壘層之間，并且其中所述防塵層位于所述隔離物層與所述隧道勢壘層之間； 合成反鐵磁性(SAF)固定層結構，所述SAF固定層結構包括位于所述固定層與第二固定磁性層之間的SAF隔離物，其中所述固定層和所述第二固定磁性層通過所述SAF隔離物反平行地耦合；以及 偶極層，其中所述自由層位于所述偶極層與所述隧道勢壘層之間。
2.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述自由層包括鈷-鐵-硼(CoFeB)、純鐵(Fe)、CoFeB I Fe 和 Fe | CoFeB 中的一種。
3.根據權利要求1所述的MTJ，還包括位于所述自由層下方的籽層，所述籽層包括鉭(Ta)或鉭鎂(TaMg)中的一種，并且其中所述籽層具有約0.5納米(nm)到約3nm的厚度。
4.根據權利要求1所述的MTJ ，其中所述隧道勢壘層包括氧化鎂(MgO)。
5.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述復合固定層的所述防塵層包括CoFeB、CoFe,Fe、Fe | CoFeB 雙層、CoFe | CoFeB 雙層、CoFeB Fe 雙層、CoFeB | CoFe 雙層。
6.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述復合固定層的所述防塵層具有約0.5nm到約2nm的厚度。
7.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述復合固定層的所述隔離物層包括非磁性材料。
8.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述復合固定層的所述隔離物層包括鉻(Cr)、釕(Ru)、氮化鈦(TiN)、鈦(Ti)、釩(V)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鋁(Al)、鎂(Mg)和 MgO 中的一種。
9.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述復合固定層的所述隔離物層包括三層結構，該三層結構包括被設置在兩個非磁性隔離物層之間的中心磁性隔離物層。
10.根據權利要求9所述的MTJ，其中所述中心磁性隔離物層包括CoFeB、Fe和CoFe中的一種。
11.根據權利要求9所述的MTJ，其中所述中心磁性層具有約0.1nm到約0.5nm的厚度。
12.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述固定層包括鈷-鉬(ColPt)和鈷-鈀(ColPd)中的一種。
13.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述SAF隔離物包括釕，并且其中所述第二固定磁性層包括鈷-鎳(Co I Ni), Co I Pd和Co I Pt中的一種。
14.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述偶極層包括鈷鉻鉬(C0CrPt)、C0|N1、C0|Pd、以及Co|Pt多層中的一種。
15.根據權利要求14所述的MTJ，其中所述偶極層還包括CoFeB層。
16.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述固定層在與所述SAF結構中的所述第二固定磁性層的磁化方向相反的方向上被磁化。
17.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述MTJ既包括所述偶極層也包括所述SAF結構， 并且所述偶極層與所述SAF結構的所述第二固定磁性層在相同的方向上被磁化，并且所述固定層在與所述偶極層和所述第二固定磁性層的磁化方向相反的方向上被磁化。
18.根據權利要求1所述的MTJ，其中所述偶極層在與所述固定層的磁化方向相反的方向上被磁化。
19.一種形成用于磁性隨機存取存儲器(MRAM)的磁隧道結(MTJ)的方法,該方法包括:形成具有可變磁化方向的磁性自由層；在所述自由層之上形成隧道勢壘層，所述隧道勢壘層包括絕緣材料；在所述隧道勢壘層之上形成具有不可變磁化方向的磁性固定層，其中所述自由層和所述固定層具有垂直磁各向異性；以及形成下述中的一者或多者:復合固定層，所述復合固定層包括防塵層、隔離物層和基準層，其中所述隔離物層位于所述基準層與所述隧道勢壘層之間，并且其中所述防塵層位于所述隔離物層與所述隧道勢壘層之間；合成反鐵磁性(SAF)固定層結構，所述SAF固定層結構包括位于所述固定層與第二固定磁性層之間的SAF隔離物，其中所述固定層和所述第二固定磁性層通過所述SAF隔離物反平行地耦合；以及偶極層，其中所述自由層位于所述偶極層與所述隧道勢壘層之間。
20.根據權利要求19所述的方法，其中形成所述自由層包括在籽層上生長所述自由層，所述籽層包括鉭(Ta)或鉭鎂(TaMg)中的一種，并且其中所述籽層具有約0.5納米(nm) 到約3nm的厚度。
21.根據權利要求19所述的方法，其中所述隧道勢壘層包括氧化鎂(MgO)并且通過自然氧化、自由基氧化和射頻(RF)濺射中的一種形成。
22.根據權利要求19所述的方法，其中所述固定層在與所述SAF結構中的所述第二固定磁性層的磁化方向相反的方向上被磁化。
23.根據權利要求19所述的方法，其中所述MTJ既包括所述偶極層也包括所述SAF結構，并且所述偶極層與所述SAF結構的所述第二固定磁性層在相同的方向上被磁化，并且所述固定層在與所述偶極層和所述第二固定磁性層的磁化方向相反的方向上被磁化。
24.根據權利要求19所述的方法，其中所述偶極層在與所述固定層的磁化方向相反的方向上被磁化。
25.根據權利要求19所述的方法，其中所述自由層包括鈷-鐵-硼(CoFeB)、純鐵(Fe)、 CoFeB I Fe和Fe | CoFeB中的一種，并且所述固定層包括鈷`-鉬(Co | Pt)和鈷-鈀(Co | Pd)中的一種。
【文檔編號】G11B5/39GK103503067SQ201280020050
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年3月15日 優先權日:2011年4月25日
【發明者】胡國菡, J·J·諾瓦克, P·L·特羅伊羅德, D·C·沃萊吉 申請人:國際商業機器公司