具有增強穩定性的垂直自旋轉移扭矩存儲器(sttm)器件以及其形成方法
【技術領域】
[0001]本發明的實施例屬于存儲器器件領域，具體而言，屬于具有增強穩定性的垂直自旋轉移扭矩存儲器(STTM)器件和制造具有增強穩定性的垂直STTM器件的方法。
【背景技術】
[0002]過去幾十年間，集成電路中特征的縮放已經是不斷增長的半導體產業的驅動力。縮放到越來越小的特征能夠實現半導體芯片有限的面積上功能單元的增大的密度。例如，縮放晶體管尺寸容許在芯片上并入增加數量的存儲器器件，導致制造具有更大能力的產品。然而，對越來越大能力的驅動并非沒有問題。優化每個器件的性能的必要性變得越來越重要。
[0003]自旋扭矩器件的工作基于自旋轉移扭矩現象。如果使電流通過被稱為固定磁性層的磁化層，其在離開時會發生自旋極化。在每個電子通過時，其自旋(角動量)將被轉移為被稱為自由磁性層的下一磁性層中的磁化，并將導致其磁化發生小的變化。實際上，這是一種扭矩導致的磁化的進動。由于電子的反射，扭矩還被施加到相關聯的固定磁性層的磁化上。最后，如果電流超過一定臨界值(由磁性材料及其環境導致的阻尼給出)，則將由通常為大約1-10納秒的電流脈沖切換自由磁性層的磁化。固定磁性層的磁化可以保持不變，因為由于幾何結構或由于相鄰反鐵磁性層，相關聯的電流在其閾值以下。
[0004]自旋轉移扭矩可以用于翻轉(flip)磁性隨機存取存儲器中的有源元件。自旋轉移扭矩存儲器或STTM相對于使用磁場翻轉有源元件的常規磁性隨機存取存儲器(MRAM)具有更低的功率消耗和更好的可縮放性的優點。然而，在STTM器件的制造和使用領域中仍然需要顯著的改進。
【附圖說明】
[0005]圖1示出了常規自旋轉移扭矩存儲器(STTM)器件的材料層疊置體的截面圖。
[0006]圖2示出了根據本發明的實施例的垂直STTM器件的材料層疊置體的截面圖。
[0007]圖3為根據本發明的實施例的對于比較的STTM器件的作為磁場(mT)函數的歸一化異常霍爾效應(EHE)(任意單位)的曲線圖。
[0008]圖4示出了根據本發明的另一個實施例的垂直STTM器件的另一個材料層疊置體的截面圖。
[0009]圖5示出了根據本發明的實施例的包括自旋轉移扭矩元件的自旋轉移扭矩存儲器位單元的示意圖。
[0010]圖6示出了根據本發明的實施例的電子系統的框圖。
[0011]圖7示出了根據本發明的一種實施方式的計算裝置。
【具體實施方式】
[0012]描述了具有增強穩定性的垂直自旋轉移扭矩存儲器(STTM)器件和制造具有增強穩定性的垂直STTM器件的方法。在以下描述中，闡述了很多特定細節，諸如特定的磁性層集成和材料域(regime)，以便提供對本發明的實施例的透徹理解。對于本領域技術人員而言顯而易見的是，可以無需這些特定細節來實施本發明的實施例。在其它情況下，未詳細描述公知的特征，諸如集成電路設計布局，以免不必要地使本發明的實施例模糊不清。此外，應當理解的是，圖中所示的各個實施例是示例性表示，未必是按比例繪制的。
[0013]一個或多個實施例針對用于提高垂直STTM系統的穩定性的方法。申請人可以包括在嵌入式存儲器、嵌入式非易失性存儲器(NVM)、磁性隨機存取存儲器(MRAM)、磁性隧穿結(MTJ)器件、NVM、垂直MTJ、STTM和非嵌入式存儲器或獨立存儲器中使用。在實施例中，垂直STTM器件的穩定性是通過并入與自由磁性層相鄰的導電氧化層來實現的，如下文更詳細地描述的。導電氧化層可以具有充當電極的一部分和氧化自由磁性層的組分中包括的鐵/鈷(Fe/Co)的一部分的雙重作用。
[0014]穩定性是對基于STTM器件及由其制造的存儲器陣列進行縮放所面對的最重要問題之一。隨著縮放的持續，需要更小存儲器元件來適應縮放單元尺寸已經驅動垂直STTM的方向上的產業，對于小存儲元件尺寸而言，垂直STTM具有更高的穩定性。常見的垂直STTM通過三種方式實現，該三種方式全部依賴于界面調諧，以從包括磁性層的材料疊置體中獲得最大量的垂直強度，因此，獲得最大量的穩定性。
[0015]作為示出本文所述核心概念的基礎，圖1示出了常規自旋轉移扭矩存儲器(STTM)器件的材料層疊置體的截面圖。參考圖1，面內(in-plane) STTM器件的材料層疊置體100包括底部電極102、固定磁性層106、電介質層108、自由磁性層110和頂部電極112。材料層疊置體100的磁性隧穿結(MTJ)部分包括固定磁性層106、電介質層108和自由磁性層110。材料疊置體100是用于制造STTM的基礎材料疊置體，并且可以制造成具有更大的復雜性。例如，盡管疊置體100中未示出，但反鐵磁性層也可以包括在位置104中，S卩，底部電極102與固定磁性層106之間。另外，電極102和電極112自身可以包括具有不同屬性的材料的多個層。圖1中所示的材料疊置體在其最基本形式中可以是面內系統，其中磁性層106和110的自旋在層自身相同的平面中，如圖1中的120所示。
[0016]在沒有進一步加工(engineer)的情況下，圖1中的材料疊置體100通常是面內自旋系統。然而，在層或界面加工的情況下，可以制造材料疊置體以提供垂直自旋系統。在第一個例子中，再次參考作為平臺的材料疊置體100的特征，從用于面內STTM器件的常規厚度減薄自由磁性層110，例如，由CoFeB構成的自由磁性層。減薄的程度可以充分大，以使得從層110中的與電介質層108中的氧相互作用(例如，與圖1的界面處的氧化鎂(MgO)層108相互作用)的鐵/鈷(Fe/Co)獲得的垂直分量相對于自由CoFeB層110的面內分量占支配地位。此例子提供了基于耦合到自由層的一個界面(即，CoFeB-MgO界面)的單層系統的垂直系統。來自MgO層的氧對CoFeB層中表面鐵/鈷原子(Fe/Co)的氧化程度為自由層提供了強度(穩定性)，以具有垂直支配的自旋態。在此例子中，電極102和電極112由諸如鉭(Ta)的單種金屬構成。
[0017]在第二個例子中，再次參考作為平臺的材料疊置體100的特征，利用交替的磁性層(例如，鈷(Co))和非磁性層(例如，鈀(Pd))的多層疊置體電極來替代頂部電極112。這種多層方案提供了每個磁性薄膜層(Co)都具有在自旋方向上垂直的界面。此疊置體中的最后(底部)Co層(例如在自由層110上并且形成界面2的Co層)磁性耦合到下方的CoFeB自由層110。替代地，可以在疊置體中的最后(底部)Co層與自由層110之間包括鉭(Ta)的薄層。在完整的自由層中(并且可能除界面I之外)，具有交替的磁性層和非磁性層的電極112中的所有界面(從界面2開始)的總和為待是垂直的自由層110的材料提供了穩定性。即，對于此第二個例子，垂直自旋器件的穩定性驅動機制包括前述第一個例子(即，來自界面I)的MgO耦合加上自由層110到上方垂直磁體的另外的耦合界面2的組合。
[0018]在第三例子中，再次參考作為平臺的材料疊置體100的特征，提供了與第一個例子類似的結構。然而，如圖1所示，向位置130處的疊置體添加了另外的隧穿阻擋過濾層(例如，第二 MgO層)。包括第二 MgO層容許來自這種頂部MgO層的氧與CoFeB自由層110的頂部處中的Fe/Co相互作用(例如，氧化)，實際上相對于第一個例子使單元的穩定性加倍。然而，如同此方式一樣的引人注目的是，在將第二 MgO層添加到疊置體100的情況下存在一個基本問題。S卩，這種第二 MgO層實際上是能夠相當大程度增大所得疊置體的電阻的薄的電介質膜。電阻可能會增大到干擾檢測“I”狀態和“O”狀態之間的差異的能力的程度，下文更詳細地描述該檢測。
[0019]在另一方面，通過使用疊置體內的導電氧化層增強了 STTM單元的垂直性質或支配的穩定性。例如，圖2示出了根據本發明的實施例的垂直STTM器件的材料層疊置體的截面圖。
[0020]參考圖2，用于垂直STTM器件的材料層疊置體200包括底部電極202、固定磁性層206、電介質層208、自由磁性層210和頂部電極。頂部電極由導電氧化物層214 (和可能另外的金屬帽層216)構成。材料層疊置體200的磁性隧穿結(MTJ)部分包括固定磁性層206、電介質層208和自由磁性層210。材料疊置體200是用于制造垂直STTM的基礎材料疊置體，并且可以制造成具有更大的復雜性。例如，盡管在疊置體200中未示出，但也可以在位置204中(即，底部電極202與固定磁性