[發(fā)明專利]磁性隧道結(jié)裝置及其制造

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080025845.6
• 申請日: 2010-06-11
• 公開（公告）號: CN102804438A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱曉春;升·H·康;李霞
• 申請（專利權(quán)）人: 高通股份有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;G01R33/09;G11C11/15;H01F10/32
• 代理公司: 北京律盟知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11287
• 代理人: 宋獻(xiàn)濤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體涉及磁性穿隧結(jié)(MTJ)裝置及其制造。

背景技術(shù)

MTJ元件可用來產(chǎn)生磁性隨機存取存儲器(MRAM)。MTJ元件通常包括被釘扎層(pinned?layer)、磁性隧道勢壘，和自由層，其中位值由自由層中的磁矩來表示。由MTJ元件存儲的位值由相對于由被釘扎層載運的固定磁矩的方向的自由層的磁矩方向來確定。被釘扎層的磁化為固定的，而自由層的磁化可切換。

當(dāng)電流流經(jīng)MTJ元件時，自由層的磁化方向可在電流密度超過閾值(即，臨界開關(guān)電流密度(J_c))時改變。根據(jù)一自旋力矩轉(zhuǎn)移模型，J_c與有效阻尼常數(shù)(α_eff)、飽和磁化強度(saturation?magnetization)(M_S)，和自由層的厚度(t_free)成比例，即，J_c∝α_eff(M_S)²t_free。降低臨界開關(guān)電流密度使STT-MRAM技術(shù)的功率消耗低且芯片面積較小，其可通過減小α_eff、M_S和t_free中的一者或一者以上而實現(xiàn)。

插入于自由層與MTJ元件的頂部電接觸件之間的自旋勢壘層可減小自由層的有效阻尼常數(shù)α_eff。然而，自旋勢壘層通常為絕緣層，其可包括氧化物材料、氮化物材料，或半金屬層，且因此通常具有高串聯(lián)電阻。高串聯(lián)電阻降低MTJ裝置的穿隧磁阻(TMR)，從而導(dǎo)致STT-MRAM讀取和寫入過程中的問題。高串聯(lián)電阻還可能限制位單元的寫入驅(qū)動電流供應(yīng)能力。

發(fā)明內(nèi)容

鄰近于MTJ裝置的自由層的自旋力矩增強層可包括納米氧化物層。在自旋力矩增強層插入于自由層與MTJ裝置的頂部金屬接觸件之間的情況下，自旋力矩增強層與自由層介接，從而減小自由層的有效阻尼常數(shù)α_eff。因為J_c∝α_eff(M_S)²t_free，所以減小自由層的有效阻尼常數(shù)α_eff使臨界開關(guān)電流密度J_c減小。延伸穿過納米氧化物層的電流受限路徑實質(zhì)上阻止MTJ串聯(lián)電阻增加，因此MTJ裝置的穿隧磁阻(TMR)實質(zhì)上并不減小。

在一特定實施例中，揭示一種包括MTJ裝置的設(shè)備。所述MTJ裝置包括自由層和響應(yīng)于自由層的自旋力矩增強層，所述自旋力矩增強層包括納米氧化物層。

在另一特定實施例中，揭示一種包括MTJ裝置的設(shè)備。所述MTJ裝置包括自由層、鄰近于所述自由層的隧道勢壘層，和鄰近于所述自由層的自旋力矩增強層。所述自旋力矩增強層包括納米氧化物層。自旋力矩增強層介于自由層與MTJ裝置的電接觸件之間。

在另一特定實施例中，揭示一種包括MTJ裝置的設(shè)備，所述MTJ裝置包括用于將數(shù)據(jù)值存儲為磁矩的定向的裝置，其可通過超過閾值電流密度的自旋偏振電流而編程。MTJ裝置還包括穿隧勢壘裝置，其用于通過傳導(dǎo)電子穿過勢壘的量子機械穿隧而對用于存儲的裝置提供傳導(dǎo)電子。MTJ裝置進(jìn)一步包括自旋力矩增強裝置，其用于減小臨界開關(guān)電流密度閾值而不實質(zhì)上減小磁性隧道結(jié)裝置的穿隧磁阻(TMR)。自旋力矩增強裝置包括納米氧化物層，且用于存儲的裝置定位于穿隧勢壘裝置與自旋力矩增強裝置之間。

在另一特定實施例中，揭示一種包括在磁性穿隧結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)的隧道勢壘層上方形成自由層的方法。所述方法包括在自由層上方形成自旋力矩增強層。所述自旋力矩增強層包括納米氧化物層。

所揭示的實施例的至少一者提供的一個特定優(yōu)勢為：與不包括包含納米氧化物層的自旋力矩增強層的MTJ裝置相比，通過減小自由層的有效阻尼常數(shù)α_eff而減小臨界開關(guān)電流密度J_c∝α_eff(M_S)²t_free。所揭示的實施例的至少一者提供的另一特定優(yōu)勢為MTJ結(jié)構(gòu)，與不使用包括納米氧化物層的自旋力矩增強層的MTJ裝置相比，所述MTJ結(jié)構(gòu)不會增加MTJ串聯(lián)電阻且不會減小MTJ裝置的穿隧磁阻(TMR)。本發(fā)明的其它方面、優(yōu)勢和特征將在審視整個申請案(包括以下部分：附圖說明、具體實施方式和權(quán)利要求書)之后變得顯而易見。

附圖說明