[發(fā)明專利]磁存儲(chǔ)器、在磁器件中使用的磁性結(jié)和提供磁性結(jié)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310713692.X
• 申請(qǐng)日: 2013-12-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103887426B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: K.陳;A.V.科瓦爾科夫斯基;D.阿帕爾科夫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 三星電子株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01L43/08
• 分類號(hào): H01L43/08;H01L27/22;H01L43/12
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所 11105
• 代理人: 張波

本發(fā)明提供一種磁存儲(chǔ)器、在磁器件中使用的磁性結(jié)和提供磁性結(jié)的方法。方法和系統(tǒng)提供可在磁器件中使用的磁性結(jié)。該磁性結(jié)包括具有非磁間隔層的多個(gè)磁層。該磁性結(jié)還包括至少一個(gè)無(wú)擴(kuò)散相變層。該磁性結(jié)被配置為在寫(xiě)電流穿過(guò)磁性結(jié)時(shí)可在多個(gè)穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的示例實(shí)施方式涉及磁存儲(chǔ)器、在磁器件中使用的磁性結(jié)和提供磁性結(jié)的方法。

背景技術(shù)

磁存儲(chǔ)器、尤其是磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）由于其在操作期間關(guān)于高讀/寫(xiě)速度、優(yōu)良的耐用性、非易失性和低功耗的潛力而吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。MRAM可以利用磁性材料作為信息記錄介質(zhì)來(lái)存儲(chǔ)信息。一種類型的MRAM是自旋轉(zhuǎn)移扭矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（STT-RAM）。STT-RAM利用磁性結(jié)，而磁性結(jié)至少部分地通過(guò)被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)該磁性結(jié)的電流寫(xiě)入。被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)的自旋極化電流在該磁性結(jié)中的磁矩上施加自旋扭矩。結(jié)果，具有對(duì)自旋扭矩起反應(yīng)的磁矩的層可以被切換到期望狀態(tài)。

例如，圖1示出了傳統(tǒng)磁隧道結(jié)（MTJ）10，其可被用于傳統(tǒng)STT-MRAM中。傳統(tǒng)MTJ10通常位于底部接觸11上，使用傳統(tǒng)籽晶層12，并且包括傳統(tǒng)反鐵磁（AFM）層14、傳統(tǒng)參考層16、傳統(tǒng)隧道勢(shì)壘層18、傳統(tǒng)自由層20和傳統(tǒng)蓋層22。還示出頂部接觸24。

傳統(tǒng)籽晶層12通常用來(lái)輔助具有所需結(jié)晶結(jié)構(gòu)的后續(xù)層（諸如AFM層14）的生長(zhǎng)。傳統(tǒng)隧道勢(shì)壘層18是非磁性的，例如是薄絕緣體。為了更高的信號(hào)，傳統(tǒng)隧道勢(shì)壘層18通常為晶態(tài)MgO。

傳統(tǒng)參考層16和傳統(tǒng)自由層20是磁性的。傳統(tǒng)參考層16的磁化17通常通過(guò)與AFM層14的磁化的交換偏置相互作用而被固定或釘扎在特定方向。此外，其它形式的傳統(tǒng)MTJ10可能包括額外的參考層（未示出），該額外的參考層與自由層20被額外的非磁性阻擋層或?qū)щ妼樱ㄎ词境觯└糸_(kāi)。傳統(tǒng)自由層20具有可變的磁矩21。雖然被示作單一層，但是傳統(tǒng)自由層20還可以包括多個(gè)層。通常，諸如CoFeB的材料被用于傳統(tǒng)自由層16和/或參考層20中。

為了轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)自由層20的磁矩21，垂直于平面（沿Z方向）驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)充分的電流被從頂部接觸24驅(qū)動(dòng)至底部接觸11時(shí)，傳統(tǒng)自由層20的磁矩21可以轉(zhuǎn)換來(lái)平行于傳統(tǒng)參考層16的磁矩17。當(dāng)充分的電流被從底部接觸11驅(qū)動(dòng)至頂部接觸24時(shí)，自由層的磁矩21可以轉(zhuǎn)換來(lái)反平行于參考層16的磁矩。磁配置上的不同對(duì)應(yīng)于不同的磁致電阻，因而對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)MTJ10的不同邏輯態(tài)（例如邏輯“0”和邏輯“1”）。于是，通過(guò)讀取傳統(tǒng)MTJ10的隧道磁致電阻（TMR），傳統(tǒng)MTJ的狀態(tài)能被確定。

圖2是概要流程圖，其示出用于制造傳統(tǒng)磁性結(jié)10的傳統(tǒng)方法50。借助步驟52，沉積用于磁性結(jié)10的層12、14、16、18、20和22。通常，使用全膜沉積。借助步驟54，限定傳統(tǒng)磁性結(jié)10。例如，傳統(tǒng)磁性結(jié)10可以被掩模覆蓋，層12、14、16、18、20和22的暴露部分借助離子研磨被去除。

作為制造的一部分，傳統(tǒng)磁性結(jié)10還借助步驟56退火。退火可被用于確保傳統(tǒng)MTJ10的層具有所需結(jié)晶結(jié)構(gòu)。例如，傳統(tǒng)隧道勢(shì)壘層18中的MgO在被沉積時(shí)通常是非晶的。另外，參考層16和/或自由層20通常包括CoFeB層，該CoFeB層具有高達(dá)20%的B。這些層16和/或20在被沉積時(shí)也可以是非晶的。為了傳統(tǒng)MTJ10中的層16、18和20具有所需的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和晶體學(xué)取向，傳統(tǒng)MTJ10在步驟56中被退火。傳統(tǒng)MTJ10的退火通常在約300攝氏度的溫度下進(jìn)行。

雖然傳統(tǒng)MTJ10可以起作用，但是將傳統(tǒng)MTJ10結(jié)合到存儲(chǔ)器中存在缺陷。例如，即使通過(guò)步驟56中進(jìn)行的退火，傳統(tǒng)MgO隧道勢(shì)壘層18不會(huì)具有所需的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。例如，傳統(tǒng)MgO隧道勢(shì)壘層18不會(huì)具有所需的晶體結(jié)構(gòu)。類似地，參考層16和自由層20不會(huì)如所需那樣被完全結(jié)晶化。結(jié)果，傳統(tǒng)MTJ10的TMR會(huì)減小。