[發明專利]用于磁性隧穿結器件的超薄垂直釘扎層結構

有效

• 申請號: 201580069847.8
• 申請日: 2015-11-03
• 公開（公告）號: CN107112415B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: K·李;J·康;X·朱;M·G·戈特瓦爾德;C·樸;S·H·康
• 申請（專利權）人: 高通股份有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/10;H01L43/12;H01F10/32;H01L43/02
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 陳煒;袁逸

一種垂直磁性隧道結(MTJ)(600)的合成反鐵磁(SAF)基準層(601)的材料堆疊可包括SAF耦合層(606)。該材料堆疊還可包括SAF耦合層上的非晶間隔體層(612)。該非晶間隔體層可包括鉭和鈷、或者鉭和鐵、或者鈷和鐵和鉭的合金或多層。該非晶間隔體層還可包括SAF耦合層的經處理表面。

背景

領域

本公開的某些方面一般涉及磁性隧穿結(MTJ)器件，尤其涉及MTJ器件的釘扎層結構。

背景

與常規的隨機存取存儲器(RAM)芯片技術不同，在磁性RAM(MRAM)中，通過存儲元件的磁化來存儲數據。存儲元件的基本結構包括由薄的隧穿勢壘分開的金屬鐵磁層。通常，勢壘下方的鐵磁層(例如，釘扎層)具有固定在特定方向上的磁化。隧穿勢壘上方的鐵磁磁性層(例如，自由層)具有可被更改以表示“1”或“0”的磁化方向。例如，在自由層磁化與固定層磁化反平行時可表示“1”。另外，在自由層磁化與固定層磁化平行時可表示“0”，反之亦然。具有固定層、隧穿層和自由層的一種此類器件是磁性隧道結(MTJ)。MTJ的電阻取決于自由層磁化和固定層磁化是彼此平行還是彼此反平行。存儲器器件(諸如MRAM)是從可個體尋址的MTJ陣列構建的。

為了將數據寫入常規MRAM，通過MTJ來施加超過臨界切換電流的寫電流。施加超過臨界切換電流的寫電流改變自由層的磁化方向。當寫電流以第一方向流動時，MTJ可被置于或者保持在第一狀態，其中其自由層磁化方向和固定層磁化方向在平行取向上對準。當寫電流以與第一方向相反的第二方向流動時，MTJ可被置于或者保持在第二狀態，其中其自由層磁化和固定層磁化呈反平行取向。

為了讀取常規MRAM中的數據，讀電流可經由用于將數據寫入MTJ的相同電流路徑來流經該MTJ。如果MTJ的自由層和固定層的磁化彼此平行地取向，則MTJ呈現平行電阻。該平行電阻不同于在自由層和固定層的磁化以反平行取向的情況下MTJ將呈現的電阻(反平行)。在常規MRAM中，由MRAM的位單元中的MTJ的這兩個不同電阻定義兩種相異的狀態。這兩個不同的電阻指示由該MTJ存儲邏輯“0”值還是邏輯“1”值。

自旋轉移矩磁性隨機存取存儲器(STT-MRAM)是一種新興類型的非易失性存儲器，其以比芯片外動態隨機存取存儲器(DRAM)更高的速度來操作。另外，STT-MRAM具有比嵌入式靜態隨機存取存儲器(eSRAM)更小的芯片尺寸、無限讀/寫耐久性、以及低陣列漏泄電流。

在一種類別的STT-MRAM單元中，磁性隧道結(MTJ)的自由層和基準層的極化方向平行于相應層的平面。此類存儲器單元被稱為具有面內磁各向異性或者縱向磁各向異性(LMA)。通過構造具有伸長形狀(諸如橢圓形)的存儲器單元來提供具有面內磁各向異性的MRAM單元的磁極化方向。該伸長形狀在每一端提供用于使磁矩趨向或遠離的磁極位置。

在另一種類別的STT-MRAM單元中，MTJ的自由層和基準層的極化方向垂直于相應層的平面。此類存儲器單元被稱為具有垂直磁各向異性(PMA)。PMA類型的STT-MRAM單元的層中的磁極化方向是固有地定向的，即，垂直于該層。因此，PMA類型STT-MRAM單元可具有可以比伸長的面內MRAM單元更容易制造的對稱形狀(諸如圓形形狀)。圓形形狀的PMA類型STT-MRAM單元具有比伸長的面內STT-MRAM單元更小的面積，并且因此可促成更深度縮放的存儲器器件的開發。此外，由于STT-MRAM單元的切換電流與其面積成比例，因此PMA類型STT-MRAM單元可消耗比面內類型STT-MRAM單元更少的功率。自由層和基準層的極化方向垂直于相應層的平面的MTJ可被稱為垂直MTJ或pMTJ。

概述

一種垂直磁性隧道結(MTJ)的合成反鐵磁(SAF)基準層的材料堆疊可包括SAF耦合層。所述材料堆疊還可包括所述SAF耦合層上的非晶間隔體層。所述非晶間隔體層包括鉭和鈷、或者鉭和鐵、或者鈷和鐵和鉭的合金或多層。