專利名稱：具有雙層自由層的自旋扭矩磁阻結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及磁阻結(jié)構(gòu)、自旋電子、存儲器和集成電路。更具體而言，本發(fā)明涉及自旋扭矩磁阻結(jié)構(gòu)以及包括基于自旋扭矩的磁阻隨機存取存儲器(MRAM)的器件。
背景技術(shù)：
磁阻隨機存取存儲器(MRAM)將標(biāo)準(zhǔn)的基于硅的微電子器件與磁部件結(jié)合以實現(xiàn)非易失性存儲器。例如，基于硅的微電子器件包括諸如晶體管、二極管、電阻器、互連、電容器或電感器之類的電子器件。晶體管包括場效應(yīng)晶體管和雙極晶體管。其他MRAM可以包括與其他半導(dǎo)體組件一起的磁部件，其他半導(dǎo)體部件例如包括砷化鎵(GaAQ、鍺或其他半導(dǎo)體材料。MRAM存儲器單元包括存儲在對應(yīng)于兩個數(shù)據(jù)狀態(tài)(“1”和“0”)的兩個方向之間切換的磁性力矩的磁阻結(jié)構(gòu)。在MRAM單元中，信息存儲在自由磁層的磁化方向上。在自旋轉(zhuǎn)移MRAM存儲器單元中，通過迫使寫入電流直接通過構(gòu)成MRAM單元的材料的堆疊層以將數(shù)據(jù)狀態(tài)編寫為“1”或“0”。一般而言，通過經(jīng)由一個層來自旋極化的寫入電流對后續(xù)的自由磁層施加自旋扭矩。扭矩基于寫入電流的極性在兩個穩(wěn)態(tài)之間切換自由磁層的磁化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的原理提供一種磁阻結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，磁阻結(jié)構(gòu)包括鐵磁層、耦合到該鐵磁層的亞鐵磁層、 壓定層(Pinned layer)和非磁性間隔層。磁阻結(jié)構(gòu)的自由側(cè)包括鐵磁層和亞鐵磁層。非磁性間隔層至少部分地位于自由側(cè)和壓定層之間。鐵磁層的飽和磁化與亞鐵磁層的飽和磁化相反。本發(fā)明的其他一些實施方式包括磁阻存儲器器件和包括磁阻結(jié)構(gòu)的集成電路。磁阻存儲器器件存儲對應(yīng)于磁性力矩的至少兩個方向的至少兩個數(shù)據(jù)狀態(tài)。集成電路還包括襯底，在該襯底上形成有壓定層、非磁性間隔層、鐵磁層和亞鐵磁層。非磁性間隔層可以包括隧道勢壘層(諸如由氧化鎂(MgO)構(gòu)成并且適于提供隧道磁阻的隧道勢壘層)或適于提供巨磁阻的非磁性金屬層。有利地，包含具有補償飽和磁化(Ms)和高的各向異性場(Hk)的鐵磁層和亞鐵磁層的雙層形成磁阻結(jié)構(gòu)(例如，自旋扭矩切換器件)中的自由層。另一優(yōu)勢是，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、 器件、存儲器和方法適于使用比常規(guī)自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁阻器件所需的寫入電流更少的寫入電流來改變自由鐵磁層的磁性力矩的方向。磁阻存儲器可以例如是包括本發(fā)明的磁阻器件的一個實施方式的磁阻隨機存取存儲器(MRAM)。MRAM適于使用比常規(guī)自旋扭矩MRAM所需的寫入電流更少的寫入電流來寫入數(shù)據(jù)。本發(fā)明的一些方面例如在保持納米磁鐵對熱激發(fā)反轉(zhuǎn)(thermally activated reversal)穩(wěn)定的同時在自選扭矩切換的納米結(jié)構(gòu)中提供較低的切換電流。通過結(jié)合所附附圖來閱讀本發(fā)明的示例實施方式的如下具體描述，本發(fā)明的這些和其他一些特征、目標(biāo)和優(yōu)勢將變得明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的、平面內(nèi)各向異性和總能量作為雙層的凈磁化的函數(shù)的示意圖。圖2示出了一種自旋扭矩磁阻結(jié)構(gòu)。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的、一種具有鄰接隧道勢壘層的鐵磁層的自旋扭矩結(jié)構(gòu)。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的一種具有鄰接隧道勢壘層的亞鐵磁層的自旋扭矩結(jié)構(gòu)。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的、向自旋扭矩結(jié)構(gòu)寫入。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的、用于形成自旋扭矩結(jié)構(gòu)的方法。圖7是描繪了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的、示例性經(jīng)封裝的集成電路的截面視圖。
具體實施例方式在此將在用于本發(fā)明的原理的示例自旋扭矩切換器件和方法的情形下描述本發(fā)明的原理。然而，可以理解本發(fā)明的技術(shù)不限于在此示出和描述的器件和方法。而是，本發(fā)明的一些實施方式針對用于減少自旋扭矩切換器件中的切換電流的技術(shù)。盡管本發(fā)明的一些實施方式可以在硅晶片中或硅晶片上制造，但是本發(fā)明的一些實施方式可以備選地在包括其他一些材料的晶片中或晶片上制造，該其他一些材料包括但不限于砷化鎵(GaAs)、磷化銦αηρ)等。雖然本發(fā)明的一些實施方式可以使用下述材料來制造，但是一些備選實施方式可以使用其他材料制造。附圖并未按比例繪制。附圖所描繪的各種層的厚度并不必然指示本發(fā)明的一些實施方式的層的厚度。為了清楚起見，本領(lǐng)域所熟知的一些通常使用的層并未在圖2-圖5的附圖中示出，這些通常使用的層包括但不限于保護性覆蓋層、籽晶層和底層襯底。襯底可以是諸如硅之類的半導(dǎo)體襯底或任何其他合適的結(jié)構(gòu)。鐵磁材料表現(xiàn)出原子磁性力矩的平行對準(zhǔn)，從而即使在無磁場的情形下也導(dǎo)致了相對大的凈磁化。平行對準(zhǔn)效應(yīng)僅在低于稱為居里溫度的某臨界溫度的溫度時出現(xiàn)。在鐵磁體中，兩個靠近的磁偶極子由于泡利原理而易于在相同方向上對準(zhǔn)具有相同自旋的兩個電子無法具有相同的“位置”，這相比于具有相反自旋的電子實質(zhì)上減少了它們靜電相互作用的能量。鐵磁材料中的原子磁性力矩表現(xiàn)出由電子交換力產(chǎn)生的非常強的相互作用并且導(dǎo)致原子磁性力矩的平行或反平行對準(zhǔn)。交換力可以非常大，例如等效于約1000特斯拉的場。交換力是由兩個電子的相對取向所致的量子力學(xué)現(xiàn)象。元素Fe、M和Co以及它們的合金中的許多是典型的鐵磁材料。鐵磁材料的兩個不同特性是它們的自發(fā)磁化和存在磁性有序溫度(即居里溫度)。盡管鐵磁體中的電子交換力非常大，但是熱能量最終克服了該交換并產(chǎn)生隨機化的效果。這在稱為居里溫度(Τ。)的特定溫度出現(xiàn)。在居里溫度之下，鐵磁體有序，而在居里溫度之上，鐵磁體無序。飽和磁化在居里溫度時變?yōu)榱?。反鐵磁體材料是具有原子或分子的磁性力矩的材料(其通常涉及電子的自旋)與以常規(guī)模式與在不同的子晶格上的指向不同方向的鄰近自旋對準(zhǔn)。一般而言，反鐵磁層有序可以在足夠低的溫度下存在，在某個溫度(奈爾溫度)處或之上消失。在奈爾溫度之上， 材料通常是順磁性的。當(dāng)未施加外部磁場時，反鐵磁材料對應(yīng)于的消失的總磁化。在磁場中，可以在反鐵磁相中展現(xiàn)類亞鐵磁性的行為，其中子晶格磁化之一的絕對值不同于其他子晶格的絕對值，從而導(dǎo)致非零的凈磁化。反鐵磁體可以例如通過稱為交換各向異性的機制耦合到鐵磁體(例如，其中鐵磁體膜在反鐵磁體上生長或在對準(zhǔn)的磁場中退火)，從而使得鐵磁體的表面原子與反鐵磁體的表面原子對準(zhǔn)。這提供了壓定鐵磁膜的取向的能力。反鐵磁層在該溫度處或在該溫度之上失去其壓定相鄰的鐵磁層的磁化方向的能力的溫度稱為反鐵磁層的阻擋溫度，該溫度通常低于奈爾溫度。亞鐵磁材料是其中在不同子晶格上的磁性力矩相反的材料。然而，在亞鐵磁性材料中，相反的力矩并不相等，并且自發(fā)磁化得以保留。這在子晶格由不同材料或離子(例如狗2+和狗3+)構(gòu)成時發(fā)生。亞鐵磁材料與鐵磁體的類似之處在與它們在居里溫度執(zhí)行保持自發(fā)磁化，并且在該溫度之上不顯示出磁性順序(而是順磁性)。然而，有時在居里溫度之下存在兩個子晶格具有相等的力矩的溫度，從而導(dǎo)致凈磁性力矩為0 ；這稱為磁化補償點。 例如，在石榴石和稀土-轉(zhuǎn)變金屬合金(RE-TM)中觀察到該磁化補償點。亞鐵磁體還可以表現(xiàn)出角力矩補償點，在該角力矩補償點處磁性子晶格的角力矩得以補償。亞鐵磁體例如通過磁性石榴石、磁石(鐵(ΙΙ、ΠΙ)氧化物；Fe3O4)、YIG(釔鐵石榴石)和由鐵氧化物和其他元素(諸如鋁、鈷、鎳、錳和鋅)構(gòu)成的磁石。磁性材料的飽和磁化(Ms)是磁性材料的如下磁場，即其中外部施加的磁場H的增加并不顯著地進一步增加磁性材料的磁化(即磁性材料的磁場B)，從而磁性材料的總磁場 B呈平穩(wěn)狀態(tài)。飽和磁化是鐵磁材料的特有特性。實際上，在飽和之上，磁場B繼續(xù)增加，但是以順磁速率增加，該順磁速率可以例如比飽和之下所見的鐵磁速率小3個數(shù)量級。外部施加的磁場H和磁性材料的磁場B之間的關(guān)系還可以表述為導(dǎo)磁率μ = Β/Η。鐵磁材料的導(dǎo)磁率并不恒定，而是取決于H。在飽和材料中，導(dǎo)磁率通常隨著H增加到最大值，隨后隨著接近飽和而反向并且朝0降低。磁性各向異性是材料的磁性性質(zhì)的方向依賴性。磁性各向異性材料在為零的磁場中不具有針對材料的磁性力矩的優(yōu)選方向，同時磁性各項異性材料將易于將其力矩對準(zhǔn)到易磁化軸。存在磁性各向異性不同的來源，例如磁晶各向異性，其中晶體的原子結(jié)構(gòu)引起磁化的優(yōu)選方向；形狀各向異性，當(dāng)顆粒并非完美球形時，退磁化場并非針對所有方向相同，從而創(chuàng)建一個或多個易磁化軸；應(yīng)力各向異性，其中張力可以改變磁性行為，從而導(dǎo)致磁性各向異性；以及交換各向異性，其在反鐵磁性材料和鐵磁性材料相互作用時出現(xiàn)。各向異性場(Hk)可以被定義為能夠從易磁化軸來切換材料的磁化的最弱磁場。巨磁阻(GMR)是在某些結(jié)構(gòu)中觀察到的量子力學(xué)磁阻效應(yīng)，這些結(jié)構(gòu)例如是包括兩個磁性層(例如，鐵磁層或亞鐵磁層)并其在這兩個磁性層之間具有非磁性層的結(jié)構(gòu)。磁阻效應(yīng)自身顯現(xiàn)為當(dāng)兩個磁性層的磁化平行時由相對小的磁性散射而導(dǎo)致的非磁性層的顯著低的電阻。兩個磁性層的磁化可以通過例如將該結(jié)構(gòu)放置在外部磁場內(nèi)而實現(xiàn)平行。 磁阻效應(yīng)自身還顯現(xiàn)為當(dāng)兩個磁性層的磁化反平行時由相對高的磁性散射而導(dǎo)致的非磁性層的顯著高的電阻。由于兩個磁性層之間的反鐵磁性耦合，所以當(dāng)該結(jié)構(gòu)并非至少部分地位于外部磁場內(nèi)時兩個磁性層的磁化是反平行的。在此使用的術(shù)語非磁性金屬是指非磁性(包括非鐵磁性和非反鐵磁性)的金屬。隧道磁阻(TMR)是在磁性隧道結(jié)(MTJ)中出現(xiàn)的磁阻效應(yīng)。MTJ是由通過薄絕緣體隔開的兩個磁體構(gòu)成的部件。如果絕緣層足夠薄(通常為幾納米)，則電子可以從一個磁體遂穿進入另一磁體。由于這個過程在經(jīng)典物理中禁止，所以TMR是嚴格量子力學(xué)現(xiàn)象。鐵磁材料的居里溫度是鐵磁材料損失其特性鐵磁能力的溫度(例如對鐵而言是 768°C)。在居里溫度之下的溫度處，磁性力矩在鐵磁材料中的磁疇內(nèi)至少部分地對準(zhǔn)。隨著溫度朝居里溫度上升，各個疇內(nèi)的對準(zhǔn)(磁化)降低。在居里溫度之上，材料是完全順磁的，并且不存在經(jīng)對準(zhǔn)的力矩的磁疇。本文中使用的術(shù)語接近或與......接近具有如下含義，其包括但不限于鄰接、接
觸和操作性地接觸。針對磁性耦合具體而言，接近或與......接近包括但不限于操作性地
磁性耦合。本文中使用的術(shù)語鄰接具有如下含義，其包括但不限于與......接近。生長具有低的Ms和高的Hk的單種材料是具有挑戰(zhàn)性的(參見J. Z. Sun, Spin Angular Momentum Transfer in Current-Perpendicular Nanomagnetic Junctions, IBM Journal of Research and Development, volume 50, no. 1, January 2006,第 81-100 頁； 該文獻公開內(nèi)容在此通過引用并入本文)。根據(jù)本發(fā)明的原理，使用具有低的飽和磁化(Ms)和高的各向異性場(Hk)的自由層材料是降低自旋扭矩切換納米結(jié)構(gòu)中的切換電流的一種方式。可以在包含交換耦合的鐵磁層和亞鐵磁層的某些雙層結(jié)構(gòu)中同時實現(xiàn)低的Ms和高的Hk。對該材料的關(guān)鍵要求在于來自經(jīng)耦合的鐵磁層和亞鐵磁層的磁性力矩互相抵消，而非互相相加。包含含鐵(Fe)的鐵磁層和含鈷(Co)和鎘(Gd)的合金的亞鐵磁層的雙層(例如，F(xiàn)e I CoGd)，以及包括含Cole和硼⑶的合金的鐵磁層和含Co和Gd合金的亞鐵磁層的雙層(例如，CoFeB I CoGd)是具有低的Ms和高的Hk這兩者的某些雙層結(jié)構(gòu)的示例。CoGd層是亞鐵磁層，其中Co和Gd子晶格的磁性力矩被反平行地對準(zhǔn)，即CoGd亞鐵磁層的總飽和磁化由Ms—t。t = Ms—C。-Ms—ed給出；其中是扎―t。t總飽和磁化，Ms—c。是Co的飽和磁化，并且Ms ω是Gd的飽和磁化。在室溫時，隨著CoGd亞鐵磁層的Co含量接近約80 %， CoGd亞鐵磁層的凈磁化靠近并且接近于0，其中Co和Gd子晶格的磁性力矩近似于完全互相抵消。當(dāng)Co含量多于約80%時，Ms c。支配CoGd亞鐵磁層的總磁性力矩。當(dāng)Co含量低于約80%時，Ms ed支配CoGd亞鐵磁層的總磁性力矩。對于本發(fā)明的一個實施方式而言，CoGd 組分是約60%的Co和約40%的Gd(60Co40Gd)，并且因而Gd磁性力矩支配總的磁性力矩。 在本發(fā)明的一些CoFeB I CoGd雙層或！^ | CoGd雙層實施方式中，F(xiàn)e或CoFeB磁性層的!^e或 CoFeB磁性力矩分別平行交換耦合到CoGd亞鐵磁層中的Co子晶格的磁性力矩。因此，可以通過改變鐵磁層和亞鐵磁層的厚度組合或通過改變亞鐵磁層的組分來在寬的范圍內(nèi)調(diào)整雙層的凈磁化。雙層補償點是在該點處來自兩個層的磁性力矩在該雙層內(nèi)完全相互抵消的點。雙層組分和/或?qū)雍穸瓤梢员桓淖儯哉{(diào)整雙層補償點。圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的、平面內(nèi)各向異性110和總能量120作為雙層的凈磁化的函數(shù)的示意圖100。當(dāng)凈磁化通過雙層補償點(由線130與水平軸在零磁化的點處指示)時，觀察到雙層的平面內(nèi)各向異性場(Hk)中的大的增加(參見Hk點111)，同時總能量(Ms*Hk)幾乎保持恒定。具有靠近雙層補償點的組分的膜是感興趣的，這是因為它們
8的低的磁性力矩和高的各向異性場。CoFeB | CoGd雙層和！^ | CoGd雙層與包括氧化鎂(MgO)的隧道勢壘層具有良好的兼容性。在許多自旋扭矩切換隧道器件中使用MgO隧道勢壘層。例如，具有包括7人厚的Coi^eB 層和90A厚的層(7 A CoFeB|90 A CoGd )的自由雙層的MTj結(jié)構(gòu)在240°c、2 小時退火后，當(dāng)由平面內(nèi)電流遂穿方法測量TMR時表現(xiàn)出超過50%的TMR效應(yīng)。MTJ結(jié)構(gòu)的TMR很大程度上取決于!^e或CoFeB鐵磁層厚度、CoGd亞鐵磁層厚度、MgO勢壘層厚度和退火溫度。此外，經(jīng)測量，相比于具有其他Coi^eB自由層的其他MTJ而言結(jié)電阻-面積乘積 (RA)對沉積后退火更為敏感，這指示在MgO勢壘層的氧化和含CoGd的自由層的完整性之間具有精細的平衡。總之，CoFeB I CoGd雙層和!^e | CoGd雙層可以用作自旋扭矩切換器件中的自由層。自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁阻結(jié)構(gòu)或自旋扭矩磁阻隨機存取存儲器(MRAM)可以包括在圖2 中示出的兩端器件200，其包括在MTJ中的自由側(cè)210、隧道勢壘層220和壓定側(cè)230，其中自由側(cè)210包括自由鐵磁層211，壓定側(cè)230包括壓定鐵磁層231和壓定側(cè)反鐵磁層230。 隧道結(jié)包括在自右側(cè)210與壓定側(cè)230之間的隧道勢壘層220。壓定鐵磁層231的磁性力矩的方向由壓定側(cè)反鐵磁層232固定方向(例如朝右指向)。向下傳遞通過隧道結(jié)的電流使得自由鐵磁層211的磁化平行于壓定鐵磁層231的磁化，例如朝右指向(向下是在從圖 2的頂部到底部的豎直方向)。向上傳遞通過隧道結(jié)的電流使得自由鐵磁層211的磁化與壓定鐵磁層231的磁化反平行，例如朝左指向。向上或向下傳遞的通過器件200的較小的電流用于讀取器件200的電阻，該電阻取決于自由鐵磁層211的磁化和壓定鐵磁層231的磁化的相對取向。常規(guī)自旋扭矩MRAM具有若干問題。一個問題是需要減少切換MRAM單元所需的寫入電流。當(dāng)前發(fā)明的原理通過向自由層中并入雙層來解決該問題，該雙層包括鐵磁層和亞鐵磁層。根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的自旋扭矩器件包括自由側(cè)、非磁性間隔層和壓定側(cè)。 自由側(cè)包括至少兩層。壓定側(cè)可以包括單個層或多個層。非磁性間隔層可以包括隧道勢壘層(TMJ器件)或非磁性金屬層(GMR器件)。隧道勢壘層包括電絕緣材料，當(dāng)使用電壓和磁化適當(dāng)?shù)仄盟淼绖輭緦訒r，電子遂穿通過該電絕緣材料。非磁性金屬層包括導(dǎo)電非磁性金屬層。當(dāng)讀取TMR器件或GMR器件之一的狀態(tài)時，輸出信號根據(jù)跨非磁性間隔層的磁阻信號生成。如果非磁性間隔層是隧道勢壘層(TMR器件)，則磁阻信號由遂穿磁阻來導(dǎo)致，或者如果間隔層是金屬層(GMR器件)，則磁阻信號由巨磁阻導(dǎo)致。如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的自旋扭矩結(jié)構(gòu)300包括自由側(cè)310、壓定側(cè)230和隧道勢壘層220。自由側(cè)310包括相對薄的自由雙層，該自由雙層包括鄰接和交換耦合到自由亞鐵磁層312的自由鐵磁層311。自由層310鄰接隧道勢壘層220。具體而言， 自由鐵磁層311鄰接隧道勢壘層220。隧道結(jié)220鄰接壓定側(cè)230。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個備選實施方式的、備選的自旋扭矩結(jié)構(gòu)400。該備選的自旋扭矩結(jié)構(gòu)400類似于自旋扭矩結(jié)構(gòu)300，除了互換了自由鐵磁層和自由亞鐵磁層位置之外。備選的自旋扭矩結(jié)構(gòu)400包括自由側(cè)410、壓定側(cè)230和隧道勢壘層220。自由側(cè) 410包括相對薄的自由雙層，該自由雙層包括鄰接和交換耦合到自由鐵磁層411的自由亞鐵磁層410。自由側(cè)410鄰接隧道勢壘層220。具體而言，自由亞鐵磁層412鄰接隧道勢壘層220。隧道結(jié)220鄰接壓定側(cè)230。隧道勢壘層220可以包括例如氧化鎂(MgO)。在圖3和圖4中所示的實施方式中， 隧道勢壘層220是非磁性間隔層的示例。具有因巨磁阻導(dǎo)致的磁阻信號的其他一些實施方式可以包括非磁性金屬層作為替換隧道勢壘層的非磁性間隔層。包括非磁性金屬層的一些實施方式例如在讀取或?qū)懭肫陂g以與包括隧道勢壘層的實施方式相似的方式來操作，盡管磁阻的基本物理在隧道勢壘層(遂穿磁阻)和非磁性金屬層(巨磁阻)之間不同。非磁性金屬層可以包括例如Cu、Au或Ru。根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的自旋扭矩器件(例如MRAM存儲器或MRAM存儲器單元)包括例如自旋扭矩結(jié)構(gòu)300或備選的自旋扭矩結(jié)構(gòu)400。包括一個或多個MRAM存儲器單元的MRAM還可以包括其他電子器件或結(jié)構(gòu)，諸如包括硅的電子器件、晶體管、場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管、二極管、電阻器、電容器、電感器、另一存儲器器件、互連、模擬電路以及數(shù)字電路。存儲在MRAM存儲器單元內(nèi)的數(shù)據(jù)對應(yīng)于自由鐵磁層和/或自由亞鐵磁層中的磁性力矩的方向。在圖3和圖4的一些實施方式中，壓定側(cè)230包括壓定鐵磁層231和鄰接和交換耦合到壓定鐵磁層231的壓定側(cè)反鐵磁層232。雖然壓定側(cè)230包括圖3和圖4中示出的層，但是本發(fā)明不限于此；本領(lǐng)域中已知壓定側(cè)230的其他一些布置，并且這些其他一些布置可以用于本發(fā)明的其他一些實施方式中。壓定鐵磁層231可以包括例如包括2納米(nm)厚的層、0. 8nm釕(Ru)層和另一 2nm厚的層的反平行(AP)層，該2納米(nm)厚的層包括鈷和鐵的第一合金(Coi^e)，該另一 2nm厚的層包括鈷和鐵(CoFe)的第二合金。備選地，壓定鐵磁層231可以包括單一的壓定層，例如鈷和鐵的合金(CoFe)的3nm厚的層。壓定側(cè)反鐵磁層232很強地交換耦合到壓定鐵磁層231，該壓定鐵磁層231壓定該壓定鐵磁層231。壓定側(cè)反鐵磁層232用于壓定該壓定鐵磁層231到特定對準(zhǔn)。壓定側(cè)反鐵磁層232可以包括例如錳(Mn)合金，諸如包括銥和錳的合金(IrMn)、 包括鉬和錳的合金(PtMn)、包括鐵和錳的合金O^Mn)、或包括鎳和錳的合金(NiMn)。備選地，壓定側(cè)反鐵磁層232可以包括不同的反鐵磁材料。圖5示出了自旋扭矩結(jié)構(gòu)500的寫入操作。自旋扭矩結(jié)構(gòu)500包括具有施加的寫入電流的自旋扭矩結(jié)構(gòu)300。在一種情形下，通過向上的寫入電流510A完成寫入，該電流 510A包括被垂直驅(qū)動通過自旋扭矩結(jié)構(gòu)500的電子流。粗垂直線上的箭頭的方向指向電子流的方向。為了改變自旋扭矩結(jié)構(gòu)500的數(shù)據(jù)狀態(tài)，寫入電流切換自由鐵磁層311的磁性力矩。由于自由亞鐵磁層很強地交換耦合到自由鐵磁層，所以自由亞鐵磁層312的磁性力矩也被切換。如果壓定鐵磁層231的磁性力矩521例如指向左，則在向上的電流510A內(nèi)流動的電子將被向左自旋極化，并且因而在自由鐵磁層311上施加扭矩以將自由鐵磁層311的磁性力矩522A切換向左。相應(yīng)地，自由亞鐵磁層312的磁性力矩523A將被切換向右。如果數(shù)據(jù)狀態(tài)已對應(yīng)于否則將由向上的寫入電流510A引起的數(shù)據(jù)狀態(tài)，則自由鐵磁層311的磁性力矩522A和自由亞鐵磁層312的磁性力矩523A已被相應(yīng)地設(shè)置為左和右，并且將不會被向上的寫入電流510A切換。反之，如果電子流如向下的寫入電流510B那樣在相反方向(向下)，則當(dāng)改變數(shù)據(jù)狀態(tài)時，電子將被自旋極化為向右，并且自由鐵磁層311的磁性力矩522B將被切換向右。因此，自由亞鐵磁層312的磁性力矩52 將被切換向左。如果數(shù)據(jù)狀態(tài)已對應(yīng)于否則將由向下的寫入電流510B引起的數(shù)據(jù)狀態(tài)，則自由鐵磁層311的磁性力矩522B和自由亞鐵磁層312的磁性力矩52 已被相應(yīng)地設(shè)置為向右和向左，并且將不被向下的寫入電流510B 切換。壓定鐵磁層231的磁性力矩521的方向例如在所施加的磁場中使用高溫退火來設(shè)置。考慮讀取自旋扭矩結(jié)構(gòu)300。在一個實施方式中，施加少于寫入電流的讀取電流以讀取隧道勢壘層220的電阻。跨自旋扭矩結(jié)構(gòu)300施加讀取電流以從頂部到底部或從底部到頂部流過自旋扭矩結(jié)構(gòu)300。隧道勢壘層220的電阻依賴于自由鐵磁層311的相對磁性取向(磁性力矩的方向)。如果磁性取向為平行，則隧道勢壘層220的電阻相對低。如果磁性取向為反平行，則隧道勢壘層220的磁阻相對高。如前所述，隧道勢壘層220的電阻由遂穿磁阻所致，并且可以取代自旋勢壘層220而用作非磁性間隔層的非磁性金屬層的電阻由巨磁阻所致。跨自旋扭矩結(jié)構(gòu)300測量對應(yīng)于施加的讀取電流的電壓允許根據(jù)歐姆定律計算跨自旋扭矩結(jié)構(gòu)300的電阻。由于隧道勢壘層220的電阻支配自旋扭矩結(jié)構(gòu)300內(nèi)的層的串聯(lián)電阻，所以通過測量自旋扭矩結(jié)構(gòu)300在一定精確度的程度上獲得了隧道勢壘層220的電阻。在一個備選的讀取方法中，跨自旋扭矩結(jié)構(gòu)300施加讀取電壓并且測量根據(jù)其計算自旋扭矩結(jié)構(gòu)300的電阻的電流。備選的自旋扭矩結(jié)構(gòu)400的讀取操作和寫入操作類似于上面針對自旋扭矩結(jié)構(gòu) 300描述的讀取操作和寫入操作，除了在備選的自旋扭矩結(jié)構(gòu)400中，亞鐵磁層412取代自旋扭矩結(jié)構(gòu)300中的鐵磁層311工作。在改變數(shù)據(jù)狀態(tài)中，亞鐵磁層412直接被在寫入電流中流動的電子所影響。寫入電流內(nèi)的電子將在自由亞鐵磁層412上施加力矩以切換自由亞鐵磁層412的磁性力矩。自由鐵磁層411的磁性力矩將因很強地交換耦合到自由亞鐵磁層412而切換。在讀取中，隧道勢壘層的磁阻將由自由亞鐵磁層412和鄰接隧道勢壘層的壓定側(cè)層(例如壓定亞鐵磁層)的相對取向確定。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的、用于形成自旋扭矩結(jié)構(gòu)的方法600。例如，自旋扭矩結(jié)構(gòu)包括自旋扭矩結(jié)構(gòu)300、備選的自旋扭矩結(jié)構(gòu)400或MRAM存儲器單元。方法600的步驟可以以與所示不同的順序出現(xiàn)。第一步驟610包括形成壓定側(cè)反鐵磁層，例如壓定側(cè)反鐵磁層232。第二步驟620包括形成壓定鐵磁層，例如壓定鐵磁層231。壓定側(cè)反鐵磁層交換耦合到壓定鐵磁層且其鄰接。第三步驟630包括形成隧道勢壘層。例如，隧道勢壘層包括隧道勢壘層220。隧道勢壘層鄰接壓定鐵磁層。第四步驟640包括形成自由鐵磁層，例如自由鐵磁層311。自由鐵磁層鄰接隧道勢壘層。第五步驟650包括形成自由亞鐵磁層，例如自由亞鐵磁層312。自由亞鐵磁層交換耦合到自由鐵磁層并與其鄰接。根據(jù)備選的方法，第三步驟630包括形成非磁性金屬層而不是隧道勢壘層，其中壓定鐵磁層和自由鐵磁層鄰接非磁性金屬層。根據(jù)另一備選方法，這些層被形成為使得自由亞鐵磁層鄰接隧道勢壘層，而不是自由鐵磁層鄰接隧道勢壘層。根據(jù)又一備選方法，第一步驟(610)和第二步驟(620)由形成壓定側(cè)的備選步驟替換，該壓定側(cè)可以包括與壓定側(cè)反鐵磁層232和壓定鐵磁層231的組合不同的一個或多個層。圖7是描繪了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的、示例性經(jīng)封裝的集成電路700的截面視圖。經(jīng)封裝的集成電路700包括引線框702、附著到引線框的裸片704以及塑料包封模 708。盡管圖7僅示出了一種類型的集成電路封裝，但是本發(fā)明不限于此；本發(fā)明的一些實施方式可以包括包在任何封裝類型中的集成電路裸片。裸片704包括在此根據(jù)本發(fā)明一些實施方式描述的結(jié)構(gòu)并且可以包括其他結(jié)構(gòu)或電路。例如，裸片704包括根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的至少一個自旋扭矩結(jié)構(gòu)或MRAM， 例如自旋扭矩結(jié)構(gòu)300、400和500或根據(jù)本發(fā)明的方法(例如圖6的方法)形成的一些實施方式。例如，其他結(jié)構(gòu)或電路可以包括包括硅的電子器件，、晶體管、場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管、二極管、電阻器、電容器、電感器、另一存儲器器件、互連、模擬電路以及數(shù)字電路。自旋扭矩結(jié)構(gòu)或MRAM可以在半導(dǎo)體襯底上或內(nèi)形成，裸片還包括襯底。根據(jù)本發(fā)明的集成電路可以在應(yīng)用、硬件和/或電子系統(tǒng)中運用。用于實施本發(fā)明的合適的硬件和系統(tǒng)可以包括但不限于個人計算機、通信網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)系統(tǒng)、便攜式通信設(shè)備(例如蜂窩手機)、固態(tài)介質(zhì)存儲設(shè)備、功能電路等。并入了這種集成電路的系統(tǒng)和硬件被認為是本發(fā)明的一部分?？紤]到在此提供的本發(fā)明的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠構(gòu)思本發(fā)明的技術(shù)的其他實現(xiàn)方式和應(yīng)用。雖然在此參考所附附圖描述了本發(fā)明的示例性實施方式，但是可以理解本發(fā)明并不限于這些精確的實施方式，而是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不偏離所附權(quán)利要求書的情形下對此做出各種其他變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種磁阻結(jié)構(gòu)，包括鐵磁層；亞鐵磁層，其耦合到所述鐵磁層，其中所述磁阻結(jié)構(gòu)的自由側(cè)包括所述鐵磁層和所述亞鐵磁層；壓定層；以及非磁性間隔層，其至少部分地位于所述自由側(cè)和所述壓定層之間；其中所述鐵磁層的飽和磁化與所述亞鐵磁層的飽和磁化相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述自由鐵磁層的飽和磁化基本上與所述自由的亞鐵磁層的飽和磁化相抵消。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述亞鐵磁層包括第一材料和第二材料，其中第一材料子晶格的磁性力矩與第二材料子晶格的磁性力矩反平行地對準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述鐵磁層的磁性力矩平行交換耦合到所述第一材料的磁性力矩。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述第一材料包括鈷(Co)，并且所述第二材料包括鎘(Gd)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中Co和Gd的組合(CoGd)的組分是約60%的 Co和約40%的Gd(60Co40Gd)，并且其中Gd的磁性力矩支配CoGd的磁性力矩。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述鐵磁層包括以下項中至少之一(i)鐵 (Fe)和(ii)鈷(Co)、鐵(Fe)和硼(B)的組合(CoFeB)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述自由側(cè)包括以下項中至少之一(i)包括鐵(Fe)的鐵磁層和包括鈷(Co)和鎘(Gd)的亞鐵磁層(Fe I CoGd)，以及(ii)包括鈷(Co)、 鐵(Fe)和硼(B)的鐵磁層(CoFeB)和包括鈷(Co)和鎘(Gd)的亞鐵磁層(CoFeB | CoGd)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述自由側(cè)包括近似7人厚的CoFeB層和近似90A厚的 CoGd 層(7A CoFeB|90A CoGd )。
10.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中在居里溫度以下的溫度時，在所述亞鐵磁層內(nèi)，在不同子晶格上的原子的磁性力矩相反，所述相反的磁性力矩并不相等，并且自發(fā)磁化得以保留。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述壓定層包括壓定鐵磁層和交換耦合到所述壓定鐵磁層的反鐵磁層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述非鐵磁間隔層包括以下項至少之一 ⑴隧道勢壘層；(ii)包括氧化鎂(MgO)的隧道勢壘層；以及(iii)非磁性金屬層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中以下項的至少之一(i)所述隧道勢壘層適于提供隧道磁阻；(ii)包括氧化鎂的所述隧道勢壘層適于提供隧道磁阻，以及(iii)所述非磁性金屬層適于提供巨磁阻。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中所述鐵磁層和所述亞鐵磁層中的至少之一與所述隧道結(jié)層相鄰。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其中平面內(nèi)各向異性場(Hk)大于1000奧斯特。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻結(jié)構(gòu)，其適于通過寫入電流切換所述自由鐵磁層和所述自由亞鐵磁層中的至少之一的磁性力矩。
17.—種磁阻存儲器器件，包括 鐵磁層；亞鐵磁層，其耦合到所述鐵磁層，其中所述磁阻結(jié)構(gòu)的自由側(cè)包括所述鐵磁層和所述亞鐵磁層；壓定層；以及非磁性間隔層，其至少部分地位于所述自由側(cè)和所述壓定層之間；其中所述鐵磁層的飽和磁化與所述亞鐵磁層的飽和磁化相反；以及其中所述磁阻存儲器器件存儲對應(yīng)于磁性力矩的至少兩個方向的至少兩種數(shù)據(jù)狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的磁阻存儲器器件，其中所述非磁性間隔層包括以下項中至少之一 (i)隧道勢壘層，其適于提供隧道磁阻；(ii)隧道勢壘層，其包括氧化鎂(MgO)并且適于提供隧道磁阻；以及(iii)非磁性金屬層，其適于提供巨磁阻。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的磁阻存儲器器件，其中存儲在存儲器單元中的數(shù)據(jù)對應(yīng)于所述自由鐵磁層和所述自由亞鐵磁層的至少之一中的磁性力矩的方向。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的磁阻存儲器器件，其中所述亞鐵磁層包括第一材料和第二材料，所述第一材料包括鈷(Co)，并且所述第二材料包括鎘(Gd)。
21.一種集成電路，包括 鐵磁層；亞鐵磁層，其耦合到所述鐵磁層，其中所述磁阻結(jié)構(gòu)的自由側(cè)包括所述鐵磁層和所述亞鐵磁層； 壓定層；非磁性間隔層，其至少部分地位于所述自由側(cè)和所述壓定層之間；以及襯底，在所述襯底上形成有所述壓定層、所述非磁性間隔層、所述鐵磁層和所述亞鐵磁層；其中所述鐵磁層的飽和磁化與所述亞鐵磁層的飽和磁化相反。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的集成電路，其中所述非磁性間隔層包括以下項中至少之一 (i)隧道勢壘層，其適于提供隧道磁阻；(ii)隧道勢壘層，其包括氧化鎂(MgO)并且適于提供隧道磁阻；以及(iii)非磁性金屬層，其適于提供巨磁阻。
23.一種用于形成磁阻結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括如下步驟 形成鐵磁層；形成亞鐵磁層，所述亞鐵磁層耦合到所述鐵磁層，其中所述磁阻結(jié)構(gòu)的自由側(cè)包括所述鐵磁層和所述亞鐵磁層； 形成壓定層；以及形成非磁性間隔層，所述非磁性間隔層至少部分地位于所述自由側(cè)和所述壓定層之間；其中所述鐵磁層的飽和磁化與所述亞鐵磁層的飽和磁化相反。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述非磁性間隔層包括以下項中至少之一(i) 隧道勢壘層，其適于提供隧道磁阻；(ii)隧道勢壘層，其包括氧化鎂(MgO)并且適于提供隧道磁阻；以及(iii)非磁性金屬層，其適于提供巨磁阻。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述亞鐵磁層包括第一材料和第二材料，所述第一材料包括鈷(Co)，并且所述第二材料包括鎘(Gd)。
全文摘要
給出了磁阻結(jié)構(gòu)、設(shè)備、存儲器及用于形成它們的方法。例如，磁阻結(jié)構(gòu)包括鐵磁層、耦合到該鐵磁層的亞鐵磁層、壓定層和非磁性間隔層。該磁阻結(jié)構(gòu)的自由側(cè)包括鐵磁層和亞鐵磁層。非磁性間隔層至少部分地位于自由側(cè)和壓定層之間。鐵磁層的飽和磁化與亞鐵磁層的飽和磁化相反。非磁性間隔層可以包括隧道勢壘層(諸如由氧化鎂(MgO)構(gòu)成的隧道勢壘層)或非磁性金屬層。
文檔編號G11C11/00GK102428518SQ201080021467
公開日2012年4月25日 申請日期2010年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者D·C·沃萊吉, D·W·阿布拉哈姆, J·Z·孫, 胡國菡 申請人:國際商業(yè)機器公司