高穩(wěn)定性電子自旋存儲器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例涉及半導(dǎo)體器件的領(lǐng)域，并且具體而言，涉及高度穩(wěn)定的電子自旋存儲器。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如自旋移矩存儲器(STTM)等的一些磁存儲器利用磁隧道結(jié)(MTJ)來切換并檢測存儲器的磁性狀態(tài)。圖1包括自旋移矩隨機(jī)存取存儲器(STTRAM)，其為STTM的一種形式。圖1包括由鐵磁(FM)層125、127和隧穿勢皇126 (例如，氧化鎂(MgO))構(gòu)成的MTJ。MTJ將位線(BL) 105耦合至選擇開關(guān)120 (例如，晶體管)、字線(WL) 110、和感測線(SL) 115。通過對FM層125、127的不同的相對磁化的電阻(例如，隧穿磁電阻(TMR))的變化進(jìn)行評估來“讀取”存儲器100。
[0003]更具體地，MTJ電阻由層125、127的相對磁化方向來確定。當(dāng)兩層之間的磁化方向?yàn)榉聪蚱叫袝r(shí)，MTJ處于高電阻狀態(tài)。當(dāng)兩層之間的磁化方向?yàn)槠叫袝r(shí)，MTJ處于低電阻狀態(tài)。層127為“參考層”或“固定層”，因?yàn)槠浯呕较蚴枪潭ǖ?。?25為“自由層”，因?yàn)槠浯呕较蚴墙?jīng)由通過由參考層極化的驅(qū)動(dòng)電流來改變的(例如，施加到層127的正電壓使層125的磁化方向旋轉(zhuǎn)至與層127相反的方向，并且施加到層127的負(fù)電壓使層125的磁化方向旋轉(zhuǎn)至與層127相同的方向)。
【附圖說明】
[0004]根據(jù)所附權(quán)利要求、一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例的以下【具體實(shí)施方式】、以及相對應(yīng)的附圖，本發(fā)明的實(shí)施例的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，附圖中:
[0005]圖1描繪了常規(guī)磁存儲器單元。
[0006]圖2-3描繪了常規(guī)MTJ。
[0007]圖4包括本發(fā)明的實(shí)施例中的MTJ部分。
[0008]圖5說明了本發(fā)明的實(shí)施例的穩(wěn)定性如何增長。
[0009]圖6包括本發(fā)明的實(shí)施例中的MTJ部分。
[0010]圖7包括本發(fā)明的實(shí)施例中的具有多層堆疊體的MTJ。
[0011]圖8包括本發(fā)明的實(shí)施例中的存儲器單元。
[0012]圖9描繪了用于本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)。
[0013]圖10描繪了本發(fā)明的實(shí)施例中的形成存儲器的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0014]現(xiàn)在將參照附圖，其中類似的結(jié)構(gòu)可以設(shè)有類似的后綴附圖標(biāo)記。為了更清楚的示出各實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，本文中所包括的附圖是集成電路結(jié)構(gòu)的圖示表示。因此，所制造的集成電路結(jié)構(gòu)的實(shí)際外觀(例如在顯微照片中)可以看起來不同，然而仍然包含了所示出的實(shí)施例的所要求保護(hù)的結(jié)構(gòu)。此外，附圖可以僅示出對理解所示出的實(shí)施例有用的結(jié)構(gòu)。可能不包括本領(lǐng)域已知的附加結(jié)構(gòu)，以保持附圖的清楚性?！皩?shí)施例”、“各種實(shí)施例”等指示所描述的(多個(gè))實(shí)施例可以包括特定特征、結(jié)構(gòu)或特性，但是并非每個(gè)實(shí)施例都必需包括特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。一些實(shí)施例可以具有針對其它實(shí)施例所描述的特征中的一些或全部或者無此特征?！暗谝弧薄ⅰ暗诙?、“第三”等描述共同的對象并且指示相似對象的不同實(shí)例被提及。這種形容詞不暗示所描述的對象必須采用時(shí)間上、空間上的給定順序、排名或任何其它方式?！斑B接”可以指示元件彼此直接物理或電接觸，并且“耦合”可以指示元件彼此協(xié)作或相互作用，但是它們可以或可以不直接物理或電接觸。同樣，雖然相似或相同的數(shù)字可以用于表示不同圖片中的相同或相似的部分，但是這樣做并不表示包括相似或相同數(shù)字的所有圖片組成單個(gè)或相同實(shí)施例。
[0015]上述STTRAM僅為“超CMOS”技術(shù)(或“非基于CMOS的”技術(shù))的一個(gè)示例，所述示例涉及并非全部用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)來實(shí)施的器件和工藝。超CMOS技術(shù)可以依靠自旋極化(其與基本粒子的自旋或本征角動(dòng)量與給定方向?qū)R的程度有關(guān))，并且更普遍地可以依靠自旋(與電子的本征自旋、其相關(guān)聯(lián)的磁矩、以及電子的基本電荷有關(guān)的電子的分支)。電子自旋器件可以與TMR有關(guān)，TMR使用穿過薄絕緣體的電子的量子力學(xué)穿隧效應(yīng)來使鐵磁層分開，并且電子自旋器件還可以與STT有關(guān)，其中自旋極化電子的電流可以用于控制鐵磁電極的磁化方向。
[0016]例如，超CMOS器件包括在存儲器(例如，3端子STTRAM)中實(shí)施的電子自旋器件、自旋邏輯器件(例如，邏輯門)、隧道場效應(yīng)晶體管(TFET)、碰撞電離MOSaMOS)器件、納米機(jī)電開關(guān)(NEMS)、負(fù)共柵極FET、共振隧穿二極管(RTD)、單電子晶體管(SET)、自旋FET、納米磁體邏輯單元(NML)、疇壁邏輯單元、疇壁存儲器等等。
[0017]尤其是對于STTM，STTM的一種形式包括垂直STTM(pSTTM)。其中，傳統(tǒng)的MTJ或非垂直的MTJ產(chǎn)生“平面內(nèi)”磁化(利用其來設(shè)定“高”和“低”存儲器狀態(tài))，垂直MTJ (pMTJ)產(chǎn)生“平面外”磁化。這減小了在高、低存儲器狀態(tài)之間進(jìn)行切換所需的切換電流。這還允許更佳的縮放(例如，較小尺寸的存儲器單元)。例如，通過使自由層變薄來將傳統(tǒng)的MTJ轉(zhuǎn)換為PMTJ，由此使隧道勢皇/自由層界面在磁場影響中更占優(yōu)勢(并且所述界面促進(jìn)了各向異性的平面外磁化)。在圖2中(以及本文中包括的其它圖)，界面用粗虛線和&來突出顯示，圖2解決了界面處的各向異性能量。圖2包括這種系統(tǒng)，其具有與MgO隧道勢皇226通過界面來連接的CoFeB自由層225，Mg0隧道勢皇226還耦合至CoFeB固定層227和鉭(Ta)接觸部214(其可以耦合至選擇開關(guān)，例如圖1的晶體管120)、216(其可以通過一個(gè)或多個(gè)通孔而耦合至位線，例如圖1的位線105)。
[0018]圖3描繪了 MTJ，其中，第二氧化的MgO界面320接觸CoFeB自由層325 (其進(jìn)一步耦合至形成在CoFeB固定層327上的隧道勢皇MgO 326)。這樣做可以增加存儲器的穩(wěn)定性，存儲器的穩(wěn)定性是諸如圖2的器件等的器件的問題。因此，圖3在兩個(gè)自由層界面(即，層320、326)處都包括MgO。然而，在CoFeB自由層325的頂部上引入MgO層320大幅增加了總電阻(與圖2中的僅具有一個(gè)氧化物層與自由層的界面相比)，由于電阻-面積(RA)乘積和TMR惡化，這使設(shè)計(jì)對于縮放的器件(例如，22nm)而言是不切實(shí)際的。換言之，如果MgO層326對常規(guī)MTJ中的電阻和電壓下降負(fù)主要責(zé)任，那么與層326串聯(lián)地添加另一個(gè)MgO層增加了 RA乘積，由此抬尚與入電壓、減小電池壽命等等。
[0019]RA乘積指的是與電阻率不同的測量值。電阻率以ohn-cm為單位，而RA乘積=p TMg0/A*A TMg。，以ohn-ym2為單位(p表示材料電阻率，A表示點(diǎn)面積，并且TMg。表示MgO厚度)。盡管電阻率表示“固有電阻”并且與材料層的厚度無關(guān)，但是RA乘積與材料的厚度成正比。(關(guān)于“厚度”，本文中出于討論的目的，層320 “水平”設(shè)置并且具有垂直取向的厚度。層320的長度和寬度為“平面內(nèi)”，并且高度或厚度為“平面外”。)
[0020]因此，回到圖3，較高的RA乘積增大了 STTM電阻。盡管這并不一定增大了寫入電流，但是較高的RA乘積確實(shí)增大了寫入電壓(寫入電壓=Jc*RA乘積)(Jc指的是用于寫入位的臨界切換電流密度)。而且，較大的STTM電阻使由選擇晶體管(例如，圖1的M0S晶體管120)提供的電流下降，因?yàn)闁艠O-源極電壓由于STTM電阻兩端的較大的IR下降而較小。
[0021]然而，圖4與圖3不同，并且圖4包括本發(fā)明實(shí)施例中的MTJ部分，所述MTJ部分具有包括氧化鉭(TaO)界面420的氧化層。這增大了器件的穩(wěn)定性而并未使RA乘積增大太多。層420接觸Co2QFe6QB2。自由層425，自由層425進(jìn)一步耦合至MgO層426、襯底(層414)、以及未必示出的其它層。(圖4中的堆疊體用于生成圖5的EHE數(shù)據(jù)，這將在下文中討論。堆疊體中不包括固定層以更好地關(guān)注在自由層上添加第二氧化物的EHE效應(yīng)。固定層的存在不會有助于生成圖5的數(shù)據(jù)。)“第二氧化物膜”420 (即，除構(gòu)成“第一氧化物膜”的隧道勢皇之外的第二氧化物膜)增強(qiáng)了自由層425的熱穩(wěn)定性(強(qiáng)度)，由此降低了有故障的高/低或低/高存儲器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的可能性。CoFeB自由膜425還可以包括氧化物層420的插入，自由膜425可能已經(jīng)被減薄以進(jìn)一步提升pSTTM的各向異性磁性質(zhì)。
[0022]例如，層425主要位于水平面中，并且自由層425具有小于2nm的與平面正交(垂直維度)的厚度，而氧化物層426具有小于3nm的厚度(并且大于自由層425的厚度)。在實(shí)施例中，層426可以包括約lnm的厚度，具有約10ohm_ μ m2的RA乘積。在其它實(shí)施例中，層426的厚度可以更厚或更薄(并且因此RA乘積也可以在lOohm-μπι2左右變化)。一些實(shí)施例可以包括2-3nm厚的層426。自由層425的厚度可以在l_2nm左右，但是其它實(shí)施例并不限于此。層420可以相應(yīng)地變化以獲得遠(yuǎn)小于層426的RA乘積的RA乘積(例如，因此串聯(lián)電阻增加是可以忽略的或很小)。例如，對于層426 (例如，MgO)，實(shí)施例可以包括lOo