专利名称：磁阻存储器器件和集成电路以及形成自旋扭矩结构的方法
技术领域：
本发明一般涉及磁阻结构、自旋电子器件、存储器和集成电路。更具体而言，本 发明涉及自旋扭矩(spin-torque)磁阻结构和包括基于自旋扭矩的磁阻随机存取存储器 (MRAM)的器件。
背景技术：
磁阻随机存取存储器(MRAM)使磁部件与标准硅基微电子器件组合来实现非易失 性存储器。例如，硅基微电子器件包括诸如晶体管、二极管、电阻器、互连、电容器或电感器 的电子器件。晶体管包括场效应晶体管和双极晶体管。MRAM存储器基元包括存储在对应于 两个数据状态(“1”和“0”)的两个方向之间切换的磁矩的磁阻结构。在MRAM基元中，按 照自由磁性层的磁化方向来存储信息。在常规自旋转移(spin-transfer)MRAM存储器基元 中，通过迫使写入电流直接流过构成MRAM基元的材料层的叠层，将数据状态编程为“ 1”或 “0”。一般地说，通过流过一个层而被自旋极化的写入电流对随后的自由磁性层施加自旋扭 矩。根据写入电流的极性，该扭矩使自由磁性层的磁化在两个稳定状态之间切换。
发明内容
本发明的原理提供了，例如，与自由铁磁性层交换耦合且邻近该自由铁磁性层 的自由反铁磁性层。本发明的原理还提供子结构，该子结构包括自由反铁磁性层、钉扎 (pinned)反铁磁性层以及位于所述自由反铁磁性层与所述钉扎反铁磁性层之间的巨磁阻 非磁性间隔物(spacer)层。所述子结构适于提供用于切换所述自由铁磁性层的磁极化的 大部分自方射丑矩(amajority of spin-torque)。例如，根据本发明的一个方面，提供了一种磁阻结构。所述磁阻结构包括第一铁 磁性层；第一非磁性间隔物层，其邻近所述第一铁磁性层；第二铁磁性层，其邻近所述第一 非磁性间隔物层；以及第一反铁磁性层，其邻近所述第二铁磁性层。例如，所述第一铁磁性 层可包括第一钉扎铁磁性层，所述第二铁磁性层包括自由铁磁性层，并且所述第一反铁磁 性层可包括自由反铁磁性层。根据本发明的另一方面，提供了一种磁阻存储器器件。所述磁阻存储器器件包括 第一铁磁性层；第一非磁性间隔物层，其邻近所述第一铁磁性层；第二铁磁性层，其邻近所 述第一非磁性间隔物层；以及第一反铁磁性层，其邻近所述第二铁磁性层。例如，所述第一 铁磁性层可包括第一钉扎铁磁性层，所述第二铁磁性层可包括自由铁磁性层，并且所述第 一反铁磁性层可包括自由反铁磁性层。所述磁阻存储器器件存储与磁矩的至少两个方向对 应的至少两个数据状态。根据本发明的另一方面，提供了一种集成电路。所述集成电路包括衬底；第一铁 磁性层；第一非磁性间隔物层，其邻近所述第一铁磁性层；第二铁磁性层，其邻近所述第一 非磁性间隔物层；以及第一反铁磁性层，其邻近所述第二铁磁性层。例如，所述第一铁磁性 层可包括第一钉扎铁磁性层，所述第二铁磁性层可包括自由铁磁性层，并且所述第一反铁磁性层可包括自由反铁磁性层。根据本发明的又一方面，提供了一种形成自旋扭矩器件的方法，所述方法包括形 成第一铁磁性层；形成第一非磁性间隔物层，所述第一非磁性间隔物层邻近所述第一铁磁 性层；形成第二铁磁性层，所述第二铁磁性层邻近所述第一非磁性间隔物层且包括自由铁 磁性层；以及形成第一反铁磁性层，所述第一反铁磁性层邻近所述第二铁磁性层。所述第一 反铁磁性层包括自由反铁磁性层。本发明的结构、器件、存储器以及方法适于使用比常规自旋扭矩转移磁阻器件所 需的写入电流小的写入电流来改变自由铁磁性层的磁矩的方向。磁阻存储器可以为包括本 发明的自旋扭矩转移磁阻器件的实施例的磁阻随机存取存储器(MRAM)。该MRAM适于使用 远小于常规自旋扭矩MRAM所需的写入电流的写入电流来写入数据。本发明的各方面在提 供热稳定性的同时在自旋扭矩切换的纳米结构中提供较低的切换电流。通过以下对本发明的示例性实施例的详细描述并结合附图来阅读，本发明的这些 和其他特征、目的以及优点将变得显而易见。
图1示例了常规自旋扭矩磁阻结构；图2示例了根据本发明的实施例的自旋扭矩结构；图3示例了根据本发明的实施例对自旋扭矩结构的写入；图4示例了根据本发明的实施例的形成自旋扭矩结构的方法；以及图5为示出了根据本发明的实施例的示例性封装的集成电路的截面图。
具体实施例方式这里将根据示例性的自旋扭矩切换器件及其使用方法描述本发明的原理。然而， 应该理解，本发明的技术并不局限于在这里所示出和描述的方法。相反，本发明的实施例旨 在用于减小自旋扭矩切换器件的切换电流的技术。虽然可以使用下述材料制造本发明的实 施例，但是还可以使用其他材料制造备选实施例。附图未按比例绘制。附图所示出的各种 层的厚度未必指示本发明的实施例的层的厚度。为了清楚起见，在附图中未示出本领域公 知的一些常用层，其包括但不限于，保护性帽层、籽晶层以及下伏的衬底。该衬底可以为常 规的半导体衬底，例如硅，或任何其他适宜的结构。这里使用的术语邻近或邻近于的意义包括但不限于邻接、接触以及操作地接触。 特别地，对于磁耦合，“邻近”或“邻近于”包括但不限于操作地磁耦合。这里使用的术语邻 接或邻接的所具有的意义包括但不限于邻近于。铁磁材料呈现原子磁矩的平行对准，这即使在没有磁场的情况下也会导致相对大 的净磁化。平行对准效应仅仅发生在低于特定的临界温度(称为居里温度)的温度下。铁磁材料中的原子磁矩呈现出由电子交换力产生的非常强的相互作用并导致原 子磁矩的平行对准。交换力可以非常大，例如，等价于1000特斯拉的数量级的场。交换力 为由两个电子的自旋的相对取向导致的量子力学现象。元素Fe、Ni以及Co及其一些合金 为典型的铁磁材料。铁磁材料的两个独特的特性为其自发磁化和存在磁有序温度(即，居 里温度)。即使铁磁体中的电子交换力非常大，热能最终也会克服该交换并产生随机化效
6应。这发生在被称为居里温度(T。)的特定温度下。低于居里温度时，铁磁体是有序的，而 高于居里温度时，铁磁体是无序的。在居里温度下，饱和磁化变为零。反铁磁材料为这样的材料，该材料具有通常与电子的自旋有关的、以规则图形与 相邻的自旋对准的、在不同的子晶格上的、指向相反的方向的原子或分子的磁矩。通常，反 铁磁序存在于足够低的温度下，在特定温度(奈耳温度(N6el temperature))和高于该温 度时消失。低于奈耳温度时，反铁磁体是有序的，而高于奈耳温度时，反铁磁体是无序的。当 没有施加外部磁场时，反铁磁材料对应于消失的总磁化。例如，通过使得铁磁体的表面原子与反铁磁体的表面原子对准的被称为交换各向 异性的机制(例如，其中，当在反铁磁体上生长铁磁性膜时或在随后的退火期间，施加对准 磁场)，反铁磁体可以耦合到铁磁体。这提供了钉扎铁磁性膜的取向的能力。这样的温度被 称为反铁磁性层的阻挡温度(blocking temperature)且通常低于奈耳温度，当等于或高于 该温度时，反铁磁性层失去其钉扎邻近的铁磁性层的磁化方向的能力。巨磁阻(GMR)为在特定结构中观察到的量子力学磁阻效应，例如，所述特定结构 包括两个铁磁性层，且在这两个铁磁性层之间具有非磁性间隔物层。磁阻效应表现为，当两 个磁性层的磁化平行时，由于相对小的磁散射，该结构的电阻显著较低。例如，通过将该结 构放置在外部磁场内，可以使两个磁性层的磁化平行。巨磁阻效应还表现为，当两个磁性层 的磁化反平行时，由于相对高的磁散射，该结构的电阻显著较高。巨磁阻间隔物层为在两个 铁磁性层之间的非磁性间隔物层，其中包括这些层的结构显示出GMR效应。隧道磁阻(TMR)为发生在磁隧道结(MTJ)中的磁阻效应。MTJ为由通过薄绝缘体 分隔的两个磁体构成的部件。如果绝缘层足够薄(典型地，几纳米)，则电子可以从一个磁 体隧穿到另一个磁体中。因为在经典物理学中该过程是禁止的，因为TMR是严格量子力学 现象。这里使用的术语非磁性金属表示包括非铁磁性和非反铁磁性的非磁性的金属。磁各向异性为与材料的磁特性的方向相关性。磁各向/同性材料在零磁场中不具 有对材料磁矩的择优方向，而磁各向异性材料将倾向于使其磁矩对准易轴。存在不同的磁 各向异性源，例如磁晶各向异性，其中晶体的原子结构引入磁化的择优方向；形状各向异 性，当颗粒不是完美球形时，退磁场不是对所有方向相同，产生一个或多个易轴；应力各向 异性，其中张力会改变磁特性，导致磁各向异性；以及在反铁磁材料和铁磁材料相互作用时 发生的交换各向异性。各向异性场(Hk)可以被定义为能够从易轴切换材料的磁化的最弱 的磁场。常规的自旋扭矩转移磁阻结构或自旋扭矩磁阻随机存取存储器(MRAM)可包括图 1示出的二端器件100，其在磁隧道结叠层中包括自由侧110，其包括自由铁磁性层(FM 层)111 ；隧道势垒层120 ；以及钉扎侧130，其包括钉扎FM层131和钉扎侧反铁磁性层(AFM 层)132。隧道结包括在自由侧110与钉扎侧130之间的隧道势垒层120。钉扎FM层131 的磁矩的方向被钉扎侧AFM层132固定到一方向(例如，指向右侧)。向下流过隧道结的电 流使自由FM层111的磁化平行于钉扎FM层131的磁化，例如，指向右侧。向上流过隧道结 的电流使自由FM层111的磁化反平行于钉扎FM层131的磁化，例如，指向左侧。向上或向 下流过器件100的较小的电流用于读取器件100的电阻，该电阻依赖于自由FM层111与钉 扎FM层121的磁化的相对取向。
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在常规自旋扭矩转移磁阻结构或常规自旋扭矩磁阻MRAM中，可以实现自由磁性 层为铁磁体或铁氧磁体而不是反铁磁体；以及可以使用反铁磁性层但却作为钉扎层的部分 而不是自由层的部分。钉扎层使其磁化固定到一方向且不能切换。常规自旋扭矩MRAM具有几个问题。一个问题为需要减小切换MRAN基元所需的写 入电流。本发明通过在自由层中并入反铁磁性层而解决该问题。在包括三个层的自旋扭矩反铁磁结构中可以实现相对小的切换(写入)电流。第 一层为第一反铁磁体。第二层为非磁性金属。第三层为第二反铁磁体。非磁性金属位于第 一与第二反铁磁体之间。例如，第一和第二反铁磁体包括铬(Cr)，非磁性金属包括金(Au)。 该反铁磁结构可以具有比铁磁结构中的临界切换电流小一百倍的临界切换电流，其中该铁 磁结构具有替代第一和第二反铁磁体的铁磁体。临界切换电流的减小是因为与铁磁体相 比，反铁磁体中的退磁场减小。然而，该反铁磁结构不能用作MRAM，因为没有感测(读取) 该结构的磁化状态的已知方法。本发明的一个方面为一种新型自旋扭矩器件，其包括反铁 磁结构和该反铁磁结构的低切换电流，但却可以用作MRAM电路中的存储器基元。诸如隧道磁阻器件的自旋扭矩器件包括自由侧、非磁性间隔物层以及钉扎侧。自 由侧可包括单层或多层；同样地，钉扎侧可包括单层或多层。非磁性间隔物层包括隧道势垒 层或金属层。隧道势垒层包括电绝缘材料，当用电压适当地偏置隧道势垒层时，电路可以隧 穿该电绝缘材料。金属层包括导电非磁性金属层。当读取隧道磁阻器件的状态时，从跨过 非磁性间隔物层的磁阻信号产生输出信号。如果非磁性间隔物为隧道势垒层，则该磁阻信 号归因于隧穿磁阻，或者，如果该间隔物为金属层，则该磁阻信号归因于巨磁阻。如图2所示，根据本发明的实施例，自旋扭矩结构200包括自由侧210、底钉扎侧 230、顶钉扎端250、GMR间隔物层213以及非磁性间隔物层220。自由侧210包括与自由AFM 层214邻接且强交换耦合的相对薄的自由FM层215。自由FM层215邻接非磁性间隔物层 220，允许用于读出的与磁阻或巨磁阻相关的相对大和相对小的电阻。非磁性间隔物层220 与自由FM层215之间的界面仅仅产生相对小量的自选扭矩以有助于切换或写入自旋扭矩 结构200。GMR间隔物层213邻接自由AFM层214和顶钉扎AFM层212，顶钉扎AFM层212 与顶钉扎FM层211邻接且交换耦合。顶钉扎端250包括顶钉扎AFM层212和顶钉扎FM层 211。诸如MRAM基元的自旋扭矩器件包括例如自旋扭矩结构200。包括一个或多个MRAM存 储器基元的MRAM还可包括其他的电子器件或结构，例如，包括硅的电子器件、晶体管、场效 应晶体管、双极晶体管、金属氧化物半导体晶体管、二极管、电阻器、电容器、电感器、另外的 存储器器件、互连、模拟电路和数字电路。在MRAM存储器基元中存储的数据对应于自由FM 层215的磁矩的方向。用于切换或写入自旋扭矩结构200的自旋扭矩的大部分来自在自由AFM层214之 上的层和接口。在自由AFM层214之上，存在自由AFM层214到GMR间隔物层213的界面、 GMR间隔物层213、GMR间隔物层213到顶钉扎层212的界面、以及顶钉扎AFM层212，其在切 换或写入期间在自由FM层215上产生相对大的自旋扭矩。自由AFM层214、GMR间隔物层 213以及顶钉扎AFM层212适于提供用于切换自由FM层215的磁极化的大部分自旋扭矩。 通过使顶钉扎AFM层212的厚度大于自由AFM层214的厚度，还通过使顶钉扎FM层211位 于顶钉扎AFM层212的顶上且与顶钉扎AFM层212交换耦合，使顶钉扎AFM层212被钉扎。底钉扎侧230包括底钉扎FM层231和底钉扎侧AFM层232，该底钉扎侧AFM层232与钉扎FM层231邻接且交换耦合。顶钉扎FM层211和底钉扎FM层231中的一者或两者 可以包括例如反平行(AP)层，该反平行层包括包含钴和铁的第一合金(CoFe)的第一 2纳 米(nm)厚层、0. Snm钌(Ru)层、以及包含钴和铁的第二合金(CoFe)的第二 2纳米(nm)厚 层。可替代地，顶钉扎FM层211和/或底钉扎FM层231可以包括简单的钉扎层，例如，钴 和铁的第三合金(CoFe)的3nm厚层。例如，非磁性间隔物层220可以包括作为隧道势垒层 的氧化镁(MgO)。底钉扎侧AFM层232被强交换耦合到底钉扎FM层231，钉扎底钉扎FM层 231。底钉扎侧AFM层232用于将底钉扎FM层231钉扎到特定的对准(alignment)。自由FM层215相对薄，例如，其厚度仅仅足以获得良好的跨过非磁性间隔物层220 的磁阻。自由FM层215的示例性厚度在0. 2nm与Inm之间。例如，自由FM层215包括包 含Fe、Co和Ni中的至少一种的合金，例如CoFe。借助于自由AFM层214的晶体各向异性，自由AFM层214可以提供自由组合层240 的热稳定性，包括自由FM层215的热稳定性。自由AFM层214、底钉扎侧AFM层232以及 顶钉扎AFM层212中的任何一种或全部可以包括例如锰(Mn)的合金，例如包含铱和锰的合 金(IrMn)、包含钼和锰的合金(PtMn)、包含铁和锰的合金(FeMn)、以及包含镍和锰的合金 (NiMn)。可替代地，自由AFM层214、底钉扎侧AFM层232以及顶钉扎AFM层211可以包括 不同的AFM材料。自由AFM层214可以由与底钉扎侧AFM层232和顶钉扎AFM层211中的 材料相同或不同的材料构成。自由AFM层214的厚度为例如在2nm到20nm的范围。如果 由与底钉扎侧AFM层232和/或顶钉扎AFM层211相同的材料构成，则自由AFM层214应 比底钉扎侧AFM层232和/或顶钉扎AFM层211薄。GMR间隔物层213包括非磁性金属，例如，Cu、Au或Ru。该非磁性金属用于使自由 AFM层214与顶钉扎AFM层212分隔。图3示出了自旋扭矩结构300的写入操作。自旋扭矩结构300包括被施加有写入 电流的自旋扭矩结构200。在一种情况下，通过向上的写入电流310A实现写入，该向上的写 入电流310A包括被驱动为垂直通过自旋扭矩结构200的电子流。垂直粗实线上的箭头方 向指向电子流的方向。为了改变自旋扭矩结构200的数据状态，写入电流使自由FM层215 和自由AFM层214的磁矩一起切换。如果底钉扎FM层231的磁矩321指向例如左侧，在向 上的写入电流310A内流动的电子将被自旋极化到向左，并因此在自由FM层215上施加扭 矩以将自由FM层215的磁矩322A切换到向左。此外，自由AFM层214的表面磁矩323A也 将被切换到向左。当在向上的写入电流310A中向上流动的电子被入射在也被自旋极化到 例如向左的顶钉扎AFM层212上时，一些电子将被反射回到具有向左的自旋极化的自由AFM 层214和自由FM层215，由此同样施加扭矩而使自由FM层215的磁矩322A和自由AFM层 214的表面磁矩323B切换到向左。如果数据状态已经对应于否则将被向上的写入电流310A 诱导的数据状态，则自由FM层215的磁矩322A和自由AFM层214的表面磁矩323A已经被 设定到向左，因此将不会被向上的写入电流310A切换。相反地，如果电子流沿相反的方向(向下)，如同向下的写入电流310B那样，则电 子将被自旋极化到向右，并且当改变数据状态时，自由FM层215的磁矩322B和自由AFM层 214的表面磁矩323B将被切换到向右。如果数据状态已经对应于否则将被向下的写入电流 310B诱导的数据状态，则自由FM层215的磁矩322B和自由AFM层214的表面磁矩323B已 经被设定到向右，因此将不会被向下的写入电流310B切换。
该切换是由从顶钉扎AFM层212跨过GMR间隔物层213传递到自由AFM层214的 自旋扭矩的结果。还可以存在从底钉扎侧230跨过非磁性间隔物层220传递的自旋扭矩的分量。例如，使用在所施加的磁场中的高温退火来设定第一磁矩321和顶钉扎FM层211 的第四磁矩324的方向。考虑读取自旋扭矩结构200。在一个实施例中，施加小于写入电流的读取电流以读 取非磁性间隔物层220的电阻。跨过自旋扭矩结构200施加读取电流以使其从顶部到底部 或从底部到顶部流过自旋扭矩结构200。非磁性间隔物层的220的电阻依赖于自由FM层 215和底钉扎FM层231的相对磁取向(磁矩的方向)。如果磁取向是平行的，则非磁性间 隔物层220的电阻相对较低。如果磁取向是反平行的，则非磁性间隔物层220的电阻相对 较高。如上所述，如果非磁性间隔物层220为电绝缘体，那么非磁性间隔物层220的电阻归 因于隧穿磁阻，或者，如果非磁性间隔物层220是非磁性金属，那么非磁性间隔物层220的 电阻归因于巨磁阻。测量跨过自旋扭矩结构200的对应于所施加的读取电流的电压，这允 许根据欧姆定律计算跨过自旋扭矩结构200的电阻。因为非磁性间隔物层220的电阻在自 旋扭矩结构200内的层的串联电阻中占优势，所以通过测量自旋扭矩结构200的电阻便可 以以一定的精确度获得非磁性间隔物层220的电阻。在可替代实施例中，跨过自旋扭矩结 构200施加读取电压，并且测量电流，由该电流计算自旋扭矩结构200的电阻。在许多实施 例中，相对于非磁性间隔物层220的电阻，GMR间隔物层213的电阻对自旋扭矩结构200的 电阻基本上没有贡献。此外，在自旋扭矩结构200内的除了非磁性间隔物层220之外的层 的电阻相对地小于非磁性间隔物层220的电阻。考虑与比较自旋扭矩转移磁阻结构的比较写入电流相比的根据本发明的实施例 的自旋扭矩结构(例如，自旋扭矩结构200)的写入电流，其中所述比较自旋扭矩转移磁阻 结构包括(i)在一侧被比较结构非磁性间隔物层邻接而在另一侧被终端(terminal)邻接 的比较结构自由铁磁性层；(ii)比较结构铁磁性层或另一比较结构非磁性间隔物层。本发 明的一个方面是低于比较写入电流的写入电流。对于根据本发明的实施例的自旋扭矩结 构，切换自由FM层(例如，自由铁磁性层215)的磁矩所需要的写入电流的量值小于切换在 比较自旋扭矩转移磁阻结构中的比较结构自由FM层的比较结构磁矩所需要的比较写入电 流。例如，本发明的自旋扭矩结构所需的写入电流小于比较自旋扭矩转移磁阻结构所需的 写入电流的百分之十。图4示例了根据本发明的实施例的用于形成自旋扭矩结构的方法400。例如，该自 旋扭矩结构包括自旋扭矩结构200或MRAM存储器基元。方法400的步骤可以按照不同于 所示例的顺序的顺序进行。第一步骤410包括形成第一 FM层。第一FM层包括钉扎层，例如，底钉扎FM层231。第二步骤420包括形成第一非磁性间隔物层。第一非磁性间隔物层包括隧道势垒 或非磁性金属。例如，第一非磁性间隔物层包括非磁性间隔物层220。第一非磁性间隔物层 邻接第一 FM层。第三步骤430包括形成第二 FM层。第二 FM层包括自由FM层，例如，自由FM层 215。第二 FM层邻接第一非磁性间隔物层。第四步骤440包括形成第一 AFM层。第一 AFM层包括与第二 FM层交换耦合且邻接的自由层。例如，第一 AFM层包括自由AFM层214。在本发明的实施例(例如，MRAM存储 器基元)内，当跨过自旋扭矩结构施加适宜极性的写入电流时，第二 FM层的磁矩方向和第 一 AFM层的磁矩方向被切换。在切换之后，第二 FM层的磁矩方向和第一 AFM层的磁矩方向 平行并且例如存储MRAM存储器基元的数据状态。第五步骤450包括形成第二非磁性间隔物层。第二非磁性间隔物层包括非磁性金 属层或GMR间隔物层。例如，第二非磁性间隔物层包括GMR间隔物层213。第二非磁性间隔 物层邻接第一 AFM层。第六步骤460包括形成第二 AFM层。第二 AFM层包括钉扎AFM层，例如，顶钉扎 AFM层212。第二 AFM层邻接第二非磁性间隔物层。第一 AFM层、第二非磁性间隔物层以及 第二 AFM层构成这样的结构，该结构适于提供用于切换第二 FM层的磁极化的大部分自旋扭 矩并能够使用相对低量值的写入电流来切换第二 FM层的磁极化。第七步骤470包括形成第三AFM层，该第三AFM层包括钉扎AFM层，例如，底钉扎 侧AFM层232。第三AFM层与第一 FM层邻接并交换耦合。第五步骤480包括形成第三FM层，该第三FM层包括钉扎FM层，例如，顶钉扎FM 层211。第三FM层与第二 AFM层邻接并交换耦合。图5为示出了根据本发明的实施例的示例性封装的集成电路500的截面图。封装 的集成电路500包括引线框502、附接到引线框的管芯504以及塑性包封模508。虽然图5 仅仅示出了一种类型的集成电路封装，但本发明并不局限于此；本发明可包括以任何封装 类型包封的集成电路管芯。管芯504包括在此描述的器件，并且可包括其他结构或电路。例如，管芯504包括 根据本发明的实施例的至少一个自旋扭矩结构或MRAM，例如，自旋扭矩结构200以及根据 本发明的方法(例如，图4的方法)形成的实施例。例如，其他结构或电路可以包括包含 硅的电子器件、晶体管、场效应晶体管、双极晶体管、金属氧化物半导体晶体管、二极管、电 阻器、电容器、电感器、另外的存储器器件、互连、模拟电路以及数字电路。自旋扭矩结构或 MRAM可以形成在半导体衬底上或半导体衬底内，管芯也包括衬底。可以在应用程序(applications)、硬件和/或电子系统中采用根据本发明的集成 电路。用于实施本发明的合适的硬件和系统可以包括但不限于个人计算机、通信网络、电子 商务系统、便携通信装置(例如，移动电话)、固态介质存储装置、功能电路等等。包含这样 的集成电路的系统和硬件被认为是本发明的一部分。在给出了这里所提供的本发明的教导 的情况下，本领域的技术人员将能够设想本发明的技术的其他实施和应用。虽然这里已经参考附图描述了本发明的示例性实施例，但是应理解，本发明并不 局限于这些精确的实施例，并且本领域的技术人员可以在不背离所附权利要求的范围的情 况下在其中进行各种其他改变和修改。
1权利要求
一种磁阻结构，包括第一铁磁性层；第一非磁性间隔物层，其邻近所述第一铁磁性层；第二铁磁性层，其邻近所述第一非磁性间隔物层且包括自由铁磁性层；以及第一反铁磁性层，其邻近所述第二铁磁性层，其中所述第一反铁磁性层包括自由反铁磁性层。
2.根据权利要求1的磁阻结构，还包括第二非磁性间隔物层，其邻近所述第一反铁磁性层；以及第二反铁磁性层，其邻近所述第二非磁性间隔物层。
3.根据权利要求1的磁阻结构，还包括第三反铁磁性层，其邻近所述第一铁磁性层且与所述第一铁磁性层交换耦合，其中所 述第三反铁磁性层包括第二钉扎反铁磁性层；以及第三铁磁性层，其邻近所述第二反铁磁性层，其中所述第三铁磁性层包括第二钉扎铁 磁性层。
4.根据权利要求2的磁阻结构，其中所述第二反铁磁性层包括第一钉扎反铁磁性层。
5.根据权利要求1的磁阻结构，其中所述第一铁磁性层包括第一钉扎铁磁性层。
6.根据权利要求1的磁阻结构，其中所述第一非磁性间隔物层包括隧穿势垒层、氧化 镁和非磁性金属层中的至少一种。
7.根据权利要求2的磁阻结构，其中所述第二非磁性间隔物层包括非磁性金属层和巨 磁阻层中的至少一种。
8.根据权利要求2的磁阻结构，其中满足下列中的至少一种i)所述第一反铁磁性层 包括铬；ii)所述第二反铁磁性层包括铬；以及iii)所述第二非磁性间隔物层包括金、铜和 钌中的至少一种。
9.根据权利要求1的磁阻结构，其中所述第二铁磁性层与所述第一反铁磁性层交换耦I=I O
10.根据权利要求2的磁阻结构，其中所述第一反铁磁性层、所述第二非磁性间隔物层 以及所述第二反铁磁性层中的至少一者适于提供用于切换所述第二铁磁性层的磁极化的 大部分自旋扭矩。
11.根据权利要求3的磁阻结构，其中通过下列中的至少一种来钉扎所述第二反铁磁 性层i)所述第三铁磁性层；以及ii)使所述第二反铁磁性层的厚度大于所述第一反铁磁 性层的厚度。<
12.根据权利要求3的磁阻结构，其中所述第一铁磁性层和所述第三铁磁性层中的至 少一者包括下列中的至少一种i)钴和铁的合金；以及ii)多个子层，其中所述多个子层中 的两个具有反平行的磁矩。
13.根据权利要求1的磁阻结构，其中所述第二铁磁性层包括包含铁、钴和镍中的至少 一种的合金。
14.根据权利要求3的磁阻结构，其中所述第一、第二和第三反铁磁性层中的至少一者 包括合金，并且其中所述合金包括选自锰、铱、镍、钼和铁中的至少一者。
15.根据权利要求1的磁阻结构，其适于通过写入电流切换所述第二铁磁性层和所述第一反铁磁性层二者的磁矩。
16.根据权利要求1的磁阻结构，其中切换所述第二铁磁性层的磁矩所需的写入电流 的量值小于切换比较磁阻结构中的比较自由铁磁性层的比较磁矩所需的比较写入电流，所 述比较磁阻结构包括所述比较自由铁磁性层，所述比较自由铁磁性层在一侧被比较非磁性 间隔物层邻接而在另一侧被器件终端、另一比较非磁性间隔物层和比较铁磁性层中的至少 一者邻接。
17.根据权利要求1的磁阻结构，其中所述第一反铁磁性层适于为所述第二铁磁性层 提供热稳定性。
18.—种磁阻存储器器件，包括第一铁磁性层；第一非磁性间隔物层，其邻近所述第一铁磁性层；第二铁磁性层，其邻近所述第一非磁性间隔物层且包括自由铁磁性层；以及第一反铁磁性层，其邻近所述第二铁磁性层，其中所述第一反铁磁性层包括自由反铁 磁性层；其中所述磁阻存储器器件存储与磁矩的至少两个方向对应的至少两个数据状态。
19.根据权利要求18的磁阻存储器器件，还包括第二非磁性间隔物层，其邻近所述第一反铁磁性层；以及第二反铁磁性层，其邻近所述第二非磁性间隔物层，其中所述第一反铁磁性层、所述第 二非磁性间隔物层以及所述第二反铁磁性层中的至少一者适于提供用于切换所述第二铁 磁性层的磁极化的大部分自旋扭矩。
20.根据权利要求18的磁阻存储器器件，其中存储在存储器基元中的数据对应于在所 述第二铁磁性层和所述第一反铁磁性层中的至少一者中的磁矩的方向。
21.一种集成电路，包括衬底；第一铁磁性层；第一非磁性间隔物层，其邻近所述第一铁磁性层；第二铁磁性层，其邻近所述第一非磁性间隔物层且包括自由铁磁性层；以及第一反铁磁性层，其邻近所述第二铁磁性层，其中所述第一反铁磁性层包括自由反铁 磁性层。
22.根据权利要求21的集成电路，还包括第二非磁性间隔物层，其邻近所述第一反铁磁性层；以及第二反铁磁性层，其邻近所述第二非磁性间隔物层，其中所述第一反铁磁性层、所述第 二非磁性间隔物层以及所述第二反铁磁性层中的至少一者适于提供用于切换所述第二铁 磁性层的磁极化的大部分自旋扭矩。
23.一种形成自旋扭矩结构的方法，所述方法包括以下步骤形成第一铁磁性层；形成第一非磁性间隔物层，所述第一非磁性间隔物层邻近所述第一铁磁性层；形成第二铁磁性层，所述第二铁磁性层邻近所述第一非磁性间隔物层且包括自由铁磁 性层；以及形成第一反铁磁性层，所述第一反铁磁性层邻近所述第二铁磁性层，其中所述第一反 铁磁性层包括自由反铁磁性层。
24.根据权利要求23的方法，还包括以下步骤形成第二非磁性间隔物层，所述第二非磁性间隔物层邻近所述第一反铁磁性层；以及 形成第二反铁磁性层，所述第二反铁磁性层邻近所述第二非磁性间隔物层。
全文摘要
本发明涉及磁阻存储器器件和集成电路以及形成自旋扭矩结构的方法。提出了磁阻结构、器件、存储器及其形成方法。例如，一种磁阻结构包括第一铁磁性层；第一非磁性间隔物层，其邻近所述第一铁磁性层；第二铁磁性层，其邻近所述第一非磁性间隔物层；以及第一反铁磁性层，其邻近所述第二铁磁性层。例如，所述第一铁磁性层可以包括第一钉扎铁磁性层，所述第二铁磁性层可以包括自由铁磁性层，并且所述第一反铁磁性层可以包括自由反铁磁性层。
文档编号H01L27/22GK101901867SQ201010192820
公开日2010年12月1日 申请日期2010年5月28日 优先权日2009年5月29日
发明者D·沃利奇 申请人:国际商业机器公司