平衡垂直磁隧道结中的状态之间的能垒的制作方法
【专利摘要】公开了用于通过在垂直磁隧道结(MTJ)中实施附加铁磁层来增强垂直磁隧道结的性能的技术。例如可以在垂直MTJ的固定铁磁层或自由铁磁层中或者附近实施附加铁磁层。在一些实施例中，借助非磁性间隔体实施附加铁磁层，其中，可以调整附加铁磁层和/或间隔体的厚度，以充分平衡垂直MTJ的平行状态和反平行状态之间的能垒。在一些实施例中，配置附加铁磁层以使得其磁化与固定铁磁层的磁化相反。
【专利说明】平衡垂直磁隧道结中的状态之间的能垒
【背景技术】
[0001]在深亚微米工艺节点(例如32nm及以上)中的集成电路设计涉及多个重要的挑战，并且结合有诸如晶体管或存储器器件的微电子组件的电路在这些级别，例如关于以最佳器件参数和电路性能实现小器件特征的那些面临着特别的复杂性。不断的工艺缩减往往加剧此类问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0002]图1A是传统垂直磁隧道结(MJT)在其平行状态中的横截面示意图。
[0003]图1B是图1A的传统垂直MJT在其反平行状态中的横截面示意图。
[0004]图2A是示出用于理想垂直MTJ的作为外磁场的函数的电阻的滞后图。
[0005]图2B是图2A的理想垂直MTJ的能量图。
[0006]图2C是不出用于图1A-1B的传统垂直MTJ的作为外磁场的函数的电阻的滞后图。
[0007]图2D是图1A-1B的传统垂直MTJ的能量图。
[0008]图3A是根据本发明实施例配置的垂直MTJ在其平行状态中的横截面示意图。
[0009]图3B是根据本发明实施例配置的图3A的垂直MTJ在其反平行状态中的横截面示意图。
[0010]图4A是根据本发明另一个实施例配置的垂直MTJ在其平行状态中的横截面示意图。
[0011]图4B是根据本发明实施例配置的图4A的垂直MTJ在其反平行状态中的横截面示意图。
[0012]图5是实施根据本发明实施例配置的垂直MTJ的示例集成电路的透视示意图。
[0013]图6示出了以包括根据本发明示例实施例配置的一个或多个垂直MTJ的集成电路结构或器件实施的计算系统。
【具体实施方式】
[0014]公开了用于通过在垂直磁隧道结(MTJ)中实施附加铁磁层来增强垂直磁隧道结的性能的技术。例如可以在垂直MTJ的固定铁磁层或自由铁磁层中或者附近实施附加铁磁层。在一些实施例中，借助非磁性间隔体实施附加铁磁层，其中，可以调整附加铁磁层和/或间隔体的厚度，以充分平衡垂直MTJ的平行和反平行状态之间的能垒。在一些实施例中，配置附加铁磁层以使得其磁化与固定铁磁层的磁化相反。附加铁磁层例如可以用于减轻/消除垂直MTJ的平行与反平行状态之间的能量固有偏移，从而使电阻一外磁场滞后更好地居中，平衡状态之间的能垒，和/或改进垂直MTJ的性能。该技术例如可以在存储器器件、传感器、磁盘驱动器读取头和/或可以得益于MTJ器件的二值特性的其他电路中实施。
[0015]MM
[0016]磁隧道结(MTJ)器件是磁阻器件，其电阻可编程并可以响应于施加的磁场设定为高电阻率或低电阻率状态。这两个状态之间的电阻的差通常称为磁阻(MR)比率，取决于温度和制造该器件的材料，磁阻比率的范围例如从小于10%到百分之几百或者更大。典型的MTJ器件配置包括夹置在分别称为固定层和自由层的两个铁磁层之间的隧穿氧化物的绝缘体层。自由层中的磁场的方向确定MTJ器件是处于高电阻率状态还是处于低电阻率状态。通过将其电阻改变为低电阻率状态，可以在MTJ器件中存储二进制的零，通过将其电阻改变为高电阻率状态，可以存储二进制的一。有利地，一旦设定，则无需静态功率来保持电阻状态。如果绝缘体层足够薄，电子可以借助量子隧穿从一个铁磁层通过绝缘体层到达另一个。
[0017]给定MTJ的两个铁磁层典型地呈现磁各向异性一它们的磁特性的方向相关性。给定铁磁层的磁各向异性可以由于多个来源导致，包括但不限于:(1)基于基体的各向异性(例如磁晶各向异性；形状各向异性)；和/或(2)基于界面的各向异性。取决于其组成铁磁层的磁化的方向，给定MTJ可以分类为呈现:(1)面内磁各向异性；或者(2)面外磁各向异性。面内MTJ的磁化方向沿两个铁磁层的平面。相反地，面外(垂直)MTJ的磁化方向与组成铁磁层的平面正交。可以配置两个铁磁层以使得其各自的磁化或者在相同方向上对准一平行⑵状态，或者在相反方向上对准一反平行(AP)状态。
[0018]图1A是传统垂直MTJ100在其平行(P)状态中的横截面示意图。图1B是图1A的垂直MJT100在其反平行(AP)状态中的横截面示意图。如所见到的，垂直MTJ100是分层结构，包括第一(固定)铁磁层120、绝缘体层130和第二(自由)铁磁层140，如所示地堆叠。固定层有时称为钉扎(pinned)的，通常不经受其磁化(M0s)中的变化一其磁化方向保持固定并用作参考。另一方面，自由层有时称为动态的，在其磁化(Mes)方向上经受变化。
[0019]在图1A中，固定铁磁层120和自由铁磁层140在相同方向上(垂直MTJ100处于其P状态中)分别具有磁化一 和Mes。在P状态中，具有平行于磁化取向的自旋的电子(自旋加快电子)易于通过绝缘体层130从固定铁磁层120到达自由铁磁层140，同时具有反平行于磁化取向的自旋的电子(自旋减慢电子)被强烈地散射。自旋加快电子可以隧穿通过绝缘体层130，因为在自由铁磁层140中可得到足够大量的未占用自旋加速状态。结果，P状态MTJ100对于具有平行于磁化取向的自旋的电子具有低电阻率，对于具有反平行于磁化取向的自旋的电子具有高电阻率。换言之，与在AP状态中相比，在垂直MTJ100的P状态(低电阻率状态)中，电子更有可能隧穿(电流传导)通过绝缘体层130，以下对此论述。
[0020]在图1B中，M0定和Mes处于相反的方向(垂直MTJ100处于其AP状态中)。在AP状态中，两类自旋的电子(自旋加速电子和自旋减慢电子)都被强烈地散射。量子隧穿在此情况下受到抑制，因为可以得到很少的自旋加速状态(与在前参考图1A论述的P状态相比)。结果，AP状态MTJ100对于电子具有高电阻率，不管自旋取向如何。换言之，与在P状态中相比，在垂直MTJ100的AP状态(高电阻状态)中，电子不太可能隧穿(电流传导)通过绝缘体层130。
[0021]如前所述的，可以设计给定垂直MTJ，以使得其自由铁磁层的磁化M _ (例如磁化方向)可以改变(例如翻转)。在翻转Mm的背景下，垂直MTJ理想地将如图2A和2B中不同示出地工作。图2A是示出用于理想垂直MTJ的作为外磁场(μαΗ)的函数的电阻(R)的滞后图。如所见的，R-H滞后对于理想垂直MTJ很好地以零为中心。因而应意识到，翻转自由铁磁层的磁化Μ_，以及从而将理想垂直MTJ从其P状态转换到其AP状态所必需的外磁场的强度与翻转M _并从而从AP状态转换到P状态所需的具有相同量值。
[0022]图2B是图2A的理想垂直MTJ的能量图。如所见的，理想垂直MTJ的P状态和AP状态各自的能量是相等的，因而任一状态在能量上都不比另一状态更为有利(例如，较低能量的)。相应地，理想垂直MTJ的P状态与AP状态之间的能垒使得以相同的相对能量要求实现从AP到P和从P到AP的转换。例如，如果例如在磁阻存储器器件(例如磁阻随机存取存储器，MRAM)中实施理想垂直MTJ，那么在从AP状态转换到P状态(类似地从P到AP状态)时确保存储器器件的非易失性所需的最小能垒约为60kT (例如对称能量要求)。其他示例性能垒值将取决于给定应用，磁阻存储器器件的示例环境旨在仅用于说明性目的，并非限制所要求的发明。
[0023]然而，现实世界的限制/约束禁止/妨碍传统MTJ设计实现图2A-2B中所示的理想状态。而是，传统MTJ设计(例如诸如图1A-1B的)与多个重要的问题相关联。例如，垂直MTJ在其P与AP状态之间具有能垒的固有偏移，如图2C和2D不同地示出的，这禁止/妨碍了图2A-2B中不同示出的理想性能。更详细地，图2C是示出用于图1A-1B的传统垂直MTJ100的作为外磁场(UtlH)的函数的电阻(R)的滞后图。如所见的，与图2A所示的理想状态相比，这里的R-H滞后以非零值(例如UtlHs)为中心。因此，应意识到，翻转自由铁磁层140的磁化M _，从而将垂直MTJ100从其P状态转换到AP状态所必需的外磁场的强度的量值实质上大于翻转M _，从而将垂直MTJ100从其AP状态转换到其P状态所需的。因此，将传统垂直MTJ100从其低电阻状态(P状态)转换到其高电阻状态(AP状态)比将MTJ100从其高电阻状态(AP状态)转换到其低电阻状态(P状态)实质上必须耗费更多的能量(借助施加更强的外磁场)。
[0024]图2D是图1A-1B的传统垂直MTJ100的能量图。如所见的，垂直MTJ100的P状态的相对能量比其AP状态的更低(例如在能量上更为有利)。相应地，垂直MTJ100的P与AP状态之间的能垒使得与从P转换到AP相比，以实质上不同的(例如更小的)能量要求实现从AP到P的转换。例如，如果例如在磁阻存储器器件(例如磁阻随机存取存储器，MRAM)中实施垂直MTJ100，那么在从AP转换到P状态时确保非易失性所需的最小能垒保持在约60kT(如以上参考图2A-2B所述的使用理想MTJ的)。然而，由于传统MTJ100固有的非对称能垒，从P到AP状态的转换需要基本上更大量的能量(例如AP到P转换所需的最小能量的4倍或更多倍)。结果，使得垂直MTJ100倾向于实现并保持在P状态中(较低电阻和较低的更为稳定的能量状态)。因而，应意识到，传统MTJ100中P与AP状态之间的转换所需的总能量基本上高于理想垂直MTJ的更高效转换所需的。
[0025]可以为了试图解决传统垂直MTJ100的能鱼中的固有偏移而使用的一个方案包括相对于固定铁磁层120的面积，改变自由铁磁层140的相对面积。然而,这个方案引入了图案化的复杂性，从而有可能增大生产误差和制造成本。
[0026]因而，根据本发明的实施例，可以借助在其设计中包含附加铁磁层来改进垂直磁隧道结(MTJ)的性能。附加铁磁层例如可以包括在垂直MTJ的固定层或自由层中或者附近。在一些此类实施例中，借助布置在附加铁磁层与邻近的铁磁层(自由层或固定层)之间的非磁性间隔体来实施附加铁磁层。在一个或多个实施例中，附加铁磁层引入内磁场，其部分或完全补偿垂直MTJ的P状态与AP状态之间的固有不对称能垒，从而减轻和/或减小固有能量偏移。在一些不例性实例中，由MTJ内的附加铁磁层产生的磁场有助于:(I)使R-H滞后更好地居中(例如接近和/或实现图2A的理想情形)；和/或(2)更好地平衡P与AP状态之间的能垒(例如接近和/或实现图2B的理想情形)。
[0027]根据本发明的一个或多个实施例，本文公开的技术例如可以在独立或嵌入式/板上存储器电路中实施，包括但不限于，非易失性存储器(例如磁阻随机存取存储器，MRAM ；自旋转移矩存储器，STTM)和易失性存储器(例如，静态随机存取存储器，SRAM ;动态随机存取存储器，DRAM)。根据本公开内容，根据本发明的实施例配置的MTJ器件的多个应用是明显的。在一个特定示例情况下，根据本发明实施例实施的MTJ可以用于实现小型可扩展存储器单元。在其他实施例中，例如可以在磁盘驱动器读取头中实施本文公开的技术。根据本公开内容，其他适合的应用是明显的，所要求的发明并非旨在局限于任何特定使用。
[0028]如根据本公开内容将意识到的，存在与本文所述的多个技术相关联的多个优点。例如，在一些特定示例实施例中，本文公开的多个技术中的一个或多个可以用于:(I)实现作为位级别的更好的(例如更高的)热稳定性；(2)减轻和/或减小垂直MTJ的P与AP状态之间的能垒中的固有偏移；⑶垂直MTJ的R-H滞后的更好的居中；⑷在垂直MTJ的P和AP状态之间更高效的和/或有利的转换；和/或(5)保持相对更简单的器件图案化，因而使得生产误差和制造成本最小。根据本公开内容，其他益处是显而易见的，所要求的发明并非旨在局限于任何特定的一个。
[0029]使用诸如透射电子显微镜法(用于图像)、磁力显微镜法和/或光发射电子显微镜法(用于检测极化)和磁力计(用以检测磁矩)之类的电路或其他结构/器件的检查可以用于显示根据本发明实施例配置的MTJ的存在。
[0030]结构和操作
[0031]根据本发明的一个或多个实施例，附加铁磁层(下文中的偏移层)可以包含在垂直MTJ结构的设计中。在一些实施例中，偏移层可以在垂直MTJ的固定铁磁层中或附近实施，而在其他实施例中，偏移层可以在垂直MTJ的自由铁磁层中或附近实施。在任何此类实施例中，偏移层都可以借助例如在偏移层与其邻近的铁磁层(固定层或自由层)之间的非磁性间隔体层来实施。
[0032]图3A是根据本发明实施例配置的垂直MTJ200在其平行(P)状态中的横截面示意图。图3B是根据本发明实施例配置的图3A的垂直MTJ200在其反平行(AP)状态中的横截面示意图。如在这个示例性结构中所见到的，MTJ200包括绝缘体层230，其夹置在固定铁磁层220与自由铁磁层240之间。另外，MTJ200包括非磁性间隔体250，其夹置在偏移层260与固定铁磁层220之间。根据本发明的实施例，偏移层260的磁化Misif可以与固定铁磁层220的相反。在P状态(图3A)和AP状态(图3B)中，偏移层260引入了附加内磁场(借助其磁化Misif)，这在一些实施例中使得R-H滞后偏移(例如更好地居中)，增大了 P状态的能量和/或减小了 AP状态的能量(例如，更好地均衡P与AP状态之间的能垒)，和/或改进了垂直MTJ200的性能。因此，在一些此类实施例中，垂直MTJ200的性能可以接近或者近似以上参考图2A-2B所述的理想垂直MTJ性能。根据本公开内容显而易见的，按照对于给定应用所适合的，可以选择、调整或调节Misif的量值。
[0033]在图3A-3B和/或4A-4B(如下所述的)中所示的多个示例性实施例的任意一个中，偏移层260可以包括一个或多个铁磁材料，例如但不限于，铁、钴、镍、其合金、过渡金属一类金属合金(例如过渡金属与诸如硼的类金属)、和/或任何其他适合的铁磁材料。在一些实施例中，偏移层260可以具有与固定铁磁层220和/或自由铁磁层240相当的一个或多个尺寸(例如表面积；厚度)。在一些示例性实施例中，偏移层260可以具有例如在纳米范围(例如几十埃到几百纳米)中的厚度，在一个特定示例性实施例中，可以在约1-1OOnm范围中。在一些其他示例性实施例中，偏移层260可以具有在埃范围(例如约0.1-1nm)中的厚度和/或可以实施为纳米层。在一些实施例中，偏移层260可以例如实施为由任何适合的沉积技术(例如化学气相沉积、物理气相沉积、溅射沉积、分子束外延、或其他适合的沉积工艺/手段)沉积的薄膜。在其他的实施例中，可以借助由任何适合的沉积所沉积的多个材料层来实施偏移层260，其中，多个层可以是相同的或不同的材料(铁磁材料，或铁磁材料和非铁磁材料的组合)。在一些实施例中，偏移层260可以呈现磁各向异性，以使得其磁化与其表面基本上正交(例如，磁化Misif的方向与偏移层260的平面垂直)。根据本公开内容，用于偏移铁磁层260的其他适合材料、几何形状和/或结构会是显而易见的，所要求的发明并非旨在局限于任何特定材料、几何形状或结构。
[0034]而且，在图3A-3B和/或4A-4B (如下所述的)中所示的多个示例性实施例的任意一个中，可以按照传统上所做的来实施固定铁磁层220和/或自由铁磁层240，并可以包括例如以上参考偏移层260所述的任意一个或多个相同的铁磁材料。在一些实施例中，固定铁磁层220和/或自由铁磁层240可以具有与偏移层260相当的一个或多个尺寸(例如表面积；厚度)。在一些不例性实施例中，固定铁磁层220和/或自由铁磁层240可以具有例如在纳米范围(例如几十埃)中的厚度，在一个特定示例性实施例中，可以在小于或等于约1-1OOnm范围中。在一些其他示例性实施例中，固定铁磁层220和/或自由铁磁层240可以具有在埃范围(例如约0.1-1nm)中的厚度和/或可以实施为纳米层。如前参考偏移层260所述的，固定铁磁层220和/或自由铁磁层240可以例如实施为由如前所述的任何适合的沉积技术沉积的薄膜。在其他的实施例中，可以借助由任何适合的沉积所沉积的多个材料层来实施固定铁磁层220和/或自由铁磁层240，其中，多个层可以是相同的或不同的材料(铁磁材料，或铁磁材料和非铁磁材料的组合)。在一些实施例中，固定铁磁层220和/或自由铁磁层240中的每一个都可以呈现磁各向异性，以使得其磁化与其表面基本上正交(例如，磁化M0se和Mes的方向分别与固定层220和自由层240的平面垂直)。根据本公开内容，用于固定铁磁层220和/或自由铁磁层240的其他适合材料、几何形状和/或结构会是显而易见的，所要求的发明并非旨在局限于任何特定材料、几何形状或结构。
[0035]再进一步地，在图3A-3B和/或4A-4B (如下所述的)中所示的多个示例性实施例的任意一个中，如同传统上所做的,绝缘体层230可以包括在垂直MTJ200的固定铁磁层220与自由铁磁层240之间。绝缘体层230可以是任何适合的电介质材料或多个材料(例如，氧化物、氮化物等)，在一些特定实施例中是氧化镁、氧化铝、氧化铪、硅酸铪、氧化镧、铝酸镧、氧化锆、硅酸锆、氧化钽、氧化钛、钛酸锶钡、钛酸钡、钛酸锶、氧化钇、钽酸钪铅、和铌酸锌铅，和/或是非磁性的并且允许足够的量子隧穿的其他介质/材料。绝缘体层230可以具有与那些铁磁层220、240和/或260相当的一个或多个尺寸(例如表面积；厚度)。在一些实例中，可以选择/调节绝缘体层230的一个或多个尺寸(例如厚度)，以使得固定层220和自由层240彼此充分隔离，同时仍允许电子借助量子隧穿从一个此类铁磁层通过绝缘体到达另一个。在一些特定实例中，绝缘体层230可以具有例如在纳米范围(例如几十埃)中的厚度，在一个特定示例性实施例中，可以在小于或等于约1-1OOnm范围中。在一些其他示例性实施例中，绝缘体层230可以具有在埃范围(例如约0.1-1nm)中的厚度和/或可以实施为纳米层。类似于参考铁磁层220、240和/或260所述的，在一些实施例中，绝缘体层230可以例如实施为由任何适合的沉积技术(例如化学气相沉积、溅射沉积、物理气相沉积等)沉积的薄膜。在其他的实施例中，可以借助由任何适合的沉积所沉积的多个材料层来实施绝缘体层230，其中，多个层可以是相同的或不同的材料(绝缘体材料，或绝缘体材料和非绝缘体材料的组合)。根据本公开内容，用于绝缘体层230的其他适合材料、几何形状和/或结构会是显而易见的，所要求的发明并非旨在局限于任何特定材料、几何形状或结构。
[0036]如从图3A-3B和4A-4B可见的，非磁性间隔体层250可以包括在垂直MTJ200的结构中。非磁性间隔体250例如可以相邻于偏移层260，或者与之集成在一起。如图3A-3B所示的，可以在偏移层260与固定铁磁层220之间提供非磁性间隔体250。可替换地，如图4A-4B所示的，可以在偏移层260与自由定铁磁层240之间提供非磁性间隔体250。在一些特定示例性实施例中，非磁性间隔体250例如可以是与绝缘体层230相同的材料。在其他实施例中，非磁性间隔体250可以与绝缘体层230不同。例如,在一个特定示例性实施例中，以氧化镁来实施绝缘体层230，以钌或任何其他适合的非磁性材料或多个材料来实施非磁性间隔体250。非磁性间隔体250可以具有与那些绝缘体层230和/或铁磁层220、240和/或260相当的一个或多个尺寸(例如表面积；厚度)。在一些特定实例中，非磁性间隔体250可以具有例如在纳米范围(例如几十埃)中的厚度，在一个特定示例性实施例中，可以在小于或等于约1-1OOnm范围中。在一些其他示例性实施例中，非磁性间隔体层250可以具有在埃范围(例如约0.1-1nm)中的厚度和/或可以实施为纳米层。类似于参考铁绝缘体层230和/或磁体层220、240和/或260所述的，在一些实施例中，非磁性间隔体层250可以例如实施为由任何适合的沉积技术(例如化学气相沉积、溅射沉积、物理气相沉积等)沉积的薄膜。在其他的实施例中，可以借助由任何适合的沉积所沉积的多个材料层来实施间隔体层250，其中，多个层可以是相同的或不同的材料(绝缘体材料，或绝缘体材料和非绝缘体材料的组合)。根据本公开内容，用于非磁性间隔体层250的其他适合材料、几何形状和/或结构会是显而易见的，所要求的发明并非旨在局限于任何特定材料、几何形状或结构。
[0037]图4A是根据本发明另一个实施例配置的垂直MTJ200在其平行⑵状态中的横截面示意图。图4B是根据本发明实施例配置的图4A的垂直MTJ200在其反平行(AP)状态中的横截面示意图。如在这个示例性结构中所见到的，MTJ200包括绝缘体层230，其夹置在固定铁磁层220与自由铁磁层240之间。另外，MTJ200包括非磁性间隔体250，其夹置在偏移层260与自由铁磁层240之间。根据本发明的实施例，偏移层260的磁化Miisf可以与自由铁磁层220的相反。在P状态(图4A)和AP状态(图4B)中，偏移层260引入了附加内磁场(借助其磁化这在一些实施例中使得R-H滞后偏移(例如更好地居中)，增大了P状态的能量和/或减小了 AP状态的能量(例如，更好地均衡P与AP状态之间的能垒)，和/或改进了垂直MTJ200的性能。因此，垂直MTJ200的性能可以接近或者近似以上参考图2A-2B所述的理想垂直MTJ性能。根据本公开内容显而易见的，按照对于给定应用所适合的，可以选择、调整或调节Misif的量值。应意识到，相对于图3A-3B的共同特征的在前论述的相关部分同等地适用于图4A-4B中所示的那些特征。[0038]回忆起在一些示例性实施例中，来自偏移层260的附加磁场可以影响(例如减轻或消除)垂直MTJ200的P与AP状态之间的固有不对称能垒。会意识到，铁磁偏移层260到固定铁磁层220 (如图3A-3B所示的)和/或自由铁磁层240 (如图4A-4B所示的)的相对邻近性可以改变/调节Miw对垂直MTJ200的AP/P能垒的影响。因而，根据并发明的实施例，可以调整非磁性间隔体250的一个或多个尺寸(例如厚度)，从而改变/调节垂直MTJ200的偏移层260与铁磁层220和/或240之间的有效距离。类似地，会意识到，可以调整固定铁磁层220、自由铁磁层240和/或偏移层260的一个或多个尺寸(例如厚度)，以改变/调节的影响(例如增大给定铁磁层220、240和/或260的厚度可以导致来自
的更大的影响)。在一些此类情况下，这种尺寸调整可以实现Misif的影响的多个变化，从而使得R-H滞后偏移(例如更好地居中)，增大P状态的能量和/或减小AP状态的能量(例如，更好地均衡P与AP状态之间的能垒)，和/或改进垂直MTJ200的性能。
[0039]在偏移层260包含在固定铁磁层220中或附近的一些实施例中，可以选择非磁性间隔体250的一个或多个尺寸，以使得固定层220的磁化Mgse在由偏移层260产生的磁场存在的情况下基本上保持不变(例如恒定)(例如固定层220的磁化不易于由于Misif的存在而翻转)。在一些情况下，可以部分或整体上设计固定层220，以使得非磁性间隔体250的给定厚度(或厚度范围)不使得其磁化不稳定(例如，其磁化不易于由于Misif而翻转)。
[0040]在偏移层260包含在自由铁磁层240中或附近的一些实施例中，可以选择非磁性间隔体250的一个或多个尺寸，以使得自由层240的磁化M _在由偏移层260产生的磁场存在的情况下可以改变(例如更易于翻转)(例如自由层240的磁化易于或者允许由于Mis#的存在而翻转)。在一些情况下，可以部分或整体上设计自由层240，以使得非磁性间隔体250的给定厚度(或厚度范围)使得其磁化足够的(例如适合于给定应用的)不稳定(例如，其磁化更易于由于M 而翻转)。
[0041]在一些实施例中，例如调整非磁性间隔体250的厚度可以允许更易于改变自由层240的磁化方向。应意识到，非磁性间隔体250的厚度的调整/调节可以允许在偏移层250与自由铁磁层240之间的一个或多个以下类型的相互作用:(1)铁磁性(例如，Mes和Mfiif具有相同的取向，在没有外磁场的情况下存在净磁矩)；(2)反铁磁性(例如M _和Miisf具有相反的取向，在没有外磁场的情况下存在零净磁化)；和/或(3)零耦合。在期望零耦合的一些特定示例性实施例中，非磁性间隔体250可以具有在约1-10 A范围中(例如小于或等于8A)的至少一个尺寸(例如厚度)。根据本公开内容，适合于实现与自由层240的零耦合(和/或其他类型的相互作用或期望性能)的非磁性间隔体250的其他厚度/尺寸是显而易见的，所要求的发明并非旨在局限于任何特定此类几何形状。
[0042]可以借助任何适合的技术形成/沉积给定垂直MTJ200的多个层的任意一个(例如，固定层220、绝缘体层230、自由层240、间隔体层250和/或偏移层260)，包括但不限于，化学气相沉积、物理气相沉积、磁控溅射沉积、分子束外延等。在一些实施例中，垂直MTJ200的形成/制备可以部分或完全包括一个或多个光刻技术。根据本公开内容，其他适合的形成技术是显而易见的，所要求的发明并非旨在局限于任何特定形成技术。
[0043]图5是实施根据本发明实施例配置的垂直MTJ200的示例集成电路(IC) 300的透视示意图。类似于以上参考图3A所述的,在此,示例垂直MTJ200处于其P状态中，包括在固定层220附近的附加铁磁层(偏移层)260和在其之间的非间隔体250。然而，所要求的发明并非旨在仅局限于所示的示例；根据实施例，图3A-3B和/或4A-4B的多个示例性实施例的任意一个都可以类似地在图5所示的IC300中实施。
[0044]根据一些示例性实施例，衬底202例如可以是半导体晶圆或其他适合的衬底。在一些此类实施例中，衬底202例如可以是金属、硅、锗、II1-V族材料、氧化物、氮化物或其组合。在一些实施例中，衬底202例如可以被配置为大块衬底、绝缘体上半导体(Χ0Ι，其中，X是半导体材料，例如硅、锗、或富锗的硅)或多层结构。衬底202的其他适合的材料和/或结构取决于给定应用，根据本公开内容是显而易见的。
[0045]如可以进一步见到的，垂直MTJ200可以借助一个或多个电触点204和/或206来实施。在一些实施例中，垂直MTJ200可以可操作地与衬底202 (和/或其他IC结构或特征)耦合。在一些此类实例中，垂直MTJ200例如可以可操作地与导电线/线路、通孔、和/或其他电路组件耦合，包括导电金属，例如但不限于，铜、铝、银、镍、金、钛、铟、钨、其合金，或其他适合导电的金属。
[0046]在一些不例实施例中，可以执行通过垂直MTJ200的适合的电流的传输，以确定MTJ200是处于其低电阻P状态(例如固定铁磁层220和自由铁磁层240在相同磁取向上)中还是处于其高电阻AP状态(例如固定铁磁层220和自由铁磁层240在相反磁取向上)中。在一些此类实施例中，MTJ200的这些二值状态(例如低电阻和高电阻状态)的确定可以在存储器单元/器件中实施，例如前述的那些(例如MRAM、SRAM、DRAM等)。垂直MTJ200的其他适合的使用取决于给定应用，根据本公开内容是显而易见的。
[0047]示例系统
[0048]图6示出了以包括根据本发明示例实施例配置的一个或多个垂直MTJ的集成电路结构或器件实施的计算系统1000。如所见到的，计算系统1000容纳母板1002。母板1002可以包括多个组件，包括但不限于，处理器1004和至少一个通信芯片1006，其每一个都可以物理且电耦合到母板1002或者集成于其中。应意识到，母板1002例如可以是任何印刷电路板，或者是主板，或者是安装到主板上的子板，或者是系统1000的唯一板等。取决于其应用，计算系统1000可以包括一个或多个其他组件，其会或不会物理且电耦合到母板1002。这些其他组件包括但不限于，易失性存储器(例如，DRAM)、非易失性存储器(例如磁阻RAM ；自旋转移矩存储器，STTM ；R0M)、图形处理器、数字信号处理器、加密处理器、芯片组、天线、显示器、触摸屏显示器、触摸屏控制器、电池、音频编码解码器、视频编码解码器、功率放大器、全球定位系统(GPS)设备、指南针、加速度计、陀螺仪、扬声器、相机和大容量储存设备(例如，硬盘驱动器、光盘(CD)、数字多用途盘(DVD)等等)。包括在计算系统1000中的任何组件都可以一个或多个集成电路结构或器件，其包括根据本发明示例性实施例配置的一个或多个垂直MTJ。在此多样化说明的这些MTJ晶体管结构例如可以用于实施板上处理器高速缓存器或存储器阵列(例如，RAM、DRAM等)。在一些实施例中，多个功能可以集成到一个或多个芯片中(例如注意，通信芯片1006可以是处理器1004的部分或者集成到其中)。
[0049]通信芯片1006实现了无线通信，用于往来于计算系统1000传送数据。术语“无线”及其派生词可以用于描述可以通过非固态介质借助使用调制电磁辐射传送数据的电路、设备、系统、方法、技术、通信信道等。该术语并非暗示相关设备不包含任何导线，尽管在一些实施例中它们可以不包含。通信芯片1006可以实施多个无线标准或协议中的任意一个，包括但不限于，W1-Fi (IEEE802.11 族)、WiMAX (IEEE802.16 族)、IEEE802.20、长期演进(LTE)、Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA, DECT、蓝牙、其派生物，以及被指定为3G、4G、5G及之后的任何其他无线协议。计算系统1000可以包括多个通信芯片1006。例如，第一通信芯片1006可以专用于短距离无线通信，例如W1-Fi和蓝牙，第二通信芯片1006可以专用于长距离无线通信，例如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO
坐寸ο
[0050]计算系统1000的处理器1004包括封装在处理器1004内的集成电路晶片。在本发明的一些实施例中，处理器的集成电路晶片包括板上存储器电路，其以如本文多样化说明的包括一个或多个垂直MTJ的一个或多个集成电路结构或器件来实施。术语“处理器”可以指代任何设备或设备的部分，其例如处理来自寄存器和/或存储器的电子数据，将该电子数据转变为可以存储在寄存器和/或存储器中的其他电子数据。
[0051]通信芯片1006也可以包括封装在通信芯片1006内的集成电路晶片。根据一些此类示例性实施例，通信芯片的集成电路晶片包括一个或多个集成电路结构或器件，其包括本文所述的一个或多个垂直MTJ。如依据本公开内容会意识到，注意，多标准无线能力可以直接集成到处理器1004中(例如，任意芯片1006的功能集成到处理器1004中的情况，而不是具有分离的通信芯片)。进一步注意，处理器1004可以是具有这种无线能力的芯片组。简言之，可以使用任意数量的处理器1004和/或通信芯片1006。类似地，任意一个芯片或芯片组都可以具有集成于其中的多个功能。
[0052]在多个实现方式中，计算系统1000可以是膝上型电脑、上网本电脑、笔记本电脑、智能电话、平板电脑、个人数字助理(PDA)、超移动PC、移动电话、台式计算机、服务器、打印机、扫描器、监视器、机顶盒、娱乐控制单元、数码相机、便携式音乐播放器、或数码摄像机。在进一步的实现方式中，计算系统1000可以是处理数据或者使用如本文所述的包括一个或多个垂直MTJ的一个或多个集成电路结构或器件的任何其他电子设备。
[0053]许多实施例是显而易见的，本文所述的特征可以组合到任意数量的结构中。本发明的一个示例实施例提供了一种磁隧道结器件，包括第一绝缘体层，所述第一绝缘体层夹置在自由铁磁层与固定铁磁层之间，和第二绝缘体层，所述第二绝缘体层夹置在第三铁磁层和自由或固定铁磁层之一之间。在一些情况下，自由、固定和第三铁磁层中的每一个都与磁化方向相关联，第三铁磁层的磁化方向与所述固定铁磁层的磁化方向相反。在一些情况下，不允许固定和第三铁磁层的磁化方向改变，允许自由铁磁层的磁化方向改变。在一些情况下，固定与自由铁磁层的磁化方向取向为平行。在其他情况下，固定和自由铁磁层的磁化方向取向为反平行。在一些情况下，固定、自由和/或第三铁磁层包括铁、钴、镍、硼的一个或多个和/或其合金。在一些情况下，第一和第二绝缘体层包括不同的材料。在一些情况下，第一绝缘体层包括氧化镁，第二绝缘体层包括钌。在一些情况下，在磁隧道结器件中包括第三铁磁层实现了以下的至少一个:减轻了磁隧道结器件的平行和反平行状态之间能垒中的固有偏移，使得磁隧道结器件的电阻一外磁场滞后居中，允许在磁隧道结器件的平行和反平行状态之间高效和/或有利的转换，和/或保持简单的器件图案化。在一些情况下，在嵌入式存储器、非易失性存储器、磁阻随机存取存储器、自旋转移矩存储器、易失性存储器、静态随机存取存储器和/或动态随机存取存储器的至少一个中实施该器件。在一些情况下，提供集成电路，其包括一个或多个此类磁隧道结器件。
[0054]本发明的另一个示例实施例提供了 一种集成电路，包括衬底和在衬底中或上形成的磁隧道结，其中，所述磁隧道结包括第一绝缘体层，所述第一绝缘体层夹置在自由铁磁层与固定铁磁层之间，其中，自由和固定铁磁层中的每一个都与磁化方向相关联，和第二绝缘体层，所述第二绝缘体层夹置在第三铁磁层和自由或固定铁磁层之一之间，其中，第三铁磁层与磁化方向相关联，第三铁磁层的磁化方向与所述固定铁磁层的磁化方向相反。在一些情况下，电路进一步包括一个或多个电触点，所述电触点可操作地与所述磁隧道结耦合，其中，借助通过其传导电流来确定所述磁隧道结的平行或反平行状态。在一些情况下，第一绝缘体层包括氧化镁，第二绝缘体层包括钌。在一些情况下，在嵌入式存储器、非易失性存储器、磁阻随机存取存储器、自旋转移矩存储器、易失性存储器、静态随机存取存储器和/或动态随机存取存储器的至少一个中实施电路。一些情况下，提供一种电子器件，其包括一个或多个此类集成电路。一些此类情况下，器件包括存储器电路、通信芯片、处理器和/或计算系统中的至少之一。一些情况下，提供计算系统，其包括一个或多个此类集成电路。
[0055]本发明的另一个示例性实施例提供了一种方法，包括提供第一绝缘体层，所述第一绝缘体层夹置在自由铁磁层与固定铁磁层之间，提供第二绝缘体层，所述第二绝缘体层夹置在第三铁磁层和自由或固定铁磁层之一之间。一些情况下，方法进一步包括提供一个或多个电触点，所述一个或多个电触点可操作地与一个或多个铁磁层f禹合。
[0056]出于例证和说明的目的提出了本发明的示例性实施例的前述说明。其并非旨在是排他性的或者将本发明局限于公开的准确形式。依据本公开内容，许多修改和变化是可能的。其意图是本发明的范围不受这个详细说明限定，而由所附权利要求书来限定。
【权利要求】
1.一种磁隧道结器件，包括: 第一绝缘体层，所述第一绝缘体层夹置在自由铁磁层与固定铁磁层之间；以及 第二绝缘体层，所述第二绝缘体层夹置在第三铁磁层与所述自由铁磁层或固定铁磁层的其中之一之间。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述自由铁磁层、固定铁磁层和第三铁磁层中的每一个与磁化方向相关联，所述第三铁磁层的磁化方向与所述固定铁磁层的磁化方向相反。
3.根据权利要求2所述的器件，其中，所述固定铁磁层和第三铁磁层的磁化方向不被允许改变，而所述自由铁磁层的磁化方向被允许改变。
4.根据权利要求2-3中的任一项所述的器件，其中，所述固定铁磁层和自由铁磁层的磁化方向取向为平行。
5.根据权利要求2-3中的任一项所述的器件，其中，所述固定铁磁层和自由铁磁层的磁化方向取向为反平行。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的器件，其中，所述固定铁磁层、自由铁磁层和/或第三铁磁层包括铁、钴、镍、硼和/或其合金中的一种或多种。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的器件，其中，所述第一绝缘体层和第二绝缘体层包括不同材料。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的器件，其中，所述第一绝缘体层包括氧化镁，并且所述第二绝缘体层包括钌。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的器件，其中，在所述磁隧道结器件中包括所述第三铁磁层实现以下至少之一:减轻所述磁隧道结器件的平行状态与反平行状态之间的能垒的固有偏移、使所述磁隧道结器件的电阻-外磁场滞后居中、允许所述磁隧道结器件的平行状态与反平行状态之间高效和/或有利的转换、和/或保持简单的器件图案化。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的器件，其中，在嵌入式存储器、非易失性存储器、磁阻随机存取存储器、自旋转移矩存储器、易失性存储器、静态随机存取存储器和/或动态随机存取存储器的至少之一中实施所述器件。
11.一种集成电路，包括一个或多个根据权利要求1-10中的任一项所述的磁隧道结器件。
12.—种集成电路，包括: 衬底；以及 在所述衬底中或衬底上形成的磁隧道结，其中，所述磁隧道结包括: 第一绝缘体层，所述第一绝缘体层夹置在自由铁磁层与固定铁磁层之间，其中，所述自由铁磁层和固定铁磁层中的每一个与磁化方向相关联；以及 第二绝缘体层，所述第二绝缘体层夹置在第三铁磁层与所述自由铁磁层或固定铁磁层的其中之一之间，其中，所述第三铁磁层与磁化方向相关联，所述第三铁磁层的磁化方向与所述固定铁磁层的磁化方向相反。
13.根据权利要求12所述的电路，进一步包括一个或多个电触点，所述一个或多个电触点可操作地与所述磁隧道结耦合，其中，通过使电流通过所述磁隧道结来确定所述磁隧道结的平行状态或反平行状态。
14.根据权利要求12-13中的任一项所述的电路，其中，所述第一绝缘体层包括氧化镁，并且所述第二绝缘体层包括钌。
15.根据权利要求12-14中的任一项所述的电路，其中，在嵌入式存储器、非易失性存储器、磁阻随机存取存储器、自旋转移矩存储器、易失性存储器、静态随机存取存储器和/或动态随机存取存储器的至少一个中实施所述电路。
16.—种电子器件,包括一个或多个根据权利要求12-15中的任一项所述的集成电路。
17.根据权利要求16所述的电子器件，其中，所述器件包括存储器电路、通信芯片、处理器和/或计算系统中的至少之一。
18.一种计算系统，包括一个或多个根据权利要求12-15中的任一项所述的集成电路。
19.一种方法,包括: 提供第一绝缘体层，所述第一绝缘体层夹置在自由铁磁层与固定铁磁层之间；以及 提供第二绝缘体层，所述第二绝缘体层夹置在第三铁磁层与所述自由铁磁层或固定铁磁层的其中之一之间。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括提供一个或多个电触点，所述一个或多个电触点可操作地与一 个或多个所述铁磁层耦合。
【文档编号】H01L27/105GK104011862SQ201180076063
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2011年12月30日 优先权日:2011年12月30日
【发明者】C·C·郭, B·S·多伊尔, A·雷什欧迪伊, R·戈利扎德莫亚拉德, K·奥乌兹 申请人:英特尔公司