磁性隧道结的制作方法

本文中揭示的实施例涉及磁性隧道结。

背景技术：

磁性隧道结是具有由薄的非磁性隧道绝缘体材料(例如，电介质材料)分离的两个导电磁性电极的集成电路组件。绝缘体材料足够薄使得电子可在适当条件下通过绝缘体材料从一个磁性电极穿隧到另一磁性电极。在正常操作写入或擦除电流/电压下，磁性电极中的至少一者可使其整体磁化方向在两个状态间切换，且所述电极常被称为“自由”或“记录”电极。另一磁性电极常被称为“参考”、“固定”或“钉扎”电极，且在施加正常操作写入或擦除电流/电压时，所述另一电极的整体磁化方向将不切换。参考电极和记录电极经电耦合到相应导电节点。这两个节点之间的通过参考电极、绝缘体材料和记录电极的电阻取决于记录电极相对于参考电极的磁化方向的磁化方向。因此，磁性隧道结可经编程到至少两个状态中的一者中，且可通过测量通过磁性隧道结的电流而感测所述状态。由于可在两个导电状态之间“编程”磁性隧道结，所以已提出将其用于存储器集成电路中。另外，磁性隧道结可用于除存储器外的逻辑或其它电路中，或者，除存储器外，磁性隧道结也可用于逻辑或其它电路中。

记录电极的整体磁化方向可通过电流诱发的外部磁场或通过使用自旋极化电流以导致自旋转移力矩(stt)效应而切换。电荷载子(例如电子)具有称为“自旋”的性质，自旋是载子固有的少量角动量。电流通常未经极化(具有约50％“上自旋(spin-up)”电子和约50％“下自旋(spin-down)”电子)。自旋极化电流是具有任一自旋的显著更多电子的电流。我们可通过使电流通过特定磁性材料(有时也称为极化器材料)而产生自旋极化电流。如果将自旋极化电流引导到磁性材料中，那么自旋角动量可转移到所述材料，借此影响其磁化方向。如果所述自旋极化电流具有足够量值，那么此可用以激发磁化进动(magnetizationprecession)或甚至使所述磁性材料的定向/域方向反转(即，切换)。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的包括磁性隧道结的衬底片段的图解截面图。

图2是根据本发明的实施例的包括磁性隧道结的衬底片段的图解截面图。

具体实施方式

本发明的实施例涵盖磁性隧道结。最初参考图1描述关于衬底片段10的实例实施例，且其可包括半导体衬底。在此文献的内容背景中，将术语“半导体衬底”或“半导电衬底”定义为表示包括半导电材料的任何构造，包含但不限于例如半导电(单独或在其上包括其它材料的组合件中)及半导电材料层(单独或在包括其它材料的组合件中)的块体半导电材料。术语“衬底”是指任何支撑结构，包含但不限于上文描述的半导电衬底。衬底片段10包括基底或衬底11，其展示各种材料已在所述基底或衬底11上方形成为立面堆叠。材料可在图1描绘的材料旁边、从其立面向内或从其立面向外。例如，可在围绕片段10的某处或片段10内的某处提供集成电路的其它部分或完全制造的组件。衬底11可包括导电(即，在本文中，电导电)材料、半导电材料或绝缘/绝缘体(即，在本文中，电绝缘/绝缘体)材料中的任一或多者。无论如何，本文中描述的任何材料、区域和结构可为均质的或非均质的，且无论如何，其可连续地或不连续地上覆在任何材料上方。此外，除非另有说明，否则可使用任何适合或尚待开发的技术来形成每一材料，其中实例为原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、外延层生长、扩散掺杂和离子植入。

磁性隧道结15在衬底11上方，且其包括：导电第一磁性(即，在本文中，亚铁磁性或铁磁性)电极25，其包括磁性记录材料；和导电第二磁性电极27，其与第一电极25隔开且包括磁性参考材料。非磁性隧道绝缘体材料22(例如，其包括mgo、基本上由mgo组成或由mgo组成)在第一电极与第二电极之间。电极25和27可个别地含有非磁性绝缘体、半导电及/或导电材料或区域。但是，当个别地考虑时，电极25和27的特性为整体且共同磁性的且导电的，即使电极中可具有固有地局部非磁性及/或非导电的一或多个区域。此外，本文中提及“磁性”并不要求所陈述的磁性材料或区域在最初形成时为磁性的，而是要求所陈述的磁性材料或区域的某部分在磁性隧道结的完成的电路构造中在功能上为“磁性”的。

组件25和27中的每一者的实例厚度范围是约20埃到约250埃，且组件22的实例厚度范围是约5埃到约50埃。组件27的理想厚度为约110埃。在此文献中，“厚度”本身(前面无方向形容词)是定义为从不同组合物的紧邻材料或紧邻区域的最靠近表面垂直通过给定材料或区域的平均直线距离。另外，本文中描述的各种材料和区域可具有大体恒定厚度或可变厚度。如果具有可变厚度，那么除非另有指示，否则厚度是指平均厚度。如本文中所使用，“不同组合物”仅需要彼此可直接抵靠的两种所陈述材料或区域的部分在化学上及/或物理上不同(例如如果此类材料或区域是非均质的)。如果两种所陈述材料或区域彼此并未直接抵靠，那么“不同组合物”仅需要彼此最靠近的两种所陈述材料或区域的部分在化学上及/或物理上不同(如果此类材料或区域是非均质的)。在此文献中，当所陈述的材料、区域或结构相对于彼此存在至少一些物理碰触接触时，材料、区域或结构“直接抵靠”另一材料、区域或结构。相比之下，前面无“直接”的“上方”、“上”及“抵靠”涵盖“直接抵靠”以及其中(若干)介入材料、区域或结构导致所陈述的材料、区域或结构相对于彼此未物理触碰接触的构造。

可颠倒电极25和27的立面位置，及/或可使用除立面堆叠外的定向(例如，横向；对角线；立面、水平、对角线中的一或多者的组合；等等)。在此文献中，“立面”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”是参考垂直方向。“水平”是指沿在制造期间相对于其处理衬底的主表面的大体方向，且“垂直”是大体正交于其的方向。此外，如本文中使用的“垂直”及“水平”是相对于彼此大体上垂直的方向且与衬底在三维空间中的定向无关。

第二导电磁性电极27的磁性参考材料包括合成反铁磁性构造23，所述构造23包括两个隔开的磁性区域26和28，所述磁性区域的中一者(26)比另一者(28)更靠近隧道绝缘体材料22。所述一个磁性区域包括极化器区域30，所述极化器区域30包括coxfeybz，其中“x”为0到90，“y”为10到90，且“z”为10到50(即，x+y+z总计为100)。极化器区域30可包括此coxfeybz，基本上由此coxfeybz组成或由此coxfeybz组成。无论如何，其coxfeybz直接抵靠隧道绝缘体22。在一个实施例中，“x”为零，且在另一实施例中，“x”大于零。coxfeybz的实例厚度范围是5埃到20埃及5埃到15埃，其中7埃是一个理想实例。

元素w、元素mo、元素fe、coafebwc、coafebmoc及coafebtac中的至少一者直接抵靠coxfeybz，其中“a”为0到50，“b”为50到99，且“c”为1到50(即，a+b+c总计为100)。此展示为区域32，所述区域32可包括此类材料中的一或多者，基本上由此类材料中的一或多者组成或由此类材料中的一或多者组成。在一个实施例中，直接抵靠coxfeybz的区域32的此材料是元素w，在一个实施例中是元素mo，在一个实施例中是元素fe，在一个实施例中是coafebwc，在一个实施例中是coafebmoc，或在一个实施例中是coafebtac。在一个实施例中，直接抵靠coxfeybz的区域32的材料包括元素w、元素mo、元素fe、coafebwc、coafebmoc和coafebtac中的至少两者的混合物或合金，且在一个实施例中包括此类组合物中的至少三者的混合物或合金。区域32的实例厚度范围是1埃到10埃及2埃到5埃，其中2埃是一个理想实例。

区域34的磁性cogfehbi直接抵靠元素w、元素mo、元素fe、coafebwc、coafebmoc及coafebtac中的至少一者，其中“g”为0到100，“h”为0到90，且“i”为0到50(即，g+h+i总计为100)，其中“g”和“h”中的至少一者大于零。cogfehbi的实例厚度范围是5埃到30埃及10埃到20埃，其中7埃是一个理想实例。区域34可包括cogfehbi、基本上由cogfehbi组成或由cogfehbi组成。

包括含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的至少一者的非磁性区域36在隔开的磁性区域26与28之间。此类材料可包括与ru、rh及/或os组合的一或多个掺杂剂及/或其它材料。此类掺杂剂及/或其它材料可针对特定应用定制区域36的化学及/或物理性质。含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的至少一者直接抵靠元素co。在一个实施例中，含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的至少一者分别为元素ir、元素ru、元素rh及元素os中的至少一者。在一个实施例中，含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的至少一者是元素ir、元素ru、元素rh及元素os中的至少两者的混合物或合金，且在一个实施例中，是元素ir、元素ru、元素rh及元素os中的至少三者的混合物或合金。含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的至少一者(例如，区域36)的实例厚度范围是2埃到10埃及5埃到7埃，其中7埃是一个理想实例。无论如何，非磁性区域36可包括此类材料中的一或多者，基本上由此类材料中的一或多者组成或由此类材料中的一或多者组成。

另一磁性区域28包括直接抵靠区域36的含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的至少一者的磁性含co材料38。含co材料38可包括与co组合的一或多个掺杂剂及/或其它材料。此类掺杂剂及/或其它材料可针对特定应用定制区域36的化学及/或物理性质。在一个实施例中，磁性含co材料38是元素co。含co材料38的实例厚度范围是5埃到30埃及10埃到20埃，其中14埃是一个理想实例。区域28可包括含co材料，基本上由含co材料组成或由含co材料组成。

在一个实施例中，第二电极27包括非磁性区域40，所述非磁性区域40包括直接抵靠磁性含co材料38的非磁性元素ir、非磁性元素pt及非磁性元素ru中的至少一者。含co材料38是在a)区域36的含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的至少一者与b)区域40的非磁性元素ir、非磁性元素pt及非磁性元素ru中的至少一者之间。在一个实施例中，非磁性元素ir、非磁性元素pt及非磁性元素ru中的至少一者包括元素ir、元素pt及元素ru中的至少两者的混合物或合金，且在一个实施例中包括元素ir、元素pt及元素ru中的至少三者的混合物或合金。元素ir、元素pt及元素ru中的至少一者(例如，区域40)的实例厚度范围是0埃到100埃、5埃到100埃及5埃到50埃，其中50埃是一个理想实例。无论如何，非磁性区域40可包括此类材料中的一或多者，基本上由此类材料中的一或多者组成或由此类材料中的一或多者组成。

在一个实施例中，第二电极27包括直接抵靠区域40的非磁性元素ir、非磁性元素pt及非磁性元素ru中的至少一者的非磁性区域42的非磁性nisfetcru，其中“s”为50到100，“t”为0到30，且“u”为0到45(即，s+t+u总计为100)。区域40在磁性含co材料38与非磁性nisfetcru42之间。nisfetcru42的实例厚度范围是0埃到60埃、5埃到60埃及10埃到40埃，其中30埃是一个理想实例。无论如何，区域42可包括nisfetcru，基本上由nisfetcru组成或由nisfetcru组成。

在一个实施例中，导电第一磁性电极25包括非磁性导电材料44及磁性记录材料46。非磁性导电材料44可为(若干)任何适合导电材料，例如元素金属、元素金属的合金或混合物、导电金属化合物和导电掺杂半导体材料，其中ru仅为一个实例。材料44的实例厚度范围是10埃到500埃。在一个实施例中，电介质材料48在非磁性导电材料44与磁性记录材料46之间(在一个实施例中直接抵靠至少一者且在一个实施例中直接抵靠两者)，且磁性记录材料46在电介质材料48与隧道绝缘体22之间。在一个实施例中，第一磁性电极25在电介质材料48与非磁性导电材料44之间没有任何磁性极化器区域。在一个实施例中，隧道绝缘体22和电介质材料48是相同组合物，且所述组合物在一个实施例中是mgo。电介质材料48的实例厚度范围是5埃到50埃、5埃到20埃及5埃到15埃，其中15埃是一个理想实例。在一个实施例中，电介质材料48具有小于隧道绝缘体22的厚度的厚度。磁性记录材料46的实例厚度范围是5埃到50埃及5埃到20埃，其中13埃是一个理想实例。

在一个实施例中，磁性记录材料46包括合金50(其包括co、fe和b)，且其包括直接抵靠合金50的fe52。在一个实施例中，合金50直接抵靠隧道绝缘体22。合金50和fe52的例示性理想厚度分别为10埃和3埃。

理想地，第一电极25及第二电极27的材料及区域是结晶的(例如，理想地皆为bcc001)，但是此可为非晶的或包含非晶材料及区域。在此文献中使用的材料或区域的特性为“结晶的”需要所陈述材料或区域的至少90％体积为结晶的。在此文献中使用的材料或区域的特性为“非晶的”需要所陈述材料的至少90％体积为非晶的。

关于图2中的衬底片段10a展示另一实例实施例磁性隧道结15a。已适当地使用来自上述实施例的相同元件符号，其中用后缀“a”指示一些构造差异。第二电极27a的磁性参考材料的合成反铁磁性构造23a包括两个隔开的磁性区域26a及28，所述磁性区域中的一者(26a)比另一者(28)更靠近隧道绝缘体材料22。再次，所述一个磁性区域包括极化器区域30，所述极化器区域30包括上文提及的直接抵靠隧道绝缘体22的coxfeybz。在一个理想实例中，极化器区域30的coxfeybz的厚度为10埃。非磁性区域36在磁性区域26a与28之间(在特定实施例中，直接抵靠区域26a和28中的至少一者或两者)且包括含os材料。非磁性区域36可包括含os材料、基本上由含os材料组成或由含os材料组成。在一个实施例中，含os材料是元素os。如在上文描述及/或在图1中展示的(若干)任何其它属性或方面可用于图2实施例中。

图1和2的实例实施例描绘单磁性隧道结(smtj)。但是，可预期双磁性隧道结(dmtj)或超过双(2)磁性隧道结(即，具有至少两个隧道绝缘体区域及接近于其的相应极化器区域)。

上文论述的磁性隧道结可用于存储器产品或特定存储器技术(例如，mram、stt-mram等)或其它技术(例如，逻辑、传感器、振荡器等)中。磁性隧道结可并入到电子系统中。此类电子系统可在例如存储器模块、装置驱动器、电源模块、通信调制解调器、处理器模块及特定应用模块中使用，且可包含多层、多芯片模块。电子系统可为广泛范围的系统中的任一者，例如(举例来说)相机、无线装置、显示器、芯片组、机顶盒、游戏、灯具、车辆、时钟、电视、手机、个人计算机、汽车、工业控制系统、飞机等等。

结论

在一些实施例中，一种磁性隧道结包括：导电第一磁性电极，其包括磁性记录材料；导电第二磁性电极，其与所述第一电极隔开且包括磁性参考材料；及非磁性隧道绝缘体材料，其在所述第一电极与所述第二电极之间。所述第二电极的所述磁性参考材料包括合成反铁磁性构造，所述合成反铁磁性构造包括两个隔开的磁性区域，所述磁性区域中的一者比另一者更靠近所述隧道绝缘体材料。所述一个磁性区域包括极化器区域，所述极化器区域包括coxfeybz，其中“x”为0到90，“y”为10到90，且“z”为10到50。所述coxfeybz直接抵靠所述隧道绝缘体。元素w、元素mo、元素fe、coafebwc、coafebmoc及coafebtac中的至少一者直接抵靠所述coxfeybz，其中“a”为0到50，“b”为50到99，且“c”为1到50。磁性cogfehbi直接抵靠元素w、元素mo、元素fe、coafebwc、coafebmoc及coafebtac中的所述至少一者，其中“g”为0到100，“h”为0到90，且“i”为0到50，其中“g”和“h”中的至少一者大于零。包括含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的至少一者的非磁性区域在两个隔开的磁性区域之间。含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的所述至少一者直接抵靠元素co。所述另一磁性区域包括直接抵靠含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的所述至少一者的磁性含co材料。

在一些实施例中，一种磁性隧道结包括导电第一磁性电极，所述电极包括直接抵靠包括co、fe及b的10埃厚的合金的包括3埃厚的fe的磁性记录材料。导电第二磁性电极与所述第一电极隔开且包括磁性参考材料。非磁性隧道绝缘体材料在所述第一电极与所述第二电极之间。所述第一磁性电极包括直接抵靠所述fe的电介质材料。包括co、fe及b的所述合金直接抵靠所述隧道绝缘体。所述第一磁性电极包括直接抵靠所述电介质材料的非磁性导电材料。所述第一磁性电极在所述电介质材料与所述非磁性导电材料之间没有任何磁性极化器区域。所述第二电极的所述磁性参考材料包括合成反铁磁性构造，所述合成反铁磁性构造包括两个隔开的磁性区域，所述磁性区域中的一者比另一者更靠近所述隧道绝缘体材料。所述一个磁性区域包括7埃厚的极化器区域，所述极化器区域包括coxfeybz，其中“x”为0到90，“y”为10到90，且“z”为10到50。所述coxfeybz直接抵靠所述隧道绝缘体。元素w、元素mo、元素fe、coafebwc、coafebmoc及coafebtac中的至少一者的2埃厚的区域直接抵靠所述coxfeybz，其中“a”为0到50，“b”为50到99，且“c”为1到50。七埃的磁性cogfehbi直接抵靠元素w、元素mo、元素fe、coafebwc、coafebmoc及coafebtac中的所述至少一者，其中“g”为0到100，“h”为0到90，且“i”为0到50，其中“g”和“h”中的至少一者大于零。包括含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的至少一者的7埃厚的非磁性区域在两个隔开的磁性区域之间。含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的所述至少一者直接抵靠所述7埃厚的磁性cogfehbi。所述另一磁性区域包括直接抵靠含ir材料、含ru材料、含rh材料及含os材料中的所述至少一者的14埃厚的元素co。非磁性元素ir、非磁性元素pt及非磁性元素ru中的至少一者直接抵靠所述14埃厚的元素co。非磁性nisfetcru直接抵靠非磁性元素ir、非磁性元素pt及非磁性元素ru中的所述至少一者，其中“s”为50到100，“t”为0到30，且“u”为0到45。非磁性元素ir、非磁性元素pt及非磁性元素ru中的至少一者在所述磁性含co材料与所述非磁性nisfetcru之间。

在一些实施例中，一种磁性隧道结包括：导电第一磁性电极，其包括磁性记录材料；导电第二磁性电极，其与所述第一电极隔开且包括磁性参考材料；及非磁性隧道绝缘体材料，其在所述第一电极与所述第二电极之间。所述第二电极的所述磁性参考材料包括合成反铁磁性构造，所述合成反铁磁性构造包括两个隔开的磁性区域，所述磁性区域中的一者比另一者更靠近所述隧道绝缘体材料。所述一个磁性区域包括极化器区域，所述极化器区域包括coxfeybz，其中“x”为0到90，“y”为10到90，且“z”为10到50。所述coxfeybz直接抵靠所述隧道绝缘体。包括含os材料的非磁性区域在两个隔开的磁性区域之间。所述另一磁性区域包括磁性含co材料。

在一些实施例中，一种磁性隧道结包括导电第一磁性电极，其包括磁性记录材料。导电第二磁性电极与所述第一电极隔开且包括磁性参考材料。非磁性隧道绝缘体材料在所述第一电极与所述第二电极之间。所述第一磁性电极包括电介质材料。所述磁性记录材料在所述电介质材料与所述隧道绝缘体之间。所述第一磁性电极包括非磁性导电材料。所述电介质材料在所述非磁性导电材料与所述磁性记录材料之间。所述第一磁性电极在所述电介质材料与所述非磁性导电材料之间没有任何磁性极化器区域。所述第二电极的所述磁性参考材料包括合成反铁磁性构造，所述合成反铁磁性构造包括两个隔开的磁性区域，所述磁性区域中的一者比另一者更靠近所述隧道绝缘体材料。所述一个磁性区域包括极化器区域，所述极化器区域包括coxfeybz，其中“x”为0到90，“y”为10到90，且“z”为10到50。所述coxfeybz直接抵靠所述隧道绝缘体。包括含os材料的非磁性区域在两个隔开的磁性区域之间。所述含os材料直接抵靠所述coxfeybz。所述另一隔开的磁性区域包括直接抵靠所述含os材料的磁性含co材料。非磁性nisfetcru直接抵靠所述磁性含co材料，其中“s”为50到100，“t”为0到30，且“u”为0到45。所述含co材料在所述含os材料与所述非磁性nisfetcru之间。

在遵守法规的情况下，已以或多或少专门针对结构和方法特征的语言描述本文中揭示的标的物。但是，应了解，权利要求书不受限于所展示且描述的特定特征，这是因为本文中揭示的构件包括实例实施例。因此，权利要求书应被给予如字面措词的全范围且应根据等效物的教义来适当地加以解释。