技术领域本专利文件一般来说涉及自旋转移扭矩磁性随机存取存储器，且更特定来说涉及磁性隧道结层堆叠，其具有正交磁化层，所述正交磁化层提供由电流极性确定性地界定的存储层的最终磁性状态。
背景技术：
磁阻性随机存取存储器(“MRAM”)是通过磁性存储元件存储数据的非易失性存储器技术。这些元件是可保持磁场且通过非磁性材料(例如非磁性金属或绝缘体)分离的两个铁磁性板或电极。一般来说，所述板中的一者使其磁化被钉扎(即，“参考层”)，这意味着此层具有比另一层高的矫顽磁性且需要较大磁场或自旋极化电流来改变其磁化的定向。第二板通常称为自由层，且相对于参考层，所述第二板的磁化方向可通过较小磁场或自旋极化电流而改变。MRAM装置通过改变自由层的磁矩的定向而存储信息。特定来说，基于自由层相对于参考层是处于平行对准还是反平行对准，可将“1”或“0”存储于每一MRAM单元中。由于自旋极化电子隧穿效应，所述单元的电阻由于两个层的磁场的定向而改变。单元的电阻将针对平行及反平行状态而不同，且因此单元的电阻可用于区别“1”与“0”。MRAM装置的一个重要特征是其为非易失性存储器装置，这是因为甚至在电力关断时其仍维持信息。所述两个板可在横向大小上为亚微米，且相对于热波动，磁化仍可为稳定的。较新技术(自旋转移扭矩或自旋转移切换)使用经自旋对准(“经极化”)电子来改变磁性隧道结中的自由层的磁化定向。一般来说，电子拥有自旋(电子固有的经量化数目的角动量)。电流通常是未极化的，即，其含有50％自旋向上电子及50％自旋向下电子。使电流通过磁性层以对应于磁性层(即，极化器)的磁化方向的自旋定向将电子极化，因此产生自旋极化电流。如果将自旋极化电流传递到磁性隧道结装置中的自由层的磁性区域，那么电子将使其自旋角动量的一部分转移到磁化层以对自由层的磁化产生扭矩。因此，扭矩可切换自由层的磁化，这实际上基于自由层相对于参考层是处于平行状态还是反平行状态而写入“1”或“0”。图1图解说明用于常规MRAM装置的磁性隧道结(“MTJ”)堆叠100。如所展示，堆叠100包含一或多个晶种层110，所述一或多个晶种层提供于堆叠100的底部处以起始上面所沉积层中的所要晶体生长。钉扎层112安置于晶种层110的顶部上，且合成反铁磁性层(“SAF层”)120安置于钉扎层112的顶部上。此外，MTJ130沉积于SAF层120的顶部上。MTJ130包含参考层132、势垒层(即，绝缘体)134及自由层136。应理解，参考层132实际上是SAF层120的一部分，但在于参考层132上形成势垒层134及自由层136时所述参考层形成MTJ130的铁磁性板中的一者。合成反铁磁性结构120中的第一磁性层交换耦合到钉扎层112，这通过反铁磁性耦合致使参考层132的磁化被固定。此外，非磁性间隔物140安置于MTJ130的顶部上，且垂直极化器150安置于非磁性间隔物140的顶部上。垂直极化器150经提供以将施加到MTJ结构100的电子(“经自旋对准电子”)的电流极化。此外，一或多个封盖层160可提供于垂直极化器150的顶部上以保护MTJ堆叠100上的下面层。最后，硬掩模170沉积于封盖层160上方且经提供以使用反应性离子蚀刻(RIE)工艺将MTJ结构100的下伏层图案化。具有MTJ结构(例如图1中所图解说明的堆叠100)的MRAM产品已用于大的数据存储装置中。为了瞬间起始存储层(即，自由层)的磁化反转，此类MTJ结构利用其磁化正交于存储层的垂直极化器。此类设计的一个关键限制是存储层的最终磁性向量状态无法被控制。用以控制最终磁性向量状态的一个所提出解决方案是使第一电流极性开始磁化反转过程且使第二电流极性在经界定磁化状态下停止自由层的磁化进动。然而，由于脉冲控制的技术限制(即，在100皮秒的范围内)，此技术/设计的实施尚未成为可能。另外，常规MTJ设计中的非磁性导体层不足以获得高隧穿磁阻值(“TMR”)且不足以实现向此类装置所需的切换特性。用以控制存储层的最终磁性状态的另一所提出解决方案是使来自参考层的自旋扭矩大于来自极化器的自旋扭矩。然而，此设计本质上仅为理论上的，且至今尚未成功地制造。另外，有效MTJ结构需要大的切换电流，这限制了其商业适用性。存在控制切换电流的所需大小的至少两个关键参数：自由层结构的有效磁化Meff及阻尼常数。一些现有设计已尝试通过减小自由层结构的厚度而降低所需切换电流。尽管此设计促成有效地降低Meff的磁化的垂直分量，但Meff的可测量减小仅在自由层非常薄(例如，1纳米)时发生。然而，此薄自由层具有严重后果，包含：(1)隧穿磁阻值(“TMR”)的显著减小；(2)较低热稳定性；及(3)自由层的经增加阻尼常数。图2图解说明将TMR值对具有铜(Cu)非磁性间隔物140的常规MTJ结构的CoFeB自由层的厚度进行比较的表格。如所展示，具有2.3nmCoFeB自由层的常规MTJ结构的MTR值是大约80％。显而易见，当自由层的厚度减小以减小切换电流时，TMR值迅速地减小(举例来说)到针对1.5nm的CoFeB自由层厚度为9％的TMR值。如进一步所展示，甚至具有1.8nm的厚度的CoFeB自由层给装置提供大约38％的TMR值。这些TMR值对于MRAM应用来说完全不充分。在实践中，需要大约120％或更大的TMR值来满足MRAM需要及规范。现有技术OST-MTJ结构根本无法实现此高TMR，并且还由于以下原因而具有低等切换特性：(i)自由层与极化器之间所使用的间隔物层(例如Cu)(即，图1的非磁性间隔物140)；及(ii)不良自由层磁性性质。
技术实现要素：
因此，本文中所揭示的MRAM装置通过提供具有经显著改进TMR值及优化自由层磁性性质(尤其是有效磁化(Meff)值)的MTJ结构而克服了现有技术设计的限制。所述MTJ结构包含MTJ层堆叠，所述MTJ层堆叠具有正交磁化层(极化器)，所述正交磁化层提供由电流极性确定性地界定的存储层的最终磁性向量状态。所述MTJ结构平衡来自极化器与参考层的自旋扭矩以实现确定性切换特性。根据示范性实施例，本文中所揭示的MTJ结构包含由氧化镁(MgO)及氮化钽(TaN)材料构成的非磁性间隔物层(位于存储/自由层与极化器层之间)，所述非磁性间隔物层平衡作用于自由层上的自旋扭矩。氮化钽层包含具有低电阻的α相晶体结构。此设计实现存储层的确定性最终状态，且显著改进用于MRAM应用的MTJ的TMR及切换特性。更特定来说，示范性实施例提供一种磁性装置，其包含：反铁磁性结构，其包含参考层；势垒层，其安置于所述参考层上；自由层，其安置于所述势垒层上；非磁性间隔物层，其安置于所述自由层上，所述非磁性间隔物包含氮化钽封盖材料层；及极化器，其安置于所述非磁性间隔物上。在另一实施例中，所述非磁性间隔物层进一步包括氧化镁层。在另一实施例中，所述氧化镁层包括大约0.3纳米的厚度。在另一实施例中，所述氮化钽封盖材料层包括介于1.0纳米与5.0纳米之间的厚度。在另一实施例中，所述氮化钽封盖材料层包括大约1.0纳米的厚度。在另一实施例中，所述氮化钽封盖材料层包括大约5.0纳米的厚度。在另一实施例中，所述磁性装置为正交自旋转移扭矩结构。在另一实施例中，所述参考层及所述自由层各自包括分别具有大约2.3纳米及1.85纳米的厚度的CoFeB薄膜层。在另一实施例中，所述非磁性间隔物层进一步包括具有大约5.0纳米的厚度的铜层，且所述氮化钽封盖材料层的所述厚度为大约1.0纳米到5.0纳米。在另一实施例中，所述非磁性间隔物层进一步包括具有大约10纳米的厚度的铜层，且其中所述氮化钽封盖材料层具有大约1.0纳米的厚度。在另一实施例中，所述示范性磁性装置形成存储器阵列的位单元。附图说明包含为本说明书的一部分的所附图式图解说明当前优选的实施例，且与上文给出的一般说明及下文给出的详细说明一起用于解释及教示本文中所描述的MTJ装置的原理。图1图解说明用于MRAM装置的常规MTJ堆叠。图2图解说明将TMR值对具有铜非磁性间隔物的常规MTJ结构的CoFeB自由层的厚度进行比较的表格。图3图解说明根据本文中所描述的新MTJ层堆叠的示范性实施例的MTJ层堆叠。图4图解说明将常规设计的磁性特性与具有沉积于MgO/TaN间隔物上的极化器的本文中所揭示的MTJ结构的示范性实施例的磁性特性进行比较的图表。图5及6图解说明将常规设计的自由层矫顽磁性与具有由MgO及TaN组成的非磁性间隔物的本文中所揭示的MTJ结构的示范性实施例的自由层矫顽磁性进行比较的图形。图7图解说明将常规MTJ结构的TMR值与本文中所揭示的MTJ结构的示范性实施例的那些TMR值进行比较的表格。图8图解说明根据本文中所揭示的MTJ结构的示范性实施例的TMR值与变化的TaN厚度的表格。图9A图解说明不具有极化器的MTJ装置的切换行为，且图9B图解说明具有极化器的MTJ装置的相同数据。各图未必按比例绘制，且遍及各图出于说明性目的，类似结构或功能的元件通常由相似参考编号表示。各图仅打算促进对本文中所描述的各种实施例的说明；各图并不描述本文中所揭示的教示的每一方面且不限制权利要求书的范围。具体实施方式本文中揭示磁性隧道结(“MTJ”)层堆叠。本文中所揭示的特征及教示中的每一者可单独地利用或连同其它特征及教示一起来利用。参考所附图式进一步详细地描述以单独方式及以组合方式两者利用这些额外特征及教示中的许多特征及教示的代表性实例。此详细说明仅打算向所属领域的技术人员教示用于实践本发明教示的优选方面的其它细节且不打算限制权利要求书的范围。因此，以下详细说明中所揭示的特征的组合可不必在最广泛意义上实践所述教示，且替代地仅经教示以描述本发明教示的特别代表性实例。在以下说明中，仅出于解释的目的，陈述特定术语以提供对本文中所描述的MTJ结构的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将显而易见，这些特定细节仅为示范性的。代表性实例及附属技术方案的各种特征可以并未具体地且明确地列举的方式相组合，以便提供本发明教示的额外有用实施例。还明确地提及，实体群组的所有值范围或指示均出于原始揭示内容的目的以及出于限制所主张标的物的目的而揭示每一可能中间值或中间实体。还明确地提及，各图中所展示的组件的尺寸及形状经设计以帮助理解如何实践本发明教示，但不打算限制实例中所展示的尺寸及形状。本文中所揭示的MTJ结构包含MTJ层堆叠，所述MTJ层堆叠具有正交磁化层(极化器)，所述正交磁化层提供由电流极性确定性地界定的存储层的最终磁性向量状态。MTJ结构平衡来自极化器与参考层的自旋扭矩以实现确定性切换特性。如下文将详细地描述，MTJ结构包含由MgO及TaN材料构成的非磁性间隔物层(位于存储/自由层与极化器层之间)，所述非磁性间隔物层平衡作用于自由层上的自旋扭矩。此设计实现存储层的确定性最终状态，且显著改进用于MRAM应用的MTJ的TMR及切换特性。特定来说，参考图3，展示根据示范性实施例的MTJ层堆叠200。MTJ堆叠200是图1中所图解说明的MTJ堆叠100的经改进设计。出于说明性目的，MTJ堆叠200中的各层中的每一者形成于x,y平面中且各自具有在z轴方向上的厚度。MTJ堆叠200包含一或多个晶种层210，所述一或多个晶种层提供于堆叠200的底部处以起始上面所沉积层(论述于下文中)的所要晶体生长。在示范性实施例中，晶种层210可为3Ta/40CuN/5Ta层压(如文本中所使用，“斜线”/指示从“斜线”/的左侧开始以结构的底部处的层开始的层压结构)，使得所述晶种层包含3nm钽层、40nm氮化铜层及5nm钽层。在晶种层210上面的是钉扎层212及合成反铁磁性(“SAF”)结构220。根据示范性实施例，钉扎层212是优选地具有大约22nm的厚度的铂锰PtMn合金。在示范性实施例中，SAF结构220由三个层(层222、层224及参考层232(论述于下文中))组成。优选地，层222是优选地具有大约2.1nm的厚度的钴铁合金，且层224是优选地具有大约0.90nm的厚度的钌金属。MTJ结构230形成于SAF结构220的顶部上。MTJ结构230包含三个单独层，即，形成于SAF结构220中的参考层232、势垒层234及自由层236。在示范性实施例中，参考层232及自由层236是钴-铁-硼(Co-Fe-B)合金薄膜，其中CoFeB参考层232具有大约2.3nm的厚度且CoFeB自由层236具有大约1.85nm的厚度。经钉扎层222与钉扎层212之间的层间电子交换耦合使经钉扎层222的磁化钉扎于固定方向上，如上文所论述。参考层232的磁化通过经由钌层224到经钉扎层222的合成反铁磁性耦合而固定。此外，在示范性实施例中，势垒层234由镁的氧化物MgO形成。如所展示，MgO势垒层234安置于参考层232与自由层236之间且充当所述两个层之间的隧道势垒。MgO势垒层234优选地具有大约1.02nm的厚度。优选地，MgO势垒层234的厚度足够薄使得穿过其的电流可由经自旋极化电子的量子力学隧穿确立。按惯例，针对MTJ结构，铜(Cu)非磁性间隔物安置于自由层上，如上文关于图1所描述。在示范性实施例中，MTJ堆叠200包含安置于自由层236上的非磁性间隔物240，其由薄MgO层242(优选地，0.3nm层)及MgO层242的顶部上的薄氮化钽TaN封盖材料层244组成。在示范性实施例中，TaN封盖材料的厚度介于1.0nm与5.0nm之间。所属领域的技术人员应了解，MgO层242及TaN层244的所要厚度可由于制造变化而稍微变化。此外，根据示范性实施例，描述采用垂直于自由层236磁化的自旋极化层以实现初始自旋转移扭矩的正交自旋扭矩结构。如所展示，MTJ堆叠200包含安置于非磁性间隔物240上的极化器250。极化器250经提供以使施加到MTJ堆叠200的电子(“经自旋对准电子”)的电流极化，这又可通过从载运垂直于MTJ堆叠200的自由层236的磁化方向的角动量的经极化电子施加于自由层236上的扭矩而帮助改变自由层236的磁化定向。此外，非磁性间隔物240经提供以将极化器250与MTJ结构230磁性地隔离。在示范性实施例中，极化器250由两个层压层252、254构成。优选地，第一层252是0.3Co/[0.6Ni/0.09Co]x3层压层，且第二层254是由0.21Co/[0.9Pd/0.3Co]x6组成的层压层。如图3中所进一步展示，一或多个封盖层260提供于极化器250的顶部上以保护MTJ堆叠200的下面层。在示范性实施例中，封盖层260可由第一层压层262(优选地为5nmTaN层)及第二层压层264(优选地为7nmRu)组成。硬掩模270沉积于封盖层260上方且可包括金属(例如钽Ta，举例来说)，但替代地，硬掩模270可包括其它材料。优选地，Ta硬掩模270具有大约70nm的厚度。硬掩模270是开口或经图案化的，且经提供以使用(举例来说)反应性离子蚀刻(RIE)工艺图案化MTJ堆叠200的下伏层。如上文所提及，示范性实施例的MTJ堆叠200的特征是沉积安置于自由层236上的非磁性间隔物240，其由薄MgO层242及MgO层242的顶部上的薄氮化钽TaN封盖材料层244组成。按惯例，不同材料(例如铜(Cu))已用于安置于MTJ结构的自由层上的非磁性间隔物。然而，此类常规设计未能提供MTJ结构的自由层的性能参数的改进，同时还未能减小用于优化操作的所需切换电流。已进行将本文中所描述的MTJ结构的性能参数与现有技术的常规设计配置进行比较的测试。图4图解说明根据示范性实施例的将在极化器沉积于铜间隔物上时的磁性特性与在极化器沉积于MgO/TaN间隔物上时的磁性特性进行比较的图表。如所展示，具有沉积于0.3nmMgO/10nm铜间隔物上的垂直极化器的常规设计具有不良极化器磁性，而具有沉积于0.3nmMgO/5.0TaN间隔物上的极化器的本文中所揭示的设计具有显著改进的极化器矫顽磁性。另外，迟滞回线指示沉积于0.3nmMgO/5.0TaN间隔物上的极化器具有较高且良好界定的垂直磁性各向异性(PMA)。类似地，图5及6图解说明将常规设计的自由层矫顽磁性与具有由MgO及TaN组成的非磁性间隔物的本文中所揭示的设计的自由层矫顽磁性进行比较的图形。如图5中所展示，当与具有安置于自由层上的由10nm铜间隔物组成的非磁性间隔物的常规设计相比时，针对示范性实施例的设计，饱和磁化(Ms)被显著降低。类似地，图6图解说明包含具有经改进MTJ特性的MgO/TaN非磁性间隔物的设计。图7图解说明将常规MTJ结构的TMR值与本文中所揭示的示范性实施例的那些TMR值进行比较的表格。应了解，此图将包含具有1.5nm、1.8nm或2.3nm的厚度的铜(Cu)非磁性间隔物的常规MTJ结构的图2的说明与包含具有大约1.8nm的厚度的MgO/TaN非磁性间隔物的示范性设计进行比较。如应了解，图7图解说明从针对常规设计约38％的TMR到针对示范性实施例约160％的TMR的显著TMR改进(大约4倍)。在示范性实施例中，非磁性间隔物的MgO层的厚度小于10埃且优选地小于5埃，使得其提供与CoFeB自由层的所要界面但仍将不增加全MTJ电阻。图8图解说明根据示范性实施例的TMR值与变化的TaN厚度的表格。由于TaN是自旋扩散层，因此MTJ设计者可通过调整TaN厚度(举例来说，从1nm调整到2nm到5nm)而调整由极化器产生的示范性设计的自旋扭矩。有利地，图8图解说明可在不影响TMR的值的情况下通过调整非磁性间隔物的TaN层的厚度范围而调谐极化器自旋扭矩。表1将现有技术OST-MTJ设计的性能参数与示范性实施例的MTJ设计的性能参数进行比较。特定来说，表1图解说明用于常规MTJ结构的10nm铜非磁性间隔物与根据本文中所描述的示范性实施例的安置于自由层236上的MgO/TaN非磁性间隔物的发明性结构之间的性能参数的比较。表1图解说明具有0.3nm的厚度的MgO层242与具有1.0nm、2.0nm或5.0nm的厚度的TaN层244的数据。[表1]如所展示，通过示范性实施例实现了MTJ结构的重要特性的显著改进。举例来说，饱和磁化(Ms)被显著降低大约40％，有效磁化Meff(即，平面内磁化)被减小超过35％，且阻尼常数被减小超过50％。此外，表1图解说明自由层的性质独立于TaN层244的厚度。特定来说，当TaN层具有1.0nm、2.0nm或5.0nm的厚度时，TMR为162％到163％。因此且如上文所描述，示范性实施例有利地在不影响自由层性质及MTJ结构的TMR值的情况下促进调谐极化器自旋扭矩。图9A图解说明不具有极化器的MTJ装置的切换行为。相比来说，图9B图解说明具有极化器的MTJ装置的相同数据。如图9B中所展示，切换是确定性的，这意味着负极性及正极性设定最终磁化状态，如在图9A的共线情形中。表2图解说明本文中的本揭示内容的替代实施例的性能参数的比较。这些结构中的每一者在设计上类似于图3中所图解说明的MTJ结构，其中具有对安置于自由层236上的非磁性间隔物的变化。特定来说，表2的四列图解说明具有非磁性间隔物240的层的变化的MTJ特性，所述变化包含：(i)1nmTaN/5nmCu间隔物；(ii)3nmTaN/5nmCu间隔物；(iii)5nmTaN/5nmCu间隔物；及(iv)0.3MgO/2.0nmTaN/10nmCu间隔物。这些结构还使MTJ结构的反铁磁退火温度扩展到350C到400C。[表2]应了解，当将这些示范性设计中的每一者与具有10nm铜层(参见，例如，表1)的非磁性间隔物的常规MTJ结构进行比较时，这些替代设计展现经改进MTJ特性。特定来说，这些设计中的每一者实现经降低饱和磁化(Ms)、经减小有效磁化Meff(即，平面内磁化)及经减小阻尼常数。此外，TMR值保持显著高于常规设计，如上文所论述。如上文所描述，本揭示内容提供一种MTJ结构，其在自由层与极化器之间包含间隔物结构，所述间隔物结构促进对作用于自由层上的极化器自旋扭矩的调谐。此外，示范性MTJ结构使参考层自旋扭矩最大化且提升以下各项：(i)自由层的低有效磁化(Meff)；(ii)低阻尼常数；(iii)与自由层的清晰界面以便消除磁性死层；(iv)与较薄CoFeB层的高TMR比；及/或(v)不显著增加全MTJ结构的电阻。因此，通过组合自由层的较高TMR、低阻尼常数、低有效磁化与通过具有高Ms(或Ms/Meff比)的仍高热稳定性而实现较低切换电流及较快速磁化反转过程。此外，MTJ结构提供由电流极性界定的存储层磁化方向。进一步预期，图3中所图解说明的MTJ堆叠200的所有层可由薄膜溅射沉积系统形成，如所属领域的技术人员将了解。薄膜溅射沉积系统可包含各自具有一或多个目标的必要物理气相沉积(PVD)室、氧化室及溅射清洁室。溅射沉积过程涉及溅射气体(例如，氧气、氩气等)与超高真空，且目标可由待沉积于衬底上的金属或金属合金制成。此外，所属领域的技术人员应了解，可制造多个MTJ堆叠200(如图3中所展示)且提供其作为STT-MRAM装置的相应位单元。换句话说，每一MTJ堆叠200可实施为用于具有多个位单元的存储器阵列的位单元。以上说明及图式仅应视为说明实现本文中所描述的特征及优点的特定实施例。可对特定工艺条件做出修改及替代。因此，本专利文件中的实施例不应视为受前述说明及图式限制。