具有确定性切换和高数据保持的磁存储器单元的制作方法

1.本发明涉及一种具有确定性切换、高数据保持和对磁场干扰具有高抗扰度的磁存储器单元。


背景技术：

2.非易失性磁随机存取存储器（mram）单元包括具有硬磁层（即，“参考”层）和软磁层（即，“自由”或“存储”层）以及参考层和存储层之间的隧道阻挡层的磁隧道结（mtj）。常规的mram单元可以通过使电流流过形成在每个存储器元件的任一侧上的电流引线以便创建局部感应的磁场来写入，所述磁场设置了软层磁化的方向。
3.除了写入电流路径垂直穿过mtj的磁层以及穿过mtj的隧道阻挡之外，自旋转移力矩（stt）mram单元类似于常规的mram单元。存储层借助于由参考磁层感应的自旋极化电流的自旋转移力矩来设置。
4.最近，基于自旋轨道力矩的概念，已经证明了一种使用电流来切换薄铁磁层的磁化的备选方法。在此方案中，磁存储层与生成sot（sot-generating）的条带（层）接触，所述条带（层）通常是pt、ta、w、hf、irmn或ptmn。当在非磁sot生成层中注入电流时，自旋轨道耦合导致sot生成层内部的垂直自旋电流以及在与磁材料的交界面处的自旋累积。这两种效应都导致角动量转移到铁磁层的磁化，从而创建自旋轨道力矩，并在铁磁层中感应出磁化反转。自旋电流生成被称为自旋霍尔效应，而自旋重取向通常与rashba效应相关联。它们的相对贡献和更广泛的精确物理机制目前正在辩论中。
5.sot-mram单元的一个主要优点在于，由于不同的电流路径，写入和读取操作是去耦的，这自然解决了与stt-mram的耐久性和读取干扰相关的问题。此外，可以独立于写入约束来调节tmr，从而放宽了ra要求（通常在stt-mram中ra＜10ωμm2），以便实现高tmr（》200%）。
6.在图1a-c中，示意性地示出了针对各种sot-mram单元配置的自旋轨道力矩切换。在附图中，sot-mram单元仅由邻近于底部电极5（生成sot的条带）的存储层11表示。电流20流通过底部电极5中。
7.在图1a中，位存储层11包括面外存储磁化110，即，存储磁化110大体垂直于存储层11的面来取向。
8.存储层11还呈现强磁各向异性，使得也实现了足够的（至少数秒的）数据保持。
9.然而，由电流20生成的自旋轨道力矩没有虑及确定性切换，因为存储磁化110的两个磁取向（向上和向下）对于这些力矩是对称的，并且这两个磁取向都不受欢迎。为了建立存储磁化110的确定的切换取向，需要附加的对称破坏因子，诸如至少部分对准于电流20的方向的附加外部磁场（未示出）。
10.图1b示出了其中存储层11包括面内存储磁化110（即，存储磁化110大体平行于存储层11的面来取向）的sot-mram单元1的配置。存储磁化110大体上与电流方向共线，使得电流感应的sot被最大化，并且可以实现快速切换。由于由电流20感应的自旋轨道力矩对称地
作用在存储磁化110的两个方向（平行于和反平行于电流方向）上，除非提供附加的对称破坏因子（诸如至少部分地大体垂直于存储层11的面来取向的附加外部磁场（未示出）），否则电流20不会虑及确定性切换。
11.在图1c中，sot-mram单元1的存储层11包括大体垂直于电流20的方向来取向的面内存储磁化110。在这种配置中，自旋轨道力矩的作用对于存储磁化110的两个取向来说是不对称的，从而使得可以实现存储磁化110的确定性切换，而无需任何附加的对称破坏因子。
12.具有面内存储磁化110的图1b和1c的配置通常依赖于形状各向异性，并且不呈现足够大（》500 oe）的矫顽力以确保对磁干扰的抗扰度。
13.具有面内存储磁化110的图1b和1c的配置示出了弱磁各向异性，使得在小尺寸（即，通常具有小于60nm的最大尺寸）的单元中不能实现足够的数据保持。
14.因此，仍然需要一种mram单元设计，其提供以下所有特征:快速切换、确定性切换、足够的数据保持和用于对磁场干扰具有足够抗扰度的大矫顽力。


技术实现要素：

15.本公开涉及一种磁存储器（mram）单元，包括:由大体导电层形成的第一电极，其中第一电极具有一表面，所述表面布置成当写入电流在第一电极的面内流过大体导电层时积累自旋；以及在第一电极上形成的磁隧道结（mtj）堆叠，其中mtj堆叠包括:具有面内参考磁化的铁磁参考层；隧道阻挡层；以及隧道阻挡层与第一电极之间的铁磁存储层，所述存储层具有面内存储磁化；其中mtj堆叠包括用于在存储层中提供面内单轴各向异性的布置；其中所述面内单轴各向异性与写入电流的方向成5
°
至90
°
之间的角度，并且其中所述面内单轴各向异性具有40至200 kbt之间的能量和高于1000oe的矫顽场。
16.mram单元设计提供了以下所有特征:快速切换、确定性切换、足够的数据保持和大矫顽力，而无需附加的对称破坏因子。
附图说明
17.借助于以示例方式给出并由附图说明的实施例的描述，将更好地理解本发明，在所述附图中:图1示出了mram单元配置，其中存储层包括面外存储磁化（图1a）或面内存储磁化（图1b和c）；图2示出了根据实施例的mram单元的横截面视图；图3示出了根据另一实施例的mram单元的横截面视图；图4示出了根据又一实施例的mram单元的横截面视图；图5示出了根据实施例的mram单元的俯视图；图6表示根据实施例的mram单元的存储层中的面内单轴各向异性的取向；图7示出了根据另一实施例的mram单元的俯视图；图8示出了根据另一实施例的mram单元的横截面视图；以及图9示出了根据又一实施例的mram单元的横截面视图。
具体实施方式
18.图2示出了根据实施例的磁存储器（mram）单元1的横截面视图。mram单元1包括第一层5，所述第一层5配置用于使写入电流20流通。mram单元1还包括形成在第一层5上的磁隧道结（mtj）堆叠10。mtj堆叠10包括:具有面内参考磁化130的铁磁参考层13、隧道阻挡层12和具有面内存储磁化110的铁磁存储层11。在此，表述“面内”表示的是参考磁化130和存储磁化110分别在参考层13和存储层11的面内具有稳定状态。
19.存储层11在隧道阻挡层12和第一层5之间。隧道阻挡层12位于参考层13和存储层11之间。mtj堆叠10还可以包括第二层3。第二层3可以是导电条带。
20.参考层13和第二层3之间可以包括一个或多个附加层。在图4中所示的示例性mram单元1中，反铁磁层14被添加在参考层13和第二层3之间，反铁磁层14交换耦合参考层13，以便在mram单元1的操作温度下固定参考磁化130。在未示出的另一示例中，mram单元1可以在反铁磁层14和参考层13之间具有附加层，其用于控制反铁磁层14和参考层13之间的交换耦合的幅度。在同样未示出的另一示例中，为了形成合成反铁磁布置，mram单元1可以在参考层13和反铁磁层14之间具有附加层。
21.图2的mram单元1布置可以被看作三端子器件，其中写入电流20通过第一层5被注入（例如通过在第一层5的两端施加电压差）。写入电流20在第一电极5的面中（面内）流动。读取电流（未示出）可以在mtj堆叠10中流通（例如通过在第二层3和第一层5之间施加电压差）。
22.三端子布置的优点在于读取电流路径与写入电流路径20分开。由于写入电流20不在mtj堆叠10中垂直流动，所以隧道阻挡层12经受了较小的应力。
23.应该理解的是，图2仅代表mram单元1的一种布置，并且其他配置也是可能的。例如，在图3中，mram单元1从上到下以如下顺序来配置:第一层5、存储层11、隧道阻挡层12、参考层13和第二层3。
24.第一层5可以由大体导电的材料形成。第一层5可以包括具有高自旋轨道耦合的材料。这种材料可以包括选自ta、pt、pd、au、bi、zn、hf、os、pb、tl、w、tb、gd、ho、dy、pr、sm、nd、v、ti、te或ir元素中的任何一种或其组合，或具有高自旋轨道耦合的任何其他合适材料，或它们的氧化物。备选地，高自旋耦合材料可以包括低自旋轨道材料，诸如掺杂有上述元素中的任何一种或其组合或其氧化物的cu、si、al、mg或c。高自旋耦合材料还可以包括反铁磁材料或拓扑绝缘体。反铁磁材料可以包括包含ptmn、irmn或pdmn或它们的氧化物的合金。
25.在另一未示出的实施例中，第一层5可以包括多个导电或绝缘的子层。
26.有利地，mtj堆叠10配置用于在存储层11中提供面内单轴各向异性211。图5是mram单元1的俯视图，其中示出了存储层11和第一层5。图6表示面内单轴各向异性211相对于写入电流20的取向。第一层5中写入电流20的流动方向由线200所指示。面内存储磁化110包括平行于写入电流20流动方向200取向的平行分量111和垂直于写入电流20流动方向200取向的垂直分量112。平行和垂直分量111、112的幅度取决于角度θ。
27.面内单轴各向异性211和写入电流20的方向之间的大于0
°
且小于或等于90
°
的角度θ提供了对称破坏因子。
28.在实施例中，面内单轴各向异性211以相对于写入电流20的方向的角度θ来取向，所述角度在5
°
和90
°
之间。面内单轴各向异性211具有在40和200kbt之间的能量，并示出大
于200 oe，优选大于500 oe或更优选大于1000 oe的矫顽力。一般来说，矫顽力越大，对磁干扰的抗扰度越高。大约200 oe的矫顽力值可被视为最小值，以便获得对磁干扰的抗扰度。仅依靠形状各向异性是不能达到这样的值的。
29.在变型中，面内单轴各向异性211与写入电流20的方向形成在10
°
至90
°
之间的角度θ。在优选实施例中，单轴各向异性211与写入电流20的方向形成在30
°
至90
°
之间的角度θ。在10
°
至90
°
之间的，并且更特别地在30
°
至90
°
之间的角度θ提供了增加的对称破坏因子，并且这提供了存储磁化110的更确定的切换。
30.面内单轴各向异性211可以由包括面内单轴晶体各向异性的存储层11来提供。在变型中，存储层11可以例如在退火之后或者通过特殊沉积手段被优选地制成纹理化或者单晶，使得可以增强磁晶各向异性。在此和在说明书的其余部分中，术语“纹理化”或“纹理”对应于在层（在此特定情况下，存储层）的沉积步骤期间感应的优选结晶取向。
31.备选地，面内单轴各向异性211可以通过交换各向异性来提供。换句话说，面内单轴各向异性211是第一层5的反铁磁材料和存储层11的铁磁材料之间的磁相互作用的结果，这导致存储层11的矫顽场的增加。在此，第一层5的高自旋耦合材料可以包括反铁磁材料，诸如ptmn、irmn或pdmn。
32.在图7中所示的又一实施例中，面内单轴各向异性211可以由磁致伸缩感应的各向异性所提供。为此，存储层11可以包括应变铁磁层。例如，在sot-mram单元1的制造过程期间，这种铁磁层在第一层5上各向异性地应变生长。在另一示例中，存储层11可以包括在相变（phase transition）时经历单轴应力的铁磁层，其中这种相变可以例如由在制作过程期间的温度处理所引起。在又一示例中，存储层11可以生长在第一层5上。第一层5可以包括在第一层5的任一侧或任何部分上的层部分，其在相变时经历单轴应力，并且其中这种相变可以例如通过在制作过程期间的温度处理所引起，并且将应力从第一层5转移到存储层11。由应变铁磁存储层11所感应的各向异性机械应力导致磁致伸缩感应的面内单轴各向异性211。机械应力感应的面内单轴各向异性211可以包括拉伸或压缩应力σ
⊥
（其大体垂直于面内单轴各向异性211的方向来施加）或者拉伸或压缩应力σ
_
（其大体平行于面内单轴各向异性211的方向来施加）。面内单轴各向异性211相对于写入电流20的方向的取向因此可以通过适当的应力方向来设置。
33.在又一未表示的实施例中，面内单轴各向异性211可以通过存储层110的斜角沉积技术来提供。例如，在沉积过程期间，存储层11可以相对于在其上沉积了不同层5、11、12、13的衬底（未示出）的面的法线以倾斜入射来沉积。通过倾斜沉积的生长导致铁磁存储层11被纹理化成具有高面内单轴各向异性。面内单轴各向异性211相对于写入电流20的方向的取向因此可以通过使用一组合适的沉积参数来设置，并且特别是通过仔细设置面内沉积轴方向来设置。沉积角度（相对于衬底的面的法线）将被选择在5
°
至85
°
之间，并且优选大于40
°
。
34.在图8中所示的又一实施例中，面内单轴各向异性211可以通过籽晶层51的倾斜沉积技术来提供。例如，在沉积过程期间，籽晶层51可以相对于衬底的面的法线以倾斜入射来沉积。通过倾斜沉积的生长导致了纹理化的籽晶层51的创建和/或垂直于入射面的表面波纹的发展，这是由于当入射角增加时引入沉积原子的有效遮蔽。这导致了籽晶层51包括相对于籽晶层51面的法线倾斜的表面波纹。这将导致存储层110的高面内单轴各向异性211。面内单轴各向异性211相对于写入电流20的方向的取向因此可以通过使用一组合适的沉积
参数来设置，并且特别是通过仔细设置面内沉积轴方向来设置。沉积角度（相对于衬底面的法线）将被选择在5
°
至85
°
之间，并且优选大于40
°
。
35.在图9中所示的实施例变型中，籽晶层51被包括在第一层5中。例如，籽晶层51可以是第一层5的子层，其可以包括更多的子层。籽晶层51和第一层5可以形成单层。
36.在又一未示出的实施例中，面内单轴各向异性211可以由例如通过使用在籽晶层51和存储层11两者的沉积期间应用的倾斜沉积技术而被纹理化的存储层11所提供。
37.在又一未示出的实施例中，面内单轴各向异性211可以由在其上沉积籽晶层51的图案化衬底所提供。此衬底可以例如通过纳米制作技术来图案化，或者可以是邻近的衬底。在此和说明书的其余部分中，术语“图案化”对应于在层已经沉积之后经历制作过程以改变其性质（包括其晶体结构）的层。例如，可以提供诸如纳米凹槽的图案。在这种图案化衬底上的生长导致具有高面内单轴各向异性的纹理化铁磁存储层11的创建。只要预先图案化了适当的纹理，就可以设置面内单轴各向异性211的任何取向。因此，面内单轴各向异性211相对于写入电流20的方向的取向因此可以通过在衬底上产生适当的图案来设置。图案化结构具有低于2nm，并且优选低于0.5nm的平均幅度。
38.在又一未示出的实施例中，面内单轴各向异性211可以由被图案化的籽晶层51来提供。此籽晶层51可以例如通过纳米制作技术图案化。例如，可以产生诸如纳米凹槽的图案。这种图案化籽晶层51上的生长导致具有高面内单轴各向异性的纹理化磁材料的创建。只要预先图案化了适当的纹理，就可以设置面内单轴各向异性211的任何取向。因此，面内单轴各向异性211相对于写入电流20的方向的取向因此可以通过在衬底上产生适当的图案来设置。图案化结构具有低于2nm，并且优选低于0.5nm的平均幅度。
39.在又一未示出的实施例中，面内单轴各向异性211可以通过图案化衬底和籽晶层51两者（即，mtj堆叠10包括图案化的衬底和图案化的籽晶层51）来提供。图案化结构具有低于2nm，并且优选低于0.5nm的平均幅度。
40.面内单轴各向异性211可以通过以下组合来提供:包括面内单轴晶体各向异性的存储层11、通过交换各向异性、图案化衬底、图案化籽晶层51或通过磁致伸缩引起的各向异性。
41.存储磁化110被取向在存储层11的面中，以有限的非零角度θ从写入电流20方向旋转，使得由写入电流20生成的自旋轨道力矩效应对存储磁化110的切换虑及了快速和确定性的切换两者。
42.存储磁化110配置还提供了强磁各向异性，使得也实现了保持和高矫顽力（大于200oe，优选大于500oe或更优选大于1000oe）。面内单轴各向异性211以及存储磁化110可以被配置成足够大，使得确保mram单元1从数秒到数年，优选从1月到10年间的足够的数据保持。
43.即使当存储层11不具有形状各向异性时，所公开的mram单元1也虑及了稳定的磁写入状态。
44.参考数字和符号1 磁存储器单元10 磁隧道结11 存储层
110 存储磁化111 平行分量112 垂直分量12 隧道阻挡层13 参考层130 参考磁化14 反铁磁层20 写入电流200 电流流向211 单轴晶体各向异性3 第二层5 sot生成层，底部电极，第一层51 籽晶层θ角度σ 机械应力σ
⊥
垂直于各向异性轴的应力σ
= 平行于各向异性轴的应力