电场增强型自旋转移扭矩存储器(sttm)器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例属于存储器器件领域，并且具体来说，属于自旋转移扭矩存储器(STTM)器件领域。
【背景技术】
[0002]STTM器件是利用称为隧穿磁电阻(TMR)的现象的非易失性存储器器件。对于包括通过薄绝缘隧道层来分隔开的两个铁磁层的结构来说，更可能的是，当这两个磁性层的磁化处于平行定向时，比起其不处于平行定向(非平行或反平行定向)，电子将隧穿通过该隧道层。因此，MTJ可以在电阻的两个状态之间切换，一个状态具有低电阻，并且一个状态具有尚电阻。
[0003]对于STTM器件来说，使用电流诱导的磁化切换来设置位状态。一个铁磁层的极化状态是相对于第二铁磁层的固定极化经由自旋转移扭矩现象来切换的，从而使得该MTJ的状态能够通过施加电流来设置。在使电流通过固定磁性层时，电子的角动量(自旋)沿该固定层的磁化方向来极化。这些自旋极化电子将其自旋角动量转移到自由层的磁化并且导致其进动。因此，该自由磁性层的磁化可以通过超过某一临界值的电流的脉冲(例如，在大约I纳秒内)来切换，其中，只要该电流脉冲低于归因于不同几何结构、相邻钉扎层、不同矫顽力(He)等的较高阈值，该固定磁性层的磁化就保持不变。
[0004]切换该自由层的磁化所需的电流的临界值(在本文中称为“临界电流”)是影响耦合到该STTM器件的晶体管的尺寸的因素，其中较大的临界电流需要较大的晶体管，从而因1T-1STTM元件单元大小、较高功耗等导致较大的占用面积。由于STTM阵列容量和功耗将可与其它存储器技术(例如DRAM)竞争，因此临界电流的减小是有利的。
【附图说明】
[0005]在附图的图中，通过举例而非限制性的方式示出本发明的实施例，其中:
[0006]图1A根据本发明的实施例，不出包括场板的STTM器件的横截面视图；
[0007]图1B根据本发明的实施例，示出包括场板的STTM器件的横截面视图；
[0008]图2A、图2B、图2C和图2D根据一实施例，示出在对平行磁性层的极化状态进行切换时包括场板的STTM器件的横切面的等轴视图；
[0009]图3A、图3B、图3C和图3D根据一实施例，示出在对垂直磁性层的极化状态进行切换时包括场板的STTM器件的横切面的等轴视图；
[0010]图4是根据一实施例，示出制造包括场板的STTM器件的方法的流程图；
[0011]图5A、图5B、图5C、图和图5E根据一实施例，示出在执行图4的方法中的操作时包括场板的STTM器件的等轴视图；
[0012]图6根据本发明的实施例，示出包括自旋转移扭矩元件的STTM位单元的示意图。
[0013]图7根据本发明的实施例，示出移动计算装置平台的等轴视图和该移动平台所采用的微电子器件的示意图；以及
[0014]图8根据本发明的一个实施方式，示出计算装置的功能框图。
【具体实施方式】
[0015]本文描述了采用电场以获得减小的临界电流的电压辅助型STTM器件。在以下描述中，阐述了众多细节，然而，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在一些情况下，以框图形式示出(而不详细示出)公知的方法和器件，以便避免使本发明含糊不清。贯穿本说明书对“一实施例”或“在一个实施例中”的引用意指结合该实施例所描述的特定的特征、结构、功能或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个位置出现短语“在一实施例中”并不必然地指代本发明的同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当的方式来对特定的特征、结构、功能或特性进行组合。举例来说，第一实施例可以与第二实施例进行组合，这两个实施例没有规定为互相排斥的。
[0016]术语“耦合”和“连接”连同其派生词一起在本文中可以用于描述部件之间的结构关系。应当理解，这些术语并不旨在作为彼此的同义词。更确切地说，在特定的实施例中，“连接”可以用于指示两个或更多个元件彼此直接物理接触或电接触。“耦合”可以用于指示两个或更多个元件彼此直接或间接(利用它们之间的其它介入元件)物理接触或电接触，和/或这两个或更多个元件协同操作或相互作用(例如，如在因果关系中)。
[0017]如本文所使用的术语“在……上方”、“在……下方”、“在……之间”和“在……上”指代一个材料层或部件相对于其它层或部件的相对位置。举例来说，设置在另一个层上方(之上)或下方的一个层可以直接与另一个层接触或可以具有一个或多个介入层。此外，设置在两个层之间的一个层可以直接与这两个层接触或可以具有一个或多个介入层。相比之下，“在”第二层“上”的第一层是与该第二层直接接触。类似地，除非另有明确说明，否则设置在两个特征(feature)之间的一个特征可以与相邻特征直接接触或可以具有一个或多个介入特征。
[0018]本文所描述的实施例包括一种自旋电子器件，其通常不仅利用电流诱导的磁场操纵(自旋转移扭矩)，并且还利用对磁偶极子定向的电场诱导的操纵来设置磁性器件元件中的状态(例如，对存储器元件进行写入)。更具体来说，磁性隧穿结(MTJ)的自由磁性层暴露在电场下，以调制该自由磁性层的至少一部分范围上的一个或多个磁属性(例如，面磁各向异性Ks)，从而减小该器件元件的自旋转移诱导的磁化切换所需的临界电流。因此，本文所描述的自旋电子器件的实施例可以视为“电场增强型”自旋转移扭矩(EFESTT)器件。
[0019]如本文进一步所描述的，EFESTT器件实施例通常利用电场，该电场被定向为非平行于通过(MTJ)叠置体或元件的自由磁性层的电流。所施加电场的该方向与“电场控制型”自旋电子器件形成对比，该“电场控制型”自旋电子器件试图通过平行于通过MTJ的电流的方向施加电场来诱导磁化切换，其中，该电场沿跨越自由磁性层的厚度的方向定向并且跨越该MTJ叠置体的直径基本上均匀。值得注意的是，平行于通过将延伸到自由磁性层中的该MTJ叠置体的电流的方向形成电场必需在该MTJ叠置体和触点之间(例如，在该自由磁性层和最靠近该自由磁性层的触点之间)添加电介质绝缘体，以使得通过该自由磁性层的触点之间的电阻变得太大以至于不容许电流(DC)用于该自由磁性层的自旋转移诱导的磁化切换。因此，电场控制型自旋电子器件完全取决于电场诱导的磁化切换，并且面临诸多产生的困难。然而，本文所描述的EFESTT器件实施例并不完全取决于电场诱导的磁化切换并且避免在该MTJ叠置体或元件中添加隔离电介质层。因此，可以仍利用跨越该MTJ叠置体的触点的合理低的电压降来产生电流脉冲并且将其用于自旋转移扭矩磁化切换。
[0020]图1A根据本发明的实施例，示出包括场板160的STTM器件101的横截面视图。通常，STTM器件101是适合用于磁性存储的器件(即，自旋电子存储器元件)并且沿有利的垂直叠置体定向来示出，虽然其它定向(水平的等)也是可能的。通常，STTM器件101包括分别设置在固定磁性层电极和自由磁性层电极105、130之间的MTJ叠置体103。值得注意的是，本文中的实施例示出用于通过施加电场来增强STT器件的结构和技术，这些结构和技术广泛地适用于在本领域中公知的适用于STT器件的任何MTJ叠置体。因此，虽然为了清楚起见，示例性实施例包括对一个有利的MTJ叠置体103的描述，但本发明的实施例并不限于任何一个MTJ叠置体，而是容易适于本领域中公知的许多变型中的一个变型。在该实施例中，MTJ叠置体103包括固定磁性层110、设置在固定磁性层110上方的隧穿层108和设置在隧穿层108上方的自由磁性层106。在其它实施例中，对MTJ叠置体103的这些功能层的顺序进行颠倒。此外，根据该实施例，MTJ叠置体103可以具有平面内各向异性外延结构或者平面外(或“垂直的”)各向异性外延/纹理化结构。
[0021]通常，固定磁性层110由适合用于维持固定磁化方向的材料或材料叠置体组成，而自由磁性层106由磁性较软材料或材料叠置体(即，相对于固定层，磁化可以容易地旋转为平行和反平行状态)组成。隧穿层108由适合用于允许多数自旋(majority spin)的电流通过该层、同时阻碍少数自旋(minority spin)的电流(S卩，自旋过滤器)的材料或材料叠置体组成。
[0022]在该示例性实施例中，MTJ叠置体103是基于CoFeB/MgO系统，其具有MgO隧穿层108以及CoFeB层106、110。在某些实施例中，MTJ叠置体103的所有层具有(001)平面外纹理，其中，纹理是指该MTJ结构的这些层内晶体定向的分布。对于本文所描述的实施例来说，CoFeB/MgO/CoFeB MTJ叠置体103的高比例的晶体针对至少100%的TMR比率具有优选的(001)平面外定向(即，纹理度高)。在一个有利的CoFeB/MgO实施例中，(001)定向的CoFeB磁性层106、108是富铁合金(即，Fe>Co)，例如(但不限于)Co20Fe60B20。具有等量的钴和铁的其它实施例也是可能的(例如，Co40Fe40B20)，如较少量铁的