用于MRAM的具有高面内磁化强度的进动自旋电流结构的制作方法

本专利文档大体上涉及自旋转移力矩磁性随机存取存储器，且更特定来说，涉及磁性隧道结堆叠，所述磁性隧道结堆叠通过使用进动自旋电流结构而在磁性隧道结结构中具有性能经改进的自由层，所述进动自旋电流结构通过使用具有面心立方材料的材料而具有高面内各向异性。

背景技术：

1、磁阻式随机存取存储器(“mram”)为通过磁性存储元件存储数据的非易失性存储器技术。这些元件为可保持磁化且被非磁性材料(例如非磁性金属或绝缘体)分离的两个铁磁板或电极。一般来说，板中的一者使其磁化钉扎(即，“参考层”)，意指此层具有比另一层高的矫顽性且需要更大磁场或自旋极化电流来改变其磁化的定向。第二板通常被称为自由层且可通过相对于参考层更小的磁场或自旋极化电流改变其磁化方向。

2、mram装置通过改变自由层的磁化的定向而存储信息。特定来说，基于自由层相对于参考层处于平行还是反平行对准，可在每一mram单元中存储“1”或“0”。由于自旋极化电子隧穿效应，单元的电阻由于两个层的磁化的定向而改变。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在“1”与“0”之间进行区分。mram装置的一个重要特征为其为非易失性存储器装置，这是因为甚至在电源关闭时其仍维持信息。两个板的横向大小可为亚微米且磁化方向仍可相对于热波动稳定。

3、自旋转移力矩或自旋转移开关使用自旋对准(“极化”)电子来改变磁性隧道结中自由层的磁化取向。一般来说，电子拥有自旋，即电子所固有的经量化数目的角动量。电流一般来说为非极化的，即，其由50％向上自旋电子及50％向下自旋电子组成。使电流通过磁性层会将电子极化，其中自旋定向对应于磁性层(即，极化器)的磁化方向，因此产生自旋极化电流。如果自旋极化电流经传递到磁性隧道结装置中的自由层的磁性区域，那么电子将把其自旋-角动量的部分转移到磁化层以在自由层的磁化上产生力矩。因此，此自旋转移力矩可切换自由层的磁化，其实际上基于自由层相对于参考层在平行状态还是反平行状态中而写入“1”或“0”。

4、图1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在堆叠100的底部处提供以在上面所沉积层中起始所要结晶生长。此外，mtj 130沉积在saf层120的顶部上。mtj 130包含参考层132，其为磁性层，非磁性隧穿势垒层(即,绝缘体)134、及自由层136，其也是磁性层。应理解，参考层132实际上为saf层120的部分，但是当非磁性隧穿势垒层134及自由层136形成在参考层132上时，形成mtj 130的铁磁板中的一者。如图1中所展示，磁性参考层132具有垂直于其平面的磁化方向。还如在图1中所看到，自由层136也具有垂直于其平面的磁化方向，但其方向可以变化180度。

5、saf层120中的第一磁性层114安置在晶种层110上方。saf层120还具有安置在第一磁性层114上方的反铁磁性耦合层116。此外，非磁性间隔物140安置在mtj 130的顶部上且极化器150安置在非磁性间隔物140的顶部上。极化器150为磁性层，其在其平面中具有磁性方向，但是垂直于参考层132及自由层136的磁性方向。提供极化器150以使施加到mtj结构100的电子(“自旋对准电子”)电流极化化。此外，可在极化器150的顶部上提供一或多个覆盖层160，以保护mtj堆叠100下面的层。最后，硬掩模170沉积在覆盖层160上，并经提供以使用反应离子蚀刻(rie)工艺来图案化mtj结构100的下层。

6、已经提出各种机制来辅助磁性隧道结(mtj)装置中的自由层磁化切换，例如用于面内磁性隧道结装置的正交自旋转移。一个问题是，为了实现面内mtj结构的正交自旋转移效应，可能需要大的自旋电流来进行切换。对大切换电流的需求可能限制此类装置的商业适用性。提出降低切换电流的一种方法是降低自由层的磁化强度。然而，如果自由层的有效磁化强度显着降低，那么必须限制正交效应，使得自由层不会进入使自由层磁化的最终状态不确定的进动模式。这定义了面内ost结构的操作窗口。在面内装置中，与图1中所展示的不同，参考层及自由层的磁化方向在层的平面中。面内装置的另一方面是热稳定性要求可能将mtj装置的大小限制到大约六十纳米或更高。

7、对于例如图1中所展示那些的垂直mtj结构，进动不是问题。正交极化器在初始状态下作用于自由层磁化，但是当进动保持时，固定正交极化器150仅有助于自由层磁化旋转的一半周期，同时其损害周期的另一半。参考图2a到2b及3对此进行说明。图2a到2b展示mtj的自由层136的切换。如所看到，自由层136具有垂直于极化器150磁化方向的磁化方向200。自由层136的磁化方向200可以旋转180度。图2a到2b展示关于自由层136的磁化矢量的轴的进动。在进动期间，磁矢量200开始围绕其轴以锥形方式旋转，使得其磁化矢量200'从自由层136的垂直轴202偏转。对于理想状况，在开始进动之前，没有磁矢量200的分量在自由层136的平面中，一旦进动开始，磁矢量200'的分量可经发现既在面内又正交于自由层136。随着磁矢量200'继续进动(即，切换)，矢量200'的旋转从自由层136的中心进一步延伸，如在图2b中所看到。

8、在使用例如极化器150的极化器的现有mtj装置中，极化器150的磁化方向是固定的，如图1及3中所展示。还参见美国专利第6,532,164号，其中指出极化层的磁化方向在电流存在下不会变化。在电流通过mtj之前，自由层136具有与极化器150的磁化方向实质上垂直的磁化方向200。虽然自由层136的磁化方向200可以旋转180度，但此旋转通常被自由层的固有阻尼能力205排除，所述固有阻尼能力由指向轴线202的矢量205表示(在图2a以及图3中展示为虚线)。轴线202垂直于自由层136的平面。此阻尼205具有由阻尼常数定义的值，其维持自由层136的磁化方向。

9、使电流通过极化器150产生自旋极化电流，其在磁化矢量200上沿极化器150的方向产生自旋转移力矩210。来自极化器的该自旋转移力矩增加了导致自由层磁化方向切换的主自旋转移力矩。在如图1中所展示的那些的装置中，当自旋转移力矩210开始帮助克服自由层136固有的阻尼205时，磁方向200'开始围绕其轴线进动，如图2a中所展示。如在图3中所看到，自旋转移力矩210有助于自由层136的磁化方向以锥状方式围绕垂直于层的平面的轴202进动。当自旋极化电流横穿堆叠100时，自由层136的磁化以连续方式进动(即，它以如图3中所展示的连续方式自身接通)，其中维持振荡直到自由层136的磁方向在自旋力矩引起进动之前的磁方向相反，即，自由层136的磁方向切换180度。

10、图3说明由极化磁性层150提供的自旋极化电流辅助的mtj的自由层136的进动。来自极化器150的自旋极化电子提供了有助于克服进动215的前半部分中的阻尼205的力矩210，因为由自旋极化电流提供的力矩210与自由层136的固有阻尼205的力矩相反。这在图3的中间部分的右侧示出。然而，来自极化器150的自旋极化电子实际上在进动220的后半部分期间损害了切换过程。其原因在于自旋极化电流中的电子自旋仅在其极化方向上施加力矩210。因此，当磁矢量处于与极化电子的自旋相反的进动周期220的一半时，自旋转移力矩210实际上与自由层136的固有阻尼205一起工作以使旋转更加困难。这在图3的中间部分的左侧展示。实际上，是参考层132(图3中未展示)的磁化矢量在电子的自旋损害进动的所述一半进动周期期间克服自由层136的阻尼以及自旋转移力矩210，且因此是参考层132允许完成进动。

11、在这些现有装置中，由于极化器150的磁化方向是固定的，一旦进动保持不变，其对完全的180度进动的切换机构没有任何正面影响。这是因为当所有矢量紧密对准时，极化电子将最有助于自旋转移力矩。

12、在由与本专利文档相同的申请人提交的美国专利申请案第14/814,036号中，揭示一种具有进动自旋电流磁性层的mram装置，所述进动自旋电流磁性层与磁性隧道结的自由磁性层物理分离且是通过非磁性间隔物耦合到所述自由磁性层。在此共同待决申请案中所描述的装置中，进动自旋电流磁性层的磁化方向跟随自由磁性层的磁化方向的进动，从而致使自旋转移力矩辅助自由磁性层的磁化矢量的切换。美国专利申请案第14/814,036号的揭示内容通过全文引用的方式并入本文中。

13、当使用具有垂直磁性隧道结的面内进动自旋电流磁性层时，希望在面内维持进动自旋电流磁性层的磁矩，同时还减小其磁矩。不幸的是，许多铁磁材料如cofeb具有界面垂直的磁晶各向异性(“ipma”)，因此导致磁场方向在平面外。为了避免ipma，必须增加cofeb的厚度，通常厚度大于1.5nm。然而，1.5nm厚的cofeb层增加了磁矩，使得其等于或大于自由层的磁矩，因此失去了单独为进动自旋电流磁性层的低磁矩设定面内磁化的能力。这是不希望的，因为进动自旋电流磁性层应保持在面内，且如所论述的，可以通过降低进动自旋电流磁性层的磁矩来提高性能。这导致磁性隧道结的自由层附近的强偶极场，这降低了自由层稳定性。

技术实现思路

1、本发明揭示一种具有磁性隧道结堆叠的mram装置，所述磁性隧道结堆叠在磁性隧道结结构中具有性能经显著改进的自由层，所述磁性隧道结结构需要显著较低切换电流且显著减少用于mram应用的切换时间。

2、在实施例中，磁性装置包含在第一平面中的第一合成反铁磁性结构。合成反铁磁性结构包含磁性参考层，其中磁性参考层具有垂直于第一平面的磁化矢量且具有固定磁化方向。实施例还包含在第二平面中且安置在磁性参考层上方的非磁性隧道势垒层。实施例进一步包含在第三平面中且安置在非磁性隧道势垒层上方的自由磁性层。自由磁性层具有垂直于第三平面的磁化矢量，且具有可从第一磁化方向进动到第二磁化方向的磁化方向。磁性参考层、非磁性隧道势垒层及自由磁性层形成磁性隧道结。实施例进一步包含在第四平面中的非磁性间隔物，其安置在自由磁性层上方。磁性耦合层包括mgo。在实施例中，进动自旋电流磁性层存在于第五平面中，所述进动自旋电流磁性层与自由磁性层物理分离并通过非磁性间隔物耦合到自由磁性层。进动自旋电流磁性层具有磁化矢量及在第五平面中的可在任何磁方向上自由旋转的磁化分量。包括材料的进动自旋电流磁性层具有面心立方(fcc)晶体结构。实施例进一步包含在第六平面中的覆盖层，所述第六平面安置在进动自旋电流磁性层上方。电流被引导通过覆盖层、进动自旋电流磁性层、非磁性间隔物、自由磁性层、非磁性隧道势垒层及磁性参考层，其中电流的电子在进动自旋电流磁性层的磁方向上对准。进动自旋电流磁性层的磁化方向自由地跟随自由磁性层的磁化方向的进动，从而致使自旋转移力矩辅助自由磁性层的磁化矢量的切换。

3、在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层的磁化矢量的磁化方向在第五平面中。

4、在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层的磁化方向具有在第五平面中的可在所述第五平面中自由旋转的磁化分量。

5、在磁性装置的实施例中，具有面心立方(fcc)晶体结构的材料为包括镍(ni)及铁(fe)的坡莫合金。

6、在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层包括fe层、ru层及面心立方晶体结构层，其包括具有面心立方晶体结构的材料。fe层可以安置在非磁性间隔物上方，ru层可以安置在fe层上方，且面心立方晶体结构层可以安置在ru层上方。

7、在磁性装置的实施例中，具有面心立方晶体结构的材料为包括镍(ni)及铁(fe)的坡莫合金。

8、在磁性装置的实施例中，覆盖层包括tan层。

9、在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层包括fe层、ru层、cofeb层及面心立方晶体结构层，其包括具有面心立方晶体结构的材料。fe层可以安置在非磁性间隔物上，ru层可以安置在fe层上方，cofeb层可以安置在fe层上方，且面心立方晶体结构层可以安置在cofeb层上方。

10、在磁性装置的实施例中，具有面心立方晶体结构的材料为包括镍(ni)及铁(fe)的坡莫合金。

11、在磁性装置的实施例中，覆盖层包括tan层。

12、在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层包括：fe层；ru层；第一cofeb层；面心立方晶体结构层，其包括具有面心立方晶体结构的材料；及第二cofeb层。fe层可以安置在非磁性间隔物上，ru层可以安置在fe层上方，第一cofeb层可以安置在fe层上方，面心立方晶体结构层可以安置在第一cofeb层上方，且第二cofeb层可以安置在面心立方静态结构层上方。

13、在磁性装置的实施例中，具有面心立方晶体结构的材料为包括镍(ni)及铁(fe)的坡莫合金。

14、在磁性装置的实施例中，覆盖层包括tan层。

15、在磁性装置的实施例中，覆盖层包括mgo层。

16、在磁性装置的实施例中，覆盖层包括ru层。

17、在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层包括fe层及nife层，其中nife层为具有面心立方晶体结构的材料，fe层安置在非磁性间隔物上方，nife层安置在fe层上方。进动自旋电流磁性层进一步包括安置在nife层上方的第三层。

18、在磁性装置的实施例中，第三层包括cofeb。

19、在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层磁耦合到自由磁性层。

20、在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层电子耦合到自由磁性层。

21、在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层的进动与自由磁性层的进动同步。

22、在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层具有大于零的旋转频率。

23、在磁性装置的实施例中，自由磁性层具有有效磁各向异性，使得其易磁化轴线指向远离垂直方向并相对于其垂直平面形成角度。