具有附带垂直磁各向异性的层压自由层的自旋转移转矩隧道磁阻装置的制造方法
【技术领域】
[0001]信息存储装置以高容量制造并广泛地用于将数据存储在计算机和其他消费电子装置中和/或检索计算机和其他消费电子装置内的数据。信息存储装置可以分类成易失性存储装置或非易失性存储装置，这取决于当信息存储装置未供电时是否维持其存储内容。非易失性信息存储装置的示例包含磁性硬盘驱动器和磁性随机存取存储器(MRAM)装置，其中的任一个都可以利用磁阻隧道结(MTJ)作为信息存储或检索操作的一部分。具体地，鉴于易失性随机存取存储器(RAM)装置通常存储数据作为电荷，MRAM装置可以将数据存储在MTJ中，甚至当存储器装置未供电时MTJ也会维持存储内容。
【背景技术】
[0002]通常，每个MTJ包含具有被钉扎或固定的磁取向的基准层和具有可以由(例如，来自于相邻盘或由编程电流产生的)外部磁场改变的磁取向的自由层。当自由层磁取向平行于基准层磁取向时，所述MTJ处于低电阻状态，并且当自由层磁取向逆平行于基准层磁取向时，所述MTJ处于高电阻状态。如果(用可接受的切换速度)在高电阻状态和低电阻状态之间切换期望的MTJ所需的外部磁场和/或编程电流太大，或者如果MTJ被布置得太紧密地在一起，则一个或多个相邻MTJ可以不合意地受影响或被意外地切换。
【发明内容】
[0003]近年来，已有许多关于MTJ被授予专利的变化和改善，其中一些帮助缓解前述问题以当MTJ被布置得紧靠彼此时允许更可靠的操作。例如，已经研究一种自旋转移转矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)，其中每个MTJ通过经过MTJ的自旋极化电流的施加进行切换(即“编程”)。STT-MRAM相对于磁场切换的MRAM具有显著优点，这已在近来被商业化。例如，STT-MRAM可以被缩放到更小尺寸，同时维持单个MTJ的可编程性(而没有无心地和不期望地影响相邻MTJ的编程)。此外，STT-MRAM可以用更少的编程电流编程，这减少了电力消耗和对散热的相关联要求。
[0004]然而，实施STT-MRAM的挑战之一是最小化快速切换MTJ内自由层的磁取向所需的编程电流，同时维持所记录的数据的高热稳定性。减小的编程电流可以允许使用更小的存储器单元晶体管，这可以充分减小所并入的存储器装置的整体尺寸。减小的编程电流要求也对应于在写入和感测期间MTJ两端的减小的电压，这可以降低隧道势皇劣化和击穿的可能性，且从而改善所并入的存储器装置的耐久性和可靠性。
[0005]因此，在本领域中需要一种改进的MTJ，其可以使用减少的编程电流与可接受的热稳定性快速地且可靠地切换并且其适合于高容量制造和在缩减比例的数据存储装置中的广泛耐久使用。
【附图说明】
[0006]图1是根据本发明的实施例的能够通过并入自旋转移转矩MTJ改进的常规MRAM单元的示意图。
[0007]图2是根据本发明的某些实施例的自旋转移转矩MTJ的横截面图。
[0008]图3是根据本发明的某些实施例的自旋转移转矩MTJ的横截面图。
【具体实施方式】
[0009]图1是根据本发明的实施例的能够与常规自旋转移转矩MTJ—起操作或者能够通过并入自旋转移转矩MTJ改进的常规MRAM单元50的示意图。
[0010]现在参照图1，MRAM单元50包含MTJ堆栈52、存取晶体管54、位线56、字线58、源线60、读取/写入电路62、位线基准64以及感测放大器66。MRAM单元50可以并入具有数个行和列的存储器单元阵列。MTJ堆栈52可以可选地包含常规自旋转移转矩MTJ或根据本发明的实施例的(具体参照图2和图3在本文描述的)自旋转移转矩MTJ。
[0011]当选择对MRAM单元50进行编程(部分通过由字线58进行的晶体管54的选择性操作)时，读取/写入电路62经由位线56、源线60以及晶体管54施加经过MTJ堆栈52的编程电流。例如，读取/写入电路62可以在位线56和源线60之间施加写入电压，其中此类写入电压的极性确定自由层在MTJ堆栈52中的剩余磁化。具体地，MTJ堆栈52可以根据自旋转移转矩原理操作，在这种情况下当电子穿过MTJ堆栈52的自旋过滤器层时，所述编程电流的电子被自旋极化。在这种情况下，编程电流的自旋极化电子可以在MTJ堆栈52的自由层上施加转矩，转矩可以在写入操作期间切换自由层的极性。
[0012]为了读取MRAM单元50，使用感测电流来检测MTJ堆栈52的电阻状态，其中感测电流小于编程电流(使得感测不会切换MTJ堆栈52中的自由层极性)。读取/写入电路62可以经由位线56、源线60和晶体管54向MTJ堆栈52应用感测电流。根据MTJ堆栈52两端的电阻感测MRAM单元50的编程状态，而该电阻可以由位线56和源线60之间的电压差确定。所述电压差可以可选地由感测放大器66与基准64比较。
[0013]图2是根据本发明的某些实施例的自旋转移转矩MTJ200的横截面图。自旋转移转矩MTJ 200包含限定衬底平面203的导电基电极层202。在某些实施例中，自旋转移转矩MTJ 200可以被制作在导电衬底上，其中导电衬底的剩余部分用作导电基电极层202。在某些可替代的实施例中，导电基电极层202可以被制作为沉积在衬底(非导电的、半导电的或导电的)上的金属层(例如，NiCr)，所述金属层可以被部分地或全部地(例如，通过常规蚀刻工艺)移除。
[0014]在图2的实施例中，磁性基准层结构210设置在基电极层202上。磁性基准层结构210可以包含各种子层。例如，磁性基准层结构210可以包含例如包括CoFeB的被钉扎层212。磁性基准层结构210也可以包含由薄的非磁性除尘(dusting)层215(例如，钌)分离的一对反铁磁性耦合钉扎层214、216。磁性基准层结构210还可以可选地包含与基电极层202相邻设置的外层218 (其可选地包括锰合金，如PtMn、IrMn, NiMn, FeMn)。
[0015]在图2中，箭头222描绘了在被钉扎层212中的剩余磁场方向，其对应于与衬底平面203垂直的在被钉扎层212中的磁各向异性。箭头224、226分别描绘了在钉扎层214、216中的剩余磁场方向，每个对应于与衬底平面203垂直的磁各向异性。应当注意，如本文所用的术语“垂直”和“平行”不要求绝对的垂直或绝对的平行，而是分别要求近似垂直或近似平行(例如，在期望取向的+/-10°内)。
[0016]在图2的实施例中，基准层结构210的主要功能是将被钉扎层212的磁取向222维持在固定的(即“被钉扎”)取向中，尽管可以由为编程或感测而经过自旋转移转矩MTJ200的自旋极化电流向被钉扎层212应用磁性转矩，并且不管自旋转移转矩MTJ 200可以从其环境经历的外部磁场。被钉扎层212可以由薄的非磁性金属层213(例如，钽)与反铁磁親合被钉扎层214、216分离。
[0017]在图2的实施例中，绝缘阻挡层230设置在层压磁性基准层结构210上，使得被钉扎层212被设置成与绝缘阻挡层230相邻。在某些实施例中，绝缘阻挡层230可以优选地包括具有厚度在8埃至20埃的范围中的MgO，其在某些实施例中可以提供范围在I Ω ym2至6 Ω μ m2的电阻区域积(“RA” )。
[0018]在图2的实施例中，层压磁性自由层240设置在绝缘阻挡层230上。在某些实施例中，层压磁性自由层240可以包含至少三个子层242、244、246，每个子层由非磁性金属除尘层与相邻子层分离。例如，在图2的实施例中，子层242由非磁性金属除尘层243与子层244分离，并且子层244由非磁性金属除尘层245与子层246分离。在图2的实施例中，所述非磁性金属除尘层243、245中的每个可以优选地是具有厚度在I埃至7埃的范围中的钽除尘层。
[0019]在图2的实施例中，层压磁性自由层240的子层242和246中每个可以优选地是具有厚度在6埃至16埃的范围中的CoFeB子层。在某些实施例中，层压磁性自由层240的子层244也可以是具有厚度在6埃至16埃的范围中的CoFeB子层。在某些实施例中，层压磁性