具有稳定自由铁磁层或多层自由铁磁层的磁性装置制造方法及图纸

技术编号:5751043 阅读:198 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
磁性多层结构,例如磁性或磁阻隧穿结(MTJ)和自旋阀,具有形成为邻接并磁性耦合到自由铁磁层的磁性偏置层,以获得针对由例如热波动和杂散场导致的波动的期望稳定性。可以使用CMOS工艺制作具有使用该磁性偏置层的低纵横比的稳定MTJ单元,用于例如高密度MRAM存储器装置和其它装置。通过驱动垂直于这些层的写电流,可以使用自旋转移感应切换来编程这种多层结构。每层自由铁磁层可包括两层以上的层且可以是包括第一和第二铁磁层以及介于该第一和第二铁磁层之间的非磁性间隔层的多层自由铁磁叠层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有至少一层自由铁磁层的磁性材料和结构。
技术介绍
各种磁性材料使用多层结构,该多层结构具有至少一层配置成"自由" 层的铁磁层,该铁磁层的磁性方向可以通过外部磁场或者控制电流来改变。 可以使用这种多层结构来构造磁性存储器装置,其中基于该自由层的磁性方 向来存储信息。这种多层结构的一个示例为磁性或^f兹阻隧穿结(MTJ),其包括至少三 层两层铁磁层和介于该两层铁磁层之间的薄层非磁性绝缘体作为阻挡层。 用于中间阻挡层的该绝缘体不导电并因此用做该两层铁》兹层之间的阻挡。然 而,当绝缘体的厚度足够薄,例如几纳米以下时,在偏压施加到该两层铁磁 层跨过该阻挡层时,由于隧穿效应,两层铁^磁层内的电子可以"穿过"该薄 层绝缘体。尤其是,对于跨过该MTJ结构的电流的电阻随该两层铁磁层内 的磁化的相对方向而改变。当两层铁磁层的磁化相互平行时,跨过MTJ结 构的电阻为最小值Rp。当两层铁磁层的磁化相互反平行时,跨过MTJ结构 的电阻为最大值Rap。这种效应的幅值通常用定义为(rap-rp)/rp的隧穿磁阻(TMR)来表征。TMR效应中流过MTJ的电流的电阻与两层铁磁层之间相对磁性方向之 间的关系可供非易失性磁性存储器装置将信息存储在MTJ的磁性状态内。 基于TMR效应的磁性随机存取存储器(MRAM)装置例如可以是电子RAM 装置的备选并与之相竟争。在这种装置中, 一层铁磁层配置成具有固定磁性 方向,另一4失^磁层为"自由"层,该自由层的^f兹性方向可以改变为与该固定 方向平行或相反。基于在MTJ的阻挡的两侧上的两层铁磁层的相对磁性方 向,信息;故存储。例如,二进制位(bit) "1"和"0"可以被记录为MTJ中 两层铁磁层的平行和反平行取向。将位记录或写入MTJ可以通过切换自由 层的磁化方向来实现,例如通过供应电流至布置成十字条形的写入线(write line)而产生的写入磁场,基于自旋转移效应通过跨过MTJ的电流,或者通 过其它手段。在自旋转移切换中,改变自由层的磁化所需的电流小(例如 0.1mA以下)且可以显著小于用于场切换的电流。因此,MTJ中自旋转移切 换可以用于显著降低单元的功耗。在基于MTJ单元的磁性存储器装置中需要高存储容量,这要求每个MTJ 单元小,从而增大给定晶片面积的MTJ单元数目。随着MTJ单元尺寸减小, 每个单元中MTJ的磁化方向会对例如热波动、外部场扰动或者超顺磁性的 各种因素变得更加敏感。这部分是因为用于存储和维持数字位的MTJ的矫 顽磁性所致的磁能随着MTJ单元尺寸而减小。当用于存储和维持数字位的 磁能随着单元尺寸减小到低于临界水平时,该临界水平通常为干扰源能量的 几倍,干扰能量足以改变MTJ单元的磁性状态并因此改变所存储的位。因 此,足够小单元内的MTJ的^f兹化方向会不期望地由于任一这些和其它因素 或其组合而改变,并因此改变或擦除MTJ中所存储的信息。该千扰可以是 由各种因素引起,例如单元周围的热波动的热能或者是由于MTJ单元与在该单元存在的杂散磁场之间的交互作用引起的能量。因此,期望增加MTJ和其它多层结构中自由铁磁层的矫顽磁性并因此 稳定自由铁磁层的磁性方向以耐受各种干扰。
技术实现思路
本申请描述了例如磁性或磁阻隧穿结(MTJ)及其它磁性多层结构,其 使用磁性偏置层来增大自由层的矫顽磁性以获得耐受热波动和杂散场的改善的磁稳定性。这种MTJ和其它磁性多层结构可以用于构造基于CMOS工 艺的高密度集成MRAM芯片的高度集成电路中的磁性存储器单元,其中每 个单元具有小的纵横比。在一个方面,描述了一种装置,该装置包括^磁化方向在第一方向和相反 第二方向之间可改变的自由铁磁层。磁性偏置层也形成于该装置中以接触并 磁性耦合到该自由铁^磁层,以增大该自由铁磁层的矫顽磁性并使得该自由铁 磁层的磁化方向在第一方向和基本上相反的第二方向之间是可改变的。该装 置还包括固定铁it层,其具有沿基本上该第一方向固定的磁化方向;以及绝 缘体阻挡层,其形成于该自由铁磁层和固定铁磁层之间以在偏置电压下实现 该自由铁磁层和固定铁磁层之间的电子隧穿,该偏置电压施加在该自由铁磁 层和固定铁磁层之间并跨过该绝缘体阻挡层。该自由铁;兹层置于该磁性偏置 层和绝缘体阻挡层之间。在另一方面,描述了一种包括下述布置的方法。提供磁性隧穿结,该磁 性隧穿结包括具有可改变的磁化方向的自由铁磁层、具有固定磁化方向的固 定铁磁层、以及形成于该自由铁磁层和固定铁磁层之间的绝缘体阻挡层,以 在偏置电压下实现该自由铁磁层和固定铁磁层之间的电子隧穿,该偏置电压 施加在该自由铁磁层和固定铁磁层之间并跨过该绝缘体阻挡层。还提供磁性 偏置层,该磁性偏置层接触并磁性耦合到该自由铁磁层,以增大该自由铁磁 层的矫顽磁性并使得该自由铁磁层的磁化方向是可改变的。该自由铁磁层置 于该磁性偏置层和绝缘体阻挡层之间。在另一方面,本申请描述了一种装置,该装置包括自由铁磁层,其具 有可改变的磁化方向;以及磁性偏置层,其形成为接触并磁性耦合到该自由 铁磁层,以增大该自由铁磁层的矫顽磁性而不钉扎该自由铁磁层的磁化方 向。该磁性偏置层具有层厚度t、各向异性常数K和界面交换耦合常数J以 满足K.t《。该MTJ还包括钉扎铁磁层,其具有沿预定方向固定的磁化方向; 以及反铁磁钉扎层,其接触并磁性耦合到该钉扎铁磁层以致使该钉扎铁磁层 的磁化方向沿该预定方向固定。该反铁磁钉扎层具有层厚度t,、各向异性常 数K,和界面交换耦合常数J,以满足K,.t,〉J,。该装置还包括中间层,其形成 于该自由铁磁层和钉扎铁磁层之间。该自由铁磁层置于该磁性偏置层和中间 层之间。在一个实施中,该中间层为形成于该自由铁磁层和钉扎铁^兹层之间 的绝纟彖体阻挡层,以实现在跨过该绝缘体阻挡层的偏置电压下该自由《失^磁层和钉扎铁磁层之间的电子隧穿。在另一实施中,该中间层可以是非磁性金属 层。在又一方面,本申请描述了具有至少一多层自由铁^磁叠层的MTJ结构。这种多层自由铁磁叠层的实施可以用于实现在仅具有单一材料的自由层中 难以实现的许多优点。例如,多层自由铁磁叠层内的非磁性间隔层可用作扩 散阻挡层,以阻止在沉积后退火期间的不期望扩散和结晶取向传播。在基于多层自由铁^f兹叠层的装置的一个示例中, 一种装置包括基板和形 成于该基板上的磁性单元。该磁性单元包括多层自由铁磁叠层,其具有在第 一方向和基本上相反的第二方向之间可改变的净磁化方向。该多层自由铁磁 叠层包括第 一和第二铁磁层以及介于该第 一和第二铁磁层之间的非磁性间 隔。固定铁》兹层包含在该》兹性单元内以具有固定》兹化方向。该》兹性单元还包 括绝缘体阻挡层,其形成于该多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间以在偏置 电压下实现该多层自由铁z磁叠层和固定铁一磁层之间的电子隧穿,该偏置电压 施加在该多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间并跨过该绝缘体阻挡层。在基于多层自由铁磁叠层的装置的另一示例中,上述装置可包括磁性偏 置层,其接触并磁性耦合到该多层自由铁磁叠层,以增大该多层自由铁磁叠 层的矫顽磁性并使得该多层自由铁磁叠层的磁化方向在第一方向和基本上 相反的第二方向之间是可改变的。在附图、详细描述以及权利要求中更详细地描述这些和其它方面、其变 型和调整。附图说明图1A示出本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种装置,包括: 基板;以及 磁性单元,所述磁性单元形成于所述基板上且包括: 多层自由铁磁叠层,其具有在第一方向和基本上相反的第二方向之间可改变的净磁化方向,所述多层自由铁磁叠层包括第一和第二铁磁层以及介于所述第一和第二铁 磁层之间的非磁性间隔; 磁性偏置层,其接触并磁性耦合到所述多层自由铁磁叠层,以增大所述多层自由铁磁叠层的矫顽磁性并使得所述多层自由铁磁叠层的磁化方向在所述第一方向和基本上相反的第二方向之间是可改变的;固定铁磁层,其具有固定磁化方向;以 及 绝缘体阻挡层,其形成于所述多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间以在偏置电压下实现所述多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间的电子隧穿,所述偏置电压施加在所述多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间并跨过所述绝缘体阻挡层, 其中所述多层自由铁磁 叠层置于所述磁性偏置层和绝缘体阻挡层之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员:怀义明刁志涛尤金Y陈
申请(专利权)人:格兰迪斯股份有限公司
类型:发明
国别省市:US[美国]

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