包括磁各向异性增强层和结晶阻碍层的垂直MTJ堆叠体制造技术

本发明专利技术描述了适用于自旋转移矩存储器(STTM)器件的磁性隧道结(MTJ)，其包括垂直磁层、以及由结晶阻碍层而与自由磁层分开的一个或多个各向异性增强层。在实施例中，各向异性增强层改善所述自由磁层的垂直取向，而结晶障碍利用所述自由磁层的晶体织构与隧穿层的晶体织构的更好的对准来改善隧道磁致电阻(TMR)比。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括磁各向异性增强层和结晶阻碍层的垂直MTJ堆叠体
本专利技术的实施例涉及存储器器件的领域，并且具体而言，涉及用于自旋转移矩存储器(STTM)器件的磁性隧道结(MTJ)的领域。
技术介绍
STTM器件是利用被称为隧道磁致电阻(TMR)的现象的非易失性存储器器件。对于包括由薄绝缘隧道层分开的两个铁磁层的结构，在两个磁层的磁化处于平行取向时，与二者为非平行取向(非平行或反平行取向)时相比，电子将更可能隧穿隧道层。像这样，MTJ可以在电阻的两种状态之间进行转换，一种状态具有低电阻并且一种状态具有高电阻。电阻差异越大，TMR比(RAP-RP/RP*100，其中RP和RAP分别为磁化的平行和反平行对准的电阻)越高，就可以越容易与MTJ电阻状态相关联地可靠地存储位。因此，给定MTJ的TMR比是STTM的重要性能度量。对于STTM器件，电流感应磁化转换用于设置位状态。一个铁磁层的极化状态经由自旋转移矩现象而相对于第二铁磁层的固定极化进行转换，使得能够通过施加电流来设置MTJ的状态。在通过固定磁层传递电流时，电子的角动量(自旋)沿着固定层的磁化方向被极化。这些自旋极化的电子将其自旋角动量转移到自由层的磁化并且使其旋动。像这样，可以通过超过某一临界值的电流的脉冲(例如，大约1纳秒)来转换自由磁层的磁化，并且只要电流脉冲低于归因于不同几何形状、相邻钉扎层、不同矫顽磁力(Hc)等的较高阈值，固定磁层的磁化保持不变。具有包含垂直(从衬底的平面中出来)易磁化轴的磁电极的MTJ有可能用于实现比平面内变体更高密度的存储器。通常，在自由磁层足够薄时，在存在由诸如MgO之类的相邻层确立的界面垂直各向异性的情况下，能够在自由磁层中实现垂直磁各向异性(PMA)。然而，该结构与较大的热不稳定性相关联，这可以显著缩短存储器元件的非易失性寿命。也可以通过耦合到与自由层相邻设置的强垂直薄膜来实现PMA。尽管利用该结构改善了热稳定性，但是由于晶体失配，TMR比倾向于降低。因此能够实现高TMR比和良好热稳定性的垂直MTJ结构和形成技术是有利的。附图说明通过示例而非限制的方式示出本专利技术的实施例，并且结合附图参考以下具体实施方式可以更充分地理解本专利技术的实施例。附图中：图1A示出了根据本专利技术的实施例的用于垂直STTM器件的材料层堆叠体的截面图；图1B示出了根据本专利技术的实施例的用于垂直STTM器件的材料层堆叠体的截面图；图2A示出了设置在根据实施例的STTM器件中的垂直MTJ的一部分之上的磁各向异性增强层的扩展截面图；图2B示出了设置在自由磁层与根据实施例的STTM器件中的垂直MTJ的一部分之间的结晶阻碍层的扩展截面图；图3A示出了根据实施例的作为结晶阻碍层的交换耦合和磁各向异性的函数的磁化角的曲线图；图3B示出了根据本专利技术的实施例的作为部分MTJ堆叠体的磁场的函数的反常霍耳效应(EHE)的曲线图；图3C示出了与没有阻碍层相比，根据实施例的包括设置在磁各向异性增强层与MTJ之间的结晶阻碍层的垂直MTJ堆叠体的TMR比曲线图；图4示出了根据本专利技术的实施例的包括自旋转移矩元件的STTM位单元的示意图。图5示出了根据本专利技术的实施例的移动计算设备平台的等距视图和移动平台所采用的微电子器件的示意图；以及图6示出了根据本专利技术的一种实施方式的计算设备的功能框图。具体实施方式描述了具有各向异性增强层和结晶阻碍层的自旋转移矩存储器(STTM)器件。在以下描述中，阐述了许多细节，然而，对于本领域中的技术人员而言显而易见的是，也可以在没有这些具体细节的情况下实践本专利技术。在一些实例中，公知的方法和设备以框图的形式而不是以细节的形式示出，以避免使本专利技术难以理解。在整个说明书中，对“实施例”或“在一个实施例中”的引用表示结合实施例所描述的特定特征、结构、功能或特性包括在本专利技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中，在各处出现的短语“在实施例中”不一定指代本专利技术的同一个实施例。此外，特定特征、结构、功能或特性可以采用任何适合的方式组合在一个或多个实施例中。例如，第一实施例可以与第二实施例组合，只要未指定这两个实施例是互斥的。术语“耦合”和“连接”及其衍生词在本文中可以用于描述部件之间的结构关系。应该理解，这些术语并不是要作为彼此的同义词。相反，在特定实施例中，“连接”可以用于指示两个或更多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元件彼此直接或间接地(其间具有其它中间元件)物理接触或电接触，和/或指示两个或更多元件彼此配合或相互作用(例如，如在因果关系中)。如本文中使用的术语“在…之上”、“在…之下”、“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。例如，设置在一个层之上(上方)或之下(下方)的另一个层可以与该层直接接触，或可以具有一个或多个中间层。此外，设置在两个层之间的一个层可以与这两个层直接接触，或可以具有一个或多个中间层。相比之下，第二层“上”的第一层与该第二层直接接触。相似地，除非另外明确规定，否则设置在两个相邻特征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中间特征。在实施例中，STTM器件包括由结晶阻碍层而与MTJ分开的至少一个磁各向异性增强层(AEL)。图1A示出了根据本专利技术的实施例的用于一个这种STTM器件的材料层堆叠体101的截面图。材料层堆叠体101形成在衬底薄膜层100之上，衬底薄膜层100优选为非晶的，例如但不限于二氧化硅或类似的电介质。堆叠体101通常包括第一接触金属化层105、MTJ结构103、磁各向异性增强层(AEL)120、设置于其间的结晶阻碍层112和第二接触金属化层130。注意，可以如图1B中所示地翻转设置在金属化层105、130之间的材料层的次序，图1B提供了根据另一个实施例的材料层堆叠体102的截面图。利用相同的附图标记来标识图1B中所描绘的具有与图1A中的功能和材料性质相同的功能和材料性质的层。如堆叠体102所示，AEL120位于第一接触金属化层105上，同时结晶阻碍层112设置在AEL120上，并且MTJ结构103设置在结晶阻碍层112之上。接触金属化层105和130均具有可操作用于电接触STTM器件的磁电极的材料或材料的堆叠体，并且可以是本领域公知的用于这种目的的任何材料或材料的堆叠体。尽管金属化层105、130可以具有一定范围的厚度(例如，5nm-50nm)并且包括多种材料以形成与STTM器件和互连件都兼容的界面，但是在示例性实施例中，互连金属化层105至少包括钽(Ta)层105C，并且被示出为具有附加下层导电缓冲层，其还包括至少一个钌(Ru)层105B和第二Ta层105A。对于封盖金属化层130，具有高电导率的金属是有利的，即使该金属在其表面处被氧化，所述金属例如但不限于Cu、Al、Ru、Au等，并且Ru有利地提供了氧的良好阻碍，减小了MTJ结构103内发生氧化的可能性。如进一步示出的，设置在接触金属化层105之上的是平面外、或“垂直”各向异性外延MTJ结构103，其包括固定磁层106、隧穿层108和自由磁层110。通常，固定磁层106由适用于保持固定磁化方向的材料或材料的堆叠体组成，而自由磁层110由较软磁材料或材料的堆叠体组成(即，磁化能够易于相对于固定层而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直磁性隧道结(MTJ)，包括：具有垂直磁各向异性的自由磁层；固定磁层；设置在所述自由磁层与所述固定磁层之间的隧穿层；设置在所述自由磁层的与所述隧穿层相反的一侧上的磁各向异性增强层；以及设置在所述磁各向异性增强层与所述自由磁层之间的结晶阻碍层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.09.26 US 13/627,9681.一种垂直磁性隧道结MTJ，包括：具有垂直磁各向异性的自由磁层，其中所述自由磁层包括具有超过1.0nm的厚度的富铁CoFeB；固定磁层；设置在所述自由磁层与所述固定磁层之间的隧穿层；设置在所述自由磁层的与所述隧穿层相反的一侧上的磁各向异性增强层；以及设置在所述磁各向异性增强层与所述自由磁层之间的结晶阻碍层，其中，所述结晶阻碍层与所述自由磁层直接接触，并且所述结晶阻碍层具有与所述磁各向异性增强层不同的微观结构，其中，所述自由磁层和所述隧穿层具有001晶体织构，其中，所述磁各向异性增强层包括具有111晶体织构的材料层，并且其中，所述结晶阻碍层包括具有非晶微观结构或001晶体织构的材料层，与所述自由磁层形成界面，其中，所述磁各向异性增强层包括磁性材料层和非磁性材料层的堆叠体，并且其中，所述堆叠体的磁层比所述堆叠体的任何非磁性材料层更接近所述自由磁层，并且其中，所述结晶阻碍层还包括第二材料层，其具有不同于与所述自由磁层形成所述界面的所述材料层的成分，并且和与所述自由磁层形成所述界面的所述材料层相比，所述第二材料层更易于与硼B形成合金。2.根据权利要求1所述的MTJ，其中，所述结晶阻碍层包括Ta、Ru、W、V、Mo、Nb或Cr的至少其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·奥乌兹，M·L·多齐，B·多伊尔，U·沙阿，D·L·肯克，R·戈利扎德莫亚拉德，R·S·周，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国;US