具有增强稳定性的垂直自旋转移扭矩存储器(STTM)器件以及其形成方法技术

描述了具有增强稳定性的垂直自旋转移扭矩存储器(STTM)器件和制造具有增强稳定性的垂直STTM器件的方法。例如，用于磁性隧穿结的材料层叠置体包括固定磁性层。电介质层设置于所述固定磁性层上方。自由磁性层设置于所述电介质层上方。导电氧化物材料层设置于所述自由磁性层上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施例属于存储器器件领域，具体而言，属于具有增强稳定性的垂直自旋转移扭矩存储器(STTM)器件和制造具有增强稳定性的垂直STTM器件的方法。
技术介绍
过去几十年间，集成电路中特征的缩放已经是不断增长的半导体产业的驱动力。缩放到越来越小的特征能够实现半导体芯片有限的面积上功能单元的增大的密度。例如，缩放晶体管尺寸容许在芯片上并入增加数量的存储器器件，导致制造具有更大能力的产品。然而，对越来越大能力的驱动并非没有问题。优化每个器件的性能的必要性变得越来越重要。自旋扭矩器件的工作基于自旋转移扭矩现象。如果使电流通过被称为固定磁性层的磁化层，其在离开时会发生自旋极化。在每个电子通过时，其自旋(角动量)将被转移为被称为自由磁性层的下一磁性层中的磁化，并将导致其磁化发生小的变化。实际上，这是一种扭矩导致的磁化的进动。由于电子的反射，扭矩还被施加到相关联的固定磁性层的磁化上。最后，如果电流超过一定临界值(由磁性材料及其环境导致的阻尼给出)，则将由通常为大约1-10纳秒的电流脉冲切换自由磁性层的磁化。固定磁性层的磁化可以保持不变，因为由于几何结构或由于相邻反铁磁性层，相关联的电流在其阈值以下。自旋转移扭矩可以用于翻转(flip)磁性随机存取存储器中的有源元件。自旋转移扭矩存储器或STTM相对于使用磁场翻转有源元件的常规磁性随机存取存储器(MRAM)具有更低的功率消耗和更好的可缩放性的优点。然而，在STTM器件的制造和使用领域中仍然需要显著的改进。【附图说明】图1示出了常规自旋转移扭矩存储器(STTM)器件的材料层叠置体的截面图。图2示出了根据本专利技术的实施例的垂直STTM器件的材料层叠置体的截面图。图3为根据本专利技术的实施例的对于比较的STTM器件的作为磁场(mT)函数的归一化异常霍尔效应(EHE)(任意单位)的曲线图。图4示出了根据本专利技术的另一个实施例的垂直STTM器件的另一个材料层叠置体的截面图。图5示出了根据本专利技术的实施例的包括自旋转移扭矩元件的自旋转移扭矩存储器位单元的示意图。图6示出了根据本专利技术的实施例的电子系统的框图。图7示出了根据本专利技术的一种实施方式的计算装置。【具体实施方式】描述了具有增强稳定性的垂直自旋转移扭矩存储器(STTM)器件和制造具有增强稳定性的垂直STTM器件的方法。在以下描述中，阐述了很多特定细节，诸如特定的磁性层集成和材料域(regime)，以便提供对本专利技术的实施例的透彻理解。对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以无需这些特定细节来实施本专利技术的实施例。在其它情况下，未详细描述公知的特征，诸如集成电路设计布局，以免不必要地使本专利技术的实施例模糊不清。此外，应当理解的是，图中所示的各个实施例是示例性表示，未必是按比例绘制的。一个或多个实施例针对用于提高垂直STTM系统的稳定性的方法。申请人可以包括在嵌入式存储器、嵌入式非易失性存储器(NVM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、磁性隧穿结(MTJ)器件、NVM、垂直MTJ、STTM和非嵌入式存储器或独立存储器中使用。在实施例中，垂直STTM器件的稳定性是通过并入与自由磁性层相邻的导电氧化层来实现的，如下文更详细地描述的。导电氧化层可以具有充当电极的一部分和氧化自由磁性层的组分中包括的铁/钴(Fe/Co)的一部分的双重作用。稳定性是对基于STTM器件及由其制造的存储器阵列进行缩放所面对的最重要问题之一。随着缩放的持续，需要更小存储器元件来适应缩放单元尺寸已经驱动垂直STTM的方向上的产业，对于小存储元件尺寸而言，垂直STTM具有更高的稳定性。常见的垂直STTM通过三种方式实现，该三种方式全部依赖于界面调谐，以从包括磁性层的材料叠置体中获得最大量的垂直强度，因此，获得最大量的稳定性。作为示出本文所述核心概念的基础，图1示出了常规自旋转移扭矩存储器(STTM)器件的材料层叠置体的截面图。参考图1，面内(in-plane) STTM器件的材料层叠置体100包括底部电极102、固定磁性层106、电介质层108、自由磁性层110和顶部电极112。材料层叠置体100的磁性隧穿结(MTJ)部分包括固定磁性层106、电介质层108和自由磁性层110。材料叠置体100是用于制造STTM的基础材料叠置体，并且可以制造成具有更大的复杂性。例如，尽管叠置体100中未示出，但反铁磁性层也可以包括在位置104中，S卩，底部电极102与固定磁性层106之间。另外，电极102和电极112自身可以包括具有不同属性的材料的多个层。图1中所示的材料叠置体在其最基本形式中可以是面内系统，其中磁性层106和110的自旋在层自身相同的平面中，如图1中的120所示。在没有进一步加工(engineer)的情况下，图1中的材料叠置体100通常是面内自旋系统。然而，在层或界面加工的情况下，可以制造材料叠置体以提供垂直自旋系统。在第一个例子中，再次参考作为平台的材料叠置体100的特征，从用于面内STTM器件的常规厚度减薄自由磁性层110，例如，由CoFeB构成的自由磁性层。减薄的程度可以充分大，以使得从层110中的与电介质层108中的氧相互作用(例如，与图1的界面处的氧化镁(MgO)层108相互作用)的铁/钴(Fe/Co)获得的垂直分量相对于自由CoFeB层110的面内分量占支配地位。此例子提供了基于耦合到自由层的一个界面(即，CoFeB-MgO界面)的单层系统的垂直系统。来自MgO层的氧对CoFeB层中表面铁/钴原子(Fe/Co)的氧化程度为自由层提供了强度(稳定性)，以具有垂直支配的自旋态。在此例子中，电极102和电极112由诸如钽(Ta)的单种金属构成。在第二个例子中，再次参考作为平台的材料叠置体100的特征，利用交替的磁性层(例如，钴(Co))和非磁性层(例如，钯(Pd))的多层叠置体电极来替代顶部电极112。这种多层方案提供了每个磁性薄膜层(Co)都具有在自旋方向上垂直的界面。此叠置体中的最后(底部)Co层(例如在自由层110上并且形成界面2的Co层)磁性耦合到下方的CoFeB自由层110。替代地，可以在叠置体中的最后(底部)Co层与自由层110之间包括钽(Ta)的薄层。在完整的自由层中(并且可能除界面I之外)，具有交替的磁性层和非磁性层的电极112中的所有界面(从界面2开始)的总和为待是垂直的自由层110的材料提供了稳定性。即，对于此第二个例子，垂直自旋器件的稳定性驱动机制包括前述第一个例子(即，来自界面I)的MgO耦合加上自由层110到上方垂直磁体的另外的耦合界面2的组合。在第三例子中，再次参考作为平台的材料叠置体100的特征，提供了与第一个例子类似的结构。然而，如图1所示，向位置130处的叠置体添加了另外的隧穿阻挡过滤层(例如，第二 MgO层)。包括第二 MgO层容许来自这种顶部MgO层的氧与CoFeB自由层110的顶部处中的Fe/Co相互作用(例如，氧化)，实际上相对于第一个例子使单元的稳定性加倍。然而，如同此方式一样的引人注目的是，在将第二 MgO层添加到叠置体100的情况下存在一个基本问题。S卩，这种第二 MgO层实际上是能够相当大程度增大所得叠置体的电阻的薄的电介质膜。电阻可能会增大到干扰检测“I”状态和“O”状态之间的差异的能力的程度，下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于磁性隧穿结的材料层叠置体，所述材料层叠置体包括：固定磁性层；电介质层，所述电介质层设置于所述固定磁性层上方；自由磁性层，所述自由磁性层设置于所述电介质层上方；以及导电氧化物材料层，所述导电氧化物材料层设置于所述自由磁性层上。

【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：B·S·多伊尔，C·C·郭，K·奥乌兹，U·沙阿，E·V·卡尔波夫，R·G·莫亚拉德，M·L·多齐，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