自旋扭矩磁阻存储元件及其制造方法技术

本发明专利技术公开了自旋扭矩磁阻存储元件及其制造方法。一种自旋扭矩磁阻存储元件具有高磁阻和低电流密度。自由磁层位于第一自旋极化器与第二自旋极化器之间。第一隧道势垒位于第一自旋极化器与自由磁层之间，第二隧道势垒位于第二自旋极化器与自由磁层之间。第二隧道势垒的磁阻比率具有比第一隧道势垒的磁阻的两倍大的值。

【技术实现步骤摘要】
自旋扭矩磁阻存储元件及其制造方法本申请是基于申请号为201280028432.2、申请日为2012年6月7日、专利技术名称为“自旋扭矩磁阻存储元件及其制造方法”的专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求2011年6月10日提交的序号为13/158,171的美国非临时申请的优先权。
本文中所描述的示例性实施例通常涉及磁阻随机存取存储器(MRAM)，更具体地，涉及自旋扭矩MRAM元件。
技术介绍
磁电子器件、自旋电子器件(“spinelectronicdevices”和“spintronicdevices”)是用于利用主要由电子自旋引起的效应的器件的同义词。磁电子在大量的信息器件中被用于提供非易失性的、可靠的、抗辐射的、以及高密度的数据存储和检索。大量的磁电子信息器件包括但不限于，磁阻随机存取存储器(MRAM)、磁传感器和/或用于盘驱动器的读取/写入头。典型地，MRAM包括磁阻存储元件的阵列。每个磁阻存储元件典型地具有包括通过各种非磁层分隔的多个磁层的结构(诸如磁隧道结(MTJ))，并且呈现出取决于器件的磁状态的电阻。信息被存储为磁层中的磁化矢量的方向。一个磁层中的磁化矢量是磁固定或钉扎的，而另一个磁层中的磁化方向可以在分别被称为“平行”状态和“反平行”状态的相同方向与相反方向之间切换。对应于平行磁状态和反平行磁状态，磁存储元件分别具有低电阻状态和高电阻状态。因此，电阻的检测允许磁阻存储元件(诸如MTJ器件)提供存储在磁存储元件中的信息。存在被用于对自由层进行编程的两种完全不同的方法：场切换和自旋扭矩切换。在场切换MRAM中，与MTJ位元(bit)相邻的载流线被用于产生作用于自由层上的磁场。在自旋扭矩MRAM中，利用通过MTJ自身的电流脉冲实现切换。自旋极化的隧穿(tunneling)电流所传载的自旋角动量引起自由层的逆转(reversal)，最终状态(平行或反平行)由电流脉冲的极性确定。已知自旋扭矩转换在被构图或者以其它方式布置以使得电流基本上垂直于界面流动的巨磁阻器件和MTJ器件中发生，并且当电流基本上垂直于畴壁流动时，在简单的丝状结构中发生。呈现磁阻的任何这样的结构具有成为自旋扭矩磁阻存储元件的可能。切换自由层的磁状态所需的平均电流被称为临界电流(Ic)。临界电流密度(Jc)是位元的每一区域的平均临界电流(Jc＝Ic/A)，并且由电路供给以切换存储阵列中的自旋扭矩MRAM元件的电流是写入电流(Iw)。为使更小的存取晶体管可以被用于每个位元单元(cell)并且可以产生更高密度的、更低成本的存储器，减小写入电流Iw是可期望的。降低Jc对于防止编程期间隧道势垒损坏是可期望的。为了减小写入电流，一些自旋扭矩MRAM元件融入了双自旋过滤结构，其中，MTJ叠层(stack)包括两个不同的自旋极化层(自由层的每侧上各一个)，以通过增大自由层上的自旋扭矩改善自旋扭矩转换效率来降低Jc，从而导致低的写入电流。一些双自旋过滤器件与单隧道势垒器件相比，具有用于提供在电流升高/下降方向上更对称的写入电流和低的Jc的两个隧道势垒。双自旋过滤器件要求自由层的任一侧的自旋极化固定层具有相对的磁化方向，以使得当电流向上或向下流过器件时，来自这两个固定层中的每一个的自旋扭矩效应将一起作用以将自由层磁化切换到所需的方向。提供这样的相对的固定层的一种方式是使用自由层的一侧的钉扎合成反铁磁(SAF)固定区域和另一侧的单个钉扎层。另一种已知的双自旋过滤器件包括自由层的相对侧上的三层SAF和两层SAF。然而，与单隧道势垒器件相比，具有这样的相对的固定层的器件的磁阻比率(MR)减小，因为当一个隧道结处于反平行状态时，另一个隧道结处于平行状态。该结构将具有取决于自由磁层已经被写入的稳定磁状态的不同电阻。为了实现包含更好的读取信号或改善的MR的磁元件，各个电阻之间的更大的差异，以及由此更大的MR，是可期望的。因此，可期望的是提供一种具有低的临界电流密度以及高的MR的自旋扭矩磁阻存储元件。此外，从后续的与附图以及前述
和
技术介绍
结合进行的详细描述和随附权利要求中，示例性实施例的其它可期望的特征和特性将变得清楚。
技术实现思路
一种自旋扭矩磁阻存储元件形成在具有限定平面的表面的基板上。该自旋扭矩磁阻存储元件包括：第一电极，其包括形成在基板上方的铁磁材料；第二电极；自由磁层；第一隧道势垒，其位于自由磁层与第一电极之间以形成具有第一磁阻比率和第一电阻面积乘积的第一隧道结；以及第二隧道势垒，其位于自由磁层与第二电极之间以形成具有第二磁阻比率和第二电阻面积乘积的第二隧道结，其中，第一磁阻比率和第一电阻面积乘积分别为少于第二磁阻比率和第二电阻面积乘积的一半或者多于第二磁阻比率和第二电阻面积乘积的两倍中的一个。一种用于在具有限定平面的表面的基板上形成自旋扭矩磁阻存储元件的方法，包括：在基板上方形成包括铁磁材料的第一电极；在第一电极上方形成第一隧道势垒；在第一隧道势垒上方形成自由磁层，从而形成具有第一磁阻比率和第一电阻面积乘积的第一隧道结；在自由磁层上方形成第二隧道势垒；以及在第二隧道势垒上方形成第二电极，从而形成具有第二磁阻比率和第二电阻面积乘积的第二隧道结，其中，第一磁阻比率和第一电阻面积乘积分别为少于第二磁阻比率和第二电阻面积乘积的一半或者多于第二磁阻比率和第二电阻面积乘积的两倍中的一个。另一种用于形成自旋扭矩MRAM元件的方法，包括：形成第一隧道势垒；形成第二隧道势垒；在第一隧道势垒与第二隧道势垒之间形成自由层；在第一隧道势垒的与自由层相对的一侧形成第一电极，从而形成具有第一磁阻比率和第一电阻面积乘积的第一隧道结；以及在第二隧道势垒的与自由层相对的一侧形成第二电极，从而形成具有第二磁阻比率和第二电阻面积乘积的第二隧道结，其中，第一磁阻比率比第二磁阻比率的两倍多，第一电阻面积乘积比第二电阻面积乘积的两倍多。附图说明以下将结合以下的附图描述本专利技术，其中，相似的数字表示相似的元件，并且图1是根据示例性实施例的自旋扭矩磁阻存储元件的截面；图2是根据另一示例性实施例的自旋扭矩磁阻存储元件的截面；图3是根据又一示例性实施例的自旋扭矩磁阻存储元件的截面；图4是根据还一示例性实施例的自旋扭矩磁阻存储元件的截面；图5是自由层包括Ta的顶部和底部隧道势垒以及在自由层中不具有Ta插入物的顶部和底部隧道势垒的磁阻对电阻/面积的示图；图6是在自由层内具有Ta插入物的双隧道势垒器件的磁阻对电阻/面积的示图；图7是在自由层内具有Ru层的双隧道势垒器件的磁阻对电阻面积的示图；图8是根据另一示例性实施例的自旋扭矩磁阻存储元件的截面；图9是根据又一示例性实施例的自旋扭矩磁阻存储元件的截面；图10是根据用于制造自旋扭矩磁阻存储元件的处理的示例性实施例的流程图；图11是根据用于制造自旋扭矩磁阻存储元件的处理的另一示例性实施例的流程图；图12是根据用于制造自旋扭矩磁阻存储元件的处理的又一示例性实施例的流程图；图13是根据用于制造自旋扭矩磁阻存储元件的处理的还一示例性实施例的流程图。具体实施方式以下详细描述在本质上仅仅是说明性的，并非意图限制本申请或主题的实施例以及这样的实施例的使用。本文中被描述为示例性的任何实现并不一定要被解读为较其它实现是优选的或有利的。此外，不存在受前述技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在基板上制造磁阻叠层的方法，所述方法包括：在基板上方形成第一电介质层；在所述第一电介质层上方形成自由磁层，其中，所述自由磁层的第一表面与所述第一电介质层接触，并且其中，形成所述自由磁层包括：在所述第一电介质层上方沉积第一铁磁层，在所述第一铁磁层上沉积第一插入层，其中，所述第一插入层包括非铁磁过渡金属，在所述非铁磁过渡金属上沉积第二铁磁层，以及在所述第二铁磁层上方并且在所述自由磁层的第二表面处形成第一高铁界面区域，其中，所述第一高铁界面区域为具有按原子组成计至少50％的铁的高铁合金界面区域；以及在所述自由磁层的所述第一高铁合金界面区域上并且与所述自由磁层的所述第一高铁合金界面区域接触地形成第二电介质层，其中，所述第二电介质层与所述自由磁层的所述第二表面接触。

【技术特征摘要】
2011.06.10 US 13/158,1711.一种在基板上制造磁阻叠层的方法，所述方法包括：在基板上方形成第一电介质层；在所述第一电介质层上方形成自由磁层，其中，所述自由磁层的第一表面与所述第一电介质层接触，并且其中，形成所述自由磁层包括：在所述第一电介质层上方沉积第一铁磁层，在所述第一铁磁层上沉积第一插入层，其中，所述第一插入层包括非铁磁过渡金属，在所述非铁磁过渡金属上沉积第二铁磁层，以及在所述第二铁磁层上方并且在所述自由磁层的第二表面处形成第一高铁界面区域，其中，所述第一高铁界面区域为具有按原子组成计至少50％的铁的高铁合金界面区域；以及在所述自由磁层的所述第一高铁合金界面区域上并且与所述自由磁层的所述第一高铁合金界面区域接触地形成第二电介质层，其中，所述第二电介质层与所述自由磁层的所述第二表面接触。2.根据权利要求1所述的制造的方法，其中，在所述自由磁层的第二表面处形成第一高铁合金界面区域包括：在所述第二铁磁层上沉积铁的层，并且对所述铁的层退火以形成具有按原子组成计至少50％的铁的第二高铁合金界面区域。3.根据权利要求1所述的制造的方法，其中，在所述自由磁层的第二表面处形成第一高铁界面区域包括：在所述第二铁磁层上沉积铁的层，并且来自(i)第一铁的层和(ii)第二铁磁层的材料。4.根据权利要求1所述的制造的方法，进一步包括形成第二高铁界面区域，其中，所述第二高铁界面区域位于与所述第一电介质层接触的所述自由磁层的第一表面处，其中，所述第二高铁界面区域具有按原子组成计至少50％的铁。5.根据权利要求4所述的制造的方法，其中，在所述自由磁层的第一表面处形成第二高铁合金界面区域进一步包括：在所述第一电介质层上沉积铁的层，并且对沉积在所述第一电介质层上的所述铁的层退火以形成具有按原子组成计至少50％的铁的第二高铁合金界面区域，其中，所述第二高铁界面区域为高铁合金界面区域，并且包括来自(i)所述铁的层和(ii)所述第一铁磁层的材料。6.根据权利要求1所述的制造的方法，进一步包括在所述自由磁层的第二表面处形成第一高铁界面区域，其中，所述第一高铁合金界面区域与所述第二电介质层接触，并且具有按原子组成计至少50％的铁，以及包括来自(i)铁的层和(ii)第二铁磁层的材料。7.根据权利要求1所述的制造的方法，其中：所述第一铁磁层和第二铁磁层各自包括钴和铁，并且沉积第一插入层包括沉积钽、钌、钒、锆、钛、铌、钼、钨、铪、铬、锰或铬。8.根据权利要求1所述的制造的方法，进一步包括：在所述第一电介质层上方沉积第三铁磁层，并且沉积位于所述第二铁磁层与第三铁磁层之间的第二插入层，其中，所述第二插入层包括钽、钌、钒、锆、钛、铌、钼、钨、铪、铬、锰或铬。9.根据权利要求1所述的制造的方法，进一步包括：形成与所述第二电介质层的第二表面接触的电极，其中，所述电极处于所述第二电介质层与导体之间，其中，形成所述电极包括：形成具有与所述第二电介质层的第二表面接触的表面的非铁磁层。10.根据权利要求9所述的制造的方法，其中，形成所述非铁磁层包括：沉积包括钴和铁中的至少一种的第一层，并且在所述第一层上沉积钌、钽、钛、钨、铪、钼、钒、铌、锆和锰中的至少一种。11.根据权利要求10所述的方法，其中，沉积所述第一层进一步包括沉积硼、碳、硅、钽、钒、铌、锆、钨、铪、铬、钼和锰中的至少一种。12.根据权利要求9所述的制造的方法，其中，形成所述非铁磁层包括：沉积包括钽、钛、钒、铌、锆、钨、铪、铬、钌、钼和锰中的至少一种的第一层。13.根据权利要求12所述的制造的方法，其中，形成所述非铁磁层包括：在所述第一层上沉积钴和铁中的至少一种。14.根据权利要求12所述的制造的方法，其中，形成所述非铁磁层包括：在所述第一层上沉积合金，所述合金包括：(i)钴和铁中的至少一种和(ii)硼、碳、硅、钽、钒...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·韦格，J·斯劳特，N·里佐，孙吉军，F·曼考夫，D·豪撒梅迪恩，
申请(专利权)人：艾沃思宾技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US