低杂散场磁性存储器制造技术

实施例包括一种装置，该装置包括：衬底；在衬底上的磁性隧道结（MTJ），该磁性隧道结包括固定层、自由层以及固定层和自由层之间的电介质层；以及第一合成反铁磁（SAF）层、第二SAF层以及在第一SAF层和第二SAF层之间的包括非磁性金属的中间层；其中，第一SAF层包括赫斯勒合金。本文描述了其它实施例。

Low stray magnetic memory

An embodiment includes a device, the device includes a substrate on the substrate; magnetic tunnel junction (MTJ), the magnetic tunnel junction layer, and comprises a fixed free layer between the fixed layer and the free layer and the first dielectric layer; synthetic antiferromagnetic (SAF) layer, SAF layer and second in the middle layer magnetic metal including between the first layer and the second layer SAF SAF; among them, the first SAF layer including the Hersler alloy. This article describes other implementations.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】低杂散场磁性存储器
本专利技术的实施例是在半导体器件、并且尤其是磁性存储器的领域中。
技术介绍
如美国专利申请公开2015/0091110中所述，集成电路中的零件（feature）的缩放已经成为不断增长的半导体行业背后的驱动力。缩放到越来越小的零件使得能够在半导体芯片的有限地产上实现增加的功能单元密度。例如，缩小晶体管尺寸允许在芯片上并入增加数量的存储器器件，协助制造具有增加的容量的产品。然而，对于越来越多的容量的驱动并非没有问题。优化每个器件的性能的必要性变得愈发显著。自旋转矩器件的操作是基于自旋转移转矩（STT）的现象。如果电流通过被称为固定磁性层的磁化层，则从磁化层输出的电流将被自旋极化。随着每个电子的通过，其自旋（角动量）将转移至下一个磁性层（称为自由磁性层）中的磁化，并且将引起对其磁化的小的改变。这实际上是转矩引起的磁化进动。由于电子的反射，转矩也施加在相关联的固定磁性层的磁化上。最后，如果电流超过某一临界值（其是由磁性材料及其环境引起的阻尼的函数），则自由磁性层的磁化将被电流脉冲切换（通常在约1-10纳秒中）。固定磁性层的磁化可以保持不变，因为相关联的电流低于其阈值（由于几何结构或者由于相邻的反铁磁层）。自旋转移转矩可以用来翻转磁性随机存取存储器中的有源元件。与使用磁场翻转有源元件的传统磁性随机存取存储器（MRAM）相比，自旋转移转矩存储器（STTM）具有功耗更低和可扩缩性更好的优点。附图说明本专利技术实施例的特征和优点将从所附权利要求、对一个或多个示例实施例的以下详细描述以及对应附图中变得显而易见。在认为适当的时候，参考标号在附图当中被重复以指示对应的或类似的元件：图1A至1D描绘了不均衡的磁边缘场或杂散场。图2A至2D包括描绘了各种Hoffset水平。图3A至3B描绘了本专利技术的实施例中的使用钌（Ru）的磁矩管理。图4A至4D描绘了本专利技术的实施例中的使用Ru的磁矩管理。图5包括一种系统，该系统包括在其内包括本专利技术的实施例的存储器单元。具体实施方式现在将参考附图，其中可以向类似的结构提供类似的后缀参考标号。为了更清楚地示出各个实施例的结构，本文包括的附图是半导体/电路结构的图示性表示。因此，例如在显微照片中，所制造的集成电路结构的实际外观可能看起来不同，但仍然包含所示实施例的要求保护的结构。此外，附图可能仅示出对于理解所示实施例有用的结构。本领域已知的附加结构可能未被包括以维持附图的简洁性。例如，并不一定示出了半导体器件的每一层。“一实施例”、“各个实施例”等指示这样描述的（一个或多个）实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但不是每个实施例都必须包括所述特定特征、结构或特性。一些实施例可以具有针对其它实施例描述的特征中的一些特征、全部特征或者不包括这些特征中的任何特征。“第一”、“第二”、“第三”等描述了共同的对象，并且指示正引用的类似对象的不同实例。这样的形容词并不意味着这样描述的对象必须在时间上、空间上、在排位上或者以任何其它方式按照给定顺序。“连接”可以指示元件彼此直接物理或电气接触，并且“耦合”可以指示元件彼此相互协作或交互，但是它们可以或者可以不直接物理或电气接触。如上所述，与传统的MRAM相比，STTM具有低功耗和良好的可扩缩性。然而，STTM在积极缩放时可能经受较差的稳定性。稳定性是基于STTM的器件和由此制造的存储器阵列的缩放所面临的最重要的问题之一。随着缩放继续，更小的存储器元件匹配成缩放的单元尺寸的需求驱动行业朝着垂直STTM的方向发展，对于小存储器元件尺寸而言垂直STTM具有更高的稳定性。常见的垂直STTM是用材料层堆叠实现的，该材料层堆叠包括底部电极、固定磁性层、电介质层（例如，MgO）、自由磁性层（例如，CoFeB）、覆盖层（例如，Ta）和顶部电极。材料层堆叠的磁性隧道结（MTJ）部分包括固定磁性层、电介质层和自由磁性层。垂直STTM使用垂直MTJ（pMTJ）作为存储器元件。此材料堆叠是用于制造STTM的基本材料堆叠，并且可以以较高的复杂性来制造该材料堆叠。例如，还可以将反铁磁层包括在底部电极和固定磁性层之间。此外，电极自身可以包括具有不同属性的多个材料层。材料堆叠的最基本形式可以是平面内系统，其中，各磁性层的自旋与各层本身处于相同平面中。对于pMTJ，更具体地，使用层或界面工程，可以将材料堆叠制造为提供垂直自旋系统。在示例中，将自由磁性层（例如，由CoFeB构成的自由磁性层）从用于平面内STTM器件的常规厚度减薄。减薄程度可足以使得从自由磁性层中的与电介质层中的氧相互作用（例如，与氧化镁（MgO）层相互作用）的铁/钴（Fe/Co）获得的垂直分量相对于自由CoFeB层的平面内分量占据主导。此示例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层中的表面铁/钴原子（Fe/Co）造成的氧化程度为自由层提供了强度（稳定性），以使之具有垂直占据主导的自旋态。固定磁性层的厚度也以与自由磁性层的厚度相同的方式确定磁化方向。其它因素也可以确定磁化方向。例如，诸如表面各向异性（取决于相邻层或铁磁层的多层组成）和/或晶体各向异性（取决于应力和晶格结构修改，诸如FCC、BCC或L10型晶体，其中L10是呈现垂直磁化的一类晶体种类）之类的因素也可以确定磁化方向。上述常规堆叠未能提供高稳定性。稳定性被定义为两个磁态（例如，（1，0）（平行，反平行））之间的能量势垒。稳定性等于有效磁各向异性（Keff）、自由磁性层的厚度和自由磁性层的面积的乘积。申请人确定了pMTJ的可扩缩性在低于30nm的临界维度（CD）时是个问题。例如，自由层的热稳定性随着结直径减小（即，随着缩放）而显著下降。对于任何pMTJ存储器器件的商业可行性而言，可需要诸如60kT之类的期望热稳定性或工业标准。缺乏稳定性常常是由于STTM堆叠的各层的磁性引起的边缘磁场（有时称为“杂散”场），所述STTM堆叠可以具有三个或更多个磁性层，每个磁性层具有它们自己的边缘场（如可以在图1A至1D中看到）。图1A示出了堆叠100，该堆叠100包括在隧穿势垒（未清楚示出）上的自由层101、固定层102、第一合成反铁磁层（SAF1）103、第二SAF（SAF2）104和边缘场107。SAF是由被非磁性层分开的两个或更多个薄铁磁层组成的人造反铁磁体。由于磁体103、104具有指向相反方向的磁矩，因此通过增加或减小层103、104中的任一层的磁性强度（厚度）来全局地均衡这些边缘场（诸如场HSF1105和场HSF2106）是可能的。来自层102、103的边缘场107正常地将会指向与层104的场107相反的方向。然而，如图1A所示，在这种特定情况下，累积矩或净矩是不均衡的，并且因此所有的净边缘场/净杂散场107指向一个方向（由此为自由层101产生Hoffset）。图1B至1D图示出自由层101上的边缘场107。场107的圆圈和箭头示出了自由层101上的边缘场的方向（其中图1B至1D中的每一个的顶部图像从顶部视图示出了层101上的场107，其中图1B至1D中的每一个的底部图像从截面视图示出了层101上的场107）。图1B没有SAF层并且仅具有单个固定层（例如，层102不具有图1A的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：衬底；在所述衬底上的磁性隧道结（MTJ），其包括固定层、自由层以及所述固定层和自由层之间的电介质层；以及第一合成反铁磁（SAF）层、第二SAF层以及在所述第一SAF层和第二SAF层之间的包括钌（Ru）的中间层；其中，所述第一SAF层包括锰（Mn）、镓（Ga）和Ru。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种装置，包括：衬底；在所述衬底上的磁性隧道结（MTJ），其包括固定层、自由层以及所述固定层和自由层之间的电介质层；以及第一合成反铁磁（SAF）层、第二SAF层以及在所述第一SAF层和第二SAF层之间的包括钌（Ru）的中间层；其中，所述第一SAF层包括锰（Mn）、镓（Ga）和Ru。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一SAF层在所述中间层与所述固定层之间。3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第二SAF层不包括Ru。4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二SAF层在所述中间层与所述固定层之间。5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一SAF层和所述第二SAF层中的每一个包括Ru。6.根据权利要求2所述的装置，其中，所述自由层和固定层中的每一个包括钴（Co）、铁（Fe）和硼（B），并且所述电介质层包括镁（Mg）和氧（O）。7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一SAF层和所述第二SAF层中的至少一个直接接触所述固定层。8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二SAF层包括钴（Co）和铂（Pt）但不包括Ru。9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述固定层包括Mn、Ga和Ru。10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一SAF层包括MnxRu1-xGa，其中X=0.5。11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一SAF层包括MnxRu1-xGa，其中X在0.3与0.7之间。12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一SAF层包括具有第一磁矢量的第一子晶格和具有第二磁矢量的第二子晶格，所述第二磁矢量与所述第一磁矢量反平行（AP）。13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一磁矢量具有与所述第二磁矢量相等的强度。14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一SAF层与所述固定层组合以提供第一磁矢量，并且所述第二SAF层提供与所述第一磁矢...

【专利技术属性】
技术研发人员：BS多伊勒，K奥古茨，KP奥布里恩，DL肯克，CC郭，ML多茨，S苏里，RS周，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国,US