混合自旋转移矩磁性随机存取存储器(H-STT-MRAM)制造技术

本发明专利技术是一种由非磁夹层隔离的垂直磁向异性磁隧道结(pma

【技术实现步骤摘要】
混合自旋转移矩磁性随机存取存储器(H
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STT
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MRAM)


[0001]本专利技术涉及信息存储器
，并且更特别地涉及高位自旋转移矩磁阻随机存取存储器单元及磁存储器。

技术介绍

[0002]随着高性能计算和移动设备的出现，大量信息被生成并且需要被存储，这已经通过逐渐缩小存储器中存储单元的尺寸来满足,并推动了存储和存储器技术的快速增长。虽然利用电子电荷性质的常规半导体存储器已经被很好地利用和开发，但已接近其极限，1998年发现的巨磁阻(GMR)效应斩获了2004年的诺贝尔物理学奖，开辟了电子自旋学的新领域,并导致了一系列电子自旋技术的应用和发展。在过去的十年中采用和操纵电子自旋性质的自旋电子转移矩存储器的新技术已获得了深入的研究。
[0003]使用电子电荷容量的动态随机存取存储器(DRAM)在维持显著生长以满足数据存储的需求方面已经接近其极限。随着DRAM单元尺寸的缩小，电荷泄漏会引起功率消耗和其他问题。与基于电子电荷的DRAM相比，基于电子自旋的磁性随机存取存储器(MRAM)是非易失性存储器，有功耗低等优点，被视为代替基于半导体电荷的存储器技术的良好候选者。已经开发了两种MRAM，并且它们是基于磁场写入的MRAM和自旋转移矩(STT)写入的MRAM(STT
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MRAM)。与磁场驱动MRAM相比，STT
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MRAM由于其小功率消耗、工艺简化及单元小型化而已经在可获利的市场产品中找到其位置。
[0004]典型的STT
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MRAM器件基本上是包括由氧化镁(MgO)势垒层夹在两个磁性层之间的磁性隧道结(MTJ)堆叠，其中一个磁性层被称为参考层(RL)，其磁化被固定在一个方向上；并且另一个被称为自由层(FL)，其磁化可以被旋转成与RL磁化平行或反平行，这由通过以下操作自旋转移矩来实现的：分别将电流从MTJ的RL通过MgO势垒层到FL或从MTJ的FL通过MgO势垒层到RL来完成信息写入和存储。存储在FL层中的信息可以在由电流传过MTJ堆叠之后基于隧穿磁阻(TMR)效应读出，在FL磁化与RL磁化反平行或平行存储时，分别获得最大电阻或最小电阻。
[0005]存在两种STT
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MRAM器件：面内STT
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MRAM，其中FL和RL两者中的磁化沿它们的磁膜的平面；以及垂直STT
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MRAM，其中FL和RL中的磁化垂直于它们的磁膜的平面。类似于任何存储器，STT
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MRAM器件需要具有写入、保存和读取三个功能。在STT
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MRAM中，自旋转移矩被用以在自由层(FL)中写入位，存储在自由层中的位需要保存长时间，诸如10年；然后利用TMR效应(类似于TMR读取器中的那样)在使电流传过器件之后读出存储于自由层中的位存信息。STT
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MRAM器件中的FL不同于TMR读取器中的FL，因为STT
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MRAM中的FL或多或少类似于在磁硬盘存储中具有强磁各向异性的磁记录介质性质以长时间保存其存储的信息。因此，STT
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MRAM器件中的FL的磁向异性必须具有平衡的性质，需要不太强的磁向异性以便用自旋转移矩写入到位中，又需要不能太弱的磁向异性以能够维持被写入的位长时间的存储。到目前为止，最佳的FL磁性材料仍然是钴铁(CoFe)合金，这是因为其具有自旋矩转移矩写入和TMR读取中需要的良好的自旋电子效应。CoFe合金是典型的软铁磁性材料，其作为存储单
元的挑战是位存储的不稳定性，且限制了存储器小型化，因为大存储单元在面内STT
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MRAM中较稳定且有较少的边界效应等典型问题。后专利技术的垂直STT
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MRAM器件具有较强垂直各向异性以解决面内STT
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MRAM存储器的稳定性问题。研究发现CoFe合金垂直磁向异性膜亦然是最好的自旋电子材料，并且小于1.5nm的CoFe合金膜的垂直磁向异性将具有比在厚于1.5nm的膜中的其面内磁向异性要强得多。这可以解决FL位存储器稳定性问题，并且还允许存储单元进一步小型化以增加面内存储密度。然而，上述的垂直STT
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MRAM存储器中FL的强磁向异性将需要大的STT来在FL单元中写入位信息。有人提出了具有垂直方向稍微倾斜的磁向异性的垂直STT
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MRAM器件以减小其对写入STT的要求。垂直STT
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MRAM制作过程及控制比面内STT
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MRAM要复杂得多，并且其FL存储器仅能够存储“0”和“1”的两个信息。近来，具有面内磁向异性的极化磁性层通过设置在该极化磁性层和MTJ自由层之间的非磁间隔可在垂直STT
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MRAM的FL上产生一个垂直于正常STT的附加自旋转移矩，以提高自由层写入性能。
[0006]通常，基于电子自旋的STST
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MRAM是仅能存“0”和“1”两个的信息1位存储，这与基于半导体电荷的DRAM高位存储相比是缺点。提出的多个自由层的垂直STT
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MRAM，其通过从与MgO势垒相邻的自由层开始逐渐写入每个单独FL来实现高位存储。然而，该过程非常难以控制并且容易出错。还提出使用基于一个半导体晶体管多个垂直MTJ单元的不同磁性性质来堆叠形成的高位STT
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MRAM器件。由不同尺寸的MTJ组成的存储器将会影响MTJ的优化，并且除了制作过程复杂之外还限制其存储器单元小型化。只要晶体管能够提供传递足够的写入电流并不击穿晶体管势垒的前提下，垂直MTJ的此简单堆叠确实能够共享一个晶体管，但该结构仍没能采用来自其相邻MTJ堆叠的可能的附加自旋转移矩。
[0007]有人提出述双STT
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MRAM(D
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STT
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MRAM)器件包括顶部MJT和底部MTJ，并且两个MTJ共享一个FL。在其中两个MTJ中的两个RL具有反转固定磁化的一种配置中，FL将在写入的同时具有来自底部RL和顶部RL的两个相同符号自旋转移矩来增强写入，然而，在读取中的总电阻将始终是两个MTJ中的最大和最小电阻之和。因此即便其两个MTJ具有不同的电阻，D
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STST
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MRAM充其量仅仅是个1位存储器，但这仍不能解决读取时两个MTJ TMR抵消的问题。如果设计在两个RL中具有相同固定磁化的D
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STST
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MRAM，在其读取时，两个MTJ可同时获得最大或最小电阻状态，但其写入时，来自底部MTJ的RL和顶部MTJ的RL的两个相反的自旋转移矩将同时作用在FL上，会减弱写入功能。因此，D
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STT
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MRAM器件不具有太大应用价值。
[0008]本专利技术所提出的一种新颖的混合型自旋转移矩磁阻随机存取存储器(H
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STT
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MRAM)器件可以很大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合自旋转移矩磁性随机存取存储器(H
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STT
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MRAM)器件，包括：由非磁性间隔分离的垂直磁向异性磁性隧道结(pma
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MTJ)堆叠和面内磁向异性磁性隧道结(ima
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MTJ)堆叠的面对面堆叠，所述非磁性间隔设置在所述两个MTJ的两个自由层之间，并且其中MTJ包括由MgO隧穿势垒夹层分开的以下各项：磁性参考层(RL)，其磁化被固定在一个方向上；以及磁性自由层(FL)，其磁化可以被旋转成与所述RL固定磁化平行或反平行。2.根据权利要求1所述的H
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MRAM器件，其中所述器件包括：底部pma
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MTJ堆叠，其FL和RL分别直接设置在其MgO隧穿势垒的上方和下方；以及上方的顶部ima
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MTJ堆叠，其FL和RL分别直接设置在其MgO隧穿势垒的下方和上方；非磁性间隔层，其设置在所述底部pma
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MTJ堆叠和所述顶部ima
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MTJ堆叠中的所述两个FL之间。3.根据权利要求1所述的H
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STT
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MRAM器件，其中所述设备进一步包括底部ima
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MTJ堆叠，其FL和RL直接设置在其MgO隧道势垒上方和下方；顶部pma
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MTJ堆叠,FL和RL直接设置在其MgO隧道势垒下方和其上方；非磁性间隔层，其设置在所述底部ima
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MTJ堆叠和所述顶部pma
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MTJ堆叠中的所述两个FL之间。4.根据权利要求1所述的H
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STT
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MRAM器件，其中所述MTJ
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MTJ堆叠的所述FL与所述PMA
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MTJ堆叠的所述FL之间的所述非磁性间隔层包含MgO或AlOx的隧穿势垒TMR层、GMR中的Cu夹层或Ta、Au、W、V、Mo、Ru的势垒层，Cr或Nb以截断两个FL之间的交换耦合，并且还能促进极化电子自旋输运。5.根据权利要求1所述的H
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STT
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MRAM器件，其中所述pma
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MTJ中的RL可为以下三种情况中的一个：永久垂直磁向异性(PMA)磁层，其包括HCP(002)Co合金，L10合金，例如FePd、FePt或CoPt，或CO2/PD9或CO2/PT9的多层；通过Ru夹层分离的两个垂直磁各向异性层组成的合成反铁磁体(SAF)叠层；由反铁磁体(AFM)层沿垂直固定的SAF叠层。6.根据权利要求1所述的H
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STT
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MRAM器件，其中所述ima
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MTJ中的RL为AFM沿面内方向固定的SAF叠层，其由Ru夹层分离的两个面内磁向异性层组成。7.根据权利要求1所述的H
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STT
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MRAM器件，其中所述ima
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MTJ中的所述FL还可为SAF FL结构，所述SAF FL结构包括由Ru层分离的两个磁性自由层，以改善所述自由层稳定性且利于存储器小型化
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可突破单层FL的ima
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MTJ中60nm的存储器单元尺寸的极限，且有可能用于制作亚10纳米的存储器。8.根据权利要求7所述的H
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STT
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MRAM器件，其中具有SAF自由层结构的所述ima
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MTJ也可用于制作面内STT
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MRAM器件以突破单层F的面内STT
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MRAM中60nm存储器单元尺寸的极限，并进一步将所述存储器单元大小减至亚10nm以用于高面密度存储。9.根据权利要求1所述的H
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STT
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MRAM器件，且其中所述pma
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MTJ中的所述FL及垂直SAF结构中的所述两个磁性层、平面内SAF RL及SAF自由层结构为CoFe、CoFeB及CoFe合金磁性材料。
10.根据权利要求1所述的H
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STT
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MRAM器件，其中所述ima
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MTJ中的所述AFM面内固定层和所述pma
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MTJ中的所述AFM垂直固定层为两种不同的AFM材料，包括IrMn、NiMn、FeMn、PtMn或IrMn/FeMn多层，以便具有不同的退火块温度。11.根据权利要求1所述的H
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STT
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MRAM器件，其中所述pma
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MTJ中的所述FL可进一步为交替地由CoFeB和非磁性层(例如，Ta、Au、W、V、Mo、Ru、Cr或Nb)形成的，具有高隧穿磁阻(TMR)效应的多层结构。12.根据权利要求10所述的H
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STT
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MRAM器件，其进一步包括在所述ima
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MTJ堆叠及所述pma
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MTJ堆叠中的所述两个不同块温度AFM上的如述的两次退火的顺序以保证第二次退火中还能维持第一次AFM退火的结果：先在高温炉做高退火块温度AFM退火，在相应高的磁场之下把温度升高到刚好高于具有高块温度AFM的块温度以诱导出由所述高块温度AFM固定的，具有对应磁向异性的MTJ叠层；然后，做相对较低退火块温度AFM高温炉退火，在相应高的磁场之下把温度升高到刚好高于具有低退火块温度AFM的块温度以诱导出由所述高退火块温度AFM固定的，具有对应磁向异性的MTJ叠层。13.根据权利要求12所述的H
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STT
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MRAM器件，AFM固定的MTJ叠层中的两个不同温度退火也适用于所述具有AFM固定的ima
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PMJ和具有垂直磁向异性永磁体(PM)用作RL的pma
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MTJ，其PM包括例如hcp(002)Co合金、L10合金(例如FePd、FePt或CoPt)，或CO2/PD9或CO2/PT9的多层或(和)需要做高温退火的垂直磁向异性FL。14.根据权利要求13所述的H
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STT
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MRAM器件，其中所述第一次高温炉退火进一步包括用于pma
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MTJ中的PM RL及FL的高垂直磁场及高温下的磁膜沉积，然后将仅需要做高面内磁场下的高温炉中具有低退火块温度AFM的ima
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MTJ低温退火。15.根据权利要求1所述的H
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STT
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MRAM器件，其进一步包括晶体管，所有所述MTJ堆叠置放于所述晶体管之上或之下。16.根据权利要求1所述的H
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STT
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MRAM器件，其中所述存储器单元形状包括圆柱体、椭圆形柱体、正方形柱体、矩形柱体。17.H
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STT
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MRAM器件中的两步写入方法除饱和电流和电流脉冲写入后在两个面对面MTJ中获得的(R
imamax
，R
pmamin
)和(R
imamin
，R
pmamax
)两个电阻状态之外，还可得到其成为2位存储需要的两个最大电阻状态(R
imam...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍素国，张瑞华，
申请(专利权)人：霍素国，
类型：发明
国别省市：