本发明专利技术揭示磁性隧道结MTJ及其形成方法。钉扎层安置于所述MTJ中，使得所述MTJ的自由层可在存取晶体管提供于磁性随机存取存储器MRAM位单元中时耦合到所述存取晶体管的漏极。此结构更改写入电流流动方向以对准所述MTJ的写入电流特性与使用所述MTJ的MRAM位单元的写入电流供应能力。结果，可提供更多写入电流以将所述MTJ从平行P状态切换到反平行AP状态。反铁磁性材料AFM层提供于所述钉扎层上以固定钉扎层磁化。为了提供足够用于沉积所述AFM层以保证钉扎层磁化的区域，提供具有大于所述自由层的自由层表面区域的钉扎层表面区域的钉扎层。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】,以及使用其的磁性随机存取存储器(mram)的制作方法
本申请案的技术大体上涉及磁性隧道结(MTJ)、相关方法，和MTJ在磁性随机存取存储器(MRAM)中的使用。
技术介绍
磁性随机存取存储器(MRAM)为非易失性存储器，其中通过编程磁性隧道结(MTJ) 来存储数据。MRAM是有利的，因为即使当切断电力时MTJ也可用以存储信息。数据是作为小磁性元素而非电荷或电流而存储于MTJ中。图1中说明示范性MTJ 10。数据是根据两个层之间的磁性定向而存储于MTJ 10中自由层12安置于固定或钉扎层14上方。自由层 12和钉扎层14是由铁磁性材料形成。MTJ 10是以常规的“底部自旋阀”的配置而加以配置，其中钉扎层14安置于自由层12下方。自由层12与钉扎层14是通过由薄的非磁性电介质层形成的隧道结或势垒16分离。即使当磁性H场归因于MTJ 10的磁滞环路18而为 “0”时，自由层12和钉扎层14也可存储信息。如果将偏置电压施加于耦合于MTJ 10的末端上的两个电极20、22之间，则电子可穿隧通过隧道势垒16。穿隧电流取决于自由层12与钉扎层14的相对定向。当使用自旋力矩转移(STT)MTJ时，在自由层和钉扎层的自旋对准在P与AP之间切换时的穿隧电流的差被称为隧道磁阻比(TMR)。当自由层12的磁性定向与钉扎层14的磁性定向彼此反平行(AP)(在图1中展示为MTJ 10')时，存在第一存储器状态(例如，逻辑“1”)。当自由层12的磁性定向与钉扎层14的磁性定向彼此平行(P)(在图1中展示为MTJ 10")时，存在第二存储器状态(例如，逻辑“0”)。通过在电流流动通过MTJ 10时感测电阻，可感测自由层12和钉扎层14的磁性定向以读取存储于MTJ 10中的数据。通过施加磁场以相对于钉扎层14将自由铁磁性层12的定向改变到P或AP磁性定向，还可将数据写入和存储于MTJ 10中。自由层12的磁性定向可改变，但钉扎层14的磁性定向是固定的。图2说明类似于图1中的MTJ 10的设计的STT MTJ 23(被称为“MTJ 23”)。MTJ 23被提供作为MRAM位单元M的部分以存储非易失性数据。MRAM位单元M可以存储器阵列形式而提供且用作需要电子存储器的任何类型的系统(例如(作为实例)计算机处理单元(CPU)或基于处理器的系统)的存储器存储装置。提供金属氧化物半导体(通常为η型 M0S, S卩，NM0S)存取晶体管沈以控制对MTJ 23的读取和写入。存取晶体管沈的漏极(D) 耦合到MTJ 23的底部电极22，底部电极22耦合到钉扎层14。写入线(Vwl)耦合到存取晶体管26的栅极(G)。存取晶体管沈的源极⑶耦合到电压源(Vs)。位线(Vb)耦合到MTJ 23的顶部电极20，顶部电极20耦合到自由层12。当读取存储于MTJ 23中的数据时，针对存取晶体管沈激活位线(VbJ以允许电流在电极20、22之间流过MTJ 23。如通过施加于位线(Vb)上的电压除以测得的电流所测量的低电阻是与在自由层12与钉扎层14之间的P定向相关联。较高电阻是与在自由层12 与钉扎层14之间的AP定向相关联。当将数据写入到MTJ 23时，通过激活写入线(Vwl)来激活存取晶体管26的栅极(G)。施加位线(VbJ与源线(Vs)之间的电压差。结果，在漏极 (D)与源极(S)之间产生写入电流(I)。如果磁性定向待从AP改变到P，则产生从顶部电极 20流动到底部电极22的写入电流(IAP_P)，其在自由层12处诱发自旋转移力矩(STT)以相对于钉扎层14将自由层12的磁性定向改变到P。如果磁性定向待从P改变到AP，则产生从底部电极22流动到顶部电极20的电流(IP_AP)，其在自由层12处诱发STT以相对于钉扎层14将自由层12的磁性定向改变到AP。如图2所说明，由电路供应以将MRAM位单元M中的MTJ 23从AP状态切换到P 状态的写入电流(I) (IAP-P)可多于将MRAM位单元M中的MTJ 23从P状态切换到AP状态的写入电流(I) (IP-AP)。此归因于在MRAM位单元M中存取晶体管沈的源极负载。存取晶体管沈的源极负载具有如下效应为将MTJ 23从AP状态切换到P状态所提供的写入电流 (I)多于为将MTJ 23从P状态切换到AP状态所提供的写入电流(I)。然而，MTJ 23的固有磁特性需要相反情况。S卩，当MTJ 23用于MRAM位单元M中(如图2所说明)时，将MTJ 23从P状态切换到AP状态所需要的写入电流(I)多于将MTJ 23从AP状态切换到P状态所需要的写入电流⑴。此通过图3中的曲线图30展示，曲线图30说明作为写入电流(Ic) 的函数的MTJ 23的固有磁特性。如其中所展示，将MTJ 23从P状态切换到AP状态所需要的写入电流(I)的量(Ι -ΑΡ)远大于将MTJ 23从AP状态切换到P状态所需要的写入电流 (I)的量(ICAP-P)。此呈现设计冲突。一方面，MTJ 23的固有磁特性将MTJ 23从P状态切换到AP状态所需要的写入电流(I)多于将MTJ 23从AP状态切换到P状态所需要的写入电流(I)。然而，当MTJ 23用于MRAM位单元M中时，由电路供应以将MTJ 23从AP状态切换到P状态的写入电流⑴可多于将MTJ 23从P状态切换到AP状态的写入电流⑴。总之，由于此设计冲突，MTJ 23的固有写入电流特性未对准于当用于MRAM位单元 M中时MTJ 23的写入供应电流能力。当MTJ 23用于MRAM位单元M中时，需要更多写入电流以将MTJ 23从P状态切换到AP状态。然而，MRAM位单元M可提供更多写入电流以将MTJ 23从AP状态切换到P状态。因此，需要提供一种解决此设计冲突的MTJ设计。结果，可实现在使用MRAM的电路和/或应用中存储器状态的更有效的切换。
技术实现思路
“具体实施方式”中所揭示的实施例包括一种磁性隧道结(MTJ)及其形成方法。MTJ 可用于磁性随机存取存储器(MRAM)位单元中以提供数据的磁性存储。所述MRAM位单元包含MTJ和存取晶体管。所述MTJ包含MTJ层结构，所述MTJ层结构将隧道势垒提供于第一电极与第二电极之间。自由层安置于所述第一电极与所述隧道势垒之间。参考或钉扎层安置于所述第一电极与所述隧道势垒之间。提供此MRAM位单元结构会耦合所述存取晶体管的漏极与所述MTJ的所述自由层。结果，MRAM位单元写入电路可供应或提供更多写入电流以将所述MTJ从平行(P)状态切换到反平行(AP)状态。此与将所述自由层安置于所述钉扎层上方且将所述存取晶体管的所述漏极耦合到所述钉扎层的常规MTJ设计相反，在所述常规MTJ设计中，所述MRAM位单元可供应较少写入电流以将所述MTJ从P状态切换到AP状态。通过将所述钉扎层安置于所述MTJ中以使得所述存取晶体管的所述漏极耦合到所述自由层(如本文中所提供)，所述MTJ的固有写入电流特性对准于当用于MRAM位单元中时所述MTJ的写入供应电流能力。在两种情况下，将所述MTJ从P状态切换到AP状态所需要的写入电流将多于将所述MTJ从AP状态切换到P状态所需要的写入电流。结果，与用于MRAM 位单元中的常规MTJ设计相比较，可供应更多电流以在所述MRAM位单元中将所述MTJ本文档来自技高网...
【技术保护点】
【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：朱晓春，马修·诺瓦克，李霞，升·H·康，
申请(专利权)人：高通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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