自旋扭矩磁阻存储元件及其制造方法技术

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】
【国外来华专利技术】自旋扭矩磁阻存储元件及其制造方法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
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技术介绍
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技术实现思路
或以下详细描述中所给出的任何表达或隐含的理论的限制的意图。为了使说明简单并且清楚，附图描绘了各种实施例的总体结构和/或构造本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成在具有限定平面的表面的基板上的自旋扭矩磁阻存储元件，所述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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.06.10 US 13/158,1711.一种形成在具有限定平面的表面的基板上的自旋扭矩磁阻存储元件，所述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，其包括非铁磁材料；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，第二电极的非铁磁材料设置在第二隧道势垒上，并且其中，第二隧道结的隧穿磁阻为零。2.根据权利要求1所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述第一电极包括具有第一磁化矢量的第一铁磁自旋极化器。3.根据权利要求1所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述第一电极包括铁磁自旋极化器，所述第二电极包括(i)包括非铁磁材料的第一部分和(ii)铁磁材料的第二部分，其中，所述第二部分设置在所述非铁磁材料的与接触第二隧道势垒的侧相对的一侧。4.根据权利要求2所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述第一电极包括Fe含量高于第二电极的铁磁材料。5.根据权利要求4所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述第一电极和第二电极包括CoFeB，并且所述第二电极包括按原子组成计少于20％的Fe和按原子组成计大于14％的B。6.根据权利要求1所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述自由磁层包括：第一部分，其包括CoFeB层；以及第二部分，其由第一部分与第一隧道势垒之间的、厚度少于第一部分的材料组成，所述材料包括按原子组成计大于50％的Fe。7.根据权利要求6所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述自由磁层还包括第三部分，所述第三部分包括第一部分与第二隧道势垒之间的、厚度少于第一部分的材料，所述材料包括按原子组成计大于50％的Fe。8.根据权利要求1所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述自由磁层包括按原子组成计Fe的原子组成少于20％并且B的原子组成大于19％的CoFeB合金。9.根据权利要求1所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述自由磁层包括：第一部分，其由第一铁磁材料组成；第二部分，其由第二铁磁材料组成；以及第三部分，其包括沉积在第一部分与第二部分之间并且将第一部分和第二部分铁磁耦合的、在量上与少于4埃相对应的、Ta、Nb、V、Hf、Zr、Ti、W、Mo、Cr以及Mn中的至少一种。10.根据权利要求9所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述第一铁磁材料和第二铁磁材料包括B以及Co和Fe中的至少一种的合金。11.根据权利要求9所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述第一铁磁材料和第二铁磁材料包括按原子组成计Fe的原子组成少于20％并且B的原子组成大于19％的CoFeB合金；并且自由层包括与第一隧道势垒相邻的、厚度少于第一部分和第二部分中的每一个的第四部分，所述第四部分包括按原子组成计大于50％的Fe。12.根据权利要求1所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述自由磁层包括：第一部分，其由第一铁磁材料组成，所述第一铁磁材料包括按原子组成计Fe的原子组成少于20％并且B的原子组成大于19％的CoFeB合金；第二部分，其由第二铁磁材料组成，所述第二铁磁材料包括按原子组成计Fe的原子组成少于20％并且B的原子组成大于19％的CoFeB合金；第三部分，其位于第一部分与第二部分之间，并且包括在量上与2埃和30埃之间的沉积材料相对应的、Ru、Rh、Ir、Pt、Pd、Cu、Cr以及Os中的至少一种；以及位于第一隧道势垒与第一部分之间、包括按原子组成计大于50％的Fe的层，其中，第一部分和第二部分通过第三部分铁磁或者反铁磁耦合在一起。13.根据权利要求9所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述自由磁层还包括：第四部分，其由第三铁磁材料组成；第五部分，其包括第二非铁磁材料，所述第二非铁磁材料包括在量上与第二部分和第四部分之间的并且将第二部分和第四部分铁磁耦合的少于4埃的沉积材料相对应的、Ta、Nb、V、Hf、Zr、Ti、W、Mo、Cr以及Mn中的至少一种。14.根据权利要求9所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述自由磁层还包括：第四部分，其由第三铁磁材料组成；第五部分，其包括在量上与第二部分和第四部分之间的2埃和30埃之间的沉积材料相对应的、Ru、Rh、Ir、Pt、Pd、Cu、Cr以及Os中的至少一种；其中，第二部分和第四部分通过第五部分铁磁或反铁磁耦合在一起。15.根据权利要求13所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述第一铁磁材料和第二铁磁材料是B以及Co和Fe中的至少一种的合金。16.根据权利要求13所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述第一铁磁材料、第二铁磁材料以及第三铁磁材料包括按原子组成计Fe的原子组成少于20％并且B的原子组成大于19％的CoFeB合金；并且自由层还包括与第一隧道势垒相邻的、厚度少于第一部分、第二部分以及第四部分中的每一个的层，所述层包括按原子组成计大于50％的Fe。17.根据权利要求16所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述自由磁层还包括与第二隧道势垒相邻的、厚度少于第一部分、第二部分以及第四部分中的每一个的层，所述层包括按原子组成计大于50％的Fe。18.根据权利要求1所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述第一隧道势垒和第二隧道势垒包括MgO。19.根据权利要求1所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述第二电极的非铁磁材料包括Ru、Os、Rh、Ir、Pd以及Pt中的一种或多种。20.根据权利要求1所述的自旋扭矩磁阻存储元件，还包括：导体，其中，第二电极位于所述导体与第二隧道势垒之间；以及位于所述非铁磁材料与导体之间的非晶体金属层。21.根据权利要求20所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，所述非晶体金属层包括包含Co和Fe中的至少一种以及B、C、Si、Ta、V、Nb和Zr中的至少一种的合金。22.根据权利要求1所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，自由层的易磁化轴和第一电极的易磁化轴垂直于所述平面。23.根据权利要求9所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，第一垂直各向异性与自由层和第一隧道势垒之间的界面相关联，第二垂直各向异性与自由层和第二隧道势垒之间的界面相关联，其中，总的界面各向异性在自由层中感生垂直易轴各向异性，导致使磁化矢量朝向或背离第一电极垂直指向所述平面的两种稳定磁状态。24.根据权利要求12所述的自旋扭矩磁阻存储元件，其中，第一垂直各向异性与自由层和第一隧道势垒之间的界面相关联，第二垂直各向异性与自由层和第二隧道势垒之间的界面相关联，其中，总的界面各向异性在自由层中感生垂直易轴各向异性，导致使磁化矢量朝向或背离第一电极垂直指向所述平面的两种稳定磁状...

【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：
国别省市：