包括位于釘扎層中的功能層的磁性存儲元件及其制造方法技術(shù)

一種磁性隧道結(jié)MTJ存儲元件包括釘扎層堆疊(520)和功能層。所述釘扎層堆疊由多個層形成，其中至少一個層包括底部釘扎層(206a、206b)、耦合層(208)和頂部釘扎層(210a、210b)。所述功能層(540、560)安置于所述底部釘扎層和/或所述頂部釘扎層中。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
所揭示的實施例涉及在磁性隧道結(jié)(MTJ)存儲元件中采用改進(jìn)的釘扎層堆疊，所述MTJ存儲元件可在自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機(jī)存取存儲器(STT-MRAM)單元中使用。
技術(shù)介紹
磁阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM)是使用磁性元件的非易失性存儲器技術(shù)。舉例來說，自旋力矩轉(zhuǎn)移磁阻隨機(jī)存取存儲器(STT-MRAM)使用電子，在所述電子穿過薄膜(自旋過濾器)時所述電子變?yōu)楸蛔孕龢O化。STT-MRAM也稱為自旋轉(zhuǎn)移力矩RAM(STT-RAM)、自旋力矩轉(zhuǎn)移磁化切換RAM(自旋RAM)以及自旋動量轉(zhuǎn)移(SMT-RAM)。 圖I說明常規(guī)STT-MRAM位單元100。SIT-MRAM位單元100包含磁性隧道結(jié)(MTJ)存儲元件105、晶體管101、位線102和字線103。MTJ存儲元件例如由至少兩個鐵磁層(釘扎層和自由層)形成，所述至少兩個鐵磁層各自可保持磁場或極化且由薄的非磁性絕緣層(隧穿勢壘)分離。由于在施加到鐵磁層的偏置電壓下的隧穿效應(yīng)，來自所述兩個鐵磁層的電子可穿透所述隧穿勢壘。自由層的磁性極化可反轉(zhuǎn)，使得釘扎層和自由層的極性大體上對準(zhǔn)(平行)或相反(反平行)。穿過MTJ的電路徑的電阻將取決于釘扎層和自由層的極化的對準(zhǔn)而變化。此電阻變化可用以對位單元100進(jìn)行編程和讀取。STT-MRAM位單元100還包含源極線104、讀出放大器108、讀取/寫入電路106和位線參考107。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解存儲器單元100的操作和構(gòu)造。舉例來說，位單元100可經(jīng)編程以使得二進(jìn)制值“I”與其中自由層的極性平行于釘扎層的極性的操作狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。對應(yīng)地，二進(jìn)制值“0”可與所述兩個鐵磁層之間的反平行操作相關(guān)聯(lián)。因此可通過改變自由層的極性而將二進(jìn)制值寫入到位單元。圖2更詳細(xì)說明MTJ單元105的常規(guī)設(shè)計。首先在底部電極202上形成反鐵磁(AF)層204，且隨后在AF層204的頂部上形成釘扎層堆疊220。AF層204可由例如鉬錳(PtMn)合金形成。釘扎層堆疊220以固定磁性極化“釘扎”以形成釘扎層。釘扎層堆疊可包含一個或一個以上層。釘扎層堆疊220可有時稱為復(fù)合AF釘扎層或“合成” AF(SAF)釘扎層。釘扎層堆疊220可包含通常由例如鈷鐵(CoFe)和/或鈷鐵硼(CoFeB)等金屬合金形成的底部釘扎層206、通常由例如釕(Ru)等非磁性金屬形成的耦合層208，以及通常由例如CoFe和/或CoFeB等金屬合金形成的頂部釘扎層210。隧穿勢魚層212由釘扎層堆疊220的頂部上的例如氧化鎂(MgO)等金屬氧化物的絕緣體形成。具有可變磁性極化的自由層214形成于勢壘層212的頂部上。在一些設(shè)計中，例如鉭(Ta)等罩蓋或硬掩模層216形成于自由層214的頂部上。圖2的常規(guī)MTJ設(shè)計具有若干缺點。一個缺點在于，高溫后端過程可能允許不希望的材料從一個層到另一層的擴(kuò)散。舉例來說，用于設(shè)定PtMnAF層204的所要磁矩的高溫退火過程可使Mn原子移動且允許其從AF層204擴(kuò)散到底部釘扎層206、耦合層208、頂部釘扎層210中，且甚至遠(yuǎn)達(dá)隧穿勢壘層212。耦合層208的Ru原子可因一個或一個以上高溫后端過程而類似地遍及各種其它層而擴(kuò)散。不希望的元素遍及MTJ堆疊的擴(kuò)散可抑制或破壞釘扎層堆疊220的反鐵磁耦合，衰減AF層204與釘扎層堆疊220之間的交換耦合，損壞層間界面(導(dǎo)致不良的熱穩(wěn)定性等)，減少MTJ單元的磁阻，或甚至使MTJ單元無法在狀態(tài)之間切換。因此，需要一種用于可在STT-MRAM單元中使用的MTJ存儲元件的經(jīng)改進(jìn)的釘扎層堆疊。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的示范性實施例是針對用于可在自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機(jī)存取存儲器(STT-MRAM)單元中使用的磁性隧道結(jié)(MTJ)存儲元件中的經(jīng)改善的釘扎層堆疊的系統(tǒng)和方法。在一個實施例中，一種MTJ存儲兀件包括釘扎層堆疊和第一功能層。所述釘扎層堆疊由多個層形成，所述多個層包括底部釘扎層、耦合層和頂部釘扎層。所述第一功能層安置于所述底部釘扎層或所述頂部釘扎層中。 在另一實施例中，一種形成MTJ存儲元件的方法包括沉積且形成包括底部釘扎層、耦合層和頂部釘扎層的多個層以形成釘扎層堆疊；以及沉積且形成安置于所述底部釘扎層或所述頂部釘扎層中的第一功能層。在另一實施例中，一種MTJ存儲元件包括釘扎層堆疊和用于保護(hù)所述釘扎層堆疊的第一裝置。所述釘扎層堆疊由多個層形成，所述多個層包括底部釘扎層、耦合層和頂部釘扎層。所述第一裝置安置于所述底部釘扎層或所述頂部釘扎層中。在另一實施例中，一種形成MTJ存儲元件的方法包括用于沉積且形成包括底部釘扎層、耦合層和頂部釘扎層的多個層以形成釘扎層堆疊的步驟；以及用于沉積且形成安置于所述底部釘扎層或所述頂部釘扎層中的第一功能層的步驟。附圖說明呈現(xiàn)附圖以幫助描述本專利技術(shù)的實施例，且提供附圖僅用于說明實施例而不是限制實施例。圖I說明常規(guī)STT-MRAM位單元。圖2更詳細(xì)說明MTJ單元的常規(guī)設(shè)計。圖3說明根據(jù)實例實施例的包含安置于釘扎層堆疊的底部釘扎層中的功能層的MTJ單元。圖4說明根據(jù)實例實施例的包含安置于釘扎層堆疊的頂部釘扎層中的功能層的MTJ單元。圖5說明根據(jù)實例實施例的包含安置于釘扎層堆疊的底部釘扎層中的功能層和安置于釘扎層堆疊的頂部釘扎層中的功能層兩者的MTJ單元。圖6說明根據(jù)實例實施例的包含擴(kuò)散勢壘功能層的MTJ單元。圖7說明根據(jù)實例實施例的包含結(jié)晶增強(qiáng)功能層的MTJ單元。圖8說明根據(jù)實例實施例的包含補(bǔ)充功能層的MTJ單元。圖9說明根據(jù)實例實施例的包含安置于釘扎層堆疊的底部釘扎層中的兩個功能層和安置于釘扎層堆疊的頂部釘扎層中的兩個功能層的MTJ單元。圖10說明根據(jù)實例實施例的包含安置于釘扎層堆疊的底部釘扎層中的兩個功能層和安置于釘扎層堆疊的頂部釘扎層中的兩個功能層的另一 MTJ單元。圖11說明根據(jù)實例實施例的形成MTJ單元的方法。具體實施例方式在針對本專利技術(shù)的具體實施例的以下描述和相關(guān)圖式中揭示本專利技術(shù)的方面。在不脫離本專利技術(shù)的范圍的情況下可設(shè)想替代實施例。另外，將不會詳細(xì)描述或者將省略本專利技術(shù)的眾所周知的元件，以便不混淆本專利技術(shù)的相關(guān)細(xì)節(jié)。本文使用詞語“示范性”來表示“充當(dāng)實例、例子或說明”。本文描述為“示范性”的任何實施例都不一定解釋為比其它實施例優(yōu)選或有利。同樣，術(shù)語“本專利技術(shù)的實施例”不要求本專利技術(shù)的所有實施例都包含所論述的特征、優(yōu)點或操作模式。本文使用的術(shù)語是僅為了描述特定實施例的目的，且既定不限制本專利技術(shù)的實施例。 如本文使用，單數(shù)形式“一”和“所述”既定也包含復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外明確指示。將進(jìn)一步了解，術(shù)語“包括”和/或“包含”在本文中使用時指定所陳述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除一個或一個以上其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或其群組的存在或添加。所揭示的實施例認(rèn)識到，在常規(guī)方法的情況下，來自一個層的材料可能因例行高溫后端制造過程而不希望地擴(kuò)散到一個或一個以上其它層中。此些材料的擴(kuò)散導(dǎo)致可在自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機(jī)存取存儲器(STT-MRAM)單元中使用的磁性隧道結(jié)(MTJ)存儲元件中的若干有害效應(yīng)，例如抑制或破壞給定層堆疊的反鐵磁耦合，衰減兩個給定層之間的交換耦合，損壞層間邊界(導(dǎo)致不良的熱穩(wěn)定性等)，減少MTJ的磁阻，或甚至使MTJ不能在狀態(tài)之間切換。因此，本文本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳維川，升·H·康，朱曉春，李霞，
申請(專利權(quán))人：高通股份有限公司，
類型：
國別省市：