[发明专利]用于自旋转移扭矩切换设备的耐热垂直磁各向异性耦合元件

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年9月22日以CHEN等人的名义提交的美国临时专利申请no.61/537,778的权益。

技术领域

本公开一般涉及磁性隧道结（MTJ）器件。具体而言，本公开涉及提高PMA型MTJ器件的热稳定性。

背景

与常规随机存取存储器（RAM）芯片技术不同，在磁性RAM（MRAM）中，数据不是作为电荷来存储，而是通过存储元件的磁极化来存储。这些存储元件是从由隧穿层分开的两个铁磁层形成的。这两个铁磁层中被称为固定层或钉扎（pinned）层的一个铁磁层具有固定在特定方向上的磁化。被称为自由层的另一铁磁磁性层具有能更改的磁化方向，从而在自由层磁化反平行于固定层磁化代表“1”，或在自由层磁化平行于固定层磁化时代表“0”，反之亦然。具有固定层、隧穿层和自由层的一种此类器件是磁性隧道结（MTJ）。MTJ的电阻取决于自由层磁化和固定层磁化彼此平行还是反平行。存储器设备（诸如MRAM）由可单独寻址MTJ的阵列构建。

为了在常规MRAM中写数据，超过临界切换电流的写电流被施加穿过MTJ。该超过临界切换电流的写电流足以改变自由层的磁化方向。当该写电流在第一方向上流动时，MTJ可被置于或保持在第一状态中，其中其自由层磁化方向和固定层磁化方向以平行取向对齐。当该写电流在与第一方向相反的第二方向上流动时，MTJ可被置于或保持在第二状态中，其中其自由层磁化和固定层磁化以反平行取向对齐。

为了在常规MRAM中读数据，读电流可经由与用于在MTJ中写数据相同的电流路径来流过该MTJ。如果MTJ的自由层和固定层的磁化被取向成彼此平行，那么该MTJ呈现与在自由层和固定层的磁化是反平行取向的情况下MTJ将呈现的电阻不同的电阻。在常规MRAM中，MRAM的位单元中MTJ的两种不同电阻定义了两种不同的状态。这两种不同电阻代表由MTJ存储的逻辑“0”和逻辑“1”值。

磁性随机存取存储器的各位单元可布置成包括一种模式的存储器元件（例如，在MRAM的情况下是MTJ）的一个或多个阵列。STT-MRAM（自旋—转移－扭矩磁性随机存取存储器）是一种新兴的非易失性存储器，其具有非易失性、与eDRAM（嵌入式动态随机存取存储器）可比拟的速度、与eSRAM（嵌入式静态随机存取存储器）相比更小的芯片尺寸、无限制的读/写耐力和低阵列漏电流的优点。

简要概述

根据本公开的一方面，磁性隧道结（MTJ）配置成具有参考层、隧道阻挡层和复合垂直磁各向异性(PMA)层，该复合垂直磁各向异性层包括第一PMA层、第二PMA层、以及第一PMA层和第二PMA层之间的PMA耦合层。根据该方面，该隧道阻挡层配置在该参考层和该复合PMA层之间。

本公开的其他方面包括用于构建垂直MTJ的方法。该方法包括沉积参考层、沉积隧道阻挡层以及沉积复合垂直磁各向异性（PMA）层。沉积该PMA层包括沉积第一PMA层，沉积第二PMA层以及在第一PMA层和第二PMA层之间沉积PMA耦合层。在该方面，该隧道阻挡层沉积在该参考层和该复合PMA层之间。

在另一方面，磁性隧道结（MTJ）具有用于在第一层中固定磁化的装置和在第二层中提供隧穿磁阻（TMR）的装置。该设备还具有用于在复合层中提高垂直磁各向异性（PMA）的装置。该复合层包括用于提高PMA的第一装置、用于提高PMA的第二装置和用于耦合该用于提高PMA的第一装置和该用于提高PMA的第二装置的装置。

这已较宽泛地勾勒出本公开的特征和技术优势以力图使下面的详细描述可以被更好地理解。本公开的其他特征和优点将在下文描述。本领域技术人员应该领会，本公开可容易地被用作改动或设计用于实施与本公开相同的目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应认识到，这样的等效构造并不脱离所附权利要求中所阐述的本公开的教导。被认为是本公开的特性的新颖特征在其组织和操作方法两方面连同进一步的目的和优点在结合附图来考虑以下描述时将被更好地理解。然而要清楚理解的是，提供每一幅附图均仅用于解说和描述目的，且无意作为对本公开的限定的定义。

附图简要描述

为了更全面地理解本公开，现在结合附图参考以下描述。

图1是根据本公开的各方面的磁性隧道结（MTJ）结构的剖面图。

图2是根据本公开的各方面的磁性隧道结（MTJ）结构的剖面图。

图3是根据本公开的各方面的磁性隧道结（MTJ）结构的剖面图。

图4是解说根据本公开的各方面的用于提高PMA型MRAM单元的热稳定性的方法的工艺流程图。