[发明专利]具有双隧道势垒的磁器件及其制造方法

说明书

技术领域

本文中所描述的示例性实施例一般涉及集成磁器件，更具体地，涉及具有双隧道势垒的磁传感器和磁阻存储器。

背景技术

磁电子器件、自旋电子器件和自旋电子学器件是用于利用主要由电子自旋引起的效应的器件的同义词。磁电子在许多信息器件中使用以提供非易失性的、可靠的、防辐射的、高密度的数据存储和检索。许多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包括磁阻存储器元件的阵列。每个磁阻存储器元件典型地具有包括通过各个非磁层分离的多个磁层的结构(诸如磁隧道结(MTJ))，并且表现出取决于该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(pin)的，而另一磁层的磁化方向可以自由地在分别被称为“平行”状态和“反平行”状态的相同方向与相反方向之间切换(switch)。对应于平行磁状态和反平行磁状态，磁存储器元件分别具有低电阻状态和高电阻状态。因此，电阻的检测使得磁阻存储器元件(诸如MTJ器件)可以提供存储在该磁存储器元件中的信息。存在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，邻近于MTJ位元(bit)的载流线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本身的电流脉冲实现切换。自旋极化的隧穿电流所传载的自旋角动量引起自由层的反转，其中最终状态(平行或反平行)由电流脉冲的极性确定。已知自旋扭矩转移(transfer)在MTJ器件和被构图或者以其它方式布置使得电流基本上垂直于界面流动的巨磁阻器件中发生，并且当电流基本上垂直于畴壁流动时，在简单的线状结构中发生。表现出磁阻的任何这样的结构具有成为自旋扭矩磁阻存储器元件的可能。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)是位元的每面积的平均临界电流(Jc＝Ic/A)，其中A是面积，并且由电路供给的切换存储器阵列中的自旋扭矩MRAM元件的电流是写入电流(Iw)。为使较小的存取晶体管可以用于每个位元单元并且可以生产较高密度、较低成本的存储器，减小Iw是可取的。降低Jc、而不降低击穿电压Vbd是可取的，在击穿电压Vbd下，隧道势垒击穿。隧道势垒击穿在整个隧道势垒中是不可逆的劣化，使得磁阻和自旋扭矩可靠性大大地降低。

通过针对恒定的Jc降低位元的面积来减小Ic减小了分离自由层的两个稳定状态的磁能势垒Eb。Eb与自由层材料的磁化Ms、自由层的各向异性Hk以及自由层体积(volume)V成比例。减小面积明显地减小V，并因此明显地减小Eb。减小Eb影响MRAM的非易失性，使得自由层在该部件的操作寿命期间并经由温度范围中的热波动而切换成为可能。因此，减小隧道势垒的面积而不减小自由层的面积将是有利的。

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器(DSF)结构，其中，MTJ叠层(stack)包括两个不同的自旋极化层(自由层的每侧一个)，以通过自由层上的增大的自旋扭矩改进自旋扭矩转移效率来降低Jc，从而导致较低的写入电流。与在单隧道势垒器件中所发现的相比，双自旋过滤器器件具有用于提供较低的Jc以及在电流上升/下降方向上更对称的写入电流的两个隧道势垒。

双自旋过滤器器件要求自由层的任一侧的自旋极化固定层具有相反的磁化方向，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个的自旋扭矩效应将一起作用以将自由层磁化切换到所期望的方向。

类似于DSF结构的另一结构是双隧道势垒结构(DTB)。像DSF那样，该结构在自由层的任一侧具有隧道势垒，但是与DSF不同，磁固定层仅在一侧。该结构已显示出对位元写入所需的电压和击穿发生的电压的比率的改进。该比率提供更大的操作余裕(margin)或电压(或电流Iw)，因此是有利的。

因此，可取的是提供一种自旋扭矩磁阻存储器元件，其具有导致切换状态和极化电流的对称性改进的对称隧道势垒，上隧道势垒不因蚀刻穿过自由层而受损。此外，从随后的与附图以及前述技术领域和背景技术结合进行的详细描述和所附权利要求，示例性实施例的其它可取的特征和特性将变得清楚。

发明内容

两步蚀刻处理使得可以在第一蚀刻之后在电极和第二隧道势垒的侧壁上形成封装材料，以防止当执行第二蚀刻以移除自由层的一部分来制造磁器件时对第一隧道势垒的损伤。