[发明专利]用于垂直MTJ的非晶态合金间隔物

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年7月27日Lee等人提交的美国临时专利申请No.61/676,487的权益，其公开内容通过援引全部明确纳入于此。

技术领域

本公开一般涉及磁性隧道结(MTJ)器件。更具体地，本公开涉及改进垂直磁性随机存取存储器(MRAM)器件中的隧道磁阻(TMR)和热稳定性。

背景技术

与常规的随机存取存储器(RAM)芯片技术不同，在磁性RAM(MRAM)中，数据不是作为电荷来存储的，而是取而代之藉由存储元件的磁化来存储。存储元件的基本结构包括由薄的隧道势垒分隔开的金属铁磁层。通常，位于势垒下方的铁磁层(其被称为固定层)具有固定在特定方向上的磁化。位于隧道势垒上方的铁磁磁性层(其被称为自由层)具有能被变更的磁化方向，以在自由层磁化与固定层磁化呈反向平行时表示“1”或者在自由层磁化与固定层磁化呈平行时表示“0”，或反之。具有固定层、隧道层和自由层的一种此类器件是磁性隧道结(MTJ)。MTJ的电阻性取决于自由层磁化和固定层磁化是彼此平行还是彼此反向平行。存储器设备(诸如MRAM)是由可个体寻址的MTJ的阵列构造的。

为了将数据写入常规MRAM，通过MTJ来施加超过临界切换电流的写电流。超过临界切换电流的写电流足以改变自由层的磁化方向。当写电流在第一方向上流动时，MTJ可被置于或者保持在第一状态，其中其自由层磁化方向和固定层磁化方向对齐在平行取向上。当写电流在与第一方向相反的第二方向上流动时，MTJ可被置于或者保持在第二状态，其中其自由层磁化和固定层磁化呈反向平行取向。

为了读取常规MRAM中的数据，读电流可经由与用于将数据写入MTJ的电流路径相同的电流路径来流经该MTJ。如果MTJ的自由层和固定层的磁化彼此平行地取向，则MTJ所呈现的电阻不同于在自由层和固定层的磁化呈反向平行取向的情况下该MTJ所将呈现的电阻。在常规MRAM中，由MRAM的位单元中的MTJ的两个不同电阻定义两种相异的状态。这两个不同的电阻表示由该MTJ存储的逻辑“0”值和逻辑“1”值。

磁性随机存取存储器的位单元可被布置成包括存储器元件(例如，MRAM情形中的MTJ)范型的一个或多个阵列。STT-MRAM(自旋转移矩磁性随机存取存储器)是新兴的非易失性存储器，其具有以下优点：非易失性、与eDRAM(嵌入式动态随机存取存储器)相当的速度、与eSRAM(嵌入式静态随机存取存储器)相比较小的芯片尺寸、不受限制的耐读/写性、以及低阵列漏泄电流。

概述

根据本公开的一个方面，一种垂直磁性隧道结(MTJ)装置包括沉积在自由层与参考层之间的隧道势垒层。该MTJ还包括沉积在该隧道势垒层与该参考层之间的隧道磁阻(TMR)增强缓冲层，以及沉积在该TMR增强缓冲层与该参考层之间的非晶态合金TMR增强间隔物。

根据本公开的另一方面，一种用于构造垂直磁性隧道结(MTJ)装置的方法包括在自由层与参考层之间沉积隧道势垒层，在该隧道势垒层与该参考层之间沉积隧道磁阻(TMR)增强缓冲层，以及在该TMR增强缓冲层与该参考层之间沉积非晶态合金TMR增强间隔物。

根据本公开的另一方面，一种垂直磁性隧道结(MTJ)装置包括沉积在底部自由层与参考层之间的隧道势垒层。该装置还具有沉积在该底部自由层上的非晶态合金垂直磁各向异性(PMA)增强间隔物，以及沉积在该PMA增强间隔物上的顶部自由层。

根据本公开的另一方面，一种用于构造垂直磁性隧道结(MTJ)装置的方法包括在底部自由层与参考层之间沉积隧道势垒层。该方法还包括在该底部自由层上沉积非晶态合金垂直磁各向异性(PMA)增强间隔物；以及在该PMA增强间隔物上沉积顶部自由层。

根据本公开的另一方面的垂直磁性隧道结(MTJ)设备包括用于增进至TMR增强缓冲层的交换耦合的装置。该设备还具有用于增进顶部自由层与底部自由层之间的表面各向异性的装置。

根据本公开的一个方面的用于构造垂直磁性隧道结(MTJ)装置的方法包括在自由层与参考层之间沉积隧道势垒层的步骤。该方法还包括在该隧道势垒层与该参考层之间沉积隧道磁阻(TMR)增强缓冲层，以及在该TMR增强缓冲层与该参考层之间沉积非晶态合金TMR增强间隔物的步骤。