[发明专利]将氧化镁插入磁性记忆体应用所用的自由层

说明书

揭露的磁穿隧接面中，自由层与第一金属氧化物(高介电常数增进层)与第二金属氧化物(穿隧阻障层)分别具有第一界面与第二界面，可产生垂直磁向异性以增加热稳定性。在一些实施例中，金属簇形成于自由层中，之后通过捕获氧可部分或完全氧化金属簇，以产生额外的自由层/氧化物界面，其可增进垂直磁向异性、提供可接收的电阻×面积值、并维持磁阻比例。在其他实施例中，自由层中连续或不连续的金属层(M)或合金层(MQ)可与捕获的氧反应形成部分氧化的金属层或合金层，其增进垂直磁向异性并维持可接受的电阻×面积值。M系镁、铝、硼、钙、钡、锶、钽、硅、锰、钛、锆、或铪，而Q系过渡金属、硼、碳、或铝。

技术领域

本发明实施例关于磁性元件，其包含与穿隧阻障层与高介电常数增进层交界的自由层，其中自由层包括簇形式的氧化镁或非化学计量的氧化镁于连续层中，其促进较高的垂直磁向异性、较佳的热稳定性、与较低的切换电流以用于自旋电子应用。

背景技术

依据硅的互补式金氧半与磁穿隧接面技术的整合，磁阻随机存取记忆体为重要的新兴技术，其可与现存的半导体记忆体如静态随机存取记忆体、动态随机存取记忆体、与快闪记忆体强力竞争。此外，自旋转移扭矩的磁化切换技术已揭露于C.Slonczewski发表的Current driven excitation of magnetic multilayers”,J.Magn.Magn.Mater.V 159,L1-L7(1996)，其于千兆位元的规模上可能应用于自旋电子装置如自旋转移扭矩-磁阻随机存取记忆体，因此引起相当大的兴趣。

场-磁阻随机存取记忆体与自旋转移扭矩-磁阻随机存取记忆体，均具有穿隧磁阻效应的磁穿隧接面元件，其中层状物堆叠的设置中，两个铁磁层层隔有非磁介电薄层。一铁磁层具有钉扎于第一方向中的磁矩，而另一铁磁层的磁矩可自由旋转至与第一方向平行或反平行的方向。随着磁阻随机存取记忆体单元的尺寸缩小，采用载流线产生的外部磁场切换自由层的磁矩方向的方式产生问题。形成超高密度的磁阻随机存取记忆体的关键之一，为消除半选择的干扰问题以提供强大的磁性切换范围。为了此原因，发展新型装置如自旋转移扭矩-磁阻随机存取记忆体。与现有的磁阻随机存取记忆体相较，自旋转移扭矩-磁阻随机存取记忆体的优点在于可避免相邻单元之间的写入干扰与半选择问题。自旋转换效应来自于铁磁-间隔物-铁磁的多层的自旋相关的电子转换性质。当自旋极化电流在垂直于平面的电流方向越过多层时，入射至铁磁层上的电子自旋角矩，与铁磁层和非磁性间隔物之间的界面附近的铁磁层的磁矩相互作用。通过此作用，电子转换一部分的角矩至铁磁自由层。如此一来，若电流密度够高且多层的尺寸小，则自旋极化电流可切换铁磁自由层的磁化方向。

为了在90nm与更小的技术节点看到自旋转移扭矩的磁阻随机存取记忆体，超小的磁穿隧接面元件(又称作奈米磁子)的磁阻比例比需远高于现有的磁阻随机存取记忆体的磁穿隧接面(其采用镍铁的自由层与氧化铝的穿隧阻障层)的磁阻比例。此外，临界电流密度J_c必需低于约10⁶A/cm²以被互补式金氧半电晶体驱动，此互补式金氧半电晶体通常对100nm的单位闸极宽度提供100μA的电流。自旋转移切换所用的临界电流(i_C)定义为[(i_C⁺+i_C^-)/2]，其通常为几微米安培。举例来说，临界电流密度(J_c，即i_C/A)的级数为10⁷A/cm²。诱发自旋转移效应所需的高电流密度，会破坏氧化铝、氧化镁、或类似物组成的穿隧阻障薄层。因此高密度装置如千兆位元规模的自旋转移扭矩-磁阻随机存取记忆体的重要挑战，为改善自旋转移扭矩效率如E_b/i_C，其中Eb为图1所示的两个磁性状态之间的能障如下述，而i_C为切换两个磁性状态之间所需的临界电流。需要降低自旋转移切换所用的临界电流i_C与其临界电流密度J_c将近一个级数，以避免磁穿隧接面装置的电性崩溃，并与用于提供切换电流并选择记忆体单元的下方互补式金氧半电晶体相容。