专利名称：具有双层自由层的自旋扭矩磁阻结构的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及磁阻结构、自旋电子、存储器和集成电路。更具体而言，本发明涉及自旋扭矩磁阻结构以及包括基于自旋扭矩的磁阻随机存取存储器(MRAM)的器件。
背景技术：
磁阻随机存取存储器(MRAM)将标准的基于硅的微电子器件与磁部件结合以实现非易失性存储器。例如，基于硅的微电子器件包括诸如晶体管、二极管、电阻器、互连、电容器或电感器之类的电子器件。晶体管包括场效应晶体管和双极晶体管。其他MRAM可以包括与其他半导体组件一起的磁部件，其他半导体部件例如包括砷化镓(GaAQ、锗或其他半导体材料。MRAM存储器单元包括存储在对应于两个数据状态(“1”和“0”)的两个方向之间切换的磁性力矩的磁阻结构。在MRAM单元中，信息存储在自由磁层的磁化方向上。在自旋转移MRAM存储器单元中，通过迫使写入电流直接通过构成MRAM单元的材料的堆叠层以将数据状态编写为“1”或“0”。一般而言，通过经由一个层来自旋极化的写入电流对后续的自由磁层施加自旋扭矩。扭矩基于写入电流的极性在两个稳态之间切换自由磁层的磁化。
发明内容
本发明的原理提供一种磁阻结构。根据本发明的一个实施方式，磁阻结构包括铁磁层、耦合到该铁磁层的亚铁磁层、 压定层(Pinned layer)和非磁性间隔层。磁阻结构的自由侧包括铁磁层和亚铁磁层。非磁性间隔层至少部分地位于自由侧和压定层之间。铁磁层的饱和磁化与亚铁磁层的饱和磁化相反。本发明的其他一些实施方式包括磁阻存储器器件和包括磁阻结构的集成电路。磁阻存储器器件存储对应于磁性力矩的至少两个方向的至少两个数据状态。集成电路还包括衬底，在该衬底上形成有压定层、非磁性间隔层、铁磁层和亚铁磁层。非磁性间隔层可以包括隧道势垒层(诸如由氧化镁(MgO)构成并且适于提供隧道磁阻的隧道势垒层)或适于提供巨磁阻的非磁性金属层。有利地，包含具有补偿饱和磁化(Ms)和高的各向异性场(Hk)的铁磁层和亚铁磁层的双层形成磁阻结构(例如，自旋扭矩切换器件)中的自由层。另一优势是，本发明的结构、 器件、存储器和方法适于使用比常规自旋扭矩转移磁阻器件所需的写入电流更少的写入电流来改变自由铁磁层的磁性力矩的方向。磁阻存储器可以例如是包括本发明的磁阻器件的一个实施方式的磁阻随机存取存储器(MRAM)。MRAM适于使用比常规自旋扭矩MRAM所需的写入电流更少的写入电流来写入数据。本发明的一些方面例如在保持纳米磁铁对热激发反转(thermally activated reversal)稳定的同时在自选扭矩切换的纳米结构中提供较低的切换电流。通过结合所附附图来阅读本发明的示例实施方式的如下具体描述，本发明的这些和其他一些特征、目标和优势将变得明显。
图1是根据本发明的一个实施方式的、平面内各向异性和总能量作为双层的净磁化的函数的示意图。图2示出了一种自旋扭矩磁阻结构。图3示出了根据本发明一个实施方式的、一种具有邻接隧道势垒层的铁磁层的自旋扭矩结构。图4示出了根据本发明一个实施方式的一种具有邻接隧道势垒层的亚铁磁层的自旋扭矩结构。图5示出了根据本发明一个实施方式的、向自旋扭矩结构写入。图6示出了根据本发明一个实施方式的、用于形成自旋扭矩结构的方法。图7是描绘了根据本发明一个实施方式的、示例性经封装的集成电路的截面视图。
具体实施例方式在此将在用于本发明的原理的示例自旋扭矩切换器件和方法的情形下描述本发明的原理。然而，可以理解本发明的技术不限于在此示出和描述的器件和方法。而是，本发明的一些实施方式针对用于减少自旋扭矩切换器件中的切换电流的技术。尽管本发明的一些实施方式可以在硅晶片中或硅晶片上制造，但是本发明的一些实施方式可以备选地在包括其他一些材料的晶片中或晶片上制造，该其他一些材料包括但不限于砷化镓(GaAs)、磷化铟αηρ)等。虽然本发明的一些实施方式可以使用下述材料来制造，但是一些备选实施方式可以使用其他材料制造。附图并未按比例绘制。附图所描绘的各种层的厚度并不必然指示本发明的一些实施方式的层的厚度。为了清楚起见，本领域所熟知的一些通常使用的层并未在图2-图5的附图中示出，这些通常使用的层包括但不限于保护性覆盖层、籽晶层和底层衬底。衬底可以是诸如硅之类的半导体衬底或任何其他合适的结构。铁磁材料表现出原子磁性力矩的平行对准，从而即使在无磁场的情形下也导致了相对大的净磁化。平行对准效应仅在低于称为居里温度的某临界温度的温度时出现。在铁磁体中，两个靠近的磁偶极子由于泡利原理而易于在相同方向上对准具有相同自旋的两个电子无法具有相同的“位置”，这相比于具有相反自旋的电子实质上减少了它们静电相互作用的能量。铁磁材料中的原子磁性力矩表现出由电子交换力产生的非常强的相互作用并且导致原子磁性力矩的平行或反平行对准。交换力可以非常大，例如等效于约1000特斯拉的场。交换力是由两个电子的相对取向所致的量子力学现象。元素Fe、M和Co以及它们的合金中的许多是典型的铁磁材料。铁磁材料的两个不同特性是它们的自发磁化和存在磁性有序温度(即居里温度)。尽管铁磁体中的电子交换力非常大，但是热能量最终克服了该交换并产生随机化的效果。这在称为居里温度(Τ。)的特定温度出现。在居里温度之下，铁磁体有序，而在居里温度之上，铁磁体无序。饱和磁化在居里温度时变为零。反铁磁体材料是具有原子或分子的磁性力矩的材料(其通常涉及电子的自旋)与以常规模式与在不同的子晶格上的指向不同方向的邻近自旋对准。一般而言，反铁磁层有序可以在足够低的温度下存在，在某个温度(奈尔温度)处或之上消失。在奈尔温度之上， 材料通常是顺磁性的。当未施加外部磁场时，反铁磁材料对应于的消失的总磁化。在磁场中，可以在反铁磁相中展现类亚铁磁性的行为，其中子晶格磁化之一的绝对值不同于其他子晶格的绝对值，从而导致非零的净磁化。反铁磁体可以例如通过称为交换各向异性的机制耦合到铁磁体(例如，其中铁磁体膜在反铁磁体上生长或在对准的磁场中退火)，从而使得铁磁体的表面原子与反铁磁体的表面原子对准。这提供了压定铁磁膜的取向的能力。反铁磁层在该温度处或在该温度之上失去其压定相邻的铁磁层的磁化方向的能力的温度称为反铁磁层的阻挡温度，该温度通常低于奈尔温度。亚铁磁材料是其中在不同子晶格上的磁性力矩相反的材料。然而，在亚铁磁性材料中，相反的力矩并不相等，并且自发磁化得以保留。这在子晶格由不同材料或离子(例如狗2+和狗3+)构成时发生。亚铁磁材料与铁磁体的类似之处在与它们在居里温度执行保持自发磁化，并且在该温度之上不显示出磁性顺序(而是顺磁性)。然而，有时在居里温度之下存在两个子晶格具有相等的力矩的温度，从而导致净磁性力矩为0 ；这称为磁化补偿点。 例如，在石榴石和稀土-转变金属合金(RE-TM)中观察到该磁化补偿点。亚铁磁体还可以表现出角力矩补偿点，在该角力矩补偿点处磁性子晶格的角力矩得以补偿。亚铁磁体例如通过磁性石榴石、磁石(铁(ΙΙ、ΠΙ)氧化物；Fe3O4)、YIG(钇铁石榴石)和由铁氧化物和其他元素(诸如铝、钴、镍、锰和锌)构成的磁石。磁性材料的饱和磁化(Ms)是磁性材料的如下磁场，即其中外部施加的磁场H的增加并不显著地进一步增加磁性材料的磁化(即磁性材料的磁场B)，从而磁性材料的总磁场 B呈平稳状态。饱和磁化是铁磁材料的特有特性。实际上，在饱和之上，磁场B继续增加，但是以顺磁速率增加，该顺磁速率可以例如比饱和之下所见的铁磁速率小3个数量级。外部施加的磁场H和磁性材料的磁场B之间的关系还可以表述为导磁率μ = Β/Η。铁磁材料的导磁率并不恒定，而是取决于H。在饱和材料中，导磁率通常随着H增加到最大值，随后随着接近饱和而反向并且朝0降低。磁性各向异性是材料的磁性性质的方向依赖性。磁性各向异性材料在为零的磁场中不具有针对材料的磁性力矩的优选方向，同时磁性各项异性材料将易于将其力矩对准到易磁化轴。存在磁性各向异性不同的来源，例如磁晶各向异性，其中晶体的原子结构引起磁化的优选方向；形状各向异性，当颗粒并非完美球形时，退磁化场并非针对所有方向相同，从而创建一个或多个易磁化轴；应力各向异性，其中张力可以改变磁性行为，从而导致磁性各向异性；以及交换各向异性，其在反铁磁性材料和铁磁性材料相互作用时出现。各向异性场(Hk)可以被定义为能够从易磁化轴来切换材料的磁化的最弱磁场。巨磁阻(GMR)是在某些结构中观察到的量子力学磁阻效应，这些结构例如是包括两个磁性层(例如，铁磁层或亚铁磁层)并其在这两个磁性层之间具有非磁性层的结构。磁阻效应自身显现为当两个磁性层的磁化平行时由相对小的磁性散射而导致的非磁性层的显著低的电阻。两个磁性层的磁化可以通过例如将该结构放置在外部磁场内而实现平行。 磁阻效应自身还显现为当两个磁性层的磁化反平行时由相对高的磁性散射而导致的非磁性层的显著高的电阻。由于两个磁性层之间的反铁磁性耦合，所以当该结构并非至少部分地位于外部磁场内时两个磁性层的磁化是反平行的。在此使用的术语非磁性金属是指非磁性(包括非铁磁性和非反铁磁性)的金属。隧道磁阻(TMR)是在磁性隧道结(MTJ)中出现的磁阻效应。MTJ是由通过薄绝缘体隔开的两个磁体构成的部件。如果绝缘层足够薄(通常为几纳米)，则电子可以从一个磁体遂穿进入另一磁体。由于这个过程在经典物理中禁止，所以TMR是严格量子力学现象。铁磁材料的居里温度是铁磁材料损失其特性铁磁能力的温度(例如对铁而言是 768°C)。在居里温度之下的温度处，磁性力矩在铁磁材料中的磁畴内至少部分地对准。随着温度朝居里温度上升，各个畴内的对准(磁化)降低。在居里温度之上，材料是完全顺磁的，并且不存在经对准的力矩的磁畴。本文中使用的术语接近或与......接近具有如下含义，其包括但不限于邻接、接
触和操作性地接触。针对磁性耦合具体而言，接近或与......接近包括但不限于操作性地
磁性耦合。本文中使用的术语邻接具有如下含义，其包括但不限于与......接近。生长具有低的Ms和高的Hk的单种材料是具有挑战性的(参见J. Z. Sun, Spin Angular Momentum Transfer in Current-Perpendicular Nanomagnetic Junctions, IBM Journal of Research and Development, volume 50, no. 1, January 2006,第 81-100 页； 该文献公开内容在此通过引用并入本文)。根据本发明的原理，使用具有低的饱和磁化(Ms)和高的各向异性场(Hk)的自由层材料是降低自旋扭矩切换纳米结构中的切换电流的一种方式。可以在包含交换耦合的铁磁层和亚铁磁层的某些双层结构中同时实现低的Ms和高的Hk。对该材料的关键要求在于来自经耦合的铁磁层和亚铁磁层的磁性力矩互相抵消，而非互相相加。包含含铁(Fe)的铁磁层和含钴(Co)和镉(Gd)的合金的亚铁磁层的双层(例如，Fe I CoGd)，以及包括含Cole和硼⑶的合金的铁磁层和含Co和Gd合金的亚铁磁层的双层(例如，CoFeB I CoGd)是具有低的Ms和高的Hk这两者的某些双层结构的示例。CoGd层是亚铁磁层，其中Co和Gd子晶格的磁性力矩被反平行地对准，即CoGd亚铁磁层的总饱和磁化由Ms—t。t = Ms—C。-Ms—ed给出；其中是扎―t。t总饱和磁化，Ms—c。是Co的饱和磁化，并且Ms ω是Gd的饱和磁化。在室温时，随着CoGd亚铁磁层的Co含量接近约80 %， CoGd亚铁磁层的净磁化靠近并且接近于0，其中Co和Gd子晶格的磁性力矩近似于完全互相抵消。当Co含量多于约80%时，Ms c。支配CoGd亚铁磁层的总磁性力矩。当Co含量低于约80%时，Ms ed支配CoGd亚铁磁层的总磁性力矩。对于本发明的一个实施方式而言，CoGd 组分是约60%的Co和约40%的Gd(60Co40Gd)，并且因而Gd磁性力矩支配总的磁性力矩。 在本发明的一些CoFeB I CoGd双层或！^ | CoGd双层实施方式中，Fe或CoFeB磁性层的!^e或 CoFeB磁性力矩分别平行交换耦合到CoGd亚铁磁层中的Co子晶格的磁性力矩。因此，可以通过改变铁磁层和亚铁磁层的厚度组合或通过改变亚铁磁层的组分来在宽的范围内调整双层的净磁化。双层补偿点是在该点处来自两个层的磁性力矩在该双层内完全相互抵消的点。双层组分和/或层厚度可以被改变，以调整双层补偿点。图1是根据本发明一个实施方式的、平面内各向异性110和总能量120作为双层的净磁化的函数的示意图100。当净磁化通过双层补偿点(由线130与水平轴在零磁化的点处指示)时，观察到双层的平面内各向异性场(Hk)中的大的增加(参见Hk点111)，同时总能量(Ms*Hk)几乎保持恒定。具有靠近双层补偿点的组分的膜是感兴趣的，这是因为它们
8的低的磁性力矩和高的各向异性场。CoFeB | CoGd双层和！^ | CoGd双层与包括氧化镁(MgO)的隧道势垒层具有良好的兼容性。在许多自旋扭矩切换隧道器件中使用MgO隧道势垒层。例如，具有包括7人厚的Coi^eB 层和90A厚的层(7 A CoFeB|90 A CoGd )的自由双层的MTj结构在240°c、2 小时退火后，当由平面内电流遂穿方法测量TMR时表现出超过50%的TMR效应。MTJ结构的TMR很大程度上取决于!^e或CoFeB铁磁层厚度、CoGd亚铁磁层厚度、MgO势垒层厚度和退火温度。此外，经测量，相比于具有其他Coi^eB自由层的其他MTJ而言结电阻-面积乘积 (RA)对沉积后退火更为敏感，这指示在MgO势垒层的氧化和含CoGd的自由层的完整性之间具有精细的平衡。总之，CoFeB I CoGd双层和!^e | CoGd双层可以用作自旋扭矩切换器件中的自由层。自旋扭矩转移磁阻结构或自旋扭矩磁阻随机存取存储器(MRAM)可以包括在图2 中示出的两端器件200，其包括在MTJ中的自由侧210、隧道势垒层220和压定侧230，其中自由侧210包括自由铁磁层211，压定侧230包括压定铁磁层231和压定侧反铁磁层230。 隧道结包括在自右侧210与压定侧230之间的隧道势垒层220。压定铁磁层231的磁性力矩的方向由压定侧反铁磁层232固定方向(例如朝右指向)。向下传递通过隧道结的电流使得自由铁磁层211的磁化平行于压定铁磁层231的磁化，例如朝右指向(向下是在从图 2的顶部到底部的竖直方向)。向上传递通过隧道结的电流使得自由铁磁层211的磁化与压定铁磁层231的磁化反平行，例如朝左指向。向上或向下传递的通过器件200的较小的电流用于读取器件200的电阻，该电阻取决于自由铁磁层211的磁化和压定铁磁层231的磁化的相对取向。常规自旋扭矩MRAM具有若干问题。一个问题是需要减少切换MRAM单元所需的写入电流。当前发明的原理通过向自由层中并入双层来解决该问题，该双层包括铁磁层和亚铁磁层。根据本发明一个实施方式的自旋扭矩器件包括自由侧、非磁性间隔层和压定侧。 自由侧包括至少两层。压定侧可以包括单个层或多个层。非磁性间隔层可以包括隧道势垒层(TMJ器件)或非磁性金属层(GMR器件)。隧道势垒层包括电绝缘材料，当使用电压和磁化适当地偏置隧道势垒层时，电子遂穿通过该电绝缘材料。非磁性金属层包括导电非磁性金属层。当读取TMR器件或GMR器件之一的状态时，输出信号根据跨非磁性间隔层的磁阻信号生成。如果非磁性间隔层是隧道势垒层(TMR器件)，则磁阻信号由遂穿磁阻来导致，或者如果间隔层是金属层(GMR器件)，则磁阻信号由巨磁阻导致。如图3所示，根据本发明一个实施方式的自旋扭矩结构300包括自由侧310、压定侧230和隧道势垒层220。自由侧310包括相对薄的自由双层，该自由双层包括邻接和交换耦合到自由亚铁磁层312的自由铁磁层311。自由层310邻接隧道势垒层220。具体而言， 自由铁磁层311邻接隧道势垒层220。隧道结220邻接压定侧230。图4示出了根据本发明一个备选实施方式的、备选的自旋扭矩结构400。该备选的自旋扭矩结构400类似于自旋扭矩结构300，除了互换了自由铁磁层和自由亚铁磁层位置之外。备选的自旋扭矩结构400包括自由侧410、压定侧230和隧道势垒层220。自由侧 410包括相对薄的自由双层，该自由双层包括邻接和交换耦合到自由铁磁层411的自由亚铁磁层410。自由侧410邻接隧道势垒层220。具体而言，自由亚铁磁层412邻接隧道势垒层220。隧道结220邻接压定侧230。隧道势垒层220可以包括例如氧化镁(MgO)。在图3和图4中所示的实施方式中， 隧道势垒层220是非磁性间隔层的示例。具有因巨磁阻导致的磁阻信号的其他一些实施方式可以包括非磁性金属层作为替换隧道势垒层的非磁性间隔层。包括非磁性金属层的一些实施方式例如在读取或写入期间以与包括隧道势垒层的实施方式相似的方式来操作，尽管磁阻的基本物理在隧道势垒层(遂穿磁阻)和非磁性金属层(巨磁阻)之间不同。非磁性金属层可以包括例如Cu、Au或Ru。根据本发明一个实施方式的自旋扭矩器件(例如MRAM存储器或MRAM存储器单元)包括例如自旋扭矩结构300或备选的自旋扭矩结构400。包括一个或多个MRAM存储器单元的MRAM还可以包括其他电子器件或结构，诸如包括硅的电子器件、晶体管、场效应晶体管、双极晶体管、金属氧化物半导体晶体管、二极管、电阻器、电容器、电感器、另一存储器器件、互连、模拟电路以及数字电路。存储在MRAM存储器单元内的数据对应于自由铁磁层和/或自由亚铁磁层中的磁性力矩的方向。在图3和图4的一些实施方式中，压定侧230包括压定铁磁层231和邻接和交换耦合到压定铁磁层231的压定侧反铁磁层232。虽然压定侧230包括图3和图4中示出的层，但是本发明不限于此；本领域中已知压定侧230的其他一些布置，并且这些其他一些布置可以用于本发明的其他一些实施方式中。压定铁磁层231可以包括例如包括2纳米(nm)厚的层、0. 8nm钌(Ru)层和另一 2nm厚的层的反平行(AP)层，该2纳米(nm)厚的层包括钴和铁的第一合金(Coi^e)，该另一 2nm厚的层包括钴和铁(CoFe)的第二合金。备选地，压定铁磁层231可以包括单一的压定层，例如钴和铁的合金(CoFe)的3nm厚的层。压定侧反铁磁层232很强地交换耦合到压定铁磁层231，该压定铁磁层231压定该压定铁磁层231。压定侧反铁磁层232用于压定该压定铁磁层231到特定对准。压定侧反铁磁层232可以包括例如锰(Mn)合金，诸如包括铱和锰的合金(IrMn)、 包括钼和锰的合金(PtMn)、包括铁和锰的合金O^Mn)、或包括镍和锰的合金(NiMn)。备选地，压定侧反铁磁层232可以包括不同的反铁磁材料。图5示出了自旋扭矩结构500的写入操作。自旋扭矩结构500包括具有施加的写入电流的自旋扭矩结构300。在一种情形下，通过向上的写入电流510A完成写入，该电流 510A包括被垂直驱动通过自旋扭矩结构500的电子流。粗垂直线上的箭头的方向指向电子流的方向。为了改变自旋扭矩结构500的数据状态，写入电流切换自由铁磁层311的磁性力矩。由于自由亚铁磁层很强地交换耦合到自由铁磁层，所以自由亚铁磁层312的磁性力矩也被切换。如果压定铁磁层231的磁性力矩521例如指向左，则在向上的电流510A内流动的电子将被向左自旋极化，并且因而在自由铁磁层311上施加扭矩以将自由铁磁层311的磁性力矩522A切换向左。相应地，自由亚铁磁层312的磁性力矩523A将被切换向右。如果数据状态已对应于否则将由向上的写入电流510A引起的数据状态，则自由铁磁层311的磁性力矩522A和自由亚铁磁层312的磁性力矩523A已被相应地设置为左和右，并且将不会被向上的写入电流510A切换。反之，如果电子流如向下的写入电流510B那样在相反方向(向下)，则当改变数据状态时，电子将被自旋极化为向右，并且自由铁磁层311的磁性力矩522B将被切换向右。因此，自由亚铁磁层312的磁性力矩52 将被切换向左。如果数据状态已对应于否则将由向下的写入电流510B引起的数据状态，则自由铁磁层311的磁性力矩522B和自由亚铁磁层312的磁性力矩52 已被相应地设置为向右和向左，并且将不被向下的写入电流510B 切换。压定铁磁层231的磁性力矩521的方向例如在所施加的磁场中使用高温退火来设置。考虑读取自旋扭矩结构300。在一个实施方式中，施加少于写入电流的读取电流以读取隧道势垒层220的电阻。跨自旋扭矩结构300施加读取电流以从顶部到底部或从底部到顶部流过自旋扭矩结构300。隧道势垒层220的电阻依赖于自由铁磁层311的相对磁性取向(磁性力矩的方向)。如果磁性取向为平行，则隧道势垒层220的电阻相对低。如果磁性取向为反平行，则隧道势垒层220的磁阻相对高。如前所述，隧道势垒层220的电阻由遂穿磁阻所致，并且可以取代自旋势垒层220而用作非磁性间隔层的非磁性金属层的电阻由巨磁阻所致。跨自旋扭矩结构300测量对应于施加的读取电流的电压允许根据欧姆定律计算跨自旋扭矩结构300的电阻。由于隧道势垒层220的电阻支配自旋扭矩结构300内的层的串联电阻，所以通过测量自旋扭矩结构300在一定精确度的程度上获得了隧道势垒层220的电阻。在一个备选的读取方法中，跨自旋扭矩结构300施加读取电压并且测量根据其计算自旋扭矩结构300的电阻的电流。备选的自旋扭矩结构400的读取操作和写入操作类似于上面针对自旋扭矩结构 300描述的读取操作和写入操作，除了在备选的自旋扭矩结构400中，亚铁磁层412取代自旋扭矩结构300中的铁磁层311工作。在改变数据状态中，亚铁磁层412直接被在写入电流中流动的电子所影响。写入电流内的电子将在自由亚铁磁层412上施加力矩以切换自由亚铁磁层412的磁性力矩。自由铁磁层411的磁性力矩将因很强地交换耦合到自由亚铁磁层412而切换。在读取中，隧道势垒层的磁阻将由自由亚铁磁层412和邻接隧道势垒层的压定侧层(例如压定亚铁磁层)的相对取向确定。图6示出了根据本发明一个实施方式的、用于形成自旋扭矩结构的方法600。例如，自旋扭矩结构包括自旋扭矩结构300、备选的自旋扭矩结构400或MRAM存储器单元。方法600的步骤可以以与所示不同的顺序出现。第一步骤610包括形成压定侧反铁磁层，例如压定侧反铁磁层232。第二步骤620包括形成压定铁磁层，例如压定铁磁层231。压定侧反铁磁层交换耦合到压定铁磁层且其邻接。第三步骤630包括形成隧道势垒层。例如，隧道势垒层包括隧道势垒层220。隧道势垒层邻接压定铁磁层。第四步骤640包括形成自由铁磁层，例如自由铁磁层311。自由铁磁层邻接隧道势垒层。第五步骤650包括形成自由亚铁磁层，例如自由亚铁磁层312。自由亚铁磁层交换耦合到自由铁磁层并与其邻接。根据备选的方法，第三步骤630包括形成非磁性金属层而不是隧道势垒层，其中压定铁磁层和自由铁磁层邻接非磁性金属层。根据另一备选方法，这些层被形成为使得自由亚铁磁层邻接隧道势垒层，而不是自由铁磁层邻接隧道势垒层。根据又一备选方法，第一步骤(610)和第二步骤(620)由形成压定侧的备选步骤替换，该压定侧可以包括与压定侧反铁磁层232和压定铁磁层231的组合不同的一个或多个层。图7是描绘了根据本发明一个实施方式的、示例性经封装的集成电路700的截面视图。经封装的集成电路700包括引线框702、附着到引线框的裸片704以及塑料包封模 708。尽管图7仅示出了一种类型的集成电路封装，但是本发明不限于此；本发明的一些实施方式可以包括包在任何封装类型中的集成电路裸片。裸片704包括在此根据本发明一些实施方式描述的结构并且可以包括其他结构或电路。例如，裸片704包括根据本发明一些实施方式的至少一个自旋扭矩结构或MRAM， 例如自旋扭矩结构300、400和500或根据本发明的方法(例如图6的方法)形成的一些实施方式。例如，其他结构或电路可以包括包括硅的电子器件，、晶体管、场效应晶体管、双极晶体管、金属氧化物半导体晶体管、二极管、电阻器、电容器、电感器、另一存储器器件、互连、模拟电路以及数字电路。自旋扭矩结构或MRAM可以在半导体衬底上或内形成，裸片还包括衬底。根据本发明的集成电路可以在应用、硬件和/或电子系统中运用。用于实施本发明的合适的硬件和系统可以包括但不限于个人计算机、通信网络、电子商务系统、便携式通信设备(例如蜂窝手机)、固态介质存储设备、功能电路等。并入了这种集成电路的系统和硬件被认为是本发明的一部分。考虑到在此提供的本发明的教导，本领域技术人员将能够构思本发明的技术的其他实现方式和应用。虽然在此参考所附附图描述了本发明的示例性实施方式，但是可以理解本发明并不限于这些精确的实施方式，而是本领域技术人员可以在不偏离所附权利要求书的情形下对此做出各种其他变化和修改。
权利要求
1.一种磁阻结构，包括铁磁层；亚铁磁层，其耦合到所述铁磁层，其中所述磁阻结构的自由侧包括所述铁磁层和所述亚铁磁层；压定层；以及非磁性间隔层，其至少部分地位于所述自由侧和所述压定层之间；其中所述铁磁层的饱和磁化与所述亚铁磁层的饱和磁化相反。
2.根据权利要求1所述的磁阻结构，其中所述自由铁磁层的饱和磁化基本上与所述自由的亚铁磁层的饱和磁化相抵消。
3.根据权利要求1所述的磁阻结构，其中所述亚铁磁层包括第一材料和第二材料，其中第一材料子晶格的磁性力矩与第二材料子晶格的磁性力矩反平行地对准。
4.根据权利要求3所述的磁阻结构，其中所述铁磁层的磁性力矩平行交换耦合到所述第一材料的磁性力矩。
5.根据权利要求3所述的磁阻结构，其中所述第一材料包括钴(Co)，并且所述第二材料包括镉(Gd)。
6.根据权利要求5所述的磁阻结构，其中Co和Gd的组合(CoGd)的组分是约60%的 Co和约40%的Gd(60Co40Gd)，并且其中Gd的磁性力矩支配CoGd的磁性力矩。
7.根据权利要求1所述的磁阻结构，其中所述铁磁层包括以下项中至少之一(i)铁 (Fe)和(ii)钴(Co)、铁(Fe)和硼(B)的组合(CoFeB)。
8.根据权利要求1所述的磁阻结构，其中所述自由侧包括以下项中至少之一(i)包括铁(Fe)的铁磁层和包括钴(Co)和镉(Gd)的亚铁磁层(Fe I CoGd)，以及(ii)包括钴(Co)、 铁(Fe)和硼(B)的铁磁层(CoFeB)和包括钴(Co)和镉(Gd)的亚铁磁层(CoFeB | CoGd)。
9.根据权利要求8所述的磁阻结构，其中所述自由侧包括近似7人厚的CoFeB层和近似90A厚的 CoGd 层(7A CoFeB|90A CoGd )。
10.根据权利要求ι所述的磁阻结构，其中在居里温度以下的温度时，在所述亚铁磁层内，在不同子晶格上的原子的磁性力矩相反，所述相反的磁性力矩并不相等，并且自发磁化得以保留。
11.根据权利要求1所述的磁阻结构，其中所述压定层包括压定铁磁层和交换耦合到所述压定铁磁层的反铁磁层。
12.根据权利要求1所述的磁阻结构，其中所述非铁磁间隔层包括以下项至少之一 ⑴隧道势垒层；(ii)包括氧化镁(MgO)的隧道势垒层；以及(iii)非磁性金属层。
13.根据权利要求12所述的磁阻结构，其中以下项的至少之一(i)所述隧道势垒层适于提供隧道磁阻；(ii)包括氧化镁的所述隧道势垒层适于提供隧道磁阻，以及(iii)所述非磁性金属层适于提供巨磁阻。
14.根据权利要求1所述的磁阻结构，其中所述铁磁层和所述亚铁磁层中的至少之一与所述隧道结层相邻。
15.根据权利要求1所述的磁阻结构，其中平面内各向异性场(Hk)大于1000奥斯特。
16.根据权利要求1所述的磁阻结构，其适于通过写入电流切换所述自由铁磁层和所述自由亚铁磁层中的至少之一的磁性力矩。
17.—种磁阻存储器器件，包括 铁磁层；亚铁磁层，其耦合到所述铁磁层，其中所述磁阻结构的自由侧包括所述铁磁层和所述亚铁磁层；压定层；以及非磁性间隔层，其至少部分地位于所述自由侧和所述压定层之间；其中所述铁磁层的饱和磁化与所述亚铁磁层的饱和磁化相反；以及其中所述磁阻存储器器件存储对应于磁性力矩的至少两个方向的至少两种数据状态。
18.根据权利要求17所述的磁阻存储器器件，其中所述非磁性间隔层包括以下项中至少之一 (i)隧道势垒层，其适于提供隧道磁阻；(ii)隧道势垒层，其包括氧化镁(MgO)并且适于提供隧道磁阻；以及(iii)非磁性金属层，其适于提供巨磁阻。
19.根据权利要求17所述的磁阻存储器器件，其中存储在存储器单元中的数据对应于所述自由铁磁层和所述自由亚铁磁层的至少之一中的磁性力矩的方向。
20.根据权利要求17所述的磁阻存储器器件，其中所述亚铁磁层包括第一材料和第二材料，所述第一材料包括钴(Co)，并且所述第二材料包括镉(Gd)。
21.一种集成电路，包括 铁磁层；亚铁磁层，其耦合到所述铁磁层，其中所述磁阻结构的自由侧包括所述铁磁层和所述亚铁磁层； 压定层；非磁性间隔层，其至少部分地位于所述自由侧和所述压定层之间；以及衬底，在所述衬底上形成有所述压定层、所述非磁性间隔层、所述铁磁层和所述亚铁磁层；其中所述铁磁层的饱和磁化与所述亚铁磁层的饱和磁化相反。
22.根据权利要求21所述的集成电路，其中所述非磁性间隔层包括以下项中至少之一 (i)隧道势垒层，其适于提供隧道磁阻；(ii)隧道势垒层，其包括氧化镁(MgO)并且适于提供隧道磁阻；以及(iii)非磁性金属层，其适于提供巨磁阻。
23.一种用于形成磁阻结构的方法，所述方法包括如下步骤 形成铁磁层；形成亚铁磁层，所述亚铁磁层耦合到所述铁磁层，其中所述磁阻结构的自由侧包括所述铁磁层和所述亚铁磁层； 形成压定层；以及形成非磁性间隔层，所述非磁性间隔层至少部分地位于所述自由侧和所述压定层之间；其中所述铁磁层的饱和磁化与所述亚铁磁层的饱和磁化相反。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述非磁性间隔层包括以下项中至少之一(i) 隧道势垒层，其适于提供隧道磁阻；(ii)隧道势垒层，其包括氧化镁(MgO)并且适于提供隧道磁阻；以及(iii)非磁性金属层，其适于提供巨磁阻。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述亚铁磁层包括第一材料和第二材料，所述第一材料包括钴(Co)，并且所述第二材料包括镉(Gd)。
全文摘要
给出了磁阻结构、设备、存储器及用于形成它们的方法。例如，磁阻结构包括铁磁层、耦合到该铁磁层的亚铁磁层、压定层和非磁性间隔层。该磁阻结构的自由侧包括铁磁层和亚铁磁层。非磁性间隔层至少部分地位于自由侧和压定层之间。铁磁层的饱和磁化与亚铁磁层的饱和磁化相反。非磁性间隔层可以包括隧道势垒层(诸如由氧化镁(MgO)构成的隧道势垒层)或非磁性金属层。
文档编号G11C11/00GK102428518SQ201080021467
公开日2012年4月25日 申请日期2010年4月12日 优先权日2009年6月23日
发明者D·C·沃莱吉, D·W·阿布拉哈姆, J·Z·孙, 胡国菡 申请人:国际商业机器公司