具有耦合的自由磁层的垂直自旋转移转矩存储器(sttm)器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例属于存储器器件的领域，并且具体而言，属于具有耦合的自由磁层以增强稳定性并提供低阻尼的垂直自旋转移转矩存储器(STTM)器件的领域。
【背景技术】
[0002]在过去的几十年，集成电路中特征的缩放已经是不断发展的半导体产业背后的驱动力。缩放到越来越小的特征使半导体芯片的有限的不动产上的功能单元的密度增大。例如，缩小的晶体管尺寸允许在芯片上包含增大数目的存储器件，导致具有增大的容量的产品的制造。然而，对不断增大的容量的驱动不是没有问题的。优化每个器件的性能的必要性变得越来越重要。
[0003]自旋转矩器件的操作是以自旋转移转矩现象为基础的。如果使电流通过被称为固定磁层的磁化层，它将出现自旋偏振。随着每一电子的通过，它的自旋(角动量)将被转移到被称为自由磁层的下一磁层的磁化，并将引起其磁化发生小的变化。即，实际上的由转矩引起的磁化进动。由于电子的反射，转矩还将被施加到相关固定磁层的磁化上。最终，如果电流超过某一临界值(其为磁性材料及其环境所引起的阻尼的函数)，那么自由磁层的磁化将通常在大约1-10纳秒的时间内被电流脉冲切换。固定磁层的磁化可以保持不变，因为由于几何结构或者相邻反铁磁层的原因，相关电流低于其阈值。
[0004]可以采用自旋转移转矩来翻转磁随机存取存储器内的有源元件。相对于采用磁场来翻转有源元件的常规磁随机存取存储器，自旋转移转矩存储器或STTM具有较低的功耗、较好的可升级性的优点。但是，在STTM器件制造和使用领域仍然需要重大改进。
【附图说明】
[0005]图1图示了与常规自旋转移转矩存储器(STTM)器件的材料层堆叠体内的CoFeB层的厚度对照的阻尼的曲线图。
[0006]图2图示了根据本发明的实施例的用于垂直STTM器件的材料层堆叠体的横截面图。
[0007]图3图示了示出根据本发明的一个实施例的具有磁親合自由层的相干切换的示例的示意图。
[0008]图4图示了根据本发明的另一实施例的用于垂直STTM器件的另一材料层堆叠体的横截面图。
[0009]图5图示了用于测量根据本发明的一个实施例的材料堆叠体的阻尼值的曲线图500。
[0010]图6图示了根据本发明的另一实施例的用于垂直STTM器件的另一材料层堆叠体的横截面图。
[0011]图7图示了根据本发明的另一实施例的用于垂直STTM器件的另一材料层堆叠体的横截面图。
[0012]图8图示了根据本发明的实施例的包括自旋转移转矩元件的自旋转移转矩存储位单元的示意图。
[0013]图9图示了根据本发明的实施例的电子系统的框图。
[0014]图10图示了根据本发明的一个实施方式的计算设备。
【具体实施方式】
[0015]描述了具有耦合的自由磁层以提供增强的稳定性和低阻尼的垂直自旋转移转矩存储器(STTM)器件。在以下描述中，阐述了诸如具体的磁层集成和材料体系等很多具体的细节，以提供对本发明的实施例的透彻理解。对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在不需要这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其它实例中，则未描述诸如集成电路设计布局等公知的特征，以免不必要地模糊本发明的实施例。此外，应当理解，附图所示的各种实施例只是说明性的表示，并且不必要按比例被绘制。
[0016]一个或多个实施例涉及用于在垂直STTM系统中提高稳定性并降低阻尼或维持低阻尼的方法。应用可以在嵌入式存储器、嵌入式非易失性存储器(NVM)、磁随机存取存储器(MRAM)、磁隧道结(MTJ)器件、NVM、垂直MTJ、STTM以及非嵌入式或独立存储器中的使用。在实施例中，通过将第一自由磁层与第二自由磁层耦合来实现垂直STTM器件中的稳定性，如下文更详细的描述。所耦合的自由磁层提供了增强的稳定性和低阻尼。
[0017]稳定性是基于STTM的器件以及由其制造的存储器阵列的缩放所面临的最重要的问题之一。随着缩放继续，需要更小的存储元件来配合缩放的单元尺寸，该需要驱动行业朝着垂直STTM的方向发展，对于小存储元件尺寸而言垂直STTM具有较高的稳定性。常见的垂直STTM是用材料层堆叠体实现的，所述堆叠体包括底部电极、固定磁层、电介质层(例如，MgO)、自由磁层(例如，CoFeB)、帽盖层(例如，Ta)和顶部电极。材料层堆叠体的磁隧道结(MTJ)部分包括固定磁层、电介质层和自由磁层。此材料堆叠体是用于制造STTM的基本材料堆叠体，并且可以以较高的复杂性来制造该材料堆叠体。例如，还可以将反铁磁层包含到底部电极和固定磁层之间。此外，电极自身可以包括多个具有不同属性的材料层。所述材料堆叠体的最基本形式可以是平面内系统，其中，各磁层的自旋如同各层本身一样处于相同平面内。但是，使用层或界面工程，可以将所述材料堆叠体制造为提供垂直自旋系统。在示例中，将自由磁层(例如，由CoFeB构成的自由磁层)从用于平面内STTM器件的常规厚度减薄。减薄程度可以充分到使得从自由磁层内的与电介质层内的氧相互作用(例如，与氧化镁(MgO)层相互作用)的铁/钴(Fe/Co)获得的垂直分量相对于自由CoFeB层的平面内分量占据优势地位。这一示例提供了以具有到自由层的一个界面(即CoFeB-MgO界面)的耦合的单层系统为基础的垂直系统。来自MgO层的氧对CoFeB层内的表面铁/钴原子(Fe/Co)造成的氧化程度为自由层提供了强度(稳定性)，使之具有垂直占据主导的自旋态。这一常规堆叠体无法提供高稳定性和低阻尼。将稳定性定义为两个磁态(例如(1，0)(平行，反平行))之间的能量势皇。稳定性等于有效磁各向异性、自由磁层的厚度和自由磁层的面积的乘积。阻尼涉及随着自旋从一种状态切换到另一种状态时自旋的磁化所经历的磁摩擦。阻尼越大意味着需要的写入电流越大。但是，对于上文描述的具有单自由磁层(例如，CoFeB膜)的常规材料堆叠体而言，阻尼随着以纳米(nm)计的CoFeB厚度的降低而升高，如图1中针对不同的常规材料堆叠体所图示的。因而，为了获得较薄CoFeB所代表的较高稳定性，常规材料堆叠体提供了较高的阻尼。
[0018]在另一方面中，利用堆叠体内的附加的自由磁层增强了STTM单元的垂直性质或优势的稳定性，同时提供了降低的阻尼。作为示例，图2图示了根据本发明的实施例的用于垂直STTM器件的材料层堆叠体的横截面图。参考图2，用于垂直STTM器件的材料层堆叠体200包括电极202(例如，底部电极)、固定磁层206、电介质层208、自由磁层210、导电层212、自由磁层214、帽盖层216和电极220(例如，顶部电极)。在实施例中，图2所示的材料堆叠体是垂直系统，其中，磁层的自旋垂直于各层自身的平面。电介质层208可以是氧化镁(MgO)。这一层208可以具有约10欧姆微米2的电阻*面积(RAhMgO是MTJ中采用的自旋过滤隧道电介质。所述电介质层还提供了用于所述自由磁层210的结晶化模板(例如，BCC001取向)。在一个实施例中，自由磁层210是CoFeB。这一层可以具有大约0.5-1.5nm(例如，lnm)的厚度。可以将这一层用作存储器存储。导电层212是薄导电膜，所述膜包括下述成分的至少其中之一:钌(Ru)、钽(Ta)、钛(Ti)、错(Zr)、铪(Hf)和镁(Mg)。导电层212将自由层210和214磁耦合到一起，使得所述导电层增大自由层210的有效厚度，对于相同的给定面积而言其将提高总稳定性。注意，单个自由层的厚度不能被提高并实现相同的稳定性改善，因为较厚的CoFeB层将引起磁各向异性，从而使垂直磁化退化为平面内磁化。导电层还从自由层吸收杂质(例如，从CoFeB中吸收硼)，其将改善自由层的结晶化。更好的自由层结晶性改善了稳定性和自旋极化。而且，导电层应当只有几埃(例如，显著低于lnm)，从而使阻尼最小化。将自由层214磁親合至自由层210，从而有助于通过提高自由层的总厚度而提高Keff*t。自由层214的示例包括CoFeB(例如，大约1 nm)或者多层铁磁材料(例如，Co、CoFe)和非磁性物质(例如，Pd、Pt)，例如