具有漸變層的非易失性磁存儲元件的製作方法

2023-05-18 10:54:26 2

專利名稱:具有漸變層的非易失性磁存儲元件的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及非易失性磁存儲器，並且具體地涉及具有漸變層的非易失性磁存儲器。
背景技術：
計算機通常使用諸如硬碟驅動器(HDD)之類的旋轉式磁性介質(rotatingmagnetic media)來進行數據存儲。儘管被廣泛使用並且普遍接受，但是這種介質經受多種不足，例如存取等待時間、較高的功耗、較大的物理尺寸和無法耐受任何物理震動。因此，需要沒有這些缺陷的新型存儲器件。
其他佔優勢的存儲器件是動態隨機存取存儲器(DRAM)和靜態RAM (SRAM)，它們是易失性且非常昂貴的，但是具有快速的隨機讀取/寫入存取時間。諸如固態非易失性存儲 器(SSNVM)之類的固態存儲器件具有由基於N0R/NAND的閃速存儲器構成的存儲器結構，提供快速的存取時間、提高的輸入/輸出(IO)速度、減小的功耗和物理尺寸、以及增加的可靠性，但是具有較高的成本，所述成本通常比硬碟驅動器(HDD)高很多倍。
儘管基於NAND的閃速存儲器比HDD更加昂貴，但是至少部分地由於即使在斷電時也能保持數據的性質，基於NAND的閃速存儲器已經在很多應用領域代替了磁性硬碟驅動器，所述領域例如數字攝像機、MP3播放器、蜂窩電話和手持多媒體設備。然而，隨著存儲器尺寸要求越來越小，可縮放性成為一個重要的問題，因為基於NAND的閃速存儲器和DRAM存儲器的設計難以縮放為更小的尺寸。例如，基於NAND的閃速存儲器具有與以下方面相關的問題電容I禹合、很少的電子比特(fewelectron bits)、差的誤差率性能以及由於減小的讀寫耐久性導致的降低的可靠性。讀寫耐久性指的是主要由於編程、擦除周期中所要求的高電壓，在存儲器開始性能退化之前讀、寫和擦除周期的次數。
通常認為NAND閃速存儲器將非常難以縮小到45納米(nm)以下。類似地，DRAM具有與溝槽電容器的縮放相關的問題，導致變得越發難以製造的非常複雜的設計，導致較高的成本。
近來，各應用在系統設計中一般採用EEPR0M/N0R、NAND, HDD和DRAM存儲器的組合。產品中不同存儲器技術的設計增加了設計複雜性、銷售時間和增加的成本。例如，在合併了諸如NAND閃速存儲器、DRAM閃速存儲器和EEPR0M/N0R閃速存儲器之類的多種存儲器技術的手持多媒體應用中，設計複雜度、製造成本和銷售時間均增加了。另一個缺點是其中合併了全部這些類型存儲器的器件的尺寸增加。
在研發替換技術時進行了廣泛的努力，例如由加利福尼亞州的Fremont市的Nanochip有限公司製作的Ovanic(奧氏)隨機存取存儲器(RAM)(或相變存儲器)、鐵電RAM(FeRAM)、磁性RAM(MRAM)、探針存儲器，以及其他的用於以某種形式代替當前設計中使用的存儲器(例如動態RAM(DRAM)、靜態RAM(SRAM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)/NOR閃速存儲器、NAND閃速存儲器和硬碟驅動器(HDD))的存儲器。儘管這些各種存儲器/存儲技術已經創造了許多挑戰，但是近年來在這一領域也已經產生了一些進步。MRAM看起來似乎要引領這樣的趨勢最近幾年MRAM的進步作為一種通用的存儲器解決方案要代替系統中所有類型的存儲器。
包括MRAM的現有技術存儲器結構的問題之一是它們的單元尺寸或存儲器尺寸太大，因此不能使其自身良好地進行縮放。這種MRAM的典型設計對一個存儲器單元使用一個或更多電晶體，導致nT-1存儲器單元型設計，其中n = 1-6。這使得單元尺寸太大，導致縮放性和成本問題。近來，採用電流感應磁化翻轉(current-inducedmagnetizationswitching, CIMS)作為替代的存儲器解決方案,並且聲稱引入構建更高容量MRAM型存儲器的較佳方式。但是基於MRAM的存儲器傾向於具有更大的單元尺寸(16-24F2，其中F是基於光刻技術的最小特徵)。在較低的翻轉電流(switching current)和與熱穩定性相關聯的存儲器可靠性之間也存在折中。
因此按照上述陳述，所需要的是非易失性磁存儲元件，其在展現出改進的可靠性的同時具有較低的翻轉電流。

發明內容
為了克服上述現有技術中的局限性，並且為了克服在閱讀和理解本說明書之後變得清楚的其他局限性，本發明公開了一種用於非易失性磁性存儲存儲器件的方法和相應的結構，所述非易失性磁性存儲存儲器件是基於在磁存儲器中具有減小的翻轉電流和高存儲器容量的電流感應磁化翻轉。
簡要的說，本發明的實施例包括一種非易失性磁存儲元件，所述非易失性磁存儲元件由固定層、固定層上形成的隧道層、隧道層上形成的漸變自由層構成。
在閱讀了在附圖中所示優選實施例的以下詳細描述之後，本發明的這些和其他目的和優點將毫無疑問的變得更加清楚。


圖I示出了根據本發明實施例的非易失性磁存儲元件10的相關層。
圖2示出了圖I的存儲元件10的層的細節。
圖2(a)示出了根據本發明替代實施例的非易失性磁存儲元件11。
圖3示出了對存儲元件10編程時所述層26的狀態。
圖4示出了存儲元件10的示例性實施例的特定部分。
圖5示出了在任何漸變層沉積期間所施加的反應氣體的量作為時間函數的圖示。
圖6示出了根據本發明另一個實施例的存儲元件10的特定部分。
圖7示出了在所述任何漸變層的層26的沉積期間所施加的反應氣體百分比(X軸所示)與沉積時間(X軸所示)的關係曲線。
圖8(a)示出了根據本發明另一個實施例的存儲元件10的特定層。
圖8(b)示出了根據本發明另一個實施例的存儲元件10的特定層。
圖8(c)示出了根據本發明另一個實施例的漸變層中的組分分布。
圖9示出了根據本發明實施例的例如在具有存取電晶體的存儲元件10中的磁性
隧道結。
圖10示出了包括根據本發明實施例的存儲元件100的讀出電路(sensingcircuit) 210,用於讀出或測量存儲元件100的(讀取)狀態。
圖11示出了上述實施例的存儲元件10的應用的非易失性存儲器集成電路300。
圖12示出了表明在製造存儲元件10和相應CMOS電路時執行的步驟的工藝流程圖 310。
圖13示出了根據本發明另一實施例的具有平面外磁性各向異性的漸變自由層26。
圖14示出了根據本發明另一實施例的非易失性磁存儲元件519。
具體實施方式
在實施例的以下描述中，參照作為實施例一部分的附圖，並且在附圖中藉助圖示示出了實踐本發明的特定實施例。應該理解的是因為在不脫離本發明範圍的情況下可以進 行結構改變，因此也可以使用其他實施例。應該注意的是，這裡所討論的附圖沒有按比例繪製，線條的厚度並不表示實際尺寸。
在本發明的實施例中，公開了一種非易失性磁存儲元件。在本發明的一個實施例中，磁性元件包括漸變固定層、隧道層和漸變自由層，所述固定層、隧道層和自由層包括磁性隧道結(MTJ)。存儲元件可疊置為存儲元件的陣列。
現在參考圖1，示出了根據本發明實施例的非易失性磁存儲元件10的相關各層。磁性元件10示出為包括固定層12、所述固定層頂部上示出形成了隧道層14、所述隧道層14頂部上示出形成了漸變自由層16。應該注意的是，這裡所示的附圖並非按比例繪製。應該注意的是貫穿以下討論和說明，可以將層16或其他自由層討論為是漸變的，在替換實施例中，層12也可以是漸變的。仍然可替換地，層16和12均可以是漸變層。
圖2示出了圖I的存儲元件10的各層的進一步細節。在圖2中，反鐵磁釘扎層(anti-ferromagnetic pinning layer) 20形成於晶種層19的頂部上，晶種層被示為形成於底部電極18的頂部上，固定層22被示為形成於反鐵磁釘扎層20的頂部上，隧道層24被示為形成於固定層22的頂部上，漸變自由層26被示為形成於隧道層24的頂部上，帽層28被示為形成於漸變自由層26的頂部上，頂部電極30被示為形成於帽層28的頂部上。固定層22與層12類似，並且也稱作阻擋層的隧道層與隧道層14類似，以及自由層26與自由層16類似。固定層22被示為包括子固定層32、所述子固定層32頂部上形成的合成反鐵磁(AF)耦合層34、所述合成反鐵磁耦合層34頂部上形成的子固定層36。
在自由層26的沉積期間，如以下簡要討論的，沉積工藝在引起自由層26漸變的層沉積期間是變化的。可替換地，層22可以是漸變層，在這種情況下，如下面進一步討論的，按照與構造或形成層26類似的方式構造層22。在沉積工藝期間，通過改變濺射氣體中氧氣或其他反應氣體組分的量、通過改變總濺射氣體壓力、通過改變施加到晶片的襯底偏置、通過改變施加到靶的濺射功率、通過改變共同沉積期間施加到兩個或更多靶的濺射功率的比例、通過用來自分離的離子源的離子轟擊生長膜、或通過上述中的一種或多種的組合來形成諸如層26之類的漸變層。示例性的濺射氣體是氬，另一實例是氙(Xe)、氪(Kr)或任何其它類型的惰性氣體。
在示例性的沉積方法中，氣體壓力單調變化，即在漸變層沉積期間，氣體壓力從0. 5到10毫託(mTorr)增量變化，這導致微結構變化和漸變層組分的逐漸變化。單調指的是隨著時間沿增加方向改變氣體壓力。
在另一個示例中，在漸變層沉積期間，濺射期間的靶功率密度按照從0. I到I. 0瓦每平方釐米(W/cm2)的單調(增加)方式變化，以計及各種靶尺寸。靶(或陰極)是被濺射(或任何其他類型的物理或化學晶片沉積)到晶片或襯底上的材料源。
在另一種情況下，採用兩種不同的靶，並且通過來自兩種不同靶的共同沉積來製作漸變層，在使一個靶中的功率密度從0. Iff/cm2到lW/cm2單調傾斜上升時，使另一個靶的功率密度從lW/cm2到0. Iff/cm2傾斜下降，這在漸變層的整個膜厚中導致產生逐漸變化的組分。
可替換地，在使用靶的上述實例中，向晶片施加負電壓以提高沉積期間濺射氣體的轟擊，導致漸變層變化的組分和微結構。典型的電壓範圍在-50伏到-100伏。襯底或晶片包括多個存儲單元。可替換地，可以採用射頻(RF)基電壓。
仍然在另一個實施例中，採用分離的離子源以增強沉積期間濺射氣體的轟擊，導致漸變層變化的組分和微結構。儘管這可以有利地允許改變離子源位置，並且從而改變被轟擊離子的能量，但這是非常昂貴的。
在本發明的一個實施例中，隧道層24由以下材料構成二氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鉿(HfO2)、氧化錯(ZrO2)、氮化鉭(TaN)、氧化銀(SrO)、氧化釕(RuO)或氧化鋅(ZnO)。包含小於50mol %的上述列表成分的化合物的MgO非常適用於形成隧道層24。
層28用於將層26與頂部電極30絕緣，並且按照這種方式，用於將層26與頂部電極30的任何微結構效應相隔離。製作頂部電極30的材料選擇至少部分地依賴於用於限定存儲元件10的尺寸的刻蝕工藝的選擇和可用性。存在多種刻蝕工藝的選擇，例如反應刻蝕工藝和離子束刻蝕工藝。反應刻蝕工藝更適用於生產，並且可以依賴於製作頂部電極30的材料來採用不同的氣體。
在本發明的一個實施例中，帽層28由選自以下非晶材料組的材料製成例如鎳鈮(NiNb)、鎳鋯(NiZr)、鎳鈮鋯(NiNbZr)、鎳矽鈮(NiSiNb)或鎳矽鋯(NiSiZr)。在本發明的另一個實施例中，帽層包括一層以上的層，其包括從以下材料中選擇的另一層鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、銅(Cu)、金(Au)和釕(Ru)。層28的典型厚度是小於50nmo
在本發明的一個實施例中，底部電極18由諸如鉭(Ta)之類的非磁性層並且使用反應離子刻蝕(RIE)工藝製成。在層18的頂部上形成的晶種層19具有促進層20的適當的多晶生長的目的、具有足夠大的導電性、並且同時作為平滑層，以確保(在其頂部上形成的)隨後各層的低表面粗糙度，從而導致層24的低表面粗糙度。形成晶種層19的示例性材料是Ta、Ru-X或NiFeY，其中X和Y包括來自以下組中的一種或更多種元素鉻(Cr)、鑰(Mo)、鉭(Ta)、鎢(W)、鋯(Zr)、銠(Rh)或銥(Ir)。所述晶種層19用於實現層20的正確晶向。層20是基本上確定層22的磁化方向的AF磁性層。
在本發明的一個實施例中，層34由釕(Ru)和元素X的合金構成，所述元素X可以包括來自以下組的一種或更多種元素鉻(Cr)、鑰(Mo)、鉭(Ta)、銠(Rh)或銥(Ir)，所述層34在相鄰磁性層之間產生RKKY耦合，即在層32和36之間產生RKKY耦合。層34的厚度選擇導致穿過磁性層32和36的平行磁化或反平行磁化。例如，典型地，6A-10人的厚度導致兩個相鄰磁性層之間的強反平行耦合，而12人-18人的厚度導致平行耦合。
用於層32和36的合金選擇是一種或多種鐵磁元素，例如Co、Fe和Ni，並且包含小於20原子百分比的鉬(Pt)，還包括最多20原子百分比的一種或多種以下元素P、B、Cr、Ta、W、Mo、Zr、Hf。層36是基本上非晶的合金，例如CoFeCrB，其中所述合金中硼(B)含量典型地在10-30原子百分比的範圍之內，這使得剛濺射(as-sputtered)的層是非晶的。在隨後的加熱工藝中，層36和層26(在剛沉積(as-d印osited)狀態也是非晶的)一起轉變為具有基本上與層24平行的(002)面的立方體晶體結構，所述層24具有為(001)的並且使它們的晶面(001)相匹配的立方體晶體結構。在圖2中，層24基本上與水平線平行，並且在進入圖2平面的方向上。在退火工藝之後，層26和36的原子平面轉變為這樣的晶相，它們的(002)晶面是水平的並且進入圖2的平面。這種類型的結構導致具有非常高TMR(隧穿磁阻)的存儲元件10。
在層26的沉積期間引入氣體，並且在本發明的示例性實施例和製造方法中，這種氣體由氬(Ar-X)、氙(Xe-X)或氪(Kr-X)製成，其中X典型地小於50vol %的一種或多種以 下材料氧氣(O2)、水(H2O)、一氧化二氮(NO2)、一氧化一氮(NO)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)或磷化氫(PH3)、五氧化二磷(P2O5)。圖7中示出了在層26的沉積處理時間期間這些氣體的百分比增加的實例。在一個實施例中，濺射(或載體)氣體中反應氣體的百分比小於總氣體的20vol%，並且反應氣體的剩餘部分構成總氣體的其餘部分。包括小於20vol %的材料的實例包括H20、C02、C0、N0或N02。包括總氣體中的剩餘部分的材料的實例包括IS氣、氣氣或氪氣。
在示例性實施例中，層32和36是Co、Fe的化合物，並且可以包含鎳(Ni)和來自以下元素列表的一種或多種元素硼⑶、磷⑵、鉻(Cr)、鉭(Ta)、鋯(Zr)、矽(Si)、鑰(Mo)、鉿(Hf)或鎢(W)。在本發明的一個實施例中，層20由包含來自以下列表的一種或更多種元素的銥猛(IrMn)、鉬錳(PtMn)或鎳猛(NiMn)製成鉻(Cr)、鎳(Ni)或鑰(Mo)。
在示例性實施例中，層26由鐵磁材料製成，而層28由非磁性材料製成，並且頂部電極30由非磁性材料製成。用於製作層26的鐵磁材料的實例是(CoFe)PxBx，其中x是合金組分中硼的原子分數，並且典型地小於0. 4。在示例性實施例中，層36是鐵磁特徵的，如同層32那樣，並且層32由鐵磁材料(C0Fe)HBy製成，其中y是合金組分中硼的原子分數，並且典型地小於0. 4，並且層36由鐵磁材料(CoFe) ^xBx製成。
在層20下面形成的底部層18基於工藝序列而具有多種目的。底部層18作為磁存儲器的底部電極，並且典型地由一個以上的層構成。該層需要足夠大的導電性，並且同時作為平滑層以確保隨後層的低表面粗糙度，從而導致層24的低粗糙度。這樣要求是為了獲得高隧穿磁阻(TMR)比。在一個實施例中，底部層18包括多個鋁(Al)和銅(Cu)的二元層，每一層均具有小於20nm的厚度。在另一個實施例中，包括具有小於50nm厚度的鉭(Ta)層。
圖2中所示各層的典型厚度如下底部層18小於100納米(nm)，晶種層19小於20nm,層20小於20nm,層32小於IOnm,層34小於3nm,層36小於IOnm,層24小於3nm,層26小於20nm，層28小於50nm，以及頂部電極30小於lOOnm。在本發明的一個實施例中，底部電極18是50nm,層20是9nm,層32是4nm,層34是I. 2nm,層36是3nm,層24是I. 2nm,層26是4nm,層28是IOnm,以及頂部電極30是40nm的尺寸。
在操作時，例如沿與頁面平行的方向、從底部電極18到頂部電極30將電流施加給元件10。電流翻轉效應由於磁矩和傳輸電流之間的交互作用而增加。利用了至少兩種支配機制，即，電流感應磁場和來自電流感應自旋極化的自旋扭矩。此外，還存在來自由於不連續的費米能級導致的在層26的界面處的自旋累積的效應，這也有助於當施加合適的電流時層26的翻轉，例如對於具有小於100nm*200nm的面積、以及I. 2至3之間的長寬比(=長軸/短軸)的細長存儲元件，小於500 u A的翻轉電流。
通過磁場的電流感應效應與半徑r成正比，而後者自旋扭矩效應與r2成比例，其中r是從電流承載電極到層26的距離。通過來自層22的隧穿自旋極化導電電子的動量轉移由自旋產生扭矩，所述扭矩與層26的自旋的「本徵」阻尼相對抗。在足夠電流下，例如對於沿y軸具有相對橢圓形狀的100nm*200nm至80nm*160nm之間面積的存儲元件,足夠的電流在200微安(iiA)至300微安(iiA)之間。這可以翻轉層26中的磁化方向。對於這種翻轉所要求的臨界電流的粗略估計一般可以根據以下等式進行計算
Ic = Ic0[l-(kBT/KuV) ln(tp/t0)] 等式(I)
其中Ictl是無熱波動時的臨界翻轉電流密度；kB是波爾茲曼常數；T是溫度，Ku是 有效單軸各向異性以及V是自由層的體積；h是自旋的處理頻率的倒數(小於1ns)，％是翻轉電流的脈衝寬度。
用於減小臨界翻轉的一種方式是通過減小自由層26的Ku或V中的任一個。此外，可以通過降低自由層26的厚度來減小翻轉電流，然而這可能由於使得存儲元件10的尺寸更加熱不穩定而損害存儲元件10的可靠性。通常，帶有具有較高KuV的自由層的存儲元件在更高溫度下更加熱穩定。作為一種通用規則，自由層的磁性能量KuV大於約60KBT，其中kB是波爾茲曼常數，以及T是環境溫度。
本發明的實施例依賴於這樣的物理規律磁化翻轉在納秒時間尺度發生，並且依賴於相鄰晶粒之間的晶粒間交換耦合以及靜磁耦合的相對強度。交換耦合通常比靜磁耦合強得多。這可能導致與翻轉體積和作為保持熱穩定性的原因的體積相對應的不同的「V」值。更具體地，在本發明的實施例中，在保持作為熱可靠性的原因的「體積」為大的同時，翻轉體積保持為小。這有利地在維持較高熱穩定性的同時，導致較低的「寫入」或「編程」電流。
用於製作存儲元件10的步驟之一是磁性退火工藝，其中典型地在350°C以上的溫度下，將磁性膜暴露到在晶片表面平面內施加的4-10k0e的磁場中。在一個實施例中，在375°C的溫度下沿存儲單元10的長軸，即易磁化軸，(例如與對於100nm*150nm的存儲單元的150nm的軸平行的軸)平行並且與晶片表面平行的施加5k0e的磁場2小時。施加磁場的作用是為了設置層20的磁性取向。同時，溫度退火引起層24的相鄰層中的結晶，例如層26和層36。這有助於確保較高的隧穿磁阻(TMR)，所述隧穿磁阻與兩種狀態的電阻(resistance)比例相關，所述狀態對最終存儲器的讀取速度具有直接的影響。上述操作和製造工藝的描述意圖於描述本發明的示例性實施例，因此，可以預想實現相同結果的其他方式。
在圖2中，固定層22示出為包括子固定層32、所述子固定層32頂部上示出形成的合成反鐵磁(AF)耦合層34、所述AF耦合層34頂部上形成的子固定層36。在替代實施例中，圖2的層22按照與關於層26描述的相同的方式漸變。在這樣的實施例中，只有諸如圖2的層36和32之類的子固定層是漸變的。
在本發明另一個實施例中，自由層26和固定層22兩者都是漸變的，具有貫穿膜厚的變化組分，以確保自由層和固定層對於高TMR和低翻轉電流的增強結晶。在這樣的實施例中，在貫穿漸變固定層和自由層兩者的膜厚中如此改變CoFeB合金的硼(B)組分以使得與阻擋層相鄰的固定層和自由層的組分接近10原子百分比，並且在固定層和自由層兩者的另一界面處增加至20原子百分比以上。在另一個示例中，固定層和自由層具有CoFeZrPtB的組分，其中B含量按照與自由層和固定層兩者類似的方式變化。這種漸變方法的機制在於更靠近阻擋層的原子層傾向於首先在較低的溫度結晶，從而開始對於其餘原子層的結晶。在優選模式中，存在硼的逐漸變化，其產生用於從阻擋層到其餘膜的結晶的逐漸驅動力。這導致非晶層更好的轉變，導致更一致的隧穿溝道，從而產生更高的TMR。值得期待的是這樣的結構也將具有較低的翻轉電流特性。
圖2(a)示出了根據本發明的替代實施例的非易失性磁存儲元件11。存儲元件11示出為包括與圖2實施例相同的層，除了按照不同的順序形成其中的一些層。在圖2(a)中，存儲元件11示出為包括底部電極18、所述底部電極頂部上示出形成的晶種層19、所述晶種層19頂部上形成的漸變自由層26。在層26的頂部上示出為形成了阻擋層24，在所述阻擋 層的頂部上示出為形成了固定層22，在所述固定層的頂部上示出為形成了釘扎層20。在層20的頂部上示出為形成帽層28，以及在帽層28的頂部上示出為形成頂部電極。層22由多層構成，如參考圖2所示和所述的。在圖2(a)中，子固定層36形成於層24的頂部上，並且層20示出為形成於層32的頂部上。
在替換實施例中，存儲元件10的任一層均是漸變的。仍然可替換的，存儲元件10的層的任何組合是漸變的。
圖3示出了當對存儲元件10編程時層26的狀態。在圖3中，層26的物理改變導致存儲元件10從一個狀態到另一個狀態的翻轉，並且從而導致存儲元件10的可編程能力或擦除。
在圖3中，層26示出為包括兩個區域44和42，其中作為層26的漸變特性的結果，磁矩的增強翻轉開始並且逐步增加，從而導致較低的翻轉電流密度。「漸變」層是其材料特性表現為不同特性的層，例如其磁各項異性矢量的方向和幅度、組分或微結構。特性的其他示例包括磁矩、電導性、磁致伸縮、或其他磁學或電學性質。
當承載平行化自旋的導電電子對於平行化過程從底部(即底部電極18)進入時，或對於反平行化過程被反平行地反射時，層26是漸變的，即層26的非均勻翻轉開始並逐步增加以最終翻轉存儲元件10的狀態，例如從平行到反平行，或者反之亦然。圖3的46示出了這種逐步增加，並且隨沿圖3的箭頭48所示方向上的狀態方向發生翻轉。
在圖1-3的實施例中示出了電流翻轉非易失性MRAM，所述MRAM要求較低的翻轉電流，並且可縮放至較低的光刻尺寸。基於在製造期間引入的氣體的選擇，其自由層包括氧化物、氮化物、硫化物或磷化物。上述的含量是沿自由層26的厚度兩端變化的基本上為非磁性的化合物，這導致具有氧化物或氮化物等「漸變」含量的膜。這些膜加強了存儲元件10的電流感應翻轉期間的非均勻翻轉過程，從而導致低編程或擦除電流。
圖4示出了存儲元件10的示例性實施例的特定部分。在圖4中示出了層22，在層22的頂部上示出為形成隧道(或阻擋)層24，在隧道層24的頂部上示出為層26。層26示出為包括具有比上述非磁性化合物明顯更大含量的區域48，其被示出為顛倒的錐形，儘管也可以期待諸如但不限於50和52處所示的形狀。區域49通常是不導電的，並且依賴於所採用的基礎合金，或者可以是完全非磁性的，或者是部分磁性的。化合物反應性越強，橫過區域49的尺寸越厚。每一個區域49的厚度由以下等式確定
功率X區域49的時間a尺寸等式⑵
每一個區域49沿垂直方向的長度是時間的函數。S卩，發生氧化(氮化等)期間的持續時間確定區域49的垂直長度。區域49由氧化物、氮化物或之前所述的其他材料構成。由於一氧化二氮(NO2)不像CO或O2那樣有反應性，從工藝或製作角度來看有利的是用其在49中形成化合物。區域49基本上均增加了由於反應氣體量增加而產生的氧化物的量。
在圖4中，(不包括區域49)的磁性區域53構成了層26的其餘部分。動量轉移逐步增加到臨界尺寸，直到發生雪崩翻轉為止，從而翻轉了存儲元件10的狀態。在圖1-4的實施例中，自旋極化電子將不會被傳導通過它們的區域，並且將基本上集中於磁性區域，從而開始了「局域化」的翻轉，導致雪崩類型的翻轉。例如，如果所使用的基礎合金是CoFe，並 且使用諸如H20、N02之類的氧化氣體，那麼區域49包括大多數氧化的Co和Fe的化合物，例如混合物形式的CoO、Co 203、FeO, Fe203。如果基礎合金包括Cr、Ta、Mo、W或Ti，那麼氧化物是諸如 Cr203、CrO, Ta2O5, TaO、MoO, Mo2O3> W2O3> Wo、TiO2 或 TiOx 之類的類型。
圖5示出了在任意漸變層沉積期間所施加的反應氣體的量作為時間函數的圖示。圖5示出了在自由層26的沉積期間所施加的諸如氬氣(Ar)之類的載氣中反應氣體含量的圖表表示。Y軸示出了氣體中反應氣體的百分比，以及X軸示出了時間。
圖6示出了根據本發明另一個實施例的存儲元件10的特定部分。在圖6中，層26示出為包括由例如Co和Fe構成的氧化物54。氧化物54通常是非磁性氧化物或磁性氧化物。儘管氧化物54的形狀呈現為菱形的，但也可以形成其他形狀的氧化物，例如但是不限於橢圓或彎曲的菱形。菱形氧化物54對氧化物53由於它們的形狀被公知為降低了存儲元件10的翻轉和編程電流。磁性區域56構成層26的其餘部分。
圖7示出了在所述任意漸變層的層26的沉積期間所施加的反應氣體百分比(X軸所示)與沉積時間(X軸所示)的圖形表示。在一個實施例中，反應氣體是Ar-5% NO2,將其與主要氣體Ar預先混合。當層26的總沉積時間為10秒時，在開始沉積層26 —秒鐘之後引入第二氣體Ar-5% NO2,並且在從開始之後5秒鐘增加到總氣體的20%，並且9秒之後降低到O。
圖8(a)示出了根據本發明另一個實施例的存儲元件10的特定層。在圖8(a)中，如之前實施例那樣，隧道層24示出為形成在固定層22的頂部上，以及漸變自由層26示出為形成在隧道層24的頂部上。然而，層26包括多個元件60，而不是之前實施例的CoFeB之類的單一元件。儘管可以採用其他數目的元件，該多個元件60示出為包括元件62-68。
在示例性實施例中，元件60由(CoFe) 1-xBx構成，其中X，在元件是非磁性的情況下，是傾向於快速氧化的鉻(Cr)、鉭(Ta)、鎢(W)、鈦(Ti)、鋯(Zr)或鉿(Hf)，而在所述元件是磁性的情況下，X典型地小於20原子百分比。大多數動量轉移開始於元件62，並且在本發明的實施例中，動量(moment)轉移的逐漸增加和有效使用降低了電流。
元件62通常表現出較高的Ku或各向異性特性，較高的Co，例如Co(70% )和Fe (30 % )，而元件64表現出中等的Ku，而元件66表現出較低的Ku，例如Co (30 % )和Fe (70% )。
在另一個實施例中，Co/Fe比例從0. 8到I. 2變化，其中I為Co (50at % )Fe(50at% )0可以通過多種工藝方法來實現組分漸變。例如，可以通過使用多靶系統來實現，其中每一個元件具有其自己的功率控制，所述功率控制分別變化以在等離子體中進行混合。在另一種方法中，改變濺射期間的氣體流量、靶功率或偏置，以實現沿厚度方向不同的膜成分。另一種方法可以包括使用分離的離子槍以產生基本離子，其被撞擊在層26或層24或其兩者的生長膜上。
圖8(b)示出了另一個實施例，其中層22和26兩者均按照以下方式漸變貫穿厚度改變硼B的組分。圖8(c)示出了貫穿所述膜的硼百分比的示例，其中高硼含量示出為與層24相鄰，以及硼的百分比從層24開始下降。在一個實施例中，硼的百分比在與層24相鄰處是20原子百分比，並且在層22和26的邊緣處降低為10原子百分比。
圖9示出了根據本發明實施例的磁性隧道結(MTJ)(例如存儲元件10)與存取電晶體，從而形成了存儲單元90。在圖9中，示出了存儲元件10通過電極92與其一端上的位線96相耦接，所述一端典型地是頂部電極30。在另一端上，存儲元件10示為通過底部電極 (BE) 94 (例如圖2的底部電極18)、通過接觸被連接電晶體98的漏極，所述接觸也被示為與電晶體98的漏極相耦接。電晶體98還包括源極，所述源極示出為與編程/擦除線204相耦接。電晶體94的柵極200示出為與字線202相耦接。電極92由導電材料製成。
圖9的實施例也稱為單一結構或一個單元結構。MTJ (磁性隧道結，也稱作存儲元件10)用作非易失性存儲元件。MTJ元件在編程狀態下具有較低的電阻，而在擦除狀態下具有較高的電阻。例如，在本發明的一個實施例中，低狀態的電阻是高狀態電阻的至少一半。低和高指的是「I」和「0」的二進位狀態，或者反之亦然。MTJ元件或存儲元件100示出為具有與其串聯的一個電晶體，用於存取所述存儲元件。位線96由金屬構成，並且字線202由多晶矽構成。
在操作時，存儲元件10按照以下方式被存取。存儲(或MTJ)元件10與存取電晶體98 —起形成存儲單元90。為了對存儲單元90進行編程，將位線96與正電源相連，而將編程/擦除線204接地。通過存取存儲單元90，字線202上升到預定電壓，將電晶體98「導通」，並且電流從位線96流到編程/擦除線204。電子沿相反方向流動，並且在進入自由層之前行進通過存儲元件10的固定層。這引起自由層的磁性取向與固定層對齊，並且存儲元件10的電阻(R)降低為最小。另一方面，通過改變位線和編程/擦除線的方向來執行擦除操作。這時，將編程/擦除線正向偏置，而將位線接地。電流將從編程/擦除線流到位線，也就是說電子從位線流到編程/擦除線。由於自由層和固定層是磁性對齊的(編程狀態)，那麼少數電子(minority electron)從固定層反射回自由層。這些電子具有與固定層相反的自旋取向。當將它們注入到自由層中時，它們沿相反方向向自由層的磁性元件施加動量(moment)，通過推動足夠多的電子通過，自由層的磁性取向最終沿反平行方向變化，並且MTJ電阻最大化。
圖10示出了包括根據本發明實施例的存儲元件100的讀出電路210，用於讀出或測量存儲元件100的(讀取)狀態。在圖10中，讀出電路210示出為包括讀出放大器電路212，所述讀出放大器電路與第一解碼電晶體214和第二解碼電晶體216在其源極處相耦接。電晶體214的漏極示出為與基準存儲元件(MTJ) 218相耦接，並且用作基準位線。在本發明的一個實施例中，MTJ均由存儲器100構成。基準存儲元件218還示出為在電晶體242的漏極處與電晶體242相耦接。電晶體242的柵極形成了基準字線220，以及電晶體242的源極形成了 Ver (或擦除電壓)238，所述Ver與電晶體222的源極相耦接。
電晶體222的漏極示出為與存儲元件100相稱接,並且存儲元件100的相對端示出為與電晶體216的漏極相耦接，並且形成位線1244。擦除電壓238類似地示出為與電晶體224的源極相耦接，並且電晶體224的柵極示出為形成字線2228。電晶體224的漏極示出為與處於其的相對端的存儲元件240相耦接，形成位線2246。
現在將參考圖10解釋讀取操作。在讀取操作期間，讀出放大器電路210將選定單元的存儲元件100的電阻與基準存儲元件218的電阻相比較。將單元218的電阻設置為(Rl+R2)/2，其中Rl是處於低狀態的存儲元件100的電阻，以及R2是出於高狀態的存儲元件100的電阻。高低狀態是基於以上描述，其中低狀態具有高狀態電阻的至少一半的特徵。固定層和自由層的磁性取向在低狀態彼此是平行的，並且在高狀態下固定層和自由層的磁性取向是彼此反平行的。
在本發明的一個實施例中，讀出放大器230是雙穩態鎖存器或者任何這樣的裝 置，所述讀出放大器基於電阻的狀態而在狀態之間翻轉。例如，如果電阻較低，所述狀態將是低狀態的那個，而如果電阻較高，所述狀態將是高狀態的那個。
應該注意的是，磁存儲元件100和240是與位線244相連的多個磁存儲元件中的兩個。電晶體222和224將基於字線226或228之一的選擇來選擇這些磁存儲元件之一。當選擇字線時，用導通選定的電晶體所要求的適當電勢來對字線進行偏置。當選擇電晶體222或224之一時，引起存儲元件100通過電晶體216在231處與電路230相耦接，所述電晶體216用作解碼器電路。同時，通過電晶體242和字線220選擇基準存儲元件218。隨後，電流流過選定的電晶體，即電晶體222或224。流過基準存儲元件218的電流總是相同，而流過諸如存儲元件100之類的選定存儲元件的電流依賴於存儲元件的狀態。即，如果存儲兀件的狀態是聞，其相關的電阻(R)相對於基準存儲兀件為聞。隨後，比流過基準存儲兀件218更少的電流流過選定的存儲元件，使得讀出放大器電路230在233處進入相對於233的狀態的較高狀態。另一方面，如果選定的存儲元件處於低狀態並且具有較低的電阻，其電流相對於基準存儲元件218較高，並且231處的電壓下降。按照這種方式，231處的電壓確定了選定存儲元件的狀態。
圖11示出了上述實施例的存儲元件10的應用的非易失性存儲器集成電路300。所述電路300示出為包括邏輯I 302、邏輯II 304和嵌入式磁存儲器306。所述存儲器306包括本發明上述實施例的存儲元件(例如存儲元件10)的陣列。邏輯I 302和邏輯II 304是用於對存儲器306尋址的CMOS電路。
圖12示出了在製作存儲元件10和相應CMOS電路時執行步驟的工藝流程圖310。在圖12中，在步驟312，執行CMOS工藝以形成接觸和必不可少的CMOS電路。接下來在步驟314，對存儲元件10的嵌入式存儲器或陣列進行處理，並且最終在步驟316執行金屬化和鈍化工藝。這裡討論的氧化步驟形成了用於形成參考各個實施例所示和所討論的漸變自由層的氧化物，並且在步驟314期間執行所述氧化步驟。
在諸如層26之類的漸變層的另一個實施例中，所述層中磁性各向異性方向從平面內變化到平面外。這是通過圖13的424處所示的具有基本垂直的部件的漸變自由層來實現的。圖13示出了根據本發明另一實施例的具有平面外磁性各向異性的漸變自由層26。這通過具有來自伴隨導電電子的自旋的扭矩的更有效應用，促進了自由層的翻轉，從而導致較低的翻轉電流。更具體地，在「平行化」過程期間伴隨導電電子的自旋或沿「反平行化」方向的反射自旋傾向於基本上與針對縱向取向的平面內方向基本上平行。當這些自旋通過漸變自由層26的基本上垂直的部件424時(所述部件具有基本上垂直的磁矩)，它們給予最大的扭矩，從而開始磁性翻轉。這依次開始牽引與所述基本上垂直的部件相鄰形成的各層(例如層422和426)的自旋的磁化矢量，並且最終導致自由層中完全的翻轉。由於來自「細長」形狀的優選各向異性和沿長軸方向的場致各向異性的原因，自由層保持處於兩個狀態，即具有固定層磁化的平行或反平行狀態。
在本發明的一個實施例中，漸變自由層具有至少三個部分，即靠近「阻擋層」或隧道層的部分(標記為層422)、其是諸如CoFeB之類的非晶層、以及包括鈷(Co)、鉬(Pt)和或鈀(Pd)的多層的層424。還可以存在多於幾個的這些元素的交替層，典型地使用多靶濺射源順序沉積這些元素。在一個示例中，使用三層、Co/Pt多層，其中Co層厚度為0. 2-0. 6nm,以及Pt層為0.4-1.2nm厚。在另一個示例中，使用示例Pd/Co/Pt多層，其中典型的疊層具有2-5個重複的層，並且Pd層是0. 3-1. 2nm厚，Co層是0. 2-0. 8nm厚，以及Pt層是0. 6-1. 2nm厚。為CoFeB的另一層426或僅CoFe層可以放置在頂部上。層422、424和426統稱為自由層。層422保持最初非晶的剛沉積態以便確保退火後存儲元件的高隧穿磁阻 (TMR)。應該指出的是，TMR依賴於阻擋層兩側(即固定層和自由層的層422)上磁矩的相對磁性取向。層422的典型厚度是0. 5-3nm。層424的作用是主要減小翻轉電流，以確保對於存儲器產品的較低功率。層426的作用是為了首先確保在「反平行化」過程期間來自頂部入射導電電子的高極化程度，同時為足夠高的熱穩定性提供足夠的磁性能量。
圖14示出了根據本發明另一實施例的非易失性磁存儲元件519。在圖14中，存儲元件519示出為包括釘扎層520，所述釘扎層頂部上示出為形成漸變固定層532，所述漸變固定層532頂部上示出為形成合成AF(SAF)耦合層534，所述AF耦合層534頂部上示出為形成漸變固定層536，所述漸變固定層536頂部上示出為形成阻擋層524，所述阻擋層524頂部上示出為形成自由層526，所述自由層526頂部上示出為形成帽層528。儘管圖14中未示出，底部電極通常形成於層520下面，並且可選擇的，晶種層形成於底部電極和層520之間。圖14中未示出的頂部電極形成於帽層的頂部上。將電流從層520通過頂部施加到帽層528。層532和536均是漸變固定層，其間夾入層534。
在沉積層536和532期間，在如下面所討論的，按照構建或形成自由層類似的方式在所述層沉積期間改變沉積工藝，引起層536和532的漸變。在沉積期間，可以通過改變濺射氣體中的氧氣量或其他反應氣體成分、通過改變施加到晶片的襯底偏置、通過改變施加到靶上的濺射功率、通過改變在共沉積期間對於兩個或更多個靶的濺射功率比例、以及通過用來自分離的離子源的離子轟擊生長膜來實現所述漸變層。
用於層536和532的合金選擇是一種或多種鐵磁元素，例如Co、Fe和Ni，並且包含小於20原子百分比的鉬(Pt)，還包含至多20原子百分比的一種或多種以下元素P、B、Cr、Ta、W、Mo、Zr、Hf。在一個實施例中，層536是基本上非晶的合金，例如CoFeCrB,其中合金中的硼B含量按照以下方式在10-30原子百分比之間變化使得在隨後的加熱工藝期間，從阻擋層界面開始增強層536的結晶，層536轉化為具有與阻擋層基本上平行的(002)平面的立方體晶體結構，所述阻擋層具有為(001)的並且使它們的晶面(001)相匹配的立方體晶體結構。這一類型的結構導致具有非常高TMR(隧穿磁阻)的存儲元件。[0093]在另一個實施例中，層532是基本上結晶的合金，例如CoFeCr，其中合金的磁矩按照如此方式變化以增強與反鐵磁層520的交換耦合，以及增強穿過隔板層534與層536的RKKY耦合。層534由釕(Ru)和元素X的合金構成，X可以包括從以下組中選擇的一種或多種元素鉻(Cr)、鑰(Mo)、鉭(Ta)、銠(Rh)或銥(Ir)，所述元素在相鄰的磁性層之間產生RKKY耦合，即在層532和層536之間。層534的厚度選擇導致穿過磁性層532和536的平行或反平行磁化。例如，典型地6A-1OA的厚度導致兩個相鄰磁性層之間較強的反平行耦合，而12A- 18A的厚度導致平行耦合。層536也可以具有一個以上的層。靠近RuX—側的層是更低非晶的，但是具有較高的Ms以獲得較高的RKKY耦合，並且以獲得導電電子更大的極化。如上所述，靠近阻擋層一側的層可以是更加非晶的。
儘管已經就特定實施例中描述了本發明，應該理解的是對於本領域技術人員而言，本發明的其他變體和修改毫無疑問也是清楚明白的。因此，所附權利要求
應該解釋為覆蓋落在本發明的真實精神和範圍內的全部變化和修改。
權利要求
1.一種非易失性磁存儲元件，包括 底部電極； 所述底部電極頂部上形成的晶種層； 所述晶種層頂部上形成的反鐵磁釘扎層； 在所述反鐵磁釘扎層頂部上形成的具有固定的磁性取向的固定層； 在所述固定層頂部上形成的隧道層； 在所述隧道層頂部上形成的漸變自由層，所述漸變自由層具有相對於所述固定層的磁性取向能改變的磁性取向，所述漸變自由層由被磁性區域包圍的非磁性化合物製成，所述非磁性化合物在所述漸變自由層的厚度上變化，形成漸變含量的氧化物或氮化物，並且形狀為顛倒的錐形，所述漸變自由層對改變所述漸變自由層的磁性取向的翻轉電流作出響應，所述漸變自由層的磁性取向限定所述非易失性磁存儲元件所存儲的狀態； 在所述漸變自由層頂部上形成的帽層；以及 在所述帽層頂部上形成的頂部電極， 其中施加翻轉電流以雙向地通過所述底部電極或頂部電極，以翻轉所述非易失性磁存儲元件的磁化狀態。
2.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中所述隧道層由從包括下述的組中選擇的材料製成二氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鉿(HfO2)、氧化錯(ZrO2)、氮化鉭(TaN)、氧化銀(SrO)、氧化釕(RuO)和氧化鋅(ZnO)。
3.根據權利要求
2所述的非易失性磁存儲元件，其中所述隧道層包括小於50mol%的來自權利要求
2的材料列表中的化合物。
4.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中所述帽層用於將漸變自由層與頂部電極絕緣，並且採用這種方式，用於將所述漸變自由層(26)與頂部電極(30)的任何微結構效應相隔尚。
5.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中所述帽層用於將所述漸變自由層和與所述頂部電極相關聯的微結構效應相隔離。
6.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中所述帽層由從包括下述的組中選擇的非晶材料製成鎳鈮(NiNb)、鎳鋯(NiZr)、鎳鈮鋯(NiNbZr)、鎳矽鈮(NiSiNb)和鎳矽鋯(NiSiZr)。
7.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中所述帽層由一層以上的層製成，其中所述一層以上的層之一由從包括下述的組中選擇的材料製成銅(Cu)、金(Au)和釕(Ru)。
8.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中所述帽層具有小於50納米(nm)的厚度。
9.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中所述底部電極由非磁性層並且使用反應離子刻蝕(RIE)工藝製成，所述反鐵磁釘扎層(20)是基本上確定所述固定層(22)的磁化方向的AF磁性層。
10.根據權利要求
9所述的非易失性磁存儲元件，其中所述非磁性層是鉭(Ta)。
11.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中所述底部電極由鉭(Ta)製成。
12.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中形成所述反鐵磁釘扎層以確定所述固定層的磁化方向。
13.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中所述固定層由所述反鐵磁釘扎層頂部上形成的第一子固定層、所述第一子固定層頂部上形成的合成反鐵磁耦合層(34)、以及所述合成反鐵磁(AF)耦合層頂部上形成的第二子固定層製成。
14.根據權利要求
13所述的非易失性磁存儲元件，其中所述第一和第二子固定層均是由選自包括Co、Fe和Ni的組中的一個或更多鐵磁元素製成的合金,並且包含小於20原子百分比的鉬(Pt)，並且還包含最高至20原子百分比的一種或更多種以下元素P、Cr、Ta、W、Mo、Zr 和 Hf。
15.根據權利要求
14所述的非易失性磁存儲元件，其中所述第一和第二子固定層的鐵磁元素從包括下述的組中選擇銅(Cu)、鐵(Fe)和鎳(Ni)，並且包括小於20原子百分比的鉬(Pt)，還包括最高至20原子百分比的從包括下述的組中選擇的材料製成的元素P、B、Cr-、Ta、W、Mo、Zr 和 Hf。
16.根據權利要求
14所述的非易失性磁存儲元件，其中所述第二子固定層是基本上非晶的合金。
17.根據權利要求
14所述的非易失性磁存儲元件，其中所述第二子固定層由鈷鐵鉻硼合金(CoFeCrB)製成，其中合金中的硼B含量在10-30原子百分比之間。
18.根據權利要求
14所述的非易失性磁存儲元件，其中所述第二子固定層和所述漸變自由層是非晶的，並且轉換為具有與阻擋層MgO平行的(002)平面的立方體晶體結構，所述阻擋層MgO即使得(001)晶面相匹配的隧道層(24)。
19.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中所述底部電極具有小於100納米(nm)的厚度。
20.根據權利要求
I所述的非易失性磁存儲元件，其中反鐵磁釘扎層具有小於20納米(nm)的厚度。
專利摘要
本發明的一個實施例包括具有多層的非易失性磁存儲元件，所述多層中的任一層是漸變的。
文檔編號GKCN101730913 B發布類型授權 專利申請號CN 200880011839
公開日2012年11月14日 申請日期2008年2月11日
發明者P·克什特波德, R·K·馬爾姆霍爾, R·Y·蘭簡 申請人:艾弗倫茨科技公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (5),