平衡垂直磁隧道結中的狀態(tài)之間的能壘的制作方法
【專利摘要】公開了用于通過在垂直磁隧道結(MTJ)中實施附加鐵磁層來增強垂直磁隧道結的性能的技術。例如可以在垂直MTJ的固定鐵磁層或自由鐵磁層中或者附近實施附加鐵磁層。在一些實施例中，借助非磁性間隔體實施附加鐵磁層，其中，可以調(diào)整附加鐵磁層和/或間隔體的厚度，以充分平衡垂直MTJ的平行狀態(tài)和反平行狀態(tài)之間的能壘。在一些實施例中，配置附加鐵磁層以使得其磁化與固定鐵磁層的磁化相反。
【專利說明】平衡垂直磁隧道結中的狀態(tài)之間的能壘
【背景技術】
[0001]在深亞微米工藝節(jié)點(例如32nm及以上)中的集成電路設計涉及多個重要的挑戰(zhàn)，并且結合有諸如晶體管或存儲器器件的微電子組件的電路在這些級別，例如關于以最佳器件參數(shù)和電路性能實現(xiàn)小器件特征的那些面臨著特別的復雜性。不斷的工藝縮減往往加劇此類問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0002]圖1A是傳統(tǒng)垂直磁隧道結(MJT)在其平行狀態(tài)中的橫截面示意圖。
[0003]圖1B是圖1A的傳統(tǒng)垂直MJT在其反平行狀態(tài)中的橫截面示意圖。
[0004]圖2A是示出用于理想垂直MTJ的作為外磁場的函數(shù)的電阻的滯后圖。
[0005]圖2B是圖2A的理想垂直MTJ的能量圖。
[0006]圖2C是不出用于圖1A-1B的傳統(tǒng)垂直MTJ的作為外磁場的函數(shù)的電阻的滯后圖。
[0007]圖2D是圖1A-1B的傳統(tǒng)垂直MTJ的能量圖。
[0008]圖3A是根據(jù)本發(fā)明實施例配置的垂直MTJ在其平行狀態(tài)中的橫截面示意圖。
[0009]圖3B是根據(jù)本發(fā)明實施例配置的圖3A的垂直MTJ在其反平行狀態(tài)中的橫截面示意圖。
[0010]圖4A是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例配置的垂直MTJ在其平行狀態(tài)中的橫截面示意圖。
[0011]圖4B是根據(jù)本發(fā)明實施例配置的圖4A的垂直MTJ在其反平行狀態(tài)中的橫截面示意圖。
[0012]圖5是實施根據(jù)本發(fā)明實施例配置的垂直MTJ的示例集成電路的透視示意圖。
[0013]圖6示出了以包括根據(jù)本發(fā)明示例實施例配置的一個或多個垂直MTJ的集成電路結構或器件實施的計算系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0014]公開了用于通過在垂直磁隧道結(MTJ)中實施附加鐵磁層來增強垂直磁隧道結的性能的技術。例如可以在垂直MTJ的固定鐵磁層或自由鐵磁層中或者附近實施附加鐵磁層。在一些實施例中，借助非磁性間隔體實施附加鐵磁層，其中，可以調(diào)整附加鐵磁層和/或間隔體的厚度，以充分平衡垂直MTJ的平行和反平行狀態(tài)之間的能壘。在一些實施例中，配置附加鐵磁層以使得其磁化與固定鐵磁層的磁化相反。附加鐵磁層例如可以用于減輕/消除垂直MTJ的平行與反平行狀態(tài)之間的能量固有偏移，從而使電阻一外磁場滯后更好地居中，平衡狀態(tài)之間的能壘，和/或改進垂直MTJ的性能。該技術例如可以在存儲器器件、傳感器、磁盤驅動器讀取頭和/或可以得益于MTJ器件的二值特性的其他電路中實施。
[0015]MM
[0016]磁隧道結(MTJ)器件是磁阻器件，其電阻可編程并可以響應于施加的磁場設定為高電阻率或低電阻率狀態(tài)。這兩個狀態(tài)之間的電阻的差通常稱為磁阻(MR)比率，取決于溫度和制造該器件的材料，磁阻比率的范圍例如從小于10%到百分之幾百或者更大。典型的MTJ器件配置包括夾置在分別稱為固定層和自由層的兩個鐵磁層之間的隧穿氧化物的絕緣體層。自由層中的磁場的方向確定MTJ器件是處于高電阻率狀態(tài)還是處于低電阻率狀態(tài)。通過將其電阻改變?yōu)榈碗娮杪薁顟B(tài)，可以在MTJ器件中存儲二進制的零，通過將其電阻改變?yōu)楦唠娮杪薁顟B(tài)，可以存儲二進制的一。有利地，一旦設定，則無需靜態(tài)功率來保持電阻狀態(tài)。如果絕緣體層足夠薄，電子可以借助量子隧穿從一個鐵磁層通過絕緣體層到達另一個。
[0017]給定MTJ的兩個鐵磁層典型地呈現(xiàn)磁各向異性一它們的磁特性的方向相關性。給定鐵磁層的磁各向異性可以由于多個來源導致，包括但不限于:(1)基于基體的各向異性(例如磁晶各向異性；形狀各向異性)；和/或(2)基于界面的各向異性。取決于其組成鐵磁層的磁化的方向，給定MTJ可以分類為呈現(xiàn):(1)面內(nèi)磁各向異性；或者(2)面外磁各向異性。面內(nèi)MTJ的磁化方向沿兩個鐵磁層的平面。相反地，面外(垂直)MTJ的磁化方向與組成鐵磁層的平面正交?？梢耘渲脙蓚€鐵磁層以使得其各自的磁化或者在相同方向上對準一平行⑵狀態(tài)，或者在相反方向上對準一反平行(AP)狀態(tài)。
[0018]圖1A是傳統(tǒng)垂直MTJ100在其平行(P)狀態(tài)中的橫截面示意圖。圖1B是圖1A的垂直MJT100在其反平行(AP)狀態(tài)中的橫截面示意圖。如所見到的，垂直MTJ100是分層結構，包括第一(固定)鐵磁層120、絕緣體層130和第二(自由)鐵磁層140，如所示地堆疊。固定層有時稱為釘扎(pinned)的，通常不經(jīng)受其磁化(M0s)中的變化一其磁化方向保持固定并用作參考。另一方面，自由層有時稱為動態(tài)的，在其磁化(Mes)方向上經(jīng)受變化。
[0019]在圖1A中，固定鐵磁層120和自由鐵磁層140在相同方向上(垂直MTJ100處于其P狀態(tài)中)分別具有磁化一 和Mes。在P狀態(tài)中，具有平行于磁化取向的自旋的電子(自旋加快電子)易于通過絕緣體層130從固定鐵磁層120到達自由鐵磁層140，同時具有反平行于磁化取向的自旋的電子(自旋減慢電子)被強烈地散射。自旋加快電子可以隧穿通過絕緣體層130，因為在自由鐵磁層140中可得到足夠大量的未占用自旋加速狀態(tài)。結果，P狀態(tài)MTJ100對于具有平行于磁化取向的自旋的電子具有低電阻率，對于具有反平行于磁化取向的自旋的電子具有高電阻率。換言之，與在AP狀態(tài)中相比，在垂直MTJ100的P狀態(tài)(低電阻率狀態(tài))中，電子更有可能隧穿(電流傳導)通過絕緣體層130，以下對此論述。
[0020]在圖1B中，M0定和Mes處于相反的方向(垂直MTJ100處于其AP狀態(tài)中)。在AP狀態(tài)中，兩類自旋的電子(自旋加速電子和自旋減慢電子)都被強烈地散射。量子隧穿在此情況下受到抑制，因為可以得到很少的自旋加速狀態(tài)(與在前參考圖1A論述的P狀態(tài)相比)。結果，AP狀態(tài)MTJ100對于電子具有高電阻率，不管自旋取向如何。換言之，與在P狀態(tài)中相比，在垂直MTJ100的AP狀態(tài)(高電阻狀態(tài))中，電子不太可能隧穿(電流傳導)通過絕緣體層130。
[0021]如前所述的，可以設計給定垂直MTJ，以使得其自由鐵磁層的磁化M _ (例如磁化方向)可以改變(例如翻轉)。在翻轉Mm的背景下，垂直MTJ理想地將如圖2A和2B中不同示出地工作。圖2A是示出用于理想垂直MTJ的作為外磁場(μαΗ)的函數(shù)的電阻(R)的滯后圖。如所見的，R-H滯后對于理想垂直MTJ很好地以零為中心。因而應意識到，翻轉自由鐵磁層的磁化Μ_，以及從而將理想垂直MTJ從其P狀態(tài)轉換到其AP狀態(tài)所必需的外磁場的強度與翻轉M _并從而從AP狀態(tài)轉換到P狀態(tài)所需的具有相同量值。
[0022]圖2B是圖2A的理想垂直MTJ的能量圖。如所見的，理想垂直MTJ的P狀態(tài)和AP狀態(tài)各自的能量是相等的，因而任一狀態(tài)在能量上都不比另一狀態(tài)更為有利(例如，較低能量的)。相應地，理想垂直MTJ的P狀態(tài)與AP狀態(tài)之間的能壘使得以相同的相對能量要求實現(xiàn)從AP到P和從P到AP的轉換。例如，如果例如在磁阻存儲器器件(例如磁阻隨機存取存儲器，MRAM)中實施理想垂直MTJ，那么在從AP狀態(tài)轉換到P狀態(tài)(類似地從P到AP狀態(tài))時確保存儲器器件的非易失性所需的最小能壘約為60kT (例如對稱能量要求)。其他示例性能壘值將取決于給定應用，磁阻存儲器器件的示例環(huán)境旨在僅用于說明性目的，并非限制所要求的發(fā)明。
[0023]然而，現(xiàn)實世界的限制/約束禁止/妨礙傳統(tǒng)MTJ設計實現(xiàn)圖2A-2B中所示的理想狀態(tài)。而是，傳統(tǒng)MTJ設計(例如諸如圖1A-1B的)與多個重要的問題相關聯(lián)。例如，垂直MTJ在其P與AP狀態(tài)之間具有能壘的固有偏移，如圖2C和2D不同地示出的，這禁止/妨礙了圖2A-2B中不同示出的理想性能。更詳細地，圖2C是示出用于圖1A-1B的傳統(tǒng)垂直MTJ100的作為外磁場(UtlH)的函數(shù)的電阻(R)的滯后圖。如所見的，與圖2A所示的理想狀態(tài)相比，這里的R-H滯后以非零值(例如UtlHs)為中心。因此，應意識到，翻轉自由鐵磁層140的磁化M _，從而將垂直MTJ100從其P狀態(tài)轉換到AP狀態(tài)所必需的外磁場的強度的量值實質(zhì)上大于翻轉M _，從而將垂直MTJ100從其AP狀態(tài)轉換到其P狀態(tài)所需的。因此，將傳統(tǒng)垂直MTJ100從其低電阻狀態(tài)(P狀態(tài))轉換到其高電阻狀態(tài)(AP狀態(tài))比將MTJ100從其高電阻狀態(tài)(AP狀態(tài))轉換到其低電阻狀態(tài)(P狀態(tài))實質(zhì)上必須耗費更多的能量(借助施加更強的外磁場)。
[0024]圖2D是圖1A-1B的傳統(tǒng)垂直MTJ100的能量圖。如所見的，垂直MTJ100的P狀態(tài)的相對能量比其AP狀態(tài)的更低(例如在能量上更為有利)。相應地，垂直MTJ100的P與AP狀態(tài)之間的能壘使得與從P轉換到AP相比，以實質(zhì)上不同的(例如更小的)能量要求實現(xiàn)從AP到P的轉換。例如，如果例如在磁阻存儲器器件(例如磁阻隨機存取存儲器，MRAM)中實施垂直MTJ100，那么在從AP轉換到P狀態(tài)時確保非易失性所需的最小能壘保持在約60kT(如以上參考圖2A-2B所述的使用理想MTJ的)。然而，由于傳統(tǒng)MTJ100固有的非對稱能壘，從P到AP狀態(tài)的轉換需要基本上更大量的能量(例如AP到P轉換所需的最小能量的4倍或更多倍)。結果，使得垂直MTJ100傾向于實現(xiàn)并保持在P狀態(tài)中(較低電阻和較低的更為穩(wěn)定的能量狀態(tài))。因而，應意識到，傳統(tǒng)MTJ100中P與AP狀態(tài)之間的轉換所需的總能量基本上高于理想垂直MTJ的更高效轉換所需的。
[0025]可以為了試圖解決傳統(tǒng)垂直MTJ100的能魚中的固有偏移而使用的一個方案包括相對于固定鐵磁層120的面積，改變自由鐵磁層140的相對面積。然而,這個方案引入了圖案化的復雜性，從而有可能增大生產(chǎn)誤差和制造成本。
[0026]因而，根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以借助在其設計中包含附加鐵磁層來改進垂直磁隧道結(MTJ)的性能。附加鐵磁層例如可以包括在垂直MTJ的固定層或自由層中或者附近。在一些此類實施例中，借助布置在附加鐵磁層與鄰近的鐵磁層(自由層或固定層)之間的非磁性間隔體來實施附加鐵磁層。在一個或多個實施例中，附加鐵磁層引入內(nèi)磁場，其部分或完全補償垂直MTJ的P狀態(tài)與AP狀態(tài)之間的固有不對稱能壘，從而減輕和/或減小固有能量偏移。在一些不例性實例中，由MTJ內(nèi)的附加鐵磁層產(chǎn)生的磁場有助于:(I)使R-H滯后更好地居中(例如接近和/或實現(xiàn)圖2A的理想情形)；和/或(2)更好地平衡P與AP狀態(tài)之間的能壘(例如接近和/或實現(xiàn)圖2B的理想情形)。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例，本文公開的技術例如可以在獨立或嵌入式/板上存儲器電路中實施，包括但不限于，非易失性存儲器(例如磁阻隨機存取存儲器，MRAM ；自旋轉移矩存儲器，STTM)和易失性存儲器(例如，靜態(tài)隨機存取存儲器，SRAM ;動態(tài)隨機存取存儲器，DRAM)。根據(jù)本公開內(nèi)容，根據(jù)本發(fā)明的實施例配置的MTJ器件的多個應用是明顯的。在一個特定示例情況下，根據(jù)本發(fā)明實施例實施的MTJ可以用于實現(xiàn)小型可擴展存儲器單元。在其他實施例中，例如可以在磁盤驅動器讀取頭中實施本文公開的技術。根據(jù)本公開內(nèi)容，其他適合的應用是明顯的，所要求的發(fā)明并非旨在局限于任何特定使用。
[0028]如根據(jù)本公開內(nèi)容將意識到的，存在與本文所述的多個技術相關聯(lián)的多個優(yōu)點。例如，在一些特定示例實施例中，本文公開的多個技術中的一個或多個可以用于:(I)實現(xiàn)作為位級別的更好的(例如更高的)熱穩(wěn)定性；(2)減輕和/或減小垂直MTJ的P與AP狀態(tài)之間的能壘中的固有偏移；⑶垂直MTJ的R-H滯后的更好的居中；⑷在垂直MTJ的P和AP狀態(tài)之間更高效的和/或有利的轉換；和/或(5)保持相對更簡單的器件圖案化，因而使得生產(chǎn)誤差和制造成本最小。根據(jù)本公開內(nèi)容，其他益處是顯而易見的，所要求的發(fā)明并非旨在局限于任何特定的一個。
[0029]使用諸如透射電子顯微鏡法(用于圖像)、磁力顯微鏡法和/或光發(fā)射電子顯微鏡法(用于檢測極化)和磁力計(用以檢測磁矩)之類的電路或其他結構/器件的檢查可以用于顯示根據(jù)本發(fā)明實施例配置的MTJ的存在。
[0030]結構和操作
[0031]根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例，附加鐵磁層(下文中的偏移層)可以包含在垂直MTJ結構的設計中。在一些實施例中，偏移層可以在垂直MTJ的固定鐵磁層中或附近實施，而在其他實施例中，偏移層可以在垂直MTJ的自由鐵磁層中或附近實施。在任何此類實施例中，偏移層都可以借助例如在偏移層與其鄰近的鐵磁層(固定層或自由層)之間的非磁性間隔體層來實施。
[0032]圖3A是根據(jù)本發(fā)明實施例配置的垂直MTJ200在其平行(P)狀態(tài)中的橫截面示意圖。圖3B是根據(jù)本發(fā)明實施例配置的圖3A的垂直MTJ200在其反平行(AP)狀態(tài)中的橫截面示意圖。如在這個示例性結構中所見到的，MTJ200包括絕緣體層230，其夾置在固定鐵磁層220與自由鐵磁層240之間。另外，MTJ200包括非磁性間隔體250，其夾置在偏移層260與固定鐵磁層220之間。根據(jù)本發(fā)明的實施例，偏移層260的磁化Misif可以與固定鐵磁層220的相反。在P狀態(tài)(圖3A)和AP狀態(tài)(圖3B)中，偏移層260引入了附加內(nèi)磁場(借助其磁化Misif)，這在一些實施例中使得R-H滯后偏移(例如更好地居中)，增大了 P狀態(tài)的能量和/或減小了 AP狀態(tài)的能量(例如，更好地均衡P與AP狀態(tài)之間的能壘)，和/或改進了垂直MTJ200的性能。因此，在一些此類實施例中，垂直MTJ200的性能可以接近或者近似以上參考圖2A-2B所述的理想垂直MTJ性能。根據(jù)本公開內(nèi)容顯而易見的，按照對于給定應用所適合的，可以選擇、調(diào)整或調(diào)節(jié)Misif的量值。
[0033]在圖3A-3B和/或4A-4B(如下所述的)中所示的多個示例性實施例的任意一個中，偏移層260可以包括一個或多個鐵磁材料，例如但不限于，鐵、鈷、鎳、其合金、過渡金屬一類金屬合金(例如過渡金屬與諸如硼的類金屬)、和/或任何其他適合的鐵磁材料。在一些實施例中，偏移層260可以具有與固定鐵磁層220和/或自由鐵磁層240相當?shù)囊粋€或多個尺寸(例如表面積；厚度)。在一些示例性實施例中，偏移層260可以具有例如在納米范圍(例如幾十埃到幾百納米)中的厚度，在一個特定示例性實施例中，可以在約1-1OOnm范圍中。在一些其他示例性實施例中，偏移層260可以具有在埃范圍(例如約0.1-1nm)中的厚度和/或可以實施為納米層。在一些實施例中，偏移層260可以例如實施為由任何適合的沉積技術(例如化學氣相沉積、物理氣相沉積、濺射沉積、分子束外延、或其他適合的沉積工藝/手段)沉積的薄膜。在其他的實施例中，可以借助由任何適合的沉積所沉積的多個材料層來實施偏移層260，其中，多個層可以是相同的或不同的材料(鐵磁材料，或鐵磁材料和非鐵磁材料的組合)。在一些實施例中，偏移層260可以呈現(xiàn)磁各向異性，以使得其磁化與其表面基本上正交(例如，磁化Misif的方向與偏移層260的平面垂直)。根據(jù)本公開內(nèi)容，用于偏移鐵磁層260的其他適合材料、幾何形狀和/或結構會是顯而易見的，所要求的發(fā)明并非旨在局限于任何特定材料、幾何形狀或結構。
[0034]而且，在圖3A-3B和/或4A-4B (如下所述的)中所示的多個示例性實施例的任意一個中，可以按照傳統(tǒng)上所做的來實施固定鐵磁層220和/或自由鐵磁層240，并可以包括例如以上參考偏移層260所述的任意一個或多個相同的鐵磁材料。在一些實施例中，固定鐵磁層220和/或自由鐵磁層240可以具有與偏移層260相當?shù)囊粋€或多個尺寸(例如表面積；厚度)。在一些不例性實施例中，固定鐵磁層220和/或自由鐵磁層240可以具有例如在納米范圍(例如幾十埃)中的厚度，在一個特定示例性實施例中，可以在小于或等于約1-1OOnm范圍中。在一些其他示例性實施例中，固定鐵磁層220和/或自由鐵磁層240可以具有在埃范圍(例如約0.1-1nm)中的厚度和/或可以實施為納米層。如前參考偏移層260所述的，固定鐵磁層220和/或自由鐵磁層240可以例如實施為由如前所述的任何適合的沉積技術沉積的薄膜。在其他的實施例中，可以借助由任何適合的沉積所沉積的多個材料層來實施固定鐵磁層220和/或自由鐵磁層240，其中，多個層可以是相同的或不同的材料(鐵磁材料，或鐵磁材料和非鐵磁材料的組合)。在一些實施例中，固定鐵磁層220和/或自由鐵磁層240中的每一個都可以呈現(xiàn)磁各向異性，以使得其磁化與其表面基本上正交(例如，磁化M0se和Mes的方向分別與固定層220和自由層240的平面垂直)。根據(jù)本公開內(nèi)容，用于固定鐵磁層220和/或自由鐵磁層240的其他適合材料、幾何形狀和/或結構會是顯而易見的，所要求的發(fā)明并非旨在局限于任何特定材料、幾何形狀或結構。
[0035]再進一步地，在圖3A-3B和/或4A-4B (如下所述的)中所示的多個示例性實施例的任意一個中，如同傳統(tǒng)上所做的,絕緣體層230可以包括在垂直MTJ200的固定鐵磁層220與自由鐵磁層240之間。絕緣體層230可以是任何適合的電介質(zhì)材料或多個材料(例如，氧化物、氮化物等)，在一些特定實施例中是氧化鎂、氧化鋁、氧化鉿、硅酸鉿、氧化鑭、鋁酸鑭、氧化鋯、硅酸鋯、氧化鉭、氧化鈦、鈦酸鍶鋇、鈦酸鋇、鈦酸鍶、氧化釔、鉭酸鈧鉛、和鈮酸鋅鉛，和/或是非磁性的并且允許足夠的量子隧穿的其他介質(zhì)/材料。絕緣體層230可以具有與那些鐵磁層220、240和/或260相當?shù)囊粋€或多個尺寸(例如表面積；厚度)。在一些實例中，可以選擇/調(diào)節(jié)絕緣體層230的一個或多個尺寸(例如厚度)，以使得固定層220和自由層240彼此充分隔離，同時仍允許電子借助量子隧穿從一個此類鐵磁層通過絕緣體到達另一個。在一些特定實例中，絕緣體層230可以具有例如在納米范圍(例如幾十埃)中的厚度，在一個特定示例性實施例中，可以在小于或等于約1-1OOnm范圍中。在一些其他示例性實施例中，絕緣體層230可以具有在埃范圍(例如約0.1-1nm)中的厚度和/或可以實施為納米層。類似于參考鐵磁層220、240和/或260所述的，在一些實施例中，絕緣體層230可以例如實施為由任何適合的沉積技術(例如化學氣相沉積、濺射沉積、物理氣相沉積等)沉積的薄膜。在其他的實施例中，可以借助由任何適合的沉積所沉積的多個材料層來實施絕緣體層230，其中，多個層可以是相同的或不同的材料(絕緣體材料，或絕緣體材料和非絕緣體材料的組合)。根據(jù)本公開內(nèi)容，用于絕緣體層230的其他適合材料、幾何形狀和/或結構會是顯而易見的，所要求的發(fā)明并非旨在局限于任何特定材料、幾何形狀或結構。
[0036]如從圖3A-3B和4A-4B可見的，非磁性間隔體層250可以包括在垂直MTJ200的結構中。非磁性間隔體250例如可以相鄰于偏移層260，或者與之集成在一起。如圖3A-3B所示的，可以在偏移層260與固定鐵磁層220之間提供非磁性間隔體250?？商鎿Q地，如圖4A-4B所示的，可以在偏移層260與自由定鐵磁層240之間提供非磁性間隔體250。在一些特定示例性實施例中，非磁性間隔體250例如可以是與絕緣體層230相同的材料。在其他實施例中，非磁性間隔體250可以與絕緣體層230不同。例如,在一個特定示例性實施例中，以氧化鎂來實施絕緣體層230，以釕或任何其他適合的非磁性材料或多個材料來實施非磁性間隔體250。非磁性間隔體250可以具有與那些絕緣體層230和/或鐵磁層220、240和/或260相當?shù)囊粋€或多個尺寸(例如表面積；厚度)。在一些特定實例中，非磁性間隔體250可以具有例如在納米范圍(例如幾十埃)中的厚度，在一個特定示例性實施例中，可以在小于或等于約1-1OOnm范圍中。在一些其他示例性實施例中，非磁性間隔體層250可以具有在埃范圍(例如約0.1-1nm)中的厚度和/或可以實施為納米層。類似于參考鐵絕緣體層230和/或磁體層220、240和/或260所述的，在一些實施例中，非磁性間隔體層250可以例如實施為由任何適合的沉積技術(例如化學氣相沉積、濺射沉積、物理氣相沉積等)沉積的薄膜。在其他的實施例中，可以借助由任何適合的沉積所沉積的多個材料層來實施間隔體層250，其中，多個層可以是相同的或不同的材料(絕緣體材料，或絕緣體材料和非絕緣體材料的組合)。根據(jù)本公開內(nèi)容，用于非磁性間隔體層250的其他適合材料、幾何形狀和/或結構會是顯而易見的，所要求的發(fā)明并非旨在局限于任何特定材料、幾何形狀或結構。
[0037]圖4A是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例配置的垂直MTJ200在其平行⑵狀態(tài)中的橫截面示意圖。圖4B是根據(jù)本發(fā)明實施例配置的圖4A的垂直MTJ200在其反平行(AP)狀態(tài)中的橫截面示意圖。如在這個示例性結構中所見到的，MTJ200包括絕緣體層230，其夾置在固定鐵磁層220與自由鐵磁層240之間。另外，MTJ200包括非磁性間隔體250，其夾置在偏移層260與自由鐵磁層240之間。根據(jù)本發(fā)明的實施例，偏移層260的磁化Miisf可以與自由鐵磁層220的相反。在P狀態(tài)(圖4A)和AP狀態(tài)(圖4B)中，偏移層260引入了附加內(nèi)磁場(借助其磁化這在一些實施例中使得R-H滯后偏移(例如更好地居中)，增大了P狀態(tài)的能量和/或減小了 AP狀態(tài)的能量(例如，更好地均衡P與AP狀態(tài)之間的能壘)，和/或改進了垂直MTJ200的性能。因此，垂直MTJ200的性能可以接近或者近似以上參考圖2A-2B所述的理想垂直MTJ性能。根據(jù)本公開內(nèi)容顯而易見的，按照對于給定應用所適合的，可以選擇、調(diào)整或調(diào)節(jié)Misif的量值。應意識到，相對于圖3A-3B的共同特征的在前論述的相關部分同等地適用于圖4A-4B中所示的那些特征。[0038]回憶起在一些示例性實施例中，來自偏移層260的附加磁場可以影響(例如減輕或消除)垂直MTJ200的P與AP狀態(tài)之間的固有不對稱能壘。會意識到，鐵磁偏移層260到固定鐵磁層220 (如圖3A-3B所示的)和/或自由鐵磁層240 (如圖4A-4B所示的)的相對鄰近性可以改變/調(diào)節(jié)Miw對垂直MTJ200的AP/P能壘的影響。因而，根據(jù)并發(fā)明的實施例，可以調(diào)整非磁性間隔體250的一個或多個尺寸(例如厚度)，從而改變/調(diào)節(jié)垂直MTJ200的偏移層260與鐵磁層220和/或240之間的有效距離。類似地，會意識到，可以調(diào)整固定鐵磁層220、自由鐵磁層240和/或偏移層260的一個或多個尺寸(例如厚度)，以改變/調(diào)節(jié)的影響(例如增大給定鐵磁層220、240和/或260的厚度可以導致來自
的更大的影響)。在一些此類情況下，這種尺寸調(diào)整可以實現(xiàn)Misif的影響的多個變化，從而使得R-H滯后偏移(例如更好地居中)，增大P狀態(tài)的能量和/或減小AP狀態(tài)的能量(例如，更好地均衡P與AP狀態(tài)之間的能壘)，和/或改進垂直MTJ200的性能。
[0039]在偏移層260包含在固定鐵磁層220中或附近的一些實施例中，可以選擇非磁性間隔體250的一個或多個尺寸，以使得固定層220的磁化Mgse在由偏移層260產(chǎn)生的磁場存在的情況下基本上保持不變(例如恒定)(例如固定層220的磁化不易于由于Misif的存在而翻轉)。在一些情況下，可以部分或整體上設計固定層220，以使得非磁性間隔體250的給定厚度(或厚度范圍)不使得其磁化不穩(wěn)定(例如，其磁化不易于由于Misif而翻轉)。
[0040]在偏移層260包含在自由鐵磁層240中或附近的一些實施例中，可以選擇非磁性間隔體250的一個或多個尺寸，以使得自由層240的磁化M _在由偏移層260產(chǎn)生的磁場存在的情況下可以改變(例如更易于翻轉)(例如自由層240的磁化易于或者允許由于Mis#的存在而翻轉)。在一些情況下，可以部分或整體上設計自由層240，以使得非磁性間隔體250的給定厚度(或厚度范圍)使得其磁化足夠的(例如適合于給定應用的)不穩(wěn)定(例如，其磁化更易于由于M 而翻轉)。
[0041]在一些實施例中，例如調(diào)整非磁性間隔體250的厚度可以允許更易于改變自由層240的磁化方向。應意識到，非磁性間隔體250的厚度的調(diào)整/調(diào)節(jié)可以允許在偏移層250與自由鐵磁層240之間的一個或多個以下類型的相互作用:(1)鐵磁性(例如，Mes和Mfiif具有相同的取向，在沒有外磁場的情況下存在凈磁矩)；(2)反鐵磁性(例如M _和Miisf具有相反的取向，在沒有外磁場的情況下存在零凈磁化)；和/或(3)零耦合。在期望零耦合的一些特定示例性實施例中，非磁性間隔體250可以具有在約1-10 A范圍中(例如小于或等于8A)的至少一個尺寸(例如厚度)。根據(jù)本公開內(nèi)容，適合于實現(xiàn)與自由層240的零耦合(和/或其他類型的相互作用或期望性能)的非磁性間隔體250的其他厚度/尺寸是顯而易見的，所要求的發(fā)明并非旨在局限于任何特定此類幾何形狀。
[0042]可以借助任何適合的技術形成/沉積給定垂直MTJ200的多個層的任意一個(例如，固定層220、絕緣體層230、自由層240、間隔體層250和/或偏移層260)，包括但不限于，化學氣相沉積、物理氣相沉積、磁控濺射沉積、分子束外延等。在一些實施例中，垂直MTJ200的形成/制備可以部分或完全包括一個或多個光刻技術。根據(jù)本公開內(nèi)容，其他適合的形成技術是顯而易見的，所要求的發(fā)明并非旨在局限于任何特定形成技術。
[0043]圖5是實施根據(jù)本發(fā)明實施例配置的垂直MTJ200的示例集成電路(IC) 300的透視示意圖。類似于以上參考圖3A所述的,在此,示例垂直MTJ200處于其P狀態(tài)中，包括在固定層220附近的附加鐵磁層(偏移層)260和在其之間的非間隔體250。然而，所要求的發(fā)明并非旨在僅局限于所示的示例；根據(jù)實施例，圖3A-3B和/或4A-4B的多個示例性實施例的任意一個都可以類似地在圖5所示的IC300中實施。
[0044]根據(jù)一些示例性實施例，襯底202例如可以是半導體晶圓或其他適合的襯底。在一些此類實施例中，襯底202例如可以是金屬、硅、鍺、II1-V族材料、氧化物、氮化物或其組合。在一些實施例中，襯底202例如可以被配置為大塊襯底、絕緣體上半導體(Χ0Ι，其中，X是半導體材料，例如硅、鍺、或富鍺的硅)或多層結構。襯底202的其他適合的材料和/或結構取決于給定應用，根據(jù)本公開內(nèi)容是顯而易見的。
[0045]如可以進一步見到的，垂直MTJ200可以借助一個或多個電觸點204和/或206來實施。在一些實施例中，垂直MTJ200可以可操作地與襯底202 (和/或其他IC結構或特征)耦合。在一些此類實例中，垂直MTJ200例如可以可操作地與導電線/線路、通孔、和/或其他電路組件耦合，包括導電金屬，例如但不限于，銅、鋁、銀、鎳、金、鈦、銦、鎢、其合金，或其他適合導電的金屬。
[0046]在一些不例實施例中，可以執(zhí)行通過垂直MTJ200的適合的電流的傳輸，以確定MTJ200是處于其低電阻P狀態(tài)(例如固定鐵磁層220和自由鐵磁層240在相同磁取向上)中還是處于其高電阻AP狀態(tài)(例如固定鐵磁層220和自由鐵磁層240在相反磁取向上)中。在一些此類實施例中，MTJ200的這些二值狀態(tài)(例如低電阻和高電阻狀態(tài))的確定可以在存儲器單元/器件中實施，例如前述的那些(例如MRAM、SRAM、DRAM等)。垂直MTJ200的其他適合的使用取決于給定應用，根據(jù)本公開內(nèi)容是顯而易見的。
[0047]示例系統(tǒng)
[0048]圖6示出了以包括根據(jù)本發(fā)明示例實施例配置的一個或多個垂直MTJ的集成電路結構或器件實施的計算系統(tǒng)1000。如所見到的，計算系統(tǒng)1000容納母板1002。母板1002可以包括多個組件，包括但不限于，處理器1004和至少一個通信芯片1006，其每一個都可以物理且電耦合到母板1002或者集成于其中。應意識到，母板1002例如可以是任何印刷電路板，或者是主板，或者是安裝到主板上的子板，或者是系統(tǒng)1000的唯一板等。取決于其應用，計算系統(tǒng)1000可以包括一個或多個其他組件，其會或不會物理且電耦合到母板1002。這些其他組件包括但不限于，易失性存儲器(例如，DRAM)、非易失性存儲器(例如磁阻RAM ；自旋轉移矩存儲器，STTM ；R0M)、圖形處理器、數(shù)字信號處理器、加密處理器、芯片組、天線、顯示器、觸摸屏顯示器、觸摸屏控制器、電池、音頻編碼解碼器、視頻編碼解碼器、功率放大器、全球定位系統(tǒng)(GPS)設備、指南針、加速度計、陀螺儀、揚聲器、相機和大容量儲存設備(例如，硬盤驅動器、光盤(CD)、數(shù)字多用途盤(DVD)等等)。包括在計算系統(tǒng)1000中的任何組件都可以一個或多個集成電路結構或器件，其包括根據(jù)本發(fā)明示例性實施例配置的一個或多個垂直MTJ。在此多樣化說明的這些MTJ晶體管結構例如可以用于實施板上處理器高速緩存器或存儲器陣列(例如，RAM、DRAM等)。在一些實施例中，多個功能可以集成到一個或多個芯片中(例如注意，通信芯片1006可以是處理器1004的部分或者集成到其中)。
[0049]通信芯片1006實現(xiàn)了無線通信，用于往來于計算系統(tǒng)1000傳送數(shù)據(jù)。術語“無線”及其派生詞可以用于描述可以通過非固態(tài)介質(zhì)借助使用調(diào)制電磁輻射傳送數(shù)據(jù)的電路、設備、系統(tǒng)、方法、技術、通信信道等。該術語并非暗示相關設備不包含任何導線，盡管在一些實施例中它們可以不包含。通信芯片1006可以實施多個無線標準或協(xié)議中的任意一個，包括但不限于，W1-Fi (IEEE802.11 族)、WiMAX (IEEE802.16 族)、IEEE802.20、長期演進(LTE)、Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA, DECT、藍牙、其派生物，以及被指定為3G、4G、5G及之后的任何其他無線協(xié)議。計算系統(tǒng)1000可以包括多個通信芯片1006。例如，第一通信芯片1006可以專用于短距離無線通信，例如W1-Fi和藍牙，第二通信芯片1006可以專用于長距離無線通信，例如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO
坐寸ο
[0050]計算系統(tǒng)1000的處理器1004包括封裝在處理器1004內(nèi)的集成電路晶片。在本發(fā)明的一些實施例中，處理器的集成電路晶片包括板上存儲器電路，其以如本文多樣化說明的包括一個或多個垂直MTJ的一個或多個集成電路結構或器件來實施。術語“處理器”可以指代任何設備或設備的部分，其例如處理來自寄存器和/或存儲器的電子數(shù)據(jù)，將該電子數(shù)據(jù)轉變?yōu)榭梢源鎯υ诩拇嫫骱?或存儲器中的其他電子數(shù)據(jù)。
[0051]通信芯片1006也可以包括封裝在通信芯片1006內(nèi)的集成電路晶片。根據(jù)一些此類示例性實施例，通信芯片的集成電路晶片包括一個或多個集成電路結構或器件，其包括本文所述的一個或多個垂直MTJ。如依據(jù)本公開內(nèi)容會意識到，注意，多標準無線能力可以直接集成到處理器1004中(例如，任意芯片1006的功能集成到處理器1004中的情況，而不是具有分離的通信芯片)。進一步注意，處理器1004可以是具有這種無線能力的芯片組。簡言之，可以使用任意數(shù)量的處理器1004和/或通信芯片1006。類似地，任意一個芯片或芯片組都可以具有集成于其中的多個功能。
[0052]在多個實現(xiàn)方式中，計算系統(tǒng)1000可以是膝上型電腦、上網(wǎng)本電腦、筆記本電腦、智能電話、平板電腦、個人數(shù)字助理(PDA)、超移動PC、移動電話、臺式計算機、服務器、打印機、掃描器、監(jiān)視器、機頂盒、娛樂控制單元、數(shù)碼相機、便攜式音樂播放器、或數(shù)碼攝像機。在進一步的實現(xiàn)方式中，計算系統(tǒng)1000可以是處理數(shù)據(jù)或者使用如本文所述的包括一個或多個垂直MTJ的一個或多個集成電路結構或器件的任何其他電子設備。
[0053]許多實施例是顯而易見的，本文所述的特征可以組合到任意數(shù)量的結構中。本發(fā)明的一個示例實施例提供了一種磁隧道結器件，包括第一絕緣體層，所述第一絕緣體層夾置在自由鐵磁層與固定鐵磁層之間，和第二絕緣體層，所述第二絕緣體層夾置在第三鐵磁層和自由或固定鐵磁層之一之間。在一些情況下，自由、固定和第三鐵磁層中的每一個都與磁化方向相關聯(lián)，第三鐵磁層的磁化方向與所述固定鐵磁層的磁化方向相反。在一些情況下，不允許固定和第三鐵磁層的磁化方向改變，允許自由鐵磁層的磁化方向改變。在一些情況下，固定與自由鐵磁層的磁化方向取向為平行。在其他情況下，固定和自由鐵磁層的磁化方向取向為反平行。在一些情況下，固定、自由和/或第三鐵磁層包括鐵、鈷、鎳、硼的一個或多個和/或其合金。在一些情況下，第一和第二絕緣體層包括不同的材料。在一些情況下，第一絕緣體層包括氧化鎂，第二絕緣體層包括釕。在一些情況下，在磁隧道結器件中包括第三鐵磁層實現(xiàn)了以下的至少一個:減輕了磁隧道結器件的平行和反平行狀態(tài)之間能壘中的固有偏移，使得磁隧道結器件的電阻一外磁場滯后居中，允許在磁隧道結器件的平行和反平行狀態(tài)之間高效和/或有利的轉換，和/或保持簡單的器件圖案化。在一些情況下，在嵌入式存儲器、非易失性存儲器、磁阻隨機存取存儲器、自旋轉移矩存儲器、易失性存儲器、靜態(tài)隨機存取存儲器和/或動態(tài)隨機存取存儲器的至少一個中實施該器件。在一些情況下，提供集成電路，其包括一個或多個此類磁隧道結器件。
[0054]本發(fā)明的另一個示例實施例提供了 一種集成電路，包括襯底和在襯底中或上形成的磁隧道結，其中，所述磁隧道結包括第一絕緣體層，所述第一絕緣體層夾置在自由鐵磁層與固定鐵磁層之間，其中，自由和固定鐵磁層中的每一個都與磁化方向相關聯(lián)，和第二絕緣體層，所述第二絕緣體層夾置在第三鐵磁層和自由或固定鐵磁層之一之間，其中，第三鐵磁層與磁化方向相關聯(lián)，第三鐵磁層的磁化方向與所述固定鐵磁層的磁化方向相反。在一些情況下，電路進一步包括一個或多個電觸點，所述電觸點可操作地與所述磁隧道結耦合，其中，借助通過其傳導電流來確定所述磁隧道結的平行或反平行狀態(tài)。在一些情況下，第一絕緣體層包括氧化鎂，第二絕緣體層包括釕。在一些情況下，在嵌入式存儲器、非易失性存儲器、磁阻隨機存取存儲器、自旋轉移矩存儲器、易失性存儲器、靜態(tài)隨機存取存儲器和/或動態(tài)隨機存取存儲器的至少一個中實施電路。一些情況下，提供一種電子器件，其包括一個或多個此類集成電路。一些此類情況下，器件包括存儲器電路、通信芯片、處理器和/或計算系統(tǒng)中的至少之一。一些情況下，提供計算系統(tǒng)，其包括一個或多個此類集成電路。
[0055]本發(fā)明的另一個示例性實施例提供了一種方法，包括提供第一絕緣體層，所述第一絕緣體層夾置在自由鐵磁層與固定鐵磁層之間，提供第二絕緣體層，所述第二絕緣體層夾置在第三鐵磁層和自由或固定鐵磁層之一之間。一些情況下，方法進一步包括提供一個或多個電觸點，所述一個或多個電觸點可操作地與一個或多個鐵磁層f禹合。
[0056]出于例證和說明的目的提出了本發(fā)明的示例性實施例的前述說明。其并非旨在是排他性的或者將本發(fā)明局限于公開的準確形式。依據(jù)本公開內(nèi)容，許多修改和變化是可能的。其意圖是本發(fā)明的范圍不受這個詳細說明限定，而由所附權利要求書來限定。
【權利要求】
1.一種磁隧道結器件，包括: 第一絕緣體層，所述第一絕緣體層夾置在自由鐵磁層與固定鐵磁層之間；以及 第二絕緣體層，所述第二絕緣體層夾置在第三鐵磁層與所述自由鐵磁層或固定鐵磁層的其中之一之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的器件，其中，所述自由鐵磁層、固定鐵磁層和第三鐵磁層中的每一個與磁化方向相關聯(lián)，所述第三鐵磁層的磁化方向與所述固定鐵磁層的磁化方向相反。
3.根據(jù)權利要求2所述的器件，其中，所述固定鐵磁層和第三鐵磁層的磁化方向不被允許改變，而所述自由鐵磁層的磁化方向被允許改變。
4.根據(jù)權利要求2-3中的任一項所述的器件，其中，所述固定鐵磁層和自由鐵磁層的磁化方向取向為平行。
5.根據(jù)權利要求2-3中的任一項所述的器件，其中，所述固定鐵磁層和自由鐵磁層的磁化方向取向為反平行。
6.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的器件，其中，所述固定鐵磁層、自由鐵磁層和/或第三鐵磁層包括鐵、鈷、鎳、硼和/或其合金中的一種或多種。
7.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的器件，其中，所述第一絕緣體層和第二絕緣體層包括不同材料。
8.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的器件，其中，所述第一絕緣體層包括氧化鎂，并且所述第二絕緣體層包括釕。
9.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的器件，其中，在所述磁隧道結器件中包括所述第三鐵磁層實現(xiàn)以下至少之一:減輕所述磁隧道結器件的平行狀態(tài)與反平行狀態(tài)之間的能壘的固有偏移、使所述磁隧道結器件的電阻-外磁場滯后居中、允許所述磁隧道結器件的平行狀態(tài)與反平行狀態(tài)之間高效和/或有利的轉換、和/或保持簡單的器件圖案化。
10.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的器件，其中，在嵌入式存儲器、非易失性存儲器、磁阻隨機存取存儲器、自旋轉移矩存儲器、易失性存儲器、靜態(tài)隨機存取存儲器和/或動態(tài)隨機存取存儲器的至少之一中實施所述器件。
11.一種集成電路，包括一個或多個根據(jù)權利要求1-10中的任一項所述的磁隧道結器件。
12.—種集成電路，包括: 襯底；以及 在所述襯底中或襯底上形成的磁隧道結，其中，所述磁隧道結包括: 第一絕緣體層，所述第一絕緣體層夾置在自由鐵磁層與固定鐵磁層之間，其中，所述自由鐵磁層和固定鐵磁層中的每一個與磁化方向相關聯(lián)；以及 第二絕緣體層，所述第二絕緣體層夾置在第三鐵磁層與所述自由鐵磁層或固定鐵磁層的其中之一之間，其中，所述第三鐵磁層與磁化方向相關聯(lián)，所述第三鐵磁層的磁化方向與所述固定鐵磁層的磁化方向相反。
13.根據(jù)權利要求12所述的電路，進一步包括一個或多個電觸點，所述一個或多個電觸點可操作地與所述磁隧道結耦合，其中，通過使電流通過所述磁隧道結來確定所述磁隧道結的平行狀態(tài)或反平行狀態(tài)。
14.根據(jù)權利要求12-13中的任一項所述的電路，其中，所述第一絕緣體層包括氧化鎂，并且所述第二絕緣體層包括釕。
15.根據(jù)權利要求12-14中的任一項所述的電路，其中，在嵌入式存儲器、非易失性存儲器、磁阻隨機存取存儲器、自旋轉移矩存儲器、易失性存儲器、靜態(tài)隨機存取存儲器和/或動態(tài)隨機存取存儲器的至少一個中實施所述電路。
16.—種電子器件,包括一個或多個根據(jù)權利要求12-15中的任一項所述的集成電路。
17.根據(jù)權利要求16所述的電子器件，其中，所述器件包括存儲器電路、通信芯片、處理器和/或計算系統(tǒng)中的至少之一。
18.一種計算系統(tǒng)，包括一個或多個根據(jù)權利要求12-15中的任一項所述的集成電路。
19.一種方法,包括: 提供第一絕緣體層，所述第一絕緣體層夾置在自由鐵磁層與固定鐵磁層之間；以及 提供第二絕緣體層，所述第二絕緣體層夾置在第三鐵磁層與所述自由鐵磁層或固定鐵磁層的其中之一之間。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，進一步包括提供一個或多個電觸點，所述一個或多個電觸點可操作地與一 個或多個所述鐵磁層耦合。
【文檔編號】H01L27/105GK104011862SQ201180076063
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2011年12月30日 優(yōu)先權日:2011年12月30日
【發(fā)明者】C·C·郭, B·S·多伊爾, A·雷什歐迪伊, R·戈利扎德莫亞拉德, K·奧烏茲 申請人:英特爾公司