CN109524540A - 用于磁隧道结器件的磁性结构、磁隧道结器件和磁性随机存取存储器 - Google Patents

用于磁隧道结器件的磁性结构、磁隧道结器件和磁性随机存取存储器 Download PDF

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Abstract

本发明构思提供了用于磁隧道结(MTJ)器件的磁性结构、磁隧道结器件和磁性随机存取存储器，其中所述磁性结构包含：自由层，隧道势垒层，参考层，硬磁层，以及设置在硬磁层与参考层之间的中间层堆叠体，该中间层堆叠体包含第一铁磁亚层、第二铁磁亚层和非磁性隔片亚层，其中非磁性隔片亚层设置在第一铁磁亚层与第二铁磁亚层之间并与它们接触，该非磁性隔片亚层适合提供第一铁磁亚层的磁化和第二铁磁亚层的磁化的铁磁耦合，其中参考层的磁化方向通过硬磁层和中间层堆叠体固定。本发明构思通过引入中间层堆叠体实现了用于MTJ器件的热稳健磁性结构。

Description

用于磁隧道结器件的磁性结构、磁隧道结器件和磁性随机存 取存储器
技术领域
本发明构思涉及用于磁隧道结器件的磁性结构、磁隧道结器件和磁性随机存取存储器。
背景技术
磁隧道结(MTJ)在磁性随机存取存储器(MRAM)中的应用已得到广泛研究。已经开发了不同类型的MRAM技术，包括自旋转移矩MRAM(STT-MRAM)和自旋轨道矩MRAM(SOT-MRAM)。实现MRAM大规模生产的关键挑战在于开发热稳健的MTJ，热稳健的意思是MTJ的所需电磁性质在升高温度的加工步骤中不会丧失。为了实现大规模制造，MTJ尤其应适应升高的温度，所述升高的温度可出现在半导体器件的后道工序(BEOL)加工中(通常约400℃或更高)。
发明内容
本发明构思的目标是解决这一挑战。从下文可理解其他目标和/或替代目标。
根据本发明构思的第一方面，提供了一种用于磁隧道结(MTJ)器件的磁性结构，所述磁性结构包含：
自由层，
隧道势垒层，
参考层，
硬磁层，以及
设置在硬磁层与参考层之间的中间层堆叠体，该中间层堆叠体包含第一铁磁亚层、第二铁磁亚层和非磁性隔片亚层，其中非磁性隔片亚层设置在第一铁磁亚层与第二铁磁亚层之间并与它们接触，该非磁性隔片亚层适合提供第一铁磁亚层的磁化和第二铁磁亚层的磁化的铁磁耦合，其中参考层的磁化方向通过硬磁层和中间层堆叠体固定。
根据第二方面，提供了一种MTJ器件，其包含：
底部电极和顶部电极，以及
根据第一方面的磁性结构，其中所述磁性结构设置在底部电极与顶部电极之间。
根据第三方面，提供了一种磁性随机存取存储器(MRAM)，其包括一组根据第二方面的MTJ器件。
本发明构思基于以下洞见：引入中间层堆叠体能够实现用于MTJ器件的热稳健磁性结构。本发明构思实现了用于MTJ的结构，它与常规BEOL加工的热预算相适应。因此，该磁性结构在约400℃的升高的温度下进行加工之后，还能表现出所需的电磁性能。突出的电磁性质包括参考层和钉扎层的足够程度的磁各向异性，以及用于实际器件操作的足够高的隧道磁阻比(TMR)。足够的TMR通常约为150％或更大。
虽然BEOL加工是涉及升高的温度的一个主要过程，但应当注意，升高的温度也可发生在其他加工步骤，如在退火步骤中。
升高的温度可促进磁性结构各层之间的扩散过程。这可导致原子物质被从参考层引入到钉扎层***的硬磁层中，以及原子物质被从硬磁层引入到参考层和隧道势垒层。扩散过程可造成参考层和硬磁层损失磁各向异性，参考层和硬磁层之间的偶联弱化，以及TMR损失。
已经认识到，引入包含非磁性隔片亚层的中间层堆叠体能够使参考层与钉扎层之间的扩散受到限制。非磁性隔片亚层因而可起到扩散阻挡层的作用，即抵消或防止扩散的层。
非磁性隔片亚层形成在第一和第二铁磁亚层之间，适合提供第一和第二铁磁亚层的磁化之间的铁磁(平行)耦合。由此，硬磁层与参考层之间的铁磁耦合通过中间层堆叠体实现了。结果，可在硬磁层与参考层之间实现相当强的铁磁耦合(即意味着可靠的钉扎-参考***)，尽管中间层堆叠体的存在增大了参考层与硬磁层之间的分离。
中间层堆叠体的第一和第二铁磁亚层还提供了设计灵活性，方便为中间层堆叠体提供与磁性结构的其他层相容的织构，特别是钉扎层或参考层，取决于磁性结构具有顶部钉扎构造还是底部钉扎构造。
磁性结构包含多个层的堆叠体，包括自由层、隧道势垒层、参考层、硬磁层和中间层堆叠体。
如本文所用，术语“垂直”方向或“垂直”平面表示平行于磁性结构各层堆叠方向的方向或平面。相应地，“垂直”方向/平面与延伸主表面或者磁性结构各层中任何层的主表面正交。因此，本文所用的术语“上”和“下”可分别指沿着垂直方向的方向和与垂直方向相反的方向。如本文所用，术语“水平”方向或“水平”平面表示与垂直方向/平面正交的方向或平面。
磁性结构可用基材支承，其中“垂直”方向/平面可理解为与延伸主表面或基材主表面正交的方向。相应地，“水平”方向/平面可理解为与延伸主表面或基材主表面平行的方向。例如，第二方面的磁隧道结器件和/或第三方面的磁性随机存取存储器可包括支承磁性结构的基材，其中磁隧道结器件可在从基材底部向上的方向上包括底部电极、磁性结构和顶部电极。
自由层是具有(净)磁化强度的层，(净)磁化强度可以变化。也就是说，自由层的磁化矢量或磁矩的方向可以变化。自由层的磁化方向可在两种状态之间变化，即“平行”状态和“反向平行”状态。在“平行”状态下，自由层的磁化方向平行于参考层的磁化方向；在“反向平行”状态下，自由层的磁化方向反向平行于参考层的磁化方向。自由层也可称作存储层。自由层的磁化可面内取向(面内磁各向异性)或面外取向(垂直磁各向异性，PMA)。自由层可以是铁磁层。
隧道势垒层是设置在参考层与自由层之间的层。隧道势垒层可适应于使隧穿电流横穿隧道势垒层。隧道势垒层可以是非磁性电绝缘层。
参考层是磁化被固定或钉扎的层。也就是说，参考层的磁化矢量或磁矩的方向被固定或钉扎。参考层也可称作固定层或被钉扎层。参考层的磁化可面内取向(面内磁各向异性)或面外取向(PMA)。参考层可以是铁磁层。
参考层和自由层的磁化方向的相对取向影响磁性结构的电阻。当参考层和自由层的磁化对齐或平行时，磁性结构可表现出较低电阻；当参考层和自由层的磁化方向彼此反向平行时，磁性结构可表现出较高电阻。TMR用于度量反向平行状态与平行状态之间的MTJ电阻差。
硬磁层是具有高(磁)矫顽力的层。硬磁层使参考层的磁化方向能够被钉扎。通过施加在参考层上的钉扎效应，参考层的矫顽力相比于自由层可增大。硬磁层的磁化可面内取向(面内磁各向异性)或面外取向(PMA)。
非磁性隔片亚层是由非磁性材料形成的层。非磁性材料包括非铁磁材料，或者在无外磁场存在下不产生或基本上不产生磁化的材料。非磁性隔片亚层可由顺磁性材料形成。反磁性材料的非磁性隔片亚层也是可能的。
非磁性隔片亚层可以是包含过渡金属的层，在反铁磁性与铁磁性之间提供随层厚度变化的RKKY耦合振荡，其中过渡金属层的厚度使RKKY耦合是铁磁性耦合。包含过渡金属并提供振荡RKKY耦合的层(或者简称“RKKY金属”)使得有可能通过适当选择其厚度来提供铁磁性耦合和扩散势垒功能。RKKY耦合也称作鲁德曼-基特尔-胜谷-吉田(Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida)相互作用。
非磁性隔片亚层可以是含Ru、Ir或Rh的层。这些材料提供了依赖于厚度的振荡型RKKY耦合以及与用于MTJ的磁性结构中常用的材料相容的织构。非磁性隔片亚层优选为Ru层、Ir层或Rh层。不过，非磁性隔片亚层也可以是这样的层，其主要包含Ru、Ir或Rh，或者Ru、Ir或Rh的合金，还包含第二物质，如另一种过渡金属。
Ru提供振荡RKKY耦合，并提供铁磁耦合，该耦合从约至约的厚度范围开始。在此范围内，还提供了有利的扩散势垒性质。
Ru非磁性隔片亚层优选具有的厚度，更优选在此范围内，振荡呈现出(第一个可实验观察的)铁磁耦合强度峰。
Ir提供振荡RKKY耦合，并提供铁磁耦合，该耦合从约至约的厚度范围开始。在此范围内，还提供了有利的扩散势垒性质。
Ir非磁性隔片亚层优选具有的厚度。在此范围内，振荡呈现出(第一个可实验观察的)铁磁耦合强度峰。
由于Ru比Ir在稍微更大的厚度呈现出第一个铁磁耦合峰，Ru可比Ir形成甚至更有效的扩散势垒。更大的厚度也可转化为向着硬磁层的改善的织构诱导性质。
第一铁磁亚层可铁磁耦合至参考层(直接耦合或者穿过下文所述的可选的中间织构破坏层耦合)。第二铁磁亚层可铁磁耦合至硬磁层(并且优选与硬磁层接触形成)。在顶部钉扎的构造中，第一铁磁亚层可构成中间层堆叠体的底层，第二铁磁亚层可构成中间层堆叠体的顶层。在底部钉扎的构造中，第一铁磁亚层可构成中间层堆叠体的顶层，第二铁磁亚层可构成中间层堆叠体的底层。
第一铁磁亚层和第二铁磁亚层各自可以是包含Co的层。第一铁磁亚层和第二铁磁亚层各自可以是Co层或CoFe层。在CoFe层的情况下，该层的Co/Fe比优选大于1。
第一铁磁亚层可具有的范围内的厚度，优选更优选约第二铁磁亚层可具有的范围内的厚度，优选更优选约这些范围的厚度使钉扎层与参考层之间能够发生较强耦合，这对TMR是有益的。
参考层可以是含Fe、Co、CoB、CoFe或CoFeB的层。参考层可由单层组成，或者包含Fe、Co、CoB、CoFe或CoFeB中任何一种的多个亚层的堆叠体。这些材料能够形成高质量的MTJ。
硬磁层可以是含Co的层。含Co的层能够形成具有PMA和(111)织构的硬磁层。硬磁层可包含Co亚层与Pd、Pt或Ni亚层之一的层合体。硬磁层可包含Co与Pt、Ni或Pd的一种或多种合金；或者三元合金CoXCr，其中X表示Pt、Ni或Pd。这种含Co的层能够形成具有高矫顽力和磁各向异性的层。更一般而言，磁性补偿层可形成为表现出PMA的层。
硬磁层可设置在参考层上方。这能够得到顶部钉扎的MTJ构造。当在“1-晶体管-1-MTJ”设计中结合平面或鳍式场效应晶体管(finFET)技术操作时，顶部钉扎的MTJ相对于底部钉扎的MTJ构造等具有内在优势。顶部钉扎的MTJ将会是代替底部钉扎的MTJ的候选对象，但与底部钉扎的MTJ相比，顶部钉扎的MTJ的受限热稳健性依然构成障碍。不过，通过引入根据本发明构思的中间层堆叠体，热稳健性和TMR可得到改善。
中间层堆叠体可用作硬磁层的织构诱导种子层。高性能顶部钉扎的MTJ可包含具有不同织构的参考层和硬磁层[通常是(100)织构参考层和(111)织构硬磁层]。在没有适当种子的情况下，要使硬磁层实现足够程度的磁各向异性可能是困难的。不过，中间层堆叠体能够为硬磁层提供合适的织构[例如，为(111)织构硬磁层提供(111)织构]。
由于中间层堆叠体还起扩散势垒层的作用，参考层与例如Fe和Pt、Pd或Ni的硬磁层之间的扩散(实际扩散物质取决于参考层和硬磁层的具体组成)可以抵消。钉扎层的改善的织构可进一步减少扩散。
磁性结构可进一步包含设置在参考层与中间层堆叠体之间的织构破坏层。织构破坏层可进一步有利于形成增加的磁各向异性。织构破坏层可以是含Ta或W的层。
第一铁磁亚层可设置在织构破坏层上并与之接触，硬磁层可设置在第二铁磁亚层上并与之接触，由此可提供织构破坏层和中间层堆叠体的综合优点，同时限制参考层与硬磁层之间的分离。
硬磁层和中间层堆叠体可形成(即构成)适合固定参考层磁化方向的铁磁钉扎层。由于穿过非磁性隔片亚层平行耦合，硬磁层和中间层堆叠体的构造可称作合成铁磁(SFM)钉扎层或钉扎***。
在根据第二方面包含这种磁性结构的MTJ器件中，磁性结构可进一步包含在硬磁层上形成的封盖层，其中顶部电极可形成在封盖层上。封盖层可以是含铬(Cr)的层。含Cr的封盖层的引入允许Cr扩散进入磁性结构的下层，例如当通过退火步骤触发时。Cr使磁性结构的热稳健性能够得到改善，进而还使MTJ器件的热稳健性得到改善。钉扎***的磁各向异性和磁矫顽力也得到改善，进而还改善了TMR。
磁性结构可进一步包含磁性补偿层，其设置在自由层下方，其磁化方向与硬磁层的磁化方向相反。补偿磁体层能够使硬磁层和参考层作用于自由层上的杂散场得到补偿磁体的相反杂散场的补偿。
由于中间层堆叠体导致自由层与硬磁层之间的分离增大，作用于自由层上的杂散场的强度可减小。结果，补偿磁体杂散场不需要像不存在中间层堆叠体时那样强。
磁性补偿层可以是含Co的层。含Co的层能够实现具有PMA和(111)织构的硬磁层。磁性补偿层可包括Co亚层与Pd、Pt或Ni亚层之一的层合体。[Co/Pd]、[Co/Pt]或[Co/Ni]层合体能够形成具有高磁各向异性的层，图案化后产生的矫顽力不同于硬磁层矫顽力。硬磁层也可包含Co与Pt、Ni或Pd的一种或多种合金；或者三元合金CoXCr，其中X表示Pt、Ni或Pd。更一般而言，磁性补偿层可形成为表现出PMA的层。
磁性结构可进一步包含设置在磁性补偿层与自由层之间的解耦层，由此可实现磁性补偿层与自由层之间的磁性解耦。解耦层可进一步形成自由层的织构诱导种子层。解耦层可进一步用作自由层与磁性补偿层之间的扩散势垒层。解耦层可以是含Ru的层。含Ru的层(优选由Ru组成的层)可为解耦层提供可靠的解耦和势垒性质。解耦层可以是含MgO或含MgTiO的层。由此，解耦层可提高自由层的PMA，并强化磁性补偿层与自由层之间的解耦。
硬磁层可称作“第一”硬磁层，在此情况下，磁性结构可进一步包含“第二”硬磁层和设置在第一硬磁层与第二硬磁层之间且与它们接触的非磁性隔片层，非磁性隔片层适合提供第一硬磁层和第二硬磁层的磁化的反铁磁耦合。相应地，磁性结构可包含通过SAF形成的钉扎层，该钉扎层穿过中间层堆叠体铁磁耦合至参考层。此设计对顶部钉扎和底部钉扎的构造均适用。
附图说明
通过以下说明性而非限制性的详细描述并参考附图，可以更好地理解本发明构思的上述及其他目标、特征和优点。除另有说明者外，在附图中用相同的附图标记表示相同的元件。
图1示意性地显示了包含磁性结构的MTJ器件。
图2示意性地显示了包含磁性结构的MTJ器件。
具体实施方式
图1显示了磁隧道结(MTJ)器件100的横截面。MTJ器件100可以是形成磁性随机存取存储器(MRAM)10的一部分的多个类似MTJ中的一个。应当指出，出于清楚的目的，堆叠体的多个层及其他特征不是按比例绘制，其相对尺寸(尤其是厚度)可不同于堆叠体实物。
MRAM 10包含基材102。基材102支承MTJ器件100。基材102可以是任何常规基材或晶片，如半导体基材。半导体基材的例子包括Si基材、Ge基材、SiGe基材、SiC基材、SOI基材、GeOI基材、SiGeOI基材，等等。
基材102可支承有源器件部分104。有源器件部分104可包括在基材102的半导体部分中形成的有源器件。这些器件可形成逻辑电路器件。所述器件可包括用于MTJ 100的读写的开关。示例性有源器件包括MOSFET、MISFET、BJT、JBT、鳍式FET、纳米线FET，等等。有源器件可利用常规前道工序(FEOL)加工来形成。因此，有源器件部分104也可称作FEOL部分104。
基材102可支承后道工序(BEOL)部分106。BEOL部分106如图所示设置在FEOL部分104上方。BEOL部分106可互换地称作互连结构106。BEOL部分106可包括多个植入中间层电介质中的金属层(未示出)。举例而言，金属层可通过Cu、W、Au、Ag、Al、Co或Ru形成。举例而言，中间层电介质可包括氧化硅、氮氧化硅、氮碳化硅或氮化硅。BEOL部分106可包括穿过中间层电介质使金属层互连的导电垂直通孔(未示出)。举例而言，通孔可通过Cu、W、Au、Ag、Al、Co、Ni、Ru形成，或者通过高度掺杂的半导体材料形成。一个或多个金属层可限定MTJ的位线和字线。BEOL部分106的导电通路可与FEOL部分104的有源器件一起限定逻辑电路，用于控制读写操作，并用于驱动位线和字线。BEOL部分106可利用常规BEOL加工来形成。
MTJ器件100设置在基材102上方。MTJ器件100可如图所示植入BEOL部分106。MTJ器件100呈柱状。自基材102起，在从底部向上的方向上(即图1所示的垂直方向“Z”)，MTJ器件100包含底部电极110、磁性结构112和顶部电极140。一般而言，除非下文另有说明，否则，MTJ器件100的每个层可形成至的厚度。
底部电极110可由Ta、Ti、TaN、TiN或者两种或更多种所述材料的合金或层堆叠体形成。底部电极层110可设置在BEOL部分106的导电线上并与之接触。底部电极110也可设置在通孔上并与之接触，通孔反过来连接至BEOL部分106的导电线。顶部电极140可通过Ru层、Ta层或者所述材料的合金或层堆叠体形成。
在从底部向上的方向上，磁性结构112包含自由层120、隧道势垒层122、参考层124、中间层堆叠体128和硬磁层136。
自由层120可通过铁磁材料形成。用于自由层120的铁磁材料的例子包括Fe、Co、FeB、CoB、CoFe和CoFeB。自由层120也可具有多层结构，其包含上述材料的组合，例如，由CoFeB/X/CoFeB三层形成的自由层，其中X表示例如Ta、W或Mo。
隧道势垒层122设置在自由层120上并与之接触。隧道势垒层122可包括电介质材料层，例如，MgO、AlOx、MgAlOx或MgTiOx。尽管图1显示单一隧道势垒构造，但磁性结构112也可包含双隧道势垒层构造。双隧道势垒层构造可包括第一自由层、第一隧道势垒层、第二自由层和第二隧道势垒层的堆叠体。这种构造可延伸到两个隧道势垒层构造以外。
参考层124设置在隧道势垒层122上并与之接触。参考层124可通过铁磁材料形成。用于参考层124的铁磁材料的例子包括Fe、Co、FeB、CoB、CoFe和CoFeB。参考层124也可具有两种或多种所述材料的多层结构。
如图所示，磁性结构112可包含织构破坏层126，其设置在参考层124上并与之接触。Ta、Mo或W的织构破坏层126可有利于形成其织构不同于参考层124的织构的硬磁层136(以及中间层堆叠体128)。CoFeX或FeX的织构破坏层126也是可能的，其中X是Ta、Mo或W。
中间层堆叠体128设置在参考层124与硬磁层136之间。在从底部向上的方向上，中间层堆叠体128包含第一铁磁亚层130、非磁性隔片亚层132和第二铁磁亚层134。在下文中，第一铁磁亚层130可简称为第一FM层130。在下文中，第二铁磁亚层134可称为第二FM层134。在下文中，非磁性隔片亚层132可称为隔片层132。
第一FM层130设置在织构破坏层126上并与之接触。不过，在不含织构破坏层126的构造中，第一FM层130可设置在参考层124上并与之接触。第一FM层130由铁磁材料形成。第一FM层130可以是Co层。第一FM层130可形成的范围内的厚度。若结构中存在Ta、W或Mo织构破坏层126，则第一FM层130可优选形成的厚度。作为具体例子，第一FM层130可形成的厚度。若结构中存在CoFeX或FeX(X为Ta、Mo或W)织构破坏层126，则作为具体例子，第一FM层130可形成的厚度。
第二FM层134设置在隔片层132上并与之接触。第二FM层134由铁磁材料形成。第二FM层134可以是Co层。第二FM层134可形成优选的范围内的厚度。作为具体例子，第二FM层134可形成的厚度。
隔片层132可设置在第一FM层130与第二FM层134之间并与它们接触。隔片层132适合提供第一FM层130的磁化与第二FM层134的磁化的铁磁耦合。隔片层132可由厚度在优选的范围内的Ru层形成。或者，隔片层132可通过厚度在的范围内的Ir层形成。然而，隔片层的替代性构造也是可能的，例如，也可使用其他过渡金属材料，如3d、4d或5d过渡金属，它们在相应的厚度范围内显示铁磁RKKY偶联，例如Rh、Au、Ag或Cu可作为一些候选材料提及。
硬磁层136可设置在参考层和中间层堆叠体128上方。更具体而言，硬磁层136设置在第二FM层134上并与之接触。硬磁层136可通过高矫顽力材料形成。硬磁层136可包括[Co/Pd]、[Co/Pt]或[Co/Ni]双层重复多次(如4-8次)的层合体(即“超晶格”)。硬磁层136的其他可能的组成包括Co层、Fe层或CoFe层，或者[Fe/X]或[CoFe/X]重复多次的层合体，其中X表示Pd、Pt、Ni、Tb或Gd。具有合金组成的硬磁层也是可能的，如Co、Fe或CoFe与Pt、Pd、Ni、Tb或Gd的合金。其他例子包括CoXCr三元合金，其中X表示Pt、Ni、Pd、Tb或Gd。在图案化以形成柱状磁性结构后，这些材料可形成具有(111)织构和PMA的层。
图1包括的箭头表示磁性结构112的磁性层的磁化方向。如自由层120中的两个反向箭头所示，自由层120的磁化方向可在两个相反方向之间切换，即在相对于参考层124的固定磁化方向的平行方向(P)和反向平行方向(AP)之间切换。硬磁层136的磁化方向是固定的，并且平行于参考层124的磁化方向。
硬磁层136铁磁耦合至第二FM层134。第二FM层134穿过隔片层132铁磁耦合至第一FM层130。第一FM层130铁磁耦合至参考层124(若存在织构破坏层126，则穿过织构破坏层126)。因此，参考层124的磁化方向被硬磁层和中间层堆叠体固定。硬磁层136和中间层堆叠体128因而形成“合成铁磁”(SFM)钉扎层，所述钉扎层固定参考层124的磁化方向。由于SFM钉扎层设置在参考层124上方，参考层124和MTJ器件100被顶部钉扎。
应当指出，图中所示的参考层124、第一FM层130、第二FM层134和硬磁层136的向下取向的磁化方向仅仅是示例，相反的向上取向也是可能的。不仅如此，虽然图1显示各层具有垂直磁各向异性(PMA)，但如本领域技术人员所知，也可能形成具有面内磁各向异性的磁性层。
如图所示，磁性结构112可进一步包含设置在自由层120下方的磁性补偿层116。形成的磁性补偿层116具有与硬磁层136的磁化方向相反的磁化方向。因此，补偿磁体层116能够实现杂散场补偿。磁性补偿层116可以是含Co的层。用于磁性补偿层的示例性材料包括上面就硬磁层136所讨论的相同例子。
磁性结构可进一步包含设置在底部电极110上并与之接触的种子层114。磁性补偿层116可设置在种子层114上并与之接触。种子层114可通过诱导恰当的织构来促进磁性补偿层116的形成。种子层114可由Pt、Hf、Ru、Ir、Ta、Cr、Ni或其合金或双层形成。其他选项有反铁磁性材料(AFM材料)，如IrMn、PtMn、MnN。AFM材料种子层114可提供磁性补偿层116的偏置。
磁性结构112可进一步包含设置在磁性补偿层116与自由层120之间的解耦层118。解耦层可以是Ru层。解耦层可以是MgO层或MgTiO层。解耦层也可包含以下成分或由以下成分组成：Ta、Pt、Pd、Tb、Gd、W、Mo、Hf、Ti或V或者其合金或双层。
尽管图中未示出，含Cr封盖层可形成在硬磁层136上并与之接触。顶部电极140可形成在封盖层上并与之接触。封盖层可由一个或多个Cr单层形成，或者由Cr层与选自下组的元素的层的组合形成：Ni、Ta、Pt、Pd、Tb、Gd、W、Mo、Ru、Bi、Hf、Fe、Co、Ti和V。
MTJ器件100的各层可通过本身为本领域所知的方式沉积，例如溅射或蒸发工艺。层堆叠体一旦完成沉积，随后即可图案化为具有圆化(如椭圆形或圆形)、矩形或更一般的多边形横截面的柱状特征。制造工艺可进一步包括一个或多个退火步骤，用来引起各磁性层的晶化(并且在存在封盖层的情况下，触发Cr从封盖层的扩散)。退火步骤可包括将各层置于至少250℃的温度下，但优选不超过400℃。形成MTJ后，可利用常规BEOL加工来形成中间层电介质，该中间层电介质包埋MTJ和用来连接至MTJ的导电通路。
尽管上面已经描述了具有顶部钉扎构造的MTJ器件，但应当指出，通过在硬磁层、中间层堆叠体和参考层等上方形成自由层，底部钉扎构造也是可能的。中间层堆叠体将照样提供相应的功能，虽然不提供上文所述的向硬磁层诱导织构的功能。
图2显示了具有另一种设计的MTJ器件200。图1和图2中对应的附图标记表示对应的元件，因而参考上文的描述。MTJ器件200与器件100的不同之处在于包含磁性结构212，该磁性结构212包含非磁性隔片层137，该非磁性隔片层137提供(第一)硬磁层136与(第二)硬磁层138的磁化的反向平行(即反铁磁性)耦合。举例而言，隔片层137可以是Ru层(或其他RKKY过渡金属层)，其厚度对应于反铁磁性耦合强度的峰。相应地，磁性结构112可包含SAF型钉扎层***，它穿过中间层堆叠体128铁磁耦合至参考层124。
在上文中主要结合有限数量的例子描述了本发明构思。但是，本领域技术人员容易理解，除上面公开的例子以外的例子在本发明构思的范围内也是同样可能的，如所附权利要求书所限定。

Claims (15)

1.一种用于磁隧道结器件的磁性结构(112,212)，所述磁性结构包含：
自由层(120)，
隧道势垒层(122)，
参考层(124)，
硬磁层(136)，以及
设置在硬磁层(136)与参考层(124)之间的中间层堆叠体(128)，所述中间层堆叠体包含第一铁磁亚层(130)、第二铁磁亚层(134)和非磁性隔片亚层(132)，其中非磁性隔片亚层(132)设置在第一铁磁亚层(130)与第二铁磁亚层(134)之间并与它们接触，适合提供第一铁磁亚层(130)的磁化与第二铁磁亚层(134)的磁化的铁磁耦合，其中参考层(124)的磁化方向通过硬磁层(136)和中间层堆叠体(128)固定。
2.根据权利要求1的磁性结构，其中非磁性隔片亚层(132)是包含过渡金属的层，在反铁磁性与铁磁性之间提供随层厚度变化的RKKY耦合振荡，其中过渡金属层的厚度使RKKY耦合为铁磁性耦合。
3.根据前述权利要求中任意一项的磁性结构，其中非磁性隔片亚层(132)是包含Ru或Ir的层。
4.根据前述权利要求中任意一项的磁性结构，其中非磁性隔片亚层(132)是厚度在范围内的Ru层，或者厚度在且优选范围内的Ir层。
5.根据前述权利要求中任意一项的磁性结构，其中第一铁磁亚层(130)和第二铁磁亚层(134)各自是包含Co的层或者包含CoFe的层。
6.根据前述权利要求中任意一项的磁性结构，其中第一铁磁亚层(130)的厚度为优选更优选约第二铁磁亚层(134)的厚度为优选更优选约
7.根据前述权利要求中任意一项的磁性结构，其中参考层(124)是包含Fe、Co、FeB、CoB、CoFe或CoFeB的层。
8.根据前述权利要求中任意一项的磁性结构，其中硬磁层(136)是包含Co的层。
9.根据前述权利要求中任意一项的磁性结构，其中硬磁层(136)设置在参考层上方。
10.根据权利要求9的磁性结构，还包含参考层(124)与中间层堆叠体(128)之间的织构破坏层(126)。
11.根据权利要求9-10中任意一项的磁性结构，其中硬磁层(136)和中间层堆叠体(128)形成铁磁性钉扎层，该铁磁性钉扎层适合固定参考层(124)的磁化方向。
12.根据权利要求11的磁性结构，其中磁性结构(112)包含设置在自由层下方的磁性补偿层(116)，该磁性补偿层(116)的磁化方向与硬磁层(136)的磁化方向相反。
13.根据权利要求1-8中任意一项的磁性结构，其中所述硬磁层(136)是第一硬磁层(136)，磁性结构(212)还包含第二硬磁层(138)和设置在第一硬磁层(136)与第二硬磁层(138)之间并与它们接触的非磁性隔片层(137)，该非磁性隔片层(137)适合提供第一硬磁层(136)和第二硬磁层(138)的磁化的反铁磁耦合。
14.一种磁隧道结器件(100,200)，其包含：
底部电极(110)和顶部电极(140)，以及
根据前述权利要求中任意一项的磁性结构(112,212)，其中磁性结构设置在底部电极与顶部电极之间。
15.一种磁性随机存取存储器(10)，其包含一组根据权利要求14的磁隧道结器件(100,200)。
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112289923A (zh) * 2019-07-25 2021-01-29 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112310272A (zh) * 2019-07-25 2021-02-02 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112635652A (zh) * 2019-10-08 2021-04-09 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112652705A (zh) * 2019-10-10 2021-04-13 上海磁宇信息科技有限公司 磁性隧道结结构及其磁性随机存储器
CN112652704A (zh) * 2019-10-10 2021-04-13 上海磁宇信息科技有限公司 具有超薄合成反铁磁层的磁性隧道结单元
CN112652702A (zh) * 2019-10-10 2021-04-13 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112736191A (zh) * 2019-10-14 2021-04-30 上海磁宇信息科技有限公司 具有对称结构的磁性隧道结结构及磁性随机存储器
CN112864306A (zh) * 2019-11-12 2021-05-28 上海磁宇信息科技有限公司 具对称双势垒层的磁性隧道结结构及磁性随机存储器
CN112928201A (zh) * 2019-12-05 2021-06-08 上海磁宇信息科技有限公司 具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108269915B (zh) * 2017-01-02 2023-09-22 Imec 非营利协会 一种形成磁阻器件的方法以及磁阻器件
US11088318B2 (en) * 2018-04-06 2021-08-10 Everspin Technologies, Inc. Spin orbit torque magnetoresistive devices and methods therefor
US11737368B2 (en) 2019-03-27 2023-08-22 Intel Corporation Magnetic memory devices and methods of fabrication
US10943950B2 (en) * 2019-03-27 2021-03-09 Intel Corporation Magnetic memory devices with enhanced tunnel magnetoresistance ratio (TMR) and methods of fabrication
JP7398770B2 (ja) * 2019-04-11 2023-12-15 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
CN111864057A (zh) * 2019-04-29 2020-10-30 上海磁宇信息科技有限公司 一种磁性随机存取器及磁隧道结存储单元
EP3739640B1 (en) * 2019-05-13 2022-08-24 IMEC vzw A layer stack for a magnetic tunnel junction device
US11171283B2 (en) 2019-11-01 2021-11-09 International Business Machines Corporation Modified double magnetic tunnel junction structure suitable for BEOL integration
CN112864313B (zh) * 2019-11-28 2023-03-21 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
EP3836171B1 (en) * 2019-12-12 2024-04-10 Imec VZW Magnetic tri-layer spacer between a magnetic pinned or hard layer and a magnetic reference layer
US11316104B2 (en) 2020-03-13 2022-04-26 International Business Machines Corporation Inverted wide base double magnetic tunnel junction device
US11805705B2 (en) * 2020-05-12 2023-10-31 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Strained ferromagnetic hall metal SOT layer
JP2022049499A (ja) 2020-09-16 2022-03-29 キオクシア株式会社 磁気記憶装置
CN116134989A (zh) * 2020-11-30 2023-05-16 华为技术有限公司 一种存储器及电子设备
US11501810B2 (en) 2021-03-17 2022-11-15 International Business Machines Corporation Amorphous spin diffusion layer for modified double magnetic tunnel junction structure
US20230027792A1 (en) * 2021-07-23 2023-01-26 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Memory device and formation method thereof
US11894029B1 (en) * 2022-10-27 2024-02-06 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Spiking neural network hardware based on magnetic-tunnel-junction layer stacks

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7054119B2 (en) * 2003-06-18 2006-05-30 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Coupled ferromagnetic systems having modified interfaces
US6989975B2 (en) * 2003-06-18 2006-01-24 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Magnetoresistive device including pinned structure with a layer that provides texture for pinning
JP2006269885A (ja) * 2005-03-25 2006-10-05 Sony Corp スピン注入型磁気抵抗効果素子
JP5210533B2 (ja) * 2006-09-21 2013-06-12 アルプス電気株式会社 トンネル型磁気検出素子及びその製造方法
US8604572B2 (en) * 2010-06-14 2013-12-10 Regents Of The University Of Minnesota Magnetic tunnel junction device
US8860156B2 (en) * 2012-09-11 2014-10-14 Headway Technologies, Inc. Minimal thickness synthetic antiferromagnetic (SAF) structure with perpendicular magnetic anisotropy for STT-MRAM
US9252710B2 (en) 2012-11-27 2016-02-02 Headway Technologies, Inc. Free layer with out-of-plane anisotropy for magnetic device applications
KR102099879B1 (ko) * 2013-05-03 2020-04-10 삼성전자 주식회사 자기 소자
JP6251130B2 (ja) 2013-06-17 2017-12-20 アイメックＩｍｅｃ 磁気メモリ素子
KR102126975B1 (ko) * 2013-12-09 2020-06-25 삼성전자주식회사 자기 기억 소자 및 그 제조 방법
KR102238527B1 (ko) * 2014-09-29 2021-04-09 삼성전자주식회사 수직 자기 터널 접합 패턴을 포함하는 자기 기억 소자
SG11201706048SA (en) * 2015-01-27 2017-08-30 Agency Science Tech & Res Magnetoresistive device and method of forming the same
US10340445B2 (en) * 2015-09-25 2019-07-02 Intel Corporation PSTTM device with bottom electrode interface material
KR102612437B1 (ko) * 2016-10-31 2023-12-13 삼성전자주식회사 자기 기억 소자
US10672976B2 (en) * 2017-02-28 2020-06-02 Spin Memory, Inc. Precessional spin current structure with high in-plane magnetization for MRAM
US10256398B2 (en) * 2017-06-28 2019-04-09 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Magnetic random access memory structures, integrated circuits, and methods for fabricating the same

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112289923A (zh) * 2019-07-25 2021-01-29 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112310272A (zh) * 2019-07-25 2021-02-02 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112289923B (zh) * 2019-07-25 2023-05-23 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112310272B (zh) * 2019-07-25 2023-05-23 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112635652A (zh) * 2019-10-08 2021-04-09 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112652705B (zh) * 2019-10-10 2023-04-25 上海磁宇信息科技有限公司 磁性隧道结结构及其磁性随机存储器
CN112652702A (zh) * 2019-10-10 2021-04-13 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112652704A (zh) * 2019-10-10 2021-04-13 上海磁宇信息科技有限公司 具有超薄合成反铁磁层的磁性隧道结单元
CN112652705A (zh) * 2019-10-10 2021-04-13 上海磁宇信息科技有限公司 磁性隧道结结构及其磁性随机存储器
CN112652702B (zh) * 2019-10-10 2023-12-22 上海磁宇信息科技有限公司 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112736191A (zh) * 2019-10-14 2021-04-30 上海磁宇信息科技有限公司 具有对称结构的磁性隧道结结构及磁性随机存储器
CN112864306A (zh) * 2019-11-12 2021-05-28 上海磁宇信息科技有限公司 具对称双势垒层的磁性隧道结结构及磁性随机存储器
CN112928201A (zh) * 2019-12-05 2021-06-08 上海磁宇信息科技有限公司 具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构

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US20190088713A1 (en) 2019-03-21
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