[0002] 本案是分案申请。该分案的母案是
国际申请日为2010年1月13日、国际申请号为PCT/US2010/020919、
发明名称为“具有存储层材料的磁性元件”的PCT申请进入中国国家阶段申请号为201080004267.8的发明
专利申请案。
技术领域
[0003] 本发明的
实施例涉及磁性元件装置。更确切地说，本发明的实施例涉及包括新颖存储层材料的磁性元件。
背景技术
[0004] 也称作自旋
电子装置(spin electronics devices或spintronics devices)的磁电装置用于众多信息技术中，且提供非易失性、可靠、抗
辐射及高
密度的数据存储及检索。磁电装置的实例包括(但不限于)磁性随机存取
存储器(MRAM)、磁性
传感器，及磁盘
驱动器的读取/写入磁头。
[0005] 通常，磁电装置(例如，磁性存储器元件)具有包括由至少一个非磁性层分离的多个
铁磁性层的结构。信息按照磁性层中的磁化向量的方向存储于磁性存储器元件中。一个磁性层中的磁化向量(例如)在磁性上是固定的或钉住的，而另一磁性层的磁化方向能够在分别被称为“平行”状态及“逆平行”状态的相同方向与相反方向之间自由地切换。响应于平行状态及逆平行状态，磁性存储器元件表示两个不同
电阻。当所述两个磁性层的磁化向量指向大致相同方向时，电阻具有最小值，且当所述两个磁性层的磁化向量指向大致相反方向时，电阻具有最大值。因此，对电
阻变化的检测允许装置(例如，MRAM装置)检测存储于磁性存储器元件中的信息。
[0006] 图1A及图1B分别说明处于平行状态及逆平行状态中的被称为磁性隧道结元件的一类型的磁性存储器元件。
[0007] 如图所示，磁性隧道结(MTJ)元件100可由通过绝缘(隧道势垒)层120分离的两个磁性层110及130形成，磁性层110及130中的每一者可固持一
磁场。所述两个层中的一者(例如，参考层110)被设定成特定极性。另一层(例如，存储层130)的极性132能够自由地改变以匹配可施加的外部场的极性。存储层130的极性132的改变将改变MTJ元件100的电阻。举例来说，当极性对准时(图1A)，存在低电阻状态。当极性不对准时(图1B)，存在高电阻状态。已简化MTJ 100的说明且所属领域的技术人员将了解，所说明的每一层可包含一个或一个以上材料层，如此项技术中已知。
[0008] 与将数据存储为电荷或
电流的常规RAM技术对比，MRAM以磁性方式存储信息。MRAM具有使得其为通用存储器的候选者的若干所要特性，所述特性例如为高速、高密度(即，小的位单元大小)、低功率消耗，及无随时间的降级。然而，MRAM具有可缩放性问题。
具体来说，随着位单元变小，用于切换存储器状态的磁场增加。因此，电流密度及功率消耗增加以提供较高的磁场，因而限制MRAM的可缩放性。
[0009] 不同于常规MRAM，自旋转移
力矩磁阻
随机存取存储器(STT-MRAM)使用随着电子穿过
薄膜(自旋
过滤器)而变得自旋极化的电子。STT-MRAM也被称为自旋转移力矩RAM(STT-RAM)、自旋力矩转移磁化切换RAM(自旋RAM)及自旋动量转移(SMT-RAM)。在写入操作期间，自旋极化的电子对自由层施加力矩，所述力矩可切换自由层的极性。读取操作与常规MRAM类似之处在于：使用电流来检测MTJ存储元件的电阻/逻辑状态，如前文中所论述。如图2A中所说明，STT-MRAM位单元200包括MTJ 205、晶体管210、位线220及字线230。针对读取操作与写入操作两者，接通晶体管210以允许电流流经MTJ 205，从而可读取或写入逻辑状态。
[0010] 参看图2B，说明STT-MRAM单元201的更详细图以用于进一步论述读取/写入操作。除先前所论述的元件(例如，MTJ 205、晶体管210、位线220及字线230)之外，说明源极线240、读出
放大器250、读取/写入
电路260及位线参考270。如上文所论述，STT-MRAM中的写入操作为电性的。读取/写入电路260在位线220与源极线240之间产生写入
电压。视位线220与源极线240之间的电压的极性而定，可改变MTJ 205的自由层的极性且可相应地将逻辑状态写入到单元201。同样，在读取操作期间，产生读取电流，所述读取电流穿过MTJ 205在位线220与源极线240之间流动。当准许电流流经晶体管210时，可基于位线220与源极线240之间的电压差(voltage differential)来确定MTJ 205的电阻(逻辑状态)，将所述电压差与参考270比较且接着由读出放大器250放大。所属领域的技术人员将了解，存储器单元201的操作及构造是此项技术中已知的。额外细节提供于(例如)IEDM会议录(2005)的M·细见(M.Hosomi)等人的“具有自旋转移力矩磁阻磁化切换的新颖
非易失性存储器：自旋RAM(A Novel Nonvolatile Memory with Spin Transfer Torque Magnetoresistive Magnetization Switching：Spin-RAM)”中，所述文献的全文以引用的方式并入本文中。
[0011] 返回参看图1的MTJ结构，STT-MRAM中的存储层130及参考层110按照惯例由钴-铁-
硼(CoFeB)材料制成，而隧道层120按照惯例由
氧化镁(MgO)材料制成。然而，CoFeB作为存储层材料具有缺点。举例来说，其具有相对较大的
磁致伸缩。磁致伸缩为
铁磁性材料的一性质，所述性质使得铁磁性材料在经受磁场时改变其形状。因此，CoFeB的使用可诱导存储器阵列中的相对较宽且不可控制的切换场(switching field)或切换电流分布。
发明内容
[0012] 本发明的示范性实施例是针对包括新颖存储层材料的磁性元件。
[0013] 因此，本发明的一实施例可包括一种磁性隧道结(MTJ)元件。所述MTJ包括参考铁磁性层、存储铁磁性层，及绝缘层。所述存储铁磁性层包括经由非磁性子层耦合到CoFe子层的钴-铁-硼(CoFeB)子层。所述绝缘层安置于所述参考铁磁性层与存储铁磁性层之间。
[0014] 本发明的另一实施例可包括另一种MTJ元件。所述MTJ也包括参考铁磁性层、存储铁磁性层，及绝缘层。此处，所述存储铁磁性层包括经由非磁性子层耦合到镍-铁(NiFe)子层的CoFeB子层。所述绝缘层也安置于所述参考铁磁性层与存储铁磁性层之间。
[0015] 本发明的另一实施例可包括一种形成MTJ装置的方法。所述方法包括形成参考铁磁性层；形成存储铁磁性层，所述存储铁磁性层包含经由非磁性子层耦合到CoFe子层的CoFeB子层；及形成绝缘层，所述绝缘层安置于所述参考铁磁性层与存储铁磁性层之间。
[0016] 本发明的另一实施例可包括另一种形成MTJ装置的方法。此处，所述方法包括形成参考铁磁性层；形成存储铁磁性层，所述存储铁磁性层包含经由非磁性子层耦合到NiFe子层的CoFeB子层；及形成绝缘层，所述绝缘层安置于所述参考铁磁性层与存储铁磁性层之间。
[0017] 本发明的另一实施例可包括一种存储器，其包含晶体管及
串联耦合到所述晶体管的磁性隧道结(MTJ)元件。所述磁性隧道结(MTJ)元件可包括：参考铁磁性层；存储铁磁性层，其包含经由非磁性子层耦合到钴-铁(CoFe)子层的钴-铁-硼(CoFeB)子层；及绝缘层，所述绝缘层安置于所述参考铁磁性层与存储铁磁性层之间。
附图说明
[0018] 呈现随附图式以协助描述本发明的实施例且仅出于说明实施例且并非限制的目的而提供所述附随图式。
[0019] 图1A及图1B分别说明处于平行状态及逆平行状态中的被称为磁性隧道结元件的类型的磁性存储器元件。
[0020] 图2A及图2B说明使用MTJ元件作为磁性存储装置的常规STT-MRAM单元的存储器单元。
[0021] 图3A至图3D各自说明包括新颖存储层的MTJ元件。
[0022] 图4说明制造包括新颖存储层的MTJ元件的方法。
[0023] 图5说明包括MTJ元件的STT-MRAM电路。
具体实施方式
[0024] 以下描述中揭示本发明的实施例的方面，且相关图式是针对本发明的特定实施例。可在不偏离本发明的范畴的情况下设计出替代实施例。另外，将不详细描述本发明的众所周知的元件或将省略所述元件，以免混淆本发明的实施例的相关细节。
[0025] 词“示范性”在本文中用以意谓“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“示范性”的任何实施例不必被解释为较其它实施例优选或有利。同样，术语“本发明的实施例”并不需要本发明的所有实施例包括所论述的特征、优点或操作模式。如本文中及此项技术中通常所使用，符号 指代测量的埃单位。
[0026] 本文中所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的且并不意在为本发明的实施例的限制。如本文中所使用，除非上下文清楚地另外指示，否则单数形式“一”及“所述”也意在包括复数形式。应进一步理解，术语“包含”及/或“包括”在本文中使用时
指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件及/或组件的存在，但不排除一个或一个以上其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件及/或其群组的存在或添加。
[0027] 如“背景技术”中所论述，钴-铁-硼(CoFeB)作为存储层材料具有缺点，因为其具有(例如)不合需要地大的磁致伸缩性质。因此，本发明的实施例提供用于在磁性存储器元件中使用的新颖存储层，其帮助减轻CoFeB的一个或一个以上缺点。
[0028] 图3A至图3D各自说明根据本发明的实施例的包括新颖存储层的MTJ元件。如本文中所使用，无对应字母a至d的参考数字330指代存储层330a至330d的统称。
[0029] 如图所示，MTJ 300由参考层310、绝缘层320及存储层330形成。与图1的常规设计中一样，参考层310可由CoFeB或其类似物制成，且绝缘层320可由氧化镁(MgO)或其类似物制成。然而，与图1的设计对比，MTJ 300的存储层330由钴-铁-硼(CoFeB)/(非磁性子层)/(辅助子层)的多层铁磁性结构制成，其中CoFeB子层经由非磁性(例如，钌(Ru)分隔子层)耦合到子辅助层，如下文将描述。为了容易用符号表示及解释，在以下描述中可将钌或Ru用于非磁性子层。然而，应了解，本发明的实施例不限于使用Ru作为非磁性子层。举例来说，也可使用铬(Cr)或钽(Ta)作为非磁性子层。另外，应了解，本文中所描述的各种层及子层可包括除明确展示的层及子层外的额外层及子层。
[0030] 视存储层330的CoFeB子层与辅助子层之间的交换耦合强度而定，所述两个子层可以铁磁性或逆铁磁性的方式耦合。大体来说，交换耦合指代两个子层中的磁矩试图在平行或逆平行方向(视Ru的厚度而定)上以磁性方式彼此耦合以使得交换能可得到最小化的观念。简而言之，磁性交换耦合为磁矩使其自身在平行或逆平行方向上对准所需的交换强度。具体来说，铁磁性交换耦合指代其中两个子层的磁化向量相对平行的状态，且逆铁磁性交换耦合指代其中两个子层的磁化向量相对逆平行的状态。
[0031] 已注意到，当交换耦合强度较强时，临界切换电流将较低。另外，可通过调整非磁性(例如，Ru子层)的厚度来控制交换耦合强度。大体来说，当薄的非磁性金属层夹在两个铁磁性层之间时，中心层中的电子变得以振荡方向极化。举例来说，大致 至 (例如， )的相对较薄的Ru子层可提供逆铁磁性耦合。大致 至 的厚度或至大致至 (例如， )的厚度的Ru子层可提供铁磁性耦合。进一步将Ru子层的厚度增加至大致 至 (例如， )又可提供逆铁磁性耦合。然而，虽然极化方向在本质上可为振荡的，但交换耦合强度的量值随着Ru子层厚度的增加而衰减，使得振荡随着Ru子层变得太厚而逐渐消失。因此，可根据设计标准通过选择适当的Ru子层厚度来设定CoFeB子层与子辅助层之间的耦合的类型，以及交换耦合强度。同样，其它铁磁性子层的厚度可为大约至 ，但本发明的实施例不限于任何特定厚度。
[0032] 为减少临界切换电流且改善STT-MRAM单元
稳定性，根据本发明的一个或一个以上实施例的辅助子层可包括CoFe材料。另外，为帮助减轻磁致伸缩，根据本发明的一个或一个以上实施例的辅助子层可视应用而除CoFe材料之外或取代CoFe材料包括NiFe材料。
[0033] 确切地说，图3A说明由CoFeB/非磁性/CoFe/NiFe(例如，CoFeB/Ru/CoFe/NiFe)层结构制成的存储层330a。图3B说明由CoFeB/非磁性/CoFe(例如，CoFeB/Ru/CoFe)层结构制成的存储层330b。图3C说明由CoFeB/非磁性/NiFe(例如，CoFeB/Ru/NiFe)层结构制成的存储层330c。图3D说明由CoFeB/非磁性/CoFeB/NiFe(例如，CoFeB/Ru/CoFeB/NiFe)层结构制成的存储层330d。图3A及图3B的结构使用CoFe材料作为辅助子层的一部分以提供经由非磁性(例如，Ru)子层的与CoFeB子层的相对较强的交换耦合，借此减少用于写入操作的临界切换电流。图3A、图3C及图3D的结构使用NiFe材料来减少存储器阵列中的磁致伸缩诱导的切换电流及切换场变化。另外，如上文所注释，可用其它非磁性材料替换上文所描述及图3A至图3D中所说明的Ru子层以形成非磁性子层。
[0034] 图4说明根据本发明的实施例的制造包括新颖存储层的MTJ元件的方法。
[0035] 参看图3及图4，可通过在衬底或另一层上形成第一铁磁性层310(即，存储层330及参考层310中的一者)来制造MTJ 300(框410)。在第一铁磁性层310上形成绝缘层320(框420)。在绝缘层320上形成第二铁磁性层330(即，存储层330及参考层310中的另一者)(框430)。同样，每一层可由一个或多个层构成，所述一个或多个层由一种或一种以上材料制成，且未必需要将一据称形成于另一层上的层以与所述层直接
接触的形式而形成。如图3A至图3D中所说明，根据本发明的各种实施例，存储层可由本文中所描述的各种组合(例如，CoFeB/Ru/CoFe/NiFe、CoFeB/Ru/CoFe、CoFeB/Ru/NiFe或CoFeB/Ru/CoFeB/NiFe)中的任一者形成。
[0036] 图5说明根据本发明的实施例的包括MTJ元件的存储器元件(例如，STT-MRAM电路)。
[0037] 所述电路包括位单元501，其包括耦合于位线(BL)520与源极线(SL)540之间的MTJ 505及字线晶体管510。字线晶体管510从字线(未图示)接收字线读取电压(WL_rd)。读取隔离元件550耦合到位线520以在写入操作期间隔离读出放大器570。元件550(例如，读取多路复用器)可用以在读取操作期间选择位线中的一者，以及提供读出放大器隔离。如所属领域的技术人员将了解，读取隔离元件550可为可在读取操作期间将读出放大器570耦合到位线520且可在写入操作期间隔离读出放大器570的任何装置或装置的组合。举例来说，隔离元件550可为与读出放大器570的输入端串联耦合的传输
门。然而，所属领域的技术人员将了解，可使
用例如多路复用器及其类似者等其它装置及/或装置的组合。另外，所属领域的技术人员将了解，本文中所说明的电路配置仅用以促进描述本发明的实施例的方面，且不意在将实施例限制于所说明的元件及/或布置。
[0038] 返回参看图5，隔离元件550可接收读取启用
信号(rd_en)以与读取操作协调。读出放大器570耦合到位线520且耦合到参考560。读出放大器570可用以通过在读取操作期间放大读出放大器570的输入端处的位线520与参考560之间的电压差来确
定位单元501的状态。在读取操作期间，晶体管510为导电的且读取电流流经MTJ 505。读取隔离元件550将为导电的且将在读出放大器570处产生并检测到与MTJ 505的电阻成比例的电压。
如上文所论述，电阻将基于MTJ 505的逻辑状态而变化。因此，可读取存储于位单元501中的数据。写入驱动器580与写入隔离元件582及584耦合于位线520与源极线540之间，以使得能够选择位线且将数据写入到位单元501。
[0039] 可使用本文中所描述的技术来实施MTJ 505以减少临界切换电流，帮助减轻磁致伸缩，且改善STT-MRAM单元稳定性。举例来说，可如图3A至图3D中的任一者中所展示来实施MTJ 505，及/或如图4中所说明来制造MTJ 505。另外，应了解，存储器阵列可由由MTJ505及晶体管510形成的个别位单元阵列形成。
[0040] 虽然前述揭示内容展示本发明的说明性实施例，但应注意，可在不偏离如通过所附
权利要求书定义的本发明的实施例的范畴的情况下在本文中作出各种改变及
修改。举例来说，虽然本文中所描述的用于制造磁性元件的技术大体上是针对MTJ元件及STT-MRAM装置，但所属领域的技术人员将了解，本文中所呈现的存储层可在各种应用中结合各种磁电元件使用以提供改善的性能。又，可在适当时改变对应于待激活的晶体管/电路的特定逻辑信号以实现所揭示的功能性，因为可将晶体管/电路修改成互补装置(例如，互换PMOS装置与NMOS装置)。同样，不需要以所展示的特定次序执行根据本文中描述的本发明的实施例的方法的功能、步骤及/或动作。此外，虽然可能以单数形式描述或主张本发明的元件，但除非明确
声明限于单数形式，否则涵盖复数形式。
