[发明专利]磁性叠层设计

说明书

背景技术

普及性计算和手持/通信产业的快速发展已引起对大容量非易失性固态数据存储设备的爆炸式需求。类似闪存的当前技术具有若干缺点，例如低存取速度、有限的寿命、和集成难度。闪存(NAND或NOR)还面对缩放问题。同样，传统的旋转存储器(例如，盘驱动器)面对着面密度以及使类似读取/记录头的组件更小和更可靠的挑战。

阻性感测存储器(RSM)通过将数据位存储为高阻态或低阻态，成为未来非易失性和通用存储器的有前途候选。一种这样的存储器是MRAM，它的特征在于非易失性、快速写入/读取速度、几乎无限制的编程寿命和零待机功率。MRAM的基本组件是磁性隧道结(MTJ)。MRAM通过使用电流感生磁场来切换MTJ的磁化，从而切换MTJ电阻。随着MTJ尺寸缩小，磁场切换振幅增大且切换的变化程度变得更剧烈。

然而，在阻性感测存储器进入生产阶段前必须克服许多产量限制因素。一个挑战是阻性感测存储器阵列中的切换电流的大小。在自旋扭矩转移RAM(STRAM)中，这取决于包括阻挡层特性的若干因素。因此，需要那些便于较低切换电流的设计。

发明内容

本公开涉及磁性叠层(例如，诸如磁性隧道结单元之类的存储器单元，以及读取传感器)。这些结构具有被钉扎参考层，该钉扎参考层被配置为在参考层和自由层之间实现减少的层间耦合。利用这些结构，可以实现高隧道磁阻(TMR)。

在一个特定实施例中，本公开描述具有自由层、参考层以及两者之间的阻挡层的磁性叠层，其中自由层具有可切换的磁化取向，参考层具有被钉扎的磁化取向，自由层、参考层以及阻挡层中的每一个都具有中心。叠层包括具有中心的环形反铁磁钉扎层，钉扎层的中心与自由层、参考层和阻挡层中的每一个的中心对齐，钉扎层与自由层电隔离且与参考层物理接触。

在另一特定实施例中，本公开描述具有自由层、参考层以及两者之间的阻挡层的磁性叠层，其中自由层具有可切换的磁化取向，参考层具有被钉扎的磁化取向。叠层包括与自由层电隔离且与参考层物理接触的反铁磁钉扎层。自由层、参考层、阻挡层和钉扎层中的每一个都具有中心和外径，参考层的外径比自由层大。

在又一特定实施例中，本公开描述具有自由层、合成反铁磁(SAF)耦合参考层以及两者之间的阻挡层的磁性叠层，其中自由层具有可切换的磁化取向，SAF参考层具有被钉扎的磁化取向。SAF参考层具有由金属间隔件分开的第一铁磁子层和第二铁磁子层，第一子层与第二子层不同。

通过阅读以下详细描述，这些以及各个其他特征和优点将是显而易见的。

附图简述

考虑以下结合附图对本公开的各个实施例的详细描述，可更完整地理解本公开，在附图中：

图1A是具有面内磁化取向的示例性磁性叠层的截面示意图；图1B是具有面外磁化取向的示例性垂直各向异性磁性叠层的截面示意图；

图2是包括存储器单元和半导体晶体管的示例性存储器组件的示意图；

图3是磁性单元的实施例的截面示意图；

图4A-4J示出用于形成图3的磁性单元的逐步法；

图5是磁性单元的实施例的截面示意图；

图6是磁性单元的实施例的截面示意图；

图7是磁性单元的实施例的截面示意图；

图8A-8H示出用于形成图7的磁性单元的逐步法；以及

图9是磁性单元的实施例的截面示意图。

这些附图不一定按比例示出。附图中所使用的相同数字表示相同组件。然而，应当理解，在给定附图中使用数字表示组件并不旨在限制在另一附图中用相同数字标记该组件。

详细描述

本公开涉及磁性叠层(例如，自旋扭矩存储器(STRAM)单元，RRAM单元，以及其它阻性感测存储器单元(RSM单元)和读取传感器)。这些结构具有被钉扎铁磁参考层(单层或者SAF三层)，该被钉扎铁磁参考层比铁磁自由层大且延伸超出铁磁自由层。相比于参考层与自由层的大小相同的单元结构，利用这种结构，可减少被钉扎参考层与自由层之间的层间耦合。另外，抑制了铁磁层边缘处的任何电气短路问题。利用这些结构，可以实现高隧道磁阻(TMR)。高TMR改善了包括这些存储器单元的存储器阵列的可读性和可写性。

在一些实施例中，磁性单元包括与自由层隔离但与参考层物理接触的环形反铁磁钉扎层。在其它实施例中，磁性单元包括不对称的SAF三层。