[发明专利]具有非均一电流路径的自旋力矩驱动的磁性隧道结及用于形成所述磁性隧道结的复合硬掩模架构

说明书

技术领域

所揭示的实施例涉及磁性隧道结(MTJ)存储元件中的复合硬掩模架构及用于创造自旋力矩驱动的MTJ的非均一电流路径的方法。

背景技术

磁阻随机存取存储器(MRAM)为使用磁性元件的非易失性存储器技术。举例来说，自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)使用当电子经过薄膜(自旋过滤器)时变得自旋极化的电子。STT-MRAM还称为自旋转移力矩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)。

图1说明常规STT-MRAM位单元100。STT-MRAM位单元100包括磁性隧道结(MTJ)存储元件105、晶体管101、位线102及字线103。MTJ存储元件(例如)由通过薄的非磁性绝缘层(隧穿势垒)所分开的至少两个铁磁性层(钉扎层及自由层)形成，所述至少两个铁磁性层中的每一者可保持磁场或极化。归因于在施加到铁磁性层的偏置电压下的隧穿效应，来自所述两个铁磁性层的电子可穿透通过所述隧穿势垒。隧穿通过到自由层的自旋极化电子可将其力矩或角动量转移到自由层的磁性元件，从而影响自由层的磁性极化。

可使自由层的磁性极化反向以使得钉扎层与自由层的极性大致上对准(平行)或相反(反平行)。通过MTJ的电路径的电阻将取决于钉扎层及自由层的极化的对准而变化。可使用此电阻变化来编程和读取位单元100。STT-MRAM位单元100还包括源极线104、读出放大器108、读取/写入电路106及位线参考107。

举例来说，可编程位单元100，使得二进制值“1”与自由层的极性与钉扎层的极性平行的操作状态相关联。相应地，二进制值“0”可与两个铁磁性层之间的反平行定向相关联。因此，可通过改变自由层的极化而将二进制值写入到所述位单元。需要由流过隧穿势垒的电子产生的足够电流密度(通常以安培/厘米²进行测量)来改变自由层的极化。切换自由层的极化所需要的电流密度还称为切换电流密度。降低切换电流密度的值导致有益地降低MTJ单元的功率消耗。另外，较低的切换电流密度能够实现STT-MRAM集成电路中的较小装置尺寸及MTJ单元的相应较高密度。

切换电流密度取决于流过隧穿势垒的电子有效地将其自旋力矩转移到自由层的磁性元件的能力。引入由电子流动创造的电流路径中的非均一性可有利地导致自旋力矩的更有效转移，进而导致更有效的切换行为及较低的切换电流密度。然而，常规MTJ架构促进跨越MTJ位单元的均一电流路径。因此，需要可促进跨越MTJ位单元的非均一电流路径的架构。

发明内容

本发明的示范性实施例是针对与磁性隧道结(MTJ)及自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)单元相关的设备以及用于形成所述MTJ及所述STT-MRAM的方法。更明确地说，实施例涉及STT-MRAM单元的磁性隧道结(MTJ)存储元件中的复合硬掩模架构以及用于创造自旋力矩驱动的MTJ的非均一电流路径的方法。

举例来说，示范性实施例包括一种MTJ存储元件，所述MTJ存储元件包含：钉扎层、势垒层及自由层；及顶部电极，所述顶部电极形成于所述自由层的顶部上，其中所述顶部电极经配置以提供通过所述MTJ存储元件的非均一电流路径。在示范性实施例中，调谐层任选地散布于所述自由层与所述顶部电极之间。

另一示范性实施例是针对一种形成MTJ存储元件的方法，所述方法包含：形成MTJ，所述MTJ包含钉扎层、势垒层及自由层；在所述自由层上形成内部顶部电极；使用光刻及蚀刻来图案化所述内部顶部电极；及在所述内部顶部电极上形成外部顶部电极，从而包封所述内部顶部电极；蚀刻所述外部顶部电极；及将所述外部顶部电极及所述内部顶部电极用作掩模来蚀刻所述MTJ。

另一示范性实施例是针对一种磁性隧道结(MTJ)存储元件，其包含：底部导电装置，所述底部导电装置用于电耦合所述MTJ存储元件、用于保持第一极化的第一磁性装置、用以促进隧穿电流的流动的第一绝缘装置及用于保持第二极化的第二磁性装置，其中所述第二极化为可逆的；阻尼装置，其用于降低所述第二磁性装置的阻尼常数且形成于所述第二磁性装置的顶部上；内部顶部导电装置，其用于电耦合所述MTJ存储元件，所述内部顶部导电装置与所述阻尼装置邻近；及外部顶部导电装置，其用于电耦合所述MTJ存储元件，所述外部顶部导电装置定位于所述第一顶部导电装置外部且与所述内部顶部导电装置电并联。