[发明专利]磁元件和编程磁存储器的方法

说明书

技术领域

本发明构思涉及一种用于半导体器件的磁元件和一种编程磁存储器的方法。

背景技术

磁存储器尤其是磁随机存取存储器（MRAM）由于其在操作期间的高读/写速度、极佳的耐久性、非易失性和低功耗方面的潜能，已经吸引了越来越多的关注。MRAM可以利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移矩随机存取存储器（STT-RAM）。STT-RAM利用磁元件,至少部分通过磁元件驱动的电流来对磁元件写入。

例如，图1描绘了一个示例性的磁性隧道结（MTJ）10，该MTJ可用在常规STT-RAM中。常规MTJ10通常形成在底部接触11上，使用常规的（一个或多个）籽层12并且包括诸如常规反铁磁性（AFM）层的钉扎层14，常规被钉扎层（或参考层（reference layer））16、常规隧穿势垒层18、常规自由层20和常规盖层（capping layer）22。也示出了顶部接触24。

常规接触11和24用于在电流垂直于平面（CPP）的方向上、或者沿着如图1所示的z轴驱动电流。常规隧穿势垒层18是非磁性的并且例如是薄的绝缘体，诸如MgO。常规的（一个或多个）籽层12通常用于辅助具有期望晶体结构的后续层的生长，所述后续层例如是AFM层14。常规自由层20直接暴露于顶部接触24可能导致无序界面、死磁性区和增强的衰减。因此，在沉积顶部接触24之前，直接在自由层20上提供常规的盖层22。该常规的盖层用作扩散阻挡物并且改善常规自由层20的表面质量。常规的被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规的被钉扎层16的磁化强度17通常通过与AFM层14的交换-偏置相互作用，而被固定或钉扎在特定方向上。尽管被描绘为简单的（单个）层，但是常规的被钉扎层16可以包括多个层。例如，常规的被钉扎层16可以是合成的铁磁性（SAF）层，其包括通过薄的诸如Ru的导电层反铁磁地或者铁磁地耦合的多个磁性层。在这种SAF中，可以使用与薄的Ru层交替的多个磁性层。

常规自由层20具有可变的磁化强度21。尽管被描绘为简单的层，但是常规的自由层20也可以包括多个层。例如，常规的自由层20可以是合成的层，其包括通过薄的诸如Ru的导电层反铁磁地或者铁磁地耦合的多个磁性层。

自旋转移矩可用于向常规MTJ10写入。具体而言，自旋转移矩将常规自由层20的磁化强度21旋转到沿其易磁化轴的两个方向中的一个。当写入电流垂直于层平面流过常规MTJ10时，电子可由于传输经过常规被钉扎层16或者从常规被钉扎层16反射而被自旋极化。如果足够的电流被驱动经过常规MTJ10，则常规自由层20的磁化强度21上的自旋转移矩可足以转变该常规自由层20。因此，可以将常规自由层20写入到期望的状态。由此常规MTJ10可用于STT-RAM中的数据存储。

发明内容

在示例性实施例中，可以提供在退火后具有与MgO相同的基本晶体取向（001）的二元合金氧化物、三元合金氧化物或者多元合金氧化物，以降低MgO的势垒高度，使其在厚度增加时电阻更小。例如，可以通过向诸如MgO的氧化物提供另外的元素以减小其电阻来形成新氧化物。这些另外的元素可包括例如下述元素中的任意一种或多种：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。所述新氧化物可以用作籽层、盖层、或隔离物/势垒层以增加用于诸如磁存储器件的磁器件的隧道磁阻（TMR）比值并减小其RA（电阻面积）。

因此，可以通过使用添加剂或另外的元素改善MgO层的属性。例如，可以使用添加剂来拉伸或收缩晶体结构以匹配晶格常数。或者，可以使用添加剂来增加由失配引起的对垂直各向异性的应变影响。

这些氧化物材料由于具有较小的带隙或者在一些情况下具有导电性，提供了低的RA值。较小的带隙减小了材料对隧穿的阻力。导电性氧化物材料可用于例如为籽层或盖层提供减小的电阻。并且，尽管对于自旋转移矩MTJ结构中的势垒层通常应当避免导电性，但是导电的隔离物（插入）层对于自旋阀结构是有用的。通过将具有减小的RA值的新氧化物材料用于籽层、盖层和势垒/隔离物层，存储器写入电流和功率可以减小，读取信号和速度可以增加，并且写入和读取错误的概率可以大大降低。

附图说明

图1描绘了常规的磁元件。

图2描绘了示例性的磁元件。

图3和4的曲线图，示出了对于两个转变方向图2所示的磁存储器结构在各种电压下的转变速度。