[发明专利]磁性结及其提供方法以及磁存储器

说明书

技术领域

本发明的实施方式涉及磁性结及其提供方法以及包括该磁性结的磁存储器。

背景技术

磁存储器，特别地磁随机存取存储器（MRAM），由于它们的高读/写速度的潜力、优良的耐久性、非挥发性和操作期间的低功耗而引起越来越多的兴趣。MRAM能够利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种MRAM是自旋转移矩随机存取存储器（STT-MRAM）。STT-MRAM利用磁性结，该磁性结至少部分通过驱动经过磁性结的电流而被写入。驱动经过磁性结的自旋极化电流对磁性结中的磁矩施加自旋扭矩。结果，具有响应自旋扭矩的磁矩的层可以被切换到期望的状态。

例如，图1示出了常规磁隧穿结（MTJ）10，它可以用于常规STT-MRAM中。常规MTJ10一般位于底接触11上并使用常规籽层12。常规MTJ10包括常规自由层14、常规隧穿势垒层16、常规极化增加层（PEL）18、常规参考层22和常规盖层26。还示出了顶接触28。常规PEL18、常规Ta间隔层20和常规参考层22可以被认为形成常规参考叠层（reference stack）。

常规接触11和28用于在电流垂直于平面（CPP）的方向上或沿如图1所示的z轴驱动电流。常规籽层12一般用于帮助具有期望晶体结构的随后层的生长。常规隧穿势垒层18是非磁性的并例如为薄的绝缘体诸如MgO。

常规自由层14和常规参考层22的磁矩基本上垂直于平面（即，在z方向上）。参考层22是包括通过非磁性层24分离的两个磁性层23和25的合成反铁磁体（SAF），该非磁性层24居间传递（mediate）RKKY相互作用。非磁性层24一般是Ru。层23和25通过Ru层24反铁磁耦合，这降低了在自由层14处的外磁场。层23和25以及自由层14的垂直磁各向异性H_k分别超过层23、25和14的平面外退磁能。因而，它们的磁矩是垂直的，如图1所示。一般地，磁性层23和25实际上是包括两个Co层和Pt或Pd层的多层。例如，磁性层23和25可以包括CoPd多层（交插有Pd层的Co层）、CoPt多层（交插有Pt层的Co层）或二者。此外，可以包括其它组分诸如额外的Co和/或Fe层。这些磁性多层具有垂直各向异性，该垂直各向异性足以使参考层22在磁性结10的使用期间保持稳定。相反，常规自由层14的磁矩是可变的。这由图1中的双头箭头15表示。

常规PEL层18增强在垂直（例如z）方向上流过的电流的自旋极化。常规PEL一般由磁性材料组成。例如，一般使用CoFeB层、Fe层或邻接Fe层的CoFeB层。常规PEL层18与参考层22磁耦合从而确保常规PEL18的磁稳定性。

对于常规磁性结10，期望高的信号。因而，期望隧穿磁阻（TMR）是大的。大的TMR通常与高质量的常规隧穿势垒16有关。常规隧穿势垒16一般是具有（100）取向的晶体MgO。此外，期望MgO层和邻接的铁磁层14和18之间相对小的晶格失配以保持层14和18的垂直各向异性。例如，CoFeB或Fe一般用于层14和18。

常规Ta间隔层20用于确保常规参考层23和常规PEL18具有独立的结晶取向。常规Ta间隔层20还减小了层18和23之间的钉扎场。此外，常规Ta间隔层可以防止诸如Ru和Pd的材料从参考层22扩散到磁性结10的其它层。更具体地，Ta间隔层20防止Ru和Pd从层24扩散到隧穿势垒层16。Ru和/或Pd扩散到隧穿势垒层不利地影响常规磁性结10的TMR。认为Ru的扩散使MgO层16退化并导致MgO层16具有与期望的（100）结构不同的结晶取向。因而，常规Ta间隔层20具有至少足以防止诸如Ru和Pd的材料从参考层22扩散到PEL层18和MgO隧穿势垒层16的厚度。认为常规Ta间隔层20为至少四埃厚从而用作扩散阻挡物。在所示的常规磁性结10中，常规Ta间隔层20还允许PEL18和磁性层23之间的磁耦合诸如RKKY耦合。

为了切换常规自由层14的磁化15，电流被垂直于平面（在z方向上）驱动。当足够的电流从顶接触28驱动到底接触11时，常规自由层14的磁化15可以切换为平行于常规PEL18的磁化18。当足够的电流从底接触11驱动到顶接触28时，自由层14的磁化15可以切换为反平行于PEL层18的磁化。磁配置的差异对应于不同的磁阻，因此对应于常规MTJ10的不同逻辑状态（例如，逻辑“0”和逻辑“1”）。因而，通过读取常规MTJ10的隧穿磁阻（TMR），能够确定常规MTJ的状态。