[发明专利]磁性隧道结(MTJ)和方法，以及使用其的磁性随机存取存储器(MRAM)

说明书

本发明涉及磁性隧道结MTJ及其形成方法，以及使用其的磁性随机存取存储器(MRAM)。钉扎层安置于所述MTJ中，使得所述MTJ的自由层可在存取晶体管提供于磁性随机存取存储器MRAM位单元中时耦合到所述存取晶体管的漏极。此结构更改写入电流流动方向以对准所述MTJ的写入电流特性与使用所述MTJ的MRAM位单元的写入电流供应能力。结果，可提供更多写入电流以将所述MTJ从平行P状态切换到反平行AP状态。反铁磁性材料AFM层提供于所述钉扎层上以固定钉扎层磁化。为了提供足够用于沉积所述AFM层以保证钉扎层磁化的区域，提供具有大于所述自由层的自由层表面区域的钉扎层表面区域的钉扎层。

分案申请的相关信息

本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2010年4月14日、申请号为201080016318.9、发明名称为“磁性隧道结(MTJ)和方法，以及使用其的磁性随机存取存储器(MRAM)”的发明专利申请案。

技术领域

本申请案的技术大体上涉及磁性隧道结(MTJ)、相关方法，和MTJ在磁性随机存取存储器(MRAM)中的使用。

背景技术

磁性随机存取存储器(MRAM)为非易失性存储器，其中通过编程磁性隧道结(MTJ)来存储数据。MRAM是有利的，因为即使当切断电力时MTJ也可用以存储信息。数据是作为小磁性元素而非电荷或电流而存储于MTJ中。图1中说明示范性MTJ 10。数据是根据两个层之间的磁性定向而存储于MTJ 10中：自由层12安置于固定或钉扎层14上方。自由层12和钉扎层14是由铁磁性材料形成。MTJ 10是以常规的“底部自旋阀”的配置而加以配置，其中钉扎层14安置于自由层12下方。自由层12与钉扎层14是通过由薄的非磁性电介质层形成的隧道结或势垒16分离。即使当磁性H场归因于MTJ 10的磁滞环路18而为“0”时，自由层12和钉扎层14也可存储信息。如果将偏置电压施加于耦合于MTJ 10的末端上的两个电极20、22之间，则电子可穿隧通过隧道势垒16。穿隧电流取决于自由层12与钉扎层14的相对定向。当使用自旋力矩转移(STT)MTJ时，在自由层和钉扎层的自旋对准在P与AP之间切换时的穿隧电流的差被称为隧道磁阻比(TMR)。

当自由层12的磁性定向与钉扎层14的磁性定向彼此反平行(AP)(在图1中展示为MTJ 10′)时，存在第一存储器状态(例如，逻辑“1”)。当自由层12的磁性定向与钉扎层14的磁性定向彼此平行(P)(在图1中展示为MTJ 10″)时，存在第二存储器状态(例如，逻辑“0”)。通过在电流流动通过MTJ 10时感测电阻，可感测自由层12和钉扎层14的磁性定向以读取存储于MTJ 10中的数据。通过施加磁场以相对于钉扎层14将自由铁磁性层12的定向改变到P或AP磁性定向，还可将数据写入和存储于MTJ 10中。自由层12的磁性定向可改变，但钉扎层14的磁性定向是固定的。

图2说明类似于图1中的MTJ 10的设计的STT MTJ 23(被称为“MTJ 23”)。MTJ23被提供作为MRAM位单元24的部分以存储非易失性数据。MRAM位单元24可以存储器阵列形式而提供且用作需要电子存储器的任何类型的系统(例如(作为实例)计算机处理单元(CPU)或基于处理器的系统)的存储器存储装置。提供金属氧化物半导体(通常为n型MOS，即，NMOS)存取晶体管26以控制对MTJ 23的读取和写入。存取晶体管26的漏极(D)耦合到MTJ 23的底部电极22，底部电极22耦合到钉扎层14。写入线(V_WL)耦合到存取晶体管26的栅极(G)。存取晶体管26的源极(S)耦合到电压源(V_S)。位线(V_BL)耦合到MTJ 23的顶部电极20，顶部电极20耦合到自由层12。