[发明专利]用于MRAM的具有非磁性插入层的进动自旋电流结构

说明书

本发明揭示一种磁阻式随机存取存储器MRAM。MRAM装置具有磁性隧道结堆叠，其在磁性隧道结结构中具有性能经显著改进的自由层。所述MRAM装置利用进动自旋电流PSC磁性结构结合垂直MTJ，其中所述PSC磁性层的面内磁化方向是自由旋转。所述进动自旋电流磁性层具有由非磁性进动自旋电流插入层分离的第一及第二进动自旋电流铁磁性层。

技术领域

本专利文档大体上涉及自旋转移力矩磁性随机存取存储器，且更特定来说，涉及磁性隧道结堆叠，所述磁性隧道结堆叠通过使用进动自旋电流结构而在磁性隧道结结构中具有性能经改进的自由层，所述进动自旋电流结构通过使用铁磁材料及非磁性间隔物层而具有面内各向异性。

背景技术

磁阻式随机存取存储器(“MRAM”)为通过磁性存储元件存储数据的非易失性存储器技术。这些元件为可保持磁化且被非磁性材料(例如非磁性金属或绝缘体)分离的两个铁磁板或电极。一般来说，板中的一者使其磁化钉扎(即，“参考层”)，意指此层具有比另一层高的矫顽性且需要更大磁场或自旋极化电流来改变其磁化的定向。第二板通常被称为自由层且可通过相对于参考层更小的磁场或自旋极化电流改变其磁化方向。参考层与自由层之间的绝缘体使得电子能够从自由层隧穿到参考层。

MRAM装置通过改变自由层的磁化的定向而存储信息。特定来说，基于自由层相对于参考层处于平行还是反平行对准，可在每一MRAM单元中存储“1”或“0”。由于自旋极化电子隧穿效应，单元的电阻由于两个层的磁化的定向而改变。单元的电阻将针对平行及反平行状态而不同且因此单元的电阻可用于在“1”与“0”之间进行区分。MRAM装置的一个重要特征为其为非易失性存储器装置，这是因为甚至在电源关闭时其仍维持信息。两个板的横向大小可为亚微米且磁化方向仍可相对于热波动稳定。

自旋转移力矩或自旋转移开关使用自旋对准(“极化”)电子来改变磁性隧道结中自由层的磁化取向。一般来说，电子拥有自旋，即电子所固有的经量化数目的角动量。电流一般来说为非极化的，即，其由50％向上自旋电子及50％向下自旋电子组成。使电流通过磁性层会将电子极化，其中自旋定向对应于磁性层(即，极化器)的磁化方向，因此产生自旋极化电流。如果自旋极化电流经传递到磁性隧道结装置中的自由层的磁性区域，那么电子将把其自旋-角动量的部分转移到磁化层以在自由层的磁化上产生力矩。因此，此自旋转移力矩可切换自由层的磁化，其实际上基于自由层相对于参考层在平行状态还是反平行状态中而写入“1”或“0”。

图1说明用于常规MRAM装置的磁性隧道结(“MTJ”)堆叠100。如所展示，堆叠100包含一或多个晶种层110，所述一或多个晶种层在堆叠100的底部处提供以在上面所沉积层中起始所要结晶生长。此外，MTJ 130沉积在SAF层120的顶部上。MTJ 130包含参考层132，其为磁性层，非磁性隧穿势垒层(即,绝缘体)134、及自由层136，其也是磁性层。应理解，参考层132实际上为SAF层120的部分，但是当非磁性隧穿势垒层134及自由层136形成在参考层132上时，形成MTJ 130的铁磁板中的一者。如图1中所展示，磁性参考层132具有垂直于其平面的磁化方向。还如在图1中所看到，自由层136也具有垂直于其平面的磁化方向，但其方向可以变化180度。

SAF层120中的第一磁性层114安置在晶种层110上方。SAF层120还具有安置在第一磁性层114上方的反铁磁性耦合层116。此外，非磁性间隔物140安置在MTJ 130的顶部上且极化器150安置在非磁性间隔物140的顶部上。极化器150为磁性层，其在其平面中具有磁性方向，但是垂直于参考层132及自由层136的磁性方向。提供极化器150以使施加到MTJ结构100的电子(“自旋对准电子”)电流极化化。此外，可在极化器150的顶部上提供一或多个覆盖层160，以保护MTJ堆叠100下面的层。最后，硬掩模170沉积在覆盖层160上，并经提供以使用反应离子蚀刻(RIE)工艺来图案化MTJ结构100的下层。