[发明专利]用于具有体积单轴磁结晶各向异性的磁性层的自旋转移力矩切换的装置和方法

说明书

公开了一种装置。该装置包括：具有体积单轴磁结晶各向异性的第一磁性层，其中第一磁性层的磁矩垂直于第一磁性层；和邻近第一磁性层的隧道势垒，其中第一磁性层的磁矩的取向通过由在第一磁性层和隧道势垒之间流动并且流过第一磁性层和隧道势垒的电流引起的自旋转移力矩来反转。

本申请要求2018年9月28日提交的美国专利申请号16/146,728的优先权，其公开内容通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本发明涉及磁性随机存取存储器(MRAM)领域，并且更特别地，涉及依赖于自旋转移力矩的MRAM装置。

背景技术

磁性隧道结(MTJ)形成新的非易失性磁性随机存取存储器(MRAM)的基础存储器单元，其具有高性能和耐久性的前景，并且还具有缩放到极小尺寸的潜力。磁性隧道结(MTJ)由被超薄绝缘层分隔的两个磁性电极的夹心结构组成。这些层中的一个形成存储器或存储层，其他层形成其磁性结构在MRAM运行期间不改变的参考层。在参考电极和存储器磁性电极之间隧穿的电流是自旋极化的：自旋极化的大小由磁性电极的电子性质和隧道势垒的“自旋过滤”性质的组合决定。

在当前的MRAM中，无论形成存储器层的电极的磁化与参考电极的磁化平行还是反平行地取向，都通过使电流流过MTJ来改变MTJ的磁性状态。电流(其是固有地自旋极化的)传递自旋角动量，一旦超过阈值电流，所述自旋角动量就导致磁性存储器电极磁矩的方向的切换。该自旋角动量的转移施加自旋转移力矩(STT)，并且通过此方法切换的磁性存储器电极称为STT-MRAM。当电极的磁化垂直于所述层取向时，切换电流的大小减小。此电流的大小受用于提供写入电流的晶体管的尺寸限制。这意味着可切换磁性电极(存储器电极)的厚度必须足够小，以使得其可以通过可用电流来切换。因此，对于约1000emu/cm³的磁化值，电极必须具有不超过大约1nm的厚度。

当今开发用于密集MRAM用MTJ的最有前景的材料包括由Co、Fe和B的合金形成的铁磁性电极，和由MgO形成的隧道势垒(例如，美国专利号8,008,097)。铁磁性电极制作得足够薄，以使得这些电极的磁化垂直于这些层取向。Co-Fe-B层的垂直磁各向异性(PMA)由在这些层与隧道势垒和/或Co-Fe-B层沉积于其上的底层之间的界面引起。因此，这些层必须制作得足够薄，以使得界面PMA克服由磁体积引起的并且随着Co-Fe-B层的磁体积成比例增大的去磁能。实际上，这意味着当将装置尺寸减小到低于约20nm尺寸时PMA太弱而无法克服热波动，因为磁性层的厚度不得不低于保持其垂直磁矩所需的厚度并且低于以合理的电流密度切换磁性层所需的厚度。迄今为止，在MRAM装置中的其磁矩可以通过STT切换的磁性材料具有界面各向异性、形状各向异性，或没有各向异性。这样的材料不允许将MRAM装置缩放到低于约20nm的尺寸。所需要的是用于铁磁性电极的新材料，其表现出比Co-Fe-B所表现出的PMA大得多的PMA，并且优选地，PMA起因于电极的体积或体相。一类有前景的具有这种性质的磁性材料是霍斯勒(Heusler)化合物。Heusler合金是具有化学式X₂YZ或X’X”YZ的化合物，其中X和X’和X”和Y是过渡金属或镧系元素(稀土金属)，并且Z选自主族金属。Heusler化合物具有Cu₂MnAl型的结构(在皮尔逊表(Pearson Table)中限定)，其中这些元素设置在4个相互贯穿的面心立方(fcc)晶格上。在该家族中已知多种化合物(约800)(T.Graf等，Progress in Sol.State Chem.39,1(2011))。这些化合物中的一些由于在X和/或Y位点上的磁矩而是铁磁性或亚铁磁性的。此外，尽管母体Heusler化合物是立方的并且表现出弱的磁各向异性或没有表现出明显的磁各向异性，但是发现这些化合物中有一些的结构是四方畸变的：由于此畸变，这些化合物表现出的磁化可以优选地沿四方轴对齐。因此，由这样的材料形成的薄膜可以由于与其四方畸变结构相关的磁晶各向异性而表现出PMA。这样的四方Heusler化合物的一些已知实例是Mn₃Z，其中Z＝Ga、Ge、Sn和Sb，或Mn₂CoSn。迄今为止，在使用导电性底层的Si/SiO₂基底上由Heusler合金形成的磁性电极的厚度远超过1nm的厚度。迄今为止最薄的层是关于Heusler化合物Mn₃Ge的，其薄至5nm的层显示出垂直磁各向异性以及合理的方形磁滞回线。在化学模板层(CTL)上生长的表现出大PMA的这些材料的超薄膜(约1nm厚)需要使用单晶基底如MgO(100)或使用在Si/SiO₂基底上的MgO晶种层。这样的单晶基底或使用MgO作为晶种层的一部分对于STT-MRAM应用是没用的，在所述STT-MRAM应用中，MTJ必须沉积在以当今基于CMOS的技术由多晶铜形成的导线上，所述多晶铜可以用其他层覆盖，其他层也是多晶或非晶的。为了能够使用超薄四方Heusler化合物作为用于MRAM的通过STT可切换的磁性电极，需要用于在非晶或多晶基底上形成这些化合物的方法。