[发明专利]包括高介电常数帽盖层的磁阻存储器设备及其制造方法

说明书

本发明公开了磁电或磁阻存储器单元，这些磁电或磁阻存储器单元包括位于自由层和介电帽盖层之间的高介电常数介电帽盖层和/或非磁性金属粉尘层中的至少一者。

相关申请

本申请要求2019年11月22日提交的美国非临时专利申请序列号16/692,903、16/692,965和16/693,006的优先权权益，并且这些申请的全部内容均以引用方式并入本文。

技术领域

本公开整体涉及磁性存储设备的领域，并且具体地涉及包括高介电常数介电帽盖层和/或非磁性金属粉尘层的磁阻存储器设备。

背景技术

自旋转移矩(“STT”)是指磁性隧道结或自旋阀中的磁层取向由自旋极化电流修改的效应。一般地，电流是非极化的，其中电子具有随机自旋取向。自旋极化电流是电子由于优先自旋取向分布而具有非零净自旋的电流。自旋极化电流可通过使电流通过磁性极化层来生成。当自旋极化电流流过磁性隧道结或自旋阀的自由层时，自旋极化电流中的电子可将其角动量中的至少一些转移到自由层，从而对自由层的磁化产生扭矩。当足够量的自旋极化电流通过自由层时，可采用自旋转移矩以翻转自由层中的自旋取向(例如，改变磁化)。可采用自由层的不同磁化状态之间的磁性隧道结的电阻差以将数据存储在磁阻随机存取存储器(MRAM)单元内，取决于自由层的磁化是平行于还是反平行于偏振层(其也被称为参考层)的磁化。

发明内容

在第一实施方案中，提供了包括电压控制的磁各向异性(VCMA)的磁电存储器单元的VCMA磁电存储器设备，其中该VCMA磁电存储器单元包括：第一电极；与第一电极间隔开的第二电极；位于第一电极和第二电极之间的磁性隧道结，该磁性隧道结包括具有固定磁化方向的参考层、自由层和位于参考层和自由层之间的非磁性隧道阻挡层；和电压控制的磁各向异性(VCMA)介电帽盖层，该VCMA介电帽盖层具有大于10的介电常数并且位于自由层和第二电极之间。

在第一实施方案的一个方面，对VCMA磁电存储器设备进行编程的方法包括在第一电极和第二电极之间施加第一极性的第一编程电压，以将自由层的第一磁化状态切换为自由层的第二磁化状态，在第一磁化状态下，自由层和参考层具有平行的磁化方向，在第二磁化状态下，自由层和参考层具有反平行的磁化方向。

在第二实施方案中，存储器设备包括：第一电极；第二电极；位于第一电极和第二电极之间的磁性隧道结，该磁性隧道结包括参考层、自由层和位于参考层和自由层之间的非磁性隧道阻挡层；位于第二电极和自由层之间的介电帽盖层；和接触介电帽盖层和自由层的非磁性金属粉尘层。

在第四实施方案中，磁阻存储器设备包括：第一电极；第二电极；位于第一电极和第二电极之间的磁性隧道结，该磁性隧道结包括参考层、自由层和位于参考层和自由层之间的非磁性隧道阻挡层；和位于第二电极和自由层之间的氧化铪层。

在第四实施方案的一个方面，操作磁阻存储器的MRAM单元的方法包括：通过相对于第一电极向第二电极施加正编程电压来将MRAM单元编程为第一编程状态，使得自由层的磁化方向平行于参考层的磁化方向；通过相对于第一电极向第二电极施加负编程电压来将MRAM单元编程为第二编程状态，使得自由层的磁化方向反平行于参考层的磁化方向。

附图说明

图1是根据本公开的实施方案的包括磁阻或磁电存储器单元阵列的存储器设备的示意图。

图2示出了根据本公开的第一实施方案的包括电压控制的磁各向异性介电帽盖层的第一示例性电压控制的磁各向异性(VCMA)存储器设备。

图3A示出了根据本公开的第一实施方案的用于将自由层的磁化状态从平行状态切换为反平行状态的第一示例性编程脉冲模式。

图3B示出了根据本公开的第一实施方案的用于将自由层的磁化状态从反平行状态切换为平行状态的第二示例性编程脉冲模式。