磁性隧道结装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及磁性隧道结装置。本发明专利技术揭示一种制造及使用磁性隧道结装置的系统及方法。在一特定实施例中，磁性隧道结装置包括第一自由层(112)及第二自由层(116)。所述磁性隧道结还包括自旋力矩增强层。所述磁性隧道结装置进一步包括在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层(114)，所述间隔物层包括材料并具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度。所述第一自由层与所述第二自由层静磁地耦合。

【技术实现步骤摘要】
分案申请的相关信息本案是分案申请。本案的母案是申请日为2010年12月8日、申请号为201080055669.0、专利技术名称为“磁性隧道结装置”的专利技术专利申请案。
本专利技术大体上涉及磁性隧道结装置。
技术介绍
磁性随机存取存储器(MRAM)为使用磁化来表示所存储的数据的非易失性存储器技术。MRAM大体包括呈阵列的多个磁性单元。每一单元通常表示一个数据位。单元包括磁性元件，例如磁性隧道结(MTJ)。MTJ的铁磁板通常包括由薄隧道势垒层隔开的自由层及被钉扎层(pinnedlayer)。板与磁化方向(或磁矩的定向)相关联。在自由层中，磁化方向能够自由旋转。反铁磁层可用以在特定方向上固定被钉扎层的磁化。通过改变MTJ的铁磁板中的一者的磁化方向而将位写入到MTJ。MTJ的电阻视自由层及被钉扎层的磁矩的定向而定。通过将切换电流施加到MTJ元件，MTJ元件的磁极化可从逻辑“1”状态改变为逻辑“0”状态或从逻辑“0”状态改变为逻辑“1”状态。
技术实现思路
本文中的实施例描述用于形成磁性隧道结(MTJ)装置的方法及装置。根据说明性实施例，MTJ装置是通过在隧道势垒层上沉积磁性可穿透材料的第一自由层、在所述第一自由层上沉积间隔物层、在所述间隔物层上沉积第二自由层及在所述第二自由层上方沉积自旋力矩增强层(spintorqueenhancementlayer)而形成。选择具有一种或一种以上材料及实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度的间隔物层。然而，所述第一自由层与所述第二自由层经强静磁耦合。因而，不管装置是切换到逻辑“1”状态还是切换到逻辑“0”状态，所述第一自由层与所述第二自由层的磁极化为反平行的。在特定实施例中，揭示一种具有具第一厚度的第一自由层、第二自由层及自旋力矩增强层的MTJ装置。所述装置还包括在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层。所述间隔物层具有材料及实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度。所述第一自由层静磁地耦合到所述第二自由层。在另一特定实施例中，所述间隔物层可具有材料的组合，所述材料的组合具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的总厚度。所述组合材料可包括两种不同非磁性材料或两种以上不同非磁性材料。在另一特定实施例中，所述间隔物层可具有多个层，且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的总厚度。所述间隔物层可包括由不同材料制成的两个非磁性层或由不同材料制成的两个以上非磁性层。在另一特定实施例中，揭示一种制造MTJ装置的方法。所述方法包括在MTJ结构的隧道势垒层上沉积第一自由层。所述第一自由层包括磁性可穿透材料且具有第一厚度。所述方法还包括在所述第一自由层上沉积间隔物层。所述间隔物层包括实质上非磁性可穿透绝缘体材料，并具有实质上抑制交换耦合的厚度。所述方法进一步包括在所述间隔物层上沉积第二自由层。所述第二自由层包括磁性可穿透材料。所述方法进一步包括在所述第二自由层上方沉积自旋力矩增强层。在另一特定实施例中，一种计算机可读有形媒体存储可由计算机执行以促进MTJ装置的制造的指令。所存储的指令可由计算机执行以控制第一自由层在MTJ结构的隧道势垒层上的沉积，所述第一自由层包括磁性可穿透材料并具有第一厚度。所存储的指令可由计算机执行以控制间隔物层在所述第一自由层上的沉积。所述间隔物层包括具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度的实质上非磁性可穿透绝缘体材料。所存储的指令可由计算机执行以控制第二自由层在所述间隔物层上的沉积。所述第二自由层包括磁性可穿透材料。所存储的指令可由计算机执行以控制自旋力矩增强层在所述第二自由层上方的沉积。在另一特定实施例中，揭示一种设计MTJ装置的方法。所述方法包括接收表示半导体装置的至少一个物理性质的设计信息。所述半导体装置包括具有第一厚度的第一自由层、具有第二厚度的第二自由层、自旋力矩增强层及在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层。所述间隔物层包括一种或一种以上材料，且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度。所述间隔物层还可包括由不同材料制成的两个或两个以上非磁性层，且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的总厚度。所述第一自由层静磁地耦合到所述第二自由层。所述方法进一步包括变换设计信息以使其符合文件格式及产生包括经变换的设计信息的数据文件。在另一特定实施例中，揭示一种定位经封装MTJ装置的方法。所述方法包括接收包括经封装半导体装置在电路板上的物理定位信息的设计信息。所述经封装半导体装置包括半导体结构，所述半导体结构包括具有第一厚度的第一自由层、具有第二厚度的第二自由层、自旋力矩增强层及在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层。所述第一自由层静磁地耦合到所述第二自由层。所述方法进一步包括变换设计信息以产生数据文件。在另一特定实施例中，揭示一种制造包括经封装MTJ装置的电路板的方法。所述方法包括接收具有包括经封装半导体装置在电路板上的物理定位信息的设计信息的数据文件。所述方法进一步包括根据设计信息制造所述经配置以接纳经封装半导体装置的电路板。所述经封装半导体装置包含具有第一厚度的第一自由层、具有第二厚度的第二自由层、自旋力矩增强层及在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层。所述第一自由层静磁地耦合到所述第二自由层。由所揭示实施例提供的一个特定优点为用以改变MTJ装置的状态的较低切换电流。在审阅整个申请案之后，本专利技术的其它方面、优点及特征将变得显而易见，整个申请案包括以下部分：附图说明、具体实施方式及权利要求书。附图说明图1为在第一状态及第二状态中的磁性隧道结(MTJ)装置的实施例的横截面图；图2为MTJ装置的实施例的双自由层结构的第一实施例的横截面图；图3展示代表性MTJ装置的一部分的第二实施例及第三实施例的横截面图；图4为展示MTJ装置的实施例的切换电流对层厚度的曲线图；图5为形成MTJ装置的方法的实施例的流程图；图6为形成MTJ装置的方法的另一实施例的流程图；且图7为包括MTJ装置的实施例的半导体装置的设计及制造过程的实施例的流程图。具体实施方式图1为在第一状态120(逻辑“1”)及第二状态130(逻辑“0”)中的MTJ装置的实施例的横截面图。图1的实施例包括衬底101上方的多个层。衬底101可为半导体衬底，包括(例如)硅、锗或复合半导体材料。衬底上方的第一层102为可形成电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性隧道结装置，其包含：半导体装置，其包含：第一自由层；第二自由层；自旋力矩增强层；及在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层，所述间隔物层包含材料且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度，其中所述间隔物层包括至少两个层，且其中所述第一自由层静磁地耦合到所述第二自由层，其中所述间隔物层的所述厚度为至少8埃。

【技术特征摘要】
2009.12.08 US 12/633,2641.一种磁性隧道结装置，其包含：
半导体装置，其包含：
第一自由层；
第二自由层；
自旋力矩增强层；及
在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层，所述间隔物层包含材料
且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度，其
中所述间隔物层包括至少两个层，且其中所述第一自由层静磁地耦合到所述第二
自由层，其中所述间隔物层的所述厚度为至少8埃。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第一自由层包含CoFeB。
3.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第二自由层包含NiFe。
4.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其进一步包含合成反铁磁SAF层。
5.根据权利要求4所述的磁性隧道结装置，其进一步包含反铁磁AFM钉扎层以钉扎
所述SAF层中的磁场的方向。
6.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述间隔物层的所述厚度为至少10
埃。
7.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述间隔物层的材料包含Ta及MgO
中的一者。
8.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第二自由层的厚度大于所述第一
自由层的厚度。
9.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述磁性隧道结装置是在存储器单元

\t中，且其中经由所述磁性隧道结装置的写入电流改变存储在所述存储器单元中的数
据值。
10.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第一自由层中的磁致伸缩由所述
第二自由层减少。
11.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第一自由层中的第一磁矩与所述
第二自由层中的第二磁矩反平行。
12.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其进一步包含覆盖层，所述覆盖层邻近于
所述自旋力矩增强层，并且形成自旋势垒但并非钉扎层。
13.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其进一步包含在所述自旋力矩增强层与所
述第二自由层之间的自旋累积层。
14.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第一自由层的厚度在15埃与20
埃之间。
15.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第二自由层的厚度在10埃与60
埃之间。
16.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第二自由层的厚度在15埃与40
埃之间。
17.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其集成在至少一个半导体裸片中。
18.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其进一步包含选自由所述半导体装置所集
成到其中的以下各项所组成的群组的装置：机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱
乐单元、导航装置、通信装置、个人数字助理PDA、固定位置数据单元及计算机。
19.一种用于形成磁性隧道结装置的设备，其包含：
第一自由层；
第二自由层；及
用于提供在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层的装置，其中所述
间隔物层实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合，其中所述
间隔物层包括至少两个层，且其中所述第一自由层静磁耦合到所述第二自由层，其
中所述第一自由层的磁矩相对于固定层的对准是由经由所述第一自由层及所述第
二自由层的写入电流控制，其中所述间隔物层的所述厚度为至少8埃。
20.一种制造磁性隧道结装置的方法，所述方法包含：
在磁性隧道结结构的隧道势垒层上沉积第一自由层，所述第一自由层包含磁性可
穿透材料且具有第一厚度；
在所述第一自由层上沉积间隔物层，所述间隔物层包含实质上非磁性可穿透绝缘
体材料且具有实质上抑制所述第一自由层与第二自由层之间的交换耦合的第二厚
度，其中所述间隔物层包括至少两个层，且其中所述间隔物层的所述厚度为至少8
埃；
在所述间隔物层上沉积第二自由层，所述第二自由层包含磁性可穿透材料且具有
第三厚度；及
在所述第二自由层上方沉积自旋力矩增强层，所述自旋力矩增强层具有第四厚
度。
21.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含在衬底与所述第一自由层之间沉积合
成反铁磁SAF层。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包含在所述衬底与所述SAF层之间沉积反
铁磁AFM钉扎层。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓春，升·H·康，李霞，李康浩，
申请(专利权)人：高通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US