磁元件和编程磁存储器的方法技术

在一个实施例中，一种用于半导体器件的磁元件包括参考层、自由层、以及设置在参考层和自由层之间的非磁性隔离物层。非磁性隔离物层包括二元、三元或多元合金氧化物材料。二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素的MgO，所述另外的元素选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】在一个实施例中，一种用于半导体器件的磁元件包括参考层、自由层、以及设置在参考层和自由层之间的非磁性隔离物层。非磁性隔离物层包括二元、三元或多元合金氧化物材料。二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素的MgO，所述另外的元素选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。【专利说明】
本专利技术构思涉及一种用于半导体器件的磁元件和一种编程磁存储器的方法。
技术介绍
磁存储器尤其是磁随机存取存储器(MRAM)由于其在操作期间的高读/写速度、极佳的耐久性、非易失性和低功耗方面的潜能，已经吸引了越来越多的关注。MRAM可以利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移矩随机存取存储器(STT-RAM)0 STT-RAM利用磁元件，至少部分通过磁元件驱动的电流来对磁元件写入。例如，图1描绘了一个示例性的磁性隧道结(MTJ) 10，该MTJ可用在常规STT-RAM中。常规MTJlO通常形成在底部接触11上，使用常规的(一个或多个)籽层12并且包括诸如常规反铁磁性(AFM)层的钉扎层14，常规被钉扎层(或参考层(reference layer))16、常规隧穿势鱼层18、常规自由层20和常规盖层(capping layer)22。也示出了顶部接触24。常规接触11和24用于在电流垂直于平面(CPP)的方向上、或者沿着如图1所示的z轴驱动电流。常规隧穿势垒层18是非磁性的并且例如是薄的绝缘体，诸如MgO。常规的(一个或多个)籽层12通常用于辅助具有期望晶体结构的后续层的生长，所述后续层例如是AFM层14。常规自由层20直接暴露于顶部接触24可能导致无序界面、死磁性区和增强的衰减。因此，在沉积顶部接触24之前，直接在自由层20上提供常规的盖层22。该常规的盖层用作扩散阻挡物并且改善常规自由层20的表面质量。常规的被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规的被钉扎层16的磁化强度17通常通过与AFM层14的交换-偏置相互作用，而被固定或钉扎在特定方向上。尽管被描绘为简单的(单个)层，但是常规的被钉扎层16可以包括多个层。例如，常规的被钉扎层16可以是合成的铁磁性(SAF)层，其包括通过薄的诸如Ru的导电层反铁磁地或者铁磁地耦合的多个磁性层。在这种SAF中，可以使用与薄的Ru层交替的多个磁性层。常规自由层20具有可变的磁化强度21。尽管被描绘为简单的层，但是常规的自由层20也可以包括多个层。例如，常规的自由层20可以是合成的层，其包括通过薄的诸如Ru的导电层反铁磁地或者铁磁地耦合的多个磁性层。自旋转移矩可用于向常规MTJlO写入。具体而言，自旋转移矩将常规自由层20的磁化强度21旋转到沿其易磁化轴的两个方向中的一个。当写入电流垂直于层平面流过常规MTJlO时，电子可由于传输经过常规被钉扎层16或者从常规被钉扎层16反射而被自旋极化。如果足够的电流被驱动经过常规MTJ10，则常规自由层20的磁化强度21上的自旋转移矩可足以转变该常规自由层20。因此，可以将常规自由层20写入到期望的状态。由此常规MTJlO可用于STT-RAM中的数据存储。
技术实现思路
在示例性实施例中，可以提供在退火后具有与MgO相同的基本晶体取向(001)的二元合金氧化物、三元合金氧化物或者多元合金氧化物，以降低MgO的势垒高度，使其在厚度增加时电阻更小。例如，可以通过向诸如MgO的氧化物提供另外的元素以减小其电阻来形成新氧化物。这些另外的元素可包括例如下述元素中的任意一种或多种:Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、N1、Nb、Cr、Mo和Rh。所述新氧化物可以用作籽层、盖层、或隔离物/势垒层以增加用于诸如磁存储器件的磁器件的隧道磁阻(TMR)比值并减小其RA(电阻面积)。因此，可以通过使用添加剂或另外的元素改善MgO层的属性。例如，可以使用添加剂来拉伸或收缩晶体结构以匹配晶格常数。或者，可以使用添加剂来增加由失配引起的对垂直各向异性的应变影响。这些氧化物材料由于具有较小的带隙或者在一些情况下具有导电性，提供了低的RA值。较小的带隙减小了材料对隧穿的阻力。导电性氧化物材料可用于例如为籽层或盖层提供减小的电阻。并且，尽管对于自旋转移矩MTJ结构中的势垒层通常应当避免导电性，但是导电的隔离物(插入)层对于自旋阀结构是有用的。通过将具有减小的RA值的新氧化物材料用于籽层、盖层和势垒/隔离物层，存储器写入电流和功率可以减小，读取信号和速度可以增加，并且写入和读取错误的概率可以大大降低。【专利附图】【附图说明】图1描绘了常规的磁元件。图2描绘了示例性的磁元件。图3和4的曲线图，示出了对于两个转变方向图2所示的磁存储器结构在各种电压下的转变速度。图5的图表，示出了在图2所示的结构中对于两个转变方向(P —AP，AP —P)MTJ存储器位的数目与写入电流的关系。图6提供了一组图表，示出了在其中根据本专利技术构思的原理来配置两个势垒层之一的DMTJ结构的以及DMTJ结构的益处。图7示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件构造成具有由根据本专利技术构思的原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的势垒层。图8示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件既具有面内参考层也具有垂直参考层，并且还具有面内磁化自由层，以及具有由根据本专利技术构思的原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的势垒层。图9示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件类似于图8但是还包括由根据本专利技术构思的额外原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的盖层。图10示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件既具有垂直参考层也具有面内参考层，具有垂直磁化自由层，并且还具有由根据本专利技术构思的另一实施例的新氧化物材料中的一种或多种形成的势垒层。图11示意性地表示磁存储器元件的另一实施例，该磁存储器元件既具有垂直参考层也具有面内参考层，具有垂直磁化自由层，并且还具有由根据本专利技术构思的额外原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的势垒层。图12示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件具有由根据本专利技术构思的又一原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的籽层。图13示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件具有由根据本专利技术构思的额外原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的盖层。图14示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件具有由根据本专利技术构思的另外原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的盖层和籽层。图15示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件具有基本垂直磁化的自由层和参考层，并且还具有由根据本专利技术构思的原理的新氧化物材料中的一种或多种形成的势垒层。图16示意性地表示一种磁存储器元件，该磁存储器元件具有基本垂直磁化的参考层和自由层，并且图16还示出了根据本专利技术构思的另外原理将新氧化物材料中的一种或多种用作盖层、势垒层和/或籽层。图17描绘了利用根据本公开的一些实施例的磁性元件的磁存储器的示例性实施例。图18是包括根据本公开的原理构造的MTJ元件的磁器件的示意性横截面图。图19是在其中使用根据本专利技术构思的一些实施例的磁元件器件的电子系统的示意图。【具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于半导体器件的磁元件，包括：第一参考层；自由层；以及设置在所述第一参考层和所述自由层之间的第一非磁性隔离物层；其中所述第一非磁性隔离物层包括二元、三元或多元合金氧化物材料，其中所述二元、三元或多元合金氧化物材料包括具有一种或多种另外的元素的MgO，所述另外的元素选自由下述元素组成的组：Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo和Rh。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈友君，唐学体，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：