Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства с малым энергопотреблением
Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в снижении величины спин-поляризованного записывающего тока при магнитосопротивлении 100% или больше. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства содержит магнитный туннельный переход, содержащий верхний электрод; первый ферромагнитный слой, имеющий первое направление намагниченности; второй ферромагнитный слой, имеющий второе направление намагниченности, которое может регулироваться относительно первого направления намагниченности; туннельный барьерный слой между первым и вторым ферромагнитными слоями; и внешний слой, причем второй ферромагнитный слой находится между внешним слоем и туннельным барьерным слоем; причем магнитный туннельный переход дополнительно содержит магнитный или металлический слой, на который осажден второй ферромагнитный слой; и причем второй ферромагнитный слой имеет толщину между 0,5 нм и 2 нм, и выполнен с возможностью обеспечения магнитного туннельного перехода с магнитосопротивлением, которое больше чем 100%, посредством того, что он был подвергнут отжигу при температуре, составляющей от 280°C до 360°C, в течение периода времени отжига, составляющего от 30 мин до 2 ч 30 мин, в приложенном магнитном поле, составляющем от 0,5 Тесла до 2 Тесла. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается ячейки магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), подходящей для выполнения термической операции записи или операции записи на основе переноса спинового момента (STT) и которая может записываться небольшим током поля или спин-поляризованным записывающим током, в то же время ячейка имеет высокое магнитосопротивление.
Описание предшествующего уровня техники
Ячейки магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), основанные на магнитном туннельном переходе (МТП), стали объектом возобновленного интереса с открытием магнитных туннельных переходов, имеющих сильное магнитосопротивление при окружающей температуре. Действительно, эти MRAM ячейки имеют много преимуществ, таких как скорость (операция записи и чтения может иметь продолжительность несколько наносекунд), отсутствие энергозависимости и нечувствительность к ионизирующим излучениям. Поэтому они все больше замещают память, использующую более обычную технологию, например, основанную на зарядовом состоянии конденсатора, такую как DRAM, SRAM и FLASH.
В их простейшем исполнении MRAM ячейки могут быть образованы из магнитного туннельного перехода, содержащего два ферромагнитных слоя, разделенных тонким изолирующим слоем. Один из двух ферромагнитных слоев обычно представляет собой, так называемый, опорный слой и отличается тем, что имеет фиксированную намагниченность. Другой ферромагнитный слой обычно представляет собой, так называемый, запоминающий слой и отличается направлением намагниченности, которое может изменяться во время операции записи MRAM ячейки.
Во время операции записи MRAM ячейки направление намагниченности запоминающего слоя может быть ориентировано так, чтобы становиться параллельным или антипараллельным относительно направления намагниченности опорного слоя так, чтобы менять сопротивление туннельного перехода MRAM ячейки. Когда направление намагниченности запоминающего слоя ориентировано параллельно направлению намагниченности опорного слоя, сопротивление туннельного перехода является маленьким, тогда как сопротивление туннельного перехода является большим в случае, когда направление намагниченности запоминающего слоя ориентировано антипараллельно направлению намагниченности опорного слоя.
Патент США 5640343 описывает такую MRAM ячейку, где магнитный туннельный переход электрически соединяется на одном конце с первой линией тока, а вторая линия тока расположена ортогонально к первой линии тока. Операция записи MRAM ячейки содержит пропускание тока первого поля в первой линии тока с генерацией первого магнитного поля и пропускание тока второго поля во второй линии тока с генерацией второго магнитного поля. Первое и второе магнитные поля таковы, чтобы переключать направление намагниченности запоминающего слоя. В матрице, содержащей множество MRAM ячеек, только ячейка, расположенная на пересечении первой и второй линий тока, записывается первым и вторым объединенными магнитными полями. Другие способы операции записи MRAM ячейки включают в себя, так называемое, переключение магнитного поля, переключение Стонера-Вольфарта, тумблерное переключение и прецессионное переключение.
Опорный и запоминающий слои обычно выполняют из 3d-металлов, таких как Fe, Co или Ni, или их сплавов. Бор может добавляться в композицию слоя, чтобы получить аморфную морфологию и плоскую границу раздела. Изолирующий слой обычно состоит из оксида алюминия (Al2O3) или оксида магния (MgO). Опорный слой может быть образован из синтетического антиферромагнитного слоя, такого как описан в US5583725.
Магнитный туннельный переход обычно имеет анизотропную форму с высоким отношением сторон, обычно 1,5 или больше, чтобы достичь бистабильного функционирования MRAM ячейки, хорошей избирательности записи между выбранной MRAM ячейкой и полувыбранными ячейками, находящимися на той же строке и/или столбце, и хорошую термическую и/или временную устойчивость информации, записанной в MRAM ячейке.
Патент США 6950335 описывает MRAM ячейку на основе термического переключения (TAS), такую как ячейка, представленная на фиг.1, и операцию записи MRAM ячейки на основе TAS. TAS-MRAM ячейка 1 содержит магнитный туннельный переход 2, образованный, сверху вниз, из второго ферромагнитного или запоминающего слоя 23, туннельного барьерного слоя 22 и первого ферромагнитного слоя, опорного слоя 21. Антиферромагнитный запоминающий слой 24 расположен сверху запоминающего слоя 23 и обменно подмагничивает его намагниченность при низкотемпературном пороге и освобождает ее при высокотемпературном пороге. Магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит антиферромагнитный опорный слой 25, расположенный под опорным слоем 21 и обменно подмагничивающий его намагниченность. TAS-MRAM ячейка 1 также содержит линию 4 тока, подсоединенную к магнитному туннельному переходу 2 на стороне опорного слоя 21, и внешний слой, содержащий один или несколько слоев диэлектрика, такого как оксид кремния или диэлектрические материалы с низким k, возможно содержащий другие проводящие слои или другие полупроводниковые элементы, такие как транзисторы. На фиг.1 внешний слой представлен КМОП-транзистором 3 выбора, соединенным с магнитным туннельным переходом 2 на стороне запоминающего слоя 23.
Также в US6950335 описывается TAS операция записи на основе переноса спинового момента (STT), содержащая пропускание спин-поляризованного записывающего тока 31 через магнитный туннельный переход 2, когда транзистор выбора находится в режиме насыщения. Спин-поляризованный записывающий ток 31 вызывает локальный перенос спинового момента на запоминающий слой 23, переключая его намагниченность. TAS-STT операция записи может дополнительно содержать этап нагрева магнитного туннельного перехода 2 одновременно (или после короткой временной задержки) с переключением направления намагниченности запоминающего слоя 23. Нагрев магнитного туннельного перехода 2 может выполняться путем пропускания спин-поляризованного записывающего тока 31 с величиной, которая достаточно высока для нагрева магнитного туннельного перехода 2 до высокотемпературного порога.
Размер TAS-MRAM ячейки 1, записанной операцией записи TAS-STT, может быть снижен по сравнению с обычными MRAM ячейками, так как не требуется силовая линия. Другие преимущества TAS-MRAM ячейки 1 включают в себя быструю операцию записи и низкое потребление электроэнергии из-за меньшей величины спин-поляризованного записывающего тока, требуемого для переключения намагниченности запоминающего слоя, по сравнению с обычными MRAM ячейками. TAS-MRAM ячейка 1 в комбинации с TAS-STT операцией записи считается, таким образом, наиболее обещающим направлением для устройств на основе MRAM высокой плотности.
Спин-поляризованный записывающий ток обратно пропорционален площади магнитного туннельного перехода или объему запоминающего слоя. Величина спин-поляризованного записывающего тока, требуемого для переключения направления намагниченности запоминающего слоя, может быть, таким образом, снижена путем уменьшения размера запоминающего слоя. Однако снижение толщины (и, таким образом, объема) запоминающего слоя приводит к снижению магнитосопротивления магнитного туннельного перехода.
В обычных MRAM ячейках, таких как ячейка, показанная на фиг.1, магнитный туннельный переход содержит запоминающий слой, расположенный между туннельным барьерным слоем и верхним электродом. Во время изготовления магнитного туннельного перехода запоминающий слой затем выращивают на туннельном барьерном слое. На фиг.2 магнитосопротивление (TMR) магнитного туннельного перехода MRAM ячейки нанесено на график относительно толщины запоминающего слоя. Магнитосопротивление измеряли для запоминающего слоя, выполненного из сплава Co70Fe30 (закрашенные звездочки) и сплава Co60Fe20B20 (не закрашенные звездочки). Как можно видеть на фиг.2, магнитосопротивление имеет величину около 150% для запоминающего слоя, имеющего толщину около от 2 до 3,5 нм, и быстро уменьшается, когда толщина запоминающего слоя снижается ниже 2 нм. Магнитосопротивление падает до 0% для запоминающего слоя толщиной около 1,5 нм для запоминающего слоя, сделанного из сплава Co70Fe30, и 1,2 нм для запоминающего слоя, сделанного из сплава Co60Fe20B20. Уменьшение толщины запоминающего слоя для снижения величины спин-поляризованного записывающего тока происходит с уменьшением магнитосопротивления и, таким образом, поля считываемости MRAM ячейки.
Сущность изобретения
Настоящее описание, следовательно, нацелено на преодоление этих недостатков.
Настоящее описание касается ячейки магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), подходящей для выполнения термической операции записи или операции записи на основе переноса спинового момента, которая может содержать магнитный туннельный переход, содержащий верхний электрод; первый ферромагнитный слой, имеющий первое направление намагниченности; второй ферромагнитный слой, имеющий второе направление намагниченности, которое может регулироваться относительно первого направления намагниченности; туннельный барьерный слой между первым ферромагнитным слоем и вторым ферромагнитным слоем; и внешний слой, причем второй ферромагнитный слой находится между внешним слоем и туннельным барьерным слоем; магнитный или металлический слой, на который осажден второй ферромагнитный слой; причем второй ферромагнитный слой имеет толщину, содержащуюся между около 0,5 нм и около 2 нм, и магнитный туннельный переход имеет магнитосопротивление больше чем около 100%.
В еще одном варианте осуществления второе направление намагниченности второго ферромагнитного слоя может регулироваться обратимым образом путем пропускания спин-поляризованного тока в магнитном туннельном переходе.
В еще одном варианте осуществления второй ферромагнитный магнитный слой может быть сделан из сплава, содержащего один компонент из Fe, Ni, Co, Cr, V, Si и В, или комбинации любых из них.
В еще одном варианте осуществления магнитный туннельный переход может дополнительно содержать подслой в контакте со вторым ферромагнитным слоем.
В еще одном варианте осуществления подслой может быть сделан из металлического поликристаллического сплава, содержащего один компонент из Ta, Ti, Cu, Ru, NiFe, TiW, NiFeCr, CoSi, или содержащего один компонент из TaN, TiN, CuN, TiWN, CoSiN.
В еще одном варианте осуществления данный подслой может иметь толщину в интервале между около 1 нм и около 100 нм.
В еще одном варианте осуществления данный магнитный или металлический слой содержит антиферромагнитный запоминающий слой.
В еще одном варианте осуществления упомянутый магнитный или металлический слой содержит нижний электрод.
Настоящее описание также касается способа формирования MRAM ячейки, содержащего:
осаждение второго ферромагнитного слоя на магнитном или металлическом слое;
осаждение туннельного барьерного слоя на втором ферромагнитном слое; и
осаждение первого ферромагнитного слоя на туннельном барьерном слое; где
второй ферромагнитный слой может быть осажден толщиной, содержащейся между около 0,5 нм и около 2 нм.
В одном варианте осуществления магнитный туннельный переход может дополнительно содержать нижний электрод, и данный способ может дополнительно включать в себя осаждение нижнего электрода и осаждение второго ферромагнитного слоя на нижнем электроде.
В другом варианте осуществления магнитный туннельный переход может дополнительно содержать антиферромагнитный запоминающий слой, и данный способ может дополнительно содержать осаждение антиферромагнитного запоминающего слоя между нижним электродом и вторым ферромагнитным слоем.
В еще одном варианте осуществления данный способ может дополнительно содержать осаждение подслоя, сделанного из металлического поликристаллического сплава, причем упомянутое осаждение второго ферромагнитного слоя содержит осаждение второго ферромагнитного слоя на данный подслой.
В еще одном варианте осуществления данный подслой может быть осажден толщиной, содержащейся между около 1 нм и около 100 нм.
В еще одном варианте осуществления второй ферромагнитный слой может быть осажден так, что кристаллографическая структура подслоя соответствует структуре второго ферромагнитного слоя.
В еще одном варианте осуществления упомянутый второй ферромагнитный слой может быть осажден с шероховатостью со среднеквадратичным отклонением меньше чем около 0,2 нм и размером зерен меньше чем около 15 нм.
MRAM ячейка, описанная здесь, позволяет снижать величину спин-поляризованного записывающего тока, требуемого для переключения направления намагниченности запоминающего слоя, по меньшей мере, вдвое по сравнению с током, требуемым в обычных MRAM ячейках, в то же время при магнитосопротивлении около 100% или больше.
Способ формирования MRAM ячейки, описанный здесь, позволяет лучший контроль морфологии и кристаллографической структуры осажденного запоминающего слоя. Например, мелкозернистая структура запоминающего слоя может быть получена так, что магнитное поле, требуемое для переключения намагниченности запоминающего слоя, может быть снижено относительно запоминающего слоя обычного магнитного туннельного перехода. Другие преимущества описанной MRAM ячейки и способа могут быть найдены в подробном описании ниже.
Краткое описание чертежей
Данное изобретение будет более понятно с помощью описания варианта осуществления, данного в качестве примера и проиллюстрированного чертежами, где:
Фиг.1 представляет собой схематичное изображение обычной ячейки магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), содержащей магнитный туннельный переход с запоминающим слоем;
Фиг.2 показывает магнитосопротивление, измеренное в обычной MRAM ячейке, нанесенное на график относительно толщины запоминающего слоя;
Фиг.3 представляет MRAM ячейку, содержащую магнитный туннельный переход со вторым ферромагнитным слоем согласно одному варианту осуществления;
Фиг.4 изображает магнитосопротивление, измеренное в MRAM ячейке на фиг.3, относительно толщины второго ферромагнитного слоя; и
Фиг.5 изображает величину переключения MRAM ячейки на фиг.3 относительно величины плотности спин-поляризованного записывающего тока, проходящего в магнитном туннельном переходе.
Подробное описание возможных вариантов осуществления данного изобретения
Фиг.3 представляет ячейку 10 магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM). MRAM ячейка 10 содержит, сверху вниз, первый ферромагнитный слой 21, имеющий первое направление намагниченности, туннельный барьерный слой 22 и второй ферромагнитный слой 23, имеющий второе направление намагниченности, которое может регулироваться относительно первого направления намагниченности. Верхний электрод или линия 4 тока электрически соединяется с магнитным туннельным переходом 2 на стороне первого ферромагнитного слоя 21. Внешний слой, представленный КМОП-транзистором 3 выбора на фиг.3, электрически соединяется с магнитным туннельным переходом 2, возможно через нижний электрод 5, на стороне второго ферромагнитного слоя 23. Внешний слой может содержать один или несколько слоев диэлектрика, такого как оксид кремния или диэлектрические материалы с низким k, расположенных, например, поверх монокристаллического кремния. Внешний слой может включать в себя другие проводящие слои или другие полупроводниковые элементы, такие как транзистор 3 выбора или любые другие переключающие устройства.
В конфигурации магнитного туннельного перехода 2 на фиг.3 положение второго ферромагнитного слоя 23 и первого ферромагнитного слоя 21 относительно туннельного барьерного слоя 22, линии 4 тока и нижнего электрода 5, обратное по сравнению с конфигурацией обычной TAS-MRAM ячейки 1 на фиг.1. В частности, второй ферромагнитный слой 23 расположен между внешним слоем 3 и туннельным барьерным слоем 22.
Согласно одному варианту осуществления второй ферромагнитный слой 23 выполняют из ферромагнитного материала, содержащего сплав на основе одного из Fe, Ni, Co, Cr, V или комбинации любых из них. Данный сплав может дополнительно содержать Si и/или бор (В). Предпочтительно, второй ферромагнитный слой 23 выполнен из сплава CoFeBxSiy, где х составляет от 0% до 25% атомной массы, а y составляет от 0% до 10% атомной массы. Первый ферромагнитный слой 21 делают из сплава на основе Fe, Со или Ni, где сплав Со и/или Fe может дополнительно содержать В. Туннельный барьерный слой 22 может быть изолирующим слоем, например, выполненным из оксида, выбранного из группы, включающей, среди прочего, оксиды алюминия Al2O3 и оксиды магния MgO. Альтернативно, туннельный барьерный слой 22 может иметь полупроводящую природу (например, на основе кремния или германия, или GaAs) или может быть гетерогенным слоем металл/оксид, как слои, имеющие ограниченный путь тока, разработанные для магниторезистивных считывающих головок для жестких дисков. Они, например, образованы из сплавов Al1-xCux, где х составляет от 0,5 до 10% атомной массы, которые окисляют, образуя слой оксида алюминия, пронизанный отверстиями из металлической меди.
Согласно одному варианту осуществления второй ферромагнитный слой, или запоминающий слой 23, имеет направление намагниченности, регулируемое обратимым образом. Операция записи, основанная на схеме переноса спинового момента (STT), содержит этап пропускания спин-поляризованного записывающего тока 31 в линии 4 тока в магнитный туннельный переход 2, когда транзистор 3 выбора установлен в режиме насыщения. Спин-поляризованный записывающий ток 31 пропускают с первой силой, подходящей для обратимого регулирования намагниченности запоминающего слоя 23 соответственно локальному спиновому моменту, вызванному спин-поляризованным записывающим током 31. Намагниченность запоминающего слоя 23 регулируется относительно фиксированной первой намагниченности первого ферромагнитного слоя или опорного слоя 21.
В одном варианте, операция записи дополнительно содержит этап нагрева магнитного туннельного перехода 2. Это может быть выполнено путем пропускания спин-поляризованного записывающего тока 31 со второй силой, более высокой, чем первая сила, так что магнитный туннельный переход 2 нагревается до высокотемпературного порога, при котором намагниченность запоминающего слоя 23 может свободно регулироваться. Величина спин-поляризованного записывающего тока 31 затем снижается до первой силы тока, так что намагниченность запоминающего слоя 23 остается выровненной с помощью спин-поляризованного записывающего тока 31, и температура магнитного туннельного перехода 2 достигает низкотемпературного порога, где намагниченность запоминающего слоя фиксируется в записанном состоянии. Спин-поляризованный записывающий ток 31 может затем выключаться путем установки транзистора 3 выбора в режим запирания.
В другом варианте осуществления, операция записи основана на внешнем магнитном поле и содержит пропускание тока поля (не показано) в линии 4 тока с такой силой и полярностью, чтобы генерировать магнитное поле, способное ориентировать направление намагниченности запоминающего слоя 23. Это выполняется при транзисторе 3 выбора, находящемся в режиме запирания, так что ток поля не проходит сквозь магнитный туннельный переход 2. Операция записи, основанная на магнитном поле, может также содержать этап нагрева магнитного туннельного перехода 2. Например, нагревающий ток (не показано) может проходить сквозь магнитные туннельные переходы 2 с помощью первой разрядной линии 4, когда транзистор 3 выбора находится в режиме насыщения. Намагниченность запоминающего слоя 23 ориентируется во внешнем магнитном поле, когда магнитный туннельный переход достигает заданной высокой пороговой температуры. Такая операция записи с термическим переключением описана более подробно в патенте США № 6950335.
Согласно одному варианту осуществления магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит антиферромагнитный запоминающий слой 24, который находится между нижним электродом 5 и запоминающим слоем 23. Антиферромагнитный запоминающий слой 24 находится в обменном взаимодействии с запоминающим слоем 23 так, чтобы обменно подмагничивать или фиксировать направление его намагниченности при низкотемпературном пороге. При высокотемпературном пороге намагниченность запоминающего слоя 23 больше обменно не подмагничивается антиферромагнитным запоминающим слоем 24 и может свободно регулироваться спин-поляризованным записывающим током 31. Антиферромагнитный запоминающий слой может быть сделан из сплава на основе марганца, такого как IrMn или FeMn, или любых других подходящих материалов. Высокотемпературный порог обычно находится при температуре около 120°С или выше. Магнитный туннельный переход 2 может дополнительно содержать антиферромагнитный опорный слой 25, предпочтительно расположенный между опорным слоем 21 и линией 4 тока, обменно подмагничивающий намагниченность опорного слоя 21 при высокотемпературном пороге. Антиферромагнитный опорный слой 25 предпочтительно образован из сплава на основе марганца (Mn), например, содержащего один из PtMn, NiMn, IrMn и FeMn.
Согласно другому, не представленному варианту осуществления, опорный слой 21 содержит трехслойный синтетический антиферромагнитный обменно подмагниченный слой, обычно содержащий первый ферромагнитный опорный слой и второй ферромагнитный опорный слой, оба из которых образованы из сплава на основе Fe, Co или Ni, антиферромагнитно соединенных путем вставки между ними неферромагнитного опорного слоя, сделанного, например, из рутения. Альтернативно, запоминающий слой 23 также может быть образован из синтетического ферримагнитного свободного слоя и трехслойной синтетической антиферромагнитной структуры.
В еще одном варианте осуществления, MRAM ячейка 10 используется как самоопорная ячейка, такая как ячейка, описанная в рассматриваемой европейской заявке № 10168729 от настоящего заявителя. В этой конфигурации первый ферромагнитный слой 21 используется в качестве запоминающего слоя, так что во время операции записи направление его намагниченности может переключаться от исходного стабильного направления к переключенному стабильному направлению, например, с помощью внешнего магнитного поля. Второй ферромагнитный слой 23 используется как чувствительный слой, так что во время операции чтения направление его намагниченности может свободно ориентироваться, например, с помощью внешнего магнитного поля.
В случае, когда MRAM ячейка 10 используется как самоопорная ячейка, тонкий второй ферромагнитный слой 23, используемый в качестве чувствительного слоя, требует меньшее переключающее поле для ориентации его намагниченности, и магнитное поле, вызванное ориентированной намагниченностью второго ферромагнитного слоя 23, менее вероятно влияет на намагниченность первого ферромагнитного слоя 21 (используемого здесь как запоминающий слой) по сравнению с обычной самоопорной MRAM ячейкой.
Согласно одному варианту осуществления способ формирования магнитного туннельного перехода 2 MRAM ячейки 1 включает в себя осаждение антиферромагнитного запоминающего слоя 24 и осаждение второго ферромагнитного слоя 23 на антиферромагнитном запоминающем слое 24. Данный способ дополнительно включает в себя осаждение туннельного барьерного слоя 22 на втором ферромагнитном слое 23 и осаждение первого ферромагнитного слоя 21 на туннельном барьерном слое 22. Кроме того, данный способ включает в себя осаждение антиферромагнитного опорного слоя 25 на первом ферромагнитном слое 21 и верхнего электродного слоя 4 поверх антиферромагнитного опорного слоя 25.
В одном варианте осуществления данный способ дополнительно включает в себя осаждение нижнего электрода 5 и осаждение второго ферромагнитного слоя 23 на нижнем электроде 5. Это может быть выполнено, например, в случае, когда магнитный туннельный переход 2 не содержит антиферромагнитного слоя 24, или антиферромагнитный слой 24 находится в магнитном туннельном переходе в другом положении, чем ниже второго ферромагнитного слоя 23.
Альтернативно, второй ферромагнитный слой 23 может быть осажден на любой другой магнитный или металлический слой (не показано) при условии, что второй ферромагнитный слой 23 находится между данным магнитным или металлическим слоем и туннельным барьерным слоем 22. Действительно, чтобы сохранить магнитные свойства магнитного туннельного перехода, такие как большое туннельное магнитосопротивление, магнитный или металлический слой не должен располагаться между вторым ферромагнитным слоем 23 и туннельным барьерным слоем 22. В одном варианте осуществления, осаждение второго ферромагнитного слоя 23 содержит осаждение ферромагнитного слоя, содержащего атомы Со, атомы Fe и, возможно, атомы В, при использовании метода осаждения распылением. Метод осаждения не ограничивается распылением и может также быть любым термовакуумным осаждением из паровой фазы (PVD), таким как МВЕ (молекулярно-пучковая эпитаксия), PLD (импульсное лазерное осаждение) или подобное. Так как второй ферромагнитный слой 23 находится между внешним слоем 3 и туннельным барьерным слоем 22, второй ферромагнитный слой 23 может быть осажден на магнитном или металлическом слое, таком как антиферромагнитный слой 24 и нижний электрод 5. Осажденный второй ферромагнитный слой 23 может тогда иметь меньшую толщину по сравнению со случаем, когда он осажден на туннельном барьерном слое 22, как в обычных магнитных туннельных переходах.
Согласно одному варианту осуществления второй ферромагнитный слой 23 осаждают толщиной в интервале от около 0,5 нм до около 2 нм или от около 1 до около 10 атомных монослоев.
Согласно другому варианту осуществления способ формирования MRAM ячейки дополнительно включает в себя осаждение подслоя 6. Подслой 6 может быть сделан из металлического поликристаллического сплава, содержащего одно из Ta, Ti, Cu, Ru, NiFe, TiW, NiFeCr и CoSi. Альтернативно, подслой 6 может быть образован из нитрида, такого как один из TaN, TiN, CuN, TiWN, CoSiN. Подслой 6, образованный из нитрида, может достигать аморфной или полуаморфной морфологии. Подслой 6 может быть осажден толщиной, предпочтительно, в интервале от около 1 нм до около 100 нм. Второй ферромагнитный слой 23 затем осаждают на подслой 6.
Лучший контроль роста второго ферромагнитного слоя 23 может быть достигнут, когда последний осаждают на подслой 6. Более конкретно, второй ферромагнитный слой 23, имеющий шероховатость со среднеквадратичным отклонением меньше чем около 0,2 нм и размер зерен меньше чем около 15 нм, может быть осажден на подслой 6, имеющий кристаллографическую структуру, которая соответствует структуре второго ферромагнитного слоя 23. Данный способ осаждения позволяет контроль распределения размера зерен во втором ферромагнитном слое 23. Мелкозернистая структура второго ферромагнитного слоя 23 позволяет снижать магнитное поле, используемое для переключения намагниченности второго ферромагнитного слоя 23, по сравнению с запоминающим слоем обычного магнитного туннельного перехода.
На фиг.4 магнитосопротивление (TMR), измеренное для магнитного туннельного перехода 2, нанесено на график относительно толщины осажденного второго ферромагнитного слоя 23. Измеренные величины магнитосопротивления представлены для второго ферромагнитного слоя 23, сделанного из сплава Co70Fe30, прошедшего отжиг при 300°С (не закрашенные звездочки) и при 340°С (закрашенные звездочки). Величины магнитосопротивления для второго ферромагнитного слоя 23, выполненного из сплава Co60Fe20B20, также представлены после отжига при 300°С (закрашенные круги) и при 340°С (незакрашенные круги). Отжиг выполняли в течение 1 ч 30 в приложенном магнитном поле около 1 тесла во всех случаях. Величину магнитосопротивления, составляющую от около 100% до 120%, измеряли для второго ферромагнитного слоя 23, имеющего толщину, варьирующуюся от около 1,2 до 2,4 нм. Более конкретно, график на фиг.3 показывает, что величины магнитосопротивления около 100% могут быть получены для второго ферромагнитного слоя 23 толщиной около 1,2 нм.
Дополнительные, не представленные измерения показали, что величина магнитосопротивления больше чем около 100% может быть получена для второго ферромагнитного слоя 23, выполненного из сплава Co70Fe30 или сплава Co60Fe20B20 и имеющего толщину от около 0,5 нм до около 2 нм, где второй ферромагнитный слой 23 отжигали при температуре, составляющей от около 280°С до около 360°С, в течение периода времени отжига, составляющего от около 30 мин до 2 ч 30 мин, в приложенном магнитном поле, составляющем от около 0,5 тесла до около 2 тесла. На фиг.5 величина переключения MRAM ячейки нанесена на график как функция величины плотности 31 спин-поляризованного записывающего тока для магнитного туннельного перехода 1, содержащего второй ферромагнитный или запоминающий слой 23 толщиной около 3 нм (не закрашенные круги) и запоминающий слой 23 толщиной около 1,2 нм (закрашенные треугольники). На данном чертеже плотность 31 спин-поляризованного записывающего тока проходит в магнитном туннельном переходе 2 в виде импульса тока продолжительностью около 10 нс. Фиг.5 показывает, что намагниченность запоминающего слоя 23, имеющего толщину 1,2 нм, может полностью переключаться (величина переключения 100%) путем пропускания спин-поляризованного записывающего тока 31 с первой силой около 2×106 А/см2 в магнитном туннельном переходе 2. В случае запоминающего слоя 23, имеющего толщину 3 нм, первая сила спин-поляризованного записывающего тока 31 должна быть выше 6×106 А/см2, чтобы осуществить полное переключение (100%).
Магнитный туннельный переход 2, описанный здесь, позволяет, таким образом, достигать величин магнитосопротивления, составляющих от около 100% до 120%, когда второй ферромагнитный слой 23 имеет толщину, которая составляет от около 1 нм до 2,4 нм. Более конкретно, величина магнитосопротивления около 100% и выше может быть достигнута, когда второй ферромагнитный слой 23 имеет толщину, которая составляет от около 0,5 нм до 2 нм.
Намагниченность второго ферромагнитного слоя 23 может переключаться путем пропускания спин-поляризованного записывающего тока 31 с первой силой выше около 6×106 А/см2 для второго ферромагнитного слоя 23, имеющего толщину около 3 нм, с величиной выше около 2×106 А/см2, когда второй ферромагнитный слой 23 имеет толщину около 1,2 нм. Следовательно, величина спин-поляризованного записывающего тока 31, необходимого для переключения направления намагниченности второго ферромагнитного слоя 23, может быть меньше на коэффициент, по меньшей мере, два по сравнению с величиной, требуемой в обычных MRAM ячейках, где второй ферромагнитный слой 23 имеет толщину обычно выше 3 нм. Кроме того, в случае, когда TAS-MRAM ячейку 1 записывают, используя TAS операцию записи, высокое магнитосопротивление может объединяться с низкой переключающей намагниченностью второго ферромагнитного слоя 23. Низкая переключающая намагниченность позволяет дополнительно минимизировать величину спин-поляризованного записывающего тока 31, необходимого для переключения направления намагниченности второго ферромагнитного слоя 23.
Аналогично, когда записывают внешним магнитным полем, MRAM ячейка 10, описанная здесь, имеет меньшее потребление электроэнергии по сравнению с обычными MRAM ячейками. Действительно, тонкий второй ферромагнитный слой 23 позволяет использовать меньшее внешнее магнитное поле и, таким образом, меньший ток поля, чем ток, используемый в обычных MRAM ячейках. Для второго ферромагнитного слоя 23, имеющего толщину обычно выше чем 2 нм, внешнее магнитное поле более вероятно генерирует вихревые состояния во второй намагниченности. Вторая намагниченность, таким образом, становится более пространственно неоднородной, требуя более высокий ток поля для переключения.
Магнитное устройство памяти (не представленное) может быть образовано из матрицы, содержащей множество MRAM ячеек 1, содержащих магнитный туннельный переход 2, описанный здесь.
ЧИСЛЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СИМВОЛЫ
1 ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM)
2 магнитный туннельный переход
21 первый ферромагнитный слой, опорный слой
22 туннельный барьерный слой
23 второй ферромагнитный слой, запоминающий слой
24 антиферромагнитный запоминающий слой
25 антиферромагнитный опорный слой
3 транзистор выбора, внешний слой
31 спин-поляризованный записывающий ток
4 верхний электрод, линия тока
5 нижний электрод
6 подслой
1. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), подходящая для выполнения термической операции записи или операции записи на основе переноса спинового момента (STT), содержащая магнитный туннельный переход, содержащий верхний электрод; первый ферромагнитный слой, имеющий первое направление намагниченности; второй ферромагнитный слой, имеющий второе направление намагниченности, которое может регулироваться относительно первого направления намагниченности; туннельный барьерный слой между первым ферромагнитным слоем и вторым ферромагнитным слоем; и внешний слой, причем второй ферромагнитный слой находится между внешним слоем и туннельным барьерным слоем;
причем магнитный туннельный переход дополнительно содержит магнитный или металлический слой, на который осажден второй ферромагнитный слой; и
причем второй ферромагнитный слой имеет толщину между 0,5 нм и 2 нм, и при этом второй ферромагнитный слой выполнен с возможностью обеспечения магнитного туннельного перехода с магнитосопротивлением, которое больше чем 100%, посредством того, что он был подвергнут отжигу при температуре, составляющей от 280°C до 360°C, в течение периода времени отжига, составляющего от 30 мин до 2 ч 30 мин, в приложенном магнитном поле, составляющем от 0,5 тесла до 2 тесла.
2. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM) по п. 1, в которой второе направление намагниченности второго ферромагнитного слоя может регулироваться обратимым образом путем пропускания спин-поляризованного тока в магнитном туннельном переходе.
3. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM) по п. 1, в которой второй ферромагнитный магнитный слой выполнен из сплава, содержащего одно из Fe, Ni, Co, Cr, V, Si и B, или комбинацию любого одного из них.
4. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM) по п. 1, в которой упомянутый магнитный или металлический слой содержит подслой в контакте со вторым ферромагнитным слоем.
5. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM) по п. 4, в которой подслой выполнен из металлического поликристаллического сплава, содержащего одно из Ta, Ti, Cu, Ru, NiFe, TiW, NiFeCr, CoSi, или содержащего одно из TaN, TiN, CuN, TiWN, CoSiN.
6. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM) по п. 4, в которой подслой имеет толщину в интервале между 1 нм и 100 нм.
7. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM) по п. 1, в которой упомянутый магнитный или металлический слой содержит антиферромагнитный запоминающий слой.
8. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM) по п. 1, в которой упомянутый магнитный или металлический слой содержит нижний электрод.
9. Магнитное запоминающее устройство, содержащее множество ячеек магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), причем каждая ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM) содержит магнитный туннельный переход, содержащий верхний электрод; туннельный барьерный слой, содержащийся между первым ферромагнитным слоем, имеющим первое направление намагниченности, и вторым ферромагнитным слоем, имеющим второе направление намагниченности, регулируемое относительно первого направления намагниченности; внешний слой; и магнитный или металлический слой, на который осажден второй ферромагнитный слой; причем второй ферромагнитный слой содержится между внешним слоем и туннельным барьерным слоем и имеет толщину между 0,5 нм и 2 нм, при этом второй ферромагнитный слой выполнен с возможностью обеспечения магнитного туннельного перехода с магнитосопротивлением, которое больше чем 100%, посредством того, что он был подвергнут отжигу при температуре, составляющей от 280°C до 360°C, в течение периода времени отжига, составляющего от 30 мин до 2 ч 30 мин, в приложенном магнитном поле, составляющем от 0,5 тесла до 2 тесла.
10. Способ формирования ячейки магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), содержащей магнитный туннельный переход, содержащий верхний электрод; туннельный барьерный слой, содержащийся между первым ферромагнитным слоем, имеющим первое направление намагниченности, и вторым ферромагнитным слоем, имеющим второе направление намагниченности, регулируемое относительно первого направления намагниченности; внешний слой; и магнитный или металлический слой, на который осажден второй ферромагнитный слой; причем второй ферромагнитный слой содержится между внешним слоем и туннельным барьерным слоем и имеет толщину между 0,5 нм и 2 нм, так что магнитный туннельный переход имеет магнитосопротивление больше чем 100%; причем способ содержит этапы, на которых:
осаждают второй ферромагнитный слой на магнитном или металлическом слое;
осаждают туннельный барьерный слой на втором ферромагнитном слое; и
осаждают первый ферромагнитный слой на туннельном барьерном слое;
подвергают отжигу второй ферромагнитный слой при температуре, составляющей от 280°C до 360°C, в течение периода времени отжига, составляющего от 30 мин до 2 ч 30 мин, в приложенном магнитном поле, составляющем от 0,5 тесла до 2 тесла;
причем второй ферромагнитный слой осаждают толщиной между 0,5 нм и 2 нм.
11. Способ по п. 10, в котором магнитный туннельный переход дополнительно содержит нижний электрод, и причем упомянутый способ дополнительно содержит этапы, на которых: осаждают нижний электрод и осаждают второй ферромагнитный слой на нижнем электроде.
12. Способ по п. 11, в котором магнитный туннельный переход дополнительно содержит антиферромагнитный запоминающий слой, и причем упомянутый способ дополнительно содержит этап, на котором осаждают антиферромагнитный запоминающий слой между нижним электродом и вторым ферромагнитным слоем.
13. Способ по п. 10, дополнительно содержащий: осаждение подслоя, выполненного из металлического поликристаллического сплава, при этом упомянутое осаждение второго ферромагнитного слоя содержит осаждение второго ферромагнитного слоя на данный подслой.
14. Способ по п. 13, в котором подслой осаждают толщиной между 1 нм и 100 нм.
15. Способ по п. 13, в котором второй ферромагнитный слой осаждают так, что кристаллографическая структура подслоя соответствует структуре второго ферромагнитного слоя.
16. Способ по п. 13, в котором упомянутый второй ферромагнитный слой осаждают с шероховатостью со среднеквадратичным отклонением меньше чем 0,2 нм и размером зерен меньше чем 15 нм.
