[发明专利]具有垂直各向异性和增强层的磁性隧穿结单元

说明书

技术领域

本发明涉及磁性自旋扭矩存储单元，尤其涉及具有垂直各向异性和增强层的磁性隧穿结单元。

背景技术

新型存储器已展现出与常用形式的存储器相匹敌的显著可能性。例如，非易失性自旋转移(spin-transfer)扭矩随机存取存储器(在这里被称为ST-RAM)已被讨论作为“通用”存储器。磁性隧穿结(MTJ)单元由于其高速、相对高的密度和低功耗而在ST-RAM的应用中引起了很多注意。

多数活动已侧重于具有面内磁各向异性的磁性隧穿结单元。然而，对得到足够的温度稳定性需要多低的切换电流存在限制，这进一步限制了CMOS晶体管尺寸，其最终限制存储器阵列密度。另外，存在非常低的单元形状公差和边缘粗糙度，这些因素可能对照相平版印刷技术形成挑战。设计成提高磁性隧穿结单元结构和材料的技术、设计和修正仍是重要的领先领域以使ST-RAM的优势最大化。

发明内容

本公开涉及磁性自旋扭矩存储单元，经常被称为磁性隧穿结单元，其具有与晶片平面垂直对准的(或“面外的”)关联铁磁体层的磁各向异性(即磁化方向)。

本发明的一个特定实施例是磁性隧穿结单元，包括铁磁自由层；具有至少约厚度的增强层；氧化物阻挡层；以及铁磁基准层，其中所述增强层和所述氧化物阻挡层位于所述铁磁基准层和铁磁自由层之间，且所述氧化物阻挡层相邻于所述铁磁基准层，且其中所述铁磁自由层、所述铁磁基准层和所述增强层均具有平面外(out-of-plane)的磁化方向。

本发明的另一个具体实施例是一个设备，其包括：包括铁磁自由层的磁性隧穿结单元；具有至少约厚度的增强层；氧化物阻挡层；以及铁磁基准层，其中所述增强层和所述氧化物阻挡层位于所述铁磁基准层和铁磁自由层之间，且所述氧化物阻挡层相邻于所述铁磁基准层，且其中所述铁磁自由层、所述铁磁基准层和所述增强层均具有平面外(out-of-plane)的磁化方向；以及晶体管，其中所述晶体管电连接至所述磁性隧穿结单元。本发明的还有另一个具体实施例是存储器阵列，其包括多个并联导电的位线；与所述位线基本正交的多个并联导电的字线；以及多个磁性隧穿结单元，每一个磁性隧穿结单元包括铁磁自由层；具有至少约厚度的增强层；氧化物阻挡层；以及铁磁基准层，其中所述增强层和所述氧化物阻挡层位于所述铁磁基准层和铁磁自由层之间，且所述氧化物阻挡层相邻于所述铁磁基准层，且其中所述铁磁自由层、所述铁磁基准层和所述增强层均具有平面外(out-of-plane)的磁化方向，其中所述多个磁性隧穿结单元被设置在所述位线和字线的交叉点。

通过阅读下面的详细描述，这些以及各种其它的特征和优点将会显而易见。

附图说明

考虑以下联系附图对本公开的各种实施例的详细描述，能更完整地理解本公开，在附图中：

图1A是说明性MTJ单元的示意图；图1B是包括可选钉扎层的说明性MTJ单元的示意图；图1C是包括可选增强层和第一和第二电极的说明性MTJ单元的示意图；图1D是处于低阻态的具有面外磁化方向的说明性MTJ单元的示意性侧视图；以及图1E是处于高阻态的说明性磁性隧穿结存储单元的示意性侧视图；

图2是包括存储单元和半导体晶体管的示例性存储元件的示意图；

图3是说明性存储器阵列的示意图；

图4A(的CoFeB增强层)和4B(的CoFeB增强层)是垂直磁矩对为具有的CoFeB的增强层的MTJ单元(图4A)和具有的CoFeB增强层的MTJ单元(图4B)所施加的磁场的图表。

图5示出对具有的CoFeB增强层的MTJ单元的TMR率和切换电流(A/cm²)。

这些附图不一定按比例示出。附图中使用的相同数字表示相同部件。然而，将理解在给定附图中使用数字来指代部件不旨在限制另一附图中用同一数字标记的部件。

具体实施方式

本公开针对具有磁各向异性的磁性隧道结单元的多种实施例，磁各向异性导致关联铁磁体层的磁化方向垂直于晶片平面地对准，或“处于面外”。

在以下描述中，参照形成本说明书一部分的一组附图，其中通过图示示出了若干特定实施例。应当理解的是，可构想并可作出其他实施例，而不背离本公开的范围或精神。因此，以下详细描述不应按照限定的意义来理解。本文中所提供的任何定义用于便于对本文中频繁使用的某些术语的理解，而不是为了限制本公开的范围。