低RA窄基底修改的双磁性隧道结结构的制作方法

背景技术：

1、本发明涉及磁阻随机存取存储器(mram)。更明确地说，本发明涉及一种修改的双磁性隧道结(mdmtj)结构，其能够改进自旋转移力矩(stt)mram的性能且能够被集成到半导体技术(诸如cmos技术)的后段制程(beol)处理中。

2、mram是一种非易失性随机存取存储器技术，其中数据由磁性存储元件存储。这些元件通常由两个铁磁板形成，每个铁磁板可以保持磁化，由薄电介质层(即，隧道势垒层)隔开。两个板中的一个(即，磁性基准或钉扎层)是其磁矩方向被设置为特定方向的磁体；另一板(即，磁性自由层)的磁化可在至少两个不同方向中被改变，从而表示用于存储器应用的不同数字状态，诸如0和1。在mram中，这样的元件可以被称作磁性隧道结(mtj)结构。图1图示了已知技术的mtj结构10，其包括磁性基准层12、隧道势垒层14以及磁性自由层16，磁性基准层12中示出的唯一的箭头图示了该层的可能定向，而磁性自由层16中的两个箭头图示了该层中的定向可以被切换。

3、在图1的mtj结构10中，磁性基准层12的磁化被固定在一个方向中(例如指向上方)，而磁性自由层16的方向可以由一些外力“切换”，诸如磁场或产生充电电流的自旋转移力矩。较小的电流(任一极性)可以被使用以读取器件的电阻，该电阻取决于磁性自由层16和磁性基准层12的磁化的相对定向，当磁化反平行时电阻通常较高，并且当它们平行时电阻较低(尽管这可以取决于材料颠倒)。

4、可以使用图1中所示的mtj结构10的一种类型的mram是stt mram。stt mram具有比使用磁场来翻转有源元件的常规mram低的功率消耗和较好的可缩放性的优点。在stt mram中，自旋转移力矩被使用以翻转(切换)磁性自由层的定向。对于stt mram器件，穿过mtj结构的电流被使用以切换或“写入”mtj存储器元件的位状态。向下通过mtj结构的电流使磁性自由层16平行于磁性基准层12，而向上通过mtj结构的电流使磁性自由层16反平行于磁性基准层12。

5、在stt mram中，希望减小切换电流以匹配小的晶体管尺寸，以便提高存储器区域密度。将切换电流减少约2x的一种方法是诸如图2中所示的双磁性隧道结(dmtj)结构20的概念，图2的dmtj结构20包括第一磁性基准层22、第一隧道势垒层24、磁性自由层26、第二隧道势垒层28以及第二磁性基准层30，第一磁性基准层22和第二磁性基准层30中的每一个中所示的唯一箭头图示了该层的可能定向，并且磁性自由层26中的两个箭头图示了该层中的定向可以被切换。图2中所示的dmtj结构的一个缺点是，虽然其减小了切换电流，但其也减小了隧道磁阻(tmr)，从而妨碍了器件的高效读出。

6、因此，需要提供一种dmtj结构，其具有减小的切换电流，同时减轻结构内tmr的减小，从而使得dmtj结构表现出高效的切换(以低电流)和快速的读出(高tmr)。

技术实现思路

1、提供了一种修改的双磁性隧道结(mdmtj)结构，其包括窄基底和自旋扩散层(即，非磁性的自旋导电金属层)的使用，该自旋扩散层为隧道势垒层提供低电阻面积乘积(ra)，该隧道势垒层与自旋扩散层形成界面。“窄基底”是指在结的底部和结的顶部处结的直径大致相同。“低ra”是指ra等于或小于1欧姆-微米2。本发明的mdmtj结构表现出高效的切换(以低电流)和快速的读出(高tmr)。“低电流”意味着小于典型的单个mtj器件为实现相同的无错误写入所需的电流。在一些实施例中，低电流可以达到或低于20至50μa。“高tmr”意味着隧道磁阻的值大于典型dmtj器件将实现的隧道磁阻的值。在一些实施例中，高tmr可以达到或超过100-200％。

2、在本发明的一个方面中，提供了一种展现高效切换和快速读出的mdmtj结构。在一个实施例中，mdmtj结构包括第一磁性基准层、具有接触第一磁性基准层的表面的第一表面的第一隧道势垒层、具有接触第一隧道势垒层的第二表面的第一表面的非磁性自旋导电金属层(即，自旋扩散层)、具有接触非磁性自旋导电金属层的第二表面的第一表面的磁性自由层、具有接触磁性自由层的第二表面的第一表面的第二隧道势垒层、以及具有接触第二隧道势垒层的第二表面的第一表面的第二磁性基准层，其中第一隧道势垒层的第二表面与第一隧道势垒层的第一表面相对，非磁性自旋导电金属层的第二表面与非磁性自旋导电金属层的第一表面相对，磁性自由层的第二表面与磁性自由层的第一表面相对，第二隧道势垒层的第二表面与第二隧道势垒层的第一表面相对。根据本发明，第一隧道势垒层具有第一电阻面积乘积ra，第二隧道势垒层具有第二ra，并且第一ra比第二ra低至少5倍。

3、在本发明的另一方面中，提供了一种stt mtj存储器元件。在一个实施例中，sttmtj存储器元件包括被夹在第一电极与第二电极之间的mdmtj结构。该mdmtj结构包括第一磁性基准层、具有接触第一磁性基准层的表面的第一表面的第一隧道势垒层、具有接触第一隧道势垒层的第二表面的第一表面的非磁性自旋导电金属层、具有接触非磁性自旋导电金属层的第二表面的第一表面的磁性自由层、具有接触磁性自由层的第二表面的第一表面的第二隧道势垒层、以及具有接触第二隧道势垒层的第二表面的第一表面的第二磁性基准层，其中第一隧道势垒层的第二表面与第一隧道势垒层的第一表面相对，非磁性自旋导电金属层的第二表面与非磁性自旋导电金属层的第一表面相对，磁性自由层的第二表面与磁性自由层的第一表面相对，第二隧道势垒层的第二表面与第二隧道势垒层的第一表面相对。根据本发明，第一隧道势垒层具有第一电阻面积乘积ra，第二隧道势垒层具有第二ra，并且第一ra比第二ra低至少5倍。

技术特征：

1.一种修改的双磁性隧道结(mdmtj)结构，包括：

2.根据权利要求1所述的mdmtj结构，其中所述第一ra等于或小于1欧姆-微米2。

3.根据权利要求1所述的mdmtj结构，其中所述非磁性自旋导电金属层向所述第一隧道势垒层提供小于1欧姆-微米2的低ra，但是仍然供应自旋力矩。

4.根据权利要求1所述的mdmtj结构，其中所述第一隧道势垒层由氧化镁(mgo)构成，并且所述非磁性自旋导电金属层由铜(cu)构成，或者主要由铜(cu)与少于1％的其他元素构成。

5.根据权利要求4所述的mdmtj结构，其中所述铜具有fcc111织构。

6.根据权利要求1所述的mdmtj结构，其中所述第一隧道势垒层由mgo构成，并且所述非磁性自旋导电金属层由氮化物含量小于1原子百分比的氮化铜(cun)合金或硼含量小于20原子百分比的铜硼(cub)合金构成。

7.根据权利要求1所述的mdmtj结构，其中所述第一磁性基准层位于所述mdmtj结构的底部部分处，并且所述第二磁性基准层位于所述mdmtj结构的顶部部分处。

8.根据权利要求7所述的mdmtj结构，其中所述第一磁性基准层和所述第二磁性基准层中的至少一个包括下部磁性基准层、反铁磁耦合层和上部磁性基准层。

9.根据权利要求7所述的mdmtj结构，其中所述第一磁性基准层、所述第一隧道势垒层、所述非磁性自旋导电金属层、所述磁性自由层、所述第二隧道势垒层和所述第二磁性基准层具有相同的横向尺寸。

10.根据权利要求1所述的mdmtj结构，其中所述第二磁性基准层位于所述mdmtj结构的底部部分处，并且所述第一磁性基准层位于所述mdmtj结构的顶部部分处。

11.根据权利要求10所述的mdmtj结构，其中所述第一磁性基准层和所述第二磁性基准层中的至少一个包括下部磁性基准层、反铁磁耦合层和上部磁性基准层。

12.根据权利要求10所述的mdmtj结构，其中所述第一磁性基准层、所述第一隧道势垒层、所述非磁性自旋导电金属层、所述磁性自由层、所述第二隧道势垒层和所述第二磁性基准层具有相同的横向尺寸。

13.一种自旋转移力矩(stt)磁性隧道结(mtj)存储器元件，包括：

技术总结提供了一种修改的双磁性隧道结(mDMTJ)结构，其包括窄基底和对自旋扩散层(即，非磁性的自旋导电金属层)的使用，该自旋扩散层针对隧道势垒层提供低电阻面积乘积(RA)，该隧道势垒层与自旋扩散层形成界面。技术研发人员：D·沃莱吉,胡国菡受保护的技术使用者：国际商业机器公司技术研发日：技术公布日：2024/1/16