МАГНИТНЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ ПЕРЕХОД, СОДЕРЖАЩИЙ ПОЛЯРИЗУЮЩИЙ СЛОЙ Российский патент 2016 года по МПК G11C11/16 B82Y25/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу изготовления магнитного туннельного перехода, содержащего поляризующий слой и записываемого спин-поляризованным током, имеющим малую величину.

Уровень техники

Магнитные оперативные запоминающие устройства (MRAM) вновь стали объектом внимания после открытия магнитных туннельных переходов, имеющих большое магнитосопротивление при комнатной температуре. Эти MRAM предоставляют много преимуществ, например, скорость записи (несколько наносекунд продолжительности записи и считывания), энергонезависимость и нечувствительность к ионизирующим излучениям. Следовательно, они все в большей степени должны заменять память, которая использует более традиционную технологию, основанную на зарядовом состоянии конденсатора (DRAM, SRAM, FLASH).

Обычная ячейка MRAM, такая как описанная в патенте США № 5640343, сформирована из магнитного туннельного перехода, содержащего первый ферромагнитный слой, имеющий фиксированную намагниченность, второй ферромагнитный слой, имеющий направление намагниченности, которое может быть изменено в течение операции записи ячейки MRAM, и тонкий изолирующий слой, или туннельный барьер, между двумя ферромагнитными слоями. Во время операции записи ячейки MRAM намагниченность второго ферромагнитного слоя может быть ориентирована параллельно или антипараллельно намагниченности первого ферромагнитного слоя, приводя к низкому или высокому сопротивлению магнитного перехода, соответственно.

Ячейка MRAM может быть записана с использованием операции записи, основанной на схеме передачи спинового момента (STT), как это описано в патенте США № 5695864. Операция записи на основе STT содержит прохождение спин-поляризованного тока через магнитный туннельный переход по линии передачи тока, соединенной с магнитным туннельным переходом. В отличие от ячеек MRAM, записываемых внешним магнитным полем, спин-поляризованный ток изменяется обратно пропорционально площади поверхности магнитного туннельного перехода. Таким образом, ячейки MRAM, записанные посредством операции записи на основе STT, или ячейки MRAM на основе STT, обеспечивают высокую плотность MRAM. Кроме того, ячейки MRAM на основе STT могут быть записаны быстрее, чем запись ячеек MRAM с использованием внешнего магнитного поля.

Наиболее практичная реализация ячеек MRAM на основе STT в настоящее время использует так называемую "продольную" конфигурацию, причем спины спин-поляризованного тока вводятся как коллинеарные, с намагниченностью второго ферромагнитного слоя. Это обычно достигается использованием ферромагнитных материалов, имеющих намагниченность в плоскости (намагниченность в плоскости ферромагнитного слоя) или намагниченность, перпендикулярную плоскости.

В обычных ячейках MRAM на основе STT введенные спины спин-поляризованного тока ориентируются по существу параллельно ориентации намагниченности второго ферромагнитного слоя. Вращающий момент, прикладываемый введенными спинами к намагниченности второго ферромагнитного слоя, оказывается в этом случае по существу нулевым.

В течение операции записи на основе STT скорость записи ограничивается стохастической природой переключения намагниченности второго ферромагнитного слоя. Это стохастическое поведение определяется параллельной ориентацией введенных спинов, определяемой направлением намагниченности первого ферромагнитного слоя, или поляризационного слоя, относительно направления намагниченности второго ферромагнитного слоя. Переключение намагниченности второго ферромагнитного слоя провоцируется термоактивацией намагниченности; то есть тем, что тепловые флуктуации намагниченности второго ферромагнитного слоя производят начальный угол между введенными спинами и этой намагниченностью второго ферромагнитного слоя. Скорость переключения обычно ограничивается задержкой переключения приблизительно в 10 нс для спин-поляризованных токов в пределах 10 MA/см² или меньше 10 нс для токов в пределах 100 MA/см².

Возможность записи ячейки памяти при токе ниже 1 MA/ см² для длительности импульса тока меньшей 10 нс может быть достигнута вставкой перпендикулярно намагниченного слоя, или перпендикулярного поляризатора, к магнитному туннельному переходу. Перпендикулярный поляризатор создает, даже при очень малых длительностях импульса, начальный угол между ориентацией намагниченности первого и второго ферромагнитных слоев. Этот начальный угол максимизирует начальный вращающий момент и, таким образом, минимизирует критический спин-поляризованный ток, необходимый для переключения намагниченности второго ферромагнитного слоя.

В патенте США № 6603677 величина спин-поляризованного тока уменьшена добавлением к магнитному туннельному переходу спин-поляризующего слоя, или составного многослойного антиферромагнетика (SAF). Альтернативно, может быть уменьшена насыщенная намагниченность второго ферромагнитного слоя или может быть увеличен спин-поляризационный уровень инжектированных электронов в спин-поляризованном токе, например, предоставляя туннельный барьер, выполненный из MgO.

Чтобы получить подходящую кристаллографическую текстуру первого и второго ферромагнитных слоев, смежных с туннельным барьером MgO, последний слой должен быть отожжен при температурах отжига, больших 300°C, обычно при температурах между 340°C и 360°C. Типичный перпендикулярный поляризатор выполняется из мультислоев на основе кобальта/платины, или кобальта/палладия, или кобальта/никеля, или редкоземельных элементов/сплавов переходных металлов. В случае, когда магнитный туннельный переход, содержащий туннельный барьер на основе MgO, и перпендикулярный поляризатор подвергаются более высоким температурам отжига, может произойти перемешивание на границах раздела многослойного перпендикулярного поляризатора. Кроме того, мультислой редкоземельный элемент/сплавы переходных металлов может быть неустойчивым при этих температурах отжига.

Обычные технологии производства магнитного туннельного перехода содержат осаждение различных слоев, формирующих магнитный туннельный переход, включающих в себя перпендикулярный поляризатор и туннельный барьер на основе MgO, и выполнение отжига полного магнитного туннельного перехода. Следовательно, требуется и надлежащий отжиг туннельного барьера на основе MgO, и хорошие свойства перпендикулярного поляризатора в том же самом магнитном туннельном переходе. При этом оказывается невозможным получить одновременно и большое магнитосопротивление, и хорошо заданный перпендикулярный поляризатор в том же самом магнитном туннельном переходе.

Сущность изобретения

Настоящее раскрытие нацелено поэтому на преодоление этих недостатков.

Настоящее раскрытие относится к способу формирования магнитного туннельного перехода, записываемого спин-поляризованным током, причем магнитного туннельного перехода, содержащего туннельный барьерный слой между первым ферромагнитным слоем, имеющим первую намагниченность, и вторым ферромагнитным слоем, имеющим вторую намагниченность, и поляризующий слой, имеющий поляризующую намагниченность; содержащего: осаждение первого ферромагнитного слоя, туннельного барьерного слоя и второго ферромагнитного слоя; отжиг осажденных ферромагнитных слоев при первой заданной температуре отжига, такой, когда туннельное магнитосопротивление магнитного туннельного перехода равно или больше, чем около 150%; причем способ может дополнительно содержать осаждение слоя поляризатора; и отжиг осажденного слоя поляризатора при второй заданной температуре отжига, причем упомянутый отжиг осажденных ферромагнитных слоев при первой заданной температуре отжига выполняется до осаждения слоя поляризатора, и вторая заданная температура отжига такова, чтобы ориентировать поляризующую намагниченность по существу перпендикулярно первой и второй намагниченности.

В варианте реализации вторая заданная температура отжига может быть ниже первой заданной температуры отжига.

В другом варианте реализации первая заданная температура отжига может находиться в интервале между около 340°C и 360°C.

Еще в одном варианте реализации вторая заданная температура отжига находится в интервале между около 150°C и 250°C.

Еще в одном варианте реализации осаждение второго ферромагнитного слоя, туннельного барьерного слоя и первого ферромагнитного слоя может быть выполнено именно в таком порядке.

Еще в одном варианте реализации осаждение первого ферромагнитного слоя, туннельного барьерного слоя и второго ферромагнитного слоя выполняется именно в таком порядке.

Раскрытие дополнительно относится к ячейке MRAM, содержащей магнитный туннельный переход, изготовленный раскрытым здесь способом.

Раскрытый здесь способ позволяет изготовить магнитный туннельный переход, имеющий высокое туннельное магнитосопротивление и содержащий слой поляризатора, имеющий перпендикулярную поляризующую намагниченность. Магнитный туннельный переход, изготовленный раскрытым здесь способом, может быть записан с использованием спин-поляризованного тока, имеющего малую величину.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет лучше понято с помощью описания варианта реализации, данного посредством примера и показанного на фиг.1, отображающей ячейку магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), содержащую магнитный туннельный переход в соответствии с вариантом реализации.

Подробное описание возможных вариантов реализации

На фиг.1 показана ячейка 1 магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), содержащая магнитный туннельный переход 2 в соответствии с вариантом реализации. Магнитный туннельный переход 2 содержит первый ферромагнитный слой 21, второй ферромагнитный слой 23 и изолирующий слой, или туннельный барьерный слой 22, между первым и вторым ферромагнитными слоями 21, 23. Предпочтительно, первый ферромагнитный слой 21 имеет первую намагниченность 211, имеющую фиксированную ориентацию, и второй ферромагнитный слой 23 имеет вторую намагниченность 231, которая может быть свободно ориентирована. Первая намагниченность 211 может быть связана обменным взаимодействием с антиферромагнитным слоем (не показан).

Предпочтительно, первый ферромагнитный слой 21 и второй ферромагнитный слой 23 выполнены из 3d-металлов, например, Fe, Co или Ni или их сплавов. В состав слоя может быть добавлен и бор, чтобы получить аморфную морфологию и плоскую границу раздела. Туннельный барьерный слой 22 обычно состоит из оксида алюминия (Al₂O₃) или оксида магния (MgO). Предпочтительно, первый ферромагнитный слой 21 может быть сформирован из синтетического антиферромагнитного слоя, например, такого, как описан в патенте США № 5583725.

Вторая намагниченность 231 может быть ориентирована только в плоскости слоя 23.

Магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит поляризующий слой 60 и металлический разделяющий слой 61, находящийся между поляризующим слоем 60 и первым ферромагнитным слоем 21. В настоящем варианте реализации поляризующий слой 60 имеет перпендикулярную поляризующую намагниченность 600, то есть поляризующая намагниченность 600 поляризующего слоя 60 ориентирована по существу перпендикулярно плоскости слоя 60 или по существу перпендикулярно первой и второй намагниченности 211, 231.

Поляризующий слой 60 может содержать пакет слоев, выполненный, например, из Fe/Pt, или Fe/Pd, или Co/Pt, или Co/Pd, или Co/Au и т.д. или их сплавов или выполненный из редкоземельных элементов/сплавов переходных металлов.

Магнитный туннельный переход 2 может дополнительно содержать первую электропроводящую линию, или первый электрод 50, и вторую электропроводящую линию, или второй электрод 51, расположенные на одном конце магнитного туннельного перехода 2, на стороне поляризующего слоя 60, и на другом конце магнитного туннельного перехода 2, соответственно. Ячейка 1 MRAM может дополнительно содержать переключающее устройство, например селекторный КМОП-транзистор 3, электрически связанный с одним концом магнитного туннельного перехода 2.

Во время операции записи спин-поляризованный ток 32 заданной величины проходит через магнитный туннельный переход 2 так, что вторая намагниченность 231 может быть переключена. Когда поляризующая намагниченность 600 поляризующего слоя 60 ориентирована по существу перпендикулярно первой и второй намагниченности 211, 231, электроны спин-поляризованного тока 32 поляризуются в поляризующем слое 60 с направлением спина, перпендикулярным плоскостям слоев 21, 23. Электроны, поляризованные по спину в спин-поляризованном токе 32, вызывают непрерывное вращение второй намагниченности 231 в пределах плоскости второго ферромагнитного слоя 23. В раскрытом здесь магнитном туннельном переходе 2 ориентация второй намагниченности 231 может быть переключена, когда заданная величина спин-поляризованного тока 32 составляет приблизительно 1×l0⁶ A/см² и ниже.

В соответствии с вариантом реализации способ формирования магнитного туннельного перехода 2 содержит осаждение второго электрода 51, второго ферромагнитного слоя 23, туннельного барьерного слоя 22 и первого ферромагнитного слоя 21.

Способ дополнительно содержит отжиг осажденных ферромагнитных слоев 21, 23, то есть, например, отжиг магнитного туннельного перехода 2, содержащего осажденные слои 51, 21, 22 и 23, при первой заданной температуре отжига, приспособленной для получения подходящей кристаллографической текстуры первого и второго ферромагнитных слоев 21, 23. Первая заданная температура отжига такова, что после этапа отжига при первой заданной температуре отжига туннельное магнитосопротивление магнитного туннельного перехода 2 максимально, например, имеет значение туннельного магнитосопротивления около 150% и больше. Например, первая заданная температура отжига может быть больше 300°C. В варианте реализации первая заданная температура отжига находится в интервале между около 340°C и 360°C.

Способ дополнительно содержит осаждение металлического разделительного слоя 61 и слоя 60 поляризатора.

После нанесения поляризующего слоя 60 способ дополнительно содержит отжиг осажденного слоя 60 поляризатора, то есть отжиг магнитного туннельного перехода 2, содержащего осажденный слой 60 поляризатора, при второй заданной температуре отжига. Вторая заданная температура отжига может быть такая, чтобы ориентировать поляризующую намагниченность 600 слоя 60 поляризатора по существу перпендикулярно плоскости слоя 60 поляризатора или по существу перпендикулярно первой и второй намагниченности 211, 231. Вторая заданная температура отжига обычно ниже первой заданной температуры отжига. Например, вторая заданная температура отжига находится в интервале между около 150°C и 250°C.

В варианте реализации осаждение первого ферромагнитного слоя 21, туннельного барьерного слоя 22 и второго ферромагнитного слоя 23 выполняется именно в таком порядке. Изготовленный таким образом магнитный туннельный переход 2 содержит второй ферромагнитный слой 23 между слоем 60 поляризатора и первым ферромагнитным слоем 21.

В другом варианте реализации осаждение второго ферромагнитного слоя 23, туннельного барьерного слоя 22 и первого ферромагнитного слоя 21 выполняется именно в таком порядке. Изготовленный таким образом магнитный туннельный переход 2 содержит первый ферромагнитный слой 21 между слоем 60 поляризатора и вторым ферромагнитным слоем 23.

Другие последовательности этапов осаждения и отжига способа возможны, если этап отжига осажденных ферромагнитных слоев 21, 23 при первой температуре отжига выполняется до осаждения слоя 60 поляризатора.

Устройство магнитной памяти (не представлено) может быть сформировано из матрицы, содержащей множество ячеек 1 MRAM, содержащих раскрытый здесь магнитный туннельный переход 2.

Магнитный туннельный переход 2, изготовленный с использованием раскрытого здесь способа, позволяет получить магнитный туннельный переход 2, содержащий слой 60 поляризатора, имеющий его поляризующую намагниченность 600, по существу перпендикулярную плоскости слоя 60 поляризатора или по существу перпендикулярную первой и второй намагниченности 211, 231, и имеющий большое туннельное магнитосопротивление. Способ дополнительно позволяет минимизировать перемешивание на границах раздела многослойного пакета 60 поляризатора, при том что ферромагнитные слои 21, 23 и туннельный барьерный слой 22 отжигаются при высокой первой заданной температуре отжига, позволяя обеспечить высокое туннельное магнитосопротивление, равное или большее 150%.

Цифровые обозначения и символы

1 ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM)

2 магнитный туннельный переход

21 первый ферромагнитный слой

211 первая намагниченность

22 туннельный барьерный слой

23 второй ферромагнитный слой

231 вторая намагниченность

3 селекторный транзистор

30 внешний слой

32 спин-поляризованный ток

50 первая электропроводящая линия, первый электрод

51 вторая электропроводящая линия, второй электрод

60 поляризующий слой

600 поляризующая намагниченность

61 металлический разделительный слой.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в обеспечении высокого туннельного магнитосопротивления, равного или большего 150%. Способ для изготовления магнитного туннельного перехода, записываемого спин-поляризованным током, и содержащего туннельный барьерный слой между первым ферромагнитным слоем, имеющим первую намагниченность с фиксированной ориентацией, и вторым ферромагнитным слоем, имеющим вторую свободно ориентируемую намагниченность, и поляризующий слой, имеющий поляризующую намагниченность; содержащий: осаждение первого и второго ферромагнитных слоев и туннельного барьерного слоя; отжиг осажденных ферромагнитных слоев при первой температуре отжига 300°C или выше так, чтобы туннельное магнитосопротивление магнитного туннельного перехода было равно или больше чем 150%; осаждение слоя поляризатора; и отжиг осажденного слоя поляризатора при второй температуре отжига, находящейся в интервале между 150°C и 250°C так, чтобы ориентировать поляризующую намагниченность перпендикулярно первой и второй намагниченности, причем упомянутый отжиг осажденных ферромагнитных слоев при первой температуре отжига выполняется до осаждения слоя поляризатора. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ для изготовления магнитного туннельного перехода, записываемого спин-поляризованным током, причем магнитный туннельный переход содержит туннельный барьерный слой между первым ферромагнитным слоем, имеющим первую намагниченность с фиксированной ориентацией, и вторым ферромагнитным слоем, имеющим вторую свободно ориентируемую намагниченность, и поляризующий слой, имеющий поляризующую намагниченность; содержащий:
осаждение первого ферромагнитного слоя, туннельного барьерного слоя и второго ферромагнитного слоя;
отжиг осажденных ферромагнитных слоев при первой температуре отжига 300°C или выше так, чтобы туннельное магнитосопротивление магнитного туннельного перехода было равно или больше чем 150%;
осаждение слоя поляризатора; и
отжиг осажденного слоя поляризатора при второй температуре отжига, находящейся в интервале между 150°C и 250°C так, чтобы ориентировать поляризующую намагниченность перпендикулярно первой и второй намагниченности, причем упомянутый отжиг осажденных ферромагнитных слоев при первой температуре отжига выполняется до осаждения слоя поляризатора.

2. Способ по п. 1, в котором первая температура отжига находится в интервале между 340°C и 360°C.

3. Способ по п. 1, в котором осаждение второго ферромагнитного слоя, туннельного барьерного слоя и первого ферромагнитного слоя выполняется именно в таком порядке.

4. Способ по п. 1, в котором осаждение первого ферромагнитного слоя, туннельного барьерного слоя и второго ферромагнитного слоя выполняется именно в таком порядке.

5. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства, содержащая магнитный туннельный переход, содержащий туннельный барьерный слой между первым ферромагнитным слоем, имеющим первую намагниченность с фиксированной ориентацией, и вторым ферромагнитным слоем, имеющим вторую свободно ориентируемую намагниченность, и поляризующий слой, имеющий поляризующую намагниченность, перпендикулярную первой и второй намагниченности; причем первый и второй ферромагнитные слои отжигаются при первой температуре отжига 300°C или выше так, чтобы туннельное магнитосопротивление магнитного туннельного перехода было равно или больше чем 150%.

6. Устройство магнитной памяти, содержащее множество ячеек магнитного оперативного запоминающего устройства, причем каждая ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства содержит магнитный туннельный переход, содержащий туннельный барьерный слой между первым ферромагнитным слоем, имеющим первую намагниченность с фиксированной ориентацией, и вторым ферромагнитным слоем, имеющим вторую свободно ориентируемую намагниченность, и поляризующий слой, имеющий поляризующую намагниченность, перпендикулярную первой и второй намагниченности; причем первый и второй ферромагнитные слои отжигаются при первой температуре отжига 300°C или выше так, что туннельное магнитосопротивление магнитного туннельного перехода равно или больше чем 150%.