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CN105720189A - 磁性隧道结装置 - Google Patents

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CN105720189A
CN105720189A CN201610180178.8A CN201610180178A CN105720189A CN 105720189 A CN105720189 A CN 105720189A CN 201610180178 A CN201610180178 A CN 201610180178A CN 105720189 A CN105720189 A CN 105720189A
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CN
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layer
free layer
free
tunnel junction
thickness
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CN201610180178.8A
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朱晓春
升·H·康
李霞
李康浩
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Qualcomm Inc
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Abstract

本发明涉及磁性隧道结装置。本发明揭示一种制造及使用磁性隧道结装置的系统及方法。在一特定实施例中，磁性隧道结装置包括第一自由层(112)及第二自由层(116)。所述磁性隧道结还包括自旋力矩增强层。所述磁性隧道结装置进一步包括在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层(114)，所述间隔物层包括材料并具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度。所述第一自由层与所述第二自由层静磁地耦合。

Description

磁性隧道结装置
分案申请的相关信息
本案是分案申请。本案的母案是申请日为2010年12月8日、申请号为201080055669.0、发明名称为“磁性隧道结装置”的发明专利申请案。
技术领域
本发明大体上涉及磁性隧道结装置。
背景技术
磁性随机存取存储器(MRAM)为使用磁化来表示所存储的数据的非易失性存储器技术。MRAM大体包括呈阵列的多个磁性单元。每一单元通常表示一个数据位。单元包括磁性元件，例如磁性隧道结(MTJ)。
MTJ的铁磁板通常包括由薄隧道势垒层隔开的自由层及被钉扎层(pinnedlayer)。板与磁化方向(或磁矩的定向)相关联。在自由层中，磁化方向能够自由旋转。反铁磁层可用以在特定方向上固定被钉扎层的磁化。通过改变MTJ的铁磁板中的一者的磁化方向而将位写入到MTJ。MTJ的电阻视自由层及被钉扎层的磁矩的定向而定。通过将切换电流施加到MTJ元件，MTJ元件的磁极化可从逻辑“1”状态改变为逻辑“0”状态或从逻辑“0”状态改变为逻辑“1”状态。
发明内容
本文中的实施例描述用于形成磁性隧道结(MTJ)装置的方法及装置。根据说明性实施例，MTJ装置是通过在隧道势垒层上沉积磁性可穿透材料的第一自由层、在所述第一自由层上沉积间隔物层、在所述间隔物层上沉积第二自由层及在所述第二自由层上方沉积自旋力矩增强层(spintorqueenhancementlayer)而形成。选择具有一种或一种以上材料及实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度的间隔物层。然而，所述第一自由层与所述第二自由层经强静磁耦合。因而，不管装置是切换到逻辑“1”状态还是切换到逻辑“0”状态，所述第一自由层与所述第二自由层的磁极化为反平行的。
在特定实施例中，揭示一种具有具第一厚度的第一自由层、第二自由层及自旋力矩增强层的MTJ装置。所述装置还包括在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层。所述间隔物层具有材料及实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度。所述第一自由层静磁地耦合到所述第二自由层。在另一特定实施例中，所述间隔物层可具有材料的组合，所述材料的组合具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的总厚度。所述组合材料可包括两种不同非磁性材料或两种以上不同非磁性材料。在另一特定实施例中，所述间隔物层可具有多个层，且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的总厚度。所述间隔物层可包括由不同材料制成的两个非磁性层或由不同材料制成的两个以上非磁性层。
在另一特定实施例中，揭示一种制造MTJ装置的方法。所述方法包括在MTJ结构的隧道势垒层上沉积第一自由层。所述第一自由层包括磁性可穿透材料且具有第一厚度。所述方法还包括在所述第一自由层上沉积间隔物层。所述间隔物层包括实质上非磁性可穿透绝缘体材料，并具有实质上抑制交换耦合的厚度。所述方法进一步包括在所述间隔物层上沉积第二自由层。所述第二自由层包括磁性可穿透材料。所述方法进一步包括在所述第二自由层上方沉积自旋力矩增强层。
在另一特定实施例中，一种计算机可读有形媒体存储可由计算机执行以促进MTJ装置的制造的指令。所存储的指令可由计算机执行以控制第一自由层在MTJ结构的隧道势垒层上的沉积，所述第一自由层包括磁性可穿透材料并具有第一厚度。所存储的指令可由计算机执行以控制间隔物层在所述第一自由层上的沉积。所述间隔物层包括具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度的实质上非磁性可穿透绝缘体材料。所存储的指令可由计算机执行以控制第二自由层在所述间隔物层上的沉积。所述第二自由层包括磁性可穿透材料。所存储的指令可由计算机执行以控制自旋力矩增强层在所述第二自由层上方的沉积。
在另一特定实施例中，揭示一种设计MTJ装置的方法。所述方法包括接收表示半导体装置的至少一个物理性质的设计信息。所述半导体装置包括具有第一厚度的第一自由层、具有第二厚度的第二自由层、自旋力矩增强层及在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层。所述间隔物层包括一种或一种以上材料，且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度。所述间隔物层还可包括由不同材料制成的两个或两个以上非磁性层，且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的总厚度。所述第一自由层静磁地耦合到所述第二自由层。所述方法进一步包括变换设计信息以使其符合文件格式及产生包括经变换的设计信息的数据文件。
在另一特定实施例中，揭示一种定位经封装MTJ装置的方法。所述方法包括接收包括经封装半导体装置在电路板上的物理定位信息的设计信息。所述经封装半导体装置包括半导体结构，所述半导体结构包括具有第一厚度的第一自由层、具有第二厚度的第二自由层、自旋力矩增强层及在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层。所述第一自由层静磁地耦合到所述第二自由层。所述方法进一步包括变换设计信息以产生数据文件。
在另一特定实施例中，揭示一种制造包括经封装MTJ装置的电路板的方法。所述方法包括接收具有包括经封装半导体装置在电路板上的物理定位信息的设计信息的数据文件。所述方法进一步包括根据设计信息制造所述经配置以接纳经封装半导体装置的电路板。所述经封装半导体装置包含具有第一厚度的第一自由层、具有第二厚度的第二自由层、自旋力矩增强层及在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层。所述第一自由层静磁地耦合到所述第二自由层。
由所揭示实施例提供的一个特定优点为用以改变MTJ装置的状态的较低切换电流。在审阅整个申请案之后，本发明的其它方面、优点及特征将变得显而易见，整个申请案包括以下部分：附图说明、具体实施方式及权利要求书。
附图说明
图1为在第一状态及第二状态中的磁性隧道结(MTJ)装置的实施例的横截面图；
图2为MTJ装置的实施例的双自由层结构的第一实施例的横截面图；
图3展示代表性MTJ装置的一部分的第二实施例及第三实施例的横截面图；
图4为展示MTJ装置的实施例的切换电流对层厚度的曲线图；
图5为形成MTJ装置的方法的实施例的流程图；
图6为形成MTJ装置的方法的另一实施例的流程图；且
图7为包括MTJ装置的实施例的半导体装置的设计及制造过程的实施例的流程图。
具体实施方式
图1为在第一状态120(逻辑“1”)及第二状态130(逻辑“0”)中的MTJ装置的实施例的横截面图。图1的实施例包括衬底101上方的多个层。衬底101可为半导体衬底，包括(例如)硅、锗或复合半导体材料。衬底上方的第一层102为可形成电极并包括Ta的底层。Ta为反铁磁(AFM)钉扎层提供较好的生长纹理(growingtexture)，且提供用于生长MTJ的光滑表面。底层可由不同材料的多个层组成。层103为反铁磁(AFM)钉扎层。AFM钉扎层103用以钉扎层104及108中的磁矩。AFM钉扎层103可包括反铁磁材料，例如MnPt、IrMn、FeMn或NiO。AFM钉扎层103的实例厚度为15nm。其它厚度可用于AFM钉扎层103。
层104、106及108形成合成反铁磁(SAF)层。层104由层103通过交换耦合机制钉扎。
层108通过经由间隔物层106的交换耦合而钉扎到层104。所述间隔物层106可为Ru、Rh或Cr或实质上不抑制交换耦合的其它材料。层104及108为铁磁性的，且可包括Fe、Ni、Co或B或这些元素的组合(例如，CoFeB)。层104及108中的磁矩为反平行的，因而形成反铁磁层。SAF层的实例厚度为用于层104的2nm(纳米)、用于层106的0.9nm、用于层108的2nm。其它厚度可用于SAF层。
层110为可由例如MgO等电介质形成的隧道势垒层。隧道势垒层110的实例厚度为1nm。其它厚度可用于隧道势垒层。
层112为可磁化并具有第一厚度的第一自由层。层114为包含材料及实质上抑制第一自由层112与第二自由层116之间的交换耦合的厚度的间隔物层。间隔物层114可由多个层或多种材料(例如，合金)组成。举例来说，间隔物层可包含AlCu、AlRu及AlAg中的一者。作为另一实例，间隔物层可包含两个层，所述两个层为Ta及MgO、Ta及Mg以及Ta及Ru中的一者。在一些实施例中，间隔物层的厚度为至少4埃(4×10-10米)。层116为可磁化并可具有与第一自由层112的厚度不同或相同的第二厚度的第二自由层。在一个实施例中，第二自由层116的厚度大于第一自由层112的厚度。在一些实施例中，第一自由层112的厚度在5埃与25埃之间。在其它实施例中，第一自由层112的厚度在15埃与20埃之间。在一些实施例中，第二自由层116的厚度在10埃与60埃之间。在其它实施例中，第二自由层116的厚度在30埃与50埃之间。在一些实施例中，覆盖层122沉积于第二自由层116上。覆盖层122为非磁性层且形成自旋势垒或顶部电极但并非钉扎层。
在逻辑“0”状态中，两个上部自由层112、116的磁极化如130处所示而指向，且在逻辑“1”状态中，两个上部自由层112、116的磁极化如120处所示而指向。MTJ装置的状态可通过在装置上施加切换电流而改变。明确地说，在一个方向上施加经过MTJ装置的电流Iwrite-1将所述装置置于逻辑“1”状态中，且在相反方向上施加的电流Iwrite-2将所述装置置于逻辑“0”状态中。因而，磁性隧道结装置可在存储器单元中，在所述存储器单元中施加在磁性隧道结装置上的电流改变存储在单元中的数据值。当下部自由层112的磁矩与合成反铁磁(SAF)层的被钉扎上部层108的磁矩对准时，装置的电阻为低，且装置在逻辑“0”状态中。当下部自由层112的磁矩与上部被钉扎层108的磁矩反向对准时，装置的电阻为高，且MTJ装置在逻辑“1”状态中。
图2展示包括多个自由层的代表性MTJ装置的一部分。层212为可磁化并具有第一厚度的第一自由层。层212可包括铁合金(例如，CoFeB)。层214为由例如Ta或MgO等实质上抑制第一自由层212与第二自由层216之间的交换耦合的电介质形成的间隔物层。交换耦合还可实质上由间隔物层214的厚度来抑制。在一些实施例中，间隔物层214的厚度为至少4埃(4×10-10米)。在其它实施例中，间隔物层的厚度为至少8埃。层216为可包括例如NiFe等铁合金的第二自由层。第二自由层216为可磁化的。层214还可为由例如Ta及MgO、Ta及Mg、Ta及Ru(但将不限于所述材料)的多种电介质形成的多间隔物层。
如从图1及图2可见，第一自由层112、212中的磁矩M3与第二自由层116、216中的磁矩M4反平行。第一自由层及第二自由层中的磁矩无关于MTJ装置的状态而为反平行的。所述自由层中的磁矩为反平行的，因为其静磁耦合，但实质上未交换耦合，如图2中208处的虚线所示。虚线展示磁场H，其为迂回的且静磁地耦合第一自由层与第二自由层。
层212为可磁化且具有第一厚度的第一自由层。层212可包括例如CoFeB等铁合金。层214为由例如Ta或MgO等实质上抑制第一自由层212与第二自由层216之间的交换耦合的电介质形成的间隔物层。交换耦合还可由间隔物层214的厚度来实质上抑制。在一些实施例中，间隔物层214的厚度为至少4埃(4×10-10米)。在其它实施例中，间隔物层的厚度为至少8埃。层216为可包括例如NiFe等铁合金的第二自由层。第二自由层216为可磁化的。层214还可为由例如Ta及MgO、Ta及Mg、Ta及Ru(但将不限于所述材料)等多种电介质形成的多间隔物层。
图3展示包括由间隔物层314分开的两个自由层312及316的代表性MTJ装置的一部分的第二实施例及第三实施例。在MTJ装置324的所述部分的第二实施例中，在第二自由层316上方添加自旋力矩增强层320。所述自旋力矩增强层320减少自由层的阻尼常数。所述自旋力矩增强层320可包括MgO、SiN、TaO或其它合适的材料。在MTJ装置326的所述部分的第三实施例中，在第二自由层316与自旋力矩增强层320之间添加自旋累积层318。在一些实施例中，自旋累积层318具有可引起角动量累积的高传导率及长扩散长度。自旋累积层可包括Mg、Cu、Al或其它合适的材料。
图4为展示不同MTJ装置的实施例的切换电流对层厚度的曲线图400。线402指示依据不包括第二自由层的MTJ的实施例中的第一自由层的厚度而变的切换电流。线404指示依据包括第一自由层及第二自由层的MTJ装置的实施例的厚度而变的切换电流。更具体地说，第一自由层包括具有20埃(20×10-10米)的厚度的CoFeB。第二自由层包括NiFe。线406指示依据具有两个自由层的MTJ装置的另一实施例的厚度而变的切换电流。第一自由层包括具有15埃的厚度的CoFeB，且第二自由层包括NiFe。
参看图4，在包括在间隔物上的第二自由层的MTJ装置(如图1及图2中所示)的情况下可在较大自由层厚度下实现较低切换电流。切换电流依据第一自由层的厚度而较缓慢地增长。明确地说，具有为15埃厚的CoFeB第一自由层及具有在25埃与50埃之间的总厚度的第二自由层产生约300微安的切换电流。在不包括第二自由层的MTJ装置中，线402展示当自由层CoFeB的厚度超过25埃时切换电流超过400微安。因而，在特定情形下，当存在第二自由层时，需要较低切换电流来改变装置的状态。在一些实施例中，第一自由层具有在5埃到25埃的范围内的厚度，且第二自由层具有在10埃到60埃的范围内的厚度。在其它实施例中，第一自由层具有在15埃到20埃的范围内的厚度，且第二自由层具有30埃到50埃的厚度。在一些实施例中，间隔物层的厚度是在0.4埃到30埃的范围内。
因而，静磁地耦合到第一自由层但实质上未交换耦合到第一自由层的第二自由层的存在可提供以MTJ装置的较低切换电流改变装置的状态的优点。第二自由层的存在还增加对电子移离第一自由层的能量势垒，从而导致较大效率。第二自由层的存在还可减少第一自由层中的磁致伸缩(magneto-striction)，从而改进MTJ装置的切换均匀性。
图5为形成MTJ装置的方法的实施例的流程图500。在502处开始，将包括磁性可穿透材料的第一自由层沉积于MTJ结构的隧道势垒层上。第一自由层具有第一厚度。举例来说，CoFeB的层(层112)可沉积于隧道势垒层上，如图1中所示。前进到504，将实质上为非磁性可穿透的间隔物层沉积于第一自由层上。间隔物层为具有实质上抑制在第一自由层与沉积于间隔物层上的第二自由层之间的交换耦合的厚度的绝缘体材料。举例来说，Ta或MgO的层(层114)可沉积到第一自由层上，如图1中所示。间隔物层自身可为包括例如TaMg、TaRu、MgOTa、MgTa或RuTa等材料的多层结构。移到506，将包括磁性可穿透材料的第二自由层沉积于间隔物层上。举例来说，NiFe的层(层116)可沉积到间隔物层上，如图1中所示。前进到508，将自旋力矩增强层沉积于第二自由层上或上方。
因而，一些实施例包括制造磁性隧道结装置的方法。所述方法包括在磁性隧道结结构的隧道势垒层上沉积第一自由层，所述第一自由层包括磁性可穿透材料并具有第一厚度。所述方法还包括在所述第一自由层上沉积间隔物层，所述间隔物层包括实质上非磁性可穿透绝缘体材料并具有实质上抑制所述第一自由层与第二自由层之间的交换耦合的第二厚度。所述方法还包括在所述间隔物层上沉积第二自由层，所述第二自由层包括磁性可穿透材料。所述方法还包括在所述第二自由层上或上方沉积自旋力矩增强层。
图6为形成MTJ装置的方法的另一说明性实施例的流程图600。在602处开始，将反铁磁(AFM)钉扎层沉积于衬底(例如，图1的衬底101)上。如图1中所示，可在沉积AFM层之前将底层沉积于所述衬底上。前进到604，将合成反铁磁(SAF)层沉积于AFM钉扎层上。举例来说，SAF层104、106及108可沉积于AFM钉扎层102上，如图1中所示。移到606，将隧道势垒层沉积于SAF层上(例如，图1的层110可沉积于层108上)。在608处继续，将第一自由层沉积于隧道势垒层上，所述第一自由层(例如，图1的层112)具有第一厚度。进行到610，将间隔物层沉积于所述第一自由层上，如针对图1的层114所展示。所述间隔物层由一种或若干种材料制成，且具有实质上抑制所述第一自由层与第二自由层之间的交换耦合的厚度。前进到612，将第二自由层(例如，图1的层116)沉积于间隔物层上。静磁耦合(但实质上未交换耦合)到第一自由层的第二自由层的存在导致用以改变MTJ装置的状态的较低切换电流。前进到614，将自旋力矩增强层沉积于第二自由层上或上方。移到616，将覆盖层沉积于所述第二自由层上。所述覆盖层(例如，图1的层122)形成自旋势垒或顶部电极，但并非为钉扎层。所述覆盖层122可由Ta、TaN或Ru形成。覆盖层的实例厚度为0.2nm到200nm。
注意，本文中所描述的层中的任一者或一者以上可使用气相沉积工艺、真空蒸发工艺或其它合适的沉积工艺来沉积。
如本文中所描述的MTJ装置可位于形成磁性随机存取存储器阵列的多个存储器单元中的每一者中。在一个实施例中，MTJ装置在自旋转移力矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)的单元中。在存储器阵列的每一单元中，MTJ装置被置于一种状态中以存储逻辑“1”值，且被置于相反状态中以存储逻辑“0”值。可通过在形成单元的MTJ装置上施加电流而将存储器单元置于一种状态或另一状态中。
前文揭示的MTJ及存储器装置及功能性可经设计并配置成存储在计算机可读媒体上的计算机文件(例如，RTL、GDSII、GERBER等)中。可将一些或所有此些文件提供给基于此些文件来制造装置的制造处置者。所得产品包括半导体晶片，其接着被切割成半导体裸片并被封装到半导体芯片中。所述芯片接着用于电子装置中。
图7描绘电子装置制造工艺700的特定说明性实施例。在制造工艺700中，例如在研究计算机706处接收物理装置信息702。物理装置信息702可包括表示半导体装置(例如包括存储器单元的存储器装置，所述存储器单元包括具有如图1及图2中所示的双自由层的MTJ装置)的至少一个物理性质的设计信息。举例来说，物理装置信息702可包括物理参数、材料特性及结构信息，其经由耦合到研究计算机706的用户接口704而输入。研究计算机706包括耦合到例如存储器710等计算机可读媒体的处理器708(例如一个或一个以上处理核心)。存储器710可存储可执行以致使处理器708变换物理装置信息702以符合文件格式并产生库文件712的计算机可读指令。
在一特定实施例中，库文件712包括包括经变换的设计信息的至少一个数据文件。举例来说，库文件712可包括半导体装置(包括MTJ装置)或存储器阵列(包括具有如图1或图2中所示的双自由层的MTJ装置)的库，其经提供以结合电子设计自动化(EDA)工具720使用。
库文件712可结合EDA工具720在包括耦合到存储器718的处理器716(例如一个或一个以上处理核心)的设计计算机714处使用。EDA工具720可存储为存储器718处的处理器可执行指令以使设计计算机714的用户能够设计使用库文件712的具有图1或图2的双自由层的MTJ装置的电路。举例来说，设计计算机714的用户可经由耦合到设计计算机714的用户接口724输入电路设计信息722。电路设计信息722可包括表示半导体装置(例如，图1或图2的MTJ装置)的至少一个物理性质的设计信息。为了说明，电路设计性质可包括特定电路及与电路设计中的其它元件的关系的识别、定位信息、特征尺寸信息、互连信息或表示半导体装置的物理性质的其它信息。
设计计算机714可经配置以变换设计信息(包括电路设计信息722)以符合文件格式。为了说明，所述文件格式可包括呈层级格式(例如，图形数据系统(GDSII)文件格式)的表示平面几何形状、文本标签及关于电路布局的其它信息的数据库二进制文件格式。设计计算机714可经配置以产生包括经变换的设计信息的数据文件，例如包括描述具有图1或图2的双自由层的MTJ装置的信息的GDSII文件726。为了说明，数据文件可包括对应于包括具有图1或图2的双自由层的MTJ装置且还包括芯片上系统(SOC)内的额外电子电路及组件的SOC的信息。
可在制造工艺728处接收GDSII文件726以根据GDSII文件726中的经变换信息来制造图1或图2的MTJ装置。举例来说，装置制造工艺可包括将GDSII文件726提供给掩模制造商730以产生例如待用于光刻处理的掩模的一个或一个以上掩模(说明为代表性掩模732)。掩模732可在制造工艺期间使用以产生一个或一个以上晶片734，晶片可经测试并分成裸片，例如代表性裸片736。裸片736包括包含图1或图2的MTJ装置的电路。
可将裸片736提供给封装工艺738，其中裸片736被并入到代表性封装740中。举例来说，封装740可包括单个裸片736或多个裸片，例如系统级封装(SiP)布置。封装740可经配置以符合一个或一个以上标准或规格，例如电子装置工程联合委员会(JointElectronDeviceEngineeringCouncil(JEDEC))标准。
关于封装740的信息可例如经由存储在计算机746处的组件库而散布给各个产品设计者。计算机746可包括耦合到存储器750的处理器748(例如一个或一个以上处理核心)。印刷电路板(PCB)工具可存储为存储器750处的处理器可执行指令以处理经由用户接口744从计算机746的用户接收的PCB设计信息742。PCB设计信息742可包括经封装半导体装置在电路板上的物理定位信息。经封装半导体装置对应于包括具有图1或图2的双自由层的MTJ装置的封装740。
计算机746可经配置以变换PCB设计信息742以产生数据文件，例如GERBER文件752，其具有包括经封装半导体装置在电路板上的物理定位信息以及例如迹线及通孔等电连接的布局的数据，其中经封装半导体装置对应于包括具有图1或图2的双自由层的MTJ装置的封装740。在其它实施例中，由经变换的PCB设计信息产生的数据文件可具有不同于GERBER格式的格式。
GERBER文件752可在板组装工艺754处被接收并用以产生根据存储在GERBER文件752中的设计信息而制造的PCB(例如代表性PCB756)。举例来说，可将GERBER文件752上载到一个或一个以上机器以用于执行PCB生产工艺的各个步骤。可用包括封装740的电子组件来填充PCB756以形成代表性印刷电路组合件(PCA)758。
PCA758可在产品制造工艺760处被接收并集成到一个或一个以上电子装置(例如，第一代表性电子装置762及第二代表性电子装置764)中。作为说明性非限制实例，第一代表性电子装置762、第二代表性电子装置764或两者可选自机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信装置、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元及计算机的群组。作为另一说明性非限制实例，电子装置762及764中的一者或一者以上可为例如移动电话等远程单元、手持式个人通信系统(PCS)单元、例如个人数据助理等便携式数据单元、具全球定位系统(GPS)功能的装置、导航装置、例如仪表读取设备等固定位置数据单元、或存储或检索数据或计算机指令的任何其它装置或其任何组合。本发明不限于这些示范性所说明单元。本发明的实施例可合适地用于包括有源集成电路(包括存储器)的任一装置中。
因而，如在说明性工艺700中所描述，图1或图2的MTJ装置可经制造、处理并并入电子装置中。关于图1到图2所揭示的实施例的一个或一个以上方面可包括在各个处理阶段(例如在库文件712、GDSII文件726及GERBER文件752中)，以及存储在研究计算机706的存储器710、设计计算机714的存储器718、计算机746的存储器750、用在各个阶段(例如，在板组装工艺754)的一个或一个以上其它计算机或处理器(未图示)的存储器处，且还并入到例如掩模732、裸片736、封装740、PCA758、例如原型电路或装置(未图示)等其它产品或其任何组合的一个或一个以上其它物理实施例中。尽管描绘了从物理装置设计到最终产品的各个代表性生产阶段，但在其它实施例中可使用较少阶段或可包括额外阶段。类似地，可通过单个实体或通过执行工艺700的各个阶段的一个或一个以上实体来执行工艺700。
所属领域的技术人员将进一步了解，结合本文中所揭示的实施例而描述的各种说明性逻辑块、配置、模块、电路及算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。上文已大体按其功能性描述了各种说明性组件、块、配置、模块、电路及步骤。将此功能性实施为硬件还是软件取决于特定应用及强加于整个系统的设计约束。所属领域的技术人员可针对每一特定应用以不同方式实施所描述的功能性，但此些实施决策不应被解释为会引起脱离本发明的范围。
结合本文中所揭示的实施例而描述的方法或算法的步骤可直接体现于硬件中、由处理器执行的软件模块中，或两者的组合中。软件模块可驻存在随机存取存储器(RAM)(包括MRAM及STT-MRAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、硬盘、可装卸磁盘、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)，或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。示范性存储媒体耦合到所述处理器，使得所述处理器可从所述存储媒体读取信息及将信息写入到所述存储媒体。在替代方按中，存储媒体可与处理器成一体式。所述处理器及所述存储媒体可驻存在专用集成电路(ASIC)中。所述ASIC可驻存在计算装置或用户终端中。或者，所述处理器及所述存储媒体可作为离散组件驻存在计算装置或用户终端中。
提供所揭示的实施例的先前描述是为了使所属领域的技术人员能够制作或使用所揭示的实施例。所属领域的技术人员将容易明白对这些实施例的各种修改，且可在不脱离本发明的范围的情况下将本文中所定义的原理应用于其它实施例。本发明无意限于本文中所展示的实施例，而应被赋予可能与如由所附权利要求书定义的原理及新颖特征一致的最宽范围。

Claims (36)

1.一种磁性隧道结装置，其包含：
半导体装置，其包含：
第一自由层；
第二自由层；
自旋力矩增强层；及
在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层，所述间隔物层包含材料且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度，其中所述间隔物层包括至少两个层，且其中所述第一自由层静磁地耦合到所述第二自由层，其中所述间隔物层的所述厚度为至少8埃。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第一自由层包含CoFeB。
3.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第二自由层包含NiFe。
4.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其进一步包含合成反铁磁SAF层。
5.根据权利要求4所述的磁性隧道结装置，其进一步包含反铁磁AFM钉扎层以钉扎所述SAF层中的磁场的方向。
6.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述间隔物层的所述厚度为至少10埃。
7.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述间隔物层的材料包含Ta及MgO中的一者。
8.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第二自由层的厚度大于所述第一自由层的厚度。
9.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述磁性隧道结装置是在存储器单元中，且其中经由所述磁性隧道结装置的写入电流改变存储在所述存储器单元中的数据值。
10.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第一自由层中的磁致伸缩由所述第二自由层减少。
11.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第一自由层中的第一磁矩与所述第二自由层中的第二磁矩反平行。
12.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其进一步包含覆盖层，所述覆盖层邻近于所述自旋力矩增强层，并且形成自旋势垒但并非钉扎层。
13.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其进一步包含在所述自旋力矩增强层与所述第二自由层之间的自旋累积层。
14.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第一自由层的厚度在15埃与20埃之间。
15.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第二自由层的厚度在10埃与60埃之间。
16.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其中所述第二自由层的厚度在15埃与40埃之间。
17.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其集成在至少一个半导体裸片中。
18.根据权利要求1所述的磁性隧道结装置，其进一步包含选自由所述半导体装置所集成到其中的以下各项所组成的群组的装置：机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信装置、个人数字助理PDA、固定位置数据单元及计算机。
19.一种用于形成磁性隧道结装置的设备，其包含：
第一自由层；
第二自由层；及
用于提供在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层的装置，其中所述间隔物层实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合，其中所述间隔物层包括至少两个层，且其中所述第一自由层静磁耦合到所述第二自由层，其中所述第一自由层的磁矩相对于固定层的对准是由经由所述第一自由层及所述第二自由层的写入电流控制，其中所述间隔物层的所述厚度为至少8埃。
20.一种制造磁性隧道结装置的方法，所述方法包含：
在磁性隧道结结构的隧道势垒层上沉积第一自由层，所述第一自由层包含磁性可穿透材料且具有第一厚度；
在所述第一自由层上沉积间隔物层，所述间隔物层包含实质上非磁性可穿透绝缘体材料且具有实质上抑制所述第一自由层与第二自由层之间的交换耦合的第二厚度，其中所述间隔物层包括至少两个层，且其中所述间隔物层的所述厚度为至少8埃；
在所述间隔物层上沉积第二自由层，所述第二自由层包含磁性可穿透材料且具有第三厚度；及
在所述第二自由层上方沉积自旋力矩增强层，所述自旋力矩增强层具有第四厚度。
21.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含在衬底与所述第一自由层之间沉积合成反铁磁SAF层。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包含在所述衬底与所述SAF层之间沉积反铁磁AFM钉扎层。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一自由层包含铁合金。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述第二自由层包含铁合金。
25.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一自由层、所述第二自由层及所述间隔物层中的至少一者是通过气相沉积工艺来沉积。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述间隔物层的第一层包含Ta、Mg、MgO、Ru、AlCu、AlRu、AlAg、TaMg、TaRu、MgOTa、MgTa以及RuTa中的至少一者。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述间隔物层包含AlCu、AlRu及AlAg中的一者。
28.一种用于制造磁性隧道结装置的方法，其包含：
用于在磁性隧道结结构的隧道势垒层上沉积第一自由层的第一步骤，所述第一自由层包含磁性可穿透材料且具有第一厚度；
用于在所述第一自由层上沉积间隔物层的第二步骤，所述间隔物层包含实质上非磁性可穿透绝缘体材料且具有实质上抑制所述第一自由层与第二自由层之间的交换耦合的第二厚度，其中所述间隔物层包括至少两个层，其中所述间隔物层的所述厚度为至少8埃；
用于在所述间隔物层上沉积第二自由层的第三步骤，所述第二自由层包含磁性可穿透材料；及
用于在所述第二自由层上沉积自旋力矩增强层的第四步骤。
29.一种用于制造磁性隧道结装置的方法，其包含：
接收表示半导体装置的至少一个物理性质的设计信息，所述半导体装置包括：
第一自由层；
第二自由层；
自旋力矩增强层；
在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层，所述间隔物层包含材料且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度，其中所述间隔物层包括至少两个层，且其中所述第一自由层静磁耦合到所述第二自由层，其中所述间隔物层的所述厚度为至少8埃；
变换所述设计信息以符合文件格式；及
产生包括所述经变换的设计信息的数据文件。
30.一种用于制造磁性隧道结装置的方法，其包含：
接收包括对应于半导体装置的设计信息的数据文件，其中所述半导体装置包括：
第一自由层；
第二自由层；
自旋力矩增强层；
在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层，所述间隔物层包含材料且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度，其中所述间隔物层包括至少两个层，且其中所述第一自由层静磁耦合到所述第二自由层，其中所述间隔物层的所述厚度为至少8埃；及
根据所述设计信息制造所述半导体装置。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述数据文件具有GDSII格式。
32.一种用于制造磁性隧道结装置的方法，其包含：
接收包括经封装半导体装置在电路板上的物理定位信息的设计信息，所述经封装半导体装置包括半导体结构，其包含：
第一自由层；
第二自由层；
自旋力矩增强层；
在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层，所述间隔物层包含材料且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度，其中所述间隔物层包括至少两个层，且其中所述第一自由层静磁耦合到所述第二自由层，其中所述间隔物层的所述厚度为至少8埃；及
变换所述设计信息以产生数据文件。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述数据文件具有GERBER格式。
34.一种用于制造磁性隧道结装置的方法，其包含：
接收具有包括经封装半导体装置在电路板上的物理定位信息的设计信息的数据文件；及
根据所述设计信息制造经配置以接纳所述经封装半导体装置的所述电路板，其中所述经封装半导体装置包含：
第一自由层；
第二自由层；
自旋力矩增强层；及
在所述第一自由层与所述第二自由层之间的间隔物层，所述间隔物层包含材料且具有实质上抑制所述第一自由层与所述第二自由层之间的交换耦合的厚度，其中所述间隔物层包括至少两个层，且其中所述第一自由层静磁耦合到所述第二自由层，其中所述间隔物层的所述厚度为至少8埃。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述数据文件具有GERBER格式。
36.根据权利要求34所述的方法，其进一步包含将所述电路板集成到选自由以下各项组成的群组的装置中：机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信装置、个人数字助理PDA、固定位置数据单元及计算机。
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