适于BEOL集成的修改的双磁隧道结结构的制作方法

适于beol集成的修改的双磁隧道结结构


背景技术：

1.本发明涉及磁阻随机存取存储器(mram)。更具体地，本发明涉及修改的(modified)双磁隧道结(mdmtj)结构，其能够修改自旋转移矩(stt)mram的性能并且能够集成到半导体技术(诸如cmos技术)的后段制程(beol)处理中。
2.mram是非易失性随机存取存储器技术，其中通过磁性存储元件存储数据。这些元件通常由两个铁磁板形成，每个铁磁板可保持磁化，由薄介电层(即，隧道势垒)隔开。两个板中的一者(即，磁性参考层或钉扎层)是磁体，该磁体的磁矩方向被设定为特定方向；另一板(即，磁性自由层)的磁化可在至少两个不同方向上改变，从而表示不同数字状态，诸如用于存储器的0和1。在mram中，此类元件可被称作磁性隧道结(mtj)结构。图1示出了现有技术的mtj结构10，其包括磁性参考层12、隧道势垒层14和磁性自由层16。磁性参考层12中所示的唯一箭头示出了该层的可能取向，并且磁性自由层16中的两个箭头示出了该层中的取向可被切换。
3.在图1的mtj结构10中，磁性参考层12的磁化被固定在一个方向上(比如指向上)，而磁性自由层16的方向可以通过一些外力(诸如磁场或产生充电电流的自旋转移扭矩)“切换”。可以使用(任一极性的)较小电流来读取器件的电阻，这取决于磁性自由层16和磁性参考层12的磁化的相对取向。当磁化反平行时，电阻通常较高，并且当磁化平行时，电阻较低(尽管根据材料可颠倒)。
4.可使用图1中所示的mtj结构10的一种类型的mram是sttmram。stt mram具有比使用磁场来翻转有源元件的常规mram更低的功耗和更好的可扩展性的优点。在sttmram中，自旋转移矩被用于翻转(切换)磁性自由层的取向。对于stt mram装置，穿过mtj结构的电流用于切换或“写入”mtj存储器元件的位状态。向下穿过mtj结构的电流使得磁性自由层16平行于磁参考层12，而向上穿过mtj结构的电流使得磁性自由层16反平行于磁参考层12。
5.在stt mram中，期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。将切换电流减小约2x的一种方法是如图2所示的双磁隧道结(dmtj)结构20的概念。图2的dmtj结构20包括第一磁性参考层22、第一隧道势垒层24、磁性自由层26、第二隧道势垒层28和第二磁性参考层30。第一磁性参考层22和第二磁性参考层30中的每中所示的唯一箭头解说了该层的可能取向，并且磁性自由层26中的两个箭头解说该层中的取向可被切换。图2中所示的dmtj结构的一个缺点是，虽然它减小了切换电流，但它也减小了隧道磁阻(tmr)，妨碍了器件的有效读出。
6.因此需要提供具有减小的切换电流的dmtj结构，同时减轻结构内tmr的减小，使得dmtj结构表现出高效的切换(在低电流下)和快速的读出(高tmr)。


技术实现要素：

7.提供了修改的双磁隧道结(mdmtj)结构，其包括夹在磁性自由层和第一隧道势垒层之间的非磁性自旋导电金属层；所述第一隧道势垒层接触第一磁性参考层。第二隧道势垒层位于磁性自由层上，并且第二磁性参考层位于第二隧道势垒层上。本发明的mdmtj结构
展现有效切换(在低电流下)和快速读出(高tmr)。“低电流”是指小于典型的单个mtj器件为了实现相同的无误差写入所需的电流的电流。在一些实施例中，低电流可以达到或低于20至50μa。“高tmr”是指比典型的dmtj器件实现的隧道磁阻值更大的隧道磁阻。在一些实施例中，高tmr可达到或超过100％-200％。
8.在本发明的一个方面中，提供展现有效切换和快速读出的mdmtj结构。在一个实施例中，mdmtj结构包括第一磁性参考层、具有接触第一磁性参考层的表面的第一表面的第一隧道势垒层，非磁性自旋导电金属层，具有接触所述第一隧道势垒层的第二表面的第一表面，所述第二表面与所述第一隧道势垒层的所述第一表面相对，磁性自由层，所述磁性自由层具有接触所述非磁性自旋导电金属层的第二表面的第一表面，所述第二表面与所述非磁性自旋导电金属层的所述第一表面相对，第二隧道势垒层，所述第二隧道势垒层具有与所述磁性自由层的第二表面接触的第一表面，所述第二表面与所述磁性自由层的所述第一表面相对，以及第二磁性参考层，具有接触第二隧道势垒层的第二表面的第一表面，所述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。
9.在本发明的另一方面中，提供一种sttmtj存储器元件。在一个实施例中，sttmtj存储器元件包括夹在第一电极与第二电极之间的mdmtj结构。mdmtj结构包括第一磁性参考层、具有接触第一磁性参考层的表面的第一表面的第一隧道势垒层、非磁性体，自旋导电金属层，具有与所述第一隧道势垒层的第二表面接触的第一表面，所述第二表面与所述第一隧道势垒层的所述第一表面相对，磁性自由层，所述磁性自由层具有接触所述非磁性自旋导电金属层的第二表面的第一表面，所述第二表面与所述非磁性自旋导电金属层的所述第一表面相对，第二隧道势垒层，所述第二隧道势垒层具有与所述磁性自由层的第二表面接触的第一表面，所述第二表面与所述磁性自由层的所述第一表面相对，以及第二磁性参考层，具有接触第二隧道势垒层的第二表面的第一表面，所述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。
10.在本发明的另一方面中，提供一种形成mdmtj结构的方法。在一个实施例中，该方法包括形成mdmtj结构的下部材料叠层，其中下部材料叠层从底部到顶部包括第一磁性参考层、第一隧道势垒层和非磁性自旋传导金属层。接下来，mdmtj结构的上部材料叠层形成在mdmtj结构的下部材料叠层的物理暴露的最顶面上，其中上部材料叠层从底部到顶部包括磁性自由层、第二隧道势垒层、磁性自由层和第二磁性参考层。在该实施例中，磁性自由层与非磁性自旋传导金属层形成界面。
11.在一些实施例中，并且为了避免表面污染，上部材料堆叠体包括与下部材料堆叠体的非磁性自旋导电金属层相同的非磁性自旋导电金属材料的另一非磁性自旋导电金属层，其中，上部材料堆叠体的另一非磁性自旋导电金属层与下部材料堆叠体的非磁性自旋导电金属层形成界面。
12.在另一实施例中，该方法包括形成mdmtj结构的下部材料堆叠体，其中下部材料堆叠体从底部到顶部包括第二磁性参考层、第二隧道势垒层和磁性自由层。接下来，mdmtj结构的上部材料叠层形成在mdmtj结构的下部材料叠层的物理暴露的最顶面上，其中上部材料叠层从下至上包括非磁性自旋导电金属层、第一隧道势垒层和第一磁性参考层。在该实施例中，上部材料堆叠体的非磁性、自旋导电金属层与下部材料堆叠体的磁性自由层的表面直接接触。
13.在一些实施例中，并且为了避免表面污染，下部材料堆叠体包括与上部材料堆叠体的非磁性自旋导电金属层相同的非磁性自旋导电金属材料的另一非磁性自旋导电金属层，其中下部材料堆叠体的另一非磁性自旋导电金属层与上部材料堆叠体的非磁性自旋导电金属层形成界面。
14.将非磁性、自旋传导金属材料的形成解耦成两个单独的层的本发明的方法允许在材料和生长工程和制造优化方面具有更大的灵活性。
附图说明
15.图1是现有技术mtj结构的横截面视图。
16.图2是现有技术dmtj结构的剖视图。
17.图3是根据本发明的实施例的mdmtj结构的截面图。
18.图4是可以用于图3所示的第一磁性参考层和第二磁性参考层中的一者或两者的磁性参考层的横截面图，该磁性参考层包括下部磁性参考层、合成反铁磁性耦合层和上部磁性参考层；在这样的应用中，图3中示出的参考层力矩方向对应于与隧道势垒接触的合成反铁磁耦合层的一层的力矩方向。
19.图5a是根据本发明的另一实施例的mdmtj结构的截面图。虚线表示非磁性、自旋导电金属层的下部与非磁性、自旋导电金属层的上部生长之间的可能“断开”点。
20.图5b是根据本发明的另一实施例的mdmtj结构的截面图。虚线表示非磁性、自旋导电金属层的下部与非磁性、自旋导电金属层的上部生长之间的可能“断开”点。
21.图6是根据本发明的实施例的mdmtj结构的截面图。
22.图7a是根据本发明的另一实施例的mdmtj结构的截面图。虚线表示非磁性、自旋导电金属层的下部与非磁性、自旋导电金属层的上部生长之间的可能“断开”点。
23.图7b是根据本发明的另一实施例的mdmtj结构的截面图。虚线表示非磁性、自旋导电金属层的下部与非磁性、自旋导电金属层的上部生长之间的可能“断开”点。
具体实施方式
24.现在将参考附图更详细地描述本发明的实施例。应注意，提供附图仅用于说明性目的，并且因此，附图未按比例绘制。还应注意，相同和对应的元件由相同的附图标记指代。
25.在以下描述中，阐述了许多具体细节，例如具体结构、部件、材料、尺寸、处理步骤和技术，以便提供对本发明的各种实施例的理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的各种实施例。在其他情况下，为了避免模糊本发明，未详细描述公知的结构或处理步骤。
26.将理解，当作为层、区域或基板的元件被称为“在”另一元件“上”或“上方”时，其可直接在另一元件上，或者也可存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接在另一元件上”时，则不存在中间元件。还应当理解的是，当元件被称为在另一元件“之下”(beneath)或“之下”(under)时，其可以直接在另一元件之下(beneath)或之下(under)，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件下方(beneath)”或“直接在另一元件下方(under)”时，则不存在中间元件。
27.本发明提供了mdmtj结构100，如例如在图3、5a、5b、6、7a和7b中示出的，mdmtj结构
100可以集成在beol中并且用作stt mram的部件。本发明的mdmtj结构100并且如例如在图3、5a、5b、6、7a和7b中示出的包括第一磁性参考层102、具有接触第一磁性参考层102的表面的第一表面的第一隧道势垒层104，非磁性的自旋导电金属层106，具有接触第一隧道势垒层104的与第一隧道势垒层104的第一表面相对的第二表面的第一表面，磁性自由层108，该磁性自由层108具有与非磁性的自旋导电金属层106的第二表面接触的第一表面，该第二表面与非磁性的第一表面相对，自旋导电金属层106，第二隧道势垒层110，具有接触磁性自由层108的第二表面的第一表面，第二表面与磁性自由层108的第一表面相对，第二磁性参考层112，具有接触第二隧道势垒层110的第二表面的第一表面，所述第二表面与第二隧道势垒层110的第一表面相对。
28.非磁性、自旋导电金属层106是具有长自旋翻转散射寿命的自旋保存金属材料。当隧穿穿过第一隧道势垒层104时，非磁性、自旋导电金属层106接收由第一磁性参考层102极化的自旋电流，并有效地将该自旋电流传输到磁性自由层108以辅助stt感应切换。同时，非磁性的自旋导电金属层106在非磁性的自旋导电金属层106与第一隧道势垒层104之间的界面处将态密度(dos)的自旋极化减小到接近于零。因此，横跨第一隧道阻挡层104的磁阻减小到零，从而避免了困扰现有技术dmtj结构的磁阻消除效应，例如如图2所示。
29.在非磁性、自旋导电金属层106与第一隧道阻挡层104之间的界面处的dos自旋极化的这种减小还显著地减小了具有由可以进入第一磁性参考层102的磁性自由层108限定的极化的自旋电流，因此减小了自旋力矩以及来自磁性自由层108的对磁性参考层102的stt相关干扰。因此，本发明的mdmtj结构100展现有效切换(在如上定义的低电流下)、快速读出(如上定义的高tmr)以及对参考层(102)的磁性状态上的电势干扰(也可以引起写入错误的干扰)的减少。
30.在图5a-5b和7a-7b所示的实施例中，第一隧道阻挡层104具有大于第二隧道阻挡层110的横向尺寸的横向尺寸(即，宽度或柱直径)。第一隧道势垒层104和第二隧道势垒层110之间的横向尺寸的这种差异减小了对第一隧道势垒层104具有面积比电阻的超低值(即，电阻面积积(product)或ra)的需求。这还通过减小对mdmtj结构100的整体增加的电阻来帮助保持高tmr信号。
31.本发明的mdmtj结构100允许第一隧道势垒104在较低电流密度下操作，减轻了超过重复写入操作的器件耐久性的担忧。由于随着操作电流密度(和电压)增加，这种耐久性趋于快速劣化，因此总隧道电阻和隧道电流密度(通过增加的面积)的减小是耐久性修改的有利方向。
32.首先参考图3，图示了根据本发明的实施例的mdmtj结构100。图3的mdmtj结构100包括第一磁性参考层102、接触第一磁性参考层102的表面的第一隧道势垒层104、接触第一隧道势垒层104的表面的非磁性自旋传导金属层106、接触非磁性自旋传导金属层106的表面的磁性自由层108、接触磁性自由层108的表面的第二隧道势垒层110和接触第二隧道势垒层110的表面的第二磁性参考层112。如所示，图3的mdmtj结构100位于第一电极90与第二电极120之间。mdmtj结构100、第一电极90和第二电极120共同地提供sttmtj存储器元件。
33.尽管在图3或者任何其余附图中未描绘，mdmtj结构100可以嵌入在beol中存在的不同电介质材料层中，包括互连电介质材料。尽管图3或其余附图中的任一附图中未描绘，但包含非mram的设备区域可定位成横向邻近于附图中描绘的包含mram的设备区域。
34.第一电极90可以存在于导电结构(例如，含铜结构)的表面上(凹陷的或非凹陷的)，该导电结构被嵌入在beol中存在的互连层级之一的互连介电材料层中。第一电极90可以由ta、tan、ti、tin、ru、run、ruta、rutan、co、cowp、con、w、wn或其任何组合组成。第一电极90还可以由任何其他众所周知的电极材料构成。第一电极90可以具有从2nm到25nm的厚度；其他厚度是可能的并且可以用作第一电极90的厚度。第一电极90可以通过例如溅射、原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或物理气相沉积(pvd)的沉积工艺形成。在沉积提供第一电极90的导电材料之后，可以进行深蚀刻工艺、平坦化工艺(例如，化学机械抛光或cmp)或图案化工艺(例如，光刻和蚀刻)。
35.接下来并且如图3中所示，mdmtj结构100形成在第一电极90上。在图3中，第一磁性参考层102位于mdmtj结构100的底部部分处，并且第二磁性参考层112位于mdmtj结构100的顶部部分处。在图3中，第一磁性参考层102、第一隧道势垒层104和非磁性自旋传导金属层106中的每一个具有第一横向尺寸，并且磁性自由层108、第二隧道势垒层110和第二磁性参考层112中的每一个具有与第一横向尺寸相同的第二横向尺寸。因此，图3中所示的mdmtj结构100中存在的不同层中的每个层具有彼此相关的、垂直对准或者与受控的侧壁斜率对准的最外侧壁。
36.mdmtj结构100的不同材料层能够通过利用一个或者多个沉积工艺来形成，诸如溅射、等离子体增强原子层沉积(peald)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或者包括磁控溅射的物理气相沉积(pvd)。在一些实施例中，可以在不破坏不同材料层的沉积之间的真空的情况下形成mdmtj结构100的不同材料层。在其他实施例中，mdmtj结构100的不同材料层可以通过在不同材料层中的一个或多个的沉积之间破坏真空来形成。在本发明的一些实施例中，在单独的沉积步骤中形成非磁性的自旋导电金属层106，使得形成非磁性的自旋导电金属层106的下部，之后形成非磁性的自旋导电金属层106的上部。非磁性、自旋导电金属层106的上部和下部由相同的非磁性、自旋导电金属材料构成。非磁性、自旋导电金属层106的存在使得在形成该材料层的中间打破真空是可行的，因为经由高温(诸如400℃)下的退火更容易“修复”相同材料的金属界面并且使界面相关的缺陷效应最小化。
37.第一磁性参考层102具有固定的磁化。第一磁性参考层102可以由包括在隧道势垒界面处呈现高自旋极化的一种或多种金属的金属或金属合金(或其叠层)组成。在替代实施例中，用于形成第一磁性基准层102的示范性金属包括铁、镍、钴、铬、硼或锰。示例性金属合金可以包括上述示例的金属。在另实施例中，第一磁性参考层102可以是多层布置，该多层布置具有(1)由金属和/或使用上述金属的金属合金形成的高自旋极化区域，以及(2)由表现出强垂直磁各向异性(强pma)的一种或多种材料构成的区域。可使用的具有强pma的示范性材料包括诸如钴、镍、铂、钯、铱或钌之类的金属，并且可被布置为交替层。强pma区域还可以包括表现出强本征或体(与界面相反)pma的合金，其中示例性合金包括钴-铁-铽、钴-铁-钆、钴-铬-铂、钴-铂、钴-钯、铁-铂、和/或铁-钯。合金可布置为交替层。在一个实施例中，这些材料和区域的组合也可被用作第一磁性参考层102。在一些实施例中，第一磁性参考层102可以包括下部磁性参考层、合成反铁磁性耦合层和上部磁性参考层。第一磁性参考层102的这个实施例将在下面关于图4更详细地描述。
38.第一隧道势垒层104被配置为当与非磁性的自旋导电金属层106接合时提供自旋电流，但不有助于与第二隧道势垒的tmr相对的tmr。第一隧道阻挡层104由诸如例如氧化
镁、氧化铝和氧化钛的绝缘体材料、或具有较高隧道电导同时保持自旋极化的材料(诸如半导体或低带隙绝缘体)组成。由于存在非磁性、自旋导电金属层106，第一隧道势垒层104的厚度不限于远低于第二隧道势垒110的电阻面积乘积，用于为整个mdmtj提供适当的隧道电阻。此外，并且在一些实施例中，第一隧道势垒层104具有比第二隧道势垒层110低的磁阻，以便不减小mdmtj堆叠的tmr的总量。
39.非磁性、自旋导电金属层106是具有长自旋翻转散射寿命的自旋保存金属材料。在本发明的一个实施例中，非磁性、自旋导电金属层106由诸如银(ag)、铜(cu)、金(au)、镁(mg)、铝(al)、铬(cr)、钒(v)的自旋导体或诸如银锡(ag-sn)合金的其合金构成。在一些实施例中，非磁性、自旋导电金属层106具有体心立方(bcc)晶体结构。在其他实施例中，非磁性、自旋导电金属层106具有面心立方(fcc)晶体结构。还可以考虑足以保持隧道电流穿过第一隧道阻挡层104的自旋极化的其他晶体结构。非磁性、自旋导电金属层106具有足以将接收到的自旋电流传输到磁性自由层108中的厚度。在一个实施例中，非磁性、自旋导电金属层106的厚度为20nm至55nm；尽管其他厚度也是可能的，只要非磁性、自旋导电金属层106的厚度足以将所接收的自旋电流传输到磁性自由层108中。
40.磁性自由层108可以由具有相对于第一磁性参考层102和第二磁性参考层112的磁化方向可以改变的方向的磁化的磁性材料(或磁性材料的叠层)组成。用于磁性自由层108的示范性磁性材料包括钴、铁、钴-铁的合金、镍、镍-铁的合金和钴-铁-硼的合金的合金和/或多层。
41.第二隧道势垒层110由绝缘体材料构成，并且以这样的厚度形成，以在磁性自由层108和第二磁性参考层112之间提供适当的隧穿电阻。用于第二隧道势垒层110的示范性材料包括氧化镁、氧化铝和氧化钛，或者具有较高隧道电导率的材料，诸如半导体或低带隙绝缘体。在一些实施例中，第二隧道阻挡层110由与第一隧道阻挡层104在组成上相同的绝缘体材料构成。在其他实施例中，第二隧道阻挡层110由与第一隧道阻挡层104在组分上不同的绝缘体材料构成。
42.第二磁性参考层112也具有固定的磁化。第二磁性参考层112可以由包括表现出高自旋极化的一种或多种金属的金属或金属合金(或其叠层)组成。在替代实施例中，用于形成第二磁性参考层112的示范性金属包括铁、镍、钴、铬、硼或锰。示例性金属合金可以包括上述示例的金属。在另一实施例中，第二磁性参考层112可以是具有(1)由金属和/或使用上述金属的金属合金形成的高自旋极化区域以及(2)由表现出强垂直磁各向异性(强pma)的材料构成的区域的多层布置。可使用的具有强pma的示范性材料包括诸如钴、镍、铂、钯、铱或钌之类的金属，并且可被布置为交替层。强pma区域还可以包括表现出强本征或体(与界面相反)pma的合金，其中示例性合金包括钴-铁-铽、钴-铁-钆、钴-铬-铂、钴-铂、钴-钯、铁-铂、和/或铁-钯。合金可布置为交替层。在一个实施例中，这些材料和区域的组合也可被用作第二磁性参考层112。在一些实施例中，第二磁性参考层112可以包括下部磁性参考层、合成反铁磁耦合层和上部磁性参考层。下文将关于图4更详细地描述第二磁性参考层112的该实施例。
43.第二电极120可以由导电金属材料之一构成，作为第一电极90。在一些实施例中，第二电极120可以由与第一电极90在组成上相同的导电金属材料构成。在另实施例中，第二电极120可以由与第一电极90在组分上不同的导电金属材料构成。第二电极120可以具有从
2nm至25nm的厚度；其他厚度是可能的并且可以用作第二电极120的厚度。第二电极120可以通过例如溅射、原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或物理气相沉积(pvd)的沉积工艺形成。
44.现在参考图4，示出了磁性参考层113，该磁性参考层113可用于图3中或图5a、5b、6、7a和7b中的任一个所示的第一磁性参考层102和第二磁性参考层112中的一个或两个。图4的磁性参考层113包括下部磁性参考层114、合成反铁磁耦合层116和上部磁性参考层118。下部磁性参考层114可以由用于第一或第二磁性参考层102、110的上述磁性材料中的一个组成。合成反铁磁耦合层116由可以反平行方式耦合磁性参考层113的下部和上部磁性层114、118的非磁性材料构成。可以用作合成反铁磁耦合层116的示范性非磁性材料包括但不限于钌
45.(ru)、铱(ir)或铑(rh)。在一个实施例中，合成反铁磁体耦合层116可以具有从0.2nm到1.2nm的厚度；但是其他厚度是可能的并且可以被用作合成反铁磁体耦合层116的厚度。上磁性参考层118可由上文针对第一或第二磁性参考层102、110提到的磁性材料之一组成。通常，上部磁性参考层118与下部磁性参考层114在组成上不同。
46.在一个实施例中，磁性参考层113被用作第二磁性参考层112，但不用作第一磁性参考层102。在另一实施例中，磁性参考层113被用作第二磁性参考层112和第一磁性参考层102两者。在又一实施例中，磁性参考层113被用作第一磁性参考层102，但不用作第二磁性参考层112。
47.现在参见图5a-5b，图示了根据本发明的其他实施例的mdmtj结构100。图5a-5b的mdmtj结构100包括如上定义的第一磁性参考层102、如上定义的接触第一磁性参考层102的表面的第一隧道势垒层104，如上文所限定的与第一隧道势垒层104的表面接触的非磁性自旋导电金属层106，如上文所限定的与非磁性表面接触的磁性自由层108，自旋导电金属层106、与磁性自由层108的表面接触的如上所定义的第二隧道势垒层110和第二磁性基准层112，如上所定义的，接触第二隧道势垒层110的表面。在图5a-5b中示出的mdmtj结构100图示其中第一磁性参考层102位于mdmtj结构的底部部分处并且第二磁性参考层112位于mdmtj结构的顶部部分处的实施例。
48.虽然未示出，但是图5a-5b的mdmtj结构100位于如上定义的第一电极与如上定义的第二电极之间。mdmtj结构100、第一电极和第二电极共同提供sttmtj存储器元件。
49.在图5a-5b和7a-7b中，水平虚线表示非磁性、自旋导电金属层106的下部与非磁性、自旋导电金属层106的上部生长之间的可能“断开”点。在图5a-5b和7a-7b所示的实施例中，第一隧道阻挡层104具有比第二隧道阻挡层110的横向尺寸大的横向尺寸。第一隧道势垒层104和第二隧道势垒层110之间的横向尺寸的差异减小了对隧道势垒的面积比电阻(即，电阻面积积或ra)的超低值的需求。这还通过减小对mdmtj结构100的整体增加的电阻来帮助保持高tmr信号。在图5a-5b和7a-7b中，非磁性、自旋导电金属层106具有比磁性自由层108更大的横向尺寸，这有助于消除器件中的电阻。
50.图5a示出了实施例，其中第一磁性参考层102、第一隧道势垒层104和非磁性自旋导电金属层106中的每一个具有第一横向尺寸，并且磁性自由层108、第二隧道势垒层110和第二磁性参考层112中的每一个具有小于第一横向尺寸的第二横向尺寸。
51.图5b示出了与图5a所示的实施例类似的实施例，不同之处在于，磁性自由层108位
于非磁性的自旋导电金属层106的基座部分上，非磁性的自旋导电金属层106的基座部分具有第二侧向尺寸，而非磁性的自旋导电金属层106的剩余部分具有第一侧向尺寸。基座部分被限定为从相同材料的剩余部分向上延伸的材料的一部分。在一些实施例中，通过使材料的未被某种类型的蚀刻掩模保护的部分凹进来创建基座部分。在图5b所示的该实施例中，非磁性、自旋导电金属层106的基座部分延伸到形成于互连介电材料层中的通孔开口的外部。
52.现在参见图6、7a和7b，图示了根据本发明的又其他实施例的mdmtj结构100。图6、7a和7b的mdmtj结构100中的每包括如上定义的第一磁性参考层102、如上定义的第一隧道势垒层104，接触第一磁性参考层102的表面，非磁性的自旋导电金属层106(如上文所定义的)接触第一隧道势垒层104的表面，如上文所限定的与非磁性自旋传导金属层106的表面接触的磁性自由层108，如上文所限定的与磁性自由层108的表面接触的第二隧道势垒层110，以及第二磁性参考层112，如上文所定义的，接触第二隧道势垒层110的表面。在图6、7a和7b中示出的mdmtj结构100图示其中第一磁性参考层102位于mdmtj结构的顶部部分处并且第二磁性参考层112位于mdmtj结构的底部部分处的实施例。
53.虽然未示出，图6、7a和7b的dmtj结构100位于如上定义的第一电极与如下定义的第二电极之间。mdmtj结构100、第一电极和第二电极共同提供sttmtj存储器元件。
54.图6示出了实施例，其中第一磁性参考层102、第一隧道势垒层104和非磁性自旋导电金属层106中的每一个具有第一横向尺寸，并且磁性自由层108、第二隧道势垒层110和第二磁性参考层112中的每一个具有与第一横向尺寸相同的第二横向尺寸。因此，图6中所示的mdmtj结构100中存在的各个层中的每个层具有彼此垂直对准的最外侧壁。
55.图7a示出了实施例，其中第一磁性参考层102、第一隧道势垒层104和非磁性自旋导电金属层106中的每一个具有第一横向尺寸，并且磁性自由层108、第二隧道势垒层110和第二磁性参考层112中的每一个具有小于第一横向尺寸的第二横向尺寸。
56.图7b示出了类似于图7a中所描绘的实施例的实施例，除了磁性自由层108接触延伸到存在于互连介电材料层中的过孔开口中的非磁性自旋传导金属层104的下部的表面，非磁性自旋传导金属层104的上部存在于过孔开口之外。延伸到过孔开口中的非磁性自旋导电金属层106的下部具有第二横向尺寸，并且非磁性自旋导电金属层106的上部具有第一横向尺寸。
57.图5a-5b和7a-7b中示出的mdmtj结构利用将mdmtj结构的下部材料堆叠的形成与mdmtj结构的上部材料堆叠解耦合的方法来形成。在一些实施例中，去耦包括在下部材料堆叠体和上部材料堆叠体中形成相同或相似的非磁性自旋导电金属材料的单独的非磁性自旋导电材料层。这种解耦允许在材料和生长工程和制造优化方面具有更大的灵活性。
58.在一个实施例中，能够用于提供在图5a和5b中示出的mdmtj结构100的方法包括形成第一磁性参考层102、第一隧道势垒层104和非磁性、自旋导电金属层106的下部的下部材料叠层，并且此后下部材料叠层被光刻图案化成柱形。接下来，与柱相邻且在柱上方共形地横向形成互连介电材料层，并且随后在非磁性自旋导电金属层106的图案化下部上停止形成过孔开口。然后通过例如化学机械抛光使该结构平坦化，以去除过量的非磁性、自旋导电金属材料，用平滑的非磁性、自旋导电金属表面暴露过孔的顶部。非磁性自旋导电材料的附加层(形成非磁性自旋导电层106的上部)、磁性自由层108、第二隧道势垒层110和第二磁性
参考层112的上部材料堆叠随后形成在包含元件102/104的经处理的下部材料堆叠和非磁性自旋导电金属层106的下部上并且在过孔开口上方。包含非磁性、自旋导电金属层106和元件106/108/110/112的上部的上部材料堆叠随后可被光刻图案化到mtj存储器的期望直径和深度，蚀刻在电介质表面处停止。经图案化的上部材料堆叠体的直径可以不同于并且优选地小于过孔下方的第一材料堆叠体的柱直径。
59.在另一实施例中，能够用于提供图7a和7b中示出的mdmtj结构100的方法包括形成mdmtj结构的下部材料堆叠，即第二磁性参考层112、第二隧道势垒层110、磁性自由层108和非磁性自旋导电层106的下部。此后，下部材料堆叠112/110/108和106的下部被光刻图案化成mtj存储器的期望直径的柱。然后，横向邻近于并且在支柱上方共形沉积互连介电材料。接下来，在包含元件112/110/108的下部材料堆叠和106的下部的柱的顶部上创建过孔开口，暴露非磁性自旋导电层106的下部的表面。非磁性、自旋导电金属层106、第一隧道势垒104和第一磁性参考层的上部部分的上部材料叠置体形成在过孔开口上方。该上部材料叠层然后被光刻图案化到优选地大于通孔状开口下方的下部材料叠层的直径。
60.虽然已经相对于其优选实施例具体地示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以对形式和细节做出前述和其他改变。因此，本发明旨在不限于所描述和展示的确切形式和细节，而是落入所附权利要求书的范围内。