[發(fā)明專利]具有輔助層的磁性疊層

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080019289.1
• 申請日: 2010-04-27
• 公開（公告）號: CN102414756A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: Y·鄭;習(xí)海文;丁元俊;X·馮;X·婁;Z·高
• 申請（專利權(quán)）人: 希捷科技有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;H01F10/32
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 劉佳

背景

普及性計算和手持/通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展引起對大容量非易失性固態(tài)數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和旋轉(zhuǎn)磁性數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的爆炸式需求。類似閃存的當(dāng)前技術(shù)具有若干缺點，例如低存取速度、有限的壽命、和集成難度。閃存(NAND或NOR)還面對縮放問題。同時，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)存儲面對面密度以及使類似讀取/記錄頭的組件更小和更可靠的挑戰(zhàn)。

電阻感測存儲器(RSM)通過將數(shù)據(jù)位存儲為高電阻狀態(tài)或低電阻狀態(tài)，是未來非易失性和通用存儲器的有前途候選。一種這樣的存儲器是磁性隨機存取存儲器(MRAM)，它的特征在于非易失性、快速寫入/讀取速度、幾乎無限制的編程壽命和零待機功率。MRAM的基本組件是磁性隧穿結(jié)(MTJ)。MRAM通過使用電流感生磁場來切換MTJ的磁化，從而切換MTJ電阻。隨著MTJ尺寸縮小，切換磁場振幅增大且切換變化變得更劇烈。

然而，在這樣的磁性存儲器疊層能夠可靠地用作存儲器器件或場傳感器之前，必須克服許多產(chǎn)量限制因素。因此，具有減小的切換電流和增加的熱穩(wěn)定性的磁性存儲器疊層是所期望的。

發(fā)明內(nèi)容

本公開涉及磁性單元，例如自旋力矩存儲器單元或磁性隧道結(jié)單元，這些單元具有與晶片平面垂直對準(zhǔn)的或“平面外的”關(guān)聯(lián)鐵磁層的磁各向異性和磁化方向。這些單元包括輔助層。

本公開的一個特定實施例是具有鐵磁自由層和鐵磁被釘扎參考層的磁性單元，每個層具有平面外磁各向異性和平面外磁化方向并可經(jīng)由自旋力矩切換。該單元包括鐵磁輔助層，其具有不大于約500Oe的低磁各向異性。該輔助層可具有平面內(nèi)或平面外各向異性。

本公開的另一特定實施例是襯底上的磁性存儲器單元。存儲器單元具有鐵磁自由層，該鐵磁自由層具有垂直于襯底的平面外磁各向異性和平面外磁化方向，并可經(jīng)由自旋力矩切換。該單元還具有第一鐵磁被釘扎參考層，該第一鐵磁被釘扎參考層具有垂直于襯底的平面外磁各向異性和平面外磁化方向，以及自由層和第一參考層之間的氧化物阻擋層。還包括具有低磁各向異性的接近自由層的鐵磁輔助疊層，該輔助疊層包括輔助層，該輔助層具有小于約1000emu/cc的磁矩和在來自電流的電子流方向上旋轉(zhuǎn)的磁化方向。

本公開的另一特定實施例是一種寫入磁性單元的方法。該方法包括使電流通過磁性單元，該磁性單元包括自由層和參考層，每個層具有平面外各向異性和磁化方向，并且電流具有電子流方向。該方法包括在電子流方向上旋轉(zhuǎn)接近自由層的輔助層的磁化方向，該輔助層具有不大于約500Oe的磁各向異性。這導(dǎo)致自由層的磁化方向在電子流方向上取向。

通過閱讀下面的詳細(xì)描述，這些以及各種其它的特征和優(yōu)點將會顯而易見。

附圖簡述

考慮以下聯(lián)系附圖對本公開的各種實施例的詳細(xì)描述，能更完整地理解本公開，在附圖中：

圖1A是具有平面外磁化方向和輔助層的磁性單元的示意側(cè)視圖；圖1B是磁性單元的替換實施例的示意側(cè)視圖；圖1C是磁性單元的另一替換實施例的示意側(cè)視圖；

圖2是包括存儲器單元和半導(dǎo)體晶體管的示例性存儲器組件的示意圖；

圖3是具有平面外磁化方向和輔助層的磁性單元的另一實施例的示意側(cè)視圖；以及

圖4A是具有輔助層的磁性單元的示意側(cè)視圖，該疊層處于高電阻狀態(tài)；以及圖4B是處于低電阻狀態(tài)的磁性單元的示意側(cè)視圖。

這些附圖不一定按比例示出。附圖中使用的相同數(shù)字表示相同部件。然而，將理解在給定附圖中使用數(shù)字來指代部件不旨在限制另一附圖中用同一數(shù)字標(biāo)記的部件。

詳細(xì)描述

本公開針對具有垂直各向異性的磁性疊層或單元(如自旋力矩存儲器(STRAM)單元)，它們包括多層輔助疊層，其中包括自旋電流驅(qū)動的輔助層。在一些實施例中，自旋電流驅(qū)動的輔助層一般是“平面內(nèi)”的，并且易于經(jīng)由自旋電流切換到“平面外”。在其它實施例中，自旋電流驅(qū)動的輔助層一般是“平面外”的，因為它易于經(jīng)由自旋電流切換到相反方向。

本公開針對具有磁各向異性的磁性存儲器單元的各種設(shè)計，這些設(shè)計導(dǎo)致關(guān)聯(lián)鐵磁層的磁化方向垂直于晶片平面地對準(zhǔn)，或處于“平面外”。這些存儲器單元具有結(jié)構(gòu)性要素，這些結(jié)構(gòu)性要素減小了切換單元的數(shù)據(jù)位狀態(tài)所需的切換電流，同時維持充足的熱穩(wěn)定性。該存儲其單元可以高的面密度圖案化在晶片上。

在以下描述中，參照形成本說明書一部分的一組附圖，其中通過圖示示出了若干特定實施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，可構(gòu)想并可作出其他實施例，而不背離本公開的范圍或精神。因此，以下詳細(xì)描述不應(yīng)按照限定的意義來理解。本文中所提供的任何定義用于便于對本文中頻繁使用的某些術(shù)語的理解，而不是為了限制本公開的范圍。