[發(fā)明專利]可寫入磁性元件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201180062906.0
• 申請日: 2011-10-11
• 公開（公告）號: CN103380462B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吉勒斯·路易斯·伽丁;約安·米哈依·米隆;彼得羅·加姆巴德拉;阿蘭·舒爾
• 申請（專利權(quán)）人: 國家科學(xué)研究中心;原子能與替代能源委員會;約瑟夫·傅立葉大學(xué);卡塔拉納米技術(shù)研究所（ICN）;加泰羅尼亞調(diào)研高等研究學(xué)院(ICREA)
• 主分類號: G11C11/14
• 分類號: G11C11/14;G11C11/16;H01L27/22
• 代理公司: 北京同達(dá)信恒知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11291
• 代理人: 黃志華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提供了一種電流引發(fā)的反轉(zhuǎn)型可寫入磁性元件。

背景技術(shù)

通常通過施加磁場使層或小型磁性元件的磁化反轉(zhuǎn)。例如，磁場方向發(fā)生變化取決于是否需要將磁化轉(zhuǎn)向一個方向或轉(zhuǎn)向另一方向。在磁道或計(jì)算機(jī)硬盤上的寫入基于這樣的原則：用于反轉(zhuǎn)的元件被機(jī)械地置于磁場發(fā)生器的附近，以將磁場限制在三維空間的局部范圍。這正是磁場的結(jié)構(gòu)，其不能通過定義限制在三維空間的局部范圍，這引發(fā)了將磁場集成在裝置中的許多困難。因此，例如，當(dāng)用被稱為磁性隨機(jī)存取內(nèi)存（MRAM）的固態(tài)磁存儲器或邏輯器件，不可能產(chǎn)生機(jī)械操作或不需要機(jī)械操作時，為了使其僅作用在目標(biāo)單元而不影響其鄰位，需要充分地將磁場集中。當(dāng)各種存儲器或邏輯單元為了增加其密度彼此非常靠近時，該問題變得越來越嚴(yán)重。

最初在1996年，從理論上證明了通過自旋極化電流來操縱磁化的可能，提供了該問題的第一個解決方案。為了在存儲器點(diǎn)操縱磁化的目的，被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩（STT）的物理原理需要存在由非磁性金屬（自旋閥式結(jié)構(gòu)）或絕緣體（磁性隧道結(jié)型結(jié)構(gòu)）隔開的至少兩個磁性層，這兩個層的磁化是非共線的。根據(jù)自旋閥型結(jié)構(gòu)或磁性隧道結(jié)型結(jié)構(gòu)來分別進(jìn)行詳細(xì)物理解釋，但大致上在通過第一磁性層后的電流成為自旋極化的電流，然后，通過電流極化的非共線分量來對第二層的磁化施加力矩。當(dāng)電流密度足夠高時，既可以在自旋閥中又可以在磁性隧道結(jié)中使第二磁層的磁化反轉(zhuǎn)。

例如，在2006年3月7日公布的第7009877號美國專利和2009年5月21日公布的第2009/129143號美國專利申請所述，電流必須垂直于層的平面通過結(jié)。

通過電流局部操縱亞微米尺寸的磁性元件的磁化的能力，立即顯示了針對應(yīng)用的可能性。目前，行業(yè)參與者正在尋求將該原則并入到MRAM存儲單元和邏輯組件新的架構(gòu)。

目前，這樣的合作正面臨相互關(guān)聯(lián)的各種困難。

STT反轉(zhuǎn)需要在存儲點(diǎn)存在由非磁性間隔件分隔的至少兩個磁性層。如上所述，通過垂直于磁性層的平面注入高密度的電流通過整個層疊體來實(shí)現(xiàn)寫入，而通過層疊體的磁阻（用于自旋閥的巨磁阻（GMR），以及用于磁性隧道結(jié)的隧道磁阻（TMR））來實(shí)現(xiàn)讀取。目前，所有或幾乎所有的應(yīng)用都基于使用磁性隧道結(jié)。因此，雖然GMR信號僅占百分之幾，基于MgO結(jié)的TMR信號通常大于100%。然而，隧道結(jié)具有電阻與面積（RA）的乘積呈現(xiàn)較大值的缺點(diǎn)。因此，對于STT反轉(zhuǎn)所需要的典型的電流密度為每平方厘米10⁷amps（A/cm²），RA為100歐姆-平方微米（Ω·μm²），結(jié)的邊緣處電壓為10伏（V）；RA為10Ω·μm²，結(jié)的邊緣處電壓為1V；RA為1Ω·μm²，結(jié)的邊緣處電壓為0.1V。除了最小的值，在結(jié)處功耗大，其在能源消耗方面不利，且破壞了所述結(jié)。此外，有利于讀取的高的TMR值通常通過呈現(xiàn)高RA值的層疊體來獲得。這就是目前的研究正在尋求獲得TMR呈現(xiàn)高值且RA呈現(xiàn)低值的隧道結(jié)的原因。此外，即使結(jié)的邊緣處的電壓相對低值，由于電壓循環(huán)，在操作中已經(jīng)觀察到，結(jié)的加速老化現(xiàn)象。目前，無論是為了在現(xiàn)有的配置中優(yōu)化材料，還是用于定義新的配置，許多研究致力于這點(diǎn)，例如，通過使用具有三個端子的配置，可以盡可能多的解決分離寫入和讀取的問題。

總之，由于在已知的STT裝置中，這兩種現(xiàn)象是內(nèi)在聯(lián)系的，因此困難在于不能獨(dú)立優(yōu)化讀取和寫入。

然而，另一該聯(lián)系的固有的困難來自層疊體的越來越大的復(fù)雜性。因此，為了存儲磁化，如果需要僅在待反轉(zhuǎn)的層中產(chǎn)生STT效果，必須例如，穩(wěn)定其它層，例如，通過與反鐵磁性材料交互耦合：如果需要增加STT轉(zhuǎn)移的振幅，必須優(yōu)化極化層；如果需要減少敏感層上輻射的磁場，必須例如，使用人工反鐵磁雙層；等等。

因此，MRAM單元或邏輯組件的典型磁性層疊體可以具有各種材料的超過10個或15個不同的層。因此，其在構(gòu)造步驟過程中帶來了困難，尤其是在蝕刻工序中，其是用于集成這樣的磁性層疊體主要的阻礙之處之一。