[發(fā)明專利]磁性結(jié)及其提供方法以及包括該磁性結(jié)的磁存儲器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210560542.5
• 申請日: 2012-12-20
• 公開（公告）號: CN103178205B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: X.唐;D.阿帕闊;S.M.瓦特斯;K.穆恩;V.尼基丁
• 申請（專利權(quán)）人: 三星電子株式會社
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/02;H01L27/22;H01L43/12
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所11105
• 代理人: 弋桂芬

本發(fā)明是在DARPA授予的資助/合同編號HR0011-09-C-0023下利用美國政府支持進(jìn)行的。美國政府保留本發(fā)明中的特定權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁性結(jié)、其提供方法以及包括該磁性結(jié)的磁存儲器。

背景技術(shù)

磁存儲器，特別是磁性隨機(jī)存取存儲器（MRAM），由于其在操作過程中潛在的高讀/寫速度、出色的耐用性、非易失性和低功耗，已經(jīng)引起越來越多的關(guān)注。MRAM可以利用磁材料作為信息記錄介質(zhì)存儲信息。一類MRAM是自旋轉(zhuǎn)移矩隨機(jī)存取存儲器（STT-RAM）。STT-RAM采用磁性結(jié)，磁性結(jié)至少部分地用被驅(qū)動通過磁性結(jié)的電流寫入。被驅(qū)動通過磁性結(jié)的自旋極化電流對磁性結(jié)中的磁矩施加自旋轉(zhuǎn)矩。結(jié)果，具有響應(yīng)于自旋轉(zhuǎn)矩的磁矩的（多個(gè)）層可以被切換到期望的狀態(tài)。

例如，圖1示出常規(guī)隧道結(jié)（MTJ）10，它可以用在常規(guī)的STT-RAM中。常規(guī)的MTJ10通常位于底接觸11上，使用（多個(gè)）常規(guī)籽層12，并包括常規(guī)反鐵磁（AFM）層14、常規(guī)被釘扎層16、常規(guī)隧道勢壘層18、常規(guī)自由層20、以及常規(guī)蓋層22。還示出了頂接觸24。

常規(guī)接觸11和24用于沿電流垂直于平面（CPP）的方向，或沿圖1所示的z軸驅(qū)動電流。（多個(gè)）常規(guī)籽層12通常用來幫助生長具有期望晶體結(jié)構(gòu)的后續(xù)層，如AFM層14。常規(guī)隧道勢壘層18是非磁性的，并且是例如薄的絕緣體，諸如MgO。

常規(guī)被釘扎層16和常規(guī)自由層20是磁性的。常規(guī)被釘扎層16的磁化17通常通過與AFM層14的交換偏置作用沿特定的方向被固定或被釘扎。雖然描繪成簡單（單）層，但是常規(guī)被釘扎層16可以包括多個(gè)層。例如，常規(guī)被釘扎層16可以是合成反鐵磁（SAF）層，包括通過薄的導(dǎo)電層（諸如Ru）反鐵磁地耦合的磁層。在這樣的SAF中，可以使用與Ru薄層交替的多個(gè)磁層。在另一實(shí)施例中，跨Ru層的耦合可以是鐵磁性的。另外，其它形式的常規(guī)MTJ10可包括額外的被釘扎層（未示出），其通過額外的非磁勢壘或?qū)щ妼樱ㄎ词境觯┡c自由層20分開。

常規(guī)自由層20具有可改變的磁化21。雖然描繪為簡單的層，但常規(guī)自由層20也可以包括多個(gè)層。例如，常規(guī)自由層20可以是合成的層，包括通過薄的導(dǎo)電層（諸如Ru）反鐵磁或鐵磁地耦合的磁層。雖然示出為在面內(nèi)，但是常規(guī)自由層20的磁化21可以具有垂直各向異性。因此，被釘扎層16和自由層20的磁化17和21可以分別垂直于層的平面取向。

為了切換常規(guī)自由層20的磁化21，垂直于平面（沿z方向）驅(qū)動電流。當(dāng)足夠的電流被從頂接觸24驅(qū)動到底接觸11時(shí)，常規(guī)自由層20的磁化21可以切換為平行于常規(guī)被釘扎層16的磁化17。當(dāng)足夠的電流被從底接觸11驅(qū)動至頂接觸24時(shí)，自由層的磁化21可以切換為反平行于被釘扎層16的磁化。磁性配置的差異對應(yīng)于不同的磁電阻，從而對應(yīng)于常規(guī)MTJ10的不同邏輯狀態(tài)（例如，邏輯“0”和邏輯“1”）。因此，通過讀常規(guī)MTJ10的隧道磁電阻（TMR），可以確定常規(guī)MTJ的狀態(tài)。

雖然常規(guī)MTJ10可以用自旋轉(zhuǎn)移寫入，通過檢測磁性結(jié)的TMR讀出，并用在STT-RAM中，但存在缺點(diǎn)。例如，來自常規(guī)MTJ10的信號會低于所期望的。對于具有垂直取向的磁化17和21的常規(guī)MTJ10，TMR可低于磁化在面內(nèi)的常規(guī)MTJ10。結(jié)果，來自常規(guī)的MTJ10的信號可比期望的更低。對于磁化垂直于平面取向的常規(guī)MTJ10，常規(guī)MTJ10的垂直各向異性可低于所期望的。因此，常規(guī)MTJ10垂直取向，熱穩(wěn)定性可低于所期望的。常規(guī)MTJ10也會呈現(xiàn)比期望的更高的衰減（damping）。因此，使用常規(guī)MTJ10的存儲器的性能仍然需要加以改進(jìn)。

因此，所需要的是可以改善基于自旋轉(zhuǎn)移矩的存儲器的性能的方法和系統(tǒng)。這里描述的方法和系統(tǒng)致力于這些需要。

發(fā)明內(nèi)容

方法和系統(tǒng)提供可用于磁器件的磁性結(jié)。磁性結(jié)包括被釘扎層、非磁間隔層、自由層、至少一個(gè)絕緣層、和鄰接至少一個(gè)絕緣層的至少一個(gè)磁插入層。非磁間隔層位于被釘扎層和自由層之間。至少一個(gè)絕緣層與自由層和被釘扎層的至少之一相鄰。至少一個(gè)磁插入層鄰接至少一個(gè)絕緣層。磁性結(jié)被配置為使得當(dāng)寫電流通過磁性結(jié)時(shí)自由層可在多個(gè)穩(wěn)定磁狀態(tài)之間切換。

附圖說明

圖1示出了常規(guī)磁性結(jié)；

圖2示出鄰接MgO層的磁插入層的示范實(shí)施例；

圖3示出鄰接MgO層的磁插入層的另一示范實(shí)施例；

圖4示出鄰接MgO層的磁插入層的示范實(shí)施例；