[發(fā)明專利]自旋霍爾效應(yīng)磁性設(shè)備、方法及應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201280050731.6
• 申請(qǐng)日: 2012-08-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103890855A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅伯特·A·比爾曼;劉魯喬;丹尼爾·C·拉爾夫;白奇峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 康奈爾大學(xué)
• 主分類號(hào): G11C11/15
• 分類號(hào): G11C11/15;H01L27/115;H01L21/8247
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11204
• 代理人: 余朦;王艷春

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)涉及以下申請(qǐng)，并從以下申請(qǐng)得到優(yōu)先權(quán)：（1）于2011年8月18日提交的序列號(hào)為61/524,998的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)；（2）于2011年9月14日提交的序列號(hào)為61/534,517的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)；（3）于2011年10月11日提交的序列號(hào)為61/545,705的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)；以及（4）于2012年4月3日提交的序列號(hào)為61/619,679的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)，上述申請(qǐng)的標(biāo)題均為自旋霍爾效應(yīng)裝置、方法和應(yīng)用，并且每個(gè)臨時(shí)專利申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用完全并入本文。

政府利益的陳述

美國(guó)陸軍研究辦公室以W911NF-08-2-0032的獎(jiǎng)項(xiàng)，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局以HR0011-11-C-0074的獎(jiǎng)項(xiàng)，以及海軍研究美國(guó)辦事處以N00014-10-1-0024的獎(jiǎng)項(xiàng)對(duì)得到本文所公開(kāi)的實(shí)施方式及本文所保護(hù)的發(fā)明的研究提供了經(jīng)費(fèi)。美國(guó)政府具有在本文中要求保護(hù)的發(fā)明的權(quán)利。

背景技術(shù)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施方式總體涉及磁存儲(chǔ)裝置，例如但不限于磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)（MRAM）裝置。更具體地，各實(shí)施方式涉及磁存儲(chǔ)裝置，例如但不限于具有加強(qiáng)性能的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)（MRAM）裝置。

相關(guān)技術(shù)的描述

磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)（MRAM）裝置包括一類非易失性、快速且高效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，這類存儲(chǔ)裝置被預(yù)期能夠?qū)崿F(xiàn)非常高水平的磁數(shù)據(jù)密度。每個(gè)MRAM單元存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)位數(shù)據(jù)。MRAM裝置單元的中心部件是薄膜磁阻元件，其中薄膜磁阻元件是薄膜材料的組合、其電阻率取決于兩個(gè)或兩個(gè)以上（通常僅兩個(gè)）薄膜鐵磁材料層的相關(guān)磁性取向。薄膜鐵磁材料層中的一個(gè)通常具有固定的磁性取向并被稱為固定層（PL），而另一個(gè)薄膜鐵磁材料層具有可切換的磁性取向并被稱為自由層（FL）。

MRAM裝置的另一子類為自旋扭矩MRAM（ST-MRAM）裝置。與更傳統(tǒng)的MRAM裝置相比，ST-MRAM裝置利用由電流產(chǎn)生的自旋扭矩（即，不是由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)）來(lái)切換自由層（FL）相對(duì)于固定層（PL）的相關(guān)磁性取向。

隨著集成電路裝置尺寸的減少以及集成電路裝置密度的增加，期望提供包括ST-MRAM結(jié)構(gòu)的更有效且更可靠的MRAM結(jié)構(gòu)、以及用于制造包括ST-MRAM結(jié)構(gòu)的更有效且更可靠的MRAM結(jié)構(gòu)的方法及其操作方法。

發(fā)明內(nèi)容

各實(shí)施方式提供了ST-MRAM結(jié)構(gòu)、用于制造ST-MRAM結(jié)構(gòu)的方法和用于操作源自ST-MRAM結(jié)構(gòu)的ST-MRAM裝置的方法。

根據(jù)實(shí)施方式的ST-MRAM結(jié)構(gòu)和相關(guān)方法使用了具有加強(qiáng)的自旋霍爾效應(yīng)的基層（即，自旋霍爾效應(yīng)基層（Spin?Hall?Effect，SHE基層）），該基層位于ST-MRAM結(jié)構(gòu)內(nèi)并且與ST-MRAM結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由層形成接觸。根據(jù)實(shí)施方式的ST-MRAM結(jié)構(gòu)和相關(guān)方法是建立在使用相對(duì)于SHE基層施加的橫向切換電流的基礎(chǔ)上的，其中SHE基層在自由層內(nèi)提供磁性校準(zhǔn)切換。經(jīng)過(guò)薄膜磁阻元件堆疊的感測(cè)電流和感測(cè)電壓可被測(cè)量或者可垂直地施加，其中薄膜磁阻元件堆疊在ST-MRAM結(jié)構(gòu)內(nèi)依次包括固定層、非磁性間隔層以及與SHE基層接觸的自由層。

因此，當(dāng)操作ST-MRAM結(jié)構(gòu)和裝置時(shí)，根據(jù)實(shí)施方式的ST-MRAM結(jié)構(gòu)和裝置提供了：（1）在SHE基層內(nèi)的切換自由層相對(duì)于固定層的磁性取向的面內(nèi)橫向切換電流；連同（2）經(jīng)由薄膜磁阻元件堆疊的垂直于平面的感測(cè)電流和感測(cè)電壓，其中薄膜磁阻元件堆疊包括固定層、非磁性間隔層和自由層（與SHE基層接觸）。

為了實(shí)現(xiàn)上述效果，根據(jù)實(shí)施方式的ST-MRAM結(jié)構(gòu)和裝置內(nèi)的SHE基層包括非磁性導(dǎo)電材料，該非磁性導(dǎo)電材料具有（1）大于約0.05的自旋霍爾角（更優(yōu)選為大于約0.10）；以及（2）不大于非磁性導(dǎo)電材料內(nèi)的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度約5倍的最大厚度（更優(yōu)選為自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度的約1.5至約3倍）。對(duì)于磁性自由層的平衡磁化處于樣本平面中的裝置幾何形狀，具有上述自旋霍爾角的非磁性導(dǎo)電材料也應(yīng)具有如下性質(zhì)：（3a）其與磁性自由層相鄰并與其接觸的布置使得磁性自由層的磁性阻尼在磁性自由層材料的本征值上增加了不大于2的因素。對(duì)于使磁性自由層的平衡磁化垂直于樣本平面的裝置幾何形狀，具有上述自旋霍爾角的非磁性導(dǎo)電材料應(yīng)具有如下性質(zhì)：（3b）其與磁性自由層之間的界面對(duì)磁性自由層貢獻(xiàn)了垂直的磁各向異性，這允許磁性自由層的各向異性能量實(shí)現(xiàn)了處于40k_BT至300k_BT之間的最優(yōu)值，其中k_B玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度。