[發明專利]用于提供可在磁存儲器中使用的磁隧道結的方法和系統

在審

• 申請號: 201310302503.X
• 申請日: 2013-07-15
• 公開（公告）號: CN103544985A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: W.H.巴特勒
• 申請（專利權）人: 三星電子株式會社
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;G11C11/15
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 王新華

背景技術

磁存儲器，特別地磁隨機存取存儲器（MRAM），由于它們對于高讀/寫速度的潛力、耐久性、非易失性以及運行時低的功耗而引起人們越來越多的興趣。一種類型的MRAM是自旋轉移矩隨機存取存儲器（STT-RAM）。STT-RAM利用通過驅動經過其的電流而被至少部分地寫入的磁性結。

圖1示出了常規的磁隧道結（MTJ）10，其可以用于常規的STT-RAM中。常規的MTJ10通常位于底接觸11上，采用常規的籽層12，并在頂接觸16下。常規的MTJ10包括常規的反鐵磁（AFM）層20、常規的被釘扎層30、常規的隧穿阻擋層40和常規的自由層50。還示出了常規的覆蓋層14。常規的自由層50具有可改變的磁矩52，而常規被釘扎層30的磁矩43是穩定的。更具體地，常規被釘扎層30的磁矩32通過與常規的AFM層20的相互作用而被固定。

常規的接觸12和16用于在電流垂直于平面（CPP）方向或沿如圖1所示的z軸驅動電流。流過常規被釘扎層30的電流變得自旋極化并攜帶角動量。此角動量可以傳輸到常規的自由層50。如果足夠量的角動量被如此傳輸，則自由層50的磁矩52可以被轉換為與被釘扎層30的磁矩平行或反平行。

為了改善STT-RAM的性能，期望優化常規磁性結10的各種因素。例如，常規磁性結10可以設計為期望的臨界電流I_c，該臨界電流用于轉換熱穩定的常規自由層50。臨界電流可以由以下估算：

Ic=αη⟨H⟩effHK1.5mA]]>

其中<H>_eff是通過常規自由層50的進動磁矩所見的平均有效磁場，H_k是當沿著易磁化軸施加時轉換磁矩52所需的磁場，α是阻尼常數，η是自旋力矩效率，1.5mA表示電流且適于60的熱穩定系數（ΔE/k_BT），其中ΔE表示熱轉換的能量勢壘，k_B是波爾茲曼常數，T是絕對溫度。

常規的磁性結10可以被優化以改善臨界電流。設計常規的磁性結10可以包括采用CoFe和/或CoFeB用于常規的被釘扎層30和常規的自由層50。CoFe和CoFeB傾向于具有平面內磁矩，如由磁矩32和52所示。此外，常規的隧道結40通常地為晶體MgO。CoFe和CoFeB與MgO的結合可以導致較低的臨界電流。

盡管常規的磁隧道結10起作用，但是期望進一步改善。例如，期望可在如下的磁存儲器中使用的磁性結，該磁存儲器可以是較小的、可縮小至較小的尺寸、采用低的臨界電流、可容易制造和/或具有其它的特性。

因此，期望一種可在更高密度的STT-RAM中使用的改進的磁性結。

發明內容

所描述的是用于提供磁性結的方法和系統。該方法和系統包括提供自由層、對稱性過濾器（symmetry?filter）和被釘扎層。自由層具有第一磁矩，當寫電流流過磁性結時該第一磁矩可在多個穩定的磁狀態之間轉換。對稱性過濾器以比具有另一對稱性的電荷載流子高的幾率傳輸具有第一對稱性的電荷載流子。被釘扎層具有被釘扎在特定方向上的第二磁矩。對稱性過濾器位于自由層和被釘扎層之間。自由層和被釘扎層中的至少一個在自旋通道中具有在費米能級處的第一對稱性的電荷載流子，而在另一個自旋通道中沒有在費米能級處的第一對稱性的電荷載流子，位于平面中，并具有基本上垂直于平面的非零磁矩分量。自由層和/或被釘扎層與對稱性過濾器具有至少一個小于百分之七的晶格失配。在某些方面中，對稱性過濾器包括Ge、GaAs和ZnSe中的至少一個。

附圖說明

圖1示出了常規的磁隧道結。

圖2示出了適于在磁存儲器中使用的磁性結的示范性實施例。

圖3示出了在磁性結的示范性實施例的自由層和/或被釘扎層中對于多子與少子自旋通道的能帶結構的示范性實施例。