[發明專利]一種磁性元件、存儲器系統及其寫操作方法

有效

• 申請號: 201510737115.3
• 申請日: 2015-11-03
• 公開（公告）號: CN105355780B
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 刁治濤;李占杰;羅逍
• 申請（專利權）人: 湖北中部慧易數據科技有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;G11C11/16;H01L43/00
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 宋業斌

本發明提供了一種磁性元件、存儲器系統及其寫操作方法；磁性元件包括磁固定層、非磁性隔離層、磁自由層和覆蓋層；非磁性隔離層設置于磁固定層與磁自由層之間；覆蓋層連接磁自由層與外部半導體晶體管電路。磁性自由層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于垂直各向異性的各向異性能。其垂直各向異性能低于垂直于膜平面方向的退磁能。當寫電流通過該磁性元件時，通過自旋扭矩傳遞效應，其磁性自由層可實現在平面方向的平行及反平行磁狀態之間切換以達到磁存儲的目的。

技術領域

本發明屬于磁存儲技術領域，更具體地，涉及一種磁性元件、存儲器系統及其寫操作方法。

背景技術

對自旋扭矩傳遞機制的初期闡明及其后的深入的物性研究為自旋扭矩傳遞和磁開關技術的發展和潛在的商業化應用奠定了的基礎。其中一個應用方向就是自旋扭矩傳遞磁隨機存取存儲器(STT-MRAM)。從磁特性來講，在取代傳統的磁隨機存取存儲器(MRAM)的概念和流程方面，旋轉扭矩轉換開關技術具有革命性的意義。同時，該技術解決了基于傳統磁場開關技術的MRAM存儲器的難以擴展和不可持續的難點。自旋扭矩傳遞磁隨機存取存儲器的這一特性在半導體技術節點不斷降低，數據記錄密度快速增加的今天具有不言而喻的重要作用。從廣義來看，該技術在半導體存儲器領域有廣闊的應用前景，作為一種通用存儲器并在未來加以技術創新，它具有替代目前廣泛使用的SRAM和DRAM技術的潛力。

根據定義，由自旋扭矩傳遞誘起磁自由層的磁化旋轉所需的自旋極化電流與來自該層垂直于膜平面方向的退磁能和對應的垂直磁各向異性場(out of plane anisotropy)成正比關系。面內磁化的開關特性直接決定STT-MRAM的存儲位單元(storage bit cell)的可寫性(writeability)。降低開關電流密度Jc成為實現小尺寸CMOS適用技術，低功耗和高密度STT-MRAM的關鍵。同時，考慮磁性元件的熱穩定性具有同樣重要性。一般來說，它正比于磁化的面內各向異性(in-plane anisotropy)，通常被量化為熱穩定系數K_UV/K_BT。它決定數據信息在STT-MRAM存儲器內的保持期(data retention)。一般來說，K_UV～60K_BT被認為是保證數據信息的10年保持期的一個較好的器件工程設計。然而實際上，該參量或小于或大于標稱值，取決于STT-MRAM存儲器的存儲容量，應用和使用工作條件?？偟膩碚f，在降低開關電流密度和提高磁性器件的熱穩定性兩者之間，需要均衡或合理折衷以滿足磁性器件和STT-MRAM存儲器正常運作。

在STT-MRAM技術中，磁隧道結(MTJ)是磁性存儲位單元的一個核心組成部分。它由薄膜絕緣層及由其所隔開的兩個鐵磁層形成高自旋極化穿隧接合。薄膜絕緣層的應用使電子可以從一個鐵磁層穿隧到另一個鐵磁層。在結晶型薄膜絕緣層的場合，鐵磁層在外磁場作用下形成的平行和反平行狀態。由此電子能帶結構產生不對稱導電通道(conductivechannels)及電導傳輸，并形成巨大的隧道磁阻(TMR)效應。隧道磁阻效應的增加有助于器件輸出信號的增加和自旋扭矩傳遞效率的提高。在一個典型的結構配置中，第一鐵磁層(磁自由層)的磁化可以在外加磁場中自由旋轉，而第二鐵磁層的磁化被固定或釘扎以作為自旋偏振器。該磁隧道結被連接到由一個或多個起開關作用的晶體管(電路)(CMOS)以構成STT-MRAM的存儲位單元。其中第一鐵磁層的磁化方向由于自旋扭矩傳遞效應可單獨旋轉或開關。相較于其反平行排列，如果兩個鐵磁層的磁化方向平行排列，則傳導電子將更有可能通過隧道效應穿隧絕緣層。因此，該磁隧道結可以實現在高和低電阻兩狀態之間相互切換，并以非易失性方式(non-volatile)記錄存儲數據信息。

現有技術存在的技術問題在于：傳統的磁隨機存取存儲器(MRAM)隨著記錄的高密度化，其要求的寫入電流成指數速率增加。因此，基于傳統磁場開關技術的MRAM存儲器的具有難以擴展和不可持續的問題。這是難以克服的結構性問題。其次，就新型的自旋扭矩傳遞磁隨機存取存儲器(STT-MRAM)而言，其技術難點在于降低自旋扭矩傳遞開關電流或寫入電流，而同時保持安定的熱穩定性。

發明內容