具有偏心电流的自旋转移矩磁隧道结制造技术

自旋转移矩磁隧道结包括具有固定磁层(11)和自由磁层(13)的层堆叠，以及其间的绝缘阻挡层(12)。每个磁层具有面外磁化取向。该结被配置为允许从两个磁层之一产生的自旋极化电流流向另一个，以引发自由层的磁化取向的不对称切换。切换偏离中心朝向堆叠的边缘。结可以允许从两个磁层中的一个到另一个偏离中心朝向堆叠边缘偏心的自旋极化电流，以启动非对称切换。还提供了相关的设备和操作方法。

Self-rotating moment-shifting magnetic tunnel junction with eccentric current

The self-rotating moment-shifting magnetic tunnel junction comprises a stack of layers with a fixed magnetosphere (11) and a free magnetosphere (13) and an insulating barrier layer (12) between them. Each magnetosphere has an out-of-plane magnetization orientation. The junction is configured to allow the spin polarization current generated from one of the two magnetospheres to flow to the other to trigger asymmetric switching of the magnetized orientation of the free layer. Switching away from the center toward the edge of the stack. The junction can allow the spin polarization current from one of the two magnetospheres to the other which deviates from the center and is eccentric towards the stack edge to initiate asymmetric switching. Relevant equipment and operation methods are also provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有偏心电流的自旋转移矩磁隧道结
技术介绍
本专利技术一般涉及自旋转移矩磁隧道结(STT-MTJ)，自旋转移矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)，尤其涉及垂直磁化STT-MTJ。已知垂直磁化装置，特别是垂直STT-MRAM。例如，在专利US7602000，US7313013，US7943399，US8558332和US8860105中讨论了这种装置。一般认为，缩放挑战将阻止动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)设备在具有预期规范的即将到来的技术节点中正常运行。相比之下，MRAM技术从两项改变游戏规则的创新中获益。第一个创新是基于以下发现：纳米级铁磁体的磁化可以通过自旋极化电流来切换[1,2]。非极化电流通过在铁磁体中散射的电子获得自旋极化。产生的自旋不平衡可以转移到磁层，最终翻转其磁化。因此，写入存储器单元-或切换其磁化-不再需要磁场，但可以通过短电流脉冲实现。第二项创新是材料工程成就。最初，磁隧道结(MTJ)中的磁层在平面内被磁化，由形状各向异性驱动。几年前，研究表明，如果元件的厚度足够小(通常为1nm)，可以调整像CoFeB这样的磁性材料以显示“垂直”磁化，即磁性取向在平面外的位置。[3,4,5]。垂直磁化的MTJ优于面内磁化的MTJ，因为其在切换自由层时具有更高的效率，即减小了切换所需的最小电流。通常由Ic0表示的切换所需的最小电流取决于三个材料参数：阻尼常数α，各向异性阻挡Eb和自旋转移效率ζ。低功率器件要求Ic0很小，这反过来又需要有利的材料参数。因此通常投入努力以识别更有利的材料参数。请注意以下参考文献：[1]J.C.Slonczewski，J.Magn.Magn.Mater.159，L1(1996)。[2]L.Berger，Phys.Rev.B54，9353(1996)。[3]M.Nakayama，T.Kai,N.Shimomura，M.Amano,E.Kitagawa，T.Nagase，M.Yoshikawa，T.Kishi,S.Ikegawa，andH.Yoda，J.Appl.Phys.103,07A710(2008)。[4]S.Ikeda，K.Miura，H.Yamamoto，K.Mizunuma，H.D.Gan，M.Endo，S.Kanai，J.Hayakawa，F.Matsukura，andH.Ohno，NatureMater.9，721(2010)。[5]D.C.Worledge，G.Hu,D.W.Abraham，J.Z.Sun，P.L.Trouilloud，J.Nowak，S.Brown，M.C.Gaidis，E.J.O’Sullivan，andR.P.Robertazzi，Appl.Phys.Lett.98,022501(2011)。[6]关于代码，参见A.Vanhaverbeke，对电流引起的畴壁运动的自旋转移矩项的OOMMF扩展(OOMMFextensionofspin-transfertorquetermsforcurrent-induceddomainwallmotion)，2008，httpcolon//wwwdotZurichdotibmdotcom/st/magnetism/spintevolvedothtml，对申请另请参见M.Najafi，B.Krüger，S.Bohlens，M.Franchin，H.Fangohr，A.Vanhaverbeke，R.Allenspach，M.Bolte，U.Merkt，D.Pfannkuche，D.P.F.andG.Meier，J.Appl.Phys.105，113914(2009)。[7]C.Y.You，J.Magnetics17，73(2012)。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术体现为自旋转移矩磁隧道结。后者包括具有两个磁层，即固定层和自由层，以及两个磁层之间的绝缘阻挡层的层堆叠。两个磁层中的每一个都具有面外磁化取向。另外配置结以便允许从两个磁层之一产生的自旋极化电流流动到另一个，以启动自由层的磁化取向的不对称切换，由此所述切换向堆叠边缘偏心。例如，结可以允许从两个磁层中的一个到另一个朝向堆叠边缘偏心的自旋极化电流，以启动自由层的不对称切换。本解决方案依赖于面外磁化取向，其优于面内磁化结，因为它们在切换自由层方面具有更高的效率。即，可以降低开关电流，这已经使得与面内磁化装置相比，功率更低的装置成为可能。此外，本专利技术的结被设计成允许自由层的不对称切换，例如，使用偏离堆叠边缘的电流。正如本专利技术人发现的那样，这导致相对于中心电流，进一步减小最小切换电流，例如减少两倍。例如，结可以被配置为在0.1ns-1的切换速率下具有小于50μA的切换电流。可以设想各种实际实现以实现偏心电流收缩。例如，在实施例中，磁隧道结的绝缘阻挡层具有横向变化的厚度，以便在其边缘处呈现减小的厚度。这样，在结上产生的电流偏心于厚度减小的边缘。例如横向变化的厚度可以从第一值h1变化到第二值h2，其中0.5h2≤h1<h2。在其他实施例中，由于横向变化的磁特性，实现了偏心切换。即，自由层和/或自由层与绝缘阻挡层之间的界面可以具有一个或多个横向变化的磁性，以便偏离自由层的切换。这可能涉及偏心电流，或不涉及。即，如果产生的电流是对称的，只要满足某些条件，甚至可能发生非对称切换。横向变化的磁特性应优选地包括自由层和/或所述界面的磁化和/或磁各向异性。在其他实施例中，固定层和绝缘阻挡层中的一个或每个的平均直径小于自由层的平均直径，并且还朝向堆叠的边缘偏心。这也导致在操作中使产生的电流偏离中心。在垂直于堆叠方向的平面中分别测量上述直径。通过设计绝缘阻挡层以使其具有横向变化的电子传输概率，例如通过横向改变绝缘阻挡层中的掺杂剂浓度，也可以获得类似的效果。优选地，结应设计成使得所述电流从自由层的中心偏心的距离l满足条件2nm≤l<D/2，其中D是自由层的平均直径。l和D的值在自由层的平均平面垂直于堆叠的堆叠方向测量。在优选实施例中，可以设计结以使得在操作中电流流过的当前电流丝的平均直径d满足条件Le≤d<D/2，其中Le表示两个磁层的平均交换长度。两个磁层的平均交换长度Le通常可以在3nm和6nm之间。例如平均直径d可以满足条件4nm≤d≤D/2。另一方面，堆叠层的平均直径D应优选大于6nm。在大多数应用中，它通常应小于或等于100nm，并且优选小于或等于32nm。在实施例中，两个磁层中的每一个包括CoFeB化合物，而绝缘阻挡层可以例如包括MgO。例如自由层可以具有1nm至4nm之间的平均厚度，而被固定层的平均厚度优选地在6nm至10nm之间。绝缘阻挡层的平均厚度应该优选在0.5nm和2nm之间，更优选在0.8nm和1.4nm之间，特别是在其包含MgO的情况下。根据另一方面，本专利技术体现为存储器设备。后者包括多个例如上面所述的自旋转移矩磁隧道结。存储器装置另外配置为产生穿过每个结的自旋极化电流。根据最后一个方面，本专利技术体现为如上所述的自旋转移矩磁隧道结的操作方法。基本上，该方法包括产生从固定层到自由层的自旋极化电流，以启动自由层的磁化取向的不对称切换(例如，将“1”写入并存储到结中)。即，按照结的配置，切换最初向着堆叠的边缘偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自旋转移矩磁隧道结，包括：一个层堆叠，具有：两个磁层，包括固定层和自由层；以及两个磁层之间的绝缘阻挡层，其中：所述两个磁层中的每一个都具有面外磁化取向；以及所述固定层和所述绝缘阻挡层中的一个或每个的平均直径小于所述自由层的平均直径，并且从所述自由层的中心朝向所述层堆叠的边缘偏心，用于在向所述层堆叠施加控制电压时，引导偏心自旋极化电流从所述两个磁层之一流到另一个，其中每个平均直径在垂直于所述层堆叠的堆叠方向的平面中测量，由此该结被配置为在施加所述控制电压时启动所述自由层的磁化取向的不对称切换。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.01 US 15/283,3291.一种自旋转移矩磁隧道结，包括：一个层堆叠，具有：两个磁层，包括固定层和自由层；以及两个磁层之间的绝缘阻挡层，其中：所述两个磁层中的每一个都具有面外磁化取向；以及所述固定层和所述绝缘阻挡层中的一个或每个的平均直径小于所述自由层的平均直径，并且从所述自由层的中心朝向所述层堆叠的边缘偏心，用于在向所述层堆叠施加控制电压时，引导偏心自旋极化电流从所述两个磁层之一流到另一个，其中每个平均直径在垂直于所述层堆叠的堆叠方向的平面中测量，由此该结被配置为在施加所述控制电压时启动所述自由层的磁化取向的不对称切换。2.根据权利要求1所述的磁隧道结，其中，所述电流从所述自由层的中心偏心的距离l满足条件2nm≤l<D/2，其中D是所述自由层的平均直径，其在所述自由层的平均平面中、横向于所述层堆叠的堆叠方向上测量。3.根据权利要求2所述的磁隧道结，其中，在所述结的操作中，所述电流沿着具有平均直径d的电流丝流过，该电流丝满足条件Le≤d<D/2，其中Le表示所述两个磁层的平均交换长度。4.根据权利要求3所述的磁隧道结，其中，所述两个磁层的所述平均交换长度Le在3nm和6nm之间。5.根据权利要求4所述的磁隧道结，其中，当前所述电流丝的平均直径d满足条件4nm≤d≤D/2。6.根据权利要求2所述的磁隧道结，其中，所述层堆叠的平均直径D大于6nm。7.根据权利要求2所述的磁隧道结，其中，所述层堆叠的所述平均直径D小于或等于100nm。8.根据权利要求7所述的磁隧道结，其中，所述层堆叠的所述平均直径D小于或等于32nm。9.根据权利要求1所述的磁隧道结，其中，所述两个磁层中的每一个包含CoFe...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·阿林斯帕赫，D·沃尔莱德格，A·安纽泽阿塔，梁时熏，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US