本发明专利技术描述了用于提供改进转换性能的混合磁隧道结元件的方法和系统。磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。非磁间隔层在被钉扎层和自由层之间。自由层具有易锥面磁各向异性。磁性结被配置为使得当写入电流流过磁性结时自由层在多个稳定磁状态之间可转换。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于提供混合磁隧道结元件的方法和系统。
技术介绍
磁性存储器,特别地,磁性随机存取存储器(MRAM)由于在工作期间其在高读取/ 写入速度、优秀的耐久性、非易失性和低能耗方面的潜能而吸引了越来越多的关注。MRAM能利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM为自旋转移力矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM利用至少部分地由驱动穿过磁性结的电流实现的磁性结写入。 驱动穿过磁性结的自旋极化电流在磁性结中施加自旋力矩到磁矩上。结果,具有响应于自旋力矩的磁矩的层可以被转换为期望的状态。例如,图1示出常规磁隧道结(MTJ) 10,其可以被用于常规STT-RAM中。常规MTJlO 典型地位于底接触11上,使用常规籽晶层(seed layer) 12,以及包括常规反铁磁(AFM)层 14、常规被钉扎层16、常规隧道势垒层18、常规自由层20和常规盖层22。顶接触M也被示出ο常规接触11和M被用于沿电流垂直于平面(CPP)方向或者沿图1所示的ζ轴方向驱动电流。常规籽晶层12典型地用于帮助后续的层诸如AFM层14生长以具有期望的晶体结构。常规隧道势垒层18是非磁性的,例如为诸如MgO的薄绝缘体。常规被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规被钉扎层16的磁化17典型地通过与AFM层14的交换偏置相互作用(exchange-bias interaction)而沿特定方向被固定或被钉扎。虽然常规被钉扎层16图示为简单(单个)层,但是它可以包括多个层。例如,常规被钉扎层16可以是包括通过诸如Ru的薄导电层反铁磁耦合的多个磁性层的合成反铁磁(SAF)层。在这种SAF中,可以使用插入Ru薄层的多个磁性层。在另一实施例中, 跨过Ru层的耦合可以是铁磁的。此外,常规MTJlO的其他变型可以包括附加被钉扎层(未示出),该附加被钉扎层通过附加非磁势垒层或导电层(未示出)与自由层20分离开。常规自由层20具有可变的磁化21。虽然常规自由层20图示为简单层,但是它也可以包括多个层。例如,常规自由层20可以是包括通过诸如Ru的薄导电层反铁磁耦合或铁磁耦合的多个磁性层的合成层。虽然常规自由层20的磁化21图示为面内磁化,但是它可以具有垂直各向异性。为了转换常规自由层20的磁化21,电流被垂直于平面(沿ζ轴方向)驱动。当足够的电流被从顶接触M驱动到底接触11时,常规自由层20的磁化21可以转换为平行于常规被钉扎层16的磁化17。当足够的电流被从底接触11驱动到顶接触M时,自由层的磁化21可以转换为与被钉扎层16的磁化反平行。在磁性配置上的差异对应于不同的磁致电阻并由此对应于常规MTJlO的不同逻辑状态(例如,逻辑“0”和逻辑“1”)。当常规MTJlO的自由层21用于STT-RAM应用中时,期望以相对低的电流转换该自由层21。临界转换电流(Ico)是最低电流,在该最低电流下自由层磁化21在平衡取向周围的无限小进动(infinitesimal precession)变得不稳定。例如,可以期望Ico在几mA或更小的数量级上。另外,短路电流脉冲被期望用于以更高的数据比率对常规磁性元件10编程。例如,期望20-30ns或更小数量级的电流脉冲。虽然常规MTJlO可以利用自旋转移来写入并可以用在STT-RAM中,但是存在缺陷。 例如,写入错误率会高于对于具有可接受的Ico和脉冲宽度的存储器的要求。写入错误率 (WER)是当单元(即,常规磁性结的自由层20的磁化21)被施加至少等于典型转换电流的电流时该单元没有被转换的可能性。WER期望为10_9或更小。但是,常规自由层20典型地具有严重超出此值的WER。另外,已经确定WER在缩短写入电流脉冲的改进方面会受到挑战。例如,图2为图表50,其绘示出对于不同宽度的脉冲TOR的趋势。注意,图表50中没有画出实际的数据。取而代之,图表50旨在表示趋势。从最长到最短的脉冲宽度为曲线52、 54、56和58。如在图表50中所示,脉冲宽度越大,TOR相对写入电流具有越大的斜率。因此,对于相同的脉冲宽度,使用更大的写入电流可以带来WER的显著减少。然而,随着曲线 54、56和58中脉冲宽度缩短,曲线M、56和58的斜率减小。对于减小的脉冲宽度,电流的增大更不容易带来WER的减少。结果,应用常规MTJlO的存储器会具有不能接受的高WER, 通过增大写入电流不会消除该不能接受的高WER。已经提出不同的常规方案来改进诸如TOR的特性。例如,可以使用磁场辅助转换和/或具有复合结构的磁性结。然而,这种常规方案的减少WER同时保持其他特性的能力是有限的。例如,可扩展性(scalability)、能耗和/或稳定性会受到这种常规方法的不利影响。因此,使用常规MTJ的存储器的性能仍然期望被提高。因此,需要可以提高基于存储器的自旋转移力矩性能的方法和系统。在此描述的方法和系统解决这种需求。
技术实现思路
本专利技术描述了用于提供在磁性器件中可使用的磁性结的一种方法和系统。磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。非磁间隔层在被钉扎层和自由层之间。自由层具有易锥面磁各向异性(easy cone magnetic anisotropy) 0磁性结被配置为使得当写入电流流过磁性结时自由层在多个稳定磁状态之间可转换。附图说明图1图示出常规磁性结。图2为图示写入电流对写入错误率的趋势的图表。图3图示出包括具有易锥面各向异性的自由层的磁性结的示范实施例。图4图示出用于自由层磁化的各向异性能的示范实施例。图5图示出包括具有易锥面各向异性的自由层的磁性元件的示范实施例。图6图示出用于不同磁性结的各向异性能的示范实施例。图7图示出具有易锥面各向异性的自由层的磁矩。图8图示出包括具有易锥面各向异性的自由层的磁性结的示范实施例。图9图示出可用于磁性结中的具有易锥面各向异性的自由层的另一示范实施例。图10图示出可用于磁性结中的具有易锥面各向异性的自由层的另一示范实施例。图11图示出包括具有易锥面各向异性的自由层的磁性结的另一示范实施例。图12图示出制造包括具有易锥面各向异性的自由层的磁性结的方法的示范实施例。图13图示出在存储单元的存储元件中利用磁性结的存储器的示范实施例。 具体实施例方式示范实施例涉及可用于诸如磁存储器的磁性器件中的磁性结,以及使用这种磁性结的器件。给出下文的描述使得本领域一般技术人员能够实现和使用本专利技术,并且提供在专利申请的文件和其必要的文件中。对于示范实施例的各种变形以及在此描述的总原理和特征将容易地变明显。示范实施例在具体的实现中给出的具体方法和系统方面被主要地描述。然而,方法和系统将在其他的实现中有效地操作。诸如“示范实施例”、“一个实施例”和 “另一实施例”的短语可以涉及相同或不同的实施例以及多个实施例。将关于具有特定部件的系统和/或器件来描述实施例。然而,系统和/或器件可以包括比图示的部件更多或更少的部件,可以对部件的布置和类型进行改变而没有背离本专利技术的范围。示范实施例也将在具有特定步骤的具体方法情况下被描述。然而,对于具有与示范实施例不一致的不同步骤和/或附加步骤以及不同顺序的步骤的其他方法,该方法和系统也有效地操作。因此,本专利技术不旨在限于图示的实施例,而是与根据在此描述的原理和特征的最宽范围一致。用本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员:D阿帕尔科夫,MT克劳恩比,
申请(专利权)人:格兰迪斯股份有限公司,
类型:发明
国别省市:
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