平衡垂直磁隧道结中的状态之间的能垒制造技术

公开了用于通过在垂直磁隧道结(MTJ)中实施附加铁磁层来增强垂直磁隧道结的性能的技术。例如可以在垂直MTJ的固定铁磁层或自由铁磁层中或者附近实施附加铁磁层。在一些实施例中，借助非磁性间隔体实施附加铁磁层，其中，可以调整附加铁磁层和/或间隔体的厚度，以充分平衡垂直MTJ的平行状态和反平行状态之间的能垒。在一些实施例中，配置附加铁磁层以使得其磁化与固定铁磁层的磁化相反。

Energy barrier between states in a balanced vertical magnetic tunnel junction

Techniques for enhancing the performance of vertical magnetic tunnel junctions by applying additional ferromagnetic layers in vertical magnetic tunnel junctions (MTJ) are disclosed. For example, additional ferromagnetic layers can be applied in or near the fixed ferromagnetic layer or the free ferromagnetic layer of the vertical MTJ. In some embodiments, the nonmagnetic spacer implementing additional ferromagnetic layer, which can adjust the additional ferromagnetic layer and / or spacer thickness in parallel between the full balance of vertical MTJ and anti parallel state energy barrier. In some embodiments, an additional ferromagnetic layer is configured so that the magnetization is opposite to the magnetization of the fixed ferromagnetic layer.

【技术实现步骤摘要】
平衡垂直磁隧道结中的状态之间的能垒本申请为分案申请，其原申请是2014年6月27日进入中国国家阶段、国际申请日为2011年12月30日的国际专利申请PCT/US2011/068158，该原申请的中国国家申请号是201180076063.X，专利技术名称为“平衡垂直磁隧道结中的状态之间的能垒”。
技术介绍
在深亚微米工艺节点(例如32nm及以上)中的集成电路设计涉及多个重要的挑战，并且结合有诸如晶体管或存储器器件的微电子组件的电路在这些级别，例如关于以最佳器件参数和电路性能实现小器件特征的那些面临着特别的复杂性。不断的工艺缩减往往加剧此类问题。附图说明图1A是传统垂直磁隧道结(MJT)在其平行状态中的横截面示意图。图1B是图1A的传统垂直MJT在其反平行状态中的横截面示意图。图2A是示出用于理想垂直MTJ的作为外磁场的函数的电阻的滞后图。图2B是图2A的理想垂直MTJ的能量图。图2C是示出用于图1A-1B的传统垂直MTJ的作为外磁场的函数的电阻的滞后图。图2D是图1A-1B的传统垂直MTJ的能量图。图3A是根据本专利技术实施例配置的垂直MTJ在其平行状态中的横截面示意图。图3B是根据本专利技术实施例配置的图3A的垂直MTJ在其反平行状态中的横截面示意图。图4A是根据本专利技术另一个实施例配置的垂直MTJ在其平行状态中的横截面示意图。图4B是根据本专利技术实施例配置的图4A的垂直MTJ在其反平行状态中的横截面示意图。图5是实施根据本专利技术实施例配置的垂直MTJ的示例集成电路的透视示意图。图6示出了以包括根据本专利技术示例实施例配置的一个或多个垂直MTJ的集成电路结构或器件实施的计算系统。具体实施方式公开了用于通过在垂直磁隧道结(MTJ)中实施附加铁磁层来增强垂直磁隧道结的性能的技术。例如可以在垂直MTJ的固定铁磁层或自由铁磁层中或者附近实施附加铁磁层。在一些实施例中，借助非磁性间隔体实施附加铁磁层，其中，可以调整附加铁磁层和/或间隔体的厚度，以充分平衡垂直MTJ的平行和反平行状态之间的能垒。在一些实施例中，配置附加铁磁层以使得其磁化与固定铁磁层的磁化相反。附加铁磁层例如可以用于减轻/消除垂直MTJ的平行与反平行状态之间的能量固有偏移，从而使电阻－外磁场滞后更好地居中，平衡状态之间的能垒，和/或改进垂直MTJ的性能。该技术例如可以在存储器器件、传感器、磁盘驱动器读取头和/或可以得益于MTJ器件的二值特性的其他电路中实施。概述磁隧道结(MTJ)器件是磁阻器件，其电阻可编程并可以响应于施加的磁场设定为高电阻率或低电阻率状态。这两个状态之间的电阻的差通常称为磁阻(MR)比率，取决于温度和制造该器件的材料，磁阻比率的范围例如从小于10％到百分之几百或者更大。典型的MTJ器件配置包括夹置在分别称为固定层和自由层的两个铁磁层之间的隧穿氧化物的绝缘体层。自由层中的磁场的方向确定MTJ器件是处于高电阻率状态还是处于低电阻率状态。通过将其电阻改变为低电阻率状态，可以在MTJ器件中存储二进制的零，通过将其电阻改变为高电阻率状态，可以存储二进制的一。有利地，一旦设定，则无需静态功率来保持电阻状态。如果绝缘体层足够薄，电子可以借助量子隧穿从一个铁磁层通过绝缘体层到达另一个。给定MTJ的两个铁磁层典型地呈现磁各向异性－它们的磁特性的方向相关性。给定铁磁层的磁各向异性可以由于多个来源导致，包括但不限于：(1)基于基体的各向异性(例如磁晶各向异性；形状各向异性)；和/或(2)基于界面的各向异性。取决于其组成铁磁层的磁化的方向，给定MTJ可以分类为呈现：(1)面内磁各向异性；或者(2)面外磁各向异性。面内MTJ的磁化方向沿两个铁磁层的平面。相反地，面外(垂直)MTJ的磁化方向与组成铁磁层的平面正交。可以配置两个铁磁层以使得其各自的磁化或者在相同方向上对准－平行(P)状态，或者在相反方向上对准－反平行(AP)状态。图1A是传统垂直MTJ100在其平行(P)状态中的横截面示意图。图1B是图1A的垂直MJT100在其反平行(AP)状态中的横截面示意图。如所见到的，垂直MTJ100是分层结构，包括第一(固定)铁磁层120、绝缘体层130和第二(自由)铁磁层140，如所示地堆叠。固定层有时称为钉扎(pinned)的，通常不经受其磁化(M固定)中的变化－其磁化方向保持固定并用作参考。另一方面，自由层有时称为动态的，在其磁化(M自由)方向上经受变化。在图1A中，固定铁磁层120和自由铁磁层140在相同方向上(垂直MTJ100处于其P状态中)分别具有磁化－M固定和M自由。在P状态中，具有平行于磁化取向的自旋的电子(自旋加快电子)易于通过绝缘体层130从固定铁磁层120到达自由铁磁层140，同时具有反平行于磁化取向的自旋的电子(自旋减慢电子)被强烈地散射。自旋加快电子可以隧穿通过绝缘体层130，因为在自由铁磁层140中可得到足够大量的未占用自旋加速状态。结果，P状态MTJ100对于具有平行于磁化取向的自旋的电子具有低电阻率，对于具有反平行于磁化取向的自旋的电子具有高电阻率。换言之，与在AP状态中相比，在垂直MTJ100的P状态(低电阻率状态)中，电子更有可能隧穿(电流传导)通过绝缘体层130，以下对此论述。在图1B中，M固定和M自由处于相反的方向(垂直MTJ100处于其AP状态中)。在AP状态中，两类自旋的电子(自旋加速电子和自旋减慢电子)都被强烈地散射。量子隧穿在此情况下受到抑制，因为可以得到很少的自旋加速状态(与在前参考图1A论述的P状态相比)。结果，AP状态MTJ100对于电子具有高电阻率，不管自旋取向如何。换言之，与在P状态中相比，在垂直MTJ100的AP状态(高电阻状态)中，电子不太可能隧穿(电流传导)通过绝缘体层130。如前所述的，可以设计给定垂直MTJ，以使得其自由铁磁层的磁化M自由(例如磁化方向)可以改变(例如翻转)。在翻转M自由的背景下，垂直MTJ理想地将如图2A和2B中不同示出地工作。图2A是示出用于理想垂直MTJ的作为外磁场(μ0H)的函数的电阻(R)的滞后图。如所见的，R-H滞后对于理想垂直MTJ很好地以零为中心。因而应意识到，翻转自由铁磁层的磁化M自由，以及从而将理想垂直MTJ从其P状态转换到其AP状态所必需的外磁场的强度与翻转M自由并从而从AP状态转换到P状态所需的具有相同量值。图2B是图2A的理想垂直MTJ的能量图。如所见的，理想垂直MTJ的P状态和AP状态各自的能量是相等的，因而任一状态在能量上都不比另一状态更为有利(例如，较低能量的)。相应地，理想垂直MTJ的P状态与AP状态之间的能垒使得以相同的相对能量要求实现从AP到P和从P到AP的转换。例如，如果例如在磁阻存储器器件(例如磁阻随机存取存储器，MRAM)中实施理想垂直MTJ，那么在从AP状态转换到P状态(类似地从P到AP状态)时确保存储器器件的非易失性所需的最小能垒约为60kT(例如对称能量要求)。其他示例性能垒值将取决于给定应用，磁阻存储器器件的示例环境旨在仅用于说明性目的，并非限制所要求的专利技术。然而，现实世界的限制/约束禁止/妨碍传统MTJ设计实现图2A-2B中所示的理想状态。而是，传统MTJ设计(例如诸如图1A-1B的)与多个重要的问题相关联。例如，垂直MTJ在其P与AP状态之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直磁隧道结，包括：第一绝缘体层，所述第一绝缘体层位于自由铁磁层与固定铁磁层之间，其中，所述自由铁磁层和所述固定铁磁层中的每一个与磁化方向相关联；以及第二绝缘体层，所述第二绝缘体层位于第三铁磁层与所述自由铁磁层或所述固定铁磁层的其中之一之间，其中，所述第三铁磁层与所述固定铁磁层的磁化方向相反的磁化方向相关联。

【技术特征摘要】
1.一种垂直磁隧道结，包括：第一绝缘体层，所述第一绝缘体层位于自由铁磁层与固定铁磁层之间，其中，所述自由铁磁层和所述固定铁磁层中的每一个与磁化方向相关联；以及第二绝缘体层，所述第二绝缘体层位于第三铁磁层与所述自由铁磁层或所述固定铁磁层的其中之一之间，其中，所述第三铁磁层与所述固定铁磁层的磁化方向相反的磁化方向相关联。2.根据权利要求1所述的垂直磁隧道结，进一步包括一个或多个电触点，所述一个或多个电触点可操作地与所述垂直磁隧道结耦合，其中，通过使电流通过所述垂直磁隧道结来确定所述垂直磁隧道结的平行状态或反平行状态。3.根据权利要求1所述的垂直磁隧道结，其中，所述第一绝缘体层和第二绝缘体层中的每一个包括氧化镁。4.根据权利要求1所述的垂直磁隧道结，其中，所述垂直磁隧道结包括在存储器电路中。5.根据权利要求4所述的垂直磁隧道结，其中，所述存储器电路是嵌入式存储器、非易失性存储器、磁阻随机存取存储器、自旋转移矩存储器、易失性存储器、静态随机存取存储器和动态随机存取存储器中的至少之一。6.一种电子器件，包括一个或多个根据权利要求1所述的垂直磁隧道结。7.根据权利要求6所述的电子器件，其中，所述器件包括存储器电路、通信芯片和处理器中的至少之一。8.一种计算系统，包括一个或多个根据权利要求1至7中的任一项所述的垂直磁隧道结。9.根据权利要求8所述的计算系统，其中，所述系统是移动计算系统。10.一种垂直磁隧道结电路，包括：具有磁化方向的自由铁磁层；具有磁化方向的固定铁磁层；以及具有磁化方向的第三铁磁层；其中，所述第三铁磁层的磁化方向与所述固定铁磁层的磁化方向相反。11.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·C·郭，B·S·多伊尔，A·雷什欧迪伊，R·戈利扎德莫亚拉德，K·奥乌兹，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国,US