具有增强热稳定性的自旋轨道扭矩MRAM存储器单元制造技术

平面内SOT MRAM非易失性存储器单元由于相邻的反铁磁层提供的矫顽钉扎而具有増强的热稳定性，该反铁磁层的厚度小于提供交换偏置所需的最小临界厚度。

Spin orbit torque MRAM memory cell with enhanced thermal stability

In-plane sot MRAM nonvolatile memory cells have increased thermal stability due to the coercive pinning provided by the adjacent antiferromagnetic layer, whose thickness is less than the minimum critical thickness required to provide exchange bias.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有增强热稳定性的自旋轨道扭矩MRAM存储器单元
技术介绍
存储器广泛用于各种电子设备，诸如蜂窝电话、数字相机、个人数字助理、医疗电子器件、移动计算设备、非移动计算设备和数据服务器。存储器可包括非易失性存储器或易失性存储器。即使当非易失性存储器未连接到电源(例如，电池)时，非易失性存储器也允许存储和保留信息。非易失性存储器的一个示例是磁阻随机存取存储器(MRAM)，其使用磁化来表示所存储的数据，这与使用电荷来存储数据的其他存储器技术相反。一般来讲，MRAM包括在半导体衬底上形成的大量磁存储器单元，其中每个存储器单元都代表一个数据位。通过改变存储器单元内的磁性元件的磁化方向将数据位写入存储器单元，并且通过测量存储器单元的电阻来读取位(例如低电阻通常表示“0”位且高电阻通常表示“1”位)。图1A是利用自旋轨道扭矩(SOT)进行切换的示例性现有技术MRAM存储器单元100的示意透视图。一般来讲，自旋霍尔效应(SHE)可用于产生在横向于所施加电流的方向的方向上流动的自旋电流。存储器单元100包括：三个端子A、B和C；磁性隧道结(MTJ)101；和SHE层120。MTJ101包括钉扎层(PL)102、层间耦合(ILC)层104、参考层(RL)106、隧道势垒(TB)108和自由层(FL)110。对于平面内SOT存储器单元，自由层(FL)110具有可在进入页面和离开页面之间切换的磁化方向。参考层(RL)106具有进入页面的磁化方向。钉扎层(PL)102具有离开页面的磁化方向。ILC层104促进PL(102)和RL(106)之间的强反铁磁(即，反平行)耦合，使得它们的净磁矩大部分抵消，因而大大减少了自由层上的不需要的杂散场影响。为了将数据写入存储器单元100，在端子B和端子C之间施加写入电流122。通过在端子A与端子B之间传递电流来实现读取，以便感测存储器单元100的电阻。如果自由层(FL)110的磁化方向与RL(106)的磁化方向平行，例如进入页面，则存储器单元100具有较低的电阻。如果自由层(FL)110的磁化方向与RL(106)的磁化方向反平行，例如离开页面，则存储器单元100具有较高的电阻。图1B为存储器单元100的顶视图，其中双向箭头130指示自由层110的可切换的磁化方向。如图所示，MTJ101的形状为椭圆形，以便保持热稳定性。也就是说，FL的椭圆形形状引入了磁性形状各向异性，这为FL的热活化磁化反转提供能量势垒，从而使FL磁化热稳定。SHE层120的形状为矩形。利用了SHE的SOT切换设计的主要优点在于写入电流122仅通过SHE层120，而不流过隧道势垒108。这避免了通过切换电流的隧道势垒的长期退化。然而，随着存储器单元100的尺寸被缩小，存储器单元100失去其保留数据的能力。这是因为磁性形状各向异性能量与FL的体积成正比，并且随着该体积减小，针对热活化的磁化反转的能量势垒降低，最终无法保持FL的热稳定磁化。附图说明类似编号的元件是指不同图中的共同部件。图1A是MRAM存储器单元的侧视图的框图。图1B是MRAM存储器单元的顶视图的框图。图2A是MRAM存储器单元的侧视图的框图。图2B是MRAM存储器单元的顶视图的框图。图3是描述了写入MRAM存储器单元的过程的一个实施方案的流程图。图4A是MRAM存储器单元的侧视图的框图。图4B是MRAM存储器单元的顶视图的框图。图5A是MRAM存储器单元的侧视图的框图。图5B是MRAM存储器单元的顶视图的框图。图6A是MRAM存储器单元的侧视图的框图。图6B是MRAM存储器单元的顶视图的框图。图7是包括许多MRAM存储器单元的存储器系统的框图。具体实施方式为了改善数据保持(即，平面内SOTMRAM非易失性存储器单元的磁热稳定性)，由邻近自由层的反铁磁层提供矫顽钉扎机构。一个实施方案包括具有可切换磁化方向的铁磁材料和与铁磁材料接触的反铁磁材料。在一个示例性具体实施中，铁磁材料为磁性隧道结的自由层，并且反铁磁材料的厚度小于为自由层提供交换偏置所需的最小临界厚度。下面说明了更多详细信息。图2A是利用SHE并利用自旋轨道扭矩(SOT)进行切换的MRAM存储器单元200的一个实施方案的示意透视图。图2B是存储器单元200的顶视图。出于本文档的目的，存储器单元为存储器系统中的存储器单元。存储器单元200包括三个端子A、B和C；磁性隧道结(MTJ)202；以及SHE层220。SHE层通常为具有高自旋轨道耦合(并且通常对应的高电阻率和短自旋扩散长度)的重金属，例如铂、钽或钨。如果电流通过SHE层在平面内运行，则在垂直方向上(向上流向FL)产生自旋极化电流，其经由自旋传递机构对FL施加扭矩并且可切换FL的磁化。端子B和C连接到SHE层220。一般来讲，磁性隧道结(MTJ)为包括由薄绝缘体隔开的两个铁磁体的装置。因此，MTJ202的一个实施方案包括钉扎层、自由层以及钉扎层与自由层之间的隧道势垒。MTJ202也可以具有多于三个层。例如，如图2A所描绘，MTJ202包括钉扎层(PL)204、层间耦合(ILC)层206、参考层(RL)208、隧道势垒(TB)210和自由层(FL)212。钉扎层204和参考层208具有固定的磁化，这意味着它们的磁化方向不会改变。钉扎层204可以为许多不同类型的材料，包括(但不限于)多个钴层和/或钴和铁的合金层。参考层208可以为许多不同类型的材料，包括(但不限于)多个钴层和钴、铁和硼的合金层。在一个示例中，ILC层104由钌制成；然后，也可以使用其他材料。钉扎层204具有与参考层208的方向相反的磁化方向。例如，图2A示出了钉扎层204的磁化方向为离开页面，并且参考层208的磁化方向为进入页面。在很大程度上，参考层208的磁化抵消了钉扎层204的磁化(或反之亦然)，以总体上产生具有接近零净磁化的组合层。ILC层206促进PL204和RL208之间的这种反平行(即反铁磁)耦合。在一个示例中，隧道势垒210由氧化镁(MgO)制成；然后，也可以使用其他材料。隧道势垒210位于自由层212和一个或多个固定磁化层之间；因此，在一个实施方案中，隧道势垒210定位于自由层212和参考层208之间。自由层212为铁磁金属，其具有改变/切换其磁化方向的能力。基于过渡金属如Co、Fe及其合金的多层可用于形成自由层212。在一个实施方案中，自由层212包括钴、铁和硼的合金。自由层(FL)212具有可以在进入页面和离开页面之间切换的磁化方向。如果FL212的磁化方向与RL208的磁化方向平行，则存储器单元200具有较低的电阻。如果FL212的磁化方向与RL208的磁化方向反平行，则存储器单元200具有较高的电阻。低电阻表示“0”位，并且高电阻表示“1”位，或反之亦然。通过测量存储器单元200的电阻来读取存储在存储器单元200中的数据(“0”或“1”)。如图所示，存储器单元200包括三个端子：A、B和C。通过在端子A与端子B之间传递电流来实现读取，以便感测存储器单元200的电阻。为了将数据写入存储器单元200，在端子B和端子C之间施加电写入电流222，以便通过切换自由层212的磁化方向来改变存储器单元200的电阻。取决于对于电流222的给定极性在SHE层220中的自旋霍尔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非易失性存储器单元，包括：磁性隧道结，所述磁性隧道结包括自由层和钉扎层，其中所述自由层包括具有可切换的磁化方向的第一铁磁层；和第一反铁磁层，所述第一反铁磁层与所述第一铁磁层接触，所述第一反铁磁层的厚度小于为所述第一铁磁层提供交换偏置所需的最小临界厚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.04.11 US 15/485,0491.一种非易失性存储器单元，包括：磁性隧道结，所述磁性隧道结包括自由层和钉扎层，其中所述自由层包括具有可切换的磁化方向的第一铁磁层；和第一反铁磁层，所述第一反铁磁层与所述第一铁磁层接触，所述第一反铁磁层的厚度小于为所述第一铁磁层提供交换偏置所需的最小临界厚度。2.根据权利要求1所述的装置，其中：所述第一反铁磁层的厚度使得所述第一反铁磁层为所述第一铁磁层提供矫顽磁力。3.根据权利要求1所述的装置，其中：所述非易失性存储器单元还包括自旋霍尔效应层，所述自旋霍尔效应层与所述第一反铁磁层接触但与所述第一反铁磁层分离并被配置为响应于所述自旋霍尔效应层上的电流而充当所述磁性隧道结的自旋电流源。4.根据权利要求1所述的装置，其中：所述非易失性存储器单元是SOTMRAM存储器单元。5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中：所述磁性隧道结还包括层间耦合(ILC)层、参考层和隧道势垒；所述层间耦合(ILC)层定位在所述钉扎层和所述参考层之间；并且所述隧道势垒定位在所述参考层和所述自由层之间。6.根据权利要求5所述的装置，其中：所述非易失性存储器单元还包括与所述钉扎层相邻的第二反铁磁层；并且所述第二反铁磁层具有足够大的厚度，以提供用于钉扎层的交换偏置。7.根据权利要求1所述的装置，其中：所述磁性隧道结为圆形。8.根据权利要求1所述的装置，其中：所述MRAM存储器单元还包括自旋霍尔效应层，所述自旋霍尔效应层与所述第一反铁磁层接触并被配置为响应于所述自旋霍尔效应层上的电流而充当...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·米哈伊洛维奇，C·H·曾，
申请(专利权)人：闪迪技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US