公开了一种装置。该装置包括：具有体积单轴磁结晶各向异性的第一磁性层，其中第一磁性层的磁矩垂直于第一磁性层；和邻近第一磁性层的隧道势垒，其中第一磁性层的磁矩的取向通过由在第一磁性层和隧道势垒之间流动并且流过第一磁性层和隧道势垒的电流引起的自旋转移力矩来反转。
【技术实现步骤摘要】
用于具有体积单轴磁结晶各向异性的磁性层的自旋转移力矩切换的装置和方法本申请要求2018年9月28日提交的美国专利申请号16/146,728的优先权，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
本专利技术涉及磁性随机存取存储器(MRAM)领域，并且更特别地，涉及依赖于自旋转移力矩的MRAM装置。
技术介绍
磁性隧道结(MTJ)形成新的非易失性磁性随机存取存储器(MRAM)的基础存储器单元，其具有高性能和耐久性的前景，并且还具有缩放到极小尺寸的潜力。磁性隧道结(MTJ)由被超薄绝缘层分隔的两个磁性电极的夹心结构组成。这些层中的一个形成存储器或存储层，其他层形成其磁性结构在MRAM运行期间不改变的参考层。在参考电极和存储器磁性电极之间隧穿的电流是自旋极化的：自旋极化的大小由磁性电极的电子性质和隧道势垒的“自旋过滤”性质的组合决定。在当前的MRAM中，无论形成存储器层的电极的磁化与参考电极的磁化平行还是反平行地取向，都通过使电流流过MTJ来改变MTJ的磁性状态。电流(其是固有地自旋极化的)传递自旋角动量，一旦超过阈值电流，所述自旋角动量就导致磁性存储器电极磁矩的方向的切换。该自旋角动量的转移施加自旋转移力矩(STT)，并且通过此方法切换的磁性存储器电极称为STT-MRAM。当电极的磁化垂直于所述层取向时，切换电流的大小减小。此电流的大小受用于提供写入电流的晶体管的尺寸限制。这意味着可切换磁性电极(存储器电极)的厚度必须足够小，以使得其可以通过可用电流来切换。因此，对于约1000emu/cm3的磁化值，电极必须具有不超过大约1nm的厚度。当今开发用于密集MRAM用MTJ的最有前景的材料包括由Co、Fe和B的合金形成的铁磁性电极，和由MgO形成的隧道势垒(例如，美国专利号8,008,097)。铁磁性电极制作得足够薄，以使得这些电极的磁化垂直于这些层取向。Co-Fe-B层的垂直磁各向异性(PMA)由在这些层与隧道势垒和/或Co-Fe-B层沉积于其上的底层之间的界面引起。因此，这些层必须制作得足够薄，以使得界面PMA克服由磁体积引起的并且随着Co-Fe-B层的磁体积成比例增大的去磁能。实际上，这意味着当将装置尺寸减小到低于约20nm尺寸时PMA太弱而无法克服热波动，因为磁性层的厚度不得不低于保持其垂直磁矩所需的厚度并且低于以合理的电流密度切换磁性层所需的厚度。迄今为止，在MRAM装置中的其磁矩可以通过STT切换的磁性材料具有界面各向异性、形状各向异性，或没有各向异性。这样的材料不允许将MRAM装置缩放到低于约20nm的尺寸。所需要的是用于铁磁性电极的新材料，其表现出比Co-Fe-B所表现出的PMA大得多的PMA，并且优选地，PMA起因于电极的体积或体相。一类有前景的具有这种性质的磁性材料是霍斯勒(Heusler)化合物。Heusler合金是具有化学式X2YZ或X’X”YZ的化合物，其中X和X’和X”和Y是过渡金属或镧系元素(稀土金属)，并且Z选自主族金属。Heusler化合物具有Cu2MnAl型的结构(在皮尔逊表(PearsonTable)中限定)，其中这些元素设置在4个相互贯穿的面心立方(fcc)晶格上。在该家族中已知多种化合物(约800)(T.Graf等，ProgressinSol.StateChem.39,1(2011))。这些化合物中的一些由于在X和/或Y位点上的磁矩而是铁磁性或亚铁磁性的。此外，尽管母体Heusler化合物是立方的并且表现出弱的磁各向异性或没有表现出明显的磁各向异性，但是发现这些化合物中有一些的结构是四方畸变的：由于此畸变，这些化合物表现出的磁化可以优选地沿四方轴对齐。因此，由这样的材料形成的薄膜可以由于与其四方畸变结构相关的磁晶各向异性而表现出PMA。这样的四方Heusler化合物的一些已知实例是Mn3Z，其中Z＝Ga、Ge、Sn和Sb，或Mn2CoSn。迄今为止，在使用导电性底层的Si/SiO2基底上由Heusler合金形成的磁性电极的厚度远超过1nm的厚度。迄今为止最薄的层是关于Heusler化合物Mn3Ge的，其薄至5nm的层显示出垂直磁各向异性以及合理的方形磁滞回线。在化学模板层(CTL)上生长的表现出大PMA的这些材料的超薄膜(约1nm厚)需要使用单晶基底如MgO(100)或使用在Si/SiO2基底上的MgO晶种层。这样的单晶基底或使用MgO作为晶种层的一部分对于STT-MRAM应用是没用的，在所述STT-MRAM应用中，MTJ必须沉积在以当今基于CMOS的技术由多晶铜形成的导线上，所述多晶铜可以用其他层覆盖，其他层也是多晶或非晶的。为了能够使用超薄四方Heusler化合物作为用于MRAM的通过STT可切换的磁性电极，需要用于在非晶或多晶基底上形成这些化合物的方法。
技术实现思路
公开了一种装置。该装置包括第一磁性层和隧道势垒。第一磁性层具有体积单轴磁结晶各向异性。第一层的磁矩基本上垂直于第一层。隧道势垒邻近或接近第一磁性层。第一磁性层的磁矩的取向通过由在第一磁性层和隧道势垒之间流动并且流过第一磁性层和隧道势垒的电流引起的自旋转移力矩来反转。附图说明图1.通过卢瑟福背散射(RBS)测定的在溅射气体中不同N2含量下生长的Mn-氮化物膜的Mn:N比率。图2.由在不同温度生长的Mn4N膜测量的均方根粗糙度rrms。图3.作为Mn/N比的函数的MnN膜的均方根粗糙度rrms和电阻率。图4.MnxN膜的面外X射线衍射θ-2θ扫描，其中x＝1、2、3、3.76、4和4.75。图5.由图4中显示的XRD数据测定的MnxN膜的面外晶格常数。图6.MnxN/CoAl层的面外X射线衍射θ-2θ扫描，其中x＝1、2、3、3.76、4和4.75。图7.来自在室温沉积在MnxN/CoAl层上的Mn3SbHeusler化合物的在沉积状态下和在300℃退火30min后测量的垂直磁光克尔效应(P-MOKE)磁滞回线，其中x＝1、2、3、3.76、4和4.75。图8.对于多种厚度的Mn3GeHeusler化合物，在沉积状态下和在300℃、350℃和400℃依次退火半小时后在1T施加场中测量的P-MOKE磁滞回线的矫顽力。图9.沉积在电流面内隧穿(CIPT)基底上的典型MTJ装置堆叠体的示意图。图10.对图9所述的堆叠体测量的磁强计(VSM)磁滞回线。图11.MTJ装置电导相对于装置面积的图。实线示出了对电导数据的线性最小二乘拟合。图12.左侧插图中示出代表性MTJ装置的横截面图的透射电子显微镜(TEM)图像。以高分辨率对在黑框内的区域进行成像。在右下方的插图示出了在虚线框内的区域的放大图。图13.直径为110nm(标称)的MTJ装置的相对于施加场(H)的电阻(R)。图14.图12中使用的相同MTJ装置的相对于偏置电压的电阻(R)。在右侧的示意图说明了与装置的电连接。图15.所测量的作为电压脉冲的持续时间(以纳秒计)的函数的切换概率。在右侧的示意图说明了与装置的电连接。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种装置，所述装置包括：/n第一磁性层，所述第一磁性层具有体积单轴磁结晶各向异性，其中所述第一磁性层的磁矩垂直于所述第一磁性层；和/n邻近或接近所述第一磁性层的隧道势垒，其中所述第一磁性层的磁矩的取向通过由在所述第一磁性层和所述隧道势垒之间流动并且流过所述第一磁性层和所述隧道势垒的电流引起的自旋转移力矩来反转。/n
【技术特征摘要】
20180928 US 16/146,7281.一种装置，所述装置包括：
第一磁性层，所述第一磁性层具有体积单轴磁结晶各向异性，其中所述第一磁性层的磁矩垂直于所述第一磁性层；和
邻近或接近所述第一磁性层的隧道势垒，其中所述第一磁性层的磁矩的取向通过由在所述第一磁性层和所述隧道势垒之间流动并且流过所述第一磁性层和所述隧道势垒的电流引起的自旋转移力矩来反转。
2.权利要求1所述的装置，其中所述第一磁性层是Heusler化合物。
3.权利要求2所述的装置，其中所述Heusler化合物包括MnxGe、MnxSn和MnxSb中的至少一种，其中x在2.5至3.5的范围内。
4.权利要求2所述的装置，其中所述Heusler化合物是三元四方Heusler。
5.权利要求4所述的装置，其中所述三元Heusler包括Mn2CoSn、Mn2CoSb、Mn2OsSn和Mn2RuSn中的至少一种。
6.权利要求5所述的装置，其中所述三元Heusler包括Mn2CoSn。
7.权利要求1所述的装置，所述装置包括邻近或接近所述隧道势垒的第二磁性层。
8.权利要求7所述的装置，其中所述隧道势垒是MgO。
9.权利要求7所述的装置，其中所述隧道势垒是晶格与所述第一磁性层匹配并且允许自旋过滤的绝缘体，所述隧道势垒包括Mg1-xAl2-xO4，其中-0.5<x<0.5。
10.一种方法，所述方法包括：
使用一种装置作为非易失性存储器单元，
其中所述装置包括：
第一磁性层，所述第一磁性层具有体积单轴磁结晶各向异性，其中所述第一磁性层的磁矩垂直于所述第一磁性层；
邻近或接近所述第一磁性层的隧道势垒，其中所述第一磁性层的磁矩的取向通过由在所述第一磁性层和所述隧道势垒之间流动并...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑在佑，马赫什·G·萨曼塔，斯图亚特·S·P·帕金，亚里·费兰特，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：韩国;KR
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