非易失性磁存储单元和器件制造技术

用在存储器和逻辑开关应用中的磁隧道结单元用第一铁磁层。第二铁磁层和夹在所述第一和第二铁磁层之间的绝缘层形成，用以形成磁隧道结元件。该单元还包括写入导线。写入导线由电容性结构端接，其允许使用单极写入电压和仅有单口写入端子在写入导线中建立双向电流。第一和第二铁磁层最好用半金属性铁磁材料形成，其特性接近于全自旋极化，导致单元具有接近理想开关特征。这种单元适用于开关器件、逻辑器件和非易失性存储器件。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁存储器件，尤其涉及非易失性磁存储单元和采用该存储单元的存储器和逻辑开关器件。用于计算机存储器的存储单元的理想特征是高速，低功耗，非易失性和低成本。低成本通常是由使用简单的制备工艺和高单元密度来实现。动态随机存取存储器(DRAM)单元快速和消耗少的功率。然而，DRAM单元的内容是易失的并且紧接着在每秒要刷新许多次。快闪型EEPROM单元是非易失性的，具有低读出功率，并被做成单个器件。然而，EEPROM单元通常要用微秒级时间来写入数据内容，用毫秒级时间来擦除该内容。这种慢的存取时间使EEPROM单元对于许多应用是不理想的，尤其是对于用在计算机主存储器更是如此。不同于DRAM，以铁磁区磁化强度取向为存储信息的磁存储单元能将存储的信息保持很长的时间，因此是非易失性的。使用磁状态来改变靠近铁磁区材料的电阻的某些类型磁存储单元总起来公知为磁阻(MR)存储单元。这种MR存储单元的阵列通常称为磁RAM或MRAM。MRAM器件是首先在美国专利US 3,375,091中以采用MR读出的双稳磁元件的形式提出的。MRAM单元的设计是基于磁性金属和合金的各向异性磁阻(AMR)效应。MRAM单元具有二个稳定的磁结构，代表逻辑状态0的“高”阻态和代表逻辑状态1的“低”阻态。然而，AMR效应的大小在大多数铁磁系统中通常低于5％，其限制了读出信号的大小。这表现为该种器件的很低的存取次数。近来已经制备了更灵敏和有效率的原型MRAM器件，其使用表现为巨磁阻(GMR)的自旋阀结构，如在“Spin-Valve Ram Cell”，IEEETrans。Magn.，Vol.31，3206(1995)中由Tang等人所公开的。所公开的基本存储元件是条形，其由一对由薄铜隔离层分开的磁性层构成。磁性层之一个的磁化强度在固定的磁取向上通过与薄的反铁磁层的交换耦合被固定，而另一个磁性层的磁化强度是自由的。当自由层磁化强度与固定层磁化强度相同时，单元的电阻要比层的磁化强度彼此相反时低。这两个磁性结构代表“0”和“1”逻辑状态。这种器件表现出高达14％的电阻变化，其导致比先前MRAM单元较高的信号电平和较快的存取速度。然而，在读单元的内容时，该内容被破坏了。而且，自旋阀器件固有的低电阻要求高的读出功率，其抑制了高密度存储器件的生产。磁隧道结(MTJ)是以与AMR或GMR单元根本不同的物理原理为基础的。在MTJ中，两个磁性层由绝缘隧道阻挡层分开，在两个铁磁层之间载流电子的自旋极化隧道效应产生了磁致电阻。隧道电流依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向。MTJ由Moodera等人在“LargeMagnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic ThinFilm Tunnel Junctions”，Phy.Rev.Lett.，Vol.74，No.16，April17，1995，PP.3273-3276中进行了说明。附图说明图1示出MTJ的简图。中心组成部分是三层的分层结构，包括二层铁磁金属层(FM1和FM2)，其由绝缘体层分开。FM1 102和FM2 104的厚度可以是在几个原子层至几个微米范围内的任何值。绝缘体层106的厚度在1-10纳米(nm)的范围内。当在FM层102和104之间施加电压108时，从一个FM层出来的电子能够隧穿绝缘层106并进入另一FM层，导致称作隧道电流的电流It。隧道电流It的大小依赖于电压的大小。MTJ电阻定义为R＝V/It，其也是所施加电压的函数。电阻的大小还依赖于FM层102和FM层104磁化强度的关系。当两层的磁化强度彼此相互平行时，R假定为小值Rmin。当两层的磁化强度反平行时，R的大小为其最大值Rmax。在这些极值之间的范围内(0＜Θ＜180°)，电阻值在最小和最大值之间变化。通常，FM1 102的磁化强度能被固定在某个方向(例如，通过具有较高矫顽磁性的材料或者通过由反铁磁变换固定它来实现，正如在自旋阀的情况)，同时通过施加的磁场来改变FM2 104的磁化强度方向以获得理想的电阻。尽管MTJ器件具有使它们能理想用于存储器应用中的几个特征，但先前的实际限制已阻止了这些产品的成功商业化。因此，要求改进的MTJ单元结构和存储器件结构来使MTJ单元在商业应用中的成功使用变得容易。根据本专利技术的一个方案，用在存储器和逻辑开关应用中的磁性隧道结单元形成为具有第一铁磁层，第二铁磁层，以及夹在第一和第二铁磁层之间的绝缘层，形成了磁隧道结元件。单元还包括写入导线，其具有在第一方向对中且最靠近第一铁磁层放置的第一导体段和在基本上与第一方向正交的第二方向对中且最靠近第二铁磁层放置的第二导体段。单元还包括电路元件，其端接第一和第二导体段，并且使得在使用单极写入电压和仅仅单端口写入端子时在写入导体中建立双向电流。该双向电流在第一电流方向中将高阻抗状态写入单元，在第二电流方向中将低阻抗状态写入单元。第一和第二铁磁层最好用半金属性铁磁材料形成。这种材料包括CrO2，Fe3O4，形式为La1-xDxMnO3(D是碱土元素)的亚锰酸盐(manganites)，以及形式为X2MnY的锰铝铜强磁性合金(Heusleralloys)(这里X是Co，Ni，Cu，和Pd之一个，Y是一个Al，Sn，In和Sb)。半金属性铁磁材料的特性接近全自旋极化，其导致单元具有接近理想开关的特征。能使双向电流流动的电路元件能采用电容器结构的形式，其在第一方向存储电荷，在第二方向释放电荷。电路元件还能采用电压分压器电路的形式。在可得到双极写入电压的选择的实施例中，电路元件能够采用阻性端接到地电势的形式。根据本专利技术另一实施例，形成了磁随机存取存储器(MRAM)器件，其包括多个位线和多个字线。位线和字线以形成多个交叉点的基本上正交的方式布置。MRAM还包括多个磁隧道结单元，具有与每个交叉点相关联的单个单元。单元形成有第一铁磁层，第二铁磁层，及夹在铁磁层之间的绝缘层。每个单元还包括写入导线，其具有在第一方向对中且最靠近第一铁磁层的第一导体段，以及在与第一方向基本上正交的第二方向对中且最靠近第二铁磁层的第二导体段。每个单元的写入导体用电路元件端接，例如为电容性结构的电路元件，其能使双向电流流动。第一晶体管将写入导体耦合到对应的位线和字线。第二晶体管将对应的字线耦合到第一铁磁层，用于将读信号施加到单元。每个单元具有相关联的读出放大器，其夹在第二铁磁层和对应的输出位线之间，用于检测施加的读信号。第一和第二铁磁层最好用半金属性铁磁材料形成。这种材料包括CrO2，Fe3O4，形式为La1-xDxMnO3(D为碱土元素)的亚锰酸盐(manganites)，以及形式为X2MnY的锰铝铜强磁性合金(Heusleralloys)(这里X是Co，Ni，Cu和Pd之一，Y是一个Al，Sn，In和Sb)。半金属性铁磁材料的特性接近全自旋极化，其导致单元具有接近理想的开关特征。这导致MRAM容易和快速地读出。根据本专利技术的另一个实施例，形成的磁随机存取存储器(MRAM)器件包括多个基本上相互平行且位于第一平面上的三态位线。MRAM还包括多个基本上相互平行且位于第二平面上的三态字线。字线和位线基本上正交且建立具有多个交叉点的行列阵列。每个字本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁隧道结单元，包括： 第一铁磁层； 第二铁磁层； 类在所述第一和第二铁磁层之间的绝缘层； 写入导线，所述写入导线包括按第一方向对中且最靠近所述第一铁磁层的第一导体段，以及按基片上与第一方向正交的第二方向对中且最靠近所述第二铁磁层的第二导体段；和 端接所述第一和第二导体段的电路结构，所述电路结构在有写入信号的情况下启动所述导体信号中的双向电流流动。

【技术特征摘要】
US 1998-8-5 09/1298271.一种磁隧道结单元，包括第一铁磁层；第二铁磁层；类在所述第一和第二铁磁层之间的绝缘层；写入导线，所述写入导线包括按第一方向对中且最靠近所述第一铁磁层的第一导体段，以及按基片上与第一方向正交的第二方向对中且最靠近所述第二铁磁层的第二导体段；和端接所述第一和第二导体段的电路结构，所述电路结构在有写入信号的情况下启动所述导体信号中的双向电流流动。2.根据权利要求1的磁隧道结单元，其中所述第一和第二铁磁层用半金属性铁磁材料形成。3.根据权利要求2的磁隧道结单元，其中所述电路结构是电容性元件。4.根据权利要求2的磁隧道结单元，其中所述电路结构是电压分压器电路，和其中所述写入信号是三态信号。5.根据权利要求2的磁隧道结单元，其中所述电路结构包括耦合到正电压电势的第一晶体管；和第二晶体管，所述第二晶体管被耦合到所述第一晶体管和电路地电势，所述第一和第二晶体管是由公共信号控制的互补器件，由此当所述信号是第一状态时，电流从所述正电压电势通过所述第一晶体管以第一方向流入所述导体段，当所述信号是第二状态时，电流从所述导体段通过所述第二晶体管以第二方向流到电路地电势。6.根据权利要求2的磁隧道结单元，其中所述半金属性材料选自包括CrO2，Fe3O4，形式为La1-xDxMnO3且D为碱土元素的亚锰酸盐，以及形式为X2MnY且X是Co，Ni，Cu和Pd之一、Y是一个Al，Sn，In和Sb的锰铝铜强磁性合金的组。7.一种具有多个位线和多个字线的磁随机存取存储器器件，位线和字线以基本上正交的方式放置，形成多个交叉点，该存储器器件包括多个磁随道结单元，所述单元与多个交叉点相关联，该单元包括第一铁磁层；第二铁磁层；夹在所述第一和第二铁磁层之间的绝缘层；写入导线，所述写入导线包括以第一方向对中且最靠近所述第一铁磁层的第一导体段和以基本上与第一方向正交的第二方向对中且最靠近所述第二铁磁层的第二导体段；端接所述第一和第二导体段的电路结构，所述电路结构响应接收的写入信号使双向电流在所述导体段中流动；将所述写入导线耦合到对应的位线和字线的第一晶体管；将所述对应字线耦合到所述第一铁磁层的第二晶体管；和读出放大器，所述读出放大器夹在所述第二铁磁层和对应输出位线之间。8.根据权利要求7的磁存储器器件，其中所述第一和第二铁磁层用半金属性铁磁材料形成。9.根据权利要求8的磁存储器器件，其中所述半金属性材料选自包括CrO2，Fe3O4，形式为La1-xDxMnO3且D是碱土元素的亚锰酸盐，以及形式为X2MnY且X是Co，Ni，Cu和Pd之一、Y是一个Al，Sn，In和Sb的锰铝铜强磁性合金的组。10.根据权利要求8的磁存储器器件，其中所述电路结构是电容性元件。11.根据权利要求8的磁存储器器件，其中所述电路结构是电压分压器电路，和其中所述写入信号是三态信号。12.根据权利要求8的磁存储器器件，其中所述电路结构包括耦合到正电压电势的第一晶体管；和第二晶体管，所述第二晶体管耦合到所述第一晶体管和电路地电势，所述第一和第二晶体管是由公共信号控制的互补器件，由此当所述信号是处在第一状态时，电流从所述正电压电势通过所述第一晶体管以第一方向流入所述导体段，当所述信号是处在第二状态时，电流从所述导体段通过所述第二晶体管以第二方向流入电路地电势。13.一种磁随机存取存储器件，包括多个三态位线，所述位线基本上相互平行且放置在第一平面上；多个三态字线，所述字线基本上相互平行且放置在第二平面上，所述字线相对所述位线以基本上正交的方式放置，形成多个交叉点；多个电路结构，所述电路结构端接每个所述字线和所述位线并能响应所接收的写入信号使双向电流流动；多个磁隧道结单元，所述单元与所述多个交叉点相关联且夹在所述第一平面和所述第二平面之间，所述单元包括第一铁磁层；第二铁磁层；和夹在所述第一和第二铁磁层之间的绝缘层；和用于在读周期期间将所述单元耦合到所述对应字线和位线的装置，由此通过将电流通入所述对应位线和字线来写入所述单元的状态，并且通过启动所述耦合装置来读出所述单元，检测来自所述单元的读信号。14.根据权利要求13的磁隧道结单元，其中所述第一和第二铁磁层用半金属性铁磁材料形成。15.根据权利要求14的磁隧道结单元，其中所述半金属性材料选自包括CrO2，Fe3O4，形式为La1-xDxMnO3且D为碱土元素的亚锰酸盐，和形式为X2MnY且X是Co，Ni，Cu和Pd之一、Y是一个Al，Sn，In和Sb的锰铝铜强磁性合金的组。16.根据权利要求14的磁存储器件，其中所述电路结构是电容性元件。17.根据权利要求14的磁存储器件，其中所述电路结构是电压分压器电路。18.根据权利要求14的磁存储器件，其中所述电路结构包括耦合到正电压电势的第一晶体管；和第二晶体管，所述第二晶体管被耦合到所述第一晶体管和电路地电势，所述第一和第二晶体管是由公共信号控制的互补器件，由此当所述信号是处于第一状态时，电流从所述正电压电势通过所述第一晶体管以第一方向流入所述导体段，当所述信号是处于第二状态时，电流从所述导体段通过所述第二晶体管以第二方向流入电路地电势。19.一种磁逻辑器件，包括具有输入端子、输出端子和第一写入导线输入端子的第一半金属性磁隧道结单元，所述第一半金属性磁隧道结单元具有开状态和关状态，其设置响应于施加到所述写入导线输入端子的信号，所述开状态代表在所述输入和输出端子之间的低阻状态，所述关状态代表在所述输入和输出端子之间的高阻状态；和具有输入端子、输出端子和第二写入导线输入端子的第二半金属性磁隧道结单元，所述第一半金属性磁隧道结单元具有开状态和关状态，其设置响应于施加到所述写入导线输入端子的信号，所述开状态代表在所述输入和输出端子之间的低阻状态，所述关状态代表在所述输入和输出端子之间的高阻状态；所述第一和第二写入导线输入端子形成逻辑输入端子，所述输入和输出端子耦合以完成在逻辑器件输出端子和所述逻辑输入端子之间的逻辑功能。20.根据权利要求19的磁逻辑器件，其中所述输入端子连接在一起并进一步连接到正电压电势，所述输出端子连接在一起形成所述逻辑器件输出端子，由此所述逻辑功能为或功能。21.根据权利要求19的磁逻辑器件，其中所述第一单元的第一输入端子被耦合到正电压电势，所述第一单元的所述输出端子被耦合到所述第二单元的所述输入端子，所述第二单元的所述输出端子是所述逻辑器件输出端子，由此所述逻辑功能是与功能。22.根据权利要求19的磁逻辑器件，还包括从正电压电势耦合到所述逻辑器件输出端子的负载电阻，其中所述输入端子连接在一起并进一步连接到地电压电势，所述输出端子连接在一起形成所述逻辑器件输出端子，由此所述逻辑功能为或非功能。23.根据权利要求19的磁逻辑器件，还包括从正电压电势耦合到所述逻辑器件输出端子的负载电阻，其中所述第一单元的所述输入端子耦合到地电压电势，所述第一单元的所述输出端子耦合到所述第二单元的所述输入端子，所述第二单元的所述输出端子是所述逻辑器件输出端子，由此所述逻辑功能为与非功能。24.根据权利要求19的磁逻辑器件，还包括具有输入端子，输出端子和第三写入导线输入端子的第三半金属性...

【专利技术属性】
技术研发人员：A古普塔，RV乔希，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]