具有确定性切换和高数据保持的磁存储器单元制造技术

一种磁存储器（MRAM）单元（1），包括:第一层（5），其由大体导电的材料形成；以及在所述第一层（5）上形成的磁隧道结（MTJ）堆叠（10），其中所述MTJ堆叠（10）包括:具有面内参考磁化（130）的铁磁参考层（13）；隧道阻挡层（12）；以及所述隧道阻挡层（12）和所述第一层（5）之间的铁磁存储层（11），所述存储层（11）具有面内存储磁化（110）；其中所述MTJ堆叠（10）包括用于在存储层（11）中提供面内单轴各向异性（211）的布置；其中所述面内单轴各向异性（211）相对于所述写入电流（20）的方向成5

【技术实现步骤摘要】
具有确定性切换和高数据保持的磁存储器单元


[0001]本专利技术涉及一种具有确定性切换、高数据保持和对磁场干扰具有高抗扰度的磁存储器单元。

技术介绍

[0002]非易失性磁随机存取存储器（MRAM）单元包括具有硬磁层（即，“参考”层）和软磁层（即，“自由”或“存储”层）以及参考层和存储层之间的隧道阻挡层的磁隧道结（MTJ）。常规的MRAM单元可以通过使电流流过形成在每个存储器元件的任一侧上的电流引线以便创建局部感应的磁场来写入，所述磁场设置了软层磁化的方向。
[0003]除了写入电流路径垂直穿过MTJ的磁层以及穿过MTJ的隧道阻挡之外，自旋转移力矩（STT）MRAM单元类似于常规的MRAM单元。存储层借助于由参考磁层感应的自旋极化电流的自旋转移力矩来设置。
[0004]最近，基于自旋轨道力矩的概念，已经证明了一种使用电流来切换薄铁磁层的磁化的备选方法。在此方案中，磁存储层与生成SOT（SOT
‑
generating）的条带（层）接触，所述条带（层）通常是Pt、Ta、W、Hf、IrMn或PtMn。当在非磁SOT生成层中注入电流时，自旋轨道耦合导致SOT生成层内部的垂直自旋电流以及在与磁材料的交界面处的自旋累积。这两种效应都导致角动量转移到铁磁层的磁化，从而创建自旋轨道力矩，并在铁磁层中感应出磁化反转。自旋电流生成被称为自旋霍尔效应，而自旋重取向通常与Rashba效应相关联。它们的相对贡献和更广泛的精确物理机制目前正在辩论中。
[0005]SOT
‑
MRAM单元的一个主要优点在于，由于不同的电流路径，写入和读取操作是去耦的，这自然解决了与STT
‑
MRAM的耐久性和读取干扰相关的问题。此外，可以独立于写入约束来调节TMR，从而放宽了RA要求（通常在STT
‑
MRAM中RA＜10Ωμm2），以便实现高TMR（>200%）。
[0006]在图1a
‑
c中，示意性地示出了针对各种SOT
‑
MRAM单元配置的自旋轨道力矩切换。在附图中，SOT
‑
MRAM单元仅由邻近于底部电极5（生成SOT的条带）的存储层11表示。电流20流通过底部电极5中。
[0007]在图1a中，位存储层11包括面外存储磁化110，即，存储磁化110大体垂直于存储层11的面来取向。
[0008]存储层11还呈现强磁各向异性，使得也实现了足够的（至少数秒的）数据保持。
[0009]然而，由电流20生成的自旋轨道力矩没有虑及确定性切换，因为存储磁化110的两个磁取向（向上和向下）对于这些力矩是对称的，并且这两个磁取向都不受欢迎。为了建立存储磁化110的确定的切换取向，需要附加的对称破坏因子，诸如至少部分对准于电流20的方向的附加外部磁场（未示出）。
[0010]图1b示出了其中存储层11包括面内存储磁化110（即，存储磁化110大体平行于存储层11的面来取向）的SOT
‑
MRAM单元1的配置。存储磁化110大体上与电流方向共线，使得电流感应的SOT被最大化，并且可以实现快速切换。由于由电流20感应的自旋轨道力矩对称地
作用在存储磁化110的两个方向（平行于和反平行于电流方向）上，除非提供附加的对称破坏因子（诸如至少部分地大体垂直于存储层11的面来取向的附加外部磁场（未示出）），否则电流20不会虑及确定性切换。
[0011]在图1c中，SOT
‑
MRAM单元1的存储层11包括大体垂直于电流20的方向来取向的面内存储磁化110。在这种配置中，自旋轨道力矩的作用对于存储磁化110的两个取向来说是不对称的，从而使得可以实现存储磁化110的确定性切换，而无需任何附加的对称破坏因子。
[0012]具有面内存储磁化110的图1b和1c的配置通常依赖于形状各向异性，并且不呈现足够大（>500 Oe）的矫顽力以确保对磁干扰的抗扰度。
[0013]具有面内存储磁化110的图1b和1c的配置示出了弱磁各向异性，使得在小尺寸（即，通常具有小于60nm的最大尺寸）的单元中不能实现足够的数据保持。
[0014]因此，仍然需要一种MRAM单元设计，其提供以下所有特征:快速切换、确定性切换、足够的数据保持和用于对磁场干扰具有足够抗扰度的大矫顽力。

技术实现思路

[0015]本公开涉及一种磁存储器（MRAM）单元，包括:由大体导电层形成的第一电极，其中第一电极具有一表面，所述表面布置成当写入电流在第一电极的面内流过大体导电层时积累自旋；以及在第一电极上形成的磁隧道结（MTJ）堆叠，其中MTJ堆叠包括:具有面内参考磁化的铁磁参考层；隧道阻挡层；以及隧道阻挡层与第一电极之间的铁磁存储层，所述存储层具有面内存储磁化；其中MTJ堆叠包括用于在存储层中提供面内单轴各向异性的布置；其中所述面内单轴各向异性与写入电流的方向成5
°
至90
°
之间的角度，并且其中所述面内单轴各向异性具有40至200 k
B
T之间的能量和高于1000Oe的矫顽场。
[0016]MRAM单元设计提供了以下所有特征:快速切换、确定性切换、足够的数据保持和大矫顽力，而无需附加的对称破坏因子。
附图说明
[0017]借助于以示例方式给出并由附图说明的实施例的描述，将更好地理解本专利技术，在所述附图中:图1示出了MRAM单元配置，其中存储层包括面外存储磁化（图1a）或面内存储磁化（图1b和c）；图2示出了根据实施例的MRAM单元的横截面视图；图3示出了根据另一实施例的MRAM单元的横截面视图；图4示出了根据又一实施例的MRAM单元的横截面视图；图5示出了根据实施例的MRAM单元的俯视图；图6表示根据实施例的MRAM单元的存储层中的面内单轴各向异性的取向；图7示出了根据另一实施例的MRAM单元的俯视图；图8示出了根据另一实施例的MRAM单元的横截面视图；以及图9示出了根据又一实施例的MRAM单元的横截面视图。
具体实施方式
[0018]图2示出了根据实施例的磁存储器（MRAM）单元1的横截面视图。MRAM单元1包括第一层5，所述第一层5配置用于使写入电流20流通。MRAM单元1还包括形成在第一层5上的磁隧道结（MTJ）堆叠10。MTJ堆叠10包括:具有面内参考磁化130的铁磁参考层13、隧道阻挡层12和具有面内存储磁化110的铁磁存储层11。在此，表述“面内”表示的是参考磁化130和存储磁化110分别在参考层13和存储层11的面内具有稳定状态。
[0019]存储层11在隧道阻挡层12和第一层5之间。隧道阻挡层12位于参考层13和存储层11之间。MTJ堆叠10还可以包括第二层3。第二层3可以是导电条带。
[0020]参考层13和第二层3之间可以包括一个或多个附加层。在图4中所示的示例性MRAM单元1中，反铁磁层14被添加在参考层13和第二层3之间，反铁磁层14交换耦合参考本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1. 一种磁存储器（MRAM）单元（1），包括:第一层（5），其由大体导电的材料形成，并且配置用于使写入电流（20）流通；以及在所述第一层（5）上形成的磁隧道结（MTJ）堆叠（10），其中所述MTJ堆叠（10）包括:具有面内参考磁化（130）的铁磁参考层（13）；隧道阻挡层（12）；以及所述隧道阻挡层（12）和所述第一层（5）之间的铁磁存储层（11），所述存储层（11）具有面内存储磁化（110）；其特征在于，所述MTJ堆叠（10）配置用于在所述存储层（11）中提供面内单轴各向异性（211）；其中所述面内单轴各向异性（211）相对于所述写入电流（20）的方向成5
°
至90
°
之间的角度（θ），以及其中所述面内单轴各向异性（211）具有40至200kBT之间的能量和大于200 Oe的矫顽力。2.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中所述存储层（11）包括晶体各向异性，以便提供所述面内单轴各向异性（211）。3.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中所述第一层（5）包括反铁磁材料，并且其中所述面内单轴各向异性（211）由所述第一层（5）的反铁磁材料和所述铁磁存储层（11）之间的磁相互作用产生。4.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中所述面内单轴各向异性（211）由磁致伸缩感应的各向异性所提供。5.根据权利要求4所述的MRAM单元，其中所述铁磁存储层（11）是应变的，所述面内单轴各向异性（211）的取向由所述应变铁磁存储层（11）的应力方向所决定。6.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中所述面内单轴各向异性（211）由所述存储层（11）所提供，所述存储层（11）使用斜角沉积技术来纹理化。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：W，
申请(专利权)人：国家科学研究中心原子能与替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：