压控层间交换耦合磁阻存储器设备及其操作方法技术

本发明专利技术公开了一种磁阻存储器设备，该磁阻存储器设备包括磁隧道结，该磁隧道结包括自由层、参考层和位于该自由层与该参考层之间的绝缘隧道势垒层、与该自由层竖直地间隔的垂直磁各向异性(PMA)铁磁层、位于该自由层与该PMA铁磁层之间的导电非磁层间交换耦合层。该磁阻存储器设备是混合磁阻存储器设备，其通过自旋扭矩转移效应和压控交换耦合效应的组合来编程。矩转移效应和压控交换耦合效应的组合来编程。矩转移效应和压控交换耦合效应的组合来编程。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】压控层间交换耦合磁阻存储器设备及其操作方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2020年3月20日提交的美国非临时专利申请号16/824,814的优先权的权益，该美国非临时专利申请的全部内容以引用方式并入本文。


[0003]本公开整体上涉及磁阻存储器设备领域，并且具体地涉及采用压控层间交换耦合以促进编程的磁阻存储器设备及其操作方法。

技术介绍

[0004]磁阻存储器设备可存储采用第一配置和第二配置的电阻差的信息，在第一配置中，自由磁化层的磁化方向平行于参考磁化层的磁化，在第二配置中，自由磁化层的磁化方向反平行于参考磁化层的磁化。磁阻存储器设备的编程需要采用各种外部电源来翻转自由层的磁化方向，这些外部电源本质上可为磁性或可采用自旋转移机制。
[0005]自旋扭矩转移磁阻随机存取存储器(STT
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MRAM)设备的可扩展性需要高于操作所需的电流。STT
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MRAM设备基于界面垂直磁各向异性的可扩展性决定了显著增强垂直磁各向异性(PMA)以实现MRAM设备中可靠信息保留所需的热稳定性的需要。同时，写入信息期间的低功耗需要有效的磁化操纵。需要同时具有用于保持的高能势垒和用于有效切换的低能势垒是具有高PMA的系统的关键挑战。
[0006]压控磁各向异性(VCMA)是更节能的用于磁化切换的方法，因为它由电压而不是由电流驱动。然而，实现足够大的VCMA效应以克服PMA是非常具有挑战性的。此外，VCMA切换依赖于必须由电压脉冲的持续时间精确控制的
[0007]优先磁化切换。由于磁属性在不同存储器单元中的分布，这可能导致大的写入错误。

技术实现思路

[0008]根据本公开的一个方面，磁阻存储器设备包括第一电极、第二电极和位于该第一电极与该第二电极之间的第一层叠堆。该第一层叠堆包括自由层、参考层、位于该该自由层与参考层之间的绝缘层、铁磁层和位于该自由层与该铁磁层之间的导电非磁层间交换耦合层。
[0009]根据本公开的一个方面，一种磁阻存储器设备包括磁交换耦合的层叠堆和绝缘间隔层，该磁交换耦合的层叠堆包括自由层、参考层和导电非磁性层间交换耦合层，该导电非磁性层间交换耦合层位于自由层与参考层之间，该绝缘间隔层在第一电极与第二电极之间与磁交换耦合的层叠堆串联连接。该第一电极和该第二电极被配置为跨该磁交换耦合的层叠堆和该绝缘间隔层提供编程电压。
[0010]根据本公开的另一方面，提供了一种操作磁阻存储器设备的方法。该设备包括磁交换耦合的层叠堆和绝缘间隔层，该磁交换耦合的层叠堆包括自由层、参考层和位于该自
由层与该参考层之间的导电非磁层间交换耦合层，该绝缘间隔层在第一电极与第二电极之间与该磁交换耦合的层叠堆串联连接。该方法包括跨磁交换耦合的层叠堆和绝缘间隔层在第一电极与第二电极之间施加第一极性编程电压，以将自由层的磁化从与参考层平行的状态切换到与参考层反平行的状态，以及跨磁交换耦合的层叠堆和绝缘间隔层在第一电极与第二电极之间施加与第一极性电压相反的第二极性编程电压，以将自由层的磁化从与参考层反平行的状态切换到与参考层平行的状态。
附图说明
[0011]图1是包括处于阵列配置的本公开的磁阻存储器单元的随机存取存储器设备的示意图。
[0012]图2A示出了根据本公开的实施方案的示例性磁阻存储器单元的第一构型。
[0013]图2B示出了根据本公开的实施方案的示例性磁阻存储器单元的第二构型。
[0014]图3示意性地示出了本公开的示例性磁阻存储器单元中自由层的平行和反平行构型的磁各向异性能量的压感变化。
[0015]图4A示出了根据本公开的实施方案的示例性磁阻存储器单元的第三构型。
[0016]图4B示出了根据本公开的实施方案的示例性磁阻存储器单元的第四构型。
[0017]图5A示出了根据本公开的示例性磁阻存储器单元的设备特性的模拟，针对金属层间交换耦合层为两个原子层厚的情况，铁磁构型和反铁磁构型之间的能量差依据跨绝缘间隔层施加的电场的变化。
[0018]图5B示出了根据本公开的示例性磁阻存储器单元的设备特性的模拟，针对金属层间交换耦合层为三个原子层厚的情况，铁磁构型和反铁磁构型之间的能量差依据跨绝缘间隔层施加的电场的变化。
[0019]图5C示出了根据本公开的示例性磁阻存储器单元的设备特性的模拟，针对金属层间交换耦合层为四个原子层厚的情况，铁磁构型和反铁磁构型之间的能量差依据跨绝缘间隔层施加的电场的变化。
[0020]图5D示出了根据本公开的示例性磁阻存储器单元的设备特性的模拟，针对金属层间交换耦合层为五个原子层厚的情况，铁磁构型和反铁磁构型之间的能量差依据跨绝缘间隔层施加的电场的变化。
[0021]图6示出了层间交换耦合依据绝缘间隔层中氧化镁的晶格常数的依赖性。
[0022]图7A是根据本公开的实施方案的混合磁阻存储器单元的第一配置的示意性竖直剖面图。
[0023]图7B是根据本公开的实施方案的混合磁阻存储器单元的第二配置的示意性竖直剖面图。
[0024]图8A是根据本公开的实施方案的混合磁阻存储器单元的第三配置的示意性竖直剖面图。
[0025]图8B是根据本公开的实施方案的混合磁阻存储器单元的第四配置的示意性竖直剖面图。
具体实施方式
[0026]如以上所讨论，本公开的实施方案涉及磁阻存储器设备，该磁阻存储器设备采用压控交换耦合(VCEC)(其包括压控层间交换耦合)以便于对其各个方面进行编程，如下所述。VCEC MRAM设备使用比对应的STT
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MRAM设备更少的能量进行编程以引起在自由层的反平行状态与平行状态之间的转变，并且提供确定性切换和比对应的VCMA MRAM设备更高的准确度。
[0027]VCEC MRAM设备包括叠堆，该叠堆包含位于自由层与参考层之间的导电非磁性层间交换耦合层以及可选的电绝缘间隔层，该电绝缘间隔层用作与叠堆串联的电阻器。VCEC MRAM设备通过向叠堆施加电压而不施加(即，没有)外部磁场而编程。因此，外部磁体优选地不用于VCEC MRAM设备中。
[0028]由于存在非磁性导电层间交换耦合层，因此VCEC MRAM设备的状态可通过利用巨磁阻(GMR)效应而感测(即，读取/确定)。相比之下，由于自由层与参考层之间存在电绝缘隧穿势垒，因此STT
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MRAM设备的状态由隧穿磁阻(TMR)效应感测(即，读取/确定)。同样，VCMA MRAM设备包含自由层与参考层之间的绝缘势垒层。相比之下，VCEC MRAM设备优选地在叠堆中的自由层与参考层之间缺乏绝缘隧穿势垒层以促进铁磁层之间的交换耦合。
[0029]根据本公开的一个方面，采用压控交换耦合(VCEC)以减小用于在两种磁阻状态之间转变的能量势垒。本专利技术人认识到，VCEC效应可比VCMA效应大至少一个数量级。此外，与基本上作为拨动开关操作的VCMA MRAM设备相比，VCEC效应的极性可通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种磁阻存储器设备，所述磁阻存储器设备包括：第一电极；第二电极；和第一层叠堆，所述第一层叠堆位于所述第一电极与所述第二电极之间，所述第一层叠堆包括：自由层；参考层；绝缘层，所述绝缘层位于所述自由层与所述参考层之间；铁磁层；和导电非磁层间交换耦合层，所述导电非磁层间交换耦合层位于所述自由层与所述铁磁层之间。2.根据权利要求1所述的磁阻存储器设备，其中：所述自由层包括铁磁自由层；所述参考层包括铁磁参考层；所述绝缘层包括隧道势垒层；并且所述铁磁层包括垂直磁各向异性(PMA)铁磁层，所述PMA铁磁层的PMA高于所述参考层的PMA。3.根据权利要求2所述的磁阻存储器设备，其中：所述隧道势垒层具有1.2nm或更小的厚度；并且所述层间交换耦合层具有0.1nm至7nm的厚度。4.根据权利要求3所述的磁阻存储器设备，其中：所述参考层具有与所述PMA铁磁层的磁化方向平行的磁化方向；并且包括所述隧道势垒层、所述自由层、所述层间交换耦合层和所述PMA铁磁层的第二层叠堆的电压依赖性交换耦合具有正交换耦合系数。5.根据权利要求3所述的磁阻存储器设备，其中：所述参考层具有与所述PMA铁磁层的磁化方向反平行的磁化方向；并且包括所述隧道势垒层、所述自由层、所述层间交换耦合层和所述PMA铁磁层的第二层叠堆的电压依赖性交换耦合具有负交换耦合系数。6.根据权利要求3所述的磁阻存储器设备，其中：所述导电非磁层间交换耦合层基本上由选自Au、Cu、Cr、Ru和Al的至少一种金属元素组成；所述隧道势垒层是位于所述第一电极与所述第二电极之间的唯一电绝缘层；并且所述隧道势垒层基本上由氧化镁组成。7.根据权利要求6所述的磁阻存储器设备，其中所述PMA铁磁层包含选自FePt合金、FePd合金、CoPt合金、Pt/Co多层叠堆、Co/Ag多层叠堆、Co/Cu多层叠堆、Co/Ni多层叠堆、(Pt/Co/Pt)/Pd多层叠堆、(Pt/Co/Pt)/Ag多层叠堆、(Pt/Co/Pt)/Cu多层叠堆、(Pt/Co/Pt)/Ni多层叠堆和Co/(Pt/Pd)多层叠堆的材料。8.根据权利要求1所述的磁阻存储器设备，所述磁阻存储器设备还包括合成反铁磁结构，所述合成反铁磁结构包括所述参考层、固定铁磁层和反铁磁耦合层，所述固定铁磁层的
磁化与所述参考层的参考磁化反平行，所述反铁磁耦合层位于所述参考层与所述固定铁磁层之间。9.一种磁阻随机存取存储器，所述磁阻随机存取存储器包括：根据权利要求2所述的磁阻存储器设备的实例的二维阵列；字线，所述字线电连接所述二维阵列的所述第一电极的相应子组；位线，所述位线电连接所述二维阵列的所述第二电极的相应子组；和编程与感测电路系统，所述编程与感测电路系统连接到所述位线并被配置为通过自旋转移扭矩效应和压控交换耦合效应的组合来对所述磁阻存储器设备进行编程，以及通过隧道磁阻(TMR)效应来读取所述磁阻存储器设备。10.一种操作根据权利要求2所述的磁阻存储器设备的方法，所述方法包括：通过自旋转移扭矩效应和压控交换耦合效应的组合来对所述磁阻存储器设备进行编程；以及通过隧道磁阻(TMR)效应来读取所述磁阻存储器设备。11.根据权利要求10所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：西部数据技术公司，
类型：发明
国别省市：