具有辅助层的自旋转移矩制造技术

一种

【技术实现步骤摘要】
具有辅助层的自旋转移矩MRAM及其操作方法
[0001]本案是申请号为
201980006531.2
，申请日为
2019
年8月
30
日，题目为“具有辅助层的自旋转移矩
MRAM
及其操作方法”的申请的分案
。
[0002]相关申请
[0003]本申请要求
2018
年
12
月6日提交的美国非临时申请序列号
16/212,257、16/212,342
和
16/212,420
的优先权，前述申请的全部内容以引用方式并入本文
。


[0004]本公开总体上涉及磁存储设备领域，并且特别涉及具有辅助层的自旋转移矩
(STT)
磁阻随机存取存储器
(MRAM)
设备及其操作方法
。

技术介绍

[0005]自旋转移矩
(“STT”)
是指磁性隧道结或自旋阀中的磁层取向由自旋极化电流修改的效应
。
一般地，电流是非极化的，其中电子具有随机自旋取向
。
自旋极化电流是电子由于优先自旋取向分布而具有非零净自旋的电流
。
自旋极化电流可通过使电流通过磁性极化层来生成
。
当自旋极化电流流过磁性隧道结或自旋阀的自由层时，自旋极化电流中的电子可将其角动量中的至少一些转移到自由层，从而产生扭矩以磁化自由层
。
当足够量的自旋极化电流通过自由层时，可采用自旋转移矩以翻转自由层中的自旋取向
(
例如，改变磁化
)。
可采用自由层的不同磁化状态之间的磁性隧道结的电阻差以将数据存储在磁阻随机存取存储器
(MRAM)
单元内，取决于自由层的磁化是平行于还是反平行于参考层的磁化
。

技术实现思路

[0006]根据本公开的一个方面，
MRAM
设备包括磁性隧道结，该磁性隧道结包含：具有固定磁化方向的参考层
、
自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性隧道阻挡层；具有负磁各向异性的负磁各向异性辅助层，该负磁各向异性在垂直于固定磁化方向的平面内提供面内磁化；和第一非磁间隔层，该第一非磁间隔层位于自由层与负磁各向异性辅助层之间
。
[0007]根据本公开的另一方面，
MRAM
设备包括磁性隧道结，该磁性隧道结包含具有固定磁化方向的参考层
、
自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性隧道阻挡层；第一磁性辅助层；第二磁性辅助层；反铁磁耦合间隔层，该反铁磁耦合间隔层位于第一磁性辅助层与第二磁性辅助层之间；和第一非磁性间隔层，该第一非磁性间隔层位于自由层与第一磁性辅助层之间
。
反铁磁耦合间隔层被配置为在第一磁性辅助层的第一磁化方向与第二磁性辅助层的第二磁化方向之间提供反铁磁耦合
。
[0008]根据本公开的另一方面，
MRAM
单元包括磁性隧道结，该磁性隧道结包含具有固定磁化方向的参考层
、
自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性隧道阻隔层；自旋矩振荡器叠堆；和第一非磁性隔层，该第一非磁性隔层位于自由层与自旋扭矩振荡器叠堆之间
。
附图说明
[0009]图1是包括处于阵列构型的本公开的电阻存储器单元的存储器设备的示意图
。
[0010]图2示出了根据本公开的第一实施方案的示例性
STT MRAM
单元的第一构型
。
[0011]图3示出了根据本公开的第一实施方案的示例性
STT MRAM
单元的第二构型
。
[0012]图4示出了根据本公开的第一实施方案的示例性
STT MRAM
单元的第三构型
。
[0013]图5示出了根据本公开的第一实施方案的示例性
STT MRAM
单元的第四构型
。
[0014]图
6A
示出了在自由层的自旋从向上状态转变到向下状态期间的示例性旋进图案
。
[0015]图
6B
示出了在自由层的自旋从向下状态转变到向上状态期间的示例性旋进图案
。
[0016]图7示出了根据本公开的第二实施方案的示例性
STT MRAM
单元的第一构型
。
[0017]图8示出了根据本公开的第二实施方案的示例性
STT MRAM
单元的第二构型
。
[0018]图9示出了根据本公开的第二实施方案的示例性
STT MRAM
单元的第三构型
。
[0019]图
10
示出了根据本公开的第二实施方案的示例性
STT MRAM
单元的第四构型
。
[0020]图
11
示出了比较
STT MRAM
单元
。
[0021]图
12
是示出作为通过比较
STT MRAM
单元的电流密度的函数的转变概率的曲线图
。
[0022]图
13
是示出作为通过本公开的第二实施方案的示例性
STT MRAM
单元的电流密度的函数的转变概率的曲线图
。
[0023]图
14
示出了根据本公开的第三实施方案的示例性
STT MRAM
单元的第一构型
。
[0024]图
15
示出了第一耦合模式中示例性自旋转移矩
MRAM
单元内自旋扭矩层与自旋极化层的磁化之间的反铁磁耦合
。
[0025]图
16
示出了第二耦合模式中示例性自旋转移矩
MRAM
单元内自旋扭矩层与自旋极化层的磁化之间的反铁磁耦合
。
[0026]图
17
示出了第三耦合模式中示例性自旋转移矩
MRAM
单元内自旋扭矩层与自旋极化层的磁化之间的反铁磁耦合
。
[0027]图
18
示出了第四耦合模式中示例性自旋转移矩
MRAM
单元内自旋扭矩层与自旋极化层的磁化之间的反铁磁耦合
。
[0028]图
19
示出了根据本公开的第三实施方案的示例性
MRAM
单元的第二构型
。
[0029]图
20
示出了根据本公开的第三实施方案的示例性
MRAM
单元的第三构型
。
[0030]图
21
示出了根据本公开的第三实施方案的示例性
MRAM
单元的第四构型
。
具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种
MRAM
设备，所述设备包括：磁性隧道结，所述磁性隧道结包括具有固定磁化方向的参考层
、
自由层和位于所述参考层与所述自由层之间的非磁性隧道阻挡层；第一磁性辅助层；第二磁性辅助层；反铁磁耦合间隔层，所述反铁磁耦合间隔层位于所述第一磁性辅助层与所述第二磁性辅助层之间，其中所述反铁磁耦合间隔层被配置为在所述第一磁性辅助层的第一磁化方向与所述第二磁性辅助层的第二磁化方向之间提供反铁磁耦合；和第一非磁性间隔层，所述第一非磁性间隔层位于所述自由层与所述第一磁性辅助层之间；其中所述
MRAM
单元被配置为在所述自由层的磁化围绕平行于所述参考层的所述固定磁化方向的竖直轴旋进期间，提供所述自由层的所述磁化与所述第一磁性辅助层的所述第一磁化之间的磁耦合，并且在电流流过所述
MRAM
单元时，提供所述第一磁性辅助层的所述第一磁化和所述自由层的所述磁化的同步旋进
。2.
根据权利要求1所述的
MRAM
单元，其中所述第一磁化方向和所述第二磁化方向被配置为围绕平行于所述参考层的所述固定磁化方向的竖直轴旋进，同时在通过所述第一磁性辅助层
、
所述反铁磁耦合间隔层和所述第二磁性辅助层施加电流时保持其间的反铁磁对准
。3.
根据权利要求2所述的
MRAM
单元，其中：所述自由层具有正磁各向异性以提供双稳态磁化状态，所述双稳态磁化状态包括具有平行于所述固定竖直磁化的磁化的平行状态和具有反平行于所述固定竖直磁化的磁化的反平行状态；并且在通过所述参考层施加所述电流时，所述参考层的所述固定磁化方向保持相同的取向
。4.
根据权利要求1所述的
MRAM
单元，其中：所述第一磁化方向是垂直于所述参考层的所述固定磁化方向的第一面内磁化；并且所述第二磁化方向是垂直于所述参考层的所述固定磁化方向的第二面内磁化
。5.
根据权利要求1所述的
MRAM
单元，其中：所述第一磁性辅助层包括具有第一负磁各向异性的第一磁性材料；并且所述第二磁性辅助层包括具有第二负磁各向异性的第二磁性材料
。6.
根据权利要求5所述的
MRAM
单元，其中所述第一磁性辅助层和所述第二磁性辅助层中的每一者选自：均匀负磁各向异性材料；和多层叠堆，所述多层叠堆包括第一磁性材料层和第二磁性材料层的多次重复
。7.
根据权利要求6所述的
MRAM
单元，其中所述第一磁性辅助层和所述第二磁性辅助层中的每一者包括钴铱合金，所述钴铱合金包括
70
原子％至
90
原子％的钴和
10
原子％至
30
原子％的铱
。8.
根据权利要求6所述的
MRAM
设备，其中所述第一磁性辅助层和所述第二磁性辅助层中的每一者包括钴铁合金，所述钴铁合金包括
90
原子％至
99.5
原子％的钴和
0.5
原子％至
10
原子％的铁
。9.
根据权利要求5所述的
MRAM
单元，其中：所述第一磁性辅助层和所述第二磁性辅助层中的至少一者包括多层叠堆，所述多层叠堆包括周期性重复的单元层叠堆；并且所述单元层堆叠包括所述第一磁性材料层和所述第二磁性材料层
。10.
根据权利要求1所述的
MRAM
单元，其中所述第一磁性辅助层和所述第二磁性辅助层中的每一者包括不具有单轴磁各向异性的相应磁性材料
。11.
根据权利要求
10
所述的
MRAM
单元，其中所述第一磁性辅助层和所述第二磁性辅助层中的每一者包括选自具有大于
40
原子％的铁的
CoFe
合金或者
NiFe
合金的相应材料
。12.
根据权利要求1所述的
MRAM
单元，其中所述反铁磁耦合间隔层包括金属材料，所述金属材料引起所述第一磁性辅助层与所述第二磁性辅助层之间的
Ruderman
–
Kittel
–
Kasuya
–
Yosida(RKKY)
耦合相互作用
。13.
根据权利要求
12
所述的
MRAM
单元，其中所述反铁磁耦合间隔层包括钌并且厚度在
0.1nm
至
1.0nm
的范围内
。14.
根据权利要求1所述的
MRAM
单元，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
、
具有反...

【专利技术属性】
技术研发人员：Q，
申请(专利权)人：桑迪士克科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：