热辅助磁写入元件制造技术

用于通过磁场或热辅助自旋转移进行写入的该磁元件包括包含有如下部件的堆：自由磁层，也称为存储层或可翻转磁化层（５１），其磁化方向可以在两个非写入稳定状态之间翻转，这两个状态均指向平面外并且基本上垂直于所述层的平面，并且其磁化在写入期间的温度上升的作用下从基本上垂直于平面自发地重新取向为基本上在平面内；至少一个参考磁化层（５０、５５），也称为钉扎层，其磁化被取向为基本上垂直于所述层的平面；非磁隔层（５２），插入在两个层之间；用于使电流垂直于所述层的平面流动的部件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及并入磁阻堆的磁元件的领域，该磁阻堆包括由绝缘隧道阻挡层隔开 的两个磁层、限制电流路径层、半传导层或金属层，并且特别包括磁隧道结，诸如在非 易失性磁随机存取存储器中使用的那些，其以本质上已知的方式允许电子系统中的数据 的存储、读取和写入。更具体地，本专利技术应用于包括一组存储器点的磁随机存取存储 器，其通常被表示为首字母缩写MRAM，每个存储器点由磁隧道结形成，该磁隧道结也 被表示为首字母缩写MTJ。通过相似的方式，本专利技术还涉及具有磁层的如下逻辑元件， 这些逻辑元件使用至少一个磁阻堆，该磁阻堆包括由绝缘隧道阻挡层隔开的两个磁层、 限制电流路径层、半传导层或金属层。因此在以下描述中，表述“磁元件”意味着磁层的堆，这些磁层包括至少一 个钉扎层(也被称为参考层)、自由层(也被称为存储层)、以及所述层之间的绝缘或半 传导层或限制电流路径层。钉扎层和自由层的概念的定义将会在本说明书的剩余部分中 更清楚地呈现。
技术介绍
随着具有与CMOS元件的使用兼容的电阻和环境温度下的高磁阻的磁隧道结 (MTJ)的发展，MRAM磁存储器受到关注。例如在文献US-A-5640343中已描述了这些具有磁隧道结的磁存储器。在它们 最简单的形式中，它们包括具有不同的矫顽性的由薄绝缘层隔开的两个磁层。当构成位 于隧道阻挡层两侧的两个上述磁层的各个存储层和参考层的磁化反平行时，磁隧道结的 电阻是高的。相反地，当磁化平行时，该电阻变低。优选地，这两个磁层由3d金属(Fe、Co、Ni)及其合金(可能含有硼和锆，以 便使所述层的结构是无定形的并且使它们的界面平坦)制成并且绝缘层通常由无定形矾 土(A10x)或晶体氧化镁(MgO)制成。有利地，诸如在例如文献US-5583725中描述 的，也称为“钉扎层”的参考层自身可以包括数个层的堆，以便构成被称为“合成反铁 磁”(SAF)，，层的层。相似地，诸如在例如Y.SAITO等人的出版物Journal of Magnetism andMagnetic Materials, Volume 223，2001，第293页中描述的，对于每个存储器点，可 以将单磁隧道结替换为双磁隧道结。在该情况中，存储层被插入在两个绝缘层之间，该 结构包括被安置在与所述各个绝缘层相对的侧的两个参考层。最常规的架构是文献US-A-6021065中和出版物Journal of AppliedPhysics, vol.81, 1997，第3758页中描述的并且在附图说明图1中示出的架构，其被称为场致磁翻转 (FIMS)，即感生磁场的磁化的反向。如图示现有技术的图1中可以观察到的，每个存储器元件或存储器点10包括 CMOS技术晶体管12和磁隧道结MTJ 11的组合。所述隧道结11包括被称为“存储层” 或“自由层”的至少一个磁层20、薄绝缘层21和被称为“钉扎层”的磁层22，该磁层 22还被称为参考层。具有存储器点(每个存储器点包括磁隧道结)的这些磁存储器的功能在于生成用于写入的脉冲磁场，该脉冲磁场由与每个所述磁点关联的电流线或导体创建。因此，并且在FIMS架构的背景下，观察到三层电流线。在图1中，通常彼此成 90°安置的两层线14(字线)和线15(位线)，被设计用于生成在写入过程期间使自由层 20的磁化翻转的磁场脉冲。这些磁场脉冲通过使典型地2至5纳秒的并且具有约几个毫 安的电流的短电脉冲在电流线14和15中流通来产生。这些脉冲的强度及其同步被调整 使得仅有位于这两个电流线的交叉点的存储器点的磁化经历翻转。为了单独地对每个存储器元件寻址，设计了也称为“控制线”的附加的电流线 16的层，用于控制与每个存储器点关联的晶体管选择或开关沟道12的导通和截止。换句 话说，CMOS晶体管12被用作开关。在被寻址的存储器点的写入模式中，所选择的晶体管12处于阻挡或“截止”模 式，从而没有电流通过晶体管。电流脉冲I被传送到对应于所选择的存储器点10的两个 电流线14和15中。电流I的脉冲幅度使得除了线14和15的交叉点处以外的所创建的 磁场不足以使线14或15上的存储器点翻转，在线14和15的交叉点处两个线的联合贡献 足以生成如下磁场，该磁场同样是足够的并且能够使被寻址的存储器点的层20的磁化翻 转。在读取模式中，通过经由控制线16将电压施加到所述晶体管的栅极上，晶体管 12处于饱和或“导通”模式。测试电流随后被传送到电流线14中，该测试电流仅能够 穿过晶体管12处于饱和或“导通”模式的存储器点。该电流用于测量所述所选择的存 储器点10的磁隧道结11的电阻。根据该电阻的值，存储器点10的相应状态被确定为“0”(低电阻平行磁化配置)或“1”(高电阻反平行磁化配置)。将从上文理解，通过电流线14和15的脉冲的强度和它们的同步被调整为使得仅 有位于这两个电流线的交叉点(选择点)处的存储器点的磁化能够在这两个导体生成的磁 场的作用下翻转。位于同一行或同一列上的其他存储器点(半选择点)因此仅经历导体 14、15中的一个的磁场并且因此未翻转。由于这些存储器点的写入机制，可以理解该架构的限制。在由外部磁场提供写入的情况下，受制于每个存储器点的单独的翻转场的值。 由于所有存储器点的翻转场分布函数是广的(实际上，该分布广的原因在于制造缺陷， 特别是与存储器点的蚀刻和与热致磁化波动关联的本征统计波动相关的制造缺陷)，因此 有必要冒着意外地使位于行或相应的列上的某些存储器点翻转的危险，使所选择的存储 器点上的磁场高于分布中的最高翻转场，其中位于分布的下部分中的翻转场低于由行或 列独自生成的磁场。此外，利用该外部磁场的存储器的功耗因更广的翻转场分布而相应 地更高。而且，鉴于通常翻转场的平均值随着存储器点尺寸的减小而增加(出于空间原 因，这是所期望的布置)，可以预见未来产品世代中的相应更高的电流。因此，随着集成 密度增加，所需用于这些存储器发挥作用的电力将相应地更高。这些现有技术存储器的另一缺点涉及存储器点尺寸减小时自由层的磁化相对于 热波动的稳定性。实际上，将被越过以使该层的磁化从一个取向翻转到另一取向的能垒 与所述层的体积成比例。随着体积减小，势垒高度变得与热搅动相当。这样，存储器中写入的数据不再被保存。为了克服该困难，例如，有必要通过选择具有较高各向异性的 材料或者通过增强存储器点的形状各向异性来增加自由层的磁各向异性。然而，在这样 操作时，由于用于生成磁翻转所必需的场的较高的功耗，所需用于磁翻转的磁场增加。 在某些情况中，“字线”和“位线”中的电流甚至可能超过传导线中的电迁移所强加的 极限阈值(典型约107A/cm2)。因此，为了克服该困难，已经提出了使用具有热辅助写入的磁随机存取存储 器，其首字母缩写为TAS-MRAM，其中自由层或参考层自身由反铁磁层钉扎。例如在文 献US 6385082中描述了这一改进。在该配置中，不同于通过组合两个垂直磁场脉冲来获得存储器点的写入选择 性，通过使要被寻址的存储器点的短的温度上升与磁场脉冲或自旋转移组合来获得该写 入选择性，该短的温度上升是利用通过所述被寻址的存储器点的电流脉冲来实现的，该 自旋转移是利用通过所述存储器点的存储层的自旋极化电流来获得的。图2示出了该配置。在该图中，磁隧道结31的自由层40由反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够通过磁场或通过热辅助自旋转移被写入的磁元件，其特征在于其包括包含有如下部件的堆：　　●自由磁层，也称为存储层或可翻转磁化层（５１），其磁化方向可以在两个非写入稳定状态之间翻转，这两个状态均指向平面外并且基本上垂直于所述层的平面，并且其磁化在写入期间的温度上升的作用下从平面外并且基本上垂直于所述平面自发地重新取向为基本上在平面内；　　●至少一个参考磁化层（５０、５５），也称为钉扎层，其磁化被取向为基本上垂直于所述层的平面；　　●非磁隔层（５２），插入在所述两个层之间；●用于使电流垂直于所述层的平面流动的部件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】FR 2008-5-6 0852996;US 2008-6-2 61/057,9431.一种能够通过磁场或通过热辅助自旋转移被写入的磁元件，其特征在于其包括包 含有如下部件的堆 自由磁层，也称为存储层或可翻转磁化层(51)，其磁化方向可以在两个非写入稳 定状态之间翻转，这两个状态均指向平面外并且基本上垂直于所述层的平面，并且其磁 化在写入期间的温度上升的作用下从平面外并且基本上垂直于所述平面自发地重新取向 为基本上在平面内； 至少一个参考磁化层(50、55)，也称为钉扎层，其磁化被取向为基本上垂直于所 述层的平面； 非磁隔层(52)，插入在所述两个层之间； 用于使电流垂直于所述层的平面流动的部件。2.如权利要求1所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元件，其 特征在于所述存储层(51)由诸如FePt、FePd、CoPt、CoPd的磁合金制成，或由诸如 TbFe、TbCo的稀土 -过渡金属合金制成。3.如权利要求1所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元件，其特 征在于所述存储层(51)由基于Co、Ni、Fe、Pt、Pd、Cr的多层或多层的组合制成。4.如权利要求1所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元件，其特 征在于所述存储层(51)包括处于交换相互作用的两个铁磁层(66、67)的组合，一个铁磁 层具有高的平面外各向异性，另一个铁磁层在单独的情况中具有平面磁化，但是通过与 第一个铁磁层的交换相互作用而在待用(非写入)温度下使其磁化被拉向平面外。5.如权利要求1所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元件，其特 征在于所述存储层(51)是合成反铁磁层。6.如权利要求1至5所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元件， 其特征在于所述钉扎层(50)包括基于选自如下元素中的至少两个元素的多层Pt、Pd、 Co、Ni、合金 Com FexNiy,其中 x+y<50%。7.如权利要求1至5所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元件， 其特征在于所述钉扎层(50)包括磁过渡金属/氧化物形成的多层。8.如权利要求1至5所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元件， 其特征在于所述钉扎层(50)包括基于有序合金FePt、FePd、CoPt、CoPd、CoCr或稀土 /过渡金属制成的多层。9.如权利要求1至8所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元件， 其特征在于所述钉扎层(50)进一步包括用于加强所述磁元件的磁阻幅度和电流偏置的插 入在所述钉扎层(50)和所述非磁隔层(52)之间的薄铁磁层。10.如权利要求1至9所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元 件，其特征在于所述钉扎层(50)包括合成反铁磁层。11.如权利要求1至10所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元 件，其特征在于所述钉扎层(50)处于与诸如PtMn、IrMn或PtPdMn的钉扎反铁磁层的交 换相互作用下。12.如权利要求1至11所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁 元件，其特征在于所述堆包括通过第二隔层(56)与所述存储层(51)隔开的第二钉扎层(55)。13.如权利要求12所述的用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元件，其 特征在于所述第二钉扎层(...

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