具有减小的电流密度的磁性元件制造技术

本发明专利技术涉及具有减小的电流密度的磁性元件。一种存储装置，包括固定磁性层、在固定磁性层上方的隧道势垒层、及形成在隧道势垒层上方的自由磁性结构，其中，自由磁性结构具有弱铁磁性地耦合的子层的层。因而，低编程电压可用来避免隧道势垒击穿，并且小导通晶体管可用来节省模具不动产。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开一般涉及存储装置，并且更具体地说，涉及磁性存储装置。
技术介绍
非易失存储装置是电子系统中的重要元件。FLASH是当今使用的主要非易失存储 装置。典型的非易失存储装置使用在浮动氧化层中捕获的电荷存储信息。FLASH存储器的 缺点包括高电压需求、缓慢程序及擦除时间、低耐用性、及可量测性的限制。为了克服这些缺点，半导体工业正在评估磁性存储装置，如磁阻随机存取存储器 (MRAM)。在MRAM中的存储器状态由磁矩的方向保持，而不是由在层中存储的电荷保持。 MRAM包括磁性隧道结(MTJ)结构。MTJ具有由介电隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性 层。在常规MRAM中，数据存储通过施加磁场和使自由层被磁化成与固定层磁化平行或反向 平行而完成，平行或反向平行与两种可能存储器状态相对应。再调用数据通过检测在自由 与固定磁性层之间穿过隧道的电流的电阻而完成。如果自由层的磁矩与固定层磁矩相平 行，那么MRAM装置具有低电阻。如果代之以自由层的磁矩与固定层磁矩反向平行，则MRAM 装置具有高电阻。用于写入的磁场通过使电流通过在MTJ结构外部的传导线而创建。存在不同类型的MRAM。一种类型是触发MRAM。在触发MRAM中，使用磁场对位进 行编程，这些磁场通过使电流向下通过在位附近的传导线而产生。同一脉冲序列用来从一 种状态(例如，“1”或“0”)切换到另一种状态(例如，“0”或“1”)。尽管触发MRAM具有 一些优点，但它没有实现小写入电流，特别是对于小单元尺寸。另一种类型的MRAM，自旋力 矩(spin torque) MRAM (STMRAM)，在ST-MRAM中，通过允许自旋-极化电子流碰撞在磁性自 由层上而对位进行编程。与自旋极化电流相关联的角动量的变化在自由层上产生力矩，该 力矩对于大得足够的电流可改变自由层的磁化方向。尽管ST-MRAM使用比触发MRAM显著 小的写入电流，特别是在小单元尺寸下，但用于STMRAM的写入电流仍然不希望地巨大，并 且对于某些单元，要求超过隧道势垒的击穿电压(Vbd)的编程电压。另外，巨大写入电流需 要巨大导通晶体管，用来选择性编程在阵列中的位，由此不希望地限制整体存储器密度。因 此，对于自旋转移效应装置，存在进一步减小编程电流的需要。附图说明本专利技术通过例子表明，并且不由附图限制，在附图中，类似附图标记指示类似元 件。在图中的类似元件为了简单和清楚而表明，并且没有必要按比例画出。图1表明按照一个实施例的存储装置，如MRAM装置，的剖视图；图2表明按照一个实施例的自由磁性元件的剖视图；图3是流程图，表明按照一个实施例写入存储器的方法；图4-7表明在按照一个实施例的写入过程期间在图2中的自由磁性元件的视图； 及图8表明按照实施例的存储器单元阵列的示意表示。具体实施方式 为了减小在STMRAM装置中的编程电流，MTJ结构的自由磁性元件包括弱耦合磁性 层。在一个实施例中，各磁性层通过薄非磁性中间层弱铁磁地相耦合。在一个实施例中，每 个薄中间层的厚度是近似0. 1至近似2纳米。当电流施加到按照实施例的自旋转移效应存 储装置上时，在离隧道势垒最近的自由层的一部分上诱导自旋-力矩。随着这个层反向，弱 铁磁耦合也使其它层依次反向。因而，切换事件在多层上传播，并且在时间上稍微延迟，由 此减小对于反向要求的峰值力矩(和因此峰值电流)。相反，在常规自旋转移效应MRAM装 置中，整个自由层由于对于连续磁性材料固有的强铁磁耦合同时反向。通过使用弱铁磁耦 合层，实现低编程电流，防止隧道势垒击穿或使其最小化。另外，存储器单元可包括比常规 STMRAM结构小的导通晶体管，这希望地减小单元的尺寸。因此，较高密度和较低功率MRAM 装置是可能的。此外，具有弱耦合磁性层的自由磁性元件可用在任何适当磁性存储器单元 中。在自旋-力矩存储器单元，如MRAM，中使用的自旋_转移效应涉及在电子通过在磁 体/非磁体/磁体三层结构中的第一磁性层之后电流成为自旋极化的，其中第一磁性层是 非响应“固定的”，或者因为它比第二磁性层显著地厚，或者因为对于相邻层的磁性耦合。自 旋极化电子跨过非磁性间隔，并且然后，通过角动量守恒，将力矩放置在第二磁性层上，这 将第二层的磁化方向切换成与第一层的磁化方向相平行。如果施加相反极性的电流，则电 子代之以首先通过第二磁性层。在跨过非磁性间隔之后，将力矩施加在第一磁性层上。然 而，因为它是固定的，所以第一磁性层不切换。因而，电子的一小部分将反射离开第一磁性 层，并且在与第二磁性层相互作用之前跨过非磁性间隔传播回。在这种情况下，自旋-转移 力矩将第二层的磁化方向切换成与第一层的磁化方向反向平行。至今所描述的自旋-转移 涉及电流跨过在结构中的全部层的传输。另一种可能性是自旋_转移反射模式切换。在反 射模式中，随着电子通过第一磁性层，电流再次成为自旋-极化的。电子然后跨过非磁性间 隔层，但代之以也跨过第二磁性层，电子跟随低电阻路径通过辅助导体，引导离开在非磁性 间隔层与第二磁性层之间的界面。在该过程中，电子的某一小部分将反射离开这个界面，并 由此将自旋_转移力矩施加在第二磁性层上，以将它与第一磁性层平行地对准。参照图1，MRAM单元100的剖视图按照一个实施例构造。在实际中，MRAM构造或 装置将包括多个MRAM单元100，这些MRAM单元100可以按列和行的矩阵连接在一起。MRAM 单元100 —般包括如下元件第一导体102，它传送写入电流126 ；间隔元件106 ；自由磁性 元件或结构108 ；绝缘体110 ；固定磁体元件112 ；及隔离晶体管或导通晶体管114。在实际中，第一导体102可以连接到任何数量的类似MRAM单元(例如，一列单元) 上，以将共用写入电流126提供给连接的单元中的每一个。第一导体102由能够导电的任 何适当材料形成。例如，第一导体102可以包括Al、Cu、Au、Ag、Ta、Ti等、或它们的组合。间隔元件106可以布置在第一导体102与自由磁性元件108之间。间隔元件106 由导电非磁性材料形成，如由Ta、TaN或其它金属材料形成。在一个实施例中，间隔元件106 不存在。自由磁性元件108布置在间隔元件106 (或者如果间隔元件106不存在则为第一 导体102)与绝缘体110之间。在图1中表明的实施例中，自由磁性元件108包括由中间层111彼此分离的第一自由磁性层(或第一子层)109和第二自由磁性层(或第二子层)113。 第一自由磁性层109和第二自由磁性层113都由具有可变磁化的磁性材料形成。相同或不 同的材料可用于子层109和113。例如，用于第一自由磁性层109和第二自由磁性层113的 材料可以包括Ni、Fe、Mn、Co等、它们的合金、具有B和0的合金、或诸如NiMnSb、PtMnSb、 Fe304、或Cr02之类的所谓半金属铁磁体。在一个实施例中，第一和第二自由磁性层109和 113每个近似1至近似5纳米厚。自由磁性元件108的可变磁化方向确定MRAM单元100是 代表“1”位还是代表“0”位。在实际中，自由磁性元件108的磁化方向或者与固定磁体元 件112的磁化方向平行，或者与其反向平行。中间层111能是任何非磁性材料。在一个实施例中，中间层111是不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种存储装置，包括：固定磁性层；在固定磁性层上方的隧道势垒层；和形成在隧道势垒层上方的自由磁性结构，其中，自由磁性结构包括：第一自由磁性层；与第一自由磁性层相接触的第一中间层；和第二自由磁性层，其中所述第二自由磁性层弱铁磁性地耦合到第一自由磁性层上并且与第一中间层相接触；并且其中：存储装置能够通过使自旋极化电子电流撞击在自由磁性结构上而被编程。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-10-11 11/870,856一种存储装置，包括固定磁性层；在固定磁性层上方的隧道势垒层；和形成在隧道势垒层上方的自由磁性结构，其中，自由磁性结构包括第一自由磁性层；与第一自由磁性层相接触的第一中间层；和第二自由磁性层，其中所述第二自由磁性层弱铁磁性地耦合到第一自由磁性层上并且与第一中间层相接触；并且其中存储装置能够通过使自旋极化电子电流撞击在自由磁性结构上而被编程。2.根据权利要求1所述的存储装置，其中，铁磁耦合强度在50奥斯特至500奥斯特之间。3.根据权利要求1所述的存储装置，其中，第一中间层包括从包括Ru、Rh、0s和Re的 组中选择的元素，并且其中第一中间层具有在近似1. 2纳米至近似1. 7纳米的范围中的厚度。4.根据权利要求1所述的存储装置，其中，第一中间层包括绝缘材料。5.根据权利要求4所述的存储装置，其中，第一中间层包括氧化物，该氧化物包括从包 括Si、Mg、Al、Ti、Ta、Hf、Fe、Ni、Co、V及&的组中选择的元素。6.根据权利要求1所述的存储装置，其中，第一中间层包括导电材料。7.根据权利要求6所述的存储装置，其中，第一中间层包括金属，该金属包括从包括 Ta、Ti、Mg、Hf、Al、Ru、0s、Re、Rh、V、Cu 及 B 的组中选择的元素。8.根据权利要求1所述的存储装置，其中，第一中间层具有在近似0.lnm至近似lnm的 范围中的厚度。9.一种存储装置，包括 固定磁性层；在固定磁性层上方的隧道势垒层；及形成在隧道势垒层上方的...

【专利技术属性】
技术研发人员：N里佐，P马瑟，
申请(专利权)人：艾沃思宾技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]