CN100592419C - 使用非晶亚铁磁性合金、由自旋极化电流写入的磁存储器，及其写入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁存储器，其中每个存储器点由磁隧道结(60)构成，该磁隧道结包括：称为受限制层(61)的磁性层，具有硬磁化；称为自由层(63)的磁性层，其磁化可以被翻转；以及设置在自由层(73)和受限制层(71)之间并且与所述两层分别接触的绝缘层(62)。自由层(63)由基于稀土或过渡金属的非晶或纳米晶合金制成，所述合金的磁有序是亚铁磁类型，所述自由层基本为平面磁化。

Description

使用非晶亚铁磁性合金、由自旋极化电流写入的磁存储器，及其写入方法
技术领域
本发明涉及磁存储器的领域，尤其是使得能够在电子系统中存入或从电子系统读取数据的非挥发性随机存取磁存储器。更具体地，本发明涉及由磁隧道结形成的被称作M-RAMs的磁随机存取存储器。
背景技术
在单元晶体管的尺寸变小时，基于电容器的电荷状态的存储器(DRAM、SRAM、FLASH)变得对离子辐射(例如宇宙射线)越来越敏感。并且基于铁电的存储器(FRAM)表现出严重的时效问题。近来在磁电子领域的发展使得能够设计基于磁隧道结的磁电阻的新型存储器。也即，它们的工作原理不再停留在电负载的存贮上，而是与形成它的单元的磁化的相对取向相关。这样的磁随机存取存储器(MRAM)具有许多优点：其快速性(几个纳秒的写入和读出时间)，其非挥发性，其没有读出和写入上的疲劳，其对离子辐射的不敏感性。它们首先可能代替闪速存储器，并且从长远看，代替DRAMs和SRAMs，从而成为通用存储器。
在第一磁存储器中，存储器点由所谓的巨磁电阻元件形成，所述巨磁电阻元件由几个交替的磁和非磁金属层叠置而成。对这种结构的详细描述可以在文件US-A-4949039和US-A-5159513找到基本的结构，在文件US-A-5343422中找到从这样的基本结构形成RAM。由于其构造，这种类型的存储器使得能够采用简单的技术形成非挥发性存储器，但具有有限的容量。的确，存储器单元沿各直线串联的事实限制了集成可能性，因为在单元的数量增加时信号变得越来越低。
最有前景的结构对于每一个存储器点采用一个磁隧道结-MTJ，所述MTJ的最简单形式是两层不同矫顽力的磁性层，由薄绝缘层隔开。在出版物Physics Letters第54A卷(1975)第225页中、或者更近来地在出版物Journal of Magnetism and Magnetic Materials第139卷(1995)第L139页以及Physical Review Letters第74卷(1995)第3273页中给出了这种结构的描述。用于MRAM制造的这些结构的使用最初在文件US-A-5640343进行了描述。
近来，最有前景的结构看来是在文件US-A-6021065中和在出版物Journal of Applied Physics第81卷(1997)第3578页中所描述的结构，其原理在图1中示意性地示出。如图1所示，每一个单元或存储器点(10)由CMOS晶体管(12)和MTJ结(11)结合形成。所述的结(11)包括至少一个称作自由层的磁性层(20)，一个薄绝缘层(21)和一个称作被锁定层的磁性层(22)。优选但非限制性地，两个磁性层基于3d金属(Fe、Co、Ni)及其合金形成，绝缘层由氧化铝(Al2O3)形成。优选地，磁性层(22)与具有锁定层(22)功能的反铁磁性层(23)耦合，使得其磁化在写入时不变换。仍优选地，层(22)自身可以由几层形成，例如在文件US-A-5583725中所描述地那样，以形成所谓的合成反铁磁性层。所有的这些变更以及其它变更是本领域的技术人员所熟知的。
该结构还包括三个线层面。两个线层面(14)(字线)和(15)(位线)通常相互呈90°角排列，试图在写入过程中传输能够产生使层(20)的磁化切换的磁场的电脉冲。通过沿线(14)和(15)送入强度在10mA数量级的短电流脉冲(通常从2到5纳秒)产生场脉冲。这些脉冲的强度及其同步被调整使得只有位于这两种线的交叉处的存储器点的磁化可以切换。附加的线层面(16)(控制线)试图控制晶体管(12)的沟道的打开或关闭，从而能够在读出时独立地对每一个存储器单元选址。晶体管(12)用作开关。
在写入模式中，选定的晶体管(12)处于截止或OFF模式，没有电流流过。电流脉冲I被送入对应于选定的存储器点(10)的两条线(14)和(15)。电流脉冲I的幅度使得所产生的磁场不足以切换线(14)或(15)上的存储器点，除了在所述线(14)和(15)的交叉点处，此处所述两条线的结合贡献足以使存储器点的层(20)的磁化切换。
在读出模式中，通过经由控制线(16)向基极送入正的电流脉冲，晶体管(12)处于饱和或ON模式，并且流过它的电流为最大值。然后向线(14)中送入测量电流，该测量电流可以仅穿过其晶体管(12)处于ON位置的存储器点。采用该电流，进行选定的存储器点(10)的结(11)电阻的测量。通过与本文中没有描述的参考存储器点相比较，从而确定存储器点(10)的相应状态(1或0)。
正如向这些存储器点中写入的过程所描述的那样，这一结构的限制可以清楚地理解：
●由于通过外磁场保证写入，因此它受到每一个存储器点单独的切换场值的影响。如果所有存储器点的切换场分布函数宽(的确，由于约束它不是一致的)，则在选定的存储器点上的磁场必须大于所述分布中的最高切换场，有着偶然地切换位于对应的线和/或列上的某些存储器点的危险，该存储器点的切换场位于分布的低部分中，小于由单独的线或列产生的磁场。相反，如果希望保证在单独的线或列上没有存储器点被写入，则写入电流必须被限制在对于这些存储器点绝对不会超过对应于分布中低部分的磁场，如果所述选定存储器点的切换场在分布中的高部分中，则有着绝对不会向所述线和列的交叉点处的选定存储器点写入的危险。也即，通过导体线和列采用磁场选择的这种结构可能易于导致写寻址错误。假定期望存储器点由于其尺寸小而切换场的分布函数都较宽，则由于存储器点的几何形状(形状、不平整、缺陷)决定磁化切换，这种效果只会在将来的产品制造中变得更糟。
●假定一般而言随着存储器点大小减小，切换场的平均值增加。可望在将来的产品制造中电流会大得多。因此，这些存储器工作所需的电能将随着集成度提高而总是变大。
●上述两个电流线处于90°的写入模式要求三个线层面。尤其，晶体管控制线必须从下部电流线(写入所需的)偏离，这一点将集成可能性最小化。
●最后，这个写入模式仅使得马上写入单个存储器点，降低寻址错误的危险。
给出这种结构的另一形式。其由不再用外部磁场而是用自旋极化的电流写入的存储器点寻址构成。实际上，在出版物Journal ofMagnetism and Magnetic Materials第159卷(1996)第L1页已经预测自旋极化的电流能够引起进动，或者甚至通过极化的载流子和系统的磁矩之间的角度自旋矩的转移引起磁化切换。近来，这个效果已经在减小尺寸(＜100nm)的所有金属结构中被实验证明，如出版物Science第285卷(1999)第867页所描述的那样。最后，这种技术在磁存储器中的应用已经在文件US-A-5695864进行了描述。如图2所示，在这种结构中，存储器点(30)包括MTJ结(31)和CMOS晶体管(32)，但目前仅有两个线层面(33)和(34)，线(33)对应于用于读出和写入的电流引线，而线(34)对应于能够独立地对每个存储器点(30)进行独立地寻址的晶体管控制。晶体管(32)被用作开关。
如在前面描述的已有技术中公开的那样，MTJ(31)由所谓的自由磁性层(40)、薄绝缘层(41)和所谓的被锁定磁性层(42)以及具有将层(42)的磁化锁定在固定的方向上的功能的反铁磁性层(43)构成。有利地，可在磁性层(40)侧增加附加的写入电流极化磁性层(44)，由小电阻率的非磁性层(45)与之隔离开。
在读出模式中，系统像已有技术的描述那样工作，即通过将正电流脉冲经控制线(34)发送到基极，将对应于要被寻址的存储器点(30)的晶体管(32)置于饱和或ON模式。然后将小强度的测量电流送到线933)，其只通过其晶体管(34)处于ON位置的单个存储器点。采用这个电流，测量选择的存储器点(30)的结(31)的电阻。通过与这里未作描述的参考存储器点相比，从而确定存储器点(30)的相应状态(1或0)。
在写入模式中，工作与已有技术描述的截然不同。通过将电流脉冲发送到线(34)，使选择的晶体管(32)处于饱和或ON模式。大强度的写入电流经线(33)发送，仅通过选择的存储强度点(30)。写入电流通过磁性层(42)(或(44))而根据电流流动方向被极化，从而穿透磁性层(40)的电子的自旋大多数沿着层(42)(或(44))的磁化方向被取向。当这个强自旋磁化的电流的幅度足够时，磁性层(40)的磁化被切换。通过自旋极化的电流写入本质上限制于一个存储器点，因为仅其晶体管处于饱和或ON模式的该存储器点传导写入电流，寻址错误本质上是不可能的。从而这种写入模式与已有技术描述的方法相比有更高的可重复性。根据当前有效的理论模型，这种技术的另一优点是存储器点磁化切换所需的电流密度不再受切换场(Hc)影响，该切换场是材料的非本征性质，从而与其几何形状和可能出现的缺陷相关，但受磁各向异性(HK)的影响，该各向异性是材料的内禀性质，因此先验地可按近容易得多的方式控制。尤其是，它与存储器点的尺寸和形状无关，因此正如在将来的产品制造时所期望的那样，在存储器点尺寸减小时临界电流密度保持恒定，这与采用由电流线产生的磁场的现有技术的状态相反，其中写入所需的电流以及消耗在存储器点尺寸减小时增加。最后，可能一次向几个存储器点写入，易于数据传输速度。
不利地是，这种结构迄今仍具有严重的限制。的确，通过注入极化电流的磁场切换需要大电流密度，这对所有的金属结构不是问题，除了大电消耗，但是，这在MTJ型隧道结构中导致的跨结电压大于通常的击穿电压(根据绝缘层(41)的厚度，大约为1V)。主要原因由出版物Journal of Magnetism and Magnetic Materials第159卷(1996)L1中提供的关系式(1)给出，该关系式表示根据其它结构参数的临界电流：
Figure C0281838300091
其中α是阻尼系数，η是自旋极化因子，t是磁性层厚度，HK是单轴磁各向异性场，MS是磁性层磁化。在该公式中，2πMS项对应于磁性层(40)的退磁场项，显著增加观察磁化切换所需的电流密度。它的影响可以通过如下考虑来理解，一旦层(40)的磁化切换，所述磁化将在绕其初始方向的圆锥进动，从而为实现这样的进动，离开层平面。在切换场下，这样的进动使得层(40)的磁化几乎垂直于层平面，在退磁场大时这更为困难。
本发明的目的确切地说是大大减少用于写入所需的电流密度，以避免电击穿并最小化存储器的电消耗。
发明内容
本发明提供一种MTJ型结构，该MTJ型结构最小化退磁场以尽可能降低写入需要的临界电流密度。为此，提供基于稀土和过渡金属的非晶合金代替图1和2所述的基于3d金属(Fe、Co、Ni)及其合金的常用铁磁层(20，22)和(40，42)，此后将其称为亚铁磁性非晶合金(FAA)。
因此，提供一种各存储器点由磁隧道结形成的磁存储器，包括：
●具有硬磁化的所谓的被锁定磁性层，
●具有可以翻转的磁化的所谓的自由磁性层，
●插入在自由层和被锁定层之间并与这两层分别接触的绝缘层。
根据本发明，自由层由基于稀土和基于过渡金属的非晶或纳米晶合金制成，所述合金的磁有序是亚铁磁性类型，所述自由层基本上具有平面磁化。
“平面磁化”用于表示磁矩位于所考虑的层的平面中，或基本上位于该平面中，相对所属平面从10到30°的角度被视为由这一定义所包含。
其中，被锁定磁性层由基于稀土和过渡金属的非晶合金制成，所述合金的磁有序是铁磁性类型。
根据本发明，通过经放置于每个所属存储器点上的电导体注入电流来写入存储器点，所述电流的电子经被锁定层被自旋极化。
本发明的前述目的、特征和优点将在以下接合附图对特定实施方式的非限制性描述中进行详细讨论。
附图说明
图1如前所述是现有技术的磁存储器的结构的简化表示，该磁存储器具有由MTJ形成的存储器点。
图2是类似于图1的简化表示，表示出本发明的通过极化电流实施写入的磁存储器；
图3a是FAA磁化的简化表示。
图3b是表示FAA的磁化对温度变化的曲线。
图4a是根据本发明第一实施方式的磁存储器的简化表示。
图4b是根据本发明第二实施方式的磁存储器的简化表示。
图5是图4a的存储器点(60)的更具体的简化表示。
具体实施方式
正如在下文中简要提及的那样，根据本发明的存储器的工作在于FAA材料和与其相关的特性性质的应用。正如从图3a可以观察到的那样，FAA层(55)的宏观磁化(50)可以分为两种贡献，一种贡献是由于稀土原子次晶格(51)，而一种贡献是由于过渡金属原子次晶格(52)。示意性地，宏观磁化(50)源于两个次晶格(51)和(52)的矢量和。
此外，稀土晶格(51)和过渡金属次晶格(52)的磁化被强耦合在一起，导致在由次晶格(51)和(52)中的一个选择激发切换宏观磁化(50)或重取向时的组合行为。
此外，当明智选择稀土和过渡金属的化学特性和相对成分时，磁有序是亚铁磁性型，也即，稀土原子次晶格(51)的磁化指向一个方向，而过渡金属次晶格(52)指向相反的方向。如图3a所示，如果两个次晶格的磁化(51)和(52)的绝对值不相等，则FAA的宏观磁矩(50)总和不为零。
此外，正如图3b所示，稀土次晶格的磁化(51)和过渡金属的磁化(52)的温度变化大不相同，导致两个次晶格对最终的宏观磁化贡献的相对重要性随温度变化。作为一般的规律，稀土次晶格(51)的磁化比过渡金属次晶格(52)的磁化减小更快。当明智地选择稀土和过渡金属的化学特性和相对成分时，由于两个次晶格的磁化(51)和(52)反平行，因此存在一个被称为补偿温度(53)的温度，在该温度下两种磁化被绝对补偿，也即，它们的幅度相等而符号相反，从而最终的宏观磁化(50)被绝对补偿。低于补偿温度，稀土金属次晶格(51)占主导并限定宏观磁化(50)的方向。高于补偿温度，过渡金属次晶格(52)占主导并限定宏观磁化(50)的方向。
此外，在补偿温度(53)，矫顽力场发散并趋于无限(见图4)。在该补偿温度的每一侧矫顽力场减小，在接近补偿温度(53)时减小总较快。
此外，过渡金属次晶格(52)磁化的电子贡献主要是导电电子(3d电子)，也即，参与电流传输的电子。然而，对稀土次晶格(51)的磁化有贡献的电子是内核级电子(4f电子)，所述电子是局域化的并被其它系统的电子强屏蔽。
最后，这些FAAs的内禀性质(宏观磁化、磁各向异性、矫顽力场)可以由所含的元素的化学特性及其浓度来容易地控制。可以为此目的添加少量的替代元素，通常是过渡金属、难熔金属或稀土金属，例如但不限于Ta、Mo、Nb、Zr、Pt、Dy和Sm。这种调整尤其能够获得具有本发明所述的结构的磁性层所需的平面磁化的材料。
在本发明考虑的FAAs中，优选但不限于的一种是钆(Gd)和钴(Co)的非晶合金，例如成分为Gd30Co70，但不限制于此，所述合金与亚铁磁性有序、小磁晶各向异性、以及在明智地选择成分时接近存储器工作温度的补偿温度相联系。
如图4a所示，根据本发明的存储器的存储器点由MTJ(60)形成，包括具有被锁定磁化的至少一个磁性层(61)、由氧化铝制成的绝缘层(62)和FAA合金层(63)，该FAA合金层的磁化要被切换从而写入存储器点(60)。电流导体线(67)在存储器点(60)上放置，并且由电流线(68)控制的晶体管(66)被放置在存储器点(60)下面，这种结构与现有技术的状态同样。
有利地，如图4b所示，可以在被锁定层(61)上放置反铁磁性层(69)以锁定其磁化。
另外，也如图4b所示，在层(63)下面放置附加磁性极化层(64)，由非磁性金属层(65)，例如金将其与层(63)分隔开。例如基于铽和钴合金形成的附加磁性极化层(64)具有平行或垂直于MTJ(60)的多层结构的平面的磁化。该层在经由下电流线，尤其是经连接晶体管(66)的导体(68)传递所述脉冲时也试图确保写入时的电流脉冲的自旋极化。
有利地，磁性层(61)由与层(63)相同或不同的FAA合金形成，该层的切换场大，例如，铽和钴基合金。层(64)和(65)的化学性质在系统工作中所起作用很小。
写入过程如下执行，如图5所示，该图是图4a的存储器点(60)的放大视图。
强幅度的写入电流(80)被注入MTJ(60)。通过穿过层(61)，在电流(80)穿透层(63)时被强自旋极化，其磁化需要被切换。假定前面所述的层(63)的电子特性的特定性质，由写入电流(80)注入的被强自旋极化的电子将主要与过渡金属的次晶格(72)相互作用，导致注入的电流(80)的极化的载流子和所述过渡金属次晶格(72)的原子磁矩之间的角度自旋矩的转移。由于对稀土原子次晶格(71)的磁化起作用的电子被强屏蔽的特性，写入电流(80)与所述电子的相互作用非常小。因此，注入的电流(80)主要是仅观察到层(63)的单方向磁化即过渡原子次晶格(72)的单方向，如果考虑所述电流(80)的必要幅度和持续条件，则其能够切换所述次晶格。由于次晶格(71)和(72)之间的明显耦合，尽管次晶格(71)很少被注入电流(80)激发，但其仍跟随次晶格(72)，这使得能够完成层磁化(63)的切换。
必须指出极化层(64)的磁化基本在平面内或垂直于该平面。根据有效的模式，如果磁化在平面内，自由层(63)的磁化将围绕由注入自由层的电子的自旋方向限定的轴进动，然后平行于该方向衰减。电流脉冲期间必须足够长，以便能够使进动(precession)，然后是衰减被执行。如果极化层磁化垂直于该平面，则自由层磁化将围绕垂直于层平面的轴进行，即仍保留在所述自由层的平面内。如果要求自由层磁化在其平面内切换180°，则写入电流脉冲期间必须相对磁化进行调整，以使得在其平面内仅执行一半的进动旋转。
读出时，小幅度的测量电流(81)被注入MTJ(60)并且通过与图3未描述的参考单元相比读出其电阻值，与已有技术中同样。这里再次利用FAAs的电子特性的特定性质：原因与上述相同，读出电流(81)注入的电子的扩散大部分与过渡原子次晶格(72)相关，能够根据次晶格(72)的磁化是指向一个方向还是指向相反方向区别存储器点(60)的状态。另外，层(63)的与其非晶特性相关的强大电阻并非使用的几何形状上的障碍，因为本领域技术熟知隧道磁电阻主要与带有绝缘层(62)的磁性层(61)和(63)的界面相关，从而与所述界面的任一侧的几个原子面相关。
这样可理解本发明的优点，因为在保持低的宏观磁化，从而使得所述写入电流的绝对值降低的同时，所获得的系统能够用自旋极化电流写入。所述宏观磁化的值容易由所使用的FAA合金的化学性质和/或成分控制，可按自己的意愿调整写入电流。尤其，可选择成使得MTJ两端电压不超出前面确定的临界值。
有利地，利用FAAs的强大电阻来通过使用写入电流和所述强大电阻率的结合诱发的局部加热进一步降低写入电流。如果已经明智地选择FAA，则这种加热一方面能够局部降低稀土次晶格(71)相对于过渡金属次晶格(72)的相对贡献，另一方面，减小所述过渡金属次晶格的切换场。
有利地，可选择磁性层(61)，使其由FAA合金制成，优选地是由带有强切换场以克服对锁定层(69)的需求的FAA合金制成。优选地但并非限制性地，层(61)可由铽和钴合金制成，或由钐和钴合金制成。
可以理解，通过使用在存储器的工作温度下表现出小磁矩的FAA，其中可通过改变所述FAA的各个构成成分的浓度和存储器点的工作温度按自己的意愿控制该FAA，能够显著降低写入时施加的电流密度，而没有磁隧道结被击穿的危险。的确，可使用用自旋极化的电流写入并且可得到相关的优点：
—省去一个电流线，并且相应地(by corollary)，在存储器点下面定位选择晶体管，导致集成度提高。
—独立寻址所述存储器点，抑制任何寻址错误危险，这一点用标准交叉导体技术不能实现。
另外，使用带有平面磁化的自由层，即在层平面中，能够降低写入用的脉冲期间，从而优化这种类型的存储器的写入快速性。

Claims (14)

1.一种具有由磁隧道结(60)形成的存储器点的磁存储器，每一存储器点包括：
●具有硬磁化的被锁定磁性层(61)，
●具有可以翻转的磁化的自由磁性层(63)，
●插入在所述自由磁性层(63)和所述被锁定磁性层(61)之间并与这两层分别接触的绝缘层(62)，
其特征在于：所述自由磁性层(63)由基于稀土和过渡金属的非晶或纳米晶合金制成，所述合金的磁有序是亚铁磁性类型，所述自由磁性层(63)具有基本上平面的磁化，
所述磁存储器包括位于每一存储器点的电导体(67)，所述电导体适于发送电流到要被写入的存储器点，所述电流由所述被锁定磁性层(61)自旋极化。
2.如权利要求1的磁存储器，其特征在于：所述自由磁性层(63)由钆和钴合金制成。
3.如权利要求1的磁存储器，其特征在于：所述自由磁性层(63)还包括从包含过渡金属、难熔金属和稀土金属的组中选择的一种或几种元素。
4.如权利要求3的磁存储器，其特征在于：所述元素选自Zr、Mo、Nb、Ta、Pt、Dy、Sm组成的一组。
5.如权利要求1的磁存储器，其特征在于：所述被锁定磁性层(61)由基于稀土和过渡金属的非晶合金制成，所述合金的磁有序是亚铁磁性类型。
6.如权利要求5的磁存储器，其特征在于：所述被锁定磁性层(61)由铽和钴基的非晶合金制成。
7.如权利要求1的磁存储器，其特征在于：所述被锁定磁性层(61)由基于稀土和过渡金属的非晶合金制成，所述合金的磁有序是铁磁性类型。
8.如权利要求7的磁存储器，其特征在于：所述被锁定磁性层(61)由钐和钴合金制成。
9.如权利要求1的磁存储器，其特征在于：每个存储器点还包括附加极化铁磁性层(64)，该附加极化铁磁性层位于所述自由磁性层(63)的与所述被锁定磁性层(61)相对的一侧，并通过非磁性金属层(65)与所述自由磁性层隔离开，所述附加极化铁磁性层(64)适于自旋极化发送到存储器点的电流。
10.如权利要求9的磁存储器，其特征在于：所述附加极化铁磁性层(64)具有垂直于形成磁隧道结(60)的多层的平面的磁化。
11.如权利要求9的磁存储器，其特征在于：所述附加极化铁磁性层(64)具有平行于形成磁隧道结(60)的多层的平面的磁化。
12.如权利要求9的磁存储器，其特征在于：所述附加极化铁磁性层(64)由铽和钴合金制成。
13.一种向磁存储器写入的方法，该磁存储器的每个存储器点由磁隧道结(60)形成，所述存储器点包括：
●具有硬磁化的被锁定磁性层(61)，
●具有可以翻转的磁化的自由磁性层(63)，
●插入在所述自由磁性层(63)和所述被锁定磁性层(61)之间并与这两层分别接触的绝缘层(62)，
每个磁存储器点在其一个表面上与电导体(67)接触并且在其底部与选择晶体管(66)接触，
所述方法的特征在于包括：
●对于每一存储器点，所述自由磁性层(63)由基于稀土和基于过渡金属的非晶或纳米晶合金制成，所述合金的磁有序是亚铁磁性类型，所述自由磁性层(63)具有基本上平面的磁化，
●在要被写入的存储器点层面，发送强幅度的电流脉冲到相应的电导体，该存储器点的被锁定磁性层确保自旋极化。
14.如权利要求13的方法，还包括提供附加极化层(64)，该附加极化层位于所述自由磁性层(63)的与所述被锁定磁性层(61)相对的一侧，并通过非磁性金属层(65)与所述自由磁性层隔离开，所述附加极化层(64)适于自旋极化所述电流。
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