CN101499513A - 热辅助磁性存储单元结构以及磁性随机存取存储器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热辅助磁性存储单元结构，包括依序叠置的磁性固定层、绝缘层、磁性自由层、垂直磁性层、以及加热材料层。磁性自由层有一水平磁化向量。垂直磁性层在第一温度下有一垂直磁化向量，垂直耦合于磁性自由层的水平磁化向量。垂直磁性层在第二温度下是顺磁状态。

Description

热辅助磁性存储单元结构以及磁性随机存取存储器

技术领域

本发明涉及一种存储单元结构，且特别涉及一种热辅助磁性存储单元结构。

背景技术

磁性随机存取存储器具有非挥发性、高密集度、高读写速度、抗辐射线等等优点。写入数据时，一般所使用的方法为两条电流线(Write Bit Line及Write Word Line)感应磁场所交集选择到的细胞元，通过改变存储层磁性材料的磁化方向，来更改磁性单元的磁电阻值。而在读取存储数据时，感应放大器提供电流至选择到的磁性存储单元，并读取磁性单元的电阻值，以判定存储数据的数字值。

此磁性存储单元，为多层磁性金属材料的堆叠结构：其结构是由软铁磁材料层(Soft Magnetic Layer)、穿隧势垒层(Tunnel Barrier layer)、硬铁磁材料层(Hard Magnetic Layer)与非磁性导电层(Nonmagnetic conductor)所堆叠组成。通过穿遂势垒层两侧的铁磁材料的磁化方向平行或反平行，以决定存储“1”或“0”的状态。

图1绘示一磁性存储单元的基本结构。参阅图1，要存取写入一磁性存储单元，也是需要交叉且通入适当电流的电流线100、102，其依照操作的方式，又例如称为位线与字线。当二导线通入电流后会产生二个方向的磁场，以得到所要的磁场大小与方向，以施加在磁性存储单元104上。磁性存储单元104是叠层结构，包括磁性固定层(magnetic pinned layer)在预定方向具有固定的磁化向量(magnetization)，或是总磁距(total magnetic moment)。利用磁性自由层与磁性固定层彼此间磁化向量的角度差异，产生不同的磁电阻大小，来读取数据。又，如果要写入数据，也可以施加一写入磁场，决定磁性自由层在无磁场下的磁化向量。通过输出电极106、108，可以读出此存储单元所存的数据。关于磁性存储器的操作细节，是本领域技术人员可以了解，不继续描述。

图2绘示磁性存储器的存储机制。在图2，磁性固定层104a有固定的磁矩方向107。磁性自由层104c，位于磁性固定层104a上方，其中间由穿隧势垒层104b所隔离。磁性自由层104c有磁矩方向108a或是108b。由于磁矩方向107与磁矩方向108a平行，其产生的磁阻例如代表“0”的数据，反之磁矩方向107与磁矩方向108b反平行，其产生的磁阻例如代表“1”的数据。

上述图2的磁性自由层104c是单层结构，在操作上容易产生数据错误。美国专利第6,545,906号文件提出为了降低邻近细胞元在写入数据时的干扰情形，其自由层以铁磁/非磁性金属/铁磁三层结构取代单层铁磁材料并配合栓扣操作模式(Toggle operation mode)。自由层是人造反铁磁性(SyntheticAnti-Ferreomagnet)的结构，上下二个铁磁层各有一磁化向量。图3绘示传统采用人造磁性自由层的结构。如图3所示，在非磁性金属层152上下两层的铁磁性金属层150、154，以反平行排列，形成封闭的磁力线。在下面的磁性固定叠层168，通过穿隧绝缘层(tunnel barrier layer，T)156，与磁性自由叠层166隔开。磁性固定叠层168包括上固定层(top pinned layer，TP)158、非磁性金属层160、以及下固定层(bottom pinned layer，BP)162。在上固定层与下固定层有固定的磁化向量。另外还有反铁磁层164。

针对三层结构的磁性自由叠层166，把位线BL与写入字线WWL相对磁性自由叠层166的磁场异向轴(magnetic anisotropic axis)，使有45度的夹角，其磁场异向轴方向就是所谓的易轴(easy axis)方向。如此，位线BL与写入字线WWL可分别对磁性自由叠层166，依照先后关系，施加与易轴夹角为45度的磁场，以旋转磁性自由叠层166的磁化向量，此栓扣操作模式可有效解决干扰问题。

然而随着CMOS技术不断的切入先进工艺且因应高密度MRAM的设计，MRAM的核心元件磁穿隧结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)也将持续缩小。对于拴扣型磁穿隧元件而言，尺寸缩小时其自由层翻转场将会不断上升，同时由于去磁场(demagnetization field)效应，自由层边缘处的磁化排列会不均匀且无法控制，导致MTJ翻转的起始态都不一致，因而产生翻转场不均匀的问题。另外，由于体积变小而自由层内储存的磁能(KuV，其中Ku为磁异向性常数(anisotropy)，而V为磁性膜体积)也跟着缩小，当磁能小到与热能(kT)相同等级时，MTJ内自由层的磁化方向就会因为外界热能的扰动而翻转，在存储器的应用上即造成储存数据的流失。

为了提高小尺寸下的热稳定性，又发展出另一技术，提出利用磁交换场式的热辅助磁性存储器元件，其元件尺寸可以更降低。图4A～4C绘示传统利用热辅助机制施加磁场偏压的示意图。参阅图4A，在穿隧绝缘层156上的磁性自由层170有一磁化向量，如箭头所示。另外在磁性自由层170上有反铁磁性层172，其一部分的磁化向量会与磁性自由层170的磁化向量有一交换耦合力(exchange coupling)。由于反铁磁性层172在室温下是反铁磁性的状态，与磁性自由层170的磁化向量有较强的耦合力。参阅图4B，当反铁磁性层172在适当的高温下是处在顺磁性状态，其与磁性自由层170的交互耦合作用消失。参阅图4C，磁性自由层170的磁化向量容易被翻转，因而记录0、1。而后降到室温，此时反铁磁性层172的特性又显现出来，且固定磁性自由层170的磁化向量。

图5A绘示操作电路的示意图。如图4A-4C所示的磁性存储单元180，与字线(words line，WL)及位线(bit line，BL)耦接。字线控制开关晶体管181，以连接到地电压。例如通过通入电流I_heat，使反铁磁性层172转变为顺磁性，再由位线通入电流I_field，以产生改变磁性自由层170的磁化向量的磁场。接着，停止通入电流I_heat，恢复到室温。图5B绘示交互磁性偏压(Exchangemagnetic bias)强度与温度关系示意图。参阅图5B，因交互耦合作用力所产生的交换磁性偏压，使在室温下翻转自由层所需要的翻转场高达180Oe，将使得热稳定性大大提升。而写入时只要将温度升高到150℃以上，则翻转所需要的场将低于20Oe。

上述的传统技术可以达到对温度的稳定性，但由于其所用提供交换场的材料为水平式反铁磁性材料，因此也会受到尺寸微小化的限制。

于是传统技术又提出，另一种存储单元结构。图6绘示传统另一种热辅助存储单元结构。参阅图6的图6a。通过磁性材料成分的调配，磁性固定层182的磁化向量是垂直于水平方向。垂直磁性自由层186与磁性固定层182通过绝缘层(barrier layer)184隔开，且垂直磁性自由层186的磁化向量也是向上垂直于水平方向。在垂直磁性自由层186上设置有加热材料层(heater)188。参阅图6b，通过加热材料层188使垂直磁性自由层186的温度升高到预定高温，以转变成顺磁状态。参阅图6c，在高温的同时又施加磁场H，其方向与垂直磁性自由层186的原磁化向量相反。此时顺磁状态会相对较容易产生与磁场H同方向的磁化向量。参阅图6d，当温度逐渐下降到室温，垂直磁性自由层186的磁化向量被改变成向下的方向。图6a与图6d是二个存储状态，可以存储一位的数据。

然而由于此设计的垂直式磁穿隧元件所呈现的磁阻(Magnetoresistance；MR)太小，且由于元件需有垂直场的设计，因此存储器密度无法有效提升。目前需继续提升此结构的MR值以及缩小尺寸的设计。

发明内容

本发明提供一种热辅助磁性材料，对自由层产生交互耦合作用力，进而增加自由层的热稳定性，且减少写入时所造成的干扰问题而提升写入范围。如此磁穿隧元件(MTJ)的尺寸可以缩小，且仍能继续保有高热稳定性且解决写入所造成的干扰问题。

本发明提出一种热辅助磁性存储单元结构，包括依序叠置的磁性固定层、绝缘层、磁性自由层、垂直磁性层、以及加热材料层。磁性自由层有一水平磁化向量。垂直磁性层在第一温度下有一垂直磁化向量，垂直耦合于磁性自由层的水平磁化向量。垂直磁性层在第二温度下是顺磁状态。

本发明提出磁性随机存取存储器，包括多个热辅助磁性存储单元，组成存储阵列；以及驱动电路，以存取该热辅助磁性存储单元。其中每一该热辅助磁性存储单元包括磁性固定层，在该反铁磁层上；绝缘层，在该磁性固定层上；磁性自由层，在该绝缘层上，包含有一水平磁化向量；垂直磁性层配置在该磁性自由层上。垂直磁性层在第一温度下有一垂直磁化向量，垂直于水平磁化向量且与磁性自由层的水平磁化向量耦合。又，在第二温度下的垂直磁性层是顺磁状态；以及加热材料层配置在该垂直磁性层上。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1绘示一磁性存储器的基本结构。

图2绘示磁性存储单元的存储机制。

图3绘示传统采用人造反铁磁性自由层的结构。

图4A-4C绘示利用反铁磁性层对自由层施加偏压场的热辅助存储单元机制。

图5A绘示操作电路的示意图。

图5B绘示交换磁性偏压强度与温度关系示意图。

图6a-6d绘示另一种传统热辅助存储单元结构。

图7绘示依据本发明实施例，热辅助磁性存储单元结构剖面示意图。

图8绘示依据本发明实施例，操作机制示意图。

图9a-9d绘示依据本发明一实施例，垂直式热辅助磁性存储器元件的操作机制示意图。

附图标记说明

100、102：电流线                     104：磁性存储单元

104a：磁性固定层                     104b：穿隧势垒层

104c：磁性自由层                     107、108a、108b：磁矩方向

106、108：电极                       150、154：铁磁性金属层

152：非磁性金属层                    156：穿隧绝缘层

158：上固定层                        160：非磁性金属层

162：下固定层                        164：反铁磁性层

166：磁性自由叠层                    168：磁性固定叠层

170：磁性自由层                      172：反铁磁性层

180：磁性存储单元                    181：控制开关晶体管

182：垂直磁性固定层                  184：绝缘层

186：垂直磁性自由层                  188：加热材料层

200：反铁磁层                        202：磁性固定层

204：绝缘层                          206：磁性自由层

208：垂直磁性层                      210：加热材料层

212：多稀土元素区域                  214：多过渡金属区域

220：磁性固定层                      222：绝缘层

224：磁性自由层                      226：磁性转移层

228：磁性耦合层                      230：垂直磁性层

232：加热材料层                      234：反铁磁层

具体实施方式

本发明采用一种热辅助磁性材料，对自由层产生交互耦合作用力，进而增加自由层的热稳定性。选用磁性质对温度具有高敏感度变化的垂直式磁性材料，利用热辅助写入方式来降低写入所需要的磁场进而降低电流，且此写入方式可以有效解决写入时所造成的干扰问题，而提升写入范围。因此本发明可以使得磁穿隧元件(MTJ)因尺寸缩小而又能继续保有高热稳定性且解决写入所造成的干扰问题。

以下举一些实施例做为说明，但是本发明不仅受限制在所举实施例。图7绘示依据本发明实施例，热辅助磁性存储单元结构剖面示意图。参阅图7，热辅助磁性存储单元结构有反铁磁层200。磁性固定层(magnetic pinned layer)202配置在反铁磁层200上。磁性固定层202例如是图3的磁性固定叠层168，为合成式反铁磁层。虽然反铁磁层为总磁化向量为零的材料，但其界面会与磁性固定层202的下固定层耦合产生磁性偏压场，以进一步强化固定层的稳定以及定义固定层磁化方向。当然，磁性固定层202也可以是有预定方向的磁化向量的单层结构。

另外磁性自由层206通过绝缘层204，叠置在磁性固定层202上。磁性自由层206可以是单层或合成式结构，也可以例如是图3的人造反铁磁叠层。于此，磁性自由层206的磁化向量是水平的磁化向量。

接着，垂直磁性层(perpendicular magnetic layer)208配置在磁性自由层206上。垂直磁性层208在第一温度下，例如室温下，有一垂直磁化向量，垂直地与磁性自由层206的水平磁化向量耦合。又、垂直磁性层208在第二温度下，例如临界高温下是顺磁状态。温度的控制通过加热材料层210，例如设置在垂直磁性层208上，以改变操作温度。

通过图7的结构，适当的调配出由稀土-过渡元素的成分，以组成垂直磁性材料。图8绘示依据本发明实施例，操作机制示意图。参阅图8，矫顽场(coercivity)随温度的变化如Hc的曲线，分成总磁化向量为稀土元素所主导的多稀土元素区域212(rear earth-rich，RE-rich)与过渡金属所主导的多过渡金属区域214(transition metal-rich，TM-rich)。又，过渡金属的磁化向量M_TM与稀土元素的磁化向量M_RE，随温度的变化如虚线所示。又由二者产生净的磁化向量M_NET也随温度变化。由于二者磁化向量的方向相反，在T_comp的温度会达到互相抵消，到零磁化向量。而后，在临界温度Tc时，再度又达到零磁化向量，其状态就是顺磁状态。

根据图7的结构与图8的机制，本发明实施例的垂直式热辅助磁性存储器元件结构，在原本磁穿隧元件的自由层上再加入垂直式磁性材料层。图9a-9d绘示依据本发明一实施例，热辅助磁性存储器元件的操作机制示意图。参阅图9a，磁性固定层220例如是人造反铁磁的叠层。磁性自由层224例如单层结构有一水平的磁化向量或人造反铁磁层。磁性固定层220与磁性自由层224之间有绝缘层222。又、在磁性固定层220下方例如也可以有反铁磁层234，使磁性固定层220的磁化向量更为稳定。反铁磁层234的材料例如包括PtMn、IrMn、FeMn或NiMn。

本实施例对于垂直磁性层230的材料选择，除了具有垂直方向的磁化方向外，还须具备磁性质对温度的高敏感度特性。要能同时具有此两种特性经研究后，其磁性材料可以是由稀土-过渡元素(Rare earth-Transition metal；RE-TM)所组成的陶铁磁性(Ferrimagnetic)材料，例如TbFeCo、TbCo、TbFe、GdFeCo、GdCo、GdFe等合晶材料。此材料的磁性质跟温度的关系如图8所示，可以通过成分的调整来控制Tcomp及Tc的値，RE-TM材料的磁性质是由两个磁化向量所组成，因此当温度变化时此两个磁化向量互相抵消的温度定义为compensation temperature(Tcomp)，而当温度继续增加到丧失其陶铁磁性质时此温度定义为Curie temperature(Tc)。本实施例为利用此磁性质和温度的关系来降低写入电流。

又，垂直磁性层230更例如可以采用二层结构，包括磁性转移层226位在磁性自由层224上，以及磁性耦合层228位在磁性转移层226上，有垂直磁化向量，与磁性自由层224的水平磁化向量耦合。磁性转移层226的作用例如是界面作用，其磁化向量分布是由该水平磁化向量旋转到该垂直磁化向量。又例如，磁性转移层226的异向性能量比磁性耦合层228的异向性能量低。

图9a的磁性自由层及垂直式磁性层的磁化向量会变化，而其他基底的反铁磁性层、固定层及绝缘层在操作时并不会改变。图9a利用多层的垂直式磁性材料来对磁性自由层产生交互耦合作用力。此作用力将使得自由层被固定在特定方向，而翻转此磁性自由层所需要的磁场将因此而增加，因而达到增加热稳定性的目的。RE-TM垂直式磁性材料具有高异向性能量，表示翻转此材料所需要的磁场会比较大，如图8的(a)点所示具有高Hc，因此能允许在更小尺寸下还能保有良好的热稳定性。为了使此交互耦合作用力能更容易控制，因此可使用多层垂直式磁性材料，靠近结处使用异向性能量较低的RE-TM材料，磁性转移层226的材料例如是使用GdFeCo、GdFe、或GdCo等。再利用高异向性能量的RE-TM做为磁性耦合层228来增加热稳定性，其材料例如TbFeCo、TbFe、或TbCo等。

参阅图9b，当要写入时，通过加热材料层232先将温度升高到Tc点以上，如图8中的(b)点的温度位置。此时垂直磁性层230的材料将变成顺磁性，即磁化向量将变成混乱排列，因此其对于磁性自由层的交互耦合作用力消失。此时磁性自由层224恢复为原本铁磁性材料的性质，例如NiFe、CoFe、或CoFeB等的特性。磁性自由层224的磁化向量是用来存储二进制(Binary)的数据，由磁化向量的方向来决定。参阅图9c，如果需要改变磁性自由层224的磁化向量的方向，可于加热的同时施加磁场H，即可轻易地将磁性自由层224写入所要的磁化向量的方向。接着参阅图9d，于写入数据后再将温度降低使得垂直磁性层230的材料恢复成陶铁磁性，而对磁性自由层224产生交互耦合作用力。此时的反转场将恢复到高Hc的状态，如在图8的(d)点温度位置。其中，磁性转移层226的作用是加强水平磁化向量与垂直磁化向量可以耦合，因此磁性自由层224的数据在室温时，不易被扰动，有高程度的热稳定性。然而，磁性转移层226不是绝对需要。

又、利用上述实施例的多个存储单元组成存储阵列，配合所需要的驱动电路，可以制作成高容量的磁性随机存取存储器。

本发明通过垂直磁性层230的垂直磁化向量，与磁性自由层224的水平磁化向量耦合，如此除了能维持磁性自由层224与磁性固定层220之间的数据状态，更以垂直方式施加偏压以维持热稳定性，且同时利用加热方式以降低操作电流。尺寸也能有效缩小。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (21)

1.一种热辅助磁性存储单元结构，包括：

磁性固定层，在一反铁磁层上；

绝缘层，在该磁性固定层上；

磁性自由层，在该绝缘层上，包含有一水平磁化向量；

垂直磁性层，在该磁性自由层上，在第一温度下有一垂直磁化向量，垂直耦合于该磁性自由层的该水平磁化向量，其中该垂直磁性层在第二温度下是顺磁状态；以及

加热材料层，在该垂直磁性层上。

2.如权利要求1所述的热辅助磁性存储单元结构，其中该垂直磁性层是单层结构或是叠层结构。

3.如权利要求1所述的热辅助磁性存储单元结构，其中该垂直磁性层包含稀土-过渡元素的磁性材料层。

4.如权利要求1所述的热辅助磁性存储单元结构，其中该垂直磁性层包含TbFeCo、TbCo、TbFe、GdFeCo、GdCo、或GdFe等的合晶材料。

5.如权利要求1所述的热辅助磁性存储单元结构，其中该磁性自由层的材料包括NiFe、CoFe或CoFeB。

6.如权利要求1所述的热辅助磁性存储单元结构，其中该垂直磁性层包括：

磁性转移层；以及

磁性耦合层，包含该垂直磁化向量，与该磁性自由层的该水平磁化向量耦合，其中该磁性转移层的磁化向量分布是由该水平磁化向量旋转到该垂直磁化向量。

7.如权利要求1所述的热辅助磁性存储单元结构，其中该垂直磁性层包括：

磁性耦合层在该自由层上，有该垂直磁化向量与该磁性自由层的该水平磁化向量耦合。

8.如权利要求6所述的热辅助磁性存储单元结构，其中该磁性转移层的异向性能量比该磁性耦合层的异向性能量低。

9.如权利要求6所述的热辅助磁性存储单元结构，其中该磁性转移层的材料包括GdFeCo、GdCo或GdFe，该磁性耦合层的材料包括TbFeCo、TbCo或TbFe。

10.如权利要求1所述的热辅助磁性存储单元结构还包括反铁磁层，该反铁磁层的材料包括PtMn、IrMn、FeMn或NiMn。

11.如权利要求1所述的热辅助磁性存储单元结构，其中该磁性自由层是单层结构或多层结构。

12.如权利要求1所述的热辅助磁性存储单元结构，其中该磁性自由层是一叠层结构，有一对反平行态的磁化向量或平行态的磁化向量。

13.如权利要求1所述的热辅助磁性存储单元结构，该磁性固定层是一叠层结构，有一对反平行的磁化向量，不受外加的操作磁场改变。

14.一种磁性随机存取存储器，包括：

多个热辅助磁性存储单元，组成一存储阵列；以及

驱动电路，以存取该热辅助磁性存储单元，

其中每一该热辅助磁性存储单元包括：

磁性固定层，在一反铁磁层上；

绝缘层，在该磁性固定层上；

磁性自由层，在该绝缘层上，包含有一水平磁化向量；

垂直磁性层，在该磁性自由层上，其中在第一温度下有一垂直磁化向量，垂直于该水平磁化向量且与该磁性自由层的该水平磁化向量耦合，其中在第二温度下该垂直磁性层是顺磁状态；以及

加热材料层，在该垂直磁性层上。

15.如权利要求14所述的磁性随机存取存储器，其中该垂直磁性层是单层结构或是叠层结构。

16.如权利要求14所述的磁性随机存取存储器，其中该垂直磁性层包含稀土-过渡元素的磁性材料层。

17.如权利要求14所述的磁性随机存取存储器，其中该垂直磁性层包含TbFeCo、TbCo、TbFe、GdFeCo、GdCo或GdFe等的合晶材料。

18.如权利要求14所述的磁性随机存取存储器，其中该磁性自由层的材料包括NiFe、CoFe或CoFeB。

19.如权利要求14所述的磁性随机存取存储器，其中该垂直磁性层包括：

磁性转移层，在该自由层上；以及

磁性耦合层，包含该垂直磁化向量，与该磁性自由层的该水平磁化向量耦合，其中该磁性转移层的磁化向量分布是由该水平磁化向量旋转到该垂直磁化向量。

20.如权利要求19所述的磁性随机存取存储器，其中该磁性转移层的异向性能量比该磁性耦合层的异向性能量低。

21.如权利要求19所述的磁性随机存取存储器，其中该磁性转移层的材料包括GdFeCo、GdCo或GdFe，该磁性耦合层的材料包括TbFeCo、TbCo或TbFe。

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