CN102224546B - 具有补偿元件的stram - Google Patents
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Abstract
公开了具有补偿元件的自旋转移矩存储器。自旋转移矩存储单元包括合成反铁磁基准元件、合成反铁磁补偿元件、合成反铁磁基准元件和合成反铁磁补偿元件之间的自由磁性层、以及将自由磁性层和合成反铁磁基准元件分隔开的电绝缘且非磁性隧穿阻挡层。自由磁性层具有大于1100emu/cc的饱和磁矩值。
Description
背景技术
普及性计算和手持/通信产业的快速发展引起对大容量非易失性固态数据存储设备的爆炸式需求。相信非易失性存储器尤其是闪存将代替DRAM占据存储器市场的最大份额。然而，闪存具有若干缺陷，例如慢存取速度(～ms写和～50-100ns读)、有限的使用寿命(～103-104编程循环)以及片上系统(SoC)的集成难度。闪存(NAND或NOR)在32nm节点及以上也面对重大的等比缩放(scaling)问题。
磁阻随机存取存储器(MRAM)是未来非易失性和通用存储器的另一个有前景的候选。MRAM具有非易失、快写/读速度(＜10ns)、几乎无限的编程寿命(＞1015次循环)和零待机功率的特征。MRAM的基本组件是磁性隧穿结(MTJ)。数据存储是通过在高阻态和低阻态之间切换MTJ的电阻来实现的。MRAM通过使用电流感应的磁场来切换MTJ的磁化从而切换MTJ电阻。随着MTJ尺寸缩小，切换磁场振幅增加且切换变化变得严重。因此，所引发的高功耗限制了传统MRAM的等比缩小。
最近，基于自旋极化电流感应的磁化切换的新型写入机制被引入到MRAM设计中。被称为自旋转移矩RAM(STRAM)的这种新型MRAM设计使用流过MTJ的(双向)电流以实现电阻切换。因此，STRAM的切换机构是局部约束的并且相信STRAM具有比传统MRAM更好的缩放特性。
然而，在STRAM进入生产阶段前必须克服许多产量限制因素。传统STRAM设计的一个考虑因素是STRAM单元的自由层的厚度折衷。较厚的自由层提高热稳定性和数据保持，但也增加切换电流要求，因为切换电流与自由层的厚度成比例。因此，使STRAM单元在电阻数据状态之间切换所需的电流量很大。
发明内容
本公开涉及包括补偿元件的自旋转移矩存储单元。
在一特定实施例中，自旋转移矩存储单元包括合成反铁磁基准元件、合成反铁磁补偿元件、合成反铁磁基准元件和合成反铁磁补偿元件之间的自由磁性层、以及将自由磁性层和合成反铁磁基准元件分隔开的电绝缘且非磁性隧穿阻挡层。自由磁性层具有大于1100emu/cc的饱和磁矩值。
通过阅读下面的详细描述，这些以及各种其它的特征和优点将会显而易见。
附图简述
考虑下面与附图相结合的本公开的各种实施例的详细描述，可以更加全面地理解本发明：
图1是处于低阻态的示例性磁性隧穿结(MTJ)的截面示意图；
图2是处于高阻态的示例性MTJ的截面示意图；
图3是示例性自旋转移矩存储单元的示意图；
图4A是示例性不均匀电绝缘且电子反射层的示意截面图；
图4B是另一个示例性不均匀电绝缘且电子反射层的示意截面图；
图5是包括多层基准层的示例性自旋转移矩存储单元的示意图；以及
图6是包括多层基准层和附加分隔层的示例性自旋转移矩存储单元的示意图。
各附图不一定按比例绘制。附图中使用的类似附图标记表示类似组件。然而，应该理解，使用附图标记指代给定附图中的某个组件并不对其它附图中用相同附图标记标示的组件构成限制。
具体实施方式
在以下说明书中，参照构成说明书一部分并以示例方式示出若干特定实施例的一组附图。应该理解，可以构想出其它实施例，但不脱离本公开的范围或精神。因此，下面的详细说明不应理解为限定。本文提供的定义是为了便于本文频繁使用的某些术语的理解并且不旨在限定本公开的范围。
除非另行指定，在说明书和权利要求书中使用的表示特征尺寸、量和物理特性的全部数字应当理解为在任何情形下可由术语“大约”进行修饰。因此，除非明示相反情形，否则前述说明书和所附权利要求书中阐述的数字参数是近似值，这些近似值能根据由本领域内技术人员尝试利用本文披露的教示获得的所需特性而改变。
通过端点对数值范围的列举包括包容在该范围内的全部数值(例如1-5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任一范围。
如说明书以及所附权利要求书中所使用地，单数形式的“一”、“该”以及“所述”涵盖具有复数对象的实施方式，除非上下文明确地指出其它情形。如说明书和所附权利要求书中使用地，术语“或”通常用于包括“和/或”的语境中，除非内容明确地指出相反情形。
本公开涉及包括补偿元件的自旋转移矩存储器(STRAM)。STRAM包括基准层、高Ms(即，饱和磁矩)自由层、附加偏移场补偿层、以及可以是镜面的绝缘层。镜面绝缘层可增强自由层上的自旋电流效率。所公开的STRAM构造利用高Ms自由层维持高热稳定性，利用绝缘镜面分隔物维持低切换电流、以及利用补偿固定层补偿来自基准层的层间耦合。引入补偿层之后可移除静态场，从而可使用平衡的基准层和补偿层。偏移场仅取决于本征层间耦合。可最小化偏移场变化。所公开的STRAM结构可增大热障能，减小切换电流并减小偏移场及其变化。因此，可用所公开STRAM构造实现低切换电流、高热稳定性、大信号、小偏移场以及小偏移场变化。在本公开中，使用具有大于1100emu/cc的高Ms的自由层以显著增大热障能，因此不要求自由层的大长宽比。尽管本公开并非局限于此，然而本公开各个方面的理解将通过下面提供的示例阐述而获得。
图1是处于低阻态的示例性磁隧穿结(MTJ)单元10的截面示意图，而图2是处于高阻态的示例性MTJ单元10的截面示意图。MTJ单元可以是能够在高阻态和低阻态之间切换的任何存储单元。在很多实施例中，本文所描述的可变电阻存储单元是自旋转移矩存储单元。
MTJ单元10包括铁磁自由层12和铁磁基准(即，固定(pin))层14。铁磁自由层12和铁磁基准层14由氧化物阻挡层13或隧穿阻挡层分隔开。第一电极15与铁磁自由层12电接触，而第二电极16与铁磁基准层14电接触。铁磁层12、14可由例如铁、钴、镍的任何有用铁磁(FM)合金制成，并且绝缘隧穿阻挡层13可由例如氧化物材料(例如Al2O3或MgO)的电绝缘材料制成。也可使用其它适合的材料。
电极15、16将铁磁层12、14电连接至提供通过铁磁层12、14的读写电流的控制电路。MTJ单元10两端的电阻由铁磁层12、14的磁化矢量或磁化方向的相对方向确定。铁磁基准层14的磁化方向被固定在预定方向而铁磁自由层12的磁化方向在自旋矩的影响下自由旋转。铁磁基准层14的固定可通过例如使用与诸如PtMn、IrMn等反铁磁规则材料交换偏磁来实现。
图1示出处于低阻态的MTJ单元10，其中铁磁自由层12的磁化方向是平行的并处于与铁磁基准层14磁化方向相同的方向。这被称为低阻态或“0”数据状态。图2示出处于低阻态的MTJ单元10，其中铁磁自由层12的磁化方向是反平行的并处于与铁磁基准层14的磁化方向相反的方向。这被称为高阻态或“1”数据状态。
当流过MTJ单元10的磁性层的电流变为自旋极化并将自旋矩施加在MTJ单元10的自由层12上时，经由自旋转移切换电阻状态并因此切换MTJ单元10的数据状态。当将足够的自旋矩施加于自由层12时，自由层12的磁化方向可在两个相反方向之间切换，并因此MTJ单元10可在平行状态(即，低阻态或“0”数据状态)和反平行状态(例如高阻态或“1”数据状态)之间切换，这取决于电流方向。
示例性自旋转移矩MTJ单元10可用来构造包含多个可变电阻存储单元的存储设备，其中通过改变自由磁性层12相对于固定磁性层14的相对磁化状态来将数据位存储在磁性隧道结单元中。可通过测量随自由层相对于固定磁性层的磁化方向改变的单元电阻来读出所存储的数据位。为了使自旋转移矩MTJ单元10具有非易失随机存取存储器的特征，自由层对于随机波动表现出热稳定性，从而自由层的方向仅当受到控制以作出这种改变时才会改变。该热稳定性可使用不同方法经由磁各向异性而获得，例如改变位大小、形状和晶体各向异性。可通过要么借助交换要么借助磁场对其它磁性层的磁耦合来获得附加的各向异性。通常来说，各向异性使得软轴和硬轴形成在薄磁性层中。硬轴和软轴是通过在该方向中完全旋转(饱和)磁化方向所需的通常以磁场形式的外部能量的量级定义的，其中硬轴要求较高的饱和磁场。
图3是示例性自旋转移矩存储单元20的示意图。自旋转移矩存储单元20包括自由磁性元件或层FL、基准磁性元件或层RL、以及将多层自由磁性层FL和基准磁性层RL分隔开的电绝缘且非磁性隧穿阻挡层TB。自旋转移矩存储单元20还包括补偿层CL以及将补偿层CL和自由磁性层FL分隔开的电绝缘层IL。虽然补偿层CL和基准磁性层RL示成单层，但要理解，补偿层CL和基准磁性层RL可以是多层结构，如图5和图6所示。
补偿层CL的磁矩与基准层RL的磁矩相反。来自基准层RL的层间耦合可由来自补偿层CL的层间耦合来补偿。由于净耦合场可接近零，所以可消除来自基准层RL和补偿层CL两者的静态场。静态场取决于大小而层间耦合不取决于大小，因此可最小化偏移场的变化。
如上所述，基准磁性层RL可以是具有大于0.5的可接受自旋极化范围的任何有用铁磁材料。自由磁性层FL可以是具有可接受各项异性以及具有大于1100emu/cc或大于1500emu/cc的饱和磁矩(即Ms)值的任何铁磁材料。EMU指示磁偶极矩的电磁单位而cc指示立方厘米。在许多实施例中，自由磁性层FL是Co100-X-YFeXBY，其中X是大于30的值，而Y是大于15的值。
补偿层CL可以是具有范围在0.2到0.9的可接受的自旋极化的任何有用铁磁材料。电绝缘层IL可以是任何有用电绝缘材料。在一些实施例中，电绝缘层IL是电子电气绝缘的且是电子反射层。在一实施例中，来自自由层FL-电绝缘层IL-补偿层CL的自旋极化小于0.4。
电绝缘且电子反射层可以是薄氧化物层或氮化物层且由诸如MgO、SiO、TiO、AlO、TaO、NiO、TaN或AlN的任何有用的电绝缘且电子反射材料形成。电绝缘且电子反射层的厚度可在3至15埃的范围中或5至15埃的范围中。电绝缘且电子反射层可具有从1至50欧姆μm2或从1至20欧姆μm2的面电阻。
电绝缘且电子反射层能够将至少一部分电子反射回自由磁性层FL并且允许至少一部分电子穿过电绝缘且电子反射层。这些反射的电子能够增强自旋电流效率，有效地减小使存储单元20在平行状态(即低阻态或“0”数据状态)和反平行状态(即高阻态或“1”数据状态)之间切换所需施加的通过通量闭合自旋转移矩存储单元20的电流量。因此，因为电绝缘且电子反射层能够反射自旋电子以增加自旋电流效率，所以能够显著减小切换电流。
如上所述，第一电极层E1和第二电极层E2提供能使多层自由磁性层FL的磁化方向在两个相反方向之间切换的电子流，因此自旋转移矩存储单元20可取决于电流的方向在平行状态(即低阻态或“0”数据状态)和反平行状态(即高阻态或“1”数据状态)之间切换。
在一些实施例中，电绝缘且电子反射层IL可具有不均匀的厚度。由此导致的扭曲电流(canted current)能进一步增加自旋效率以进一步减小切换电流。不均匀的电绝缘且电子反射层IL还能减小串联电阻以维持输出信号。尽管以下示出并描述不均匀电绝缘且电子反射层IL的两个实施例，但应理解任何不均匀电绝缘且电子反射层IL结构在本公开的范围内。
图4A是示例性不均匀电绝缘且电子反射层IL的示意截面图。在该所示的具有不均匀厚度的电绝缘且电子反射层IL的实施例中，电绝缘且电子反射层ER具有限定峰和谷的相对主表面S1和S2，并为电绝缘且电子反射层IL提供多个变化厚度T1、T2和T3。电流沿电绝缘且电子反射层IL的厚度方向传播通过相对的非平面主表面S1和S2。
图4B是另一个示例性不均匀电绝缘且电子反射层IL的示意截面图。在该所示的具有不均匀厚度的电绝缘且电子反射层IL的实施例中，电绝缘且电子反射层IL具有相对平面的主表面S1和S2。相对平面主表面S1和S2限定具有第一厚度T1并减小到第二厚度T2的连续倾斜的电绝缘且电子反射层IL。电流沿电绝缘且电子反射层IL的厚度方向传播通过相对的非平面主表面S 1和S2。
图5是另一个示例性自旋转移矩存储单元30的示意图。除了补偿层CL是合成反铁磁补偿元件CL且基准层RL是合成反铁磁基准元件RL之外，该实施例与图3相似。
如上所述，自旋转移矩存储单元30包括自由磁性层FL、合成反铁磁基准磁性元件RL、以及将自由磁性元件FL和合成反铁磁基准磁性元件RL分隔开的电绝缘且非磁性隧穿阻挡层TB。电绝缘层IL将合成反铁磁补偿层CL和自由磁性层FL分隔开。
合成反铁磁基准元件RL包括由第一分隔层SP1分隔开的第一铁磁层FM1和第二铁磁层FM2、以及由第二分隔层SP2与第二铁磁层FM2分隔开的第三铁磁层FM3。第一铁磁层FM1、第二铁磁层FM2、以及第三铁磁层FM3反铁磁地彼此耦合。第一反铁磁层AFM1邻近第一铁磁层FM1。第一铁磁层FM1、第二铁磁层FM2、第三铁磁层FM3由具有大于0.5的自旋极化的铁磁材料形成。
合成反铁磁补偿元件CL包括由第三分隔层SP3分隔开的第四铁磁层FM4和第五铁磁层FM5。第四铁磁层FM4和第五铁磁层FM5反铁磁地彼此耦合。第二反铁磁层AFM2邻近第5铁磁层FM5。第四铁磁层FM4和第五铁磁层FM5由具有从0.2到0.9范围中的自旋极化的铁磁材料形成。来自自由层FL-电绝缘层IL-补偿层CL的自旋极化小于0.4。
分隔层SP1、SP2和SP3可以是例如Ru、Pd或Cr的任何有用导电且非铁磁材料。反铁磁层AFM1和AFM2通过例如使用与诸如PtMn、IrMn等反铁磁规则材料交换偏磁来固定铁磁层。
在所公开的自旋转移矩存储单元中使用合成反铁磁元件具有若干优点。一些优点包括自由层的静态场减小、基准层的热稳定性增加以及层间扩散减少。
自由磁性层FL可以是具有可接受各项异性以及具有大于1100emu/cc或大于1500emu/cc的饱和磁矩(即Ms)值的任何铁磁材料。在许多实施例中，自由层FL是Co100-X-YFeXBY，其中X是大于30的值，而Y是大于15的值。
电绝缘层IL可以是任何有用电绝缘材料。在一些实施例中，如上所述，电绝缘层IL是电绝缘且电子反射层。
如上所述，第一电极层E1和第二电极层E2提供能使多层自由磁性层FL的磁化方向在两个相反方向之间切换的电子流，因此自旋转移矩存储单元20可取决于电流的方向在平行状态(即低阻态或“0”数据状态)和反平行状态(即高阻态或“1”数据状态)之间切换。
图6是另一个示例性自旋转移矩存储单元40的示意图。除了第四分隔层SP4分隔开补偿第四铁磁层FM4和电绝缘层IL之外，该实施例与图5类似。第四分隔层SP4是诸如Ta、Cu、Al、Mg或Au的导电且非铁磁材料。第四分隔层SP4帮助控制补偿元件CL的层间耦合。
如上所述，自旋转移矩存储单元30包括自由磁性层FL、合成反铁磁基准磁性元件RL、以及将自由磁性元件FL和合成反铁磁基准磁性元件RL分隔开的电绝缘且非磁性隧穿阻挡层TB。电绝缘层IL和第四分隔层SP4将合成反铁磁补偿元件CL和自由磁性层FL分隔开。
合成反铁磁基准元件RL包括由第一分隔层SP1分隔开的第一铁磁层FM1和第二铁磁层FM2、以及由第二分隔层SP2与第二铁磁层FM2分隔开的第三铁磁层FM3。第一铁磁层FM1、第二铁磁层FM2、以及第三铁磁层FM3反铁磁地彼此耦合。第一反铁磁层AFM1邻近第一铁磁层FM1。第一铁磁层FM1、第二铁磁层FM2、第三铁磁层FM3由具有大于0.5的自旋极化的铁磁材料形成。
合成反铁磁补偿元件CL包括由第三分隔层SP3分隔开的第四铁磁层FM4和第五铁磁层FM5。第四铁磁层FM4和第五铁磁层FM5反铁磁地彼此耦合。第二反铁磁层AFM2邻近第5铁磁层FM5。第四铁磁层FM4和第五铁磁层FM5由具有从0.2到0.9范围中的自旋极化的铁磁材料形成。来自自由层FL-电绝缘且电子反射层IL-合成反铁磁补偿层CL的自旋极化小于0.4。
分隔层SP1、SP2和SP3可以是例如Ru、Pd或Cr的任何有用导电且非铁磁材料。反铁磁层AFM1和AFM2通过例如使用与诸如PtMn、IrMn等反铁磁规则材料交换偏磁来固定铁磁层。
在所公开的自旋转移矩存储单元中使用合成反铁磁元件具有若干优点。一些优点包括自由层的静态场减小、基准层的热稳定性增加以及层间扩散减少。
自由磁性层FL可以是具有可接受各项异性以及具有大于1100emu/cc或大于1500emu/cc的饱和磁矩(即Ms)值的任何铁磁材料。在许多实施例中，自由层FL是Co100-X-YFeXBY，其中X是大于30的值，而Y是大于15的值。
电绝缘层IL可以是任何有用电绝缘材料。在一些实施例中，如上所述，电绝缘层IL是电子电气绝缘且电子反射层。
如上所述，第一电极层E1和第二电极层E2提供能使多层自由磁性层FL的磁化方向在两个相反方向之间切换的电子流，因此自旋转移矩存储单元20可取决于电流的方向在平行状态(即低阻态或“0”数据状态)和反平行状态(即高阻态或“1”数据状态)之间切换。
因此，公开了具有补偿元件的STRAM的实施例。上述的实现和其他实现落入所附权利要求的范围内。本领域内技术人员将理解，本公开可通过这里公开以外的其它实施方式来实现。所披露的实施例以阐述而非限定为目的给出，并且本发明仅由所附权利要求书限定。
Claims (20)
1.一种自旋转移矩存储单元，包括：
合成反铁磁基准元件；
合成反铁磁补偿元件；
在所述合成反铁磁基准元件和所述合成反铁磁补偿元件之间的自由磁性层，所述自由磁性层具有大于1100emu/cc的饱和磁矩值；
将所述自由磁性层与所述合成反铁磁基准元件分隔开的电绝缘且非磁性隧穿阻挡层；以及
将所述合成反铁磁补偿元件和所述自由磁性层分隔开的电绝缘层，
其中，来自所述自由磁性层、电绝缘层、合成反铁磁补偿元件的自旋极化小于0.4。
2.如权利要求1所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述自由磁性元件具有大于1500emu/cc的饱和磁矩值。
3.如权利要求1所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述自由磁性元件包括Co100-X-YFeXBY，其中X是大于30的值，而Y是大于15的值。
4.如权利要求1所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述电绝缘层具有从3至15埃范围中的厚度。
5.如权利要求4所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述电绝缘层是电绝缘且电子反射层。
6.如权利要求4所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，还包括置于所述合成反铁磁补偿元件和所述电绝缘层之间的导电且非铁磁分隔层。
7.如权利要求6所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述合成反铁磁补偿元件包括Ru、Pd或Cr分隔层，且非铁磁分隔层包括Ta、Cu、Al、Mg或Au。
8.如权利要求5所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述电绝缘且电子反射层包括TaO、AlO、MgO、SiO、TiO、NiO、TaN或AlN且具有从1至50欧姆μm2范围中的面电阻值。
9.一种自旋转移矩存储单元，包括：
合成反铁磁基准元件；
合成反铁磁补偿元件；
在所述合成反铁磁基准元件和所述合成反铁磁补偿元件之间的自由磁性层；
将所述自由磁性层与所述合成反铁磁基准元件分隔开的电绝缘且非磁性隧穿阻挡层；以及
电绝缘且电子反射层，其具有从3至15埃范围中的厚度且在所述合成反铁磁补偿元件和所述自由磁性层之间，
其中，来自所述自由磁性层、电绝缘且电子反射层、合成反铁磁补偿元件的自旋极化小于0.4。
10.如权利要求9所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述电绝缘且电子反射层包括TaO、AlO、MgO、SiO、TiO、NiO、TaN或AlN且具有从1至50欧姆μm2范围中的面电阻值。
11.如权利要求9所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，还包括置于所述合成反铁磁补偿元件和所述电绝缘且电子反射层之间的导电且非铁磁分隔层。
12.如权利要求11所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述合成反铁磁补偿元件包括Ru、Pd或Cr分隔层，且非铁磁分隔层包括Ta、Cu、Al、Mg或Au。
13.如权利要求9所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述自由磁性元件具有大于1100emu/cc的饱和磁矩值。
14.如权利要求9所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述自由磁性元件包括Co100-X-YFeXBY，其中X是大于30的值，而Y是大于15的值。
15.如权利要求9所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述合成反铁磁基准元件包括反铁磁地彼此耦合的第一铁磁层、第二铁磁层、第三铁磁层，以及分隔开所述第一和第二铁磁层的第一分隔层与分隔开所述第二和第三铁磁层的第二分隔层，且第一反铁磁层邻近所述第一铁磁层，所述第一和第二以及第三铁磁层包括具有大于0.5的自旋极化的铁磁材料。
16.如权利要求15所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述合成反铁磁补偿元件包括反铁磁地彼此耦合的第四铁磁层和第五铁磁层、以及分隔开所述第四和第五铁磁层的第三分隔层，且第二反铁磁层邻近所述第五铁磁层，所述第四和第五铁磁层包括具有从0.2至0.9的范围中的自旋极化的铁磁材料。
17.一种自旋转移矩存储单元，包括：
合成反铁磁基准元件；
合成反铁磁补偿元件；
在所述合成反铁磁基准元件和所述合成反铁磁补偿元件之间的自由磁性层，所述自由磁性元件具有大于1100emu/cc的饱和磁矩值；
将所述自由磁性层与所述合成反铁磁基准元件分隔开的电绝缘且非磁性隧穿阻挡层；
电绝缘且电子反射层，其具有从3至15埃范围中的厚度且在所述合成反铁磁补偿元件和所述自由磁性层之间；以及
置于所述合成反铁磁补偿元件和所述电绝缘且电子反射层之间的导电且非铁磁分隔层，
其中，来自所述自由磁性层、电绝缘且电子反射层、合成反铁磁补偿元件的自旋极化小于0.4。
18.如权利要求17所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述合成反铁磁补偿元件包括Ru、Pd或Cr分隔层，且非铁磁分隔层包括Ta、Cu、Al、Mg或Au。
19.如权利要求17所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述自由磁性元件具有大于1500emu/cc的饱和磁矩值。
20.如权利要求17所述的自旋转移矩存储单元，其特征在于，所述合成反铁磁基准元件具有大于0.5的自旋极化。
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