CN102544352B - 具有横向钉扎的非易失性存储器单元 - Google Patents

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Abstract

一种用于例如STRAM单元的非易失性存储器单元的装置和关联方法。根据各个实施例，磁性自由层通过非磁性间隔层与反铁磁性层(AFM)横向隔开并通过磁性隧道结与合成反铁磁性层(SAF)中间地隔开。AFM通过与SAF的钉扎区接触来钉扎住SAF的磁化，所述SAF的钉扎区横向地延伸超过磁性隧道结。

Description

具有横向钉扎的非易失性存储器单元
发明内容
本发明的各个实施例一般涉及配置有横向磁化钉扎层的非易失性存储器单元。
根据各个实施例，磁性自由层通过非磁性间隔层与反铁磁性层(AFM)横向隔开，并通过磁性隧道结与合成反铁磁性层(SAF)中间地隔开。AFM通过与SAF的钉扎区接触来钉扎住SAF的磁化，所述SAF的钉扎区横向地延伸超过磁性隧道结。
以本发明的各个实施例为表征的这些和其他特征和优点可考虑以下具体讨论和所附附图来理解。
附图说明
图1是根据本发明的各个实施例所构成和操作的示例性数据存储设备的概括功能示图。
图2示出用于从图1的设备的存储器阵列读取数据和向其写入数据的电路。
图3概括地示出一种可将数据写入存储器阵列的存储器单元的方式。
图4概括地示出一种可从图3的存储器单元读取数据的方式。
图5示出根据本发明的各个实施例所构成和操作的示例性存储器单元。
图6示出根据本发明的各个实施例所构成和操作的示例性存储器单元的等距示图。
图7显示存储器单元的示例性替换构造。
图8显示根据本发明各种实施例进行的示例性单元制造例程的一种流程图和相应说明的磁性叠层。
具体实施方式
本公开一般涉及非易失性存储器单元，诸如自旋矩随机存取存储器(STRAM)单元。固态非易失性存储器是在形状因数不断减小的情况下为了提供可靠的数据存储和更快的数据传输速率而正在开发的技术。然而，与固态单元关联的若干问题抑制了实际应用，例如大的切换电流、低的工作裕量以及导致低的总数据容量的低的面密度。在近期的尝试中，高易失性通过降低单元的隧道磁阻(TMR)效应而进一步败坏了固态单元，这对应于降低的单元可读性和可写性。
因此，具有由相对磁性自由层横向定位的反铁磁性层(AFM)磁性钉扎的合成反铁磁性(SAF)层的固态非易失性存储器单元降低了易失性，同时提高了可读性和可写性。AFM相对于自由层的横向取向允许高温退火以增加单元的TMR，并且同时不会通过来自AFM的易失性原子扩散而增加易失性。AFM的这种横向结构也提供了较小的单元总厚度，该较小的单元总厚度能导致各数据存储设备中增加的存储容量。
图1提供根据本发明的各种实施例来配置和操作的数据存储设备100的功能框图。该数据存储设备被构想成包括诸如PCMCIA卡或USB型的外部存储器件之类的便携式非易失性的存储设备。然而，应当理解，设备100的这些特性仅仅是出于说明具体实施例的目的，而非限于所要求保护的主题。
设备100的最高层的控制由合适的控制器102进行，控制器102可以是可编程的或基于硬件的微控制器。控制器102经由控制器接口(I/F)电路104和主机I/F电路106与主机设备通信。必要命令、编程、操作数据等的本地存储经由随机存取存储器(RAM)108和只读存储器(ROM)110提供。缓冲器112用来暂存来自主机设备的输入写数据并将待传输的数据回读给主机设备。
在114示出包括大量存储器阵列116(标示为阵列0-N)的存储空间，尽管应当理解可根据需要使用单个阵列。每个阵列116包括一块选定存储容量的半导体存储器。控制器102和存储器空间114之间的通信是经由存储器(MEM)接口118来协调的。根据需要，实时差错检测和校正(EDC)编码和解码操作是藉由EDC块120在数据传输过程中执行的。
尽管并非限制，但在一些实施例中，图1所示的各个电路被排列成单个芯片集，该单个芯片集在具有合适的封装、外壳和互连特征(出于清楚的目的而未单独示出)的一个或多个半导体管芯上形成。运作该设备的输入功率由合适的功率管理电路122处理并从例如电池、AC电源输入等适当源提供。功率也能例如通过使用USB式接口等从主机直接被提供给设备100。
可使用任何数量的数据存储和传输协议，诸如逻辑块寻址(LBA)，由此数据被排列并存储在固定尺寸的块(诸如512个字节的用户数据加上ECC、备份、报头信息等的开销字节)中。根据LBA发布主机命令，并且设备100可进行相应LBA至PBA(物理块地址)的转换来标识并提供与拟存储或检索的数据相关联的位置。
图2提供图1的存储器空间114的选择方面的一般表示。数据被存储为存储器单元124的行列布局，它们可由各行(字)和列(位)线访问。单元和其存取线的实际配置将取决于给定应用的要求。然而，一般而言，应当理解，各种控制线一般将包括选择性地启用和禁用对各个单元值相应的写入和读取的启用线。
控制逻辑126分别沿多线总线路径128、130和132接收和传输数据、寻址信息和控制/状态值.X和Y解码电路134、136提供适当的切换和其它工能以访问适当的单元124。写电路138代表用以执行将数据写至单元124的写操作的电路元素，而读电路140相应地用以从单元124获得读回数据。经传输的数据和其它值的局部缓存可经由一个或多个局部寄存器144提供。在这一点上，要理解图2的电路本质上仅是示例性的，并能取决于给定场合的需求根据需要容易地采用任何数量的替代性配置。
数据大体如图3所示的那样被写至相应的存储器单元124。一般而言，写入电源146施加必要的输入(例如以电流、电压、磁化等形式)以将存储器单元124配置成期望的状态。可以理解，图3仅仅是位写入操作的代表性图示。可适当地操纵写入电源146、存储器单元124和基准节点148的配置来允许向每个单元写入所选逻辑状态。
如下面所解释的，在一些实施例中，存储器单元124采取经改型的STRAM配置，在此情况下，写入电源146被特征化为通过存储器单元124连接到合适的基准节点148(诸如接地点)的电流驱动器。写入电源146提供一功率流，该功率流通过移动过存储器单元124中的磁性材料而被自旋极化。经极化的自旋所导致的转动产生改变存储器单元124的磁矩的扭矩。
根据磁矩，单元124可采取相对低电阻(RL)或相对高电阻(RH)。虽然不是限制性的，示例性RL值可在约100欧姆(Ω)范围中，而示例性RH值可在约100KΩ范围中。这些值由各自的单元保留，直到该状态被后续写入操作改变。虽然不是限制性的，在本示例中打算用高电阻值(RH)表示由单元124存储逻辑1，而低电阻值(RL)表示存储逻辑0。
由每个单元124存储的逻辑位值可以例如图4所示的方式确定。读电源150将适当的输入(例如选定的读电压)施加于存储器单元124。流过单元124的读电流IR的量将是单元电阻(分别为RL或RH)的函数。跨存储器单元的电压降(电压VMC)是通过比较器(感测放大器)154的正(+)输入端经由路径152测得的。从基准源156将合适基准(例如电压基准VREF)提供给比较器154的负(-)输入端。
可从各种实施例中选出基准电压VREF，以使存储单元124两端的电压降VMC在该单元的电阻被设为RL时低于VREF值，而在该单元的电阻被设为RH时高于VREF值。以此方式，比较器154的输出电压电平将指示存储器单元124所存储的逻辑位值(0或1)。
图5概括示出根据本发明的各个实施例的非易失性存储器叠层160。叠层160具有设置在磁性隧道结164、顶部电极166之间的磁性自由层162以及非磁性间隔层168。隧道结164以宽度170取向并附连于合成反铁磁性(SAF)层172的中间部分，该SAF层172具有由接触相邻的底部电极176共享的宽度174。
如图所示，顶部电极166和自由层162各自具有比隧道结170的宽度更短的宽度178。这种宽度差容纳了间隔层168，该间隔层168使自由层162与如沿X轴测量的横向相邻的反铁磁性层(AFM)180隔开。AFM180提供一种磁交换偏置，该磁交换偏置通过与由隧道结宽度170和SAF宽度174之间的宽度差184定义的SAF172钉扎区182的接触而钉扎住SAF172的磁化。钉扎区182的这种横向布置允许AFM层180位于自由层162相对的横向侧而无需向叠层160增加沿Y轴测得的任何厚度。
在操作中，自由层162磁性响应于预定编程电流，该预定编程电流设定层162中的磁方向，例如正极性或负极性。该磁方向与无磁响应SAF172结合地作用，所述无磁响应SAF172通过AFM180钉扎在预定磁化以产生一TMR效应，该TMR效应提供拟存储至叠层160的逻辑状态，例如0或1。隧道结164随后允许SAF172和自由层162的磁方向相互作用以产生能读取作为一经编程逻辑状态的TMR效应。
可通过增加TMR效应来改善叠层160的功能，所述TMR效应对应于经编程逻辑状态之间的较大磁差以及设置和切换自由层162的磁方向所需的低编程电流。TMR效应可随着暴露于通过退火而升高的温度而增加。然而，这种退火可能因为通过来自AFM180的原子反铁磁性迁移增大SAF172和自由层162的磁化的易失性而不利地影响到叠层160。
对于图5的存储器叠层160，相比SAF172和自由层162，退火可能发生而不会增加由于AFM180横向布置引起的易失性。也就是说，AFM180和自由层162通过非磁性间隔层168的间隔与AFM180沿钉扎区182与SAF172的横向附连结合以减少易失性AFM原子迁移进入SAF172和自由层162。结果，叠层160通过由于退火引起的增强TMR效应加上低磁易失性而具有较好的可读性和可写性。
图6示出根据各实施例构造的示例性非易失性存储器单元190的等距示图。磁性自由层192附连于MgO的隧道结194，该隧道结194较为有利地作用以产生TMR，因为其具有使自由层192更靠近SAF三层196的减小厚度。自由层192和SAF三层196各自分别附连于顶部电极198和底部电极200，这些电极可以是各种电流传导材料，例如但不局限于Ta和Cu，它们能够将电流传输通过单元190。
如所示那样，SAF三层196可具有设置在一对铁磁性层204之间的例如Ru的耦合间隔层202，所述铁磁性层204可以是各种材料，例如但不局限于类似Ni和Co的金属、类似CoFe和NiFe的合金以及类似CoFeB的高极化比复合物。该铁磁性层204磁响应于从AFM208沿SAF196的钉扎区206施加的交换偏置，该AFM208可以是例如PtMn和IrMn的任何反铁磁性有序材料。
然而，已观察到锰尤其具有易失性并且当退火时其原子容易扩散遍及一个单元。因此，来自AFM208的扩散因SAF196至AFM208的有限附连而被扼制。换句话说，钉扎区206的有限表面积抑制了锰原子扩散通过单元190和增加磁易失性。扩散进一步由非磁性间隔层210抑制，该非磁性间隔层210物理和磁性地将AFM208与自由层192和顶部电极198隔开。
如此，单元190可经受具有Mn原子的最低迁移和保持AFM208产生钉扎SAF196的磁化的交换偏置的能力的TMR增强退火。随着读或写电流通过单元190传输，薄MgO隧道结194、横向AFM208取向以及退火的结合允许较薄单元中提高的TMR效应，这导致逻辑状态之间的较高裕量、较低的编程电流以及数据存储设备中增加的面密度。
在图7中，示出用单个铁磁性钉扎层212取代图6的SAF的另一示例性单元210。类似于图6的单元190的操作，单元210通过横向设置的AFM层214钉扎铁磁性钉扎层212的磁化。单个铁磁性钉扎层212的使用允许单元210相对于单元190具有减小的厚度，同时在退火和通过增加的TMR效应改善可读性和可写性的过程中仍然抑制易失性原子的扩散。
单元210仅为示例性的并且不仅限于图7所示的结构。实际上，可根据需要实现对单元210的尺寸、形状、材料和操作的多种改型。如图所示，一种这样的改型可以是将钉扎层212和底部电极216延伸至等于或大于自由层222和顶部电极224的宽度220两倍的宽度218。这种结构提供相对大的钉扎区226，其结果是增加了表面积和AFM层214和钉扎层212之间的钉扎连接。
此外，可修正隧道结230的宽度228以在AFM214和自由层222之间提供增大量的非磁性间隔材料232，例如NiO，以保护自由层222的磁性自由度。在又一改型中，可去除AFM214并用单独保持预定磁方向的非对称SAF来替代钉扎层212。尽管对单元20的各种改型可改变结构和操作，然而AFM214与钉扎层212的横向取向和连接保持退火过程中对易失性原子扩散的抑制，这允许增加TMR并改善单元210功能。
图8中大体地示出单元制造例程240和相应的解说性图示，其中在步骤242最初形成根据本发明各实施例的示例性存储器单元，预定数量的层被沉积成至少两个宽度。尽管各层的次序、数目和厚度是不受限制的，然而磁性叠层342示出来自步骤242的样本结果，其中底部电极、SAF和隧道结具有第一宽度而自由层和顶部电极共同具有较小的第二宽度。
步骤244随后在之前沉积的层上沉积一掩模层以围住顶部。叠层344从外观上提供该掩模层的一个示例，在一些实施例中，该掩模层是绝缘材料，例如NiO。经沉积的掩模层和隧道结随后在预定图案中被去除，以在自由层周围维持选定量的掩模层，如叠层346所示。叠层346进一步示出去除隧道结以在自由层和SAF的横向侧上界定钉扎区。
在步骤248，AFM材料被沉积在已有的磁性叠层上以至少接触之前界定的钉扎区上的SAF。AFM层的形状和材料不受限制，但通过叠层348提供一样本构成，该构成表示AFM材料围住SAF的顶部和侧边。例程240继续至步骤250以预定图案去除一些部分的AFM材料，由此使AFM与顶部电极隔开。尽管步骤250采用铣削操作来去除AFM材料，但该操作不是必须的或限制性的，因为例如抛光和侵蚀的多种工艺可单独或结合地使用以产生与叠层350类似的叠层。
在形成和成形单元的各个组件层之后，步骤252在升高的温度和面内磁场的条件下对该结构退火。如前所述，AFM材料的横向位置允许易失性反铁磁性原子在退火过程中最低程度地扩散入SAF。叠层352展示退火维持单元的前一结构但不表示退火增强自由层、SAF和隧道结之间的相互作用的TMR效果。最终，在步骤254中，位线被沉积在顶部电极上以提供通过该单元引导读和写电流的导电路径。步骤254可具有多个子步骤，这些子步骤制备顶部电极的上表面以沉积或生长位线材料。叠层354总地示出来自步骤254的完成单元，该完整单元能被编程以特定磁方向并维持该方向直到被再次编程为止。
要注意，制造例程240不仅限于图8所示的步骤和相应的示例性磁性叠层。可根据需要改变或省去各步骤并能添加新步骤。举例来说，步骤242可修改为包括沉积单个铁磁性层而不是叠层342中所示的SAF，同时可省去步骤254以使步骤252和相应的叠层352是能实现在存储数据的阵列中的完成单元。
如本领域技术人员所理解地，本文所示的各种实施例在存储器单元效率与复杂性两者上都提供优点。通过退火改善存储单元的TMR效应的能力因此需要较小的编程电流并同时增加了操作裕量。此外，AFM层的横向沉积允许较薄的存储器器件结构，其因关联于退火过程中的AFM原子扩散的磁易失性而具有减少的错误数量。然而，应当理解，本文所讨论的各个实施例具有许多潜在应用，并且不限于特定的电子介质领域或特定的数据存储器件类型。
要理解，即使已在前面的描述中阐述了本发明各实施例的许多特征和优势以及本发明各种实施例的结构和功能的细节，然而该详细描述仅为解说性的，并可在细节上做出改变，尤其可在术语的宽泛意思所指示的全面范围对落入本发明原理内的部分的结构与安排做出改变，其中以术语来表达所附权利要求。

Claims (18)

1.一种磁性叠层，包括通过非磁性间隔层与反铁磁性层(AFM)横向隔开以及通过磁性隧道结与合成反铁磁性层(SAF)中间隔开的磁性自由层，所述AFM通过与SAF的钉扎区接触来钉扎所述SAF的磁化，所述SAF的钉扎区横向地延伸过所述磁性隧道结，
其中，通过在存在升高温度和面内磁场的情况下进行退火而增加所述磁性叠层中的隧道磁阻效应。
2.如权利要求1所述的磁性叠层，其特征在于，所述钉扎区抑制退火过程中易失性AFM原子的扩散。
3.如权利要求1所述的磁性叠层，其特征在于，所述自由层具有第一宽度，所述隧道结具有第二宽度，而所述SAF具有第三宽度，所述钉扎区由所述第三和第二宽度之差限定。
4.如权利要求1所述的磁性叠层，其特征在于，钉扎区位于所述自由层的相对横向侧上。
5.如权利要求1所述的磁性叠层，其特征在于，所述SAF是单个铁磁性层。
6.如权利要求1所述的磁性叠层，其特征在于，所述AFM通过所述间隔层物理和磁性地与所述自由层和顶部电极分隔。
7.如权利要求1所述的磁性叠层，其特征在于，所述AFM是锰化合物。
8.如权利要求7所述的磁性叠层，其特征在于，所述锰化合物是IrMn。
9.如权利要求1所述的磁性叠层，其特征在于，所述磁性叠层是非易失性的并通过自旋极化电流对所述自由层编程一逻辑状态。
10.一种形成磁性叠层的方法，包括：
提供磁性自由层，所述磁性自由层通过非磁性间隔层与反铁磁性层(AFM)横向隔开并通过磁性隧道结与合成反铁磁性层(SAF)中间地隔开；
用AFM通过与SAF的钉扎区接触来钉扎住所述SAF的磁化，所述SAF的钉扎区横向地延伸超过磁性隧道结；以及
在存在升高温度和面内磁场的条件下进行退火以增加所述自由层、隧道结和SAF的隧道磁阻。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述钉扎区抑制在退火过程中磁性易失性AFM原子扩散至所述SAF。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，沉积所述AFM以使其通过所述间隔层物理和磁性地与所述自由层和顶部电极分隔。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述AFM用交换偏置场来钉扎住所述SAF。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述SAF被沉积具有第一宽度，所述隧道结具有第二宽度，而所述自由层具有第三宽度，所述钉扎区由所述第一和第二宽度之差限定。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述SAF具有自由层宽度至少两倍那么长的宽度。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述钉扎区通过去除隧道结的横向部分形成。
17.一种存储器单元，包括：
具有第一宽度的磁性自由层，所述磁性自由层附连于具有比所述第一宽度更大的第二宽度的磁性隧道结，所述隧道结附连于具有至少两倍于所述第一宽度的第三宽度的合成反铁磁性层(SAF)的中间部分；以及
反铁磁性层(AFM)，所述AFM通过非磁性间隔层与所述自由层分隔并连接于横向地从所述第二宽度延伸至所述第三宽度的SAF的钉扎区，所述钉扎区抑制AFM原子的扩散并同时在升高温度和面内磁场存在的条件下进行退火。
18.如权利要求17所述的存储器单元，其特征在于，对ATM原子扩散的抑制增加了SAF的磁稳定性并且退火增加了所述存储器单元的隧道磁阻。
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