CN105679358B - 垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元 - Google Patents

垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元，包括堆叠结构和自旋阀控制层，所述堆叠结构包括：磁性参考层、磁性记忆层、隧道势垒层、中间层和自旋阀层；所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；所述磁性记忆层和所述自旋阀层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；所述自旋阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层的磁各向异性且包括至少两个子层；所述中间层分别与所述磁性记忆层和所述自旋阀层相邻；所述自旋阀控制层是与所述堆叠结构相间隔设置的导电层。

Description

垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元
技术领域
本发明涉及存储器件领域，尤其涉及一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元。
背景技术
近年来人们利用磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的特性做成磁性随机存储器，即为MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当磁性记忆层与磁性参考层之间的磁化强度矢量方向平行或反平行时，磁记忆元件的电阻态也相应为低阻态或高阻态。这样测量磁电阻单元的电阻态即可得到存储的信息。
已有一种方法可以得到高的磁电阻(MR，Magneto Resistance)率：在非晶结构的磁性膜的表面加速晶化形成一层晶化加速膜。当此层膜形成后，晶化开始从隧道势垒层一侧形成，这样使得隧道势垒层的表面与磁性表面形成匹配，这样就可以得到高MR率。
一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型MRAM：在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变磁电阻单元中的记忆层的磁化强度方向。自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极化的电子流把它的角动量转移给磁性记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。
在一个简单的面内型STT-MRAM结构中，每个MTJ元件的磁性记忆层都具有稳定的面内磁化强度。面内型器件的易磁化轴由磁性记忆层的面内形状或形状各向异性决定。CMOS晶体管产生的写电流流经磁电阻单元的堆叠结构后，可以改变其电阻态，也即改变了存储的信息。进行写操作时电阻会改变，一般情况下采用恒定电压。在STT-MRAM中，电压主要作用在约厚的氧化物层(即隧道势垒层)上。如果电压过大，隧道势垒层会被击穿。即使隧道势垒层不会立即被击穿，如果重复进行写操作的话，会使得电阻值产生变化，读操作错误增多，磁电阻单元也会失效，无法再记录数据。另外，写操作需要有足够的电压或自旋电流。所以在隧道势垒层被击穿前也会出现记录不完全的问题。
对于垂直型STT-MRAM(pSTT-MRAM，perpendicular Spin-transfer TorqueMagnetic Random Access Memory)有着上述同样的情况。此外，在pSTT-MRAM中，由于两个磁性层的磁晶各向异性比较强(不考虑形状各向异性)，使得其易磁化方向都垂直于层表面，为此在同样的条件下，该器件的尺寸可以做得比面内型器件更小。
因为减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相契合。但是小尺度的MTJ元件的图案化会导致MTJ电阻率的高不稳定性，并且需要相对较高的切换电流或记录电压。
pSTT-MRAM的读操作是把电压作用在MTJ堆叠结构上，再测量此MTJ元件是处于高阻态或是低阻态。为了正确得到电阻态是高或低，需要的电压相对较高。并且写操作和读操作需要的电压值并不相等，在当前的先进技术节点，若各MTJ之间有任何的电子特性波动，都会导致本应进行读操作的电流，却像写电流一样，改变了MTJ中磁性记忆层的磁化强度方向。
因为在对此非易失性的MTJ记忆体进行写操作会改变它的电阻值时，使MTJ记忆器件产生损耗，缩短了它的生命周期。为了减小这种负面影响，我们需要提供一些方法来得到某种结构的pSTT-MRAM，可以同时具有高精度的读操作，以及高可靠的写操作。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元，其包括堆叠结构，所述堆叠结构包括：
磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻，本文中的层与层的“相邻”是指层与层紧贴设置，其间未主动设置其它层；
中间层，所述中间层的材料是金属氧化物或非磁性金属，并且与所述磁性记忆层相邻；
自旋阀层，所述自旋阀层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述自旋阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层的磁各向异性；所述自旋阀层由依次相邻的第1子层至第N子层组成，N为大于1的自然数，即所述自旋阀层至少包括两个相邻设置的子层；所述第1子层与所述中间层相邻；所述自旋阀层各子层垂直方向的磁各向异性随N的增大而依次减小，即随着远离所述磁性记忆层，各子层垂直方向的磁各向异性随之依次减小；并且
所述磁性随机存储器还包括自旋阀控制层，所述自旋阀控制层是与所述堆叠结构相间隔设置的导电层；所述自旋阀控制层的结构满足：流经所述自旋阀控制层的电流能够产生垂直于所述自旋阀层的层表面的磁场或磁场分量。
进一步地，所述磁性参考层、所述隧道势垒层和所述磁性记忆层形成第一磁性隧道结，所述自旋阀层、所述中间层和所述磁性记忆层形成第二磁性隧道结(当所述中间层是金属氧化物)或巨磁阻结构(当所述中间层是非磁性金属)，所述第二磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻。
优选地，所述第二磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻的三分之一。
进一步地，所述自旋阀控制层与所述自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与所述自旋阀层的层表面相平行的平面，所述平面分别与所述自旋阀控制层和所述自旋阀层相交。
进一步地，所述自旋阀层的磁各向异性小于或等于所述磁性记忆层的磁各向异性的70％。
进一步地，所述自旋阀层的Ms×Hk×t的值大于所述磁性记忆层的Ms×Hk×t的值，其中Ms为饱和磁化强度、Hk为垂直方向的磁各向异性场、t为层厚度。
优选地，所述自旋阀层的Ms×Hk×t的值是所述磁性记忆层的Ms×Hk×t的值的三倍以上。
进一步地，所述第1子层的材料是铁磁性合金，其中包含Co、Fe、Ni或B中的一种或多种。
进一步地，作为所述中间层材料的金属氧化物是MgO、ZnO或MgZnO。
进一步地，作为所述中间层材料的非磁性金属是Cu、Ag、Au或Ru。
进一步地，所述自旋阀层的第2子层的Hk值小于所述磁性记忆层的Hk值，其中Hk为垂直方向的磁各向异性场。
优选地，所述自旋阀层的第2子层的Hk值小于所述磁性记忆层的Hk值的二分之一或三分之一。
进一步地，所述自旋阀层的第2子层为反铁磁耦合结构。
本发明的垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元将自旋阀层设置为包括至少两个子层，使磁性记忆层、中间层和自旋阀层更易形成第二磁性隧道结或巨磁阻结构，并且只需在自旋阀控制层上加载较小电流，就可改变自旋阀层的磁化方向。如自旋阀层采用单层自旋材料，厚度太薄，造成自旋极化能力不足，有时无法形成第二磁性隧道结或巨磁阻结构；厚度太厚，外磁场比较难于使其垂直磁化。。
在实际应用时，当自旋阀层的磁化方向反平行于磁性参考层的磁化方向时，在磁性参考层与自旋阀层的两重自旋转移矩作用下，磁性记忆层的磁化方向是易于改变的，从而在写操作时可以减小写电流；
而当自旋阀层的磁化方向平行于所述磁性参考层的磁化方向时，因为磁性参考层与自旋阀层具有相同的磁化方向并且两者位于磁性记忆层的两侧，使得两者的自旋转移矩部分或完全抵消，此时磁性记忆层的磁化方向是难以改变的，从而增强了读操作的稳定性。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元的一个较佳实施例的剖面结构示意图；
图2是图1中磁电阻单元的结构示意图；
图3是图1结构中自旋阀层的磁化方向设置的示意图；
图4是图1结构中将自旋阀层设置为置位状态的示意图；
图5是图4中磁电阻单元设置为高阻态的示意图；
图6是图4中磁电阻单元设置为低阻态的示意图；
图7是图1结构中将自旋阀层设置为复位状态的示意图；
图8是图4中磁电阻单元读取示意图；
图9是图1的记忆单元间的磁场作用示意图；
图10是本发明中第2子层可采用的一种反铁磁耦合结构的示意图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1示出了本发明的一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元的剖面结构示意图，其中包括由顶电极11、磁性隧道结12、中间层13、自旋阀层14、底电极15组成的磁电阻单元1，以及设置在自旋阀层14一侧由电介质层3隔离开的自旋阀控制层2。
如图2所示，磁性隧道结12由依次堆叠的磁性参考层121、隧道势垒层122和磁性记忆层123组成，并且磁性参考层121与顶电极11相邻，磁性记忆层123与中间层13相邻。磁性参考层121的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；磁性记忆层123的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面。
自旋阀层14的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面，并且自旋阀层14的磁各向异性小于磁性记忆层123的磁各向异性，优选地小于或等于磁性记忆层123的磁各向异性的70％。本实施例中，自旋阀层14由第1子层141和第2子层142组成，第1子层141与磁性记忆层123相邻设置。第1子层141为高自旋极化材料，本实施例中第1子层141和第2子层142的材料均是铁磁性合金，其中包含Co、Fe、Ni或B中的一种或多种，并且第1子层141的磁各向异性大于第2子层141的磁各向异性。第2子层142的Hk值小于磁性记忆层123的Hk值的三分之一(或二分之一)，Hk为垂直方向的磁各向异性场。同时，自旋阀层14的Ms×Hk×t的值是磁性记忆层123的Ms×Hk×t的值的三倍以上，其中Ms为饱和磁化强度、Hk为垂直方向的磁各向异性场、t为层厚度。
中间层13的材料可以是金属氧化物，如MgO、ZnO或MgZnO，也可以是非磁性金属，如Cu、Ag、Au或Ru。
磁性记忆层123、中间层13和自旋阀层14组成磁性隧道结10(或巨磁阻结构)，磁性隧道结10(或巨磁阻结构)的磁电阻小于磁性隧道结12的磁电阻，优选地小于磁性隧道结12的磁电阻的三分之一。自旋阀层14的双层结构，使磁性隧道结10(或巨磁阻结构)更易形成。
自旋阀控制层2与磁电阻单元1间隔设置，其在纵向上处于与自旋阀层14大致等高的位置。以图1中剖面为参考面，此处的自旋阀控制层2相当于垂直于图1剖面延伸的导电线，其中的电流具有流入和流出两个方向。图3示出了流入方向的电流I及其所产生的磁场B。穿过自旋阀层14的磁力线垂直于自旋阀层14的层表面或具有垂直于自旋阀层14的层表面的磁场分量。从而通过在自旋阀控制层2加载脉冲电流，来改变自旋阀层14的磁化方向。
根据自旋阀层14的磁化方向不同，其两种状态分别可称为置位或复位状态。
当自旋阀层14处于置位状态时，其磁化方向反平行于磁性参考层121的磁化方向；当自旋阀层14处于复位状态时，其磁化方向平行于磁性参考层121的磁化方向。
图1中还示出了与顶电极11相连的位线4，以及与磁电阻单元1相连的MOS管，其中包括漏极51、栅极52和源极53，以及相应的漏极引线54、栅极引线55、和源极引线56，漏极引线54与底电极15连接。
图1中记忆单元的读写操作方式如下：
写操作：在自旋阀层14处于置位状态时，即通过流经自旋阀控制层2的脉冲电流Ip1，在电流产生的磁场作用下，使自旋阀层14的磁化方向反平行于磁性参考层121的磁化方向，如图4所示，在MOS管开启状态下，通过流经位线4和磁电阻元件1的写电流，使磁性记忆层123在自旋转移矩作用下改变磁化方向。如图5所示，写电流I0使磁性记忆层123磁化方向反平行于磁性参考层121的磁化方向，从而使磁性隧道结12处于高阻态；如图6所示，写电流I1使磁性记忆层123磁化方向平行于磁性参考层121的磁化方向，从而使磁性隧道结12处于低阻态。
上述写操作中，在磁性参考层121与自旋阀层14的双重自旋转移矩作用下，磁性记忆层123的磁化方向是易于改变的，从而可有效地减小写电流。
读操作：在自旋阀层14处于复位状态时，即先通过在自旋阀控制层2加载脉冲电流Ip2，在电流产生的磁场下，使自旋阀层14的磁化方向平行于磁性参考层121的磁化方向，如图7所示，在MOS管开启状态下，磁电阻单元1上加载预设的读取电压，根据磁性隧道结12的组态不同，可获得不同的读电流I2，如图8所示。
上述读操作中，因为磁性参考层121与自旋阀层14具有相同的磁化方向并且两者位于磁性记忆层123的两侧，使得两者的自旋转移矩部分或完全抵消，此时磁性记忆层123的磁化方向是难以改变的，从而增强了读操作的稳定性。
同时需要考虑的是，当在一个记忆单元阵列中，如在某一记忆单元的自旋阀控制层中通电流来进行自旋阀层的状态切换时，该电流产生的磁场可能也会对相邻或附近的记忆单元中的自旋阀层产生影响。如图9所示，记忆单元90和记忆单元91是阵列中两个邻近的记忆单元，记忆单元90中的自旋阀控制层902通过电流I90，并形成磁场B90，假设磁场B90作用于记忆单元91中的自旋阀层911的磁场强度足以改变自旋阀层901的磁化方向，此时可以在记忆单元91中的自旋阀控制层912中通过方向相反的电流I91，从而产生反向磁场B91，以抵消磁场B90对自旋阀层911的影响，可以根据记忆单元间的距离以及电流I90的大小，来确定反向电流I91的大小或制定电流取值规则。另一方面，磁场B90和B91作用于记忆单元90的自旋阀层901的磁力线方向相同或是垂直于自旋阀层901层面的磁场分量方向相同，从而磁场B91同时也可以加强对自旋阀层901的磁化。
上述实施例中的第2子层142也可以采用反铁磁耦合结构，如图10所示，其上下两层1421、1423为铁磁性材料(其中包含Co、Fe、Ni或B中的一种或多种)，中间一层1422的材料可以是Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cu中至少一种，或者Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cu的复合物中至少一种。
另一方面，上述实施例中的自旋阀层14均采用了双层结构，同样地，其也可以采用多层结构，同时需满足各相邻子层垂直方向的磁各向异性随着远离磁性记忆层123而依次减小。
同时需要指出的是，上述实施例中磁性隧道结12、中间层13、自旋阀层14层叠顺序也可以倒置，即自旋阀层14与顶电极11相邻设置，磁性隧道结12与底电极15相邻设置，其中中间层13还是同样是分别与磁性记忆层123以及第1子层141相邻。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种磁性随机存储器记忆单元，包括堆叠结构，所述堆叠结构包括：
磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；
其特征在于，所述堆叠结构还包括：
中间层，所述中间层的材料是金属氧化物或非磁性金属，并且与所述磁性记忆层相邻；
自旋阀层，所述自旋阀层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
所述自旋阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层的磁各向异性；所述自旋阀层由依次相邻的第1子层至第N子层组成，N为大于1的自然数；
所述第1子层与所述中间层相邻；所述自旋阀层各子层垂直方向的磁各向异性随N的增大而依次减小；并且
所述磁性随机存储器还包括自旋阀控制层，所述自旋阀控制层是与所述堆叠结构相间隔设置的导电层；所述自旋阀控制层的结构满足：流经所述自旋阀控制层的电流能够产生垂直于所述自旋阀层的层表面的磁场或磁场分量。
2.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述磁性参考层、所述隧道势垒层和所述磁性记忆层形成第一磁性隧道结，所述自旋阀层、所述中间层和所述磁性记忆层形成第二磁性隧道结或巨磁阻结构，所述第二磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻。
3.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述自旋阀层的磁各向异性小于或等于所述磁性记忆层的磁各向异性的70％。
4.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述自旋阀层的Ms×Hk×t的值大于所述磁性记忆层的Ms×Hk×t的值，其中Ms为饱和磁化强度、Hk为垂直方向的磁各向异性场、t为层厚度。
5.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述第1子层的材料是铁磁性合金，其中包含Co、Fe、Ni或B中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，作为所述中间层材料的金属氧化物是MgO、ZnO或MgZnO。
7.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，作为所述中间层材料的非磁性金属是Cu、Ag、Au或Ru。
8.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述自旋阀层的第2子层的Hk值小于所述磁性记忆层的Hk值，其中Hk为垂直方向的磁各向异性场。
9.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述自旋阀层的第2子层为反铁磁耦合结构。
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