CN108352445A - 磁存储元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁存储元件，其包括：触头(31)，其包括位于传导层(32)和非磁性层(36)之间的磁性层(34)，磁性层具有垂直于各层的平面的磁化方向；以及成角度的传导轨道(42)，其包括通过两个臂(44A，44B)延伸的中央部分，触头完全设置在轨道上，其中，对于每个臂，沿臂的中间轴线朝向触头流动的电流相对于其中一个臂(44A)主要在电流的左侧并且相对于另一个臂(44B)主要在电流的右侧与触头的、最靠近该臂的部分遭遇。

Description

磁存储元件

本发明要求法国专利申请FR15/59914的优先权，该法国专利申请将被视为本说明书的组成部分。

技术领域

本发明涉及一种磁存储元件，并且更具体地涉及具有电流感应翻转类型的磁存储元件。

背景技术

法国专利第2963152号公开了图1A、图1B和图1C中示意性示出的磁存储元件。图1A和图1B分别示出了结合法国专利第2，963，152号的图1c-1f、2a-2b和3a-3d描述的磁存储元件的剖视图和立体图。图1C是该存储元件的简化的俯视图。

如图1A和图1B所示，该存储元件包括位于传导轨道1上方的触头3。该触头3包括多个区段的层叠体，其中每个区段都由薄层的一部分或几个薄层的层叠体形成。例如，传导轨道1形成在由覆盖有氧化硅层的硅晶片构成的基底5上并且跨接端子A和B。构成触头3的层叠体从轨道1开始依次包括由非磁性传导材料制成的区段10、由磁性材料制成的区段11、由非磁性材料制成的区段12、由磁性材料制成的区段13和电极14。层12的材料可以是传导性的，这优选为足够薄的绝缘材料，以便能够被隧道效应电子穿过。在非磁性区段10和12之间存在结构差异，以便在与层平面垂直的方向上具有不对称系统。特别地，这种差异可能是由这些层的材料、厚度或生长模式的差异造成的。

前述专利中给出了能够构成各层的材料的列表。区段11和13的磁性材料在使它们具有垂直于层平面取向的磁化方向的条件下形成。层13的磁性材料在使其保持不确定的磁化方向的条件下形成(捕获层)。上部的电极层14连接至端子C。

通过跨过端子A和B循环电流并同时施加水平取向(在跨过端子A和B的电流的方向上平行于层平面)的磁场H来完成存储元件的编程。根据跨过端子A和B的电流和磁场矢量H的相对方向，对层11进行编程，使得其磁化方向被定向为向上或向下。

为了读取该存储元件，在端子C与端子A和B中的一个或另一个之间施加电压。端子C与端子A和B中的一个或另一个之间所产生的电流根据层11和13的磁化方向的相对方向而呈现不同的值：如果这两个磁化方向相同则呈现高值，而如果这两个磁化方向相反则呈现低值。

上述存储元件的一个特性在于，其编程是通过跨过端子A和B循环的电流和在平行于电流的层的平面中施加的磁场而完成的。在编程期间，没有电流从端子A或B朝向端子C流动。这具有将存储元件的读取操作和写入操作完全分开的优点。

许多替代实施方式是可能的。特别地，前述每个层都可以通过本领域已知的方式由多个层的层叠体构成，以获得期望的特性。

只要轨道1由适合于磁性层11生长的非磁性材料制成，由非磁性传导材料制成的层部分10就可以省略。然后，轨道1可以在触头3下方具有额外的厚度。为了使层11中磁化方向的翻转成为可能，也需要在磁性层中设置自旋轨道对。为此，例如，需要使与该层11接触(或通过薄的分离层与该层11分离)的层由具有强自旋轨道耦合的材料或材料的复合物构成。例如，另一种方案是，磁性层11与层10和12中的一个或另一个之间的接触产生这种自旋轨道耦合，例如，如果层12由绝缘体制成，则这可以通过磁性层11与层12的杂化来发生(参见“单晶磁隧道结中少数界面共振态的自旋轨道耦合效应”，Y.Lu等人，物理评论B，第86卷，第184420页(2012年))。

应注意的是，图1A和图1B的存储元件可以细分成两个元件：包括设置有端子A和B以及层部分10、11和12的轨道1的存储元件，以及在上述给出的例子中包括层13和14以及电极C的读取元件。对于该存储元件，可以考虑各种读取模式，例如光学读取。

图1C是触头3的简化的俯视图。仅示出了轨道1和触头3以及连接至触点15和16的端子A和B。

如上所指出的，可通过跨过端子A和B施加电流并同时设置在电流的方向上具有非零分量的磁场来对图1A至图1C的存储元件进行编程。在前述专利申请中给出了用于产生磁场的装置的例子。设置外磁场或制造能够形成磁场H的特定的磁性层产生了实际制造问题。

专利申请US2014/0010004描述了一种磁存储元件，其能够通过在没有磁场的情况下施加电流来编程。图2是与该专利申请的图18A对应的磁存储元件的示意性仰视图。磁性触头20包括与上述结合图1A至图1C描述的磁性触头3的多个层类似的多个层部分的层叠体。触头20为细长的矩形的形式。定位在该矩形的端部并从该矩形的长边突出的两个不同的电极24A和24B连接至端子A和B，并且可以使电流在磁性层11中循环。电流从端子A朝向端子B或从端子B朝向端子A的流动方向限定编程的值。这种在触头下方包括分开的电极的存储元件的构造产生了各种制造问题。

需要一种可在没有磁场的情况下通过施加电流来编程的存储元件，其容易制造并且对弱电流敏感。

发明内容

因此，一种实施方式提供了一种磁存储元件，其包括：触头，该触头包括位于传导层和非磁性层之间的磁性层，磁性层具有垂直于各层的平面的磁化方向；以及成角度的传导轨道，该传导轨道包括通过两个臂延伸的中央部分，触头完全设置在轨道上，其中，对于每个臂，沿臂的中间轴线朝向触头流动的电流相对于其中一个臂主要在电流的左侧与触头的、最靠近该其中一个臂的部分遭遇，并且相对于另一个臂主要在电流的右侧与触头的、最靠近该另一个臂的部分遭遇。

根据另一种实施方式，传导层和非磁性层的不同之处在于它们的厚度、组成或它们的结构。

根据一种实施方式，磁性层的厚度小于3nm。

根据一种实施方式，从上方看，触头是盘状的。

根据一种实施方式，对于每个臂，触头的、最靠近臂的部分包括：在从上方看与臂的中间轴线形成锐角的方向上的伸长的部分。

根据一种实施方式，锐角在30度和60度之间。

根据一种实施方式，伸长的部分中的至少一个形成尖端。

根据一种实施方式，伸长的部分中的至少一个形成圆形尖端。

根据一种实施方式，圆形尖端具有在1nm和10nm之间的曲线半径。

根据一种实施方式，触头具有沿轴线伸长的形状，并且轨道基本上成直角的角度。

根据一种实施方式，触头具有中央部分，该中央部分采用在其中一个臂的方向上的伸长的矩形的形式并且定位为靠近该其中一个臂的、最靠近另一个臂的边缘。

另一种实施方式提供一种用于对存储元件编程的方法，其包括由将电流从一个臂传递至另一个臂组成的步骤，选择电流的方向以获得所期望的编程。

附图说明

将在下面关于附图非限制性地提出的特定实施方式的描述中详细地阐述这些特征和优点以及其他特征和优点，其中：

图1A、图1B和图1C分别是磁存储元件的剖视图、立体图和俯视图；

图2是磁存储元件的示意性仰视图；

图3A和图3B分别是磁存储元件的实施方式的示意性立体图和示意性俯视图；

图4A至图4C是磁存储元件的其他实施方式的示意性俯视图；以及

图5A至图5C是磁存储元件的其他实施方式的示意性俯视图。

具体实施方式

相同的元件在各个附图中使用相同的附图标记来表示，而且各个附图不一定按比例绘制。为了清楚起见，仅示出和/或画出了对理解描述的实施方式有用的元件。

在下面的描述中，除非另有规定，否则当提到诸如术语“顶部”、“底部”等绝对位置修饰词或诸如术语“上方”、“下方”、“上部”等相对修饰词时，参照图1A、图1B和图1C中的相关元件的取向。除非另外规定，否则表述“基本上”和“大约”对于取向而言是指在10度以内，优选在5度以内。

图3A和图3B分别是磁存储元件30的一种实施方式的立体图和示意性俯视图。

磁存储元件30包括触头31。触头31从底部至顶部包括传导层32、具有与各层的平面垂直的磁化方向的可编程的磁性层34、不同于层32的非磁性层36、磁性层38和电极40。传导层32和非磁性层36的不同之处在于它们的厚度、它们的组成或它们的结构。电极40连接至端子C。层32、34、36、38和40类似于形成前面结合图1A至图1C描述的相应区段10、11、12、13和14的薄层。

触头1整体形成在传导轨道42上，该传导轨道42在其端部设置有具有端子A和B的触点。轨道42是成角度的并且包括具有相应的中间轴线45A和45B的两个臂44A和44B。中间轴线45A和45B之间的角度可以在30度和150度之间，优选在60度和120度之间，例如大约为直角。两个臂44A和44B在轨道42的中央部分46汇合到一起。触头31从上面看是盘状的，并且在中央部分46上定位在相对于中间轴线45A和45B偏心的位置。位于臂44A的中间轴线45A上并沿中间轴线45A看向触头的观察者实质上在其左侧见到触头。如果观察者将自己置于中间轴线45B上并沿中间轴线45B注视触头，则其实质上在其右侧见到触头。

在操作期间，存储元件30连接至适合于使电流跨过端子A和B循环的装置(没有示出)。发明人已经观察到电流从端子A朝向端子B的流动对可编程的层34的磁化方向进行定向。电流从端子B朝向端子A的流动施加相反的取向。因此，在没有能够产生磁场的装置的情况下获得了对存储元件的编程。

应注意的是，轨道42在触头31下方是连续的并且围绕触头延伸。当编程电流跨过端子A和B循环时，电流的路径在触头下方和触头周围的轨道中以及在触头的层32和34中具有特定的构造。事实上，来自臂44A的电流在其左侧与触头遭遇。触头31与来自臂44B的电流在右侧遭遇。触头中、触头下方和触头周围的电流的这种构造允许编程。

将强调的是，触头31完全位于轨道42上，这使得能够容易地从轨道42的表面形成触头。因此，只要用于制造轨道42的材料和方法适合于可编程的磁性层34的生长，就可以省略传导层32。

通过测量跨过端子C与端子A或B的电阻，通过与结合图1A和图1B描述的读取类似的方式来实现存储元件30的读取。上部的层38和40以及层C构成读取组件。作为替代，该组件可以省略并且例如可以通过利用反常霍尔效应的电子读取装置或光学读取装置替换。

图4A至图5C是磁存储元件的其他实施方式的示意性俯视图。为了清楚起见，结合图4A至图5C描述的、与图3A和图3B的存储元件30的元件具有相同作用的元件使用相同的附图标记表示。图4A至图5C所示的磁存储元件中的每一个都包括完全定位在轨道上的触头。每个触头都包括与结合图3A和图3B描述的触头31的多个层的层叠体类似的多个层的层叠体的部分。每个触头都通过具有端子C的接触部来形成顶部。

在图4A中，磁性元件50包括形成在传导轨道52上的触头51。传导轨道包括位于两个臂44A和44B之间的中央角部，并且触头51定位在该角部上。臂之间的角度可以在30度和150度之间，优选在60度和120度之间，例如大约为直角。臂44A和44B具有各自的中间轴线45A和45B，并且在它们的端部设置有具有相应的端子A和B的触点。从上面看，触头51为细长的矩形53的形状，该矩形通过两个尖端55、56从其每个短边伸长。矩形的轴线54与中间轴线45A和45B形成的角度在30度和60度之间，例如基本上等于45度，两个臂44A和44B位于轴线54的一侧。中间轴线45A和轴线54形成定向在顺时针方向上的锐角58A，而中间轴线45B和轴线54形成定向在逆时针方向上的锐角58B。

沿中间轴线45A朝向触头51流动的电流在其左侧与触头的最靠近部分遭遇。沿中间轴线45B朝向触头51流动的电流电路在其右侧与触头的最靠近部分遭遇。因此，电流跨过端子A和B的流动对触头的、最靠近臂44A和44B的部分中的可编程的层34的磁化方向进行定向。发明人已经观察并证实的是，显著地，这种局部施加的定向然后延展为整个触头的层34的磁化方向。因此，磁存储元件50可通过跨过端子A和B流动的电流来编程，而不需要添加磁场。

此外，触头51的、最靠近臂44A和44B的部分具有尖端形式。发明人已经观察并证实的是，设置这样的尖端可以有利地使用减小的电流来对存储元件进行编程。

图4B示出了上述存储元件50的替代方式60。存储元件60包括位于轨道62上的触头61。轨道62具有通过与存储元件50的轨道52的臂44A和44B相同的方式定位的臂44A和44B。臂连接至中央部分46。触头61具有与触头51的形状和设置类似的形状和设置，并且通过两个尖端64和65沿轴线66延伸。轴线66与中间轴线45A和45B形成与存储元件50的角度58A和58B相同的角度68A和68B。

图4C示出了上述的存储元件50的另一种替代方式。存储元件70包括位于轨道72上的触头71。轨道72具有通过与存储元件50的轨道52的臂44A和44B相同的方式定位的臂44A和44B。该两个臂连接至中央部分，该中央部分形成折弯形式的圆形角部。触头71具有与触头51的形状和设置类似的形状和设置，并且通过两个尖端74和75沿轴线76延伸。轴线76与中间轴线45A和45B形成与存储元件50的角度58A和58B相同的角度78A和78B。

图4B和图4C中所示的轨道62和72的角部允许触头61和71比图4A的触头51更细长，并且具有更尖锐的尖端。此外，这些角部中的每一个的形状都可以防止一部分电流穿过角部的、远离触头的部分。因此，图4B和图4C的存储元件61和71可以使用更小的电流编程，同时保持图4A的触头51的简单形式。

在图5A中，磁存储元件80包括定位在轨道82上的触头81。传导轨道包括位于两个臂44A和44B之间的中央角部，并且触头81定位在该角部上。臂之间的角度可以在15度和75度之间，优选在30度和60度之间，例如45度左右。触头81包括中央部分83，该中央部分83在轨道的中央部分上被定位在臂44B上、靠近位于臂44A同一侧的边缘。中央部分83在臂44B的方向上为细长的矩形的形式。中央部分83通过尖端形成部分84和85从其每一个短边伸长。部分84在臂44B一侧沿轴线86延伸，该轴线86与中间轴线45B形成在30度和60度之间的锐角，例如基本上等于45度。部分85沿中央部分83的中间轴线87延伸跨过臂44A，并且其尖端靠近臂44A的、与臂44B相对的边缘。中间轴线45A和轴线87形成在顺时针方向上取向的锐角88A，而中间轴线45B和轴线86形成在逆时针方向上取向的锐角88B。

在图5B中，磁存储元件90包括定位在轨道92上的触头91。传导轨道包括位于两个臂44A和44B之间的中央角部，并且触头91定位在该角部上。臂之间的角度可以在30度和150度之间，优选在60度和120度之间，例如大约为直角。触头91包括中央部分93，该中央部分93在轨道的中央部分上被定位在臂44B上、靠近位于臂44A同一侧的边缘。中央部分93为细长的矩形的形式，该矩形的长边平行于中间轴线45B。中央部分93通过尖端形成部分94和95从其短边伸长。部分94在方向96上从臂44B侧伸出，该方向96与中间轴线45B形成在30度和60之间的角度，例如，基本上等于45度。部分95在方向97上延伸跨过臂44A，该方向97与中间轴线45A形成在30度和60度之间的角度，例如基本上等于45度。中间轴线45A和轴线97形成在顺时针方向上取向的锐角98A，而中间轴线45B和轴线96形成在逆时针方向上取向的锐角98B。

因此，图5A和图5B所示的存储元件80和90具有靠近臂的尖端形状。当位于臂44A的中间轴线上的观察者在该中间轴线的方向上注视触头时，这些部分的取向使得观察者在其左侧见到尖端。对于位于臂44B的中间轴线上并且注视触头的观察者，尖端在右侧。因此，存储元件80和90可以通过与前文结合图3A、图3B和图4A至图4C描述的存储元件相同的方式编程。然而，存储元件80和90的触头的尖端比图4A至图4C的存储元件的触头的尖端更尖锐，这允许有利地额外减小编程电流。

尽管结合图4A至图5B描述的触头的特定示例包括具有尖角的尖端形成部分，但是实际形状可以是圆形的。例如，曲线半径可以在1nm和10nm之间。可替代地，尖端形成部分可以用在相同方向上伸长的圆形部分替换。

图5C示出了图5A的存储元件80的替代方式。存储元件100包括定位在存储元件80的轨道82上的触头101。触头101包括类似于触头80的部分83且同样定位在臂44B上的中央部分103。部分103通过在图5A的方向86和87上伸长的圆形部分延伸。

存储元件100的一个优点在于，触头101的圆形形状有利于其生产，特别是当尺寸较小时。例如，在与图3A至图5C的臂44A和44B的中间轴线45A和45B垂直的方向上的尺寸或宽度在10nm和200nm之间。臂44A和44B的宽度可以不同。

例如，用于对磁性元件编程的电流密度在10⁵A/cm²和10⁸A/cm²之间。

可编程的磁性层可以包括具有特定的垂直磁各向异性的合金，特别是FePt、FePd、CoPt，或稀土/过渡金属合金，特别是GdCo、TdFeCo。可编程的磁性层可以包括在层叠体中具有由界面诱发的垂直磁各向异性的金属或合金，特别是Co、Fe、CoFe、Ni、CoNi。

夹住可编程的磁性层34的层32、36中的一个可以由非磁性金属制成，例如Pt、W、Ir、Ru、Pd、Cu、Au、Bi、Hf或这些金属的合金或采用这些金属中的每一种的多个层的层叠体的形式。

传导层32可由非磁性或反铁磁性材料制成。反铁磁性材料的例子包括Mn基合金，例如IrMn、FeMn、PtMn，或者这些化合物的合金，例如PtFeMn，或氧化物，例如CoOx或NiOx。

盖在可编程的磁性层上的非磁性层36可以由具体厚度能够允许隧道效应的电介质氧化物制成，诸如SiOx、AlOx、MgOx、TaOx、HfOx，或电介质氮化物制成，诸如SiN、BNx。

夹住可编程的磁性层的层32、36的其中之一的厚度可以在0.5nm和200nm之间，更特别是在0.5nm和100nm之间，优选小于3nm。

可编程的磁性层的厚度可以小于3nm。

读取组件的磁性层38可以由磁性材料或磁性材料的复合物制成，或包括磁性材料和非磁性材料的多个层。

已经描述了具体的实施方式。本领域技术人员将会想到各种替代方式和变型。特别地，尽管已经描述了特定的构造，但是，只要对于每个臂来说位于臂上、在臂的中间轴线的方向上注视触头的外部观察者相对于其中一个臂大都在其左侧见到触头的最靠近他们的部分，并且相对于另一个臂大都在其右侧见到触头的最靠近他们的部分，其他构造就也是可能的。

此外，前述的磁性元件的触头的每一层都可以通过本领域已知的方式来由多个层的层叠体构成，以便获得所期望的特性。

此外，尽管在所描述的磁存储元件中臂是直线的，但是臂也可以是弯曲的，同时在它们最靠近触头的部分中具有与直线臂相同的方向并且具有由直线臂的中间轴线限定的中间轴线。

Claims (12)

1.一种磁存储元件，其包括：

触头(31；51；61；71；81；91；101)，其包括磁性层(34)，该磁性层位于传导层(32)和非磁性层(36)之间，所述磁性层具有垂直于所述各层的平面的磁化方向；以及

成角度的传导轨道(42；52；62；72；82；92；102)，其包括通过两个臂(44A，44B)延伸的中央部分，触头完全设置在轨道上，

其中，对于每个臂，沿臂的中间轴线(45A，45B)朝向触头流动的电流相对于其中一个臂(44A)主要在电流的左侧与触头的、最靠近该其中一个臂的部分遭遇，并且相对于另一个臂(44B)主要在电流的右侧与触头的、最靠近该另一个臂的部分遭遇。

2.根据权利要求1所述的磁存储元件，其中，传导层(34)和非磁性层(36)的不同之处在于它们的厚度、组成或它们的结构。

3.根据权利要求1或2所述的磁存储元件，其中，磁性层的厚度小于3nm。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁存储元件(30)，其中，从上方看，触头(31)是盘状的。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的磁存储元件(50；60；70；80；90；100)，其中，对于每个臂(44A，44B)，触头的、最靠近臂的部分包括：在从上方看与臂的中间轴线(45A，45B)形成锐角的方向上的伸长的部分。

6.根据权利要求5所述的磁存储元件，其中，锐角在30度和60度之间。

7.根据权利要求5或6所述的磁存储元件(50；60；70；80；90)，其中，伸长的部分中的至少一个形成尖端。

8.根据权利要求5或6所述的磁存储元件(50；60；70；80；90)，其中，伸长的部分中的至少一个形成圆形尖端。

9.根据权利要求8所述的磁存储元件(50；60；70；80；90)，其中，圆形尖端具有在1nm和10nm之间的曲线半径。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的磁存储元件(50；60；70)，其中，触头(51；61；71)具有沿轴线(54；66；76)伸长的形状，并且轨道(52；62；72)基本上成直角的角度。

11.根据权利要求5至10中任一项所述的磁存储元件(80；90；100)，其中，触头具有中央部分(83；93；103)，该中央部分采用在其中一个臂(44B)的方向上的伸长的矩形的形式并且定位为靠近该其中一个臂的、最靠近另一个臂的边缘。

12.一种对根据权利要求1至11中任一项所述的磁存储元件编程的方法，其包括由将电流从一个臂传递至另一个臂组成的步骤，选择电流的方向以获得所期望的编程。