CN111146333B - 磁隧道结器件、磁阻存储器件及存储单元 - Google Patents

磁隧道结器件、磁阻存储器件及存储单元 Download PDF

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Abstract

提供了既能够减小写入电流又能够提高写入速度的磁隧道结器件、磁阻存储器件及存储单元。该磁隧道结器件包括：自由层，具有可变的第一磁化方向；钉扎层，配置为在预定方向上保持第二磁化方向；以及绝缘层，在自由层和钉扎层之间。自由层包括具有垂直磁各向异性和高极化性的第一自由层、以及反铁磁耦合到第一自由层的第二自由层。

Description

磁隧道结器件、磁阻存储器件及存储单元
技术领域
本发明构思的实施方式涉及磁隧道结器件和磁阻存储器件。
背景技术
具有垂直磁化的磁阻器件可以通过磁阻效应来读取，并且可以具有由精细图案引起的高热扰动阻抗，因而可以用作下一代存储器件。
该下一代存储器件可以包括磁隧道结(MTJ)器件，其具有拥有可变磁化方向的自由层(也称为存储层)、保持预定磁化方向的钉扎层(也称为参考层)以及设置成自由层和钉扎层之间的隧道势垒的绝缘层。
具有高垂直磁各向异性和高自旋极化性的铁磁材料可以用作包括在下一代存储器件中的自旋极化磁层的材料。然而，可能难以获得具有垂直磁各向异性和高自旋极化性的材料。此外，实际上，利用界面磁各向异性的钴-铁-硼(CoFeB)合金可以用作具有垂直磁各向异性和高自旋极化性的材料，并且可选材料的范围非常窄。因此，可能难以使用具有高垂直磁各向异性和高自旋极化性的材料。
同时，已经提出了将垂直磁化保持层耦合到MTJ器件的存储层的方法以解决上述限制。
垂直磁化保持层可以包括钴(Co)基哈斯勒合金。因为钴(Co)基哈斯勒合金具有高自旋极化性和高居里温度，所以拥有该合金的MTJ器件可以具有大的隧道磁阻比。此外，可以改善包括FePt、CoPt、Co/Pt、MnGa或MnGe的垂直磁化保持层所耦合的存储层的磁化的热稳定性。而且，已经提出了ECC结构或TcC结构。在ECC结构或TcC结构中，磁耦合控制层可以提供在两个磁层之间以控制磁层之间的磁耦合，因而可以保持存储层的磁化的热稳定性并且可以减小磁化反转电流。TcC结构可以是垂直磁化保持层的居里温度降低的结构。TcC结构的热稳定性在高使用温度下可能较差。TcC结构可以具有大的热稳定性梯度，因为具有低居里温度(Tc)的高磁各向异性层用作垂直磁化保持层。
此外，对于实际使用，可能需要MTJ器件，其可在-40摄氏度至150摄氏度的宽工作温度范围内使用并具有低功耗、高速反转(切换)和/或高可靠性。例如，可以减小具有垂直磁化的纳米磁性物质的切换电流或写入电流。
在使用磁隧道结器件的磁阻存储器件中，可以减小写入电流并且可以提高写入速度。然而，可能难以减小写入电流并提高写入速度。例如，当写入电流的脉冲宽度(Tp)减小时，写入电流可以增大。
发明内容
本发明构思的实施方式可以提供既能够减小写入电流又能够提高写入速度的磁隧道结器件和磁阻存储器件。
在一些实施方式中，一种磁隧道结器件可以包括：自由层，配置为具有可变的第一磁化方向；钉扎层，配置为在预定方向上保持第二磁化方向；以及绝缘层，在自由层和钉扎层之间。自由层可以包括具有垂直磁各向异性和高极化性的第一自由层、以及反铁磁耦合到第一自由层的第二自由层。
在根据一些实施方式的磁隧道结器件中，可以减小写入电流并且可以提高写入速度。
在一些实施方式中，第一自由层可以提供在绝缘层和第二自由层之间，并且第二自由层的磁各向异性可以小于第一自由层的磁各向异性。
在一些实施方式中，第一自由层可以提供在绝缘层和第二自由层之间，并且第二自由层可以是比第一自由层的第一厚度小的第二厚度。
在根据一些实施方式的磁隧道结器件中，在第一自由层和第二自由层的阻尼系数小的区域中可以减小写入电流。第二自由层可以比第一自由层薄，因而在第一自由层和第二自由层的阻尼系数小的区域中可以减小写入电流。
在一些实施方式中，第一自由层可以提供在绝缘层和第二自由层之间，并且第一自由层可以是比第二自由层的第二厚度小的第一厚度。
在根据一些实施方式的磁隧道结器件中，通过小阻尼系数以及第一自由层的材料和第二自由层的材料的组合，可以减小写入电流并且可以提高写入速度。
在一些实施方式中，控制反铁磁耦合的反铁磁(AFC)控制层可以在第一自由层和第二自由层之间。
在一些实施方式中，AFC控制层可以是具有2nm或更小的厚度的磁层。
在一些实施方式中，AFC控制层可以包括MnGa、Ru、Ir、MgO、Pt、Co、Pd、W和Ta中的至少一种。
在根据一些实施方式的磁隧道结器件中，通过具有小的垂直磁各向异性常数(Ku)的自由层，可以减小写入电流并且可以提高写入速度。
在一些实施方式中，一种磁阻存储器件可以包括磁隧道结器件和用于向磁隧道结器件施加电压的电极，磁隧道结器件包括配置为具有可变的第一磁化方向的自由层、配置为在预定方向上保持第二磁化方向的钉扎层、以及在自由层和钉扎层之间的绝缘层。自由层可以包括具有垂直磁各向异性和高极化性的第一自由层、以及反铁磁耦合到第一自由层的第二自由层。该磁阻存储器件可以包括配置为接收施加到磁隧道结器件的电压的电极。
在一些实施方式中，一种磁阻存储器件的存储单元可以包括磁隧道结器件。该磁隧道结器件包括具有高自旋极化的第一层和具有垂直磁化的第二层。
在根据一些实施方式的磁阻存储器件中，可以减小写入电流并且可以提高写入速度。
附图说明
本发明构思将由附图和随附的详细描述变得更加明显。
图1是示出根据一些实施方式的磁隧道结器件的部件的剖视图。
图2是示出比较例的自由层的模型和根据一些实施方式的自由层的模型的视图。
图3是根据一些实施方式的显示阻尼系数和电流密度之间的关系的曲线图。
图4是根据一些实施方式的显示阻尼系数和电流密度之间的关系的曲线图。
图5是示出根据一些实施方式的磁隧道结器件的部件的剖视图。
图6是根据一些实施方式的显示阻尼系数和电流密度之间的关系的曲线图。
图7是根据一些实施方式的显示阻尼系数和电流密度之间的关系的曲线图。
图8是根据一些实施方式的显示阻尼系数和电流密度之间的关系的曲线图。
图9是根据一些实施方式的显示阻尼系数和电流密度之间的关系的曲线图。
图10是示出根据一些实施方式的磁隧道结器件的部件的剖视图。
图11是示出根据一些实施方式的磁隧道结器件的部件的剖视图。
图12是根据一些实施方式的显示阻尼系数和电流密度之间的关系的曲线图。
图13是示出根据一些实施方式的磁阻存储器件的示例的主要部分的透视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明构思的实施方式。图1是示出根据一些实施方式的磁隧道结器件的部件的剖视图。磁隧道结器件10可以包括衬底11、缓冲层12、钉扎层13、绝缘层14、自由层15和盖层16。
衬底11可以是硅(Si)衬底。在一些实施方式中，衬底11可以是具有热氧化物层的硅(Si)衬底、或者单晶硅(Si)衬底。
缓冲层12可以是形成在衬底11上的稳定层。例如，缓冲层12可以包括钌(Ru)、铬(Cr)、钽(Ta)、金(Au)、钨(W)、铂(Pt)或钛(Ti)。
钉扎层13可以是在预定方向上保持其磁化方向的层。可以选择与自由层15相比其磁化方向不易改变的材料作为钉扎层13。换言之，钉扎层13可以包括从这样的材料中选择的至少一种：其中每种材料与自由层15相比可以具有相对大的有效磁各向异性(Kueff)、相对大的饱和磁化强度(Ms)和/或相对大的磁弛豫常数(即阻尼系数α)。
然而，钉扎层13的材料不限于此。在一些实施方式中，考虑到各种条件，钉扎层13的材料可以选自其它各种材料。例如，钉扎层13可以包括主要由CoFeB组成的第一层13A以及与Co/Pt多层对应的第二层13B。第一层13A可以主要由哈斯勒合金层组成。例如，第一层13A可以主要由钴(Co)基全哈斯勒(full-Heusler)合金组成。例如，Co基全哈斯勒合金可以是Co2FeSi、Co2MnSi、Co2FeMnSi、Co2FeAl或Co2CrAl。第二层13B可以形成为具有大的垂直磁各向异性。如图1所示，主要由哈斯勒合金层组成的第一层13A可以与绝缘层14接触，并且第二层13B可以与缓冲层12接触。因为钉扎层13如上所述地被形成，所以钉扎层13可以在预定方向上保持单个层的磁化方向。钉扎层13也可以被称为参考层。
绝缘层14可以主要由绝缘材料组成。绝缘层14可以是具有(001)织构的层。绝缘层14可以在铁磁性的钉扎层13和自由层15之间。绝缘层14可以由诸如MgO的绝缘材料形成。此外，具有NaCl结构的氧化物可以用作绝缘层14的材料。对于另外的示例，除了上述MgO之外，绝缘层14可以包括CaO、SrO、TiO、VO或NbO。然而，绝缘层14的材料不限于此，而是可以包括具有绝缘特性的其它各种材料中的至少一种。例如，绝缘层14可以包括尖晶石型MgAl2O4。电压可以施加在与钉扎层13和自由层15的结表面基本垂直的方向上，因而电流可以通过隧道效应流过磁隧道结器件10。
自由层15可以具有在与自由层15的表面基本垂直的方向上的易磁化轴。自由层15的磁化方向可以通过磁化旋转是可改变的。自由层15可以包括第一自由层15A和第二自由层15B。自由层15也可以被称为存储层或储存层。
第一自由层15A可以具有垂直磁各向异性和高极化性。
第二自由层15B可以反铁磁耦合到第一自由层15A。
盖层16可以是形成在自由层15上的稳定层。例如，盖层16可以包括钌(Ru)。
一些实施方式的磁隧道结器件可以如上所述地被形成。
接着，将使用比较例来描述一些实施方式的磁隧道结器件的效果。图2示出了比较例的自由层的模型和一些实施方式的自由层的模型。在图2中，比较例的自由层25由单个铁磁层构成。在图2中，一些实施方式的自由层15具有包括第一自由层15A和第二自由层15B的至少两个层。第一自由层15A和第二自由层15B彼此反铁磁耦合。
对比较例的自由层25和一些实施方式的自由层15的计算在以下计算条件下进行。
计算条件
比较例(单层自由层25)
形状：圆盘状
直径：30nm
厚度：2nm
实验示例1(第一自由层15A和第二自由层15B)
形状：圆盘状
直径：30nm
厚度：第一自由层15A：1nm
第二自由层15B：1nm
材料常数(比较例和实验示例1：共性(commonness))
第一自由层15A的饱和磁化强度(Ms)：600emu/cm3
第二自由层15B的饱和磁化强度(Ms2)：300emu/cm3
磁交换刚度耦合常数(magnetic exchange stiffness coupling constant)：A＝1×10-6erg/cm
反铁磁耦合常数：AIL＝－1×10-6erg/cm
阻尼系数：α＝0.001～1.0
垂直磁各向异性常数(Ku)：
比较例(单层自由层25)：3.48Merg/cm3
实验示例1(第一自由层15A)：3.08Merg/cm3
实验示例1(第二自由层15B)：3.08Merg/cm3
此外，热稳定性指数(ΔKuV/kt)被设定为60。这里，“k”是玻尔兹曼常数，“t”是温度。
阻尼系数和电流密度之间的关系在上述条件下计算，并且计算结果显示在图3中。图3是显示阻尼系数(α)和电流密度之间的关系的曲线图。图3显示了在改变流过自由层的电流的脉冲宽度Tp时计算出的结果。
在图3中，横轴代表阻尼系数(α)，纵轴代表电流密度(jsw)。在图3中，“SL”表示单层，即，自由层是单层自由层25的情况(图2的比较例)。“AFC”表示反铁磁耦合，即，自由层具有第一自由层15A和第二自由层15B的情况。“Tp”表示流过自由层的电流的脉冲宽度。
如图3所示，在相同的脉冲宽度Tp下，与比较例的电流密度相比，实验示例1的电流密度降低。
因此，根据实验示例1的磁隧道结器件，自由层15可以具有第一自由层15A和反铁磁耦合到第一自由层15A的第二自由层15B，因而可以减小写入电流。
接着，阻尼系数和电流密度之间的关系的计算结果显示在图4中。图4是显示阻尼系数和电流密度之间的关系的曲线图。图4显示了在改变第一自由层15A和/或第二自由层15B的反铁磁耦合常数的条件时计算出的结果。
在图4中，横轴代表阻尼系数，纵轴代表电流密度。“AFC”表示反铁磁耦合，即，自由层具有第一自由层15A和第二自由层15B(实验示例1)的情况。“AIL”表示第一自由层15A和第二自由层15B的反铁磁耦合常数(耦合交换常数)。此外，图4的计算结果在流过自由层的电流的脉冲宽度Tp被设定成1.0ns时获得。
如图4所示，当反铁磁耦合常数AIL低(负值的绝对值大)时，在阻尼系数小的区域中电流密度低。当反铁磁耦合常数AIL高(负值的绝对值小)时，在阻尼系数大的区域中电流密度低。
因此，当反铁磁耦合常数AIL具有基本上最佳的值时，可以确定阻尼系数和电流密度的最佳值。换言之，可以减小写入电流并且可以提高写入速度。
如上所述，根据一些实施方式的磁隧道结器件10，自由层15可以包括第一自由层15A和反铁磁耦合到第一自由层15A的第二自由层15B，因而可以减小写入电流并且可以提高写入速度。在一些实施方式的磁隧道结器件10中，因为第一自由层15A和第二自由层15B彼此反铁磁耦合，所以可以减少整个自由层15的磁化量并且可以减小写入电流。例如，当反铁磁耦合常数AIL低时，在第一自由层15A和第二自由层15B的阻尼系数小的区域中可以减小写入电流。
在一些实施方式中，第二自由层15B可以比第一自由层15A薄。换言之，靠近绝缘层14的第一自由层15A可以比第二自由层15B厚。
图5是示意性地示出根据一些实施方式的磁隧道结器件的部件的剖视图。
磁隧道结器件10可以包括衬底11、缓冲层12、钉扎层13、绝缘层14、自由层15和盖层16。在图5中，与图1中相似的部件或元件将由相同的附图标记或符号表示，并且其描述将被省略。
自由层15的磁化方向可以是可变的。自由层15可以包括第一自由层15A和第二自由层15B。
在一些实施方式中，第一自由层15A可以提供在绝缘层14和第二自由层15B之间，并且第二自由层15B可以比第一自由层15A薄。第一自由层15A的磁各向异性常数(Ku)可以大于第二自由层15B的磁各向异性常数(Ku)。
阻尼系数和电流密度之间的关系使用基于朗道-利夫席茨-吉尔伯特(Landau-Lifshitz-Gilbert，LLG)方程的微磁学模拟来计算。
计算条件
比较例(图2的单层自由层25)
形状：圆盘状
直径：30nm
厚度：3nm
实验示例2(第一自由层15A和第二自由层15B)
形状：圆盘状
直径：30nm
厚度：第一自由层15A：3nm
第二自由层15B：0.5nm～2.5nm
材料常数(比较例和实验示例2：共性)
第一自由层15A的饱和磁化强度(Ms)：600emu/cm3
第二自由层15B的饱和磁化强度(Ms2)：600emu/cm3
磁交换刚度耦合常数：A＝1×10-6erg/cm
反铁磁耦合常数：AIL＝－1×10-6erg/cm
阻尼系数：α＝0.001～1.0
垂直磁各向异性常数(Ku)：
比较例(单层自由层25)：2.72Merg/cm3
实验示例2第一自由层15A：
3.24Merg/cm3(第二自由层15B的厚度Hs＝0.5nm)
3.70Merg/cm3(Hs＝1.0nm)
4.10Merg/cm3(Hs＝1.5nm)
4.44Merg/cm3(Hs＝2.0nm)
4.76Merg/cm3(Hs＝2.5nm)
第二自由层15B：
0Merg/cm3(Hs＝0.5nm～2.5nm)
阻尼系数和电流密度之间的关系在上述条件下计算，并且计算结果显示在图6中。图6是显示阻尼系数和电流密度之间的关系的曲线图。图6显示了在0.5nm至2.5nm的范围内改变第二自由层15B的厚度Hs时计算出的结果。
在图6中，横轴代表阻尼系数，纵轴代表电流密度。在图6中，“SL”表示单层，即，自由层是单层自由层25(比较例)的情况。“AFC”表示反铁磁耦合，即，自由层具有第一自由层15A和第二自由层15B(实验示例2)的情况。流过自由层的电流的脉冲宽度被设定成1.0ns。
图6显示了第一自由层15A的厚度(H)为3nm的示例。然而，下面将描述第一自由层15A的厚度(H)为2nm或5nm的示例。
图7和图8是显示阻尼系数和电流密度之间的关系的曲线图。图7显示了在第一自由层15A的厚度(H)为2nm的条件下的曲线图。图7显示了在0.5nm至1.5nm的范围内改变第二自由层15B的厚度Hs时计算出的结果。
图8显示了在第一自由层15A的厚度(H)为5nm的条件下的曲线图。图8显示了在1.0nm至4.5nm的范围内改变第二自由层15B的厚度Hs时计算出的结果。
在图7和图8中，除第一自由层15A的厚度(H)和第二自由层15B的厚度Hs以外的其它条件与图6的对应条件相同。热稳定性指数(ΔKuV/kt)被设定成60。
图9中显示了第一自由层15A的饱和磁化强度(Ms)和第二自由层15B的饱和磁化强度(Ms2)为800emu/cm3的示例。在图9中，横轴代表阻尼系数，纵轴代表电流密度。在图9的示例中，除饱和磁化强度以外的其它条件与图7的对应条件相同。热稳定性指数(ΔKuV/kt)被设定成60。
如图6至图9所示，在阻尼系数小的区域中，实验示例2的电流密度低于比较例的电流密度。因此，通过第一自由层15A的垂直磁各向异性常数(Ku)高于第二自由层15B的垂直磁各向异性常数(Ku)、小阻尼系数和/或第一自由层15A的材料和第二自由层15B的材料的组合，可以减小写入电流并且可以提高写入速度。此外，阻尼系数和由材料决定的垂直磁各向异性常数(Ku)之间的关系显示在S.Mizukami等,Appl.Phys.Lett.103,142405(2013)和S.Mizukami等,Scripta Mater.118,70(2016)中。
如上所述，根据一些实施方式的磁隧道结器件10，第二自由层15B的磁各向异性常数可以小于第一自由层15A的磁各向异性常数，因而在第一自由层15A和第二自由层15B的阻尼系数小的区域中可以减小写入电流。根据一些实施方式的磁隧道结器件10，第二自由层15B可以比第一自由层15A薄，因而在第一自由层15A和第二自由层15B的阻尼系数小的区域中可以减小写入电流。
此外，根据一些实施方式的磁隧道结器件10，通过小阻尼系数和/或第一自由层15A的材料和第二自由层15B的材料的组合，可以减小写入电流并且可以提高写入速度。
在一些实施方式中，用于控制反铁磁耦合的AFC控制层可以提供在一些实施方式的第一自由层15A和第二自由层15B之间。
图10是示意性地示出根据一些实施方式的磁隧道结器件的部件的剖视图。磁隧道结器件10可以包括衬底11、缓冲层12、钉扎层13、绝缘层14、自由层15和盖层16。
自由层15的磁化方向可以是可变的。自由层15可以包括第一自由层15A、AFC控制层15C和第二自由层15B。
AFC控制层15C可以控制第一自由层15A和/或第二自由层15B的反铁磁耦合。AFC控制层15C可以在第一自由层15A和第二自由层15B之间。例如，AFC控制层15C可以包括MnGa、Ru、Ir、MgO、Pt、Co、Pd、W和Ta中的至少一种。通过将AFC控制层15C的厚度(即，磁耦合的大小)适当地调节至2nm或更小，可以优化参数(例如，电阻变化率、热稳定性、写入电流和磁化反转速度)。因此，AFC控制层15C可以具有拥有鲁德曼-基特尔-糟谷-芳田(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida，RKKY)相互作用的结构。此外，当AFC控制层15C使用Ru和Ir时，可以减小整个自由层15的磁化强度并且可以提高磁化反转速度。
如上所述，根据一些实施方式的磁隧道结器件10，通过提供用于控制彼此反铁磁耦合的第一自由层15A和第二自由层15B之间的反铁磁耦合的AFC控制层15C并且通过改变AFC控制层15C的材料和厚度，可以优化反铁磁耦合的大小，因而可以减小写入电流并且可以提高写入速度。
在一些实施方式中，第一自由层15A可以比第二自由层15B薄。换言之，靠近绝缘层14的第一自由层15A可以比第二自由层15B薄。
图11是示意性地示出根据一些实施方式的磁隧道结器件的部件的剖视图。磁隧道结器件10可以包括衬底11、缓冲层12、钉扎层13、绝缘层14、自由层15和盖层16。在图11中，与图1中相同的部件或元件将由相同的附图标记或符号表示，并且其描述将被省略。
自由层15的磁化方向可以是可变的。自由层15可以包括第一自由层15A和第二自由层15B。
在一些实施方式中，第一自由层15A可以提供在绝缘层14和第二自由层15B之间，并且第一自由层15A可以比第二自由层15B薄。
阻尼系数和电流密度之间的关系使用基于LLG方程的微磁化模拟来计算。
计算条件
比较例(图2的单层自由层25)
形状：圆盘状
直径：30nm
厚度：2nm
实验示例3(第一自由层15A和第二自由层15B)
形状：圆盘状
直径：30nm
厚度：第一自由层15A：1nm
第二自由层15B：1nm，2nm
材料常数(比较例和实验示例3：共性)
第一自由层15A的饱和磁化强度(Ms)：600emu/cm3
第二自由层15B的饱和磁化强度(Ms2)：300emu/cm3、150emu/cm3磁交换刚度耦合常数：A＝1×10-6erg/cm
反铁磁耦合常数：AIL＝－1×10-6erg/cm
阻尼系数：α＝0.001～1.0
垂直磁各向异性常数(Ku)：
比较例(单层自由层)：3.48Merg/cm3
实验示例3(第一自由层15A和第二自由层15B)：1.96Merg/cm3
阻尼系数和电流密度之间的关系在上述条件下计算，并且计算结果显示在图12中。图12是显示阻尼系数和电流密度之间的关系的曲线图。图12显示了在1nm至2nm的范围内改变第二自由层15B的厚度Hs时计算出的结果。
在图12中，横轴代表阻尼系数，纵轴代表电流密度。在图12中，“SL”表示单层，即，自由层是单层自由层25(图2的比较例)的情况。“AFC”表示反铁磁耦合，即，自由层具有第一自由层15A和第二自由层15B(实验示例3)的情况。流过自由层的电流的脉冲宽度被设定成1.0ns。
如图12所示，在阻尼系数小的区域中，实验示例3的电流密度低于比较例的电流密度。特别地，可以减小第一自由层15A和第二自由层15B的垂直磁各向异性常数(Ku)。
如上所述，根据一些实施方式的磁隧道结器件10，第一自由层15A可以比第二自由层15B薄，因而在第一自由层15A和第二自由层15B的阻尼系数小的区域中可以减小写入电流并且可以提高写入速度。此外，根据一些实施方式的磁隧道结器件10，通过具有小的垂直磁各向异性常数(Ku)的自由层15，可以减小写入电流并且可以提高写入速度。
根据一些实施方式，将描述使用至少一个磁隧道结器件的磁阻存储器件。
图13是示出根据一些实施方式的磁阻存储器件的示例的主要部分的透视图。
在图13中，磁阻存储器件20可以包括存储单元30、位线31、接触插塞35和37以及字线38。
存储单元30可以包括半导体衬底32、扩散区33和34、源极线36、栅极绝缘层39和磁隧道结器件10。磁隧道结器件10可以对应于这里描述的实施方式的磁隧道结器件10。在磁阻存储器件20中，多个存储单元30可以排列成矩阵，并且可以连接到多个位线31和多个字线38。磁阻存储器件20(例如，MRAM)可以通过自旋转矩注入方法执行数据的写入操作。
半导体衬底32可以在其表面处具有扩散区33和34，并且扩散区33可以与扩散区34间隔开预定距离。扩散区33可以用作漏极区，并且扩散区34可以用作源极区。扩散区33可以连接到磁隧道结器件10且其间插置有接触插塞37。
位线31可以重叠半导体衬底32，并且可以连接到磁隧道结器件10。位线31可以连接到写入电路(未示出)和读出电路(未示出)。
扩散区34可以连接到源极线36且其间插置有接触插塞35。源极线36可以连接到写入电路(未示出)和读出电路(未示出)。
字线38可以在半导体衬底32上且其间插置有栅极绝缘层39，并且可以与扩散区33和34相邻。字线38和栅极绝缘层39可以用作选择晶体管。字线38可以通过从电路(未示出)供应的电流作为选择晶体管导通。
电压可以通过位线31和扩散区33施加到磁隧道结器件10。位线31和扩散区33可以用作电极。通过施加的电压平行于一定方向的电子自旋转矩可以改变自由层的磁化方向。此外，通过改变经过自由层的电流方向可以改变写入磁阻存储器件20中的数据的值。
如上所述，根据一些实施方式的磁阻存储器件20，磁隧道结器件10可以包括第一自由层15A和反铁磁耦合到第一自由层15A的第二自由层15B，因而可以减小写入电流并且可以提高写入速度。在一些实施方式的磁阻存储器件20中，因为第一自由层15A和第二自由层15B彼此反铁磁耦合，所以可以减少整个自由层15的磁化量，因而可以减小写入电流。例如，当反铁磁耦合常数低时，在第一自由层15A和第二自由层15B的阻尼系数小的区域中可以减小写入电流。
然而，本发明构思不限于前述实施方式，并且一些实施方式可以被改变或修改而不背离本发明构思的精神和范围。例如，在磁阻存储器件20中，不削弱层的功能的其它层(们)可以提供在衬底11、缓冲层12、钉扎层13、绝缘层14、自由层15和盖层16之间。例如，可以添加用于解决层之间的晶格失配的层、或用于去除晶格缺陷的层。不削弱本发明构思的层的功能的其它层可以提供在第一自由层15A和第二自由层15B之间。不削弱本发明构思的层的功能的其它层(们)可以提供在第一自由层15A、AFC控制层15C和第二自由层15B之间。在某些实施方式中，自由层15可以比钉扎层13更靠近衬底11。
根据本发明构思的实施方式的磁隧道结器件和磁阻存储器件，可以减小写入电流同时可以提高写入速度。
虽然已经参照示例实施方式描述了本发明构思，但是对本领域技术人员将明显的是，可以进行各种改变和修改而不背离本发明构思的精神和范围。因此，应理解，上述实施方式不是限制性的，而是说明性的。因此，本发明构思的范围将由所附权利要求及其等同物的最宽可允许的解释确定，并且不应受前面的描述约束或限制。
本申请要求享有2018年11月2日在日本知识产权局提交的日本专利申请第2018-207544号的优先权，其公开通过引用全文在此合并。

Claims (20)

1.一种磁隧道结器件，包括：
自由层，配置为具有可变的第一磁化方向；
钉扎层，配置为在预定方向上保持第二磁化方向；以及
绝缘层，在所述自由层和所述钉扎层之间，
其中所述自由层包括第一自由层和反铁磁耦合到所述第一自由层的第二自由层，以及
其中所述第一自由层相对于所述第二自由层具有垂直磁各向异性和高极化性。
2.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，
其中所述第一自由层在所述绝缘层和所述第二自由层之间，以及
其中所述第二自由层的磁各向异性小于所述第一自由层的磁各向异性。
3.根据权利要求2所述的磁隧道结器件，还包括：
反铁磁耦合(AFC)控制层，配置为控制所述第一自由层和所述第二自由层之间的反铁磁耦合。
4.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，
其中所述第一自由层在所述绝缘层和所述第二自由层之间，以及
其中所述第二自由层包括比所述第一自由层的第一厚度小的第二厚度。
5.根据权利要求4所述的磁隧道结器件，还包括：
反铁磁耦合(AFC)控制层，配置为控制所述第一自由层和所述第二自由层之间的反铁磁耦合。
6.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，
其中所述第一自由层在所述绝缘层和所述第二自由层之间，以及
其中所述第一自由层包括比所述第二自由层的第二厚度小的第一厚度。
7.根据权利要求6所述的磁隧道结器件，还包括：
反铁磁耦合(AFC)控制层，配置为控制所述第一自由层和所述第二自由层之间的反铁磁耦合。
8.根据权利要求1所述的磁隧道结器件，还包括：
反铁磁耦合(AFC)控制层，配置为控制所述第一自由层和所述第二自由层之间的反铁磁耦合。
9.根据权利要求8所述的磁隧道结器件，其中所述反铁磁耦合控制层包括具有小于或等于2nm的厚度的磁层。
10.根据权利要求8所述的磁隧道结器件，其中所述反铁磁耦合控制层包括MnGa、Ru、Ir、MgO、Pt、Co、Pd、W和Ta中的至少一种。
11.一种磁阻存储器件，包括：
磁隧道结器件，包括：
自由层，配置为具有可变的第一磁化方向；
钉扎层，配置为在预定方向上保持第二磁化方向；和
绝缘层，在所述自由层和所述钉扎层之间；以及
电极，配置为接收施加到所述磁隧道结器件的电压，
其中所述自由层包括第一自由层和反铁磁耦合到所述第一自由层的第二自由层，以及
其中所述第一自由层相对于所述第二自由层具有垂直磁各向异性和高极化性。
12.根据权利要求11所述的磁阻存储器件，
其中所述电极被配置为将所述电压施加到所述磁隧道结器件，改变所述自由层的所述第一磁化方向。
13.根据权利要求11所述的磁阻存储器件，
其中所述电压在与所述钉扎层和所述自由层的结表面基本垂直的方向上施加，使得电流通过隧道效应流过所述磁隧道结器件。
14.根据权利要求11所述的磁阻存储器件，
其中写入所述磁阻存储器件中的数据的值通过改变经过所述自由层的电流方向而改变。
15.根据权利要求11所述的磁阻存储器件，
其中所述电极被配置为在位线与所述磁阻存储器件的扩散区之间施加所述电压。
16.根据权利要求11所述的磁阻存储器件，还包括：
反铁磁耦合(AFC)控制层，在所述第一自由层和所述第二自由层之间，
其中所述反铁磁耦合控制层被配置为控制所述第一自由层和所述第二自由层之间的反铁磁耦合。
17.一种磁阻存储器件的存储单元，所述存储单元包括：
磁隧道结器件，
其中所述磁隧道结器件包括：
自由层，配置为具有可变的第一磁化方向；
钉扎层，配置为在预定方向上保持第二磁化方向；和
绝缘层，在所述自由层和所述钉扎层之间；
所述自由层包括具有高自旋极化的第一自由层和相对于所述第一自由层具有垂直磁化的第二自由层，所述第二自由层反铁磁耦合到所述第一自由层。
18.根据权利要求17所述的存储单元，
其中所述存储单元被配置为接收在位线与所述存储单元的第一扩散区之间施加到所述磁隧道结器件的电压。
19.根据权利要求17所述的存储单元，还包括：
反铁磁耦合(AFC)控制层，配置为控制所述第一自由层和所述第二自由层之间的反铁磁耦合。
20.根据权利要求17所述的存储单元，还包括：
衬底；
在所述衬底上的第一扩散区，其中所述第一扩散区包括漏极区；
包括源极区的第二扩散区；
接触插塞，电连接所述第一扩散区和所述磁隧道结器件；以及
位线，连接到所述磁隧道结器件并配置为选择所述存储单元，
其中所述存储单元被配置为接收在所述位线和所述第一扩散区之间施加到所述磁隧道结器件的电压。
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