切換向平面外的磁性隧道結單元的方法
2023-05-29 20:55:41 1
專利名稱：切換向平面外的磁性隧道結單元的方法
技術領域：
本發明涉及切換向平面外的磁性隧道結單元的方法。
背景技術：
新型存儲器已展現出與常用形式的存儲器相媲美的顯著可能性。例如，非易失性自旋轉移(spin-transfer)扭矩隨機存取存儲器(此處稱為ST-RAM)作為「通用」存儲器已被討論過。磁性隧道結(MTJ)單元由於其高速、相對高的密度和低功耗而在ST-RAM的應用中引起了很多關注。大多數活動已集中在具有向平面內的(in-plane)磁各向異性的MTJ單元。預測具有向平面外的(out-plane)磁化方向的MTJ單元能夠實現比具有相同磁各向異性場的向平面內的MTJ單元小的切換電流。因此，向平面外的磁化方向MTJ單元以及使用它們的方法引起了極大的關注。
發明內容
本公開涉及經常被稱為磁性隧道結單元的磁性自旋扭矩存儲單元以及使用它們的方法，這些磁性自旋扭矩存儲器單元具有與晶片平面垂直對準的、或「向平面外的」關聯鐵磁層的磁各向異性(即，磁化方向)。本公開的一個特定實施例是切換向平面外的磁性隧道結單元的鐵磁自由層的磁化方向的方法，該方法包括使交流切換電流流經向平面外的磁性隧道結單元，其中交流切換電流切換鐵磁自由層的磁化方向。本公開的另一特定實施例是磁性存儲系統，該磁性存儲系統包括具有鐵磁自由層、阻擋層和鐵磁基準層的磁性隧道結單元，其中阻擋層定位在鐵磁基準層和鐵磁自由層之間，並且鐵磁自由層和鐵磁基準層的磁化方向是向平面外；以及電連接到磁性隧道結單元的交流電流源。本公開的又一特定實施例是電存儲數據的方法，該方法包括設置向平面外的磁性隧道結存儲器單元，向平面外的磁性隧道結存儲器單元包括鐵磁自由層、阻擋層和鐵磁基準層，其中阻擋層定位在鐵磁基準層和鐵磁自由層之間，並且鐵磁自由層和鐵磁基準層的磁化方向是向平面外的；並且使交流切換電流流經向平面外的磁性隧道結單元，其中交流切換電流切換鐵磁自由層的磁化方向，由此存儲數據位。通過閱讀以下詳細描述，這些以及各個其他特徵和優點將是顯而易見的。
考慮以下結合附圖對本公開的各個實施例的詳細描述，可更完整地理解本公開， 在附圖中圖IA是說明性MTJ單元的示意圖；圖IB是包括可任選釘扎層的說明性MTJ單元的示意圖；圖IC是在低電阻狀態下具有向平面外的磁化方向的說明性MTJ單元的示意圖；圖ID是高電阻狀態下的說明性磁性隧道結存儲單元的示意側視圖；圖2A是示出直流(DC)切換電流對磁化方向的旋磁馳豫的影響的示意圖；而圖2B 是示出交流(AC)切換電流對磁化方向的旋磁馳豫的影響的示意圖；圖3是包括MTJ單元和電晶體的說明性存儲單元的示意圖；圖4是說明性存儲器陣列的示意圖；以及圖5是說明性存儲系統的示意圖。這些附圖不一定按比例示出。附圖中所使用的相同數字表示相同部件。然而，應當理解，在給定附圖中使用數字表示部件並不旨在限制在另一附圖中用相同數字標記的部件。
具體實施例方式本公開涉及具有磁各向異性的磁性隧道結(MTJ)單元的各個實施例，磁各向異性導致關聯鐵磁層的磁化方向是與晶片平面垂直對準的、或「向平面外的」。在以下描述中，參考形成本說明書一部分的一組附圖，其中通過圖示示出了若干具體實施例。應當理解，構想並可作出其他實施例而不背離本公開的範圍或精神。因此，以下詳細描述不採取限制性含義。本文中所提供的任何定義用於方便理解本文中頻繁使用的某些術語，而不旨在限制本公開的範圍。除非另外指出，否則在說明書和權利要求書中使用的表示特徵大小、量和物理性質的所有數字應當理解為在任何情況下均由術語「約」修飾。因此，除非相反地指出，否則在上述說明書和所附權利要求中闡明的數值參數是近似值，這些近似值可利用本文中公開的教示根據本領域技術人員所尋求獲得的期望性質而變化。如本說明書和所附權利要求書中所使用的，單數形式「一」、「一個」和「該」涵蓋具有複數引用物的實施例，除非該內容另外明確地指出。如本說明書和所附權利要求書中所使用的，術語「或」一般以包括「和/或」的含義來使用，除非該內容另外明確地指出。儘管本公開不限於此，但通過討論以下所提供的示例將獲得對本公開的各個方面的理解。圖IA示出具有向平面外的磁化方向的說明性MTJ單元100。MTJ單元100包括相對柔軟的鐵磁自由層110、鐵磁基準(例如，固定)層140和氧化物阻擋層130。鐵磁自由層110和鐵磁基準層140被氧化阻擋層130或非磁性隧道阻擋層分隔開。MTJ單元100還可被描述為具有定位在鐵磁基準層和鐵磁自由層之間的氧化物阻擋層。自由層110和基準層140各自具有相關聯的磁化方向。層110和140的磁化方向不平行於層延伸和其上形成有MTJ單元100的晶片襯底的平面取向。在一些實施例中，層 110和140的磁化方向可被稱為「向平面外的」。在一些實施例中，層110和140的磁化方向可被稱為「至少基本垂直的」。在一些實施例中，層Iio和140的磁化方向可被稱為「垂直的」。自由層110的磁化方向比基準層140的磁化方向容易切換。諸如籽晶層、覆蓋層、 或其他層之類的其他可任選層可包括在MTJ單元100中，即使它們未在這些附圖中示出。自由層110和基準層140可獨立地由諸如例如i^、Co、或Ni及其合金(諸如Nii^e 和CoFe)等任何有用鐵磁(FM)材料製成。自由層110和基準層140中的一個或兩個都可以是單層或多層。組成自由層和固定層的材料的具體示例可包括具有諸如TbCoi^e、GdCoFe和!^ePt之類的垂直各向異性的單層；諸如Co/Pt Co/Ni多層之類的疊層；以及用諸如Co/ 狗和CoFeB合金之類的高自旋極化鐵磁材料層疊的垂直各向異性材料。在一些實施例中， 自由層110可包括諸如Co之類的高自旋極化層和諸如GdFeCo之類的稀土過渡性金屬合金層。在一些實施例中，基準層140可包括諸如Co之類的高自旋極化層和諸如Tbi^eCo之類的稀土過渡性金屬合金層。阻擋層130可由諸如例如氧化物材料(例如，Al2O3JiOx或MgOx)等電絕緣材料或半導體材料製成。阻擋層130可以是單層、或者可以是與另一氧化物或金屬(例如，Mg/MgO 雙層)層疊的層。可取決於工藝可行性和設備可靠性，用自由層110或基準層140可任選地圖案化阻擋層130。圖IB示出MTJ單元的另一示例性實施例。該MTJ單元101包括設置成逼近或毗鄰基準層140的可任選釘扎層150。釘扎層150 (如果存在的話)則釘扎基準層140的磁化方向。在一些實施例中，這種釘扎層150可具有零磁化，但仍然可釘扎基準層140的磁化方向。釘扎層(如果存在的話)可以是諸如PtMn、IrMn及其他的反鐵磁性有序材料(AFM)。圖IC示出低電阻狀態下的磁性隧道結存儲單元105，其中自由層110的磁化方向與基準層140的磁化方向處於相同方向。在圖ID中，磁性隧道結單元106處於高電阻狀態下，其中自由層110的磁化方向處於自由層140的磁化方向的相反方向。在一些實施例中， 低電阻狀態可以是「0」數據狀態、高電阻狀態可以是「1」數據狀態，然而在其他實施例中， 低電阻狀態可以是「 1」、高電阻狀態可以是「 0 」。當流經磁性隧道結單元的磁性層的切換電流變成自旋極化的並且將自旋扭矩施加到自由層110上時，經由自旋轉移而發生切換電阻狀態並且因此切換磁性隧道結單元的數據狀態。當將足夠的自旋扭矩施加到自由層110時，自由層110的磁化方向可在兩個相反方向之間切換，並且因此，磁性隧道結單元可在低電阻狀態和高電阻狀態之間切換。此處公開了切換向平面外的磁性隧道結單元的鐵磁自由層的磁化方向，該切換包括使交流切換電流流經MTJ單元的步驟。此處也可被稱為「AC」的交流電流是電荷(或電子)的移動周期性地反向的電流。流經MTJ單元的交流切換電流的施加(經由如上所討論的自旋扭矩)使自由層的磁化方向得以切換。在所公開的實施例中，旋磁馳豫也有助於切換自由層的磁化方向。這可提供較低切換電流的使用以用來將數據寫入MTJ單元，由此允許較少的功耗。磁場的旋磁馳豫可由等式1描述&=(眾>< (眾 χ 片)(等式 2)其中M和及如上給出，並且α約為0.01。由於幅度為α，因此在任何給定系統中旋磁馳豫比阻尼馳豫高至少約100倍。因此，如果旋磁馳豫可用於幫助切換鐵磁自由層的磁化方向，則可降低總切換電流。在圖2Α中示意性地示出直流電流對旋磁馳豫的影響。如圖2Α中可見，直流切換電流在所有方向上將自由層的磁化方向同等地拉(由實線箭頭所示)離中心，由此有效地消除旋磁馳豫的影響。相反地，在圖2B中示出交流切換電流的影響。如圖2B中可見，此情況下的旋磁馳豫本身並未消除並且因此幫助切換自由層的磁化方向。在使用交流切換電流的實施例中，交流切換電流可感生繞開(circumnavigate)磁性隧道結單元的磁場，如圖2B 中可見。所感生的磁場可在鐵磁自由層的磁化方向上誘發旋磁馳豫。這種旋磁馳豫可有助於切換鐵磁自由層。由於旋磁馳豫對切換的貢獻，可使用較低的切換電流，這可提供可在較低隔離要求的情況下運行的存儲器。在一些實施例中，交流切換電流的頻率可與鐵磁自由層的旋磁頻率相匹配。自由層的旋磁頻率是自由層的磁性質和自由層的幾何結構的函數。旋磁頻率一般處於GHz頻率範圍內。交流切換電流可經由阻擋層從自由層流到基準層；或經由阻擋層從基準層流到自由層。所公開的方法還可任選地包括讀取或感測MTJ單元的電阻狀態或數據。可通過使讀取電流流經MTJ單元來確定MTJ單元的電阻狀態。在一些實施例中，讀取電流可以是直流讀取電流。所測量或感測的電阻(或電壓)可與基準電阻(或電壓)進行比較。在一些實施例中，讀取電流的振幅可小於切換電流的振幅。在一些實施例中，振幅比交流切換電流小的直流讀取電流可用於讀取或感測MTJ單元的電阻。此處還公開了電存儲數據的方法，該方法包括設置所公開的MTJ單元。設置可包括製造、購買、配置用於電存儲數據的系統內的MTJ單元、或其他動作。該方法還可包括如上所述的使交流切換電流流經MTJ單元來切換鐵磁自由層的磁化方向。切換鐵磁自由層的磁化方向可用來存儲數據位，0 (例如，如果自由層與基準層平行)或1 (例如，如果自由層與基準層相反)。交流切換電流流經MTJ的方向將指示0或1被存儲在MTJ中。這種方法還可包括使讀取電流流經MTJ單元來測量或感測MTJ單元的電阻。在讀取電流可流經MTJ單元之前、之後或兩者，第二(和後續)交流切換電流(在相同或不同的方向上)還可流經MTJ單元。圖3是說明性存儲單元300的示意圖，存儲單元300包括經由導電元件340電連接到電晶體320(諸如基於半導體的電晶體)的MTJ單元310。MTJ單元310可以是本文中所描述的任何MTJ單元。電晶體320可包括具有摻雜區(例如，示為η摻雜區)以及摻雜區之間的溝道區(例如，示為P摻雜溝道區)的半導體襯底350。電晶體320可包括柵極 360，柵極360電耦合到字線(WL)以允許選擇並且允許電流從位線(BL)流到MTJ單元310。還可利用半導體製造技術在半導體襯底上形成可編程金屬化存儲部件的陣列。圖 4是說明性存儲器陣列400的示意性電路圖。此處描述的多個存儲部件450可被排列在陣列中以形成存儲器陣列400。存儲器陣列400可包括多條平行的導電位線410。存儲器陣列400還可包括多條平行的導電字線420，導電字線420 —般與位線410正交。字線420和位線410可形成交叉點陣列，其中存儲部件450可被設置在每個交叉點處。可使用常規的半導體製造技術來形成存儲部件450和存儲器陣列400。此處還公開了存儲系統。所公開的存儲系統可包括MTJ單元和交流電流源。在圖 5中示意性地示出示例性系統。如上所討論的，磁性存儲系統500可包括MTJ單元505，MTJ 單元505包括自由層510、阻擋層530和基準層MO。系統500還可包括電連接到MTJ單元 505的交流電流源501。雖然此處未示出，但是電晶體還可任選地電耦合到MTJ單元505。這些系統還可任選地包括例如構成陣列的多個MTJ單元。在這種實施例中，多個MTJ單元中的每一個可電連接到交流電流源。這些系統還可任選地包括直流電流源502，直流電流源 502電連接到MTJ單元505(或多個MTJ單元中的每一個)。直流電流源可用於讀取或感測 MTJ單元(或多個MTJ單元)的電阻。如本文中所公開的MTJ單元可使用各種技術來製造，包括例如等離子體氣相沉積 (PVD)、蒸鍍和分子束外延(MBE)。如本文中所公開的切換MTJ單元的方法、存儲數據的方法以及存儲系統可用於 MRAM應用中。由此，公開了「切換向平面外的磁性隧道結單元的方法」的各個實施例。上述實現及其他實現在以下權利要求書的範圍內。本領域技術人員應當理解，本公開可用除所公開的實施例以外的實施例來實施。所公開的實施例出於說明而非限制的目的而呈現，並且本公開僅由所附權利要求書來限定。
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權利要求
1.一種切換向平面外的磁性隧道結單元的鐵磁自由層的磁化方向的方法，所述方法包括使交流切換電流流經向平面外的磁性隧道結單元，其中所述交流切換電流切換所述鐵磁自由層的磁化方向。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述交流切換電流的頻率與所述鐵磁自由層的旋磁頻率相匹配。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述交流切換電流感生繞開所述磁性隧道結單元的磁場。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述磁場在所述鐵磁自由層的磁化方向上誘發旋磁馳豫。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述磁性隧道結單元包括鐵磁自由層、阻擋層和鐵磁基準層，其中所述阻擋層定位在所述鐵磁自由層和鐵磁基準層之間，並且其中所述交流切換電流從所述鐵磁基準層流到所述鐵磁自由層。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述磁性隧道結單元包括鐵磁自由層、阻擋層和鐵磁基準層，其中所述阻擋層定位在所述鐵磁自由層和鐵磁基準層之間，並且其中所述交流切換電流從所述鐵磁自由層流到所述鐵磁基準層。
7.如權利要求1所述的方法，還包括使直流讀取電流流經所述磁性隧道結單元，以及感測所述磁性隧道結單元的電阻。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述直流讀取電流的振幅比所述交流切換電流的振幅小。
9.一種磁性存儲系統，包括具有鐵磁自由層、阻擋層和鐵磁基準層的磁性隧道結單元，其中所述阻擋層定位在所述鐵磁基準層和鐵磁自由層之間，並且所述鐵磁自由層和鐵磁基準層的磁化方向是向平面外的；以及電連接到所述磁性隧道結單元的交流電源。
10.如權利要求9所述的磁性存儲系統，其特徵在於，所述鐵磁自由層和鐵磁基準層的磁化方向是至少基本垂直的。
11.如權利要求9所述的磁性存儲系統，其特徵在於，所述鐵磁自由層和鐵磁基準層的磁化方向是垂直的。
12.如權利要求9所述的磁性存儲系統，其特徵在於，還包括構成陣列的多個磁性隧道結單元。
13.如權利要求9所述的磁性存儲系統，其特徵在於，還包括電連接到所述磁性隧道結單元的直流電源。
14.如權利要求9所述的磁性存儲系統，還包括構成陣列的多個磁性隧道結單元，其中所述多個磁性隧道結單元中的每一個電連接到所述交流電源；以及直流電源，其中所述多個磁性隧道結單元中的每一個電連接到所述直流電源。
15.一種電存儲數據的方法，包括設置向平面外的磁性隧道結存儲器單元，所述向平面外的磁性隧道結存儲器單元包括鐵磁自由層、阻擋層和鐵磁基準層，其中所述阻擋層定位在所述鐵磁基準層和鐵磁自由層之間，並且所述鐵磁自由層和鐵磁基準層的磁化方向是向平面外的；以及使交流切換電流流經所述向平面外的磁性隧道結單元，其中所述交流切換電流切換所述鐵磁自由層的磁化方向，由此存儲數據位。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述交流切換電流的頻率與所述鐵磁自由層的旋磁頻率相匹配。
17.如權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述交流切換電流感生繞開所述磁性隧道結單元的磁場。
18.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述交流切換電流從所述鐵磁基準層流到所述鐵磁自由層或從所述鐵磁自由層流到所述鐵磁基準層。
19.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，還包括使直流讀取電流流經所述磁性隧道結單元，以及感測所述磁性隧道結單元的電阻。
20.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，還包括使直流讀取電流流經所述磁性隧道結單元，並且感測所述磁性隧道結單元的電阻；以及使第二交流切換電流流經所述磁性隧道結單元以對所述鐵磁自由層的磁化方向進行第二次切換。
全文摘要
本發明提供了一種切換向平面外的磁性隧道結單元的鐵磁自由層的磁化方向的方法，該方法包括使交流切換電流流經向平面外的磁性隧道結單元，其中交流切換電流切換鐵磁自由層的磁化方向。
文檔編號H01L43/08GK102467954SQ201110383019
公開日2012年5月23日 申請日期2011年11月15日 優先權日2010年11月16日
發明者I·金, Y·陸, 習海文, 王小斌 申請人:希捷科技有限公司