一種電場輔助寫入型磁隧道結(jié)單元及其寫入方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種電場輔助寫入型磁隧道結(jié)單元及其寫入方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自旋力矩轉(zhuǎn)移磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(Spin-Torque-Transfer MRAM，STT-MRAM)具有抗輻射、非易失性、快速和無限擦寫循環(huán)特性，是最接近理想通用存儲(chǔ)器的新型存儲(chǔ)技術(shù)。它既可以用于非易失性存儲(chǔ)(Non-Volatile Memory，NVM)也可以用于替代SRAM和DRAM，是最有希望滿足下一代高性能計(jì)算機(jī)需求的新型存儲(chǔ)技術(shù)，得到了科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。STT-MRAM利用了磁隧道結(jié)的隧道磁電阻效應(yīng)(Tunnel Magnetoresistence，TMR)來存儲(chǔ)信息，利用自旋力矩傳輸效應(yīng)(Spin Torque Tansfer，STT)對MTJ單元進(jìn)行擦寫。因而，STT-MRAM的存儲(chǔ)性能主要取決于MTJ的特性。
[0003]磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junct1n，MTJ)是由鐵磁金屬層/隧穿層/鐵磁金屬層(FM/I/FM)形成的三明治結(jié)構(gòu)。其中一層磁性薄膜為參考層(也稱為釘扎層)，其磁化方向固定；另外一層為自由層(也稱為存儲(chǔ)層)，其磁化方向可通過外加磁場或極化電流編程改變。當(dāng)兩磁性層磁化方向平行時(shí)，兩個(gè)鐵磁層材料能帶中多數(shù)電子的自旋取向相同，費(fèi)米面附近可填充態(tài)之間具有最大匹配程度，隧穿電流最大，隧穿電阻最??；反之，當(dāng)磁化方向反平行時(shí)，電子的隧穿行為發(fā)生在一個(gè)鐵磁層的多數(shù)電子態(tài)和另一個(gè)鐵磁層的少數(shù)電子態(tài)之間，這種態(tài)密度之間的不匹配造成了最小的隧穿電流和最大的隧穿電阻。MTJ中這種自旋相關(guān)隧穿現(xiàn)象也稱之為隧穿磁電阻(Tunnel Magneto Resistance，TMR)效應(yīng)。MTJ中自旋極化電流的電子自旋與自由層磁矩發(fā)生散射，由此帶來由電子自旋到磁性薄膜磁矩的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移，從而使自由層產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，可其磁化方向翻轉(zhuǎn)，這種效應(yīng)被稱為自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移效應(yīng)，簡稱STT效應(yīng)。
[0004]在目前已知的磁電阻效應(yīng)中，磁隧道結(jié)尤其是單晶MgO勢皇的磁隧道結(jié)具有最大的磁電阻變化率，室溫磁電阻變化率已超過600%。由于其巨大的室溫TMR效應(yīng)，磁隧道結(jié)在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)、磁邏輯、高密度硬盤讀頭、磁性傳感器、納米微波振蕩器、納米微波檢測器、自旋隨機(jī)數(shù)字發(fā)生器及自旋憶阻器等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。
[0005]在摩爾定律等比縮小的驅(qū)動(dòng)下，集成電路特征尺寸越來越小，出于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性和邏輯操作穩(wěn)定性的考慮，必須使用高磁晶各向異性材料以保持一定的熱穩(wěn)定因子(A= KuV/KBT)以抵抗熱擾動(dòng)。然而使用高磁各向異性材料勢必會(huì)增大臨界寫入電流，在技術(shù)上增加寫入難度，并且將大大增加器件的能耗，同時(shí)在自旋力矩轉(zhuǎn)移過程中大電流通過MTJ的隧穿勢皇層，會(huì)引起勢皇層老化，減短寫壽命。
[0006]通過電場控制磁性是一種能輔助磁化翻轉(zhuǎn)的超低功耗技術(shù)。其利用了磁隧道結(jié)器件內(nèi)部電場對界面磁各向異性的調(diào)控作用，可輔助STT效應(yīng)誘導(dǎo)MTJ自由層完成磁化翻轉(zhuǎn)，是一種新型輔助寫入方法。由于MTJ寫入電流的大小正比于自由層的磁各向異性常數(shù)，因而使用電場控制磁各向異性輔助STT效應(yīng)能有效降低STT-MRAM寫入功耗。在STT-MRAM中，目前的研究大多集中在電場對氧化物隧穿層(I)/自由層(FL)的界面磁各向異性的調(diào)控作用。然而，氧化物隧穿層/自由層的界面決定了器件的自旋選擇特性，同時(shí)也決定了MTJ的隧道磁阻變化率(TMR)的大小。而MTJ作為存儲(chǔ)器件，其TMR大小必須得到保證。因此，無法通過大幅裁剪I/FL界面特性有效地調(diào)控電場效應(yīng)大小，電場輔助寫入會(huì)受到極大的約束。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種電場輔助寫入型磁隧道結(jié)單元結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)寫入方法;其目的在于解決TMR與電場效應(yīng)之間的矛盾，通過增加非磁金屬層(None-magnetic Metal，匪)及增加介電層1*(絕緣材料)，使得自由層的磁各向異性除了能夠被I/FL界面電場調(diào)控外，還能被匪/I*界面電場有效地調(diào)控。由此解決了保持TMR與增強(qiáng)電場調(diào)制磁各向異性作用之間的矛盾，可進(jìn)一步降低STT-MRAM的寫入功耗。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，包括第一電極層，以及依次形成在第一電極層上的第一磁性層、第一絕緣隧穿層、第二磁性層、第一金屬層、第二絕緣層和第二電極層。其中第一磁性層為參照層RL，第一絕緣層為隧穿層I，第二磁性層為自由層FL，第一金屬層為非磁金屬層匪，第二絕緣層為介電層I*。當(dāng)磁隧道結(jié)兩端施加電壓時(shí)，電場通過兩個(gè)絕緣層引入到隧穿層與自由層之間的(I/FL)界面和自由層與非磁金屬層之間(FL/NM)的界面。從而電場不僅可以調(diào)控隧穿層與自由層之間(I/FL)的界面磁各向異性，還可有效控制隧穿層與自由層之間(FL/匪)的界面磁各向異性。于是，上述器件結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)電場對自由層磁各向異性的調(diào)控，進(jìn)一步降低MTJ的寫入電流。
[0009]優(yōu)選地，所述金屬層厚度在0.2nm?5nm，材料為Pt、Au、Ta、Ru、W或Ti。使用不同的金屬層材料，能有效改變電場的對自由層磁各向異性調(diào)控作用，滿足各種應(yīng)用對MTJ器件的性能要求。使用Pt能使電場對磁各向異性的調(diào)控作用非常強(qiáng)，而使用Ta能獲得負(fù)的電場調(diào)控效應(yīng)。(如圖7所示)
[00?0]優(yōu)選地，所述第二絕緣層厚度在0.5nm?5nm，材料為氧化招、氧化鉭、氧化錯(cuò)或者鐵氧體。第二絕緣層的介電常數(shù)決定了FL/匪界面的強(qiáng)度。改變它的材料類型，能實(shí)現(xiàn)改變電場的對自由層磁各向異性調(diào)控作用的目的。
[0011]優(yōu)選地，所述的磁隧道結(jié)單元還包括形成于所述第一電極層和所述第一磁性層之間的種子層和/或形成于所述第二電極層和所述第二絕緣層之間的覆蓋層。增加覆蓋層和種子層能改善薄膜的平整度，提高器件的品質(zhì);也能削弱電極對功能層(磁性層、絕緣層等)的不利影響，例如電極原子的擴(kuò)散。
[0012]優(yōu)選地，所述的磁隧道結(jié)單元還包括形成于所述第一電極層和所述第一磁性層之間的第三磁性層。第三磁性層具有高磁各向異性，與參照層發(fā)生鐵磁耦合作用，可用于增強(qiáng)參照層的磁各向異性，以提高磁化狀態(tài)的穩(wěn)定性。
[0013]優(yōu)選地，所述的磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)還包括形成于所述第二電極層和所述第二絕緣層之間的第四磁性層。增加第四磁性層就構(gòu)造了雙隧穿層磁隧道結(jié)器件，相比單隧穿層其隧道磁阻變化率更大，可提升器件的信噪比。
[0014]優(yōu)選地，所述的磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)還包括形成于所述第一電極層和所述第一磁性層之間的反鐵磁層。反鐵磁層通過反鐵磁耦合作用，可有效釘扎參照層的磁化狀態(tài)，以提高其磁化狀態(tài)的穩(wěn)定性。
[0015]優(yōu)選地，所述的磁隧道結(jié)單元還包括形成于所述第一磁性層和所述絕緣隧穿層之間的鐵磁耦合層，所述鐵磁耦合層由第五磁性層和金屬層疊加而成，所述第五磁性層較所述金屬層靠近所述絕緣隧穿層，所述第一磁性層與所述第五磁性層通過所述金屬層形成反鐵磁耦合結(jié)構(gòu)。通過增加鐵磁耦合層，可形成人工反鐵磁耦合，以提高參照層磁化狀態(tài)的穩(wěn)定性。
[0016]按照本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了一種磁隧道結(jié)的寫入方法，包括下述步驟先在器件兩端施加第一電壓脈沖，隨后施加第二電壓脈沖;所述第一電壓脈沖，方向不隨寫入信息改變，電壓幅值0.4?IV、脈沖寬度為0.2?5ns;通過第一脈沖可以改變自由層的磁各向異性強(qiáng)度，誘導(dǎo)自由層磁矩發(fā)生強(qiáng)烈的進(jìn)動(dòng)。所述第二電壓脈沖，方向隨寫入信息改變，電壓幅值0.3?IV、脈沖寬度I?40ns。其中，第二電壓脈沖比第一電壓脈沖的幅值小，脈沖寬度寬。第二脈沖通過STT效應(yīng)誘導(dǎo)磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，完成信息寫入。這種結(jié)合第一脈沖和第二脈沖的寫入方法，可充分利用磁隧道結(jié)中電場對自由層磁各向異性的調(diào)控作用，降低寫入功耗。
[0017]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0018](I)采用電場輔助寫入，在技術(shù)上降低寫入難度，并且極大降低器件的能耗。
[0019](2)采用電場輔助寫入，有效減小寫入電流，避免在自旋力矩轉(zhuǎn)移過程中大電流通過MTJ的隧穿勢皇層引起的勢皇層老化，延長器件壽命。
[0020](3)采用雙勢皇結(jié)構(gòu)和增加金屬層，解決了 TMR與電場效應(yīng)之間的矛盾，使得電場調(diào)制效應(yīng)大為增強(qiáng)。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4是本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5是本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖6是本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖7是本發(fā)明實(shí)施例的電場與自由層磁各向異性變化的關(guān)系。圖中橫坐標(biāo)為電場強(qiáng)度，縱坐標(biāo)為磁各向異性常數(shù)。
[0028]圖8是本發(fā)明實(shí)施例的磁隧道結(jié)的寫入示意圖。(a)從高阻(反平行態(tài))到低阻(平行態(tài))；(b)從低阻(平行態(tài))到高阻(反平行態(tài))。
[0029]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:01_襯底、02-第一電極層、03-第一磁性層、04-第一絕緣隧穿層、05-第二磁性層、06-第一金屬層、07-第二絕緣層、08-第二電極層、021-種子層、081-覆蓋層、031-第三磁性層