專利名稱：利用場(chǎng)感應(yīng)反鐵磁性或鐵磁性耦合的自旋轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移單元結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體來說涉及磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，且更特定來說涉及自旋轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)。
背景技術(shù)：
此章節(jié)既定向讀者介紹可與本發(fā)明的各種方面相關(guān)的技術(shù)的各種方面，下文描述及/或主張本發(fā)明的各種方面。相信此論述有助于向讀者提供背景信息以促進(jìn)對(duì)本發(fā)明的各種方面的更好理解。因此，應(yīng)理解，將就此而論來閱讀這些敘述，且這些敘述不作為對(duì)先前技術(shù)的承認(rèn)。磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)為基于磁電阻的非易失性計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器技術(shù)。MRAM 在若干方面不同于易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)。因?yàn)镸RAM是非易失性的，所以MRAM可在存儲(chǔ)器裝置未被供電時(shí)維持存儲(chǔ)器內(nèi)容。盡管非易失性RAM通常慢于易失性RAM，但MRAM 具有與易失性RAM的讀取及寫入響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)?shù)淖x取及寫入響應(yīng)時(shí)間。不同于將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為電荷的典型RAM技術(shù)，通過磁電阻元件來存儲(chǔ)MRAM數(shù)據(jù)。通常，磁電阻元件由兩個(gè)磁性層制成，所述磁性層中的每一者保持一磁化。一個(gè)層(“釘扎層”)的磁化是固定于其磁性定向上，且另一層(“自由層”)的磁化可通過由編程電流所產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)而改變。因此， 編程電流的磁場(chǎng)可導(dǎo)致兩個(gè)磁性層的磁性定向平行，從而給出跨越所述層的較低電阻(“0” 狀態(tài))，或可導(dǎo)致兩個(gè)磁性層的磁性定向反平行，從而給出跨越所述層的較高電阻(“1”狀態(tài))。自由層的磁性定向的切換及跨越磁性層的所得高或低電阻狀態(tài)提供典型MRAM單元的寫入及讀取操作。盡管MRAM技術(shù)提供非易失性及較快速的響應(yīng)時(shí)間，但MRAM單元在可縮放能力方面受到限制且容易受到寫入干擾。用以在跨越MRAM磁性層的高電阻狀態(tài)與低電阻狀態(tài)之間進(jìn)行切換的編程電流通常較高。因此，當(dāng)以MRAM陣列來布置多個(gè)單元時(shí)，經(jīng)引導(dǎo)到一個(gè)存儲(chǔ)器單元的編程電流可誘導(dǎo)鄰近單元的自由層中的電場(chǎng)改變?？墒褂米孕D(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移技術(shù)來解決此寫入干擾潛在性(也被稱為“半選問題”(half-select problem))。常規(guī)自旋轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移MRAM (STT-MRAM)單元包括磁性隧道結(jié)(MTJ)，其為包括兩個(gè)磁性層(一個(gè)為釘扎磁性層且一個(gè)為自由磁性層)及在中間的絕緣層的磁電阻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件；位線；字線；源極線；及存取晶體管。編程電流通常流動(dòng)通過存取晶體管及MTJ。釘扎層使編程電流的電子自旋極化，且當(dāng)自旋極化電流傳遞通過MTJ時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。經(jīng)自旋極化電子電流通過在自由層上施加轉(zhuǎn)矩而與自由層相互作用。當(dāng)傳遞通過MTJ的經(jīng)自旋極化電子電流的轉(zhuǎn)矩大于臨界切換電流密度(J。)時(shí)，由經(jīng)自旋極化電子電流所施加的轉(zhuǎn)矩足以切換自由層的磁化。因此，可將自由層的磁化對(duì)準(zhǔn)成平行于或反平行于釘扎層，且跨越MTJ的電阻狀態(tài)改變。STT-MRAM具有優(yōu)于MRAM的有利特性，因?yàn)榻?jīng)自旋極化電子電流消除了針對(duì)用以切換磁電阻元件中的自由層的外部磁場(chǎng)的需要。另外，當(dāng)編程電流隨著單元尺寸減小而減小時(shí)改善了可縮放能力，且解決了寫入干擾及半選問題。另外，STT-MRAM技術(shù)允許較高的隧道磁電阻比，這意味著在高電阻狀態(tài)與低電阻狀態(tài)之間存在較大比率，從而改善磁疇中的讀取操作。然而，通過STT-MRAM單元的高編程電流密度可仍成問題。通過磁性層的高電流密度可增加單元中的能量消耗及層中的熱分布，從而影響單元的完整性及可靠性，且也可導(dǎo)致針對(duì)每一單元的較大硅面積消耗。


在以下詳細(xì)描述中且參看圖式來描述特定實(shí)施例，其中圖1描繪根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例的基于處理器的系統(tǒng)的框圖；圖2描繪具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例而制造的存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器陣列的一部分的示意圖；圖3描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有軟磁性層及反鐵磁性耦合層的STT-MRAM單元堆疊；圖4A及圖4B描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的利用反鐵磁性耦合且響應(yīng)于不同電流方向的兩個(gè)STT-MRAM單元堆疊；及圖5A及圖5B描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的利用鐵磁性耦合且響應(yīng)于不同電流方向的兩個(gè)STT-MRAM單元堆疊。
具體實(shí)施例方式如先前所論述，自旋轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)單元是通過切換單元的磁性隧道結(jié)(MTJ)中的自由層的磁化來編程。當(dāng)傳遞通過存儲(chǔ)器單元的電流密度大于臨界切換電流密度時(shí)發(fā)生切換。因此，為了對(duì)單元進(jìn)行編程，編程電流密度僅需要稍微高于臨界切換電流密度。由于傳遞較大編程電流會(huì)增加MTJ中的能量消耗及熱分布(這影響單元的完整性及可靠性)，因此需要在不影響單元的熱穩(wěn)定性的情況下減小臨界切換電流。 當(dāng)對(duì)單元進(jìn)行編程時(shí)，減小臨界切換電流將允許較小電流來切換自由層。以下論述描述根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例的系統(tǒng)及裝置以及這些系統(tǒng)及裝置的操作。圖1描繪基于處理器的系統(tǒng)(整體通過參考數(shù)字10表示)。如下文所解釋，系統(tǒng) 10可包括根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例而制造的各種電子裝置。系統(tǒng)10可為多種類型中的任一者， 例如計(jì)算機(jī)、尋呼機(jī)、蜂窩式電話、個(gè)人備忘記事本、控制電路等等。在典型的基于處理器的系統(tǒng)中，一個(gè)或一個(gè)以上處理器12(例如微處理器)控制系統(tǒng)10中的系統(tǒng)功能及請(qǐng)求的處理。如下文所解釋，處理器12及系統(tǒng)10的其它子組件可包括根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例而制造的電阻性存儲(chǔ)器裝置。系統(tǒng)10通常包括電源14。舉例來說，如果系統(tǒng)10為便攜式系統(tǒng)，那么電源14可有利地包括燃料電池、電力提取裝置、永久性電池組、可更換電池組及/或可再充電電池組。 電源14還可包括AC適配器，因此，可將系統(tǒng)10插入到(例如)壁裝插座中。電源14還可包括DC適配器，使得可將系統(tǒng)10插入到(例如)交通工具點(diǎn)煙器中。取決于系統(tǒng)10所執(zhí)行的功能，可將各種其它裝置耦合到處理器12。舉例來說，可將用戶接口 16耦合到處理器12。用戶接口 16可包括(例如)按鈕、開關(guān)、鍵盤、光筆、鼠標(biāo)、數(shù)字轉(zhuǎn)換器及觸筆，及/或語音辨識(shí)系統(tǒng)。也可將顯示器18耦合到處理器12。顯示器 18可包括(例如)LCD、SED顯示器、CRT顯示器、DLP顯示器、等離子體顯示器、OLED顯示器、 LED，及/或音頻顯示器。此外，也可將RF子系統(tǒng)/基帶處理器20耦合到處理器12。RF子系統(tǒng)/基帶處理器20可包括耦合到RF接收器及RF發(fā)射器(未圖標(biāo))的天線。也可將一個(gè)或一個(gè)以上通信端口 22耦合到處理器12?？蓪⑼ㄐ哦丝?22調(diào)適成耦合到(例如)一個(gè)或一個(gè)以上外圍裝置24(例如調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)、計(jì)算機(jī))或耦合到網(wǎng)絡(luò)(例如局域網(wǎng)、 遠(yuǎn)程區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)或因特網(wǎng))。處理器12通常通過實(shí)施存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的軟件程序來控制系統(tǒng)10。軟件程序可包括(例如)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件、制圖軟件、文字處理軟件，及/或視頻、照片或聲音編輯軟件?？蓪⒋鎯?chǔ)器可操作地耦合到處理器12以存儲(chǔ)各種程序且促進(jìn)執(zhí)行各種程序。舉例來說，可將處理器12耦合到系統(tǒng)存儲(chǔ)器沈，系統(tǒng)存儲(chǔ)器沈可包括自旋轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)、磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)，及/ 或靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)。系統(tǒng)存儲(chǔ)器沈可包括易失性存儲(chǔ)器、非易失性存儲(chǔ)器或其組合。系統(tǒng)存儲(chǔ)器沈通常較大以使得其可存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)加載的應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)存儲(chǔ)器沈可包括STT-MRAM裝置，例如下文進(jìn)一步所論述的STT-MRAM裝置。還可將處理器12耦合到非易失性存儲(chǔ)器觀，非易失性存儲(chǔ)器觀并不暗示系統(tǒng)存儲(chǔ)器沈必定是易失性的。非易失性存儲(chǔ)器28可包括STT-MRAM、MRAM、只讀存儲(chǔ)器(ROM) (例如EPR0M)、電阻性只讀存儲(chǔ)器(RROM)，及/或待結(jié)合系統(tǒng)存儲(chǔ)器沈而使用的快閃存儲(chǔ)器。通常將ROM的尺寸選擇為恰好足夠大以存儲(chǔ)任何必要操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序及固定數(shù)據(jù)。 另外，非易失性存儲(chǔ)器觀可包括(例如)高容量存儲(chǔ)器(例如磁帶)或磁盤驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)器 (例如混合驅(qū)動(dòng)器，包括電阻性存儲(chǔ)器或其它類型的非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器)。如下文更詳細(xì)地解釋，非易失性存儲(chǔ)器觀可包括根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例而制造的STT-MRAM裝置。圖2說明STT-MRAM單元50，其可經(jīng)制造以形成存儲(chǔ)器單元陣列，取決于系統(tǒng)要求及制造技術(shù)，所述存儲(chǔ)器單元陣列呈包括若干行及列的柵格圖案或呈各種其它布置?？稍趫D1所描繪的系統(tǒng)存儲(chǔ)器26或易失性存儲(chǔ)器觀中實(shí)施存儲(chǔ)器單元的布置。STT-MRAM單元50包括堆疊52、存取晶體管M、位線56、字線58、源極線60、讀取/ 寫入電路62、位線參考64及讀出放大器66。堆疊52可包括磁性隧道結(jié)(MTJ)或自旋閥。 如將在下文特定地參看圖3到圖5進(jìn)一步所描述，堆疊52可進(jìn)一步包括根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例的軟磁性層及耦合層。在下文所描述的各種實(shí)施例中，堆疊52中的軟磁性層及耦合層可為安置于堆疊52的MTJ上或下方的層(圖3到圖5)。如本文中所使用，STT-MRAM單元50通常包括“磁性單元結(jié)構(gòu)”。如果堆疊52的自由層與釘扎層之間的非磁性層是絕緣的，那么磁性單元結(jié)構(gòu)可為如上文所論述的MTJ?；蛘?， 如果自由層與釘扎層之間的非磁性層是導(dǎo)電的，那么磁性單元結(jié)構(gòu)可為自旋閥。如本說明書中所使用，術(shù)語“堆疊”可包括磁性單元結(jié)構(gòu)，且可指代存儲(chǔ)器單元堆疊、磁性單元堆疊、 STT-MRAM單元堆疊或可包括根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例的層及材料的存儲(chǔ)器單元的任一元件。另外，如將解釋，“耦合層”可為反鐵磁性耦合層或鐵磁性耦合層。如還在本文中所使用，當(dāng)材料形成于MTJ上方或下方或形成于MTJ堆疊內(nèi)且平行于MTJ的層時(shí)，可將材料稱作“層”。應(yīng)理解，當(dāng)稱一層“形成于另一層上”、“形成于另一層下方”、“安置于另一層上”或“安置于另一層下方”時(shí)，可存在形成于或安置于所述層之間的介入層。相反地，如果稱一層或材料“直接形成于另一層上”、“直接形成于另一層下方”、“直接安置于另一層上”、“直接安置于另一層下方”或“與另一層直接接觸”，那么所述材料或?qū)釉谄溟g不包括介入材料或?qū)印．?dāng)將STT-MRAM單元50選擇為被編程時(shí)，將編程電流施加到所述單元，且所述電流是通過釘扎層而經(jīng)自旋極化且將轉(zhuǎn)矩施加于自由層上，所述轉(zhuǎn)矩切換自由層的磁化以“寫入到”或“編程”所述單元。在STT-MRAM單元50的讀取操作中，使用電流來檢測(cè)存儲(chǔ)器單元堆疊52的電阻狀態(tài)。如將進(jìn)一步所論述，將軟磁性層及耦合層并入于堆疊52中可減小切換自由層的磁化所需要的臨界切換電流，因此允許較小編程電流來寫入STT-MRAM單元50。如先前所論述，施加編程電流以用于STT-MRAM單元50的寫入操作。為了起始寫入操作，讀取/寫入電路62可產(chǎn)生到位線56及源極線60的寫入電流。位線56與源極線 60之間的電壓的極性連同軟磁性層與自由層之間的耦合效應(yīng)決定堆疊52中的自由層的磁化切換。一旦自由層根據(jù)編程電流的自旋極性及耦合效應(yīng)而被磁化，便將經(jīng)編程狀態(tài)寫入到 STT-MRAM 單元 50。為了讀取STT-MRAM單元50，讀取/寫入電路62產(chǎn)生通過堆疊52及晶體管M而到位線56及源極線60的讀取電流。STT-MRAM單元50的經(jīng)編程狀態(tài)取決于跨越堆疊52的電阻，其可通過位線56與源極線60之間的電壓差來確定。在一些實(shí)施例中，可比較電壓差與參考64且可通過讀出放大器66來放大電壓差。圖3中說明在STT-MRAM單元中利用耦合效應(yīng)的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。STT-MRAM單元包括存儲(chǔ)器單元堆疊100，存儲(chǔ)器單元堆疊100具有軟磁性層104及反鐵磁性層106，軟磁性層104及反鐵磁性層106可用以減小臨界切換電流密度或磁性存儲(chǔ)器單元的自由層可被切換時(shí)的電流密度。此技術(shù)使經(jīng)施加通過位線102的較低編程電流能夠促進(jìn)自由層108 的磁化切換以編程存儲(chǔ)器單元?？蓪⒋藢?shí)施例及以下各圖所說明及描述的實(shí)施例中的每一者并入到STT-MRAM單元50中，且進(jìn)一步并入到如圖2所描述的STT-MRAM單元陣列中。圖3的存儲(chǔ)器單元堆疊100可包括自由層108及釘扎層112與在中間的非磁性層 110。如此命名釘扎層112是因?yàn)槠浯呕哂泄潭ɑ騼?yōu)選定向，且這是通過釘扎層112中所說明的單向箭頭表示。自由層108具有可被切換的磁化(如通過雙向箭頭所表示)，從而允許對(duì)存儲(chǔ)器單元進(jìn)行編程。如先前所論述，切換自由層108的磁化會(huì)改變跨越自由層108及釘扎層112的電阻，使得存儲(chǔ)器單元被編程到低電阻狀態(tài)(當(dāng)自由層108與釘扎層112具有平行磁化時(shí))或高電阻狀態(tài)(當(dāng)自由層108與釘扎層112具有反平行磁化時(shí))?？赏ㄟ^確定跨越自由層108及釘扎層112的電阻來讀取單元。當(dāng)傳遞通過存儲(chǔ)器單元的編程電流具有大于臨界切換電流密度的電流密度時(shí)，發(fā)生切換自由層108的磁化。在一個(gè)實(shí)施例中，將軟磁性層104及反鐵磁性耦合層并入于堆疊100中。使編程電流傳遞通過經(jīng)選擇以用于編程的存儲(chǔ)器單元的位線102。編程電流在位線102中產(chǎn)生使選定存儲(chǔ)器單元堆疊100的軟磁性層104磁化的磁場(chǎng)。更具體來說，軟磁性層104具有高磁導(dǎo)率，使得通過編程電流而在位線102中所產(chǎn)生的大部分磁場(chǎng)或大體上全部磁場(chǎng)保持于軟磁性層104中且未傳遞到周圍環(huán)境。軟磁性層104也是非永久性磁體且可僅在通過編程電流來產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)被磁化。軟磁性層104可因此響應(yīng)于在一個(gè)方向上所施加的編程電流而在第一方向上被磁化，或可響應(yīng)于在另一方向上所施加的編程電流而在第二方向上被磁化。另外，當(dāng)未施加編程電流時(shí)，軟磁性層104可大體上失去其磁化或僅保持反平行于自由層108的少量磁化，從而進(jìn)一步增加自由層108的熱穩(wěn)定性。取決于編程電流的方向，如將在圖4A到圖4B中進(jìn)一步所解釋，由通過位線102的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在平行于或反平行于釘扎層112的方向上磁化軟磁性層104。因?yàn)榉磋F磁性耦合層106可包含在相反方向上對(duì)準(zhǔn)相鄰層的磁化的材料，所以反鐵磁性耦合層106 誘導(dǎo)自由層108與經(jīng)磁化軟磁性層104之間的反平行耦合，所述反平行耦合誘導(dǎo)自由層108 在反平行于軟磁性層104的磁化的定向上被磁化。通過反鐵磁性耦合效應(yīng)所產(chǎn)生的自由層 108上的此轉(zhuǎn)矩通過如下操作來減少臨界切換電流施加有助于在一個(gè)方向上切換自由層 108的磁化的轉(zhuǎn)矩，使得需要來自編程電流的自旋的較小轉(zhuǎn)矩以在同一方向上切換自由層 108的磁化。舉例來說，如果將存儲(chǔ)器單元選擇為被編程到高電阻狀態(tài)，那么編程電流可將軟磁性層104磁化到平行于釘扎層112的方向，且反鐵磁性耦合層106可誘導(dǎo)反平行耦合以將自由層108切換為反平行于軟磁性層104且因此反平行于釘扎層112。接著，來自編程電流的自旋的較小轉(zhuǎn)矩可促進(jìn)將自由層108的磁化切換為反平行于釘扎層112以將存儲(chǔ)器單元編程到高電阻狀態(tài)。另外，可將反鐵磁性層114安置于釘扎層112下方以經(jīng)由交換耦合而實(shí)現(xiàn)釘扎且進(jìn)一步增加單元穩(wěn)定性。可在如圖3中的實(shí)施例中或在根據(jù)本技術(shù)的任何其它實(shí)施例中使用下文所論述的材料的實(shí)例。在一些實(shí)施例中，自由層108及釘扎層112可包含鐵磁性材料，例如(例如) Co、Fe、Ni 或其合金 NiFe、CoFe, CoNiFe，或摻雜合金 CoX、CoFeX, CoNiFeX (X = B、Cu、Re、 Ru、Rh、Hf、Pd、Pt, C),或其它半金屬鐵磁性材料(例如！^304、Cr02、NiMnSb與PtMnSb，及 BiFeO)。自由層108與釘扎層112之間的非磁性層110可包含導(dǎo)電材料(例如Cu、Au、Ta、 Ag、CuPt、CuMn)或非導(dǎo)電材料(例如 AlxOy、MgO、A1N、SiN、CaOx、NiOx、HfxOy、TaxOy, ZrxOy、 NiMnOx, MgxFy, SiC、SiO2, SiOxNy)，或上述材料的任何組合。軟磁性層104可具有高磁導(dǎo)率。介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率是通過特定介質(zhì)的磁導(dǎo)率對(duì)自由空間的磁導(dǎo)率的比率界定，其中自由空間的磁導(dǎo)率為μ^ = 4πχ10_7。相對(duì)磁導(dǎo)率比率為 μΓ= μ/μο，其中μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。在一些實(shí)施例中，軟磁性層104可具有大于或等于500的相對(duì)磁導(dǎo)率，且可包括(例如)=Co-Zr-Pd-Mn ；摻雜Si (3% -4% )的Fe ；Co-Fe ； Ni-Fe ；Ni-Fe-Cu-Cr ；Ni-Fe-Cu-Mo 合金；FeXN, X = Al、Ta、Rh、Mo、Si、Zr ；Mn-Zn 鐵氧體； Ni-Zn 鐵氧體；MFe204, M = Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mg、Cd ；基于 Co 的非晶金屬；基于 Fe 的非晶金屬；或納米晶形!^e-Nb-Si-B或!^e-Zr-B-Cu ；或上述材料的任何組合。盡管將軟磁性層104描繪為經(jīng)安置成與位線102接觸，但軟磁性層104未必必須與位線102接觸。一些實(shí)施例可包括在軟磁性層104與位線102之間的層，且所述層可具有大體上不影響軟磁性層104通過位線102而被磁化的能力的性質(zhì)。舉例來說，在軟磁性層104與位線102之間的層可較薄，且可包含非磁性材料，包括導(dǎo)電材料(例如Cu、Au、Ta、 Ag、CuPt、CuMn)或非導(dǎo)電材料(例如 AlxOy、MgO、A1N、SiN、CaOx、NiOx、HfxOy、TaxOy, ZrxOy、 NiMnOx^MgxFy, SiC, SiO2, SiOxNy)或上述材料的任何組合。反鐵磁性耦合層106可具有大約 0. 2nm到IOnm的厚度，或適于誘導(dǎo)自由層108與軟磁性層104之間的反平行耦合的另一厚度。反鐵磁性耦合層106可包含(例如)Ru、Cr、0s、Mn、Nb、Rh、W、Re、Ir、V或Mo，或上述材料的任何組合。反鐵磁性層 114 可包含 Hfi^n)PtMn、NiMn、PdMn、IrMn、PdPtMn、MnO、MnS、 MnTe、MnF2、FeF2, FeCl2, FeO, CoCl2, Co0、NiCl2, Cr 或 NiO，或這些材料的任何組合。
圖4A到圖4B描繪根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的兩個(gè)STT-MRAM單元堆疊及每一單元堆疊對(duì)在不同方向上所施加的編程電流的響應(yīng)。在圖4A中，存儲(chǔ)器單元堆疊200可具有自由層208及釘扎層212與在中間的非磁性層210。堆疊200還可具有在自由層208上的軟磁性層204及反鐵磁性耦合層206，以及在釘扎層212下方的反鐵磁性層214。位線202經(jīng)配置以將編程電流供應(yīng)到堆疊200。當(dāng)編程電流在進(jìn)入頁面的方向上流動(dòng)通過位線202且向下流動(dòng)通過存儲(chǔ)器單元堆疊200時(shí)，在位線202周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)且磁場(chǎng)向左誘導(dǎo)軟磁性層 204的磁化，其反平行于釘扎層212的向右定向的磁化。如先前所論述，參看圖3，軟磁性層 204的高磁導(dǎo)率集中磁場(chǎng)且產(chǎn)生大磁化。反鐵磁性耦合層206產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以在反平行于軟磁性層204的磁化的方向上對(duì)準(zhǔn)自由層208的磁化，或向右對(duì)準(zhǔn)自由層208的磁化。此外，來自向下流動(dòng)編程電流的向上流動(dòng)電子的自旋轉(zhuǎn)矩也產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)矩以向右對(duì)準(zhǔn)自由層208的磁化。因?yàn)橛绍洿判詫?04與自由層208之間的反鐵磁性耦合層206 所產(chǎn)生的反鐵磁性耦合效應(yīng)促進(jìn)向同一方向(向右)對(duì)準(zhǔn)自由層208的磁化，所以向右對(duì)準(zhǔn)自由層208的磁化所需要的編程電流自旋轉(zhuǎn)矩減少。因此，較小編程電流可向右切換自由層208的磁化方向或?qū)⒆杂蓪?08的磁化方向切換成平行于釘扎層212的磁化，且將 STT-MRAM單元編程到低電阻狀態(tài)(寫入“0”)。如圖4B所描繪，存儲(chǔ)器單元堆疊250也可響應(yīng)于在另一方向上所施加的編程電流。堆疊250可具有自由層258及釘扎層262與在中間的非磁性層沈0。堆疊250還可具有在自由層258上的軟磁性層2M及反鐵磁性耦合層256，以及在釘扎層262下方的反鐵磁性層沈4。位線252經(jīng)配置以將編程電流供應(yīng)到堆疊250。當(dāng)編程電流在離開頁面的方向上流動(dòng)通過位線252且向上流動(dòng)通過存儲(chǔ)器單元堆疊250時(shí)，在位線252周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)且磁場(chǎng)向右誘導(dǎo)軟磁性層254中的磁化，其平行于釘扎層沈2的向右定向的磁化。軟磁性層 254的高磁導(dǎo)率集中磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生大磁化，且反鐵磁性耦合層256產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以在反平行于軟磁性層254的磁化的方向上對(duì)準(zhǔn)自由層258的磁化，或向左對(duì)準(zhǔn)自由層258的磁化。此外，來自向上流動(dòng)編程電流的向下流動(dòng)電子的自旋轉(zhuǎn)矩也產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)矩以向左對(duì)準(zhǔn)自由層258的磁化。具體來說，電子在流動(dòng)到釘扎層262時(shí)被自旋極化，且在反平行于釘扎層262的磁化的方向上極化的電子被向上反射到自由層258，從而在反平行于釘扎層 262的磁化的方向上對(duì)準(zhǔn)自由層258的磁化，或向左對(duì)準(zhǔn)自由層258的磁化。因?yàn)橛绍洿判詫?M與自由層258之間的反鐵磁性耦合層256所產(chǎn)生的反鐵磁性耦合效應(yīng)促進(jìn)向同一方向(向左)對(duì)準(zhǔn)自由層258的磁化，所以向左對(duì)準(zhǔn)自由層258的磁化所需要的編程電流自旋轉(zhuǎn)矩減少。因此，較小編程電流可向左切換自由層258的磁化方向或?qū)⒆杂蓪?58的磁化方向切換成反平行于釘扎層沈2的磁化，且將STT-MRAM單元編程到高電阻狀態(tài)(寫入 “1，，)。圖5A到圖5B中說明通過利用耦合效應(yīng)來減少編程電流的本發(fā)明的另一實(shí)施例， 其中兩個(gè)STT-MRAM單元堆疊300及350 (每一者并有軟磁性層304及354以及鐵磁性耦合層306及356)響應(yīng)于不同方向的編程電流。如將進(jìn)一步所解釋，類似于一些實(shí)施例中的反鐵磁性耦合層(圖3中的106以及圖4A到圖4B中的206及256)，鐵磁性耦合層還促進(jìn)經(jīng)由耦合效應(yīng)而減少編程電流，但鐵磁性耦合層誘導(dǎo)軟磁性層與自由層之間的平行耦合效應(yīng)。可通過展示振蕩耦合行為的在鐵磁性耦合層中的材料來誘導(dǎo)平行耦合效應(yīng)，從而將鄰近原子自旋對(duì)準(zhǔn)成彼此平行。鐵磁性耦合層306及356可具有大約0. 2nm到IOnm的厚度，且可包含(例如)Ru、Au、Mn、Os、Ir、Rh、Cu、Cr、CoRu合金或摻雜有B、Ru及Cr的CoRu合金、CoCr合金、Pt或Pd，或任何其它合金，或上述材料的其它組合。在圖5A中，存儲(chǔ)器單元堆疊300可具有自由層308及釘扎層312與在中間的非磁性層310。堆疊300還可具有在自由層308上的軟磁性層304及鐵磁性耦合層306，以及在釘扎層312下方的反鐵磁性層314。位線302經(jīng)配置以將編程電流供應(yīng)到堆疊300。當(dāng)編程電流在進(jìn)入頁面的方向上流動(dòng)通過位線302且向上流動(dòng)通過存儲(chǔ)器單元堆疊300時(shí)，在位線302周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)且磁場(chǎng)向左誘導(dǎo)軟磁性層304中的磁化，其反平行于釘扎層312的向右定向的磁化。軟磁性層304的高磁導(dǎo)率集中磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生大磁化，且鐵磁性耦合層306 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以在平行于軟磁性層304的磁化的方向上對(duì)準(zhǔn)自由層308的磁化，或向左對(duì)準(zhǔn)自由層308的磁化。此外，來自向上流動(dòng)編程電流的向下流動(dòng)電子的自旋轉(zhuǎn)矩還產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)矩以向左對(duì)準(zhǔn)自由層308的磁化。具體來說，電子在流動(dòng)到釘扎層312時(shí)被自旋極化，且在反平行于釘扎層312的磁化的方向上極化的電子被向上反射到自由層308，從而在反平行于釘扎層 312的磁化的方向上對(duì)準(zhǔn)自由層308的磁化，或向左對(duì)準(zhǔn)自由層308的磁化。因?yàn)橛绍洿判詫?04與自由層308之間的鐵磁性耦合層306所產(chǎn)生的鐵磁性耦合效應(yīng)促進(jìn)在同一方向上 (向左)對(duì)準(zhǔn)自由層308的磁化，所以向左對(duì)準(zhǔn)自由層308的磁化所需要的編程電流自旋轉(zhuǎn)矩減少。因此，較小編程電流可向左切換自由層308的磁化方向或?qū)⒆杂蓪?08的磁化方向切換成反平行于釘扎層312的磁化，且將STT-MRAM單元編程到高電阻狀態(tài)(寫入“1”)。如圖5B所描繪，存儲(chǔ)器單元堆疊350響應(yīng)于在不同于經(jīng)施加到先前所論述的存儲(chǔ)器單元堆疊300的編程電流的另一方向上所施加的編程電流。堆疊350可具有自由層358 及釘扎層362與在中間的非磁性層360。堆疊350還可具有在自由層358上的軟磁性層3M 及鐵磁性耦合層356，以及在釘扎層362下方的反鐵磁性層364。位線352經(jīng)配置以將編程電流供應(yīng)到堆疊350。當(dāng)編程電流在離開頁面的方向上流動(dòng)通過位線352且向下流動(dòng)通過存儲(chǔ)器單元堆疊350時(shí)，在位線352周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)且磁場(chǎng)向右誘導(dǎo)軟磁性層354中的磁化， 其平行于釘扎層362的向右定向的磁化。軟磁性層354的高磁導(dǎo)率集中磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生大磁化，且鐵磁性耦合層356產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以在平行于軟磁性層354的磁化的方向上對(duì)準(zhǔn)自由層 358的磁化，或向右對(duì)準(zhǔn)自由層358的磁化。此外，來自向下流動(dòng)編程電流的向上流動(dòng)電子的自旋轉(zhuǎn)矩也產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)矩以向右對(duì)準(zhǔn)自由層358的磁化。因?yàn)橛绍洿判詫?M與自由層358之間的鐵磁性耦合層356所產(chǎn)生的鐵磁性耦合效應(yīng)促進(jìn)在同一方向上(向右)對(duì)準(zhǔn)自由層358的磁化，所以向右對(duì)準(zhǔn)自由層358的磁化所需要的編程電流自旋轉(zhuǎn)矩減少。因此，較小編程電流可向右切換自由層358 的磁化方向或?qū)⒆杂蓪?58的磁化方向切換成平行于釘扎層362的磁化，且將STT-MRAM單元編程到低電阻狀態(tài)(寫入“0”)。在根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例中，通過位線的電流的方向決定軟磁性層的磁化，且來自向上或向下流動(dòng)通過堆疊的編程電流的自旋轉(zhuǎn)矩的方向決定自由層的磁化。通過位線的電流可在任一方向(例如，進(jìn)入或離開頁面)上流動(dòng)且可取決于位線電流被流入到存儲(chǔ)器陣列的哪一側(cè)。為了實(shí)現(xiàn)不同電阻狀態(tài)，可在不同方向上施加編程電流，且所施加的編程電流的方向可取決于STT-MRAM陣列的配置及/或通過STT-MRAM單元的位線的電流的方向。此外，在根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例中，STT-MRAM單元的釘扎層可在任一方向上具有固定或優(yōu)選磁化定向，且未必被向右磁化。具有被向左磁化的釘扎層的STT-MRAM單元將仍根據(jù)本技術(shù)起作用，僅響應(yīng)于不同編程電流方向的電阻狀態(tài)將與其中釘扎層被向右磁化的實(shí)施例相反。除了減小能量勢(shì)壘及需要較小編程電流來切換存儲(chǔ)器單元的自由層的磁化以外， 軟磁性層的非永久性磁化特性也可保留數(shù)據(jù)保持所需要的熱穩(wěn)定性。僅當(dāng)存儲(chǔ)器單元正被編程時(shí)，軟磁性層才將被大體上磁化，從而允許耦合層誘導(dǎo)對(duì)自由層的耦合效應(yīng)。當(dāng)存儲(chǔ)器單元未被 編程時(shí)，將不誘導(dǎo)耦合效應(yīng)或其量值將較小，且剩余耦合效應(yīng)可有助于在切換之后使單元穩(wěn)定。 雖然本發(fā)明可容許各種修改及替代形式，但圖式中已通過實(shí)例展示且已本文中詳細(xì)地描述特定實(shí)施例。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明既定不限于所揭示的特定形式。更確切來說， 本發(fā)明將涵蓋落入如由附加權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明的精神及范圍內(nèi)的所有修改、均等物及替代物。
權(quán)利要求
1.一種存儲(chǔ)器單元，其包含磁性單元結(jié)構(gòu)，其包含磁性隧道結(jié)(MTJ)或自旋閥； 軟磁性材料；及耦合層，其布置于所述磁性單元結(jié)構(gòu)與所述軟磁性層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述磁性單元結(jié)構(gòu)包含 自由層；釘扎層；及非磁性層，其安置于所述自由層與所述釘扎層之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述自由層及所述釘扎層包含鐵磁性材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述軟磁性材料可由通過施加編程電流所而產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的存儲(chǔ)器單元，其中當(dāng)未施加所述編程電流時(shí)，所述軟磁性材料不保持大體上磁化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述軟磁性材料具有大于或等于500的相對(duì)磁導(dǎo)率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述耦合層包含反鐵磁性耦合材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述耦合層包含鐵磁性耦合材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述存儲(chǔ)器單元包含存取晶體管，所述存取晶體管電耦合到所述磁性單元結(jié)構(gòu)且經(jīng)配置以提供對(duì)所述磁性單元結(jié)構(gòu)的電存取。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的存儲(chǔ)器單元，其中 所述存取晶體管的柵極耦合到存儲(chǔ)器陣列的字線；且所述存儲(chǔ)器單元電耦合于位線與源極線之間以促進(jìn)從所述磁性單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行讀取及向所述磁性單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行寫入。
11.一種存儲(chǔ)器單元，其包含 釘扎鐵磁性層；非磁性層，其形成于所述釘扎鐵磁性層上； 自由鐵磁性層，其形成于所述非磁性層上； 耦合層，其形成于所述自由鐵磁性層上；及軟磁性層，其形成于所述耦合層上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的存儲(chǔ)器單元，其包含形成于所述軟磁性層上的位線。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述位線被配置于存儲(chǔ)器單元陣列中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述位線可在任一方向上載運(yùn)位電流， 且其中通過所述存儲(chǔ)器單元的編程電流的方向是基于所述位電流的所述方向。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的存儲(chǔ)器單元，其包含形成于所述位線與所述軟磁性層之間的第二非磁性層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述非磁性層及所述第二非磁性層中的一者或兩者包含導(dǎo)電材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述非磁性層及所述第二非磁性層中的一者或兩者包含非導(dǎo)電材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的存儲(chǔ)器單元，其包含耦合到所述釘扎鐵磁性層的反鐵磁性層。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述自由鐵磁性層可具有在平行于或反平行于所述釘扎鐵磁性層的磁化的方向上的磁化。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述耦合層為反鐵磁性耦合層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述反鐵磁性耦合層包含RU、Cr、0s、Mn、 Nb、Rh、W、Re、Ir、V或Mo，或其任何組合。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述耦合層為鐵磁性耦合層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述鐵磁性耦合層包含Ru、Au、Mn、Os、 Ir、Rh、Cu、Cr、CoRu合金或摻雜有B、Ru及Cr的CoRu合金、CoCr合金、Pt或Pd，或任何其它合金，或其組合。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述反鐵磁性耦合層經(jīng)配置以向反平行于所述軟磁性層的磁化的方向誘導(dǎo)所述自由鐵磁性層的所述磁化。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述反鐵磁性耦合層經(jīng)配置以向平行于所述軟磁性層的磁化的方向誘導(dǎo)所述自由鐵磁性層的所述磁化。
26.根據(jù)權(quán)利要求11所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述軟磁性層包含Co-&-Pd-Mn；摻雜 Si (3% -4% )的 Fe ；Co-Fe ；Ni-Fe ；Ni-Fe-Cu-Cr ；Ni-Fe-Cu-Mo 合金；FeXN，X = Al、Ta、Rh、 Mo,Si,Zr ；Mn-Zn 鐵氧體；Ni-Zn 鐵氧體；MFe204，M = Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mg、Cd ；基于 Co 的非晶金屬；基于Fe的非晶金屬；或納米晶形!^e-Nb-Si-B或!^-Zr-B-Cu ；或其任何組合。
27.一種操作存儲(chǔ)器單元的方法，其包含在所述存儲(chǔ)器單元中誘導(dǎo)耦合效應(yīng)；降低所述存儲(chǔ)器單元的臨界切換電流；及對(duì)所述存儲(chǔ)器單元進(jìn)行編程。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中誘導(dǎo)耦合效應(yīng)包含在所述存儲(chǔ)器單元中誘導(dǎo)反鐵磁性耦合效應(yīng)。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其中在所述存儲(chǔ)器單元中誘導(dǎo)反鐵磁性耦合效應(yīng)包含將編程電流引導(dǎo)通過所述存儲(chǔ)器單元的位線以誘導(dǎo)所述存儲(chǔ)器單元的軟磁性層中的磁化。
30.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其中誘導(dǎo)反鐵磁性耦合效應(yīng)包含產(chǎn)生磁場(chǎng)以磁化所述存儲(chǔ)器單元的軟磁性層。
31.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其中在第一方向上引導(dǎo)所述編程電流將所述存儲(chǔ)器單元編程到低電阻狀態(tài)，且在第二方向上引導(dǎo)所述編程電流將所述存儲(chǔ)器單元編程到高電阻狀態(tài)。
32.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其中誘導(dǎo)所述反鐵磁性耦合效應(yīng)包含向反平行于所述存儲(chǔ)器單元的所述軟磁性層的磁化的方向誘導(dǎo)所述存儲(chǔ)器單元的自由鐵磁性層的磁化。
33.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其中對(duì)所述存儲(chǔ)器單元進(jìn)行編程包含引導(dǎo)編程電流，使得所述編程電流中的電子的自旋轉(zhuǎn)矩向反平行于所述軟磁性層的所述磁化的所述方向引導(dǎo)所述自由鐵磁性層的所述磁化。
34.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中誘導(dǎo)耦合效應(yīng)包含在所述存儲(chǔ)器單元中誘導(dǎo)鐵磁性耦合效應(yīng)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中誘導(dǎo)所述鐵磁性耦合效應(yīng)包含向平行于所述存儲(chǔ)器單元的所述軟磁性層的方向引導(dǎo)所述存儲(chǔ)器單元的所述自由鐵磁性層的磁化。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中對(duì)所述存儲(chǔ)器單元進(jìn)行編程包含引導(dǎo)編程電流，使得所述編程電流中的電子的自旋轉(zhuǎn)矩向平行于所述軟磁性層的所述磁化的所述方向引導(dǎo)所述自由鐵磁性層的所述磁化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包括軟磁性層(104、204、254、304、354)及耦合層(106、206、256、306、356)的磁性存儲(chǔ)器單元(50)，及一種操作所述存儲(chǔ)器單元(50)的方法。所述存儲(chǔ)器單元(50)包括具有自由鐵磁性層(108、208、258、308、358)及釘扎鐵磁性層(112、212、262、312、362)的堆疊(52、100、200、250、300、350)，且也可形成軟磁性層(104、204、254、304、354)及耦合層(106、206、256、306、356)以作為所述堆疊(52、100、200、250、300、350)中的層。所述耦合層(106、206、256、306、356)可導(dǎo)致反鐵磁性耦合以誘導(dǎo)所述自由鐵磁性層(108、208、258、308、358)在反平行于所述軟磁性層(104、204、254、304、354)的磁化的方向上被磁化，或所述耦合層(106、206、256、306、356)可導(dǎo)致鐵磁性耦合以誘導(dǎo)所述自由鐵磁性層(108、208、258、308、358)在平行于所述軟磁性層(104、204、254、304、354)的所述磁化的方向上被磁化。
文檔編號(hào)H04L27/156GK102203869SQ200980144286
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月5日
發(fā)明者劉峻, 古爾特杰·桑胡 申請(qǐng)人:美光科技公司