專利名稱：使用非晶亞鐵磁性合金、由自旋極化電流寫入的磁存儲(chǔ)器、及其寫入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁存儲(chǔ)器的領(lǐng)域，尤其是使得能夠在電子系統(tǒng)中存入或從電子系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的非揮發(fā)性隨機(jī)存取磁存儲(chǔ)器。更具體地，本發(fā)明涉及由磁隧道結(jié)形成的被稱作M-RAMs的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
在單元晶體管的尺寸變小時(shí)，基于電容器的電荷狀態(tài)的存儲(chǔ)器(DRAM、SRAM、FLASH)變得對(duì)離子輻射(例如宇宙射線)越來越敏感。并且基于鐵電的存儲(chǔ)器(FRAM)表現(xiàn)出嚴(yán)重的時(shí)效問題。近來在磁電子領(lǐng)域的發(fā)展使得能夠設(shè)計(jì)基于磁隧道結(jié)的磁電阻的新型存儲(chǔ)器。也即，它們的工作原理不再停留在電負(fù)載的存貯上，而是與形成它的單元的磁化的相對(duì)取向相關(guān)。這樣的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)具有許多優(yōu)點(diǎn)其快速性(幾個(gè)納秒的寫入和讀出時(shí)間)，其非揮發(fā)性，其沒有讀出和寫入上的疲勞，其對(duì)離子輻射的不敏感性。它們首先可能代替閃速存儲(chǔ)器，并且從長遠(yuǎn)看，代替DRAMs和SRAMs，從而成為通用存儲(chǔ)器。
在第一磁存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)器點(diǎn)由所謂的巨磁電阻元件形成，所述巨磁電阻元件由幾個(gè)交替的磁和非磁金屬層疊置而成。對(duì)這種結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述可以在文件US-A-4949039和US-A-5159513找到基本的結(jié)構(gòu)，在文件US-A-5343422中找到從這樣的基本結(jié)構(gòu)形成RAM。由于其構(gòu)造，這種類型的存儲(chǔ)器使得能夠采用簡單的技術(shù)形成非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，但具有有限的容量。的確，存儲(chǔ)器單元沿各直線串聯(lián)的事實(shí)限制了集成可能性，因?yàn)樵趩卧臄?shù)量增加時(shí)信號(hào)變得越來越低。
最有前景的結(jié)構(gòu)對(duì)于每一個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)采用一個(gè)磁隧道結(jié)-MTJ，所述MTJ的最簡單形式是兩層不同矯頑力的磁性層，由薄絕緣層隔開。在出版物Physics Letters第54A卷(1975)第225頁中、或者更近來地在出版物Journal of Magnetism and Magnetic Materials第139卷(1995)第L139頁以及Physical Review Letters第74卷(1995)第3273頁中給出了這種結(jié)構(gòu)的描述。用于MRAM制造的這些結(jié)構(gòu)的使用最初在文件US-A-5640343進(jìn)行了描述。
近來，最有前景的結(jié)構(gòu)看來是在文件US-A-6021065中和在出版物Journal of Applied Physics第81卷(1997)第3578頁中所描述的結(jié)構(gòu)，其原理在圖1中示意性地示出。如圖1所示，每一個(gè)單元或存儲(chǔ)器點(diǎn)(10)由CMOS晶體管(12)和MTJ結(jié)(11)結(jié)合形成。所述的結(jié)(11)包括至少一個(gè)稱作自由層的磁性層(20)，一個(gè)薄絕緣層(21)和一個(gè)稱作被鎖定層的磁性層(22)。優(yōu)選但非限制性地，兩個(gè)磁性層基于3d金屬(Fe、Co、Ni)及其合金形成，絕緣層由氧化鋁(Al2O3)形成。優(yōu)選地，磁性層(22)與具有鎖定層(22)功能的反鐵磁性層(23)耦合，使得其磁化在寫入時(shí)不變換。仍優(yōu)選地，層(22)自身可以由幾層形成，例如在文件US-A-5583725中所描述地那樣，以形成所謂的合成反鐵磁性層。所有的這些變更以及其它變更是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。
該結(jié)構(gòu)還包括三個(gè)線層面。兩個(gè)線層面(14)(字線)和(15)(位線)通常相互呈90°角排列，試圖在寫入過程中傳輸能夠產(chǎn)生使層(20)的磁化切換的磁場的電脈沖。通過沿線(14)和(15)送入強(qiáng)度在10mA數(shù)量級(jí)的短電流脈沖(通常從2到5納秒)產(chǎn)生場脈沖。這些脈沖的強(qiáng)度及其同步被調(diào)整使得只有位于這兩種線的交叉處的存儲(chǔ)器點(diǎn)的磁化可以切換。附加的線層面(16)(控制線)試圖控制晶體管(12)的溝道的打開或關(guān)閉，從而能夠在讀出時(shí)獨(dú)立地對(duì)每一個(gè)存儲(chǔ)器單元選址。晶體管(12)用作開關(guān)。
在寫入模式中，選定的晶體管(12)處于截止或OFF模式，沒有電流流過。電流脈沖I被送入對(duì)應(yīng)于選定的存儲(chǔ)器點(diǎn)(10)的兩條線(14)和(15)。電流脈沖I的幅度使得所產(chǎn)生的磁場不足以切換線(14)或(15)上的存儲(chǔ)器點(diǎn)，除了在所述線(14)和(15)的交叉點(diǎn)處，此處所述兩條線的結(jié)合貢獻(xiàn)足以使存儲(chǔ)器點(diǎn)的層(20)的磁化切換。
在讀出模式中，通過經(jīng)由控制線(16)向基極送入正的電流脈沖，晶體管(12)處于飽和或ON模式，并且流過它的電流為最大值。然后向線(14)中送入測量電流，該測量電流可以僅穿過其晶體管(12)處于ON位置的存儲(chǔ)器點(diǎn)。采用該電流，進(jìn)行選定的存儲(chǔ)器點(diǎn)(10)的結(jié)(11)電阻的測量。通過與本文中沒有描述的參考存儲(chǔ)器點(diǎn)相比較，從而確定存儲(chǔ)器點(diǎn)(10)的相應(yīng)狀態(tài)(1或0)。
正如向這些存儲(chǔ)器點(diǎn)中寫入的過程所描述的那樣，這一結(jié)構(gòu)的限制可以清楚地理解●由于通過外磁場保證寫入，因此它受到每一個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)單獨(dú)的切換場值的影響。如果所有存儲(chǔ)器點(diǎn)的切換場分布函數(shù)寬(的確，由于約束它不是一致的)，則在選定的存儲(chǔ)器點(diǎn)上的磁場必須大于所述分布中的最高切換場，有著偶然地切換位于對(duì)應(yīng)的線和/或列上的某些存儲(chǔ)器點(diǎn)的危險(xiǎn)，該存儲(chǔ)器點(diǎn)的切換場位于分布的低部分中，小于由單獨(dú)的線或列產(chǎn)生的磁場。相反，如果希望保證在單獨(dú)的線或列上沒有存儲(chǔ)器點(diǎn)被寫入，則寫入電流必須被限制在對(duì)于這些存儲(chǔ)器點(diǎn)絕對(duì)不會(huì)超過對(duì)應(yīng)于分布中低部分的磁場，如果所述選定存儲(chǔ)器點(diǎn)的切換場在分布中的高部分中，則有著絕對(duì)不會(huì)向所述線和列的交叉點(diǎn)處的選定存儲(chǔ)器點(diǎn)寫入的危險(xiǎn)。也即，通過導(dǎo)體線和列采用磁場選擇的這種結(jié)構(gòu)可能易于導(dǎo)致寫尋址錯(cuò)誤。假定期望存儲(chǔ)器點(diǎn)由于其尺寸小而切換場的分布函數(shù)都較寬，則由于存儲(chǔ)器點(diǎn)的幾何形狀(形狀、不平整、缺陷)決定磁化切換，這種效果只會(huì)在將來的產(chǎn)品制造中變得更糟。
●假定一般而言隨著存儲(chǔ)器點(diǎn)大小減小，切換場的平均值增加?？赏趯淼漠a(chǎn)品制造中電流會(huì)大得多。因此，這些存儲(chǔ)器工作所需的電能將隨著集成度提高而總是變大。
●上述兩個(gè)電流線處于90°的寫入模式要求三個(gè)線層面。尤其，晶體管控制線必須從下部電流線(寫入所需的)偏離，這一點(diǎn)將集成可能性最小化。
●最后，這個(gè)寫入模式僅使得馬上寫入單個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)，降低尋址錯(cuò)誤的危險(xiǎn)。
給出這種結(jié)構(gòu)的另一形式。其由不再用外部磁場而是用自旋極化的電流寫入的存儲(chǔ)器點(diǎn)尋址構(gòu)成。實(shí)際上，在出版物Journal ofMagnetism and Magnetic Materials第159卷(1996)第L1頁已經(jīng)預(yù)測自旋極化的電流能夠引起進(jìn)動(dòng)，或者甚至通過極化的載流子和系統(tǒng)的磁矩之間的角度自旋矩的轉(zhuǎn)移引起磁化切換。近來，這個(gè)效果已經(jīng)在減小尺寸(＜100nm)的所有金屬結(jié)構(gòu)中被實(shí)驗(yàn)證明，如出版物Science第285卷(1999)第867頁所描述的那樣。最后，這種技術(shù)在磁存儲(chǔ)器中的應(yīng)用已經(jīng)在文件US-A-5695864進(jìn)行了描述。如圖2所示，在這種結(jié)構(gòu)中，存儲(chǔ)器點(diǎn)(30)包括MTJ結(jié)(31)和CMOS晶體管(32)，但目前僅有兩個(gè)線層面(33)和(34)，線(33)對(duì)應(yīng)于用于讀出和寫入的電流引線，而線(34)對(duì)應(yīng)于能夠獨(dú)立地對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)(30)進(jìn)行獨(dú)立地尋址的晶體管控制。晶體管(32)被用作開關(guān)。
如在前面描述的已有技術(shù)中公開的那樣，MTJ(31)由所謂的自由磁性層(40)、薄絕緣層(41)和所謂的被鎖定磁性層(42)以及具有將層(42)的磁化鎖定在固定的方向上的功能的反鐵磁性層(43)構(gòu)成。有利地，可在磁性層(40)側(cè)增加附加的寫入電流極化磁性層(44)，由小電阻率的非磁性層(45)與之隔離開。
在讀出模式中，系統(tǒng)像已有技術(shù)的描述那樣工作，即通過將正電流脈沖經(jīng)控制線(34)發(fā)送到基極，將對(duì)應(yīng)于要被尋址的存儲(chǔ)器點(diǎn)(30)的晶體管(32)置于飽和或ON模式。然后將小強(qiáng)度的測量電流送到線933)，其只通過其晶體管(34)處于ON位置的單個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)。采用這個(gè)電流，測量選擇的存儲(chǔ)器點(diǎn)(30)的結(jié)(31)的電阻。通過與這里未作描述的參考存儲(chǔ)器點(diǎn)相比，從而確定存儲(chǔ)器點(diǎn)(30)的相應(yīng)狀態(tài)(1或0)。
在寫入模式中，工作與已有技術(shù)描述的截然不同。通過將電流脈沖發(fā)送到線(34)，使選擇的晶體管(32)處于飽和或ON模式。大強(qiáng)度的寫入電流經(jīng)線(33)發(fā)送，僅通過選擇的存儲(chǔ)強(qiáng)度點(diǎn)(30)。寫入電流通過磁性層(42)(或(44))而根據(jù)電流流動(dòng)方向被極化，從而穿透磁性層(40)的電子的自旋大多數(shù)沿著層(42)(或(44))的磁化方向被取向。當(dāng)這個(gè)強(qiáng)自旋磁化的電流的幅度足夠時(shí)，磁性層(40)的磁化被切換。通過自旋極化的電流寫入本質(zhì)上限制于一個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)，因?yàn)閮H其晶體管處于飽和或ON模式的該存儲(chǔ)器點(diǎn)傳導(dǎo)寫入電流，尋址錯(cuò)誤本質(zhì)上是不可能的。從而這種寫入模式與已有技術(shù)描述的方法相比有更高的可重復(fù)性。根據(jù)當(dāng)前有效的理論模型，這種技術(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)器點(diǎn)磁化切換所需的電流密度不再受切換場(Hc)影響，該切換場是材料的非本征性質(zhì)，從而與其幾何形狀和可能出現(xiàn)的缺陷相關(guān)，但受磁各向異性(HK)的影響，該各向異性是材料的內(nèi)稟性質(zhì)，因此先驗(yàn)地可按近容易得多的方式控制。尤其是，它與存儲(chǔ)器點(diǎn)的尺寸和形狀無關(guān)，因此正如在將來的產(chǎn)品制造時(shí)所期望的那樣，在存儲(chǔ)器點(diǎn)尺寸減小時(shí)臨界電流密度保持恒定，這與采用由電流線產(chǎn)生的磁場的現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)相反，其中寫入所需的電流以及消耗在存儲(chǔ)器點(diǎn)尺寸減小時(shí)增加。最后，可能一次向幾個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)寫入，易于數(shù)據(jù)傳輸速度。
不利地是，這種結(jié)構(gòu)迄今仍具有嚴(yán)重的限制。的確，通過注入極化電流的磁場切換需要大電流密度，這對(duì)所有的金屬結(jié)構(gòu)不是問題，除了大電消耗，但是，這在MTJ型隧道結(jié)構(gòu)中導(dǎo)致的跨結(jié)電壓大于通常的擊穿電壓(根據(jù)絕緣層(41)的厚度，大約為1V)。主要原因由出版物Journal of Magnetism and Magnetic Materials第159卷(1996)L1中提供的關(guān)系式(1)給出，該關(guān)系式表示根據(jù)其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的臨界電流 其中α是阻尼系數(shù)，η是自旋極化因子，t是磁性層厚度，HK是單軸磁各向異性場，Ms是磁性層磁化。在該公式中，2πMs項(xiàng)對(duì)應(yīng)于磁性層(40)的退磁場項(xiàng)，顯著增加觀察磁化切換所需的電流密度。它的影響可以通過如下考慮來理解，一旦層(40)的磁化切換，所述磁化將在繞其初始方向的圓錐進(jìn)動(dòng)，從而為實(shí)現(xiàn)這樣的進(jìn)動(dòng)，離開層平面。在切換場下，這樣的進(jìn)動(dòng)使得層(40)的磁化幾乎垂直于層平面，在退磁場大時(shí)這更為困難。
本發(fā)明的目的確切地說是大大減少用于寫入所需的電流密度，以避免電擊穿并最小化存儲(chǔ)器的電消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種MTJ型結(jié)構(gòu)，該MTJ型結(jié)構(gòu)最小化退磁場以盡可能降低寫入需要的臨界電流密度。為此，提供基于稀土和過渡金屬的非晶合金代替圖1和2所述的基于3d金屬(Fe、Co、Ni)及其合金的常用鐵磁層(20，22)和(40，42)，此后將其稱為亞鐵磁性非晶合金(FAA)。
因此，提供一種各存儲(chǔ)器點(diǎn)由磁隧道結(jié)形成的磁存儲(chǔ)器，包括●具有硬磁化的所謂的被鎖定磁性層，●具有可以翻轉(zhuǎn)的磁化的所謂的自由磁性層，●插入在自由層和被鎖定層之間并與這兩層分別接觸的絕緣層。
根據(jù)本發(fā)明，自由層由基于稀土和基于過渡金屬的非晶或納米晶合金制成，所述合金的磁有序是亞鐵磁性類型，所述自由層基本上具有平面磁化。
“平面磁化”用于表示磁矩位于所考慮的層的平面中，或基本上位于該平面中，相對(duì)所屬平面從10到30°的角度被視為由這一定義所包含。
根據(jù)本發(fā)明，通過經(jīng)放置于每個(gè)所屬存儲(chǔ)器點(diǎn)上的電導(dǎo)體注入電流來寫入存儲(chǔ)器點(diǎn)，所述電流的電子經(jīng)被鎖定層被自旋極化。
本發(fā)明的前述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將在以下接合附圖對(duì)特定實(shí)施方式的非限制性描述中進(jìn)行詳細(xì)討論。


圖1如前所述是現(xiàn)有技術(shù)的磁存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)的簡化表示，該磁存儲(chǔ)器具有由MTJ形成的存儲(chǔ)器點(diǎn)。
圖2是類似于圖1的簡化表示，表示出本發(fā)明的通過極化電流實(shí)施寫入的磁存儲(chǔ)器；圖3a是FAA磁化的簡化表示。
圖3b是表示FAA的磁化對(duì)溫度變化的曲線。
圖4a是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的磁存儲(chǔ)器的簡化表示。
圖4b是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的磁存儲(chǔ)器的簡化表示。
圖5是圖4a的存儲(chǔ)器點(diǎn)(60)的更具體的簡化表示。
具體實(shí)施例方式
正如在下文中簡要提及的那樣，根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)器的工作在于FAA材料和與其相關(guān)的特性性質(zhì)的應(yīng)用。正如從圖3a可以觀察到的那樣，F(xiàn)AA層(55)的宏觀磁化(50)可以分為兩種貢獻(xiàn)，一種貢獻(xiàn)是由于稀土原子次晶格(51)，而一種貢獻(xiàn)是由于過渡金屬原子次晶格(52)。示意性地，宏觀磁化(50)源于兩個(gè)次晶格(51)和(52)的矢量和。
此外，稀土晶格(51)和過渡金屬次晶格(52)的磁化被強(qiáng)耦合在一起，導(dǎo)致在由次晶格(51)和(52)中的一個(gè)選擇激發(fā)切換宏觀磁化(50)或重取向時(shí)的組合行為。
此外，當(dāng)明智選擇稀土和過渡金屬的化學(xué)特性和相對(duì)成分時(shí)，磁有序是亞鐵磁性型，也即，稀土原子次晶格(51)的磁化指向一個(gè)方向，而過渡金屬次晶格(52)指向相反的方向。如圖3a所示，如果兩個(gè)次晶格的磁化(51)和(52)的絕對(duì)值不相等，則FAA的宏觀磁矩(50)總和不為零。
此外，正如圖3b所示，稀土次晶格的磁化(51)和過渡金屬的磁化(52)的溫度變化大不相同，導(dǎo)致兩個(gè)次晶格對(duì)最終的宏觀磁化貢獻(xiàn)的相對(duì)重要性隨溫度變化。作為一般的規(guī)律，稀土次晶格(51)的磁化比過渡金屬次晶格(52)的磁化減小更快。當(dāng)明智地選擇稀土和過渡金屬的化學(xué)特性和相對(duì)成分時(shí)，由于兩個(gè)次晶格的磁化(51)和(52)反平行，因此存在一個(gè)被稱為補(bǔ)償溫度(53)的溫度，在該溫度下兩種磁化被絕對(duì)補(bǔ)償，也即，它們的幅度相等而符號(hào)相反，從而最終的宏觀磁化(50)被絕對(duì)補(bǔ)償。低于補(bǔ)償溫度，稀土金屬次晶格(51)占主導(dǎo)并限定宏觀磁化(50)的方向。高于補(bǔ)償溫度，過渡金屬次晶格(52)占主導(dǎo)并限定宏觀磁化(50)的方向。
此外，在補(bǔ)償溫度(53)，矯頑力場發(fā)散并趨于無限(見圖4)。在該補(bǔ)償溫度的每一側(cè)矯頑力場減小，在接近補(bǔ)償溫度(53)時(shí)減小總較快。
此外，過渡金屬次晶格(52)磁化的電子貢獻(xiàn)主要是導(dǎo)電電子(3d電子)，也即，參與電流傳輸?shù)碾娮印Ｈ欢?，?duì)稀土次晶格(51)的磁化有貢獻(xiàn)的電子是內(nèi)核級(jí)電子(4f電子)，所述電子是局域化的并被其它系統(tǒng)的電子強(qiáng)屏蔽。
最后，這些FAAs的內(nèi)稟性質(zhì)(宏觀磁化、磁各向異性、矯頑力場)可以由所含的元素的化學(xué)特性及其濃度來容易地控制。可以為此目的添加少量的替代元素，通常是過渡金屬、難熔金屬或稀土金屬，例如但不限于Ta、Mo、Nb、Zr、Pt、Dy和Sm。這種調(diào)整尤其能夠獲得具有本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)的磁性層所需的平面磁化的材料。
在本發(fā)明考慮的FAAs中，優(yōu)選但不限于的一種是釓(Gd)和鈷(Co)的非晶合金，例如成分為Gd30Co70，但不限制于此，所述合金與亞鐵磁性有序、小磁晶各向異性、以及在明智地選擇成分時(shí)接近存儲(chǔ)器工作溫度的補(bǔ)償溫度相聯(lián)系。
如圖4a所示，根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器點(diǎn)由MTJ(60)形成，包括具有被鎖定磁化的至少一個(gè)磁性層(61)、由氧化鋁制成的絕緣層(62)和FAA合金層(63)，該FAA合金層的磁化要被切換從而寫入存儲(chǔ)器點(diǎn)(60)。電流導(dǎo)體線(67)在存儲(chǔ)器點(diǎn)(60)上放置，并且由電流線(68)控制的晶體管(66)被放置在存儲(chǔ)器點(diǎn)(60)下面，這種結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)同樣。
有利地，如圖4b所示，可以在被鎖定層(61)上放置反鐵磁性層(69)以鎖定其磁化。
另外，也如圖4b所示，在層(63)下面放置附加磁性極化層(64)，由非磁性金屬層(65)，例如金將其與層(63)分隔開。例如基于鋱和鈷合金形成的附加磁性極化層(64)具有平行或垂直于MTJ(60)的多層結(jié)構(gòu)的平面的磁化。該層在經(jīng)由下電流線，尤其是經(jīng)連接晶體管(66)的導(dǎo)體(68)傳遞所述脈沖時(shí)也試圖確保寫入時(shí)的電流脈沖的自旋極化。
有利地，磁性層(61)由與層(63)相同或不同的FAA合金形成，該層的切換場大，例如，鋱和鈷基合金。層(64)和(65)的化學(xué)性質(zhì)在系統(tǒng)工作中所起作用很小。
寫入過程如下執(zhí)行，如圖5所示，該圖是圖4a的存儲(chǔ)器點(diǎn)(60)的放大視圖。
強(qiáng)幅度的寫入電流(80)被注入MTJ(60)。通過穿過層(61)，在電流(80)穿透層(63)時(shí)被強(qiáng)自旋極化，其磁化需要被切換。假定前面所述的層(63)的電子特性的特定性質(zhì)，由寫入電流(80)注入的被強(qiáng)自旋極化的電子將主要與過渡金屬的次晶格(72)相互作用，導(dǎo)致注入的電流(80)的極化的載流子和所述過渡金屬次晶格(72)的原子磁矩之間的角度自旋矩的轉(zhuǎn)移。由于對(duì)稀土原子次晶格(71)的磁化起作用的電子被強(qiáng)屏蔽的特性，寫入電流(80)與所述電子的相互作用非常小。因此，注入的電流(80)主要是僅觀察到層(63)的單方向磁化即過渡原子次晶格(72)的單方向，如果考慮所述電流(80)的必要幅度和持續(xù)條件，則其能夠切換所述次晶格。由于次晶格(71)和(72)之間的明顯耦合，盡管次晶格(71)很少被注入電流(80)激發(fā)，但其仍跟隨次晶格(72)，這使得能夠完成層磁化(63)的切換。
必須指出極化層(64)的磁化基本在平面內(nèi)或垂直于該平面。根據(jù)有效的模式，如果磁化在平面內(nèi)，自由層(63)的磁化將圍繞由注入自由層的電子的自旋方向限定的軸進(jìn)動(dòng)，然后平行于該方向衰減。電流脈沖期間必須足夠長，以便能夠使進(jìn)動(dòng)(precession)，然后是衰減被執(zhí)行。如果極化層磁化垂直于該平面，則自由層磁化將圍繞垂直于層平面的軸進(jìn)行，即仍保留在所述自由層的平面內(nèi)。如果要求自由層磁化在其平面內(nèi)切換180°，則寫入電流脈沖期間必須相對(duì)磁化進(jìn)行調(diào)整，以使得在其平面內(nèi)僅執(zhí)行一半的進(jìn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
讀出時(shí)，小幅度的測量電流(81)被注入MTJ(60)并且通過與圖3未描述的參考單元相比讀出其電阻值，與已有技術(shù)中同樣。這里再次利用FAAs的電子特性的特定性質(zhì)原因與上述相同，讀出電流(81)注入的電子的擴(kuò)散大部分與過渡原子次晶格(72)相關(guān)，能夠根據(jù)次晶格(72)的磁化是指向一個(gè)方向還是指向相反方向區(qū)別存儲(chǔ)器點(diǎn)(60)的狀態(tài)。另外，層(63)的與其非晶特性相關(guān)的強(qiáng)大電阻并非使用的幾何形狀上的障礙，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)熟知隧道磁電阻主要與帶有絕緣層(62)的磁性層(61)和(63)的界面相關(guān)，從而與所述界面的任一側(cè)的幾個(gè)原子面相關(guān)。
這樣可理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵诒３值偷暮暧^磁化，從而使得所述寫入電流的絕對(duì)值降低的同時(shí)，所獲得的系統(tǒng)能夠用自旋極化電流寫入。所述宏觀磁化的值容易由所使用的FAA合金的化學(xué)性質(zhì)和/或成分控制，可按自己的意愿調(diào)整寫入電流。尤其，可選擇成使得MTJ兩端電壓不超出前面確定的臨界值。
有利地，利用FAAs的強(qiáng)大電阻來通過使用寫入電流和所述強(qiáng)大電阻率的結(jié)合誘發(fā)的局部加熱進(jìn)一步降低寫入電流。如果已經(jīng)明智地選擇FAA，則這種加熱一方面能夠局部降低稀土次晶格(71)相對(duì)于過渡金屬次晶格(72)的相對(duì)貢獻(xiàn)，另一方面，減小所述過渡金屬次晶格的切換場。
有利地，可選擇磁性層(61)，使其由FAA合金制成，優(yōu)選地是由帶有強(qiáng)切換場以克服對(duì)鎖定層(69)的需求的FAA合金制成。優(yōu)選地但并非限制性地，層(61)可由鋱和鈷合金制成，或由釤和鈷合金制成。
可以理解，通過使用在存儲(chǔ)器的工作溫度下表現(xiàn)出小磁矩的FAA，其中可通過改變所述FAA的各個(gè)構(gòu)成成分的濃度和存儲(chǔ)器點(diǎn)的工作溫度按自己的意愿控制該FAA，能夠顯著降低寫入時(shí)施加的電流密度，而沒有磁隧道結(jié)被擊穿的危險(xiǎn)。的確，可使用用自旋極化的電流寫入并且可得到相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)—省去一個(gè)電流線，并且相應(yīng)地(by corollary)，在存儲(chǔ)器點(diǎn)下面定位選擇晶體管，導(dǎo)致集成度提高。
—獨(dú)立尋址所述存儲(chǔ)器點(diǎn)，抑制任何尋址錯(cuò)誤危險(xiǎn)，這一點(diǎn)用標(biāo)準(zhǔn)交叉導(dǎo)體技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)。
另外，使用帶有平面磁化的自由層，即在層平面中，能夠降低寫入用的脈沖期間，從而優(yōu)化這種類型的存儲(chǔ)器的寫入快速性。
權(quán)利要求
1.一種具有由磁隧道結(jié)(60)形成的存儲(chǔ)器點(diǎn)的磁存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器點(diǎn)包括·具有硬磁化的所謂的被鎖定磁性層(61)，·具有可以翻轉(zhuǎn)的磁化的所謂的自由磁性層(63)，·插入在所述自由層(63)和所述被鎖定層(61)之間并與這兩層分別接觸的絕緣層(62)，其特征在于所述自由層(63)由基于稀土和過渡金屬的非晶或納米晶合金制成，所述合金的磁有序是亞鐵磁性類型，所述自由層(63)具有基本上平面的磁化。
2.如權(quán)利要求1的磁存儲(chǔ)器，其特征在于所述自由層(63)由釓和鈷合金制成。
3.如權(quán)利要求1和2之一的磁存儲(chǔ)器，其特征在于所述自由層(63)還包括少量的一種或幾種替代元素。
4.如權(quán)利要求3的磁存儲(chǔ)器，其特征在于所述替代元素選自例如Zr、Mo、Nb、Ta、Pt、Dy、Sm組成的一組。
5.如權(quán)利要求1到4之一的磁存儲(chǔ)器，其特征在于所述被鎖定層(61)由基于稀土和過渡金屬的非晶合金制成，所述合金的磁有序是亞鐵磁性類型。
6.如權(quán)利要求5的磁存儲(chǔ)器，其特征在于所述被鎖定層(61)由鋱和鈷基的非晶合金制成。
7.如權(quán)利要求1到4之一的磁存儲(chǔ)器，其特征在于所述被鎖定層(61)由基于稀土和過渡金屬的非晶合金制成，所述合金的磁有序是鐵磁性類型。
8.如權(quán)利要求7的磁存儲(chǔ)器，其特征在于所述被鎖定層(61)由釤和鈷合金制成。
9.如權(quán)利要求1到8之一的磁存儲(chǔ)器，其特征在于每個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)還包括稱為極化層(64)的附加鐵磁性層，該極化層位于所述自由層(63)和連接到晶體管(66)并通過非磁性金屬層(65)與所述自由層隔離開的導(dǎo)體(68)之間。
10.如權(quán)利要求9的磁存儲(chǔ)器，其特征在于所述附加極化層(64)具有垂直于形成MTJ(60)的多層的平面的磁化。
11.如權(quán)利要求9的磁存儲(chǔ)器，其特征在于所述附加極化層(64)具有平行于形成MTJ(60)的多層的平面的磁化。
12.如權(quán)利要求9到11之一的磁存儲(chǔ)器，其特征在于所述附加極化層(64)由鋱和鈷合金制成。
13.如權(quán)利要求1到12之一的磁存儲(chǔ)器，其特征在于每個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)在其一個(gè)表面上與電導(dǎo)體(67)接觸，并且在其底部與選擇晶體管(66)接觸，通過將強(qiáng)幅度的電流脈沖送入所述導(dǎo)體(67)在所考慮的存儲(chǔ)器點(diǎn)層面上執(zhí)行寫入，所述電流由所述被鎖定層(61)自旋極化。
14.如權(quán)利要求13的磁存儲(chǔ)器，其特征在于通過所述附加極化層(64)進(jìn)一步確保所述電流的自旋極化。
15.一種隨機(jī)存取磁存儲(chǔ)器，其特征在于其根據(jù)權(quán)利要求1到14之一形成。
16.一種向磁存儲(chǔ)器寫入的方法，該磁存儲(chǔ)強(qiáng)度的每個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)由磁隧道結(jié)(60)形成，所述存儲(chǔ)器點(diǎn)包括·具有硬磁化的所謂的被鎖定磁性層(61)，·具有可以翻轉(zhuǎn)的磁化的所謂的自由磁性層(63)，·插入在所述自由層(63)和所述被鎖定層(61)之間并與這兩層分別接觸的絕緣層(62)，每個(gè)磁存儲(chǔ)器點(diǎn)在其一個(gè)表面上與電導(dǎo)體(67)接觸并且在其底部與選擇晶體管(66)接觸，其特征在于包括·所述自由層(63)由基于稀土和基于過渡金屬的非晶或納米晶合金制成，所述合金的磁有序是亞鐵磁性類型，所述自由層(63)具有基本上平面的磁化，·同時(shí)在要被寫入的存儲(chǔ)器點(diǎn)層面并經(jīng)所述被考慮的晶體管送入加熱電流，所述存儲(chǔ)器點(diǎn)將強(qiáng)幅度的電流脈沖送入所述相應(yīng)的導(dǎo)體，該導(dǎo)體的被鎖定層確保自旋極化。
17.如權(quán)利要求16的用于向每個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)都由磁隧道結(jié)(60)構(gòu)成的磁存儲(chǔ)器進(jìn)行寫入的方法，其特征在于通過附加極化層(64)進(jìn)一步確保電流脈沖的所述自旋極化，該極化層位于所述自由層(63)和連接到所述晶體管(66)并通過非磁性金屬層(65)與所述自由層隔開的所述導(dǎo)體(68)之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁存儲(chǔ)器，其中每個(gè)存儲(chǔ)器點(diǎn)由磁隧道結(jié)(60)構(gòu)成，該磁隧道結(jié)包括稱為受限制層(61)的磁性層，具有硬磁化；稱為自由層(63)的磁性層，其磁化可以被翻轉(zhuǎn)；以及設(shè)置在自由層(73)和受限制層(71)之間并且與所述兩層分別接觸的絕緣層(62)。自由層(63)由基于稀土或過渡金屬的非晶或納米晶合金制成，所述合金的磁有序是亞鐵磁類型，所述自由層基本為平面磁化。
文檔編號(hào)G11C11/15GK1556998SQ02818383
公開日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2002年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月20日
發(fā)明者讓-皮埃爾·諾茲萊斯, 勞倫特·蘭諾, 耶恩·康勞克斯, 蘭諾, 康勞克斯, 讓-皮埃爾 諾茲萊斯 申請(qǐng)人:國家科研中心