電壓控制的磁各向異性（vcma）開關(guān)和電磁存儲器（meram）的制作方法
【專利摘要】描述提供高單元密度非易失性磁設(shè)備的高效高速切換的、電壓控制的磁隧道結(jié)和存儲器器件。描述提供廣泛電壓控制備選的實現(xiàn)方式，這些備選具有平面內(nèi)和垂直磁化、雙向切換的磁化和域壁動態(tài)性控制。
【專利說明】電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)和電磁存儲器(MERAM)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2011年5月19日提交的第61/488，096號美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，在此將其全文并入作為參考。本申請要求于2011年5月19日提交的第61/488，099號美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，在此將其全文并入作為參考。本申請要求于2011年10月13日提交的第61/546，894號美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，在此將其全文并入作為參考。
[0003]關(guān)于聯(lián)邦贊助的研究或者開發(fā)的聲明
[0004]本發(fā)明是在美國國防部的國防高級研究項目機構(gòu)授予的第HR0011-10-C-0153號資助之下借助政府支持而實現(xiàn)的。
_5] 在光盤上提交的材料的引用結(jié)合[0006] 不適用
_7] 受版權(quán)保護的材料的聲明
[0008]在本專利文獻中的材料的部分在美國和其它國家的版權(quán)法之下受版權(quán)保護。版權(quán)的所有者并不反對如在美國專利和商標(biāo)局的公開可用文件或者記錄中出現(xiàn)的、任何人對專利文獻或者專利公開內(nèi)容的影印復(fù)制、但是另外保留任何所有版權(quán)。版權(quán)所有者未因此放棄它的讓本專利文獻保密的權(quán)利中的任何權(quán)利，這些權(quán)利包括而不限于它的按照37C.F.R.§ 1.14 的權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】【背景技術(shù)】
[0009]1.本發(fā)明的領(lǐng)域
[0010]本發(fā)明總體上涉及電壓引起的磁切換，更具體地，涉及電壓控制的磁開關(guān)和存儲器器件。
[0011]2.有關(guān)技術(shù)的描述
[0012]現(xiàn)代電子設(shè)備越來越多并入大量固態(tài)存儲器。電子工業(yè)不斷尋求提供低功率消耗的更高密度器件。磁存儲器器件按照它們的性質(zhì)提供非易失性特性并且作為下一代存儲器類型正在贏得越來越多關(guān)注。
[0013]然而，在提出的磁存儲器器件、比如場切換(輪換)MRAM、自旋傳送轉(zhuǎn)矩MRAM(STT-MRAM)或者熱 輔助切換MRAM (TAS-MRAM)中，需要較大電流用于切換狀態(tài)。響應(yīng)于比如經(jīng)過MTJ的層、經(jīng)過相鄰導(dǎo)體的較大電流或者通過使用電流加熱MTJ來切換這些提出的MRAM器件中的每個MRAM器件。這些器件因此鑒于需要控制和分布用于切換器件的大電流而僅賦予有限可伸縮性。
[0014]因而存在對于高密度和高能量效率的磁存儲器器件的需要。本發(fā)明滿足這一需要并且克服先前磁存儲器器件的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0015]在本發(fā)明中教導(dǎo)一種可以利用平面內(nèi)或者垂直磁化的、電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)(或者電磁結(jié)(MEJ))和電磁RAM (MeRAM或者ME-MRAM)存儲器。也描述根據(jù)本發(fā)明利用電壓控制來控制納米磁體中的域壁動態(tài)性。
[0016]教導(dǎo)一種電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān),其中通過施加電壓以改變磁化來控制開關(guān)狀態(tài)。該器件依賴于磁各向異性和磁各向異性的電場依賴性用于執(zhí)行切換。將理解各向異性是在方向上有依賴的性質(zhì)，這有別于意味著在所有方向上性質(zhì)相同的各向同性。可以定義各向異性為材料的物理或者機械性質(zhì)、在這一情況下為磁化性質(zhì)在沿著不同軸測量時的差異。選擇用于VCMA的材料和幾何形狀(例如層形狀和厚度)，從而在開關(guān)的自由層中的平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性性質(zhì)接近相等，其中響應(yīng)于施加電壓來引起自由層中的OOP各向異性修改和磁化旋轉(zhuǎn)，并且，并且響應(yīng)于存在雜散磁場來完成切換。
[0017]教導(dǎo)一種非易失性磁存儲器單兀(MeRAM),其中通過使用電場(電壓)而不是磁場或者電流切換包括VCMA開關(guān)的磁位的狀態(tài)來寫入信息。可以在電壓控制的電磁隨機存取存儲器內(nèi)利用該創(chuàng)新性單元。有益地，可以制造根據(jù)本發(fā)明的MeRAM作為用于CMOS制作的后端過程。MeRAM單元可以提供比其它類型的電磁存儲器器件顯著更高的單元密度、更好的可伸縮性和低I至3個數(shù)量級的每切換的能量，主要因為響應(yīng)于電壓而不是電流或者磁場執(zhí)行切換。除了用作存儲器之外，根據(jù)本發(fā)明的單元或者器件還可以與CMOS邏輯電路結(jié)合用來實現(xiàn)非易失性邏輯電路。
[0018]VCMA開關(guān)和MeRAM器件執(zhí)行切換而未依賴于電荷電流流過器件或者與器件接近放置的導(dǎo)體，因為它們依賴于VCMA效果用于切換。
[0019]本發(fā)明的實施例在FM自由層與FM固定層之間具有阻止電流通過的DE勢壘層(例如DE層>lnm)。在本發(fā)明的至少一個實施例中，DE層略微更薄以允許少量漏電流用于讀取器件狀態(tài)和確定切換方向，但是這不足以傳導(dǎo)以允許改變VCMA開關(guān)的狀態(tài)或者寫入MeRAM位的狀態(tài)。先前系統(tǒng)依賴于電流切換，其中使大電流穿過器件或者鄰近導(dǎo)體用于切換。在至少一個實施例中，將固定層劃分成包括被間隔物分離的固定層火半固定層的多層結(jié)構(gòu)以進一步增強VCMA效果并且提供雙向切換。
[0020]將在說明書的以下部分中帶來本發(fā)明的更多方面，其中具體描述是為了完全公開本發(fā)明的優(yōu)選實施例而未對本發(fā)明施加限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]將通過參照僅用于示例目的以下附圖，本發(fā)明可以得到更完全的理解:
[0022]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的平面內(nèi)VCMA開關(guān)的示意圖。
[0023]圖2A至圖2D是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的切換圖1的平面內(nèi)VCMA開關(guān)的示意圖。
[0024]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的垂直VCMA開關(guān)的示意圖。
[0025]圖4A至圖4D是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的切換圖3的垂直VCMA開關(guān)的示意圖。
[0026]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的平面內(nèi)MeRAM存儲器位的示意圖。
[0027]圖6A至圖6D是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的切換圖5的平面內(nèi)MeRAM的第一實施例的示意圖。
[0028]圖7A至圖7D是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的切換圖5的平面內(nèi)MeRAM的第二實施例的示意圖。
[0029]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的垂直MeRAM的示意圖。
[0030]圖9A至9D是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的切換圖8的垂直MeRAM的第一實施例的示意圖。
[0031]圖1OA至IOD是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的切換圖8的垂直MeRAM的第二實施例的示意圖。
[0032]圖1lA至圖1lC是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MeRAM存儲器單元的矯磁性的圖形。
[0033]圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的利用場式自旋轉(zhuǎn)矩以建立切換方向的平面內(nèi)MeRAM的示意圖。
[0034]圖13A至圖13D是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的切換圖12的MeRAM的示意圖。
[0035]圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的利用場式自旋轉(zhuǎn)矩以建立切換方向的垂直MeRAM的示意圖。
[0036]圖15A至圖MD是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的切換圖14的垂直MeRAM的示意圖。
[0037]圖16是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的響應(yīng)于小磁場用于確定切換方向的、電壓引起的切換動態(tài)性的圖形。
[0038]圖17是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于將電壓脈沖幅度(無磁場)用于確定兩個切換方向的MeRAM器件的切換概率比對切換電壓圖形。
[0039]圖18是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MeRAM存儲器位的示意圖，該示意圖示出在鐵磁自由層與固定層之間插入的電介質(zhì)層。
[0040]圖19A至19B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電阻比對平面內(nèi)磁場(R-H)結(jié)果的磁滯圖形。
[0041]圖20A至20E是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MeRAM器件的依賴于電壓的電阻比對平面內(nèi)磁場(R-H)特性的圖形。
[0042]圖21A至21F是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MeRAM器件的、電壓引起的切換的圖形。
[0043]圖22A和圖22B是分別用于根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的切換電壓和停留時間圖形。
[0044]圖23A和23B是分別用于根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MeRAM器件的用于平面內(nèi)和平面外場的磁化比對磁場(M-H)曲線的圖形。
[0045]圖24是用于本發(fā)明的一個實施例的仿真的自由層磁化動態(tài)性的示意圖，該示意圖示出對于在切換過程期間的不同時間沿著納米柱的主軸的磁化橫截面。
[0046]圖25是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有自由層、固定層和半固定層的MeRAM存儲器位的示意圖。
【具體實施方式】
[0047]與磁存儲器實施例一起描述一種電壓控制的磁隧道結(jié)開關(guān)。近來已經(jīng)報導(dǎo)并且關(guān)于包括電壓的條件表征在鐵磁(FM)材料與電介質(zhì)(DE)材料之間的界面(在FM/DE界面)的平面外(OOP)各向異性。本發(fā)明利用OOP各向異性的新穎性質(zhì)設(shè)計在這些效果上操作的磁開關(guān)。
[0048]在本發(fā)明中，在磁位的狀態(tài)中(即在自由層FL中)存儲信息。可以使用施加的電壓、比如僅響應(yīng)于施加的電場或者為了輔助磁場或者電流引起的切換過程或者與該切換過程結(jié)合利用而將FL的磁化從一個狀態(tài)切換成另一狀態(tài)。
[0049]1.電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)。
[0050]圖1圖示具有以下層的平面內(nèi)VCMA開關(guān)實施例10 (未示出金屬層)。鐵磁材料的鐵磁(FM)固定層12，比如包括Fe、Co、CoFe或者CoFeB。鐵磁材料的鐵磁(FM)自由層16，比如包括Fe、Co、CoFe或者CoFeB。電介質(zhì)材料的電介質(zhì)(DE)隧道勢壘14，插入在所述FM自由層與FM固定層之間，比如包括MgO。在該圖中，示出固定和自由層的磁場有相反極性。總結(jié)構(gòu)類似于磁隧道結(jié)(MTJ)并且表現(xiàn)隧道磁阻(TRM)，該TMR允許通過測量在堆兩端的電阻來讀取FL的磁狀態(tài)，但是開關(guān)的狀態(tài)未受電流控制。
[0051]應(yīng)當(dāng)理解，自由和固定層中的每層可以本身包括若干子層，這些子層組合作用提供自由或者固定層功能。示例是合成反鐵磁耦合的自由或者固定層，比如經(jīng)過薄金屬勢壘、比如釕(Ru)交換耦合的兩個CoFe或者CoFeB膜。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識許多這樣的組合可以被配置用于提供固定層和自由層。可以選擇自由層組成和冠蓋(或者種子)層以比如在該層中引起大量垂直磁各向異性。冠蓋或者種子層材料的示例包括鉭(Ta)、釕(Ru)和鈕(Pd),并且組成示例包括富Fe膜、比如Co4ciFe4tlB2tl或者Co2ciFe6tlB2tl。應(yīng)當(dāng)理解,僅通過示例提供以上內(nèi)容，并且本發(fā)明決不限于這些材料或者組成，因為可以跨越廣泛其它材料來實現(xiàn)。
[0052]鐵磁自由和固定層具有平面內(nèi)(IP)和平面外(00P，也稱為垂直)磁各向異性。00P各向異性受FM/DE界面性質(zhì)影響并且可以由在DE層兩端施加的電場(即電壓)控制、由此產(chǎn)生電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果。根據(jù)施加的電壓的特性并且在這一情況下為施加的電壓的極性(即電場的方向)增加或者減少00P各向異性。例如如果正電壓在一側(cè)上增加00P各向異性，它們在另一側(cè)上減少它，則該效果在DE勢壘的兩側(cè)上相反。還可以通過控制FM組成(例如為CoFeB中的更高Fe含量提供更高00P各向異性)和FM厚度(例如00P各向異性對于更薄膜為更大)來調(diào)節(jié)00P各向異性。
[0053]在以下描述中，應(yīng)當(dāng)理解，IP和00P各向異性代表磁化進入IP或者00P狀態(tài)的趨勢。由于兩種各向異性存在于根據(jù)本發(fā)明的器件中，所以磁化的實際狀態(tài)可以不同于IP和00P配置。因而重要的是未混淆可以相同或者可以不相同的各向異性軸和磁化方向。
[0054]本發(fā)明根據(jù)00P和IP各向異性的FM設(shè)計和相對強度以及在樣本中的去磁化強度覆蓋描述的兩種類型的VCMA開關(guān)。第一種是IP VCMA開關(guān)，在該開關(guān)中設(shè)計自由和固定層，從而二者具有平面內(nèi)指向的磁化。第二種是OOP VCMA開關(guān)，在該開關(guān)中設(shè)計自由和固定層，從而二者具有平面外指向的磁化。
[0055]1.1平面內(nèi)VCMA開關(guān)。
[0056]圖1和圖2A至2D圖示一個IP VCMA開關(guān)實施例10。在這一實施例中，設(shè)計自由層16的00P各向異性大于固定層12的00P各向異性。將示出隧道勢壘14、比如電介質(zhì)材料(例如MgO)插入在FM自由層16 (FMl)與FM固定層12 (FM2)之間。對于施加的電壓的一個極性(例如負(fù))，F(xiàn)L的00P各向異性增加，從而FL磁化轉(zhuǎn)動脫離樣本平面或者另外從IP狀態(tài)改變(例如通過變成非均勻微磁或者域狀態(tài)或者通過圍繞有效磁場開始進動運動)。一旦這一施加的電壓返回到零，磁化返回到IP狀態(tài)，但是它將指向的方向由來自固定層的雜散磁場確定。施加的負(fù)電壓因此可以將VCMA開關(guān)從平行(P)切換成反平行(AP)配置。具有相似幅度的正電壓對VCMA開關(guān)的最終磁狀態(tài)無影響?？梢允褂脤碜怨潭▽拥碾s散磁場過度補償相反外部磁場來獲得反向切換方向。此外，如果對原有脈沖進行定時以產(chǎn)生自由層磁化的進動運動而不是中間平面外或者微磁域狀態(tài)，則最終狀態(tài)由利用的脈沖寬度而不是由雜散電場確定。在這一情況下，在進動周期的近似1/2或者其奇數(shù)倍定時的脈沖將把位切換成相反狀態(tài)(P到AP或者AP到P)，而一個或者多個全進動周期定時的脈沖不會切換它。應(yīng)當(dāng)注意，脈沖寬度可以從1/2進動周期或者其倍數(shù)偏離上至約20%并且仍然有效。在不存在外部磁場或者很短電壓脈沖(少于約l_5ns)時，這些開關(guān)中的每個開關(guān)執(zhí)行僅在一個方向上的電壓控制的切換。在相反方向上的切換可以通過其它手段、比如磁場或者自旋極化電流來執(zhí)行。
[0057]在圖2A中示出響應(yīng)于負(fù)電壓脈沖、-Vl脈沖18的、電壓引起的切換。從平行(P)狀態(tài)向最終反平行(AP)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變(在相反方向上所見的用于固定和自由層的磁定向箭頭)由包括來自固定層的磁耦合場的作用于自由層的總磁場確定。
[0058]在圖2B中示出響應(yīng)于施加相同電壓脈沖，該切換在圖2A的相反方向上未發(fā)生，因為最終狀態(tài)仍然由與圖2A中相同的磁場確定，其中自由層保持于AP狀態(tài)中。
[0059]圖2C和圖2D圖示施加這里示出為+Vl脈沖20的相反電壓極性未切換在自由層中的磁化狀態(tài)而無論自由層的初始狀態(tài)是否為P或者AP。
[0060]對于圖2A至圖2D描述的平面內(nèi)切換的操作假設(shè)作用于自由層(FM1)16的雜散場有利于反平行狀態(tài)，這是如果它由磁偶極交互主導(dǎo)則有的情況。如果場有利于平行磁化狀態(tài)則操作類似，在該情況下，開始狀態(tài)將是反平行。這一初始狀態(tài)由Kpwp,FM1 (V = O) > KperpjFM2(V = O)定義，其中Kpeip表示層FMl和FM2中的每層的依賴于電壓的垂直各向異性。
[0061]在電介質(zhì)(例如MgO)兩端施加的描繪為脈沖-Vl的電場(即電壓)，這在自由層側(cè)上增強垂直各向異性并且在固定層側(cè)上減少該垂直各向異性。如在圖2A的右側(cè)上所見，這一施加的電壓在固定層側(cè)上未生成磁化改變而旋轉(zhuǎn)自由層的極化脫離平面從而允許它被來自固定層的雜散場切換。
[0062]應(yīng)當(dāng)理解在術(shù)語“旋轉(zhuǎn)”與“切換”之間的差異。術(shù)語旋轉(zhuǎn)在這里意味著優(yōu)選地指代90度旋轉(zhuǎn)改變，但是它可以有些更少、但是通常從穩(wěn)定狀態(tài)(從平面內(nèi)朝著平面外或者從平面外朝著平面內(nèi))多于45度旋轉(zhuǎn)改變。在另一方面，術(shù)語“切換”指代磁化的完全180度重新定向。因此，在指代通過施加的電壓旋轉(zhuǎn)時，這僅構(gòu)成完全切換的部分，該部分允許雜散場然后經(jīng)過路線的其余部分達到完全180度切換。(即180° =90° (V)+90° (雜散場)或者85° (V)+95° (雜散場)等。)
[0063]為了實現(xiàn)這一切換而需要的電壓由平面外去磁化場(因此為自由層飽和磁化)確定并且由Kperp,FM1 (V = -VD > 2 Msjfmi2量化，其中Ms,fm1是層FMl的飽和磁化，并且Kperp,Fm表示層Fml中的依賴于電壓的垂直各向異性。更復(fù)雜的微磁非均勻狀態(tài)或者中間進動運動也可以作為結(jié)果而出現(xiàn)，這可以相似地用來切換磁化。
[0064]在相反方向上在電介質(zhì)(例如MgO)兩端施加在圖2C中和在圖2D中描繪為施加的+Vl脈沖的電場(即電壓)在固定層側(cè)上增強垂直各向異性并且在自由層側(cè)上減少該垂直各向異性。然而由于設(shè)計固定層垂直各向異性太小而未在器件的操作電壓范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動磁化脫離平面，所以這將如在圖2C和圖2D的右側(cè)上的結(jié)果所見未產(chǎn)生切換，該結(jié)果示出無論固定和自由層的相對極化如何都無所得狀態(tài)改變。在實踐中，可以通過設(shè)計固定層厚度和組成以產(chǎn)生足夠小的垂直各向異性來滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。
[0065]應(yīng)當(dāng)理解，這里描述的、電壓引起的切換是單向的，因為雜散磁場在自由層上的方向固定。在相反方向上的切換可以通過包括電流或者磁場切換手段的其它手段來執(zhí)行。
[0066]以上描述對應(yīng)于完全電壓引起的切換。然而相同機制可以用來輔助磁隧道結(jié)的、電流引起或者場引起的切換、比如減少在自旋傳送轉(zhuǎn)矩存儲器單元或者其它類型的MRAM中需要的寫入電流。
[0067]1.2 垂直 VCMA 開關(guān)。
[0068]圖3和圖4A至圖4D圖示具有被隧道勢壘34分離的固定層32 (FM2)和自由層36(FMl)的一個OOP VCMA開關(guān)實施例30。在這一實施例中，設(shè)計自由層的OOP各向異性小于固定層的OOP各向異性。對于電壓的一個極性(例如正)，可以減少FL的OOP各向異性，從而FL磁化轉(zhuǎn)動進入樣本平面或者另外從OOP狀態(tài)改變、例如通過變成非均勻微磁或者域狀態(tài)或者通過圍繞有效磁場開始進動運動。一旦這一電壓返回到零，磁化返回到OOP狀態(tài)，但是它將指向的方向由來自固定層的雜散磁場確定。
[0069]如在圖4B中的+Vl脈沖38中的正電壓因此可以引起如箭頭從該圖的左側(cè)上的AP改變成右側(cè)上的P所見的從反平行(P)切換成平行(P)配置。如圖4A中所見向P配置施加正電壓、比如+Vl脈沖如在該圖的右側(cè)上所見未產(chǎn)生任何改變。施加具有相似幅度的負(fù)電壓、比如圖4C和圖4D中所見-Vl脈沖40對器件的最終磁狀態(tài)無影響而無論開關(guān)是在P或者AP配置中。可以例如使用對來自固定層的雜散磁場過度補償?shù)南喾赐獠看艌鰜慝@得反向切換方向。此外，如果對原有脈沖進行定時以產(chǎn)生自由層磁化的進動運動而不是中間平面內(nèi)或者微磁域狀態(tài)，則最終狀態(tài)由脈沖寬度而不是由雜散電場確定。在這一情況下，在進動周期的近似1/2或者其奇數(shù)倍定時的脈沖將把位切換成相反狀態(tài)(P到AP或者AP到P)，而一個或者多個全進動周期定時的脈沖不會切換該狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)注意，對脈沖周期的響應(yīng)僅適用于進動切換機制，而非進動切換機制未依賴于脈沖周期。
[0070]本發(fā)明的至少一個實施例描述實現(xiàn)電壓控制而不是電流控制的電磁(ME)磁隨機存取存儲器(MeRAM)。這是其它MRAM設(shè)計、比如基于自旋轉(zhuǎn)矩(STT-MRAM)或者熱輔助切換(TAS-MRAMM^ MRAM設(shè)計的可伸縮替代方案。由于未經(jīng)過電荷勢壘傳送電荷，所以MeRAM可以能量效率和可伸縮性比這些其它形式的磁切換高多個數(shù)量級而保持MRAM的所有其它優(yōu)點，比如非易失性、高速度、高耐用性和高密度。本發(fā)明特別好地適合于低能量消耗關(guān)鍵的非易失性存儲器應(yīng)用。示例包括但不限于在移動通信和計算系統(tǒng)中的嵌入式存儲器以及醫(yī)用植入物和傳感器。
[0071]一種實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選方式是將MeRAM位實現(xiàn)為VCMA開關(guān)，而有以下對于OOP和IP MeRAM 二者描述的對固定層和/或隧道勢壘的附加修改以允許雙向、電壓引起的切換。在至少一個實施例中，這一磁位與CMOS電路集成以執(zhí)行寫入操作(施加的電壓)和讀取操作(讀出在VCMA開關(guān)兩端的電阻)。
[0072]在此說明書中描述的開關(guān)利用以下關(guān)鍵效果。與平面垂直的磁各向異性存在于鐵磁和電介質(zhì)材料的界面。示例材料系統(tǒng)由CoFeB和MgO構(gòu)成，其中在CoFeB鐵磁體中的通常更高Fe含量產(chǎn)生更大垂直各向異性。有可能通過調(diào)整鐵磁體的組成、形狀和厚度來設(shè)計這一垂直各向異性允許在電介質(zhì)的兩側(cè)上實現(xiàn)可以在不同電壓切換的兩個鐵磁層(例如CoFeB)、由此充當(dāng)器件中的自由和固定層。各向異性依賴于在界面(CoFeB-MgO界面)的電場并且因此依賴于在DE層(例如MgO)兩端施加的電壓。存儲器器件可以依賴于使用隧道磁阻(TMR)現(xiàn)象的讀出，其中器件的電阻依賴于自由和固定層的相對定向。然而先前MRAM器件依賴于響應(yīng)于大量電流流量、比如經(jīng)過STT-RAM中的MTJ堆或者在輪換MRAM的情況下經(jīng)過相鄰導(dǎo)體的電流而指向的切換。而在本發(fā)明中，如果通過施加電壓來預(yù)備自由層進入不穩(wěn)定狀態(tài)，則作用于它的非零總雜散磁場(例如由偶極、交換和表面粗糙度貢獻構(gòu)成)允許對其進行切換。
[0073]以下對于圖4A至4D描述垂直開關(guān)的操作。初始狀態(tài)由下式定義:
[0074]Kperp, FM1 (V = O) < Kperp, FM2 (V = O)
[0075]其中Kpwp表不層FMl和FM2中的每層的依賴于電壓的垂直各向異性。
[0076]在圖4A中，垂直磁化狀態(tài)在相互平行的平行(P)方向上，并且響應(yīng)于在電介質(zhì)(DE)(例如MgO)兩端施加的描繪為+Vl脈沖的電場(電壓)，磁化狀態(tài)無改變，其中它如在該圖的右側(cè)上所見保持于平行(P)狀態(tài)中。
[0077]在圖4B中，在左側(cè)示出器件始于反平行(AP)磁化狀態(tài)而垂直場在相反定向中。假設(shè)作用于自由層(FMl)的雜散場有利于平行狀態(tài)，如果它由磁偶極交互主導(dǎo)則是這種情況。如果場有利于反平行磁化狀態(tài)則操作類似，在該情況下開始狀態(tài)將是平行。
[0078]在電介質(zhì)(例如MgO)兩端施加描繪為+Vl脈沖的電場(即電壓)，這在固定層側(cè)上增加垂直各向異性并且在自由層側(cè)上減少該垂直各向異性。這在固定層側(cè)上未產(chǎn)生磁化改變而旋轉(zhuǎn)自由層的磁化脫離平面從而允許它如在圖4B的右側(cè)上所見被來自固定層的雜散場切換成平行(P)狀態(tài)。為了實現(xiàn)這一切換(AP到P)而需要的電壓由平面外去磁化場(因此為自由層飽和磁化)確定，該去磁化場由下式給定:
[0079]Kperpj FM1 (V — +VI)〈 2 Ms,fm1。
[0080]在以上關(guān)系中，Ms,fm1是層FMl的飽和磁化，并且Kpwp,FM1表示層FMl中的依賴于電壓的垂直各向異性。
[0081]更復(fù)雜的微磁非均勻狀態(tài)或者中間進動運動也可以作為結(jié)果而出現(xiàn)，這可以相似地用來切換磁化。
[0082]在相反方向上在電介質(zhì)(例如MgO)兩端施加在圖4C至圖4D中示出為-Vl脈沖的電場(即電壓)在固定層側(cè)上增強垂直各向異性并且在自由層側(cè)上減少該垂直各向異性。然而由于設(shè)計固定層垂直各向異性太大而未在器件的操作電壓范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動磁化進入平面，所以這將如在圖4C和圖4D的右側(cè)上所見未產(chǎn)生切換而無論固定和自由層的相對磁化定向如何。
[0083]如在先前實施例中那樣，提供的、電壓引起的切換是單向的，因為雜散磁場在自由層上的方向固定。對于這一實施例在相反方向上的切換可以通過其它手段(例如電流或者磁場)來執(zhí)行。
[0084]以上描述對應(yīng)于完全電壓引起的切換，然而相同機制可以用來輔助磁隧道結(jié)的、電流引起的切換，例如朝著減少在自旋傳送轉(zhuǎn)矩存儲器單元中需要的寫入電流。
[0085]2.MeRAM 位實施例。
[0086]本發(fā)明的這些實施例包括如下存儲器單元，在該存儲器單元中，在磁位的狀態(tài)中(即在自由層中)存儲信息。自由層的磁化可以使用施加的電壓，比如僅響應(yīng)于施加電場或者與磁場或者電流引起的切換過程結(jié)合從一個狀態(tài)切換成另一狀態(tài)。可以根據(jù)這些實施例響應(yīng)于電壓控制在兩個方向上執(zhí)行切換。
[0087]2.1平面內(nèi)MeRAM位切換。
[0088]圖5、圖6A至圖6D和圖7A至圖7D圖示圖示平面內(nèi)MeRAM位的一個實施例50及其在兩個配置中的切換。示出MeRAM包括各種組成的FM和DE層。請注意，該描述為了簡化而未描述使用金屬接觸層，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解比如在整個層堆的兩側(cè)(頂部和底部)上需要這些接觸。
[0089]在圖5中示出鐵磁層包括鐵磁半固定層54 (FM3)、鐵磁固定層58 (FM2)和鐵磁自由層62 (FM1)。示出MeRAM包括各種組成的FM和DE層。利用‘半固定’層這一稱謂是因為用于這一層的磁化可以對于一些施加的電壓旋轉(zhuǎn)、但是對于其它電壓未旋轉(zhuǎn)。請注意，該描述為了簡化而未描述使用金屬接觸層，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解需要接觸。應(yīng)當(dāng)理解，通過示例而非限制，這些FM層中的每個FM層可以包括Co、Fe、CoFe或者CoFeB。示出非磁(電介質(zhì)或者金屬)層52、56和60在器件的頂部和在每對FM層之間從而提供隧道勢壘和間隔物層。
[0090]可選地，可以或者可以未經(jīng)過金屬勢壘膜(例如釕(Ru))交換耦合固定和半固定層。它們也可以被普通金屬(例如鉭(Ta))分離、因此僅為偶極耦合、比如后文關(guān)于圖25描述的那樣?？偨Y(jié)構(gòu)類似于磁隧道結(jié)(MTJ)并且表現(xiàn)隧道磁阻(TMR)，該TMR允許通過測量在堆兩端的電阻來讀取FL的磁狀態(tài)。
[0091]也應(yīng)當(dāng)理解，自由、半固定和固定層中的每層可以本身由若干子層構(gòu)成，這些子層組合作用提供自由或者固定層功能。示例是合成反鐵磁耦合的自由、半固定或者固定層，該層例如包括經(jīng)過薄金屬勢壘、比如釕(Ru)交換耦合的兩個CoFe或者CoFeB膜。
[0092]鐵磁層具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)垂直各向異性。OOP各向異性受FM/DE界面性質(zhì)影響并且可以由在DE層兩端施加的電場(即電壓)控制。根據(jù)施加的電壓的極性(即電場的方向)增加或者減少OOP各向異性。該效果在DE勢壘的兩側(cè)上相反，從而如果正電壓在勢壘的一側(cè)上增加OOP各向異性，則它們在另一側(cè)上減少該OOP各向異性。還可以通過控制FM組成(例如為CoFeB中的更高Fe含量為更高OOP各向異性)和FM厚度(例如OOP各向異性對于更薄膜為更大)來調(diào)節(jié)OOP各向異性。
[0093]設(shè)計自由、固定和半固定層，從而它們具有平面內(nèi)指向的磁化而設(shè)計自由層的OOP各向異性最大并且固定層的OOP各向異性最小而半固定層具有中間OOP各向異性。
[0094]對于電壓的一個極性(例如負(fù))，可以增加FL的OOP各向異性，從而FL磁化轉(zhuǎn)動脫離樣本平面。一旦這一電壓返回到零，磁化返回到IP狀態(tài)，但是它將指向的方向由來自固定和半固定層的組合的雜散磁場確定。對于相同極性(例如負(fù))的更大的施加的電壓，半固定層也將轉(zhuǎn)動脫離平面。在這一情況下，F(xiàn)L的最終方向?qū)H由來自固定層的雜散場確定，因為半固定層向雜散場提供減少或者為零的水平分量。以這樣的方式設(shè)計固定/半固定層組合使得這兩種情況在不同方向上提供雜散場。負(fù)電壓因此可以根據(jù)施加的電壓幅度將VCMA開關(guān)從平行(P)切換成反平行(AP)配置以及相反。具有相似幅度的正電壓對VCMA開關(guān)的最終磁狀態(tài)無影響。
[0095]MeRAM的這一實施例響應(yīng)于施加-Vl脈沖執(zhí)行反平行到(AP)到平行(P)切換而施加_V2脈沖執(zhí)行P到AP切換。具有大于-Vl (負(fù)得更少)的電壓的脈沖未允許任何情況。用于這一點的關(guān)系如下:
[0096]Kperp, FM1 (V = O) > Kperp, FM3 (V = O) > Kperp, FM2 (V = O)；
[0097]Kperpj FM1 (V — _V1)〉2 τι MSj FM1 ；
[0098]Kperp, FM3(V — _V2〈 -VI)?2 Ms,FM3。
[0099]在以上關(guān)系中,Kperp和M s分別表不用于三個鐵磁層中的每個鐵磁層的依賴于電壓的垂直各向異性和飽和磁化。第一關(guān)系定義器件的備用條件，自由層具有最高垂直各向異性、繼而分別為半固定和固定層。第二和第三關(guān)系定義用于通過施加的電壓分別轉(zhuǎn)動自由和半固定層脫離樣本平面的條件。
[0100]在圖6A中，在自由層62的為平行(P)狀態(tài)的初始狀態(tài)(重置條件)中向MeRAM施加-Vl脈沖64，并且如在該圖的右側(cè)中所見，最終狀態(tài)不變。然而如圖6B中所見，施加更大脈沖-V266改變自由層62的磁化并且如在該圖的右側(cè)中所見將單元的狀態(tài)改變成設(shè)置狀態(tài)，其中FL的方向已經(jīng)從平行(P)切換成反平行(P)。一旦設(shè)置，如6C中所見施加-Vl脈沖64引起重置，該重置使單元返回到自由層62的平行場方向。在圖6D中示出施加-V266脈沖在自由層62在反平行方向(AP)中時對輸出無影響，因為自由層62保持于反平行(AP)方向上，其中單元狀態(tài)不變。
[0101]在圖7A至7D中示出用于相反固定/半固定層組合的與圖6A至圖6D的情況類似的情況。在圖7C中，在平行(P)狀態(tài)中的自由層62的初始狀態(tài)(重置條件)中向MeRAM施加-Vl脈沖64，并且如在該圖的右側(cè)中所見，該狀態(tài)在P狀態(tài)中保持不變。然而如圖7D中所見，施加更大脈沖-V266改變自由層62的磁化并且如在該圖的右側(cè)中所見將單元的狀態(tài)改變成設(shè)置狀態(tài)，其中FL的方向已經(jīng)從平行(P)切換成反平行(P)。一旦設(shè)置，如7A中所見施加-Vl脈沖64引起重置，該重置使單元返回到自由層62的平行(P)場方向。在圖7B中示出施加-V266脈沖在自由層62在反平行方向(AP)中時對輸出無影響，因為自由層62保持于反平行(AP )方向上，其中單元狀態(tài)不變。
[0102]從以上可見，本發(fā)明因此描述一種MeRAM位設(shè)計，其中單極設(shè)置/重置電壓脈沖可以在相反方向上切換位磁化。相反極性的電壓未影響自由層狀態(tài)。相反極性因此可以用于使用TMR效果來讀出磁位信息而讀取引起的錯誤切換事件很少從而產(chǎn)生低讀取擾動率。
[0103]2.2平面外MeRAM位切換。
[0104]在本發(fā)明的這一實施例中，在存儲器單元中存儲信息為具有與平面垂直的磁化的磁位(即在自由層FL中)的狀態(tài)。FL的磁化可以響應(yīng)于施加的電壓從一個定向(代表第一單元狀態(tài))切換成另一定向(代表第二單元狀態(tài))。在至少一個實施例中，僅響應(yīng)于施加的電壓脈沖確定單元狀態(tài)，而其它實施例可以與磁場或者電流弓I起的切換過程結(jié)合利用施加的電壓脈沖?？梢詢H通過施加電壓在兩個方向上執(zhí)行切換。
[0105]圖8A、圖9A至圖9D和圖1OA至圖1OD圖示垂直MeRAM位的一個實施例70及其切換。示出MeRAM位包括各種組成的FM和DE層。請注意，該描述為了簡化而未描述使用金屬接觸層，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解需要比如在層堆的兩側(cè)(頂部和底部)上連接的這些接觸。磁存儲器位由各種FM層構(gòu)成，這些FM具有插入的電介質(zhì)或者金屬層。
[0106]在圖8中，示出鐵磁(FM)層包括半固定層74 (FM3)、固定層78 (FM2)和自由層82 (FM1)。這些FM層中的每個FM層可以例如包括Co、Fe、CoFe或者CoFeB材料。示出非磁電介質(zhì)(DE)或者金屬層72、76和80 (例如MgO、Ta)在頂部和在每對FM層之間作為隧道勢壘和/或間隔物層。
[0107]固定和半固定層可以或者也可以不經(jīng)過金屬膜(例如Ru)交換耦合。它們也可以被普通金屬、比如Ta分離，因此僅為偶極耦合?？偨Y(jié)構(gòu)類似于磁隧道結(jié)(MTJ)并且表現(xiàn)隧道磁阻(TMR)，該TMR允許通過測量在堆兩端的電阻來讀取FL的磁狀態(tài)。
[0108]鐵磁層具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)垂直各向異性。OOP各向異性受FM/DE界面影響并且可以由在DE層兩端施加的電場(即電壓)控制。根據(jù)施加的電壓的極性(即電場的方向)增加或者減少OOP各向異性。該效果在DE勢壘的兩側(cè)上相反，從而如果正電壓在一側(cè)上增加OOP各向異性，則它們在另一側(cè)上減少該OOP各向異性。還可以通過控制FM組成(例如為CoFeB中的更高Fe含量為更高OOP各向異性)和FM厚度(OOP各向異性對于更薄膜為更大)來調(diào)節(jié)OOP各向異性。
[0109]在本發(fā)明的這一部分中，描述垂直、比如平面外(OOP)、基于VCMA開關(guān)的存儲器位。在這一垂直MeRAM位單元中，設(shè)計自由、固定和半固定層，從而它們具有與樣本平面垂直指向的磁化。
[0110]在這一實施例中，設(shè)計自由層的00P各向異性最小，并且固定層的00P各向異性最大，而半固定層具有中間00P各向異性。對于電壓的一個極性(例如正)，可以減少FL的00P各向異性，從而FL磁化進入樣本平面。一旦這一電壓返回到零，磁化返回到00P狀態(tài)，但是它將指向的方向由來自固定和半固定層的組合的雜散磁場確定。對于相同極性(例如正)的更大的施加的電壓，半固定層也將進入該平面。在這一情況下，F(xiàn)L的最終方向?qū)H由來自固定層的雜散場確定，因為半固定層向雜散場提供減少或者為零的豎直分量。以這樣的方式設(shè)計固定/半固定層組合使得這兩種情況在不同方向上提供雜散場。正電壓因此可以根據(jù)施加的電壓幅度將VCMA開關(guān)從平行(P)切換成反平行(AP)配置以及相反。具有相似幅度的負(fù)電壓對VCMA開關(guān)的最終磁狀態(tài)無影響。
[0111]MeRAM的這一實施例響應(yīng)于施加+Vl脈沖執(zhí)行反平行到(AP)到平行(P)切換而施加+V2脈沖執(zhí)行P到AP切換。具有小于+Vl的電壓的脈沖未產(chǎn)生任何情況。用于這一點的關(guān)系如下:
[0112]Kperp, FM1 (V = 0) < Kperp, FM3 (V = 0) < Kperp, FM2 (V = 0)；
[0113]Kperp, FM1 (V — +VI) < 2 MSj FM1 ；
[0114]Kperp,FM3(V = +V2>+Vl)?2πΜ3,Μ32。
[0115]同樣在以上關(guān)系中，Kpeip和Ms分別表不用于三個鐵磁層中的每個鐵磁層的依賴于電壓的垂直各向異性和飽和磁化。第一關(guān)系定義器件的備用條件，自由層具有最低垂直各向異性、繼而分別為半固定和固定層。第二和第三關(guān)系定義用于通過施加的電壓分別轉(zhuǎn)動自由和半固定層進入樣本平面的條件。
[0116]在圖9Α中，在自由層82的初始平行(P )狀態(tài)(重置條件)中向MeRAM施加+VI脈沖84以如在該圖的右側(cè)中所見將FL層82的磁化改變成反平行(ΑΡ)。在圖9Β中示出施加更大脈沖+V286未改變自由層82的磁化的初始狀態(tài)，并且在該圖的右側(cè)中示出該狀態(tài)未變。一旦設(shè)置，如圖9C中所見，施加+Vl脈沖84如在該圖的右側(cè)中所見未影響單元狀態(tài)。在圖9D中，施加+V2脈沖(+V2>+V1)將FL82的磁化從設(shè)置狀態(tài)改變回成平行(P)從而重置器件狀態(tài)。[0117]在圖1OA至圖1OD中，對于相反固定/半固定層組合示出類似情況。在圖1OC中，在自由層82的初始平行(P)狀態(tài)(重置條件)中向MeRAM施加+Vl脈沖84以如在該圖的右側(cè)中所見將FL層82的磁化改變成反平行(AP)。在圖1OD中示出施加更大脈沖+V286未改變自由層82的磁化的初始狀態(tài)，并且在該圖的右側(cè)中示出該狀態(tài)未變。一旦設(shè)置，如圖1OA中所見，施加+Vl脈沖84如在該圖的右側(cè)中所見未影響單元狀態(tài)。在圖1OB中，施加+V2脈沖(+V2HV1)將FL82的磁化從設(shè)置狀態(tài)改變回成平行(P)從而重置器件狀態(tài)。
[0118]本發(fā)明因此描述一種MeRAM位設(shè)計，其中單極設(shè)置/重置電壓脈沖可以在相反方向上切換位磁化。重要的是理解施加相反極性的電壓未影響自由層狀態(tài)；其中相反極性信號可以用于使用TMR效果來讀出位的磁狀態(tài)而讀取引起的錯誤切換事件很少從而產(chǎn)生低讀取擾動率。將理解這一種將反向電壓用于讀取MeRAM是這一實施例的重要優(yōu)點。
[0119]3.利用場式自旋轉(zhuǎn)矩的雙向切換的MeRAM。
[0120]在本發(fā)明的這一實施例中，在具有平面內(nèi)和平面外磁化的磁位的狀態(tài)中(即在自由層FL中)存儲信息。FL的磁化可以使用施加的電壓(即電場)從一個狀態(tài)切換成另一狀態(tài)，該電壓修改自由層的垂直各向異性。切換方向由施加的電壓的量值確定，該量值確定穿過器件的漏電流數(shù)量。漏電流引起的場式自旋轉(zhuǎn)矩(以及在更少程度上為規(guī)則自旋轉(zhuǎn)矩)用來確定切換方向。
[0121]本發(fā)明描述用于實現(xiàn)電磁(即電壓控制而不是電流控制)磁隨機存取存儲器(MeRAM)的構(gòu)建塊。
[0122]MeRAM具有如圖1中先前描述的相同配置，自由層16 (FM1)、固定層12 (FM2)和電介質(zhì)(DE)隧道勢壘14 (例如MgO)插入在鐵磁(FM)層之間。
[0123]將助于為了描述簡化而未示出金屬接觸層的連接，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解需要這些接觸。這些接觸將通常設(shè)置于整個層堆的兩側(cè)(頂部和底部)上、比如在圖18和圖25中表示的那樣。因此將示出磁存儲器位由各種FM層構(gòu)成，這些FM層具有插入的電介質(zhì)或者金屬層。
[0124]自由和固定層中的每層可以本身由若干子層構(gòu)成，這些子層一起作用提供自由或者固定層功能。示例是例如合成反鐵磁耦合的自由或者固定層，該層例如包括經(jīng)過薄金屬勢壘、比如釕(Ru)交換耦合的兩個CoFe或者CoFeB膜。
[0125]可以或者可以不采用反鐵磁膜(例如鉬-錳(PtMn)或者銥-錳(IrMN))來配置固定層用于交換。它也可以被合成反鐵磁(SAF)材料替換?？偨Y(jié)構(gòu)類似于磁隧道結(jié)(MTJ)并且表現(xiàn)隧道磁阻(TMR)，該TMR允許通過測量在堆兩端的電阻來讀取磁狀態(tài)，而未被配置用于響應(yīng)于電流流量切換器件。選擇DE層充分厚以在施加低于擊穿電壓的電壓時僅允許小的漏電流流量。然而也選擇它薄到足以提供充分漏電流(因此為場式自旋轉(zhuǎn)矩)以允許后者影響切換方向。
[0126]鐵磁自由層(FL)具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)垂直各向異性。OOP各向異性受FM/DE界面影響并且可以由在DE層兩端施加的電場(即電壓)控制。根據(jù)施加的電壓的極性(即電場的方向)增加/減少OOP各向異性。還可以通過控制FM組成(例如為CoFeB中的更高Fe含量為更高OOP各向異性)和FM厚度(例如OOP各向異性對于更薄膜為更大)來調(diào)節(jié)OOP各向異性。
[0127]以下是本發(fā)明的這一要素的多個關(guān)鍵要素。經(jīng)過器件的泄漏電流產(chǎn)生場式自旋轉(zhuǎn)矩(以及規(guī)則自旋轉(zhuǎn)矩)，這以與施加的磁場等效的方式影響器件。這一個場的量值(即漏電流數(shù)量)由向器件或者更具體地在FM層兩端、比如優(yōu)選地在堆的頂部和底部上的金屬接觸兩端施加的切換電壓的量值控制。相對于圖1或者其它先前實施例的關(guān)鍵差異是電介質(zhì)勢壘的厚度，該厚度在這一情況下仍然允許一些漏電流流動。
[0128]通過調(diào)節(jié)漏電流(因此調(diào)節(jié)這一有效場)，向器件施加的不同電壓導(dǎo)致產(chǎn)生不同切換方向。在技術(shù)術(shù)語中，場式轉(zhuǎn)矩使器件的易磁化軸電阻比對磁場磁滯回路的中心移位、由此使它有利于平行(P)或者反平行(AP)狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識在更少程度上，可以通過也存在于本發(fā)明器件中的規(guī)則自旋轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)這一移位。由于場式轉(zhuǎn)矩隨電流增加，所以有利于的方向依賴于穿過器件的漏電流數(shù)量、因此由施加的電壓控制。僅需小的漏電流用于器件操作，因為電流僅用來選擇切換方向而未產(chǎn)生切換。切換由電壓(而不是電流)激活，該電壓通過修改它的垂直各向異性將FL置于亞穩(wěn)定狀態(tài)中。
[0129]應(yīng)當(dāng)認(rèn)識本發(fā)明不同于自旋傳送轉(zhuǎn)矩(STT)存儲器，因為切換由電壓引起而不是電流引起，并且小的漏電流僅用來確定切換方向而未激活開關(guān)。因此，本發(fā)明提供向SST存儲器提供更能量高效的切換，因為它使用小得多的電流。此外，無需規(guī)則STT用于這一器件工作，并且事實上僅場式轉(zhuǎn)矩就足以確定電壓激活的切換的方向
[0130]本發(fā)明也區(qū)別于在先前章節(jié)中描述的MeRAM實施例，因為在那些情況下，實際(在器件內(nèi)部或者外部)磁場用來確定切換方向，而在本發(fā)明中，這被小的、電流引起的轉(zhuǎn)矩替換，該轉(zhuǎn)矩在技術(shù)上實施起來更容易和可靠。
[0131]以下描述與在先前章節(jié)中描述的實施例操作的用于確定用于利用場式轉(zhuǎn)矩的切換方向的替代方案。
[0132]圖1lA至IlC描繪利用場式轉(zhuǎn)矩(FLT)的MeRAM位的矯磁性。在這些圖中示出磁滯回路，該磁滯回路代表器件的依賴于電壓的、電阻比對易磁化軸磁場特性。在隧道勢壘兩端施加的電壓減少矯磁性并且將器件置于亞穩(wěn)定狀態(tài)中，漏電流數(shù)量(因此為與偏移場比較的場式轉(zhuǎn)矩量值)確定切換方向。
[0133]器件由于在自由和固定層之間的偶極和/或Neel耦合和/或交換交互而具有非零偏移場(H.)。對于由于泄漏引起的場式轉(zhuǎn)矩(FLT)(以及任何規(guī)則STT)所致的磁滯比這一偏移場更小的電壓，偏移場確定切換方向，而對于更大電壓，F(xiàn)LT大到足以使器件在相反方向上切換。在圖1lA至圖1lC中示出這一點，其中FLT的效果由水平移動的電阻比對場回路代表，(即與有效磁場相似)。在另一方面，電壓本身的效果是通過減少它的矯磁性將器件置于亞穩(wěn)定狀態(tài)中。兩個切換電壓盡管在產(chǎn)生的FLT方面不同、但是必須大到足以通過克服FL去磁化場(對于IP器件)或者它的垂直各向異性(對于OOP器件)來使自由層不穩(wěn)定。
[0134]在圖1lA中，施加的電壓V大于切換閾值電壓Vswiteh、因此將自由層置于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而該狀態(tài)準(zhǔn)備好切換。在圖1lB中，施加的電壓Vl大于切換閾值電壓Vswitdl,其中泄漏引起的移位小于偏移場，從而平行(P)到反平行(AP)切換出現(xiàn)。在圖1lC中，施加的電壓V2大于施加的電壓VI,后者大于切換閾值電壓Vswitah,其中泄漏引起的移位大于偏移場,從而反平行(AP)到平行(P)切換出現(xiàn)。
[0135]圖12和圖13A至圖13D圖示利用場式轉(zhuǎn)矩的一個平面內(nèi)MeRAM位實施例110的切換配置。在圖12中示出MeRAM結(jié)構(gòu)具有固定層112 (FM2)、自由層116 (FM1)，勢壘層114插入在這兩層之間。
[0136]在圖13A至圖13D中，示出切換通過修改場式轉(zhuǎn)矩來響應(yīng)于適當(dāng)極性的施加的電壓的量值。對于切換的要求如下:
[0137]Kperp, FM1 (V = O) > Kperp, FM2 (V = O)；
[0138]Kperp, FM1 (V — V2)〉Kperp, FM1(V — VI)〉2 τι Ms_ FM1 ；
[0139]Hflt (Vl) < Hoff < Hflt (V2)。
[0140]在以上關(guān)系中，Kpap和Ms分別表示用于鐵磁層中的每個鐵磁層的依賴于電壓的垂直各向異性和飽和磁化。第一關(guān)系定義器件的備用條件，自由層具有更高垂直各向異性。第二關(guān)系定義用于電壓引起的切換的條件，該條件例如是在自由層中的電壓引起的垂直各向異性大于它的去磁化場、由此對于切換電壓Vl和V2 二者將它置于不穩(wěn)定狀態(tài)中。第三關(guān)系定義磁滯回路的依賴于電壓(泄漏引起)的移位Hfu分別對于切換電壓Vl和V2為小于/大于偏移(內(nèi)部器件)場Htjff以便實現(xiàn)雙向切換。
[0141]在圖13A中，施加第一電壓Vl脈沖118將FL從P狀態(tài)改變成AP狀態(tài)。如圖13B中所見附加施加第一電壓Vl脈沖118未改變FL層的狀態(tài)。在圖13C中示出施加更大V2脈沖120從而將AP狀態(tài)改變回成P狀態(tài)，但是它未更改如圖13D中所見為不變的平行狀態(tài)的FL狀態(tài)。
[0142]應(yīng)當(dāng)注意，鑒于不同磁化配置，對電壓控制的磁化各向異性Kpwp具有與先前章節(jié)比較的不同要求。
[0143]圖14和圖15A至圖15D圖示用于利用場式轉(zhuǎn)矩的一個平面外(垂直)MeRAM位實施例130的切換。在圖14中示出MeRAM結(jié)構(gòu)具有固定層132 (FM2)、自由層136 (FMl )，勢壘層134插入在這兩層之間。
[0144]在圖15A至圖15D中，示出切換通過修改場式轉(zhuǎn)矩來響應(yīng)于適當(dāng)極性的施加的電壓的量值。對于切換的要求如下:
[0145]K perpjFM1 (V = O) < Kperpj FM2 (V = O)；
[0146]Kperp, FM1 (V = V2) < Kperp, FM1 (V = VI) > 2 π Ms,fm12 ；
[0147]Hflt (Vl) < Hoff < Hflt (V2)。
[0148]在以上關(guān)系中，Kpap和Ms分別表示用于鐵磁層中的每個鐵磁層的依賴于電壓的垂直各向異性和飽和磁化。第一關(guān)系定義器件的備用條件，自由層具有更低垂直各向異性。第二關(guān)系定義用于電壓引起的切換的條件，從而在自由層中的電壓引起的垂直各向異性小于它的去磁化場、由此對于切換電壓Vl和V2 二者將它置于不穩(wěn)定狀態(tài)中。第三關(guān)系定義磁滯回路的依賴于電壓(泄漏引起)的移位Hfu應(yīng)當(dāng)分別對于電壓Vl和V2為小于/大于偏移(內(nèi)部器件)場Htjff以便實現(xiàn)雙向切換。
[0149]同樣，適當(dāng)極性的施加的電壓的量值通過修改場式轉(zhuǎn)矩來確定切換方向。將注意在與先前章節(jié)比較時響應(yīng)于這一不同磁化配置而對電壓控制的磁化各向異性Kpap的要求不同。
[0150]在圖15C中，在自由層136的初始平行(P)狀態(tài)(重置條件)中向MeRAM施加Vl脈沖140以如在該圖的右側(cè)中所見將FL層136的磁化改變成反平行(AP)。在圖15A中示出施加更大脈沖V2 138未改變自由層136的初始磁化狀態(tài)，并且在該圖的右側(cè)中示出該狀態(tài)未變。一旦設(shè)置，如圖15D中所見，施加Vl脈沖140如在該圖的右側(cè)中所見未影響單元狀態(tài)。在圖15B中，施加V脈沖138 (V2>V1)將FL 136的磁化從設(shè)置狀態(tài)改變回成平行從而重置器件狀態(tài)。
[0151]在圖12A、圖13A至圖13D、圖14和圖15A至圖15D的以上示例中，僅一個電壓極性帶來器件中的切換，而另一極性未使FL磁化不穩(wěn)定。這一極性也對應(yīng)于漏電流(FLT)在與偏移場比較的相反方向上作用的方向。
[0152]本發(fā)明因此描述如下MeRAM位設(shè)計，在該MeRAM位設(shè)計中，單極設(shè)置/重置電壓脈沖可以在相反方向上切換位磁化。相反極性的電壓未影響自由層狀態(tài)。相反極性因此可以用于使用TMR效果來讀出磁位信息而讀取擾動低。
[0153]圖16和圖17描繪與本發(fā)明的實施例的操作相符的結(jié)果。在圖16中示出磁隧道結(jié)的、電壓引起的切換而切換方向由小的外部磁場確定，示出該磁場在上曲線中對于AP到P切換為-800e而為+800e有助于從P到AP的切換。示出切換時間下至10ns。在圖17中，示出使用FLT與IOOms寬的電壓脈沖的雙向MeRAM切換(將注意經(jīng)常用短和長脈沖執(zhí)行表征)。示出測量的切換概率曲線為施加的電壓脈沖幅度的函數(shù)從而指示用單極切換電壓的設(shè)置/重置操作。具有方點的在左側(cè)上峰化的曲線指示P到AP切換，而具有圓點的另一曲線描繪AP到P切換。
[0154]4.0納米磁體中的域壁的、電壓控制的切換。
[0155]磁性的電場控制可以明顯提高自旋裝置(spintixmic)器件的能量效率從而增強磁存儲器的性能?？赡芨匾氖?，磁性控制可以通過使非易失性自旋裝置器件與常規(guī)半導(dǎo)體開關(guān)比較有能量競爭力來擴展它們的超出存儲器的應(yīng)用范圍、由此實現(xiàn)新一代超低功率非易失性自旋裝置系統(tǒng)。自旋極化電流已經(jīng)廣泛用來操縱和切換納米磁體中的磁化。然而使用電流未限制自旋裝置存儲器和邏輯器件的能量效率，這些存儲器和邏輯器件包括基于域壁的存儲器和邏輯器件。
[0156]以下發(fā)明實施例描述納米磁體中的微磁配置的電場控制，這些微磁配置在以CoFeB和MgO膜為例的FM和DE膜的界面表現(xiàn)電壓控制的磁各向異性(VCMA)。示出域壁形成依賴于電壓并且示范磁化配置在具有相反手性(chirality)的兩個域壁狀態(tài)之間的、VCMA引起的切換而無自旋極化電流的影響。
[0157]使用電壓以控制磁性質(zhì)實現(xiàn)自旋裝置中的主要范式轉(zhuǎn)變從而消除對于當(dāng)前用來操縱磁化的自旋極化電流的需要。已經(jīng)通過許多方式探索磁性的電壓控制，這些方式包括單相多鐵材料、多鐵異構(gòu)結(jié)構(gòu)(其中通過機械應(yīng)變耦合磁和電性質(zhì))，半傳導(dǎo)材料(其中以載流子為媒介的鐵磁性由柵極電壓調(diào)制)，以及薄金屬膜(其中鐵磁相轉(zhuǎn)變(即居里溫度)由施加的電壓調(diào)制)。
[0158]顯得有顯著價值的是考慮在DE層兩端施加的電壓對在FM/DE界面的磁各向異性的電場控制，其中假設(shè)它使用廣泛采用的材料(例如在用磁阻隨機存取存儲器(MRAM)的磁隧道結(jié)(MTJ)中使用的材料)。這些材料賦予高隧道磁阻(TMR)比率并且與用于常規(guī)半導(dǎo)體電子裝置的制作過程兼容。另外，它們的電磁耦合為以應(yīng)變?yōu)槊浇榈氖聦嵲试S它們賦予高耐用性從而使它們更適合于其中需要頻繁切換的邏輯和存儲器應(yīng)用。因此，在磁納米結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)VCMA引起的切換應(yīng)當(dāng)不僅產(chǎn)生高能量效率的磁存儲器而且可以提供用于超低功率自旋裝置邏輯器件的關(guān)鍵啟用器，這些邏輯器件一般需要磁狀態(tài)的頻繁和能量高效切換。
[0159]這一機制適用于任何電壓控制的磁存儲器位(比如在先前實施例中描述的磁存儲器位)以減少為了切換這些結(jié)構(gòu)中的存儲器位而需要的電壓從而產(chǎn)生減少的操作電壓、提高的能量效率和增加的存儲器速度。
[0160]實現(xiàn)減少切換電壓如下。鐵磁自由層(FL)具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)磁各向異性。OOP各向異性受FM/DE界面性質(zhì)影響并且可以由在DE層兩端施加的電場(即電壓)控制從而利用VCMA效果。如在先前實施例中概述的那樣，使用這一效果，通過在DE層兩端施加電壓來執(zhí)行存儲器位的切換。在設(shè)計自由層使得在FM自由層中的IP和OOP各向異性接近相等時最大化對磁配置的電壓控制。FM固定層具有主導(dǎo)平面內(nèi)或者平面外各向異性。在這一情況下，在DE層兩端施加電壓對器件的磁配置產(chǎn)生最大影響、因此最小化切換電壓。然而由于在IP與OOP磁配置之間的競爭，以這一方式設(shè)計的器件可能沒有均勻平面內(nèi)或者平面外磁化、代之以形成非均勻域式或者其它微磁狀態(tài)。盡管形成這樣的域壁狀態(tài)可能減少器件的磁阻比率，但是它提供響應(yīng)于施加的電壓的與完全平面內(nèi)或者平面外情況比較的更大可調(diào)性。微磁非均勻自由層因此可以用來獲得更低切換電壓。
[0161]可以通過自由層的設(shè)計來實現(xiàn)IP和OOP各向異性的平衡，該設(shè)計包括但不限于調(diào)節(jié)它的組成、調(diào)節(jié)它的形狀和厚度以調(diào)整OOP各向異性(更薄膜具有更大界面各向異性)、調(diào)節(jié)它的退火溫度和退火磁場以及使用不同冠蓋或者插入層以調(diào)整OOP各向異性。
[0162]本發(fā)明覆蓋平面內(nèi)以及平面外MeRAM開關(guān)和存儲器位，比如但不限于在先前存儲器實施例中報導(dǎo)的平面內(nèi)以及平面外MeRAM開關(guān)和存儲器位，其中利用IP和OOP各向異性的平衡有利于最小化必需切換電壓和/或其中自由層的微磁配置可以作為結(jié)果而非均勻。
[0163]描述橢圓納米磁體中的使用VCMA效果的對域壁的、電壓控制的形成、操縱和切換，優(yōu)選地并入這些納米磁體作為用于經(jīng)由TMR效果讀出的CoFeB-MgO的自由層?？疾霤oFeB自由層厚度以及向器件施加的電場對納米級自由層的微磁配置的影響。微磁仿真成功在線實驗觀測的依賴于電壓的磁阻特征從而提供關(guān)于電場對自由層的域形成和磁化配置的影響的認(rèn)識。觀測經(jīng)由中間域壁對從平面內(nèi)到平面外的磁化的、電壓控制的調(diào)制。最后示范納米級圖案化的磁膜中的矯磁性的、VCMA引起的修改從而允許域壁手性的、電壓引起的切換。切換方向由向器件施加的優(yōu)選為近似IOOOe或者更少的小的平面內(nèi)外部磁場控制。
[0164]圖18圖示在這一章節(jié)中利用的電磁器件的一個實施例150。柱節(jié)段154從平面節(jié)段152延伸。示出在柱的頂部與底部之間施加156電壓。舉例而言，示出Si/Si02襯底158，底部電極160在該襯底之上。柱154按照順序包括以下層:Ta 162 (例如5nm) ;C02ciFe6ciB2tl自由層 164 ；MgO DE 層 166 ；Co60Fe20B20 FM 固定層 168 ；Ru 層 170 (例如 0.85nm)，用于提供反鐵磁層間交換耦合Ao7ciFe3tl交換偏置層(例如2.3nm) 172，該層的磁化方向使用PtMn層(例如20nm)174通過交換偏置來固定；以及頂部電極176。舉例而言而非限制,在這一工作中利用的器件的柱是170nm (178) X60nm (180)橢圓納米柱。
[0165]在自由層164中，該厚度定義這一層的平面內(nèi)、平面外或者域壁配置并且在測試中沿著單個硅晶片上的楔變化以示范具有這三個磁配置中的每個磁配置的器件。在MgO DE層166中，厚度定義漏電流的量值，并且這在測試中沿著單晶硅上的楔變化以示范具有不同漏電流的器件。
[0166]器件結(jié)構(gòu)以兩種主要方式不同于具有界面垂直各向異性的自旋傳送轉(zhuǎn)矩(STT)器件的器件結(jié)構(gòu)。首先設(shè)計MgO隧道勢壘厚到足以使電流引起的STT在這些樣本中為小(最大電流在這些測試中近似為10 μ A)。其次，對于多個器件，如以下描述的那樣設(shè)計這一工作中的自由層厚度與平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性的補償點更近得多從而產(chǎn)生更豐富的微磁配置集合。
[0167]用于TaGVCc^F^Bjt^fl.0-1.4楔)/MgO(厚度以nm為單位)測試樣本的磁化比對磁場(M-H)曲線指示在CoFeB-MgO界面(在后文補充信息章節(jié)中描述)的依賴于厚度的垂直各向異性。發(fā)現(xiàn)用于抵消用于樣本的垂直(界面)和形狀引起(平面內(nèi))引起的各向異性
的轉(zhuǎn)變厚度近似為1.lnm。在自由層中的總垂直各向異性Keff由Kt.1r = Ks(V)/lt cFM ++++ 2hM；:
給定，其中Ks(V)是在CoFeB-MgO界面的(依賴于電壓的)表面垂直各向異性，tC()FeB是自由層的厚度，并且M s是自由層飽和磁化。
[0168]圖19A和19B描繪電阻比對平面內(nèi)磁場(R-H)回路的測量，其中沿著橢圓納米磁體的主軸施加場。從對圖案化的VCMA開關(guān)納米柱的電測量中清楚總自由層各向異性對厚度的依賴性，這些納米柱具有不同C02ciFe6ciB2ci厚度值。具有tC()FeB = 1.33nm的器件示出與橢圓的形狀各向異性定義的平面內(nèi)易磁化軸對應(yīng)的方形磁滯行為，該行為是圖19A和19B中所示幾乎全幀磁滯曲線(標(biāo)記為t=l.33nm)0與這一點對照,??！?= Inm器件示出如標(biāo)記為t=lnm的接近水平線所見的無磁滯的硬軸行為，該行為指示自由層易磁化軸與樣本平面垂直。然而對于具有與轉(zhuǎn)變厚度(Wel3 = 1.13nm,標(biāo)記為t=l.13nm)接近的自由層的器件，磁滯回路的形狀與單域行為不一致并且代之以可以歸結(jié)于如在圖19B的右窗格II和IV中所見的在自由層中有域壁的微磁狀態(tài)。這一域結(jié)構(gòu)的形成歸因于這些有限尺寸的圖案化的VCMA開關(guān)中的微妙能量平衡，其中易磁化平面(easy plane)形狀引起的各向異性(即去磁化)和易磁化軸垂直各向異 性接近相互補充。隨之無對于單域垂直或者單域平面內(nèi)狀態(tài)的清楚能量偏好允許形成域壁狀態(tài)以便最小化總磁體靜態(tài)能量。在自由層中存在域壁由微磁仿真支持，其中如圖19B中所見在減少CoFeB厚度與增加垂直各向異性Ku之間發(fā)現(xiàn)良好定性一致。
[0169]垂直界面各向異性Ku也可以由在MgO層兩端施加的電壓來調(diào)制。作為結(jié)果，在納米級VCMA開關(guān)結(jié)構(gòu)中，施加的電壓也可以用與以上所示厚度依賴性相似的方式修改自由層的微磁配置。接近轉(zhuǎn)變厚度最大化自由層中的微磁狀態(tài)的電壓可調(diào)性(即它們對施加的電場的靈敏性)。
[0170]圖20A至圖20E圖示根據(jù)這些測試的作為磁場特性的函數(shù)的電阻。在圖20A和圖20B中，對于器件自由層厚度tC()FeB = 1.16nm的器件中的不同偏置電壓電平示出磁阻回路。所有測量是對于平面內(nèi)并且沿著橢圓器件的主軸施加的場。在這些測試中，正電壓減少納米磁體中的垂直各向異性Ku。在正電壓偏置(~IV),易磁化軸(easy axis)回路對應(yīng)于自由層的磁化在樣本平面內(nèi)。隨著減少正電壓，垂直各向異性的增加使矯磁性減少直至形成域壁狀態(tài)，這伴隨有形成非方形磁滯回路，比較圖19B和圖20A。在電壓極性反向時，如圖20B中所見，增加負(fù)電壓進一步增強垂直各向異性從而產(chǎn)生域壁寬度的減少。同時，這轉(zhuǎn)化成微磁狀態(tài)的矯磁性增加和在回路中心測量的TMR比值減少。最后，充分大的負(fù)電壓迫使自由層磁化完全脫離平面。矯磁性對施加的電壓的依賴性大量受自由層厚度影響。例如通過將自由層的厚度調(diào)節(jié)成更小值(t_B = 1.13nm)，減少完全平面內(nèi)狀態(tài)的矯磁性(對于施加的電壓~IV)，并且可以獲得如圖20C和圖20D中所見矯磁性隨著電壓減少而單調(diào)(增加)改變。發(fā)現(xiàn)矯磁性對施加的電壓(或者等效物對垂直各向異性)的依賴性與微磁仿真良好一致。在圖20E中示出仿真的平面內(nèi)磁阻回路的示例，在該示例中，從易磁化軸向硬軸的改變和關(guān)聯(lián)矯磁性改變與實驗結(jié)果良好定性一致。
[0171]在本發(fā)明中，利用隨著正電壓的矯磁性減少以便電切換自由層中的域壁手性(見圖19B，右窗格II和IV)而無自旋極化電流的影響。
[0172]圖21A至21F描繪域壁手性的、電壓引起的切換。為了舉例說明切換過程，考慮如圖21A和圖21B中所示在均衡(OV)和在正電壓的磁滯曲線。均衡狀態(tài)具有約1200e的矯磁性，并且在它的高和低阻域壁狀態(tài)之間的TMR比值近似為9%?；芈肥境鲇捎谂c固定層的非零耦合所致的約700e的偏移場Η。#頂部水平軸表示向器件施加的易磁化軸偏置場Hbias,而底部水平軸示出有效場Heff = Hbias-HtjfP在向在高阻狀態(tài)中的器件施加正電壓脈沖(圖21A和圖21C中的點A)時，自由層的垂直各向異性減少從而減少它的矯磁性。作為結(jié)果，在新能量圖景之下，迫使磁化松弛成低阻中間狀態(tài)(圖21A和圖21C中的點B)。在去除電壓之后，磁化重新配置成具有相反手性的域壁狀態(tài)(圖21A和圖21C中的點C)從而完成反向過程。圖21A和21B示出作用于自由層的有效場(即Heff)的符號將確定切換方向，因此電壓引起的切換對于給定的偏置磁場為單向。圖21C和圖21D描繪使用IOOms長的電壓脈沖的在器件中的用于兩個方向的準(zhǔn)靜態(tài)切換。在微磁仿真中再現(xiàn)切換過程從而舉例說明微磁紋理的、電壓引起的修改負(fù)責(zé)帶來手性反向。
[0173]圖21A至21F中所示切換對應(yīng)于在納米磁體的中心附近的域壁手性反向(見圖19B，右窗格II和IV)。這與在這一器件中觀測的兩個域壁狀態(tài)之間的相對小的有效MR比率一致((Λ R/R) eff近似為9%)，因為在自由層的邊緣附近的區(qū)域(垂直磁化)對MR無貢獻。作為比較，用于相同晶片上的單域平面內(nèi)器件(具有更厚自由層)的對應(yīng)TMR比率是約為110%的(AR/R)max (如圖19A中所見)。這也部分地說明(AIVR)eff隨著垂直各向異性增加而減少(見圖20B和圖20D)，因為后者的增加通過使表面引起的垂直各向異性在確定磁靜態(tài)配置時更為主導(dǎo)來減少自由層中的`域壁寬度。
[0174]圖21E和圖21F描繪均值切換電壓V。對測量下至IOns的施加的電壓脈沖寬度t的依賴性，該電壓脈沖寬度是從用于每個數(shù)據(jù)點的>100個切換事件獲得的。結(jié)果對于低(即平行(P))到高(即反平行(AP))和AP到P切換方向二者示范域壁手性的、電壓引起的切換而電壓脈沖下至IOns并且幅度近似為IV。切換電壓對脈沖寬度的依賴性遵循可以向形式為V。= Vetl (1-A-1In(Vxtl))的函數(shù)良好擬合的熱激活模型，其中％是與磁化的諧振頻率的倒數(shù)對應(yīng)的所謂嘗試時間，并且\0是是用于在t = τ ^切換的推測臨界電壓。
[0175]如上所述，使用相同極性的電壓來執(zhí)行在兩個方向上的切換而用小的偏置磁場確定切換方向。也測量切換電壓對施加的磁場的依賴性。
[0176]圖22k和圖22B分別代表用于測試設(shè)備的切換電壓和停留時間。圖22k描繪切換電壓隨著Hrff增加而減少，這指示在切換電壓幅度與平面內(nèi)磁場之間的折衷，該折衷輔助切換過程。
[0177]表征這些測試設(shè)備中的域壁狀態(tài)的熱穩(wěn)定性。這是如圖22B中所示通過對于向設(shè)備施加的不同磁場測量(從在零施加電壓的>30個切換周期獲得的)均值停留時間來執(zhí)行的。將曲線推測至備用(Heff=OOe)條件產(chǎn)生約1.7X109秒(>50年)的留置時間，這對于嘗試時間Ttl= Ins對應(yīng)于Eb=~42kT的用于熱引起的切換的能量勢壘，其中k和T分別是玻爾茲曼常數(shù)和溫度。均衡域壁狀態(tài)因此提供用于非易失性操作的充分穩(wěn)定性。[0178]作為結(jié)論，已經(jīng)使用在MgO和CoFeB膜的界面的、電壓控制器的磁各向異性(VCMA)來示范域壁動態(tài)性的電場操縱并且具體為納米磁體中的域壁手性的、電場引起的切換。該切換未利用自旋極化電流。使用TMR效果來讀出位磁配置。預(yù)計對域壁動態(tài)性的相似電壓控制也在其它納米結(jié)構(gòu)(例如納米線等)中是可能的。這些結(jié)果提供一種用于通過利用在具有非均勻微磁配置的自由層中對施加的電壓的更大靈敏性來減少MeRAM的切換電壓和能量耗散的方法。
[0179]4.1樣本預(yù)備方法。 [0180]以下通過示例而非限制描述用于在章節(jié)4.0中描述的樣本的預(yù)備。在物理氣相沉積(PVD)系統(tǒng)中沉積如圖18B中所示具有襯底/底部電極組成的連續(xù)多層膜，并且隨后在IT的平面內(nèi)磁場中持續(xù)2.0小時在300°C退火。然后使用電子束光刻和離子碾磨技術(shù)將膜圖案化成用于電傳送測量的170nmX60nm橢圓納米柱。通過DC ?賤射來沉積所有金屬膜,而從陶瓷MgO靶通過射頻(RF)濺射來沉積隧道勢壘。CoFeB自由層和MoG隧道室內(nèi)厚度在沉積期間跨越相同晶片變化以形成兩個垂直楔。設(shè)計MoG隧道勢壘厚到足以使電流引起的自旋傳送轉(zhuǎn)矩(STT)在這些樣本中可忽略不計。為了在膜級測量Co2ciFe6ciB2ci自由層的磁性質(zhì)，也沉積由襯底/底部電極/Ta (5)/ (Co20Fe60B20) (tC()FeB=l.0-1.4楔)/MgO/頂部電極(厚度以nm為單位)構(gòu)成的測試結(jié)構(gòu)。
[0181 ] 電測量是在室溫通過高帶寬(40GHz )探測器經(jīng)由頂部和底部電極接觸納米柱。總是平面內(nèi)沿著納米柱的易(長)軸施加磁場。用閉環(huán)PID磁體-高斯計系統(tǒng)在探測站中執(zhí)行電測量從而產(chǎn)生對于磁場的設(shè)置值為〈1%的典型誤差、在l_20e之間的波動以及在場的開端期間無過沖。為了測量停留時間，小電壓(IOmV)用來監(jiān)視納米磁體的狀態(tài)。對于每個磁場，記錄至少30個事件以便估計停留時間。對于脈沖式實驗，偏置T用來從設(shè)備電阻的靜態(tài)測量(DC臂)去耦合電壓脈沖(RF臂)。從至少100個切換事件測量在給定的磁場和電壓脈沖持續(xù)時間的均值切換電壓。
[0182]在微磁仿真中包括多層堆中的固定層以考慮在這些測試中觀測的非零耦合場。運行多數(shù)仿真而未考慮溫度波動(T=0K)。然而包括溫度(Τ=300Κ)影響的仿真用來確認(rèn)域壁狀態(tài)在室溫的存在和穩(wěn)定性。在所有仿真中，垂直各向異性的改變模擬電壓影響。
[0183]4.2補充信息。
[0184]4.2.1CoFeB 膜的磁性質(zhì)。
[0185]為了在膜級測量Co2ciFe6ciB2ci自由層的磁性質(zhì)，沉積由襯底/底部電極/Ta (5) /(Co20Fe60B20) CtcoFeB=1- 0-1.4楔)/MgO/頂部電極(厚度以nm為單位)構(gòu)成的測試結(jié)構(gòu)。
[0186]圖23A和圖23B分別對于具有三個不同CoFeB厚度值(tC()FeB)的這些測試樣本描繪用于平面內(nèi)和平面外磁場的磁化比對磁場(M-H)曲線。觀測到該結(jié)構(gòu)的磁易磁化軸由于在CoFeB-MgO界面的垂直各向異性而從對于?_3=1.25nm的平面內(nèi)改變成對于Wel3=L 04nm的平面外。不同曲線對應(yīng)于Co2ciFe6ciB2ci厚度的不同值。也發(fā)現(xiàn)用于抵消用于這些樣本的界面垂直各向異性和形狀引起的去磁化場的轉(zhuǎn)變厚度也如圖19A和圖19B中注意的那樣近似為1.lnm。這小于對于具有相似自由層組成的MgO/C02QFe6(lB2Q/Ta堆(其中CoFeB由Ta冠蓋而不是沉積于Ta上)觀測的轉(zhuǎn)變厚度，這可以歸結(jié)于在后一種情況下存在磁停用層。
[0187]4.2.2在具有垂直各向異性的自由層中的微磁狀態(tài)
[0188]在自由層中的有效垂直各向異性Keff*Keir = K,(Y)/itcFdi+++++2ιΛ<給定，其中Ks(V)是在CoFeB-MgO界面的表面垂直各向異性(可以由向VCMA開關(guān)的電壓調(diào)制)，tCoFeB是自由層的厚度，并且2iMs2是有利于磁化在樣本平面內(nèi)的、形狀引起的去磁化能量。如可以從圖19A、圖19B和圖20A至圖20E觀測的那樣，電壓和厚度對Keff并且因此對自由層的磁狀態(tài)具有從磁阻曲線可見的定性相似影響。
[0189]具體而言，感興趣的是如下厚度值，在這些厚度值，垂直各向異性接近于抵消平面內(nèi)形狀各向異性。對于這一情況，比如在Krff — O時，Ks(V)的改變將生成Krff的更大相對改變、由此最大化自由層中的微磁狀態(tài)的電壓可調(diào)性。在這一范疇中，在平面內(nèi)、形狀引起的各向異性和界面垂直各向異性接近相互抵消時，磁化配置變成對其它影響、比如偶極場更靈敏。在自由層中形成域壁狀態(tài)(見圖19B，右窗格II和IV)時，減少磁雜散場。偶極磁體靜態(tài)能量的所得減少由于非均勻磁化配置而可以轉(zhuǎn)化成比交換能量的增加更大的能量減少從而使域結(jié)構(gòu)為能量有利狀態(tài)。
[0190]4.2.3域壁手性的切換動態(tài)性。
[0191]已經(jīng)在這一工作中利用垂直各向異性的電壓依賴性以實現(xiàn)如在先前章節(jié)中討論的、電壓引起的切換。在仿真中再現(xiàn)并且在這一章節(jié)中描述切換過程的微磁圖片。仿真的結(jié)構(gòu)是包括合成反鐵磁固定層的橢圓柱。在均衡磁阻曲線(圖20E中所示)的這些仿真中未考慮由于有限溫度所致的熱激發(fā)的影響。因此，盡管仿真再現(xiàn)觀測的數(shù)據(jù)的所有定性特征，但是未進行進一步嘗試以互動額定性一致。
[0192]圖24圖示仿真的自由層磁化動態(tài)性為對于在切換過程期間的不同時間(I)、
(II)、(III)和(IV)沿著納米柱的主軸的橫截面。用于磁化的初始(均衡)狀態(tài)(I)對應(yīng)于域壁。假設(shè)固定層為單域并且在樣本的平面中磁化，磁阻主要源于自由層的中心部分(在圖19B和圖24中醒目顯示)，該中心部分具有非零平面內(nèi)分量。證實在這一域壁內(nèi)的磁矩(即域壁手性的反向)帶來設(shè)備的低和高阻狀態(tài)的觀測的差值。在施加正電壓脈沖(II)時，垂直各向異性減少，并且在兩個域中的磁化旋轉(zhuǎn)以獲取更大平面內(nèi)分量(圖24中的醒目顯示的域旋轉(zhuǎn))。然而最好地描述為>180度域壁的這一狀態(tài)在熱學(xué)上不穩(wěn)定，并且磁化通過將域壁切換成中間狀態(tài)(III)而松弛。最后，在釋放電壓脈沖時，垂直各向異性再次增加，并且系統(tǒng)以域壁磁化向相反方向切換從而產(chǎn)生不同電阻值的域壁狀態(tài)(IV)而告終。
[0193]圖25圖不電磁器件的一個實施例190，該電磁器件是圖18中描述的電磁器件的備選并且示出該電磁器件具有自由層(FL)、鐵磁材料(FM)的固定層和半固定層。柱節(jié)段194從平面節(jié)段192延伸。示出在柱的頂部與底部之間施加196電壓。舉例而言，示出Si/Si02襯底198，底部電極200在該襯底之上。在這一示例中，也描繪利用普通金屬(例如Ta)在固定和半固定層之間的偶極耦合。然而可以備選地通過薄金屬勢壘膜(例如釕(Ru))交換耦合固定和半固定層。柱194按照順序包括以下層:Ta202 (例如?1-lOnm)、C02ciFe6ciB2ciFM自由層204 (例如?l-2nm)、Mg0勢壘層206 (例如?I_2nm)、Co20Fe60B20FM固定層208 (例如?l-2nm)、另一 Ta 層 210 (例如?l_2nm)、Co20Fe60B20 半固定層 212、另一 Mg0214 層(例如?
l-2nm)和頂部電極216。204,206和208的組合類似于磁隧道結(jié)(MTJ)并且表現(xiàn)隧道磁阻(TMR)，該TMR允許通過測量在堆兩端的電阻來讀取FL的磁狀態(tài)。如在先前實施例中那樣，自由、半固定和固定層中的每層可以本身由一起作用提供自由或者固定層功能的若干子層構(gòu)成。
[0194]從以上討論將理解可以用包括以下方式的各種方式體現(xiàn)本發(fā)明。[0195]1.一種電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)裝置，包括:至少兩個鐵磁(FM)層，具有FM固定層和FM自由層；電介質(zhì)(DE)層，插入在所述FM固定層與所述FM自由層之間；并且其中選擇所述FM自由層和所述FM固定層的材料、形狀和厚度以具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性；其中選擇所述FM自由層的材料、形狀和厚度以具有接近相等的平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性；并且其中所述FM自由層的OOP各向異性受在所述FM層與所述DE層之間的界面性質(zhì)影響，并且受作為施加的電壓在所述DE層兩端施加的電壓控制從而產(chǎn)生對所述裝置中的所述FM自由層中的磁化定向進行切換的、電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果。
[0196]2.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中所述FM自由層的所述磁化在平面內(nèi)(IP)或者平面外(OOP)這兩個磁化定向狀態(tài)之間可切換。
[0197]3.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中所述磁化定向狀態(tài)相對于所述固定層的磁化定向為平行(P)和反平行(AP)。
[0198]4.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中所述裝置響應(yīng)于電壓施加來改變磁狀態(tài)(切換)，并且無需電荷電流流過所述裝置或者流過與所述裝置鄰近設(shè)置的導(dǎo)體以執(zhí)行所述切換。
[0199]5.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中響應(yīng)于所述施加的電壓確定所述鐵磁(FM)自由層的磁化定向的所述切換，所述施加的電壓引起磁化旋轉(zhuǎn)并且允許響應(yīng)于存在雜散磁場而出現(xiàn)完全切換以將所述磁化切換成它的最終切換狀態(tài)。
[0200]6.根據(jù)實施例5所述的裝置，其中所述至少一個雜散場從所述鐵磁(FM)固定層產(chǎn)生。
[0201]7.根據(jù)實施例5所述的裝置，其中所述至少一個雜散場從所述鐵磁(FM)固定層和從附加鐵磁(FM)半固定層產(chǎn)生。
[0202]8.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中所述鐵磁(FM)自由層包括一層或者層組合。
[0203]9.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中所述鐵磁(FM)固定層包括一層或者層組合。
[0204]10.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中響應(yīng)于所述電壓脈沖在被配置用于所述磁化的進動運動的裝置上的寬度改變所述磁化定向。
[0205]11.根據(jù)實施例10所述的裝置，其中響應(yīng)于所述電壓脈沖的寬度改變所述磁化定向，所述寬度是進動周期的近似1/2或者其奇數(shù)倍。
[0206]12.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中所述裝置包括平面內(nèi)(IP)、電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)裝置。
[0207]13.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中所述裝置包括平面外(00P)、電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)裝置。
[0208]14.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中通過響應(yīng)于隧道磁阻(TMR)性質(zhì)測量經(jīng)過所述FM自由層、DE層和FM固定層的電阻來讀取所述裝置的磁化定向。
[0209]15.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中從由Fe、Co、Pt、Pd、CoFe和CoFeB構(gòu)成的鐵磁材料組選擇所述鐵磁材料。
[0210]16.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中所述電介質(zhì)材料包括MgO。
[0211]17.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中通過控制包括Fe含量比率、FM層形狀和FM層厚度的FM組成來調(diào)節(jié)所述00P各向異性。
[0212]18.根據(jù)實施例1所述的裝置，其中通過與FM層相鄰放置附加非磁金屬層來調(diào)節(jié)所述OOP各向異性，其中所述金屬層增加所述OOP各向異性和所述VCMA效果。
[0213]19.根據(jù)實施例18所述的裝置，其中所述金屬層包括鉭(Ta)。
[0214]20.根據(jù)實施例1所述的裝置，還包括與所述鐵磁(FM)固定層鄰近設(shè)置的至少一個鐵磁(FM)半固定層和將所述FM固定層從所述FM半固定層分離的間隔物層。
[0215]21.根據(jù)實施例20所述的裝置，其中所述間隔物層包括對所述裝置的所述電壓控制的磁各向異性無貢獻的金屬材料。
[0216]22.根據(jù)實施例20所述的裝置，其中對于不同施加的電壓雙向改變所述磁化定向。
[0217]23.根據(jù)實施例20所述的裝置，其中在電磁隨機存取存儲器(MeRAM)內(nèi)并入所述電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)作為位,其中響應(yīng)于施加第一電壓信號將位狀態(tài)寫入成第一狀態(tài)，并且響應(yīng)于施加第二電壓信號將所述位狀態(tài)寫入成第二狀態(tài)。
[0218]24.根據(jù)實施例23所述的裝置，其中響應(yīng)于在所述裝置兩端檢測的電阻讀取所述MeRAM，所述電阻是響應(yīng)于施加所述第一和第二電壓的具有相反極性的電壓而檢測的。
[0219]25.根據(jù)實施例20所述的裝置，其中所述FM半固定層和所述FM固定層包括交換耦合的一對層，并且所述間隔物層包括反鐵磁層間交換耦合材料以增強交換耦合。
[0220]26.根據(jù)實施例25所述的裝置，其中所述反鐵磁層間交換耦合材料的所述間隔物層包括釕(Ru)，其中選擇所述Ru層的厚度以提供反鐵磁層間交換耦合。
[0221]27.一種電壓控制的電磁隨機存取存儲器(MeRAM)裝置，包括:至少三個鐵磁(FM)層，具有FM固定層、FM半固定層和FM自由層；其中所述FM半固定層和所述FM自由層設(shè)置于所述FM固定層的相反側(cè)上；以及電介質(zhì)(DE)層,插入在所述FM自由層與FM固定層之間；間隔物，將所述FM固定層從所述FM半固定層分離；其中選擇所述FM自由層、所述FM固定層和所述FM半固定層的材料、形狀和厚度以具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性；其中選擇所述FM自由層的材料、形狀和厚度以具有接近相等的平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性；其中選擇所述FM半固定層的材料、形狀和厚度以具有在接近相等與所述FM固定層的優(yōu)選平面之間平衡的平面內(nèi)(IP)和平面外(00P)各向異性；其中所述FM自由層的00P各向異性受在所述FM層與所述DE層之間的界面性質(zhì)影響，并且受作為施加的電壓在所述DE層兩端施加的電壓控制從而產(chǎn)生電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果，所述VCMA效果旋轉(zhuǎn)所述FM自由層的磁化定向并且響應(yīng)于來自所述FM半固定和固定層的雜散磁場來完全切換，所述磁定向的狀態(tài)確定用于所述MeRAM的位狀態(tài)；并且其中所述FM半固定層的00P各向異性受在所述FM層與所述DE層之間的所述界面性質(zhì)影響，并且受作為施加的電壓在所述DE層兩端施加的電壓控制從而產(chǎn)生電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果,所述VCMA效果旋轉(zhuǎn)所述FM半固定層的磁化定向而未完全切換它的磁定向。
[0222]28.根據(jù)實施例27所述的裝置，還包括與所述FM半固定層鄰近設(shè)置的第二 DE層，并且其中在所述FM半固定層與所述第二 DE層之間的界面性質(zhì)影響所述FM半固定層的所述00P各向異性并且受作為施加的電壓在所述第二 DE層兩端施加的電壓控制從而產(chǎn)生電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果,所述VCMA效果旋轉(zhuǎn)所述FM半固定層的磁化定向而未完全切換它的磁定向。
[0223]29.根據(jù)實施例27所述的裝置，其中響應(yīng)于施加第一電壓信號將位狀態(tài)寫入成第一狀態(tài)并且響應(yīng)于施加第二電壓信號將所述位狀態(tài)寫入成第二狀態(tài)。[0224]30.根據(jù)實施例28所述的裝置，其中響應(yīng)于在所述裝置兩端檢測的電阻讀取所述MeRAM，所述電阻是響應(yīng)于施加所述第一和第二電壓的具有相反極性的電壓而檢測的。
[0225]31.一種電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)裝置，包括:至少兩個鐵磁(FM)層，具有FM固定層和FM自由層；以及電介質(zhì)(DE)層，插入在所述FM自由層與FM固定層之間；其中選擇所述FM自由層和所述FM固定層的材料、形狀和厚度以具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性；其中選擇所述FM自由層的材料、形狀和厚度以具有接近相等的平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性；其中所述FM自由層的所述OOP各向異性受在所述FM層與所述DE層之間的界面性質(zhì)影響，并且受作為施加的電壓在所述DE層兩端施加的電壓控制，從而產(chǎn)生對所述裝置中的所述FM自由層中的磁化定向進行切換的、電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果；并且其中在包括磁域壁的兩個磁化狀態(tài)之間切換所述FM自由層的所述磁化，其中所述域壁包含大的平面內(nèi)(IP)磁化分量。
[0226]32.根據(jù)實施例31所述的裝置，其中所述磁化定向狀態(tài)是具有相反手性的域壁，其中所述域壁手性的磁化相對于所述FM固定層的磁化定向狀態(tài)為平行(P)和反平行(AP)。
[0227]33.一種電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)裝置，包括:至少兩個鐵磁(FM)層，具有FM固定層和FM自由層；以及電介質(zhì)(DE)層，插入在所述FM自由層與FM固定層之間；其中選擇所述FM自由層和所述FM固定層的材料、形狀和厚度以具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性；其中選擇所述FM自由層的材料、形狀和厚度以具有接近相等的平面內(nèi)(IP)和平面外(00P)各向異性；其中所述FM自由層的所述00P各向異性受在所述FM層與所述DE層之間的界面性質(zhì)影響，并且受作為施加的電壓在所述DE層兩端施加的電壓控制，從而產(chǎn)生對所述裝置中的所述FM自由層中的磁化定向進行切換的、電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果；并且其中選擇所述DE層的厚度以允許用于響應(yīng)于施加的電壓基于漏電流引起的磁轉(zhuǎn)矩確定切換方向的充分漏電流，而所述漏電流不足以切換所述裝置的所述磁化狀態(tài)。
[0228]34.根據(jù)實施例33所述的裝置，其中在電磁隨機存取存儲器(MeRAM)內(nèi)并入所述電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)作為位,其中響應(yīng)于施加第一電壓信號將位狀態(tài)寫入成第一狀態(tài)并且響應(yīng)于施加第二電壓信號將所述位狀態(tài)寫入成第二狀態(tài)。
[0229]35.根據(jù)實施例33所述的裝置，其中在平面內(nèi)(IP)或者平面外(00P)這兩個磁化定向狀態(tài)之間切換所述FM自由層的所述磁化。
[0230]36.根據(jù)實施例33所述的裝置，其中所述磁化定向狀態(tài)相對于所述固定層的磁化定向為平行(P)和反平行(AP)。
[0231]37.根據(jù)實施例33所述的裝置，其中所述VCMA開關(guān)響應(yīng)于電壓施加來切換并且無需電荷電流流過所述裝置或者流過與所述裝置鄰近設(shè)置的導(dǎo)體以執(zhí)行所述切換。
[0232]38.根據(jù)實施例33所述的裝置，其中響應(yīng)于施加的電壓確定所述鐵磁(FM)自由層的磁化定向的所述切換，所述施加的電壓引起磁化旋轉(zhuǎn)并且允許響應(yīng)于存在雜散磁場而出現(xiàn)完全切換以將所述磁化切換成它的最終切換狀態(tài)。
[0233]39.根據(jù)實施例38所述的裝置，其中所述至少一個雜散場從所述鐵磁(FM)固定層和從附加鐵磁(FM)半固定層產(chǎn)生。
[0234]40.根據(jù)實施例33所述的裝置，其中通過響應(yīng)于隧道磁阻(TMR)性質(zhì)測量經(jīng)過所述FM自由層和所述FM固定層的電阻來讀取所述電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)的磁化定向。[0235] 雖然以上描述包含許多細(xì)節(jié)，但是不應(yīng)解釋這些為限制本發(fā)明的范圍而是為僅提供本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實施例中的一些優(yōu)選實施例的示例。因此將理解，本發(fā)明的范圍完全涵蓋可以變成為本領(lǐng)域技術(shù)人員所清楚的其它實施例并且本發(fā)明的范圍相應(yīng)地未受除了所附權(quán)利要求之外的內(nèi)容限制，在所附權(quán)利要求中，對要素的單數(shù)引用除非這樣明確地陳述則未旨在于意味著“一個并且僅一個”而是“一個或者多個”。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的與以上描述的實施例的要素等效的所有結(jié)構(gòu)、化學(xué)和功能等效物通過引用而明確地結(jié)合于此并且旨在于為當(dāng)前權(quán)利要求所涵蓋。另外，設(shè)備或者方法未必解決本發(fā)明尋求解決的每一個問題以便它為當(dāng)前權(quán)利要求所涵蓋。另外，在本公開內(nèi)容中的要素、部件或者方法步驟無論是否在權(quán)利要求中明確記載該要素、步驟或者方法步驟都未旨在于專用于公眾。這里的權(quán)利要求要素除非使用短語“用于……的裝置”來明確記載該要素則將在35U.S.C.112第六段的規(guī)定之下加以解釋。
【權(quán)利要求】
1.一種電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)裝置，包括: 至少兩個鐵磁(FM)層，具有FM固定層和FM自由層； 電介質(zhì)(DE)層，插入在所述FM固定層與所述FM自由層之間；并且 其中選擇所述FM自由層和所述FM固定層的材料、形狀和厚度以具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性； 其中選擇所述FM自由層的材料、形狀和厚度以具有接近相等的平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性；并且 其中所述FM自由層的OOP各向異性受在所述FM層與所述DE層之間的界面性質(zhì)影響，并且受作為施加的電壓在所述DE層兩端施加的電壓控制從而產(chǎn)生對所述裝置中的所述FM自由層中的磁化定向進行切換的、電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述FM自由層的所述磁化在平面內(nèi)(IP)或者平面外(OOP)這兩個磁化定向狀態(tài)之間可切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述磁化定向狀態(tài)相對于所述固定層的磁化定向為平行(P)和反平行(AP)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置響應(yīng)于電壓施加來改變磁狀態(tài)(切換)，并且無需電荷電流流過所述裝置或者流過與所述裝置鄰近設(shè)置的導(dǎo)體以執(zhí)行所述切換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中響應(yīng)于所述施加的電壓確定所述鐵磁(FM)自由層的磁化定向的所述切換，所述施加的電壓引起磁化旋轉(zhuǎn)并且允許響應(yīng)于存在雜散磁場而出現(xiàn)完全切換以將所述磁化切換成它的最終切換狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述至少一個雜散場從所述鐵磁(FM)固定層產(chǎn)生。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述至少一個雜散場從所述鐵磁(FM)固定層和從附加鐵磁(FM)半固定層產(chǎn)生。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述鐵磁(FM)自由層包括一層或者層組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述鐵磁(FM)固定層包括一層或者層組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中響應(yīng)于所述電壓脈沖在被配置用于所述磁化的進動運動的裝置上的寬度改變所述磁化定向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中響應(yīng)于所述電壓脈沖的寬度改變所述磁化定向，所述寬度是進動周期的近似1/2或者其奇數(shù)倍。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置包括平面內(nèi)(IP)、電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置包括平面外(OOP)、電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中通過響應(yīng)于隧道磁阻(TMR)性質(zhì)測量經(jīng)過所述FM自由層、DE層和FM固定層的電阻來讀取所述裝置的磁化定向。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中從由Fe、C0、Pt、Pd、C0Fe和CoFeB構(gòu)成的鐵磁材料組選擇所述鐵磁材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電介質(zhì)材料包括MgO。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中通過控制包括Fe含量比率、FM層形狀和FM層厚度的FM組成來調(diào)節(jié)所述OOP各向異性。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中通過與FM層相鄰放置附加非磁金屬層來調(diào)節(jié)所述OOP各向異性，其中所述金屬層增加所述OOP各向異性和所述VCMA效果。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述金屬層包括鉭(Ta)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括與所述鐵磁(FM)固定層鄰近設(shè)置的至少一個鐵磁(FM)半固定層和將所述FM固定層從所述FM半固定層分離的間隔物層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述間隔物層包括對所述裝置的所述電壓控制的磁各向異性無貢獻的金屬材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中對于不同施加的電壓雙向改變所述磁化定向。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中在電磁隨機存取存儲器(MeRAM)內(nèi)并入所述電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)作為位,其中響應(yīng)于施加第一電壓信號將位狀態(tài)寫入成第一狀態(tài)，并且響應(yīng)于施加第二電壓信號將所述位狀態(tài)寫入成第二狀態(tài)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中響應(yīng)于在所述裝置兩端檢測的電阻讀取所述MeRAM，所述電阻是響應(yīng)于施加所述第一和第二電壓的具有相反極性的電壓而檢測的。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述FM半固定層和所述FM固定層包括交換耦合的一對層，并且所述間隔物層包括反鐵磁層間交換耦合材料以增強交換耦合。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述反鐵磁層間交換耦合材料的所述間隔物層包括釕(Ru)，其中選擇所述Ru層的厚度以提供反鐵磁層間交換耦合。
27.—種電壓控制的電磁隨機存取存儲器(MeRAM)裝置，包括:` 至少三個鐵磁(FM)層，具有FM固定層、FM半固定層和FM自由層； 其中所述FM半固定層和所述FM自由層設(shè)置于所述FM固定層的相反側(cè)上；以及 電介質(zhì)(DE)層,插入在所述FM自由層與FM固定層之間； 間隔物，將所述FM固定層從所述FM半固定層分離； 其中選擇所述FM自由層、所述FM固定層和所述FM半固定層的材料、形狀和厚度以具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性； 其中選擇所述FM自由層的材料、形狀和厚度以具有接近相等的平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性； 其中選擇所述FM半固定層的材料、形狀和厚度以具有在接近相等與所述FM固定層的優(yōu)選平面之間平衡的平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性； 其中所述FM自由層的00P各向異性受在所述FM層與所述DE層之間的界面性質(zhì)影響，并且受作為施加的電壓在所述DE層兩端施加的電壓控制從而產(chǎn)生電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果，所述VCMA效果旋轉(zhuǎn)所述FM自由層的磁化定向并且響應(yīng)于來自所述FM半固定和固定層的雜散磁場來完全切換，所述磁定向的狀態(tài)確定用于所述MeRAM的位狀態(tài)；并且 其中所述FM半固定層的00P各向異性受在所述FM層與所述DE層之間的所述界面性質(zhì)影響，并且受作為施加的電壓在所述DE層兩端施加的電壓控制從而產(chǎn)生電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果,所述VCMA效果旋轉(zhuǎn)所述FM半固定層的磁化定向而未完全切換它的磁定向。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，還包括與所述FM半固定層鄰近設(shè)置的第二DE層，并且其中在所述FM半固定層與所述第二 DE層之間的界面性質(zhì)影響所述FM半固定層的所述OOP各向異性并且受作為施加的電壓在所述第二 DE層兩端施加的電壓控制從而產(chǎn)生電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果,所述VCMA效果旋轉(zhuǎn)所述FM半固定層的磁化定向而未完全切換它的磁定向。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置,其中響應(yīng)于施加第一電壓信號將位狀態(tài)寫入成第一狀態(tài)并且響應(yīng)于施加第二電壓信號將所述位狀態(tài)寫入成第二狀態(tài)。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中響應(yīng)于在所述裝置兩端檢測的電阻讀取所述MeRAM，所述電阻是響應(yīng)于施加所述第一和第二電壓的具有相反極性的電壓而檢測的。
31.一種電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)裝置，包括: 至少兩個鐵磁(FM)層，具有FM固定層和FM自由層；以及 電介質(zhì)(DE)層,插入在所述FM自由層與FM固定層之間； 其中選擇所述FM自由層和所述FM固定層的材料、形狀和厚度以具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性； 其中選擇所述FM自由層的材料、形狀和厚度以具有接近相等的平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性； 其中所述FM自由層的所述OOP各向異性受在所述FM層與所述DE層之間的界面性質(zhì)影響，并且受作為施加的電壓在所述DE層兩端施加的電壓控制，從而產(chǎn)生對所述裝置中的所述FM自由層中的磁化定向進行切換的、電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果；并且 其中在包括磁域壁的兩個磁化狀態(tài)之間切換所述FM自由層的所述磁化，其中所述域壁包含大的平面內(nèi)(IP)磁化分量。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其中所述磁化定向狀態(tài)是具有相反手性的域壁，其中所述域壁手性的磁化相對于所述FM固定層的磁化定向狀態(tài)為平行(P)和反平行(AP)。
33.一種電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)裝置，包括: 鐵磁材料的鐵磁(FM)固定層； 鐵磁材料的鐵磁(FM)自由層； 電介質(zhì)(DE)層，插入在所述FM自由層與FM固定層之間；并且其中選擇所述FM自由層和所述FM固定層的材料、形狀和厚度以具有平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性； 其中選擇所述FM自由層的材料、形狀和厚度以具有接近相等的平面內(nèi)(IP)和平面外(OOP)各向異性； 其中所述FM自由層的所述OOP各向異性受在所述FM層與所述DE層之間的界面性質(zhì)影響，并且受作為施加的電壓在所述DE層兩端施加的電壓控制，從而產(chǎn)生對所述裝置中的所述FM自由層中的磁化定向進行切換的、電壓控制的磁各向異性(VCMA)效果；并且 其中選擇所述DE層的厚度以允許用于響應(yīng)于施加的電壓基于漏電流引起的磁轉(zhuǎn)矩確定切換方向的充分漏電流，而所述漏電流不足以切換所述裝置的所述磁化狀態(tài)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其中在電磁隨機存取存儲器(MeRAM)內(nèi)并入所述電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)作為位,其中響應(yīng)于施加第一電壓信號將位狀態(tài)寫入成第一狀態(tài)并且響應(yīng)于施加第二電壓信號將所述位狀態(tài)寫入成第二狀態(tài)。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其中在平面內(nèi)(IP)或者平面外(00P)這兩個磁化定向狀態(tài)之間切換所述FM自由層的所述磁化。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述磁化定向狀態(tài)相對于所述固定層的磁化定向為平行(P)和反平行(AP)。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述VCMA開關(guān)響應(yīng)于電壓施加來切換并且無需電荷電流流過所述裝置或者流過與所述裝置鄰近設(shè)置的導(dǎo)體以執(zhí)行所述切換。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其中響應(yīng)于施加的電壓確定所述鐵磁(FM)自由層的磁化定向的所述切換，所述施加的電壓引起磁化旋轉(zhuǎn)并且允許響應(yīng)于存在雜散磁場而出現(xiàn)完全切換以將所述磁化切換成它的最終切換狀態(tài)。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中所述至少一個雜散場從所述鐵磁(FM)固定層和從附加鐵磁(FM)半固定層產(chǎn)生。
40.根據(jù)權(quán)利要求 33所述的裝置，其中通過響應(yīng)于隧道磁阻(TMR)性質(zhì)測量經(jīng)過所述FM自由層和所述FM固定層的電阻來讀取所述電壓控制的磁各向異性(VCMA)開關(guān)的磁化定向。
【文檔編號】H01L21/8247GK103563000SQ201280024102
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月19日
【發(fā)明者】佩德拉姆·哈利利·阿米里, 康·王, 科斯馬斯·加拉提斯 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會