一種磁性元件、存儲(chǔ)器系統(tǒng)及其寫操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于磁存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種磁性元件、存儲(chǔ)器系統(tǒng)及其寫操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)自旋扭矩傳遞機(jī)制的初期闡明及其后的深入的物性研究為自旋扭矩傳遞和磁開關(guān)技術(shù)的發(fā)展和潛在的商業(yè)化應(yīng)用奠定了的基礎(chǔ)。其中一個(gè)應(yīng)用方向就是自旋扭矩傳遞磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)。從磁特性來講，在取代傳統(tǒng)的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)的概念和流程方面，旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)換開關(guān)技術(shù)具有革命性的意義。同時(shí)，該技術(shù)解決了基于傳統(tǒng)磁場(chǎng)開關(guān)技術(shù)的MRAM存儲(chǔ)器的難以擴(kuò)展和不可持續(xù)的難點(diǎn)。自旋扭矩傳遞磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的這一特性在半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷降低，數(shù)據(jù)記錄密度快速增加的今天具有不言而喻的重要作用。從廣義來看，該技術(shù)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，作為一種通用存儲(chǔ)器并在未來加以技術(shù)創(chuàng)新，它具有替代目前廣泛使用的SRAM和DRAM技術(shù)的潛力。
[0003]根據(jù)定義，由自旋扭矩傳遞誘起磁自由層的磁化旋轉(zhuǎn)所需的自旋極化電流與來自該層垂直于膜平面方向的退磁能和對(duì)應(yīng)的垂直磁各向異性場(chǎng)(out of plane anisotropy)成正比關(guān)系。面內(nèi)磁化的開關(guān)特性直接決定STT-MRAM的存儲(chǔ)位單元(storage bit cell)的可寫性(writeability)。降低開關(guān)電流密度Jc成為實(shí)現(xiàn)小尺寸CMOS適用技術(shù)，低功耗和高密度STT-MRAM的關(guān)鍵。同時(shí)，考慮磁性元件的熱穩(wěn)定性具有同樣重要性。一般來說，它正比于磁化的面內(nèi)各向異性(in-plane anisotropy)，通常被量化為熱穩(wěn)定系數(shù)KuV/KBT。它決定數(shù)據(jù)信息在STT-MRAM存儲(chǔ)器內(nèi)的保持期(data retent1n)。一般來說，KJ?60KBT被認(rèn)為是保證數(shù)據(jù)信息的10年保持期的一個(gè)較好的器件工程設(shè)計(jì)。然而實(shí)際上，該參量或小于或大于標(biāo)稱值，取決于STT-MRAM存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，應(yīng)用和使用工作條件?？偟膩碚f，在降低開關(guān)電流密度和提高磁性器件的熱穩(wěn)定性兩者之間，需要均衡或合理折衷以滿足磁性器件和STT-MRAM存儲(chǔ)器正常運(yùn)作。
[0004]在STT-MRAM技術(shù)中，磁隧道結(jié)(MTJ)是磁性存儲(chǔ)位單元的一個(gè)核心組成部分。它由薄膜絕緣層及由其所隔開的兩個(gè)鐵磁層形成高自旋極化穿隧接合。薄膜絕緣層的應(yīng)用使電子可以從一個(gè)鐵磁層穿隧到另一個(gè)鐵磁層。在結(jié)晶型薄膜絕緣層的場(chǎng)合，鐵磁層在外磁場(chǎng)作用下形成的平行和反平行狀態(tài)。由此電子能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不對(duì)稱導(dǎo)電通道(conductivechannels)及電導(dǎo)傳輸，并形成巨大的隧道磁阻(TMR)效應(yīng)。隧道磁阻效應(yīng)的增加有助于器件輸出信號(hào)的增加和自旋扭矩傳遞效率的提高。在一個(gè)典型的結(jié)構(gòu)配置中，第一鐵磁層(磁自由層)的磁化可以在外加磁場(chǎng)中自由旋轉(zhuǎn)，而第二鐵磁層的磁化被固定或釘扎以作為自旋偏振器。該磁隧道結(jié)被連接到由一個(gè)或多個(gè)起開關(guān)作用的晶體管(電路)(CMOS)以構(gòu)成STT-MRAM的存儲(chǔ)位單元。其中第一鐵磁層的磁化方向由于自旋扭矩傳遞效應(yīng)可單獨(dú)旋轉(zhuǎn)或開關(guān)。相較于其反平行排列，如果兩個(gè)鐵磁層的磁化方向平行排列，則傳導(dǎo)電子將更有可能通過隧道效應(yīng)穿隧絕緣層。因此，該磁隧道結(jié)可以實(shí)現(xiàn)在高和低電阻兩狀態(tài)之間相互切換，并以非易失性方式(non-volatile)記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題在于:傳統(tǒng)的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)隨著記錄的高密度化，其要求的寫入電流成指數(shù)速率增加。因此，基于傳統(tǒng)磁場(chǎng)開關(guān)技術(shù)的MRAM存儲(chǔ)器的具有難以擴(kuò)展和不可持續(xù)的問題。這是難以克服的結(jié)構(gòu)性問題。其次，就新型的自旋扭矩傳遞磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)而言，其技術(shù)難點(diǎn)在于降低自旋扭矩傳遞開關(guān)電流或?qū)懭腚娏?，而同時(shí)保持安定的熱穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種磁性元件，其目的在于通過降低自旋扭矩傳遞切換電流來實(shí)現(xiàn)在大信號(hào)條件下存儲(chǔ)器系統(tǒng)的高速和高記錄密度。
[0007]本發(fā)明提供了一種磁性元件，用于連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分；所述該磁性元件包括:磁固定層；非磁性隔離層；磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對(duì)應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔離層位于位于磁固定層和自由層之間；和覆蓋層，用于連接所述磁自由層和所述連接部分；當(dāng)寫電流(write current)通過所述磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0008]更進(jìn)一步地，所述非磁性隔離層為隧穿勢(shì)皇層；所述磁自由層和所述磁固定層中至少有一層包含多層膜結(jié)構(gòu)。
[0009]更進(jìn)一步地，所述磁自由層和所述固定層中，至少兩者之一包含多層膜結(jié)構(gòu)。
[0010]更進(jìn)一步地，所述磁自由層還包括:具有多層膜構(gòu)造的鐵磁層；和至少一層覆蓋層，數(shù)層的鐵磁層與至少一層的中間層或覆蓋層交錯(cuò)而成的多層鐵磁層形成磁自由層的邊緣界面，調(diào)節(jié)中間層或覆蓋層結(jié)構(gòu)使得多層鐵磁層之間的磁耦合為鐵磁或反鐵磁耦合。
[0011]更進(jìn)一步地，所述磁固定層還包括:具有多層膜構(gòu)造的鐵磁層；和至少一層覆蓋層，數(shù)層的鐵磁層與至少一層的中間層或覆蓋層交錯(cuò)而成的多層鐵磁層形成磁自由層的邊緣界面，調(diào)節(jié)中間層或覆蓋層結(jié)構(gòu)使得多層鐵磁層之間的磁耦合為反鐵磁耦合。
[0012]更進(jìn)一步地，所述磁自由層和所述磁固定層至少包括過渡金屬Co，F(xiàn)e，或Ni，或它們的二元(如鈷鐵，鐵鈷，NiFe)結(jié)晶合金，或三元(如CoFeNi)結(jié)晶合金，或由硼或其他非晶形成合金元素加入而形成的無定形非晶合金(如CoFeB，CoFe(Al，Si))。
[0013]更進(jìn)一步地，所述磁自由層和所述磁固定層還包括磁性休斯勒合金(Heusleralloys)如 Co2Mn (Al, Si)或 Co2Fe (Al, Si)，或亞鐵磁性合金如 CoGd 或 TbFeCo。
[0014]更進(jìn)一步地，所述中間層和覆蓋層至少包括非磁性金屬Ru，Rh，鉭，鈦，錯(cuò)，給，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg, Al, Si，或它們之間的合金，多層膜，氧化物或及氮氧化物。其中覆蓋層用于將磁自由層與外部半導(dǎo)體晶體管電路連接。中間層用于在磁自由層中誘導(dǎo)或產(chǎn)生部分垂直磁各向異性。
[0015]本發(fā)明還提供了一種磁性元件，用于連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact);所述磁性元件包括:磁固定層，隧穿勢(shì)皇層，包括MgO結(jié)晶層；磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對(duì)應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道勢(shì)皇層位于位于磁固定層和自由層之間，以及覆蓋層，用于連接所述磁自由層和所述連接部分(contact);當(dāng)寫電流(write current)通過該磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0016]本發(fā)明還提供了一種磁性元件，用于連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact);所述磁性元件包括:磁固定層，隧穿勢(shì)皇層，包括MgO結(jié)晶層；磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對(duì)應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，但是該磁性垂直各向異性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道勢(shì)皇層位于位于磁固定層和自由層之間；中間層，在磁自由層中誘導(dǎo)或產(chǎn)生部分垂直磁各向異性，與磁自由層和覆蓋層相鄰；以及覆蓋層，用于連接中間層和所述連接部分(contact);當(dāng)寫電流(write current)通過該磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0017]更進(jìn)一步地，所述中間層至少還包括非磁性金屬Ru，Rh，鉭，鈦，錯(cuò)，給，Cu, Ag, Au,Pt，Pd，Cr，Mg，Al，Si，或它們之間的合金，多層膜，氧化物或及氮氧化物。
[0018]更進(jìn)一步地，所述中間層至少還包括具有內(nèi)在磁垂直磁各向異性的鐵磁性層，磁性多層膜，氧化物或及氮氧化物。
[0019]更進(jìn)一步地，所述磁自由層是非晶態(tài)CoFeB磁性合金層。
[0020]更進(jìn)一步地，所述中間層還包括金屬Ta或Ta/Ru的多層膜。
[0021]更進(jìn)一步地，所述中間層為氧化鎂(MgO)氧化層。
[0022]本發(fā)明提供了一種磁性元件，用于連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact);所述磁性元件包括:第一磁固定層；第一非磁性隔離層，它是隧穿勢(shì)皇層包括MgO結(jié)晶層；磁自由層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對(duì)應(yīng)于磁性垂直各向異性的各向異性能，該磁性垂直各向異性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道勢(shì)皇層位于位于磁固定層和自由層之間；第二非磁性隔離層；第二磁固定層；以及覆蓋層，用于連接所述第二磁固定層和所述連接部分(contact);當(dāng)寫電流(write current)通過該磁性元件時(shí)，該磁隧道結(jié)的構(gòu)造使其磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關(guān)。
[0023]更進(jìn)一步地，所述第二非磁性隔離層至少還包括非磁性金屬Ru，Rh,鉭，鈦，錯(cuò)，給，Cu, Ag, Au, Pt, Pd, Cr, Mg, Al, Si，或它們之間的合金，多層膜，氧化物或及氮氧化物。
[0024]更進(jìn)一步地，至少所述磁自由層和所述磁固定層之一為多層膜。
[0025]更進(jìn)一步地，至少其兩磁固定層之一還是鐵磁層與至少一層中間層交錯(cuò)形成的具有反鐵磁耦合的磁多層膜。
[0026]更進(jìn)一步地，所述第二非磁性隔離層為隧穿勢(shì)皇層。
[0027]更進(jìn)一步地，所述第一磁固定層還包括:具有多層膜構(gòu)造的鐵磁層；和至少一層中間層，鐵磁層與至少一層中間層交錯(cuò)形成的具有反鐵磁耦合的磁多層膜。
[0028]更進(jìn)一步地，所述第一磁固定層是多層鐵磁層與至少一層或基數(shù)層中間層交錯(cuò)形成的具有反鐵磁耦合的磁多層膜；所述第二磁固定層是單層的鐵磁層或是多層鐵磁層與至少二層或偶數(shù)層中間層