[发明专利]具有电子反射绝缘间隔层的通量闭合STRAM

说明书

背景技术

普及性计算和手持/通信产业的快速发展引起对大容量非易失性固态数据存储设备的爆炸式需求。相信非易失性存储器尤其是闪存将代替DRAM占据存储器市场的最大份额。然而，闪存具有若干缺陷，例如慢存取速度(～ms写和～50-100ns读)、有限的使用寿命(～10³-10⁴编程循环)以及片上系统(SoC)的集成难度。闪存(NAND或NOR)在32nm节点及以上也面对重大的等比缩放(scaling)问题。

磁阻随机存取存储器(MRAM)是未来非易失性和通用存储器的另一个有前景的候选。MRAM具有非易失、快写/读速度(＜10ns)、几乎无限的编程寿命(＞10¹⁵次循环)和零待机功率的特征。MRAM的基本组件是磁性隧穿结(MTJ)。数据存储是通过在高阻态和低阻态之间切换MTJ的电阻来实现的。MRAM通过使用电流感应的磁场来切换MTJ的磁化强度从而切换MTJ电阻。随着MTJ尺寸缩小，切换磁场振幅增加且切换变化变得严重。因此，所引发的高功耗限制了传统MRAM的等比缩小。

最近，基于自旋极化电流感应的磁化切换的新型写入机制被引入到MRAM设计中。被称为自旋转移矩RAM(STRAM)的这种新型MRAM设计使用流过MTJ的(双向)电流以实现电阻切换。因此，STRAM的切换机制是局部约束的并且相信STRAM具有比传统MRAM更好的缩放特性。

然而，在STRAM进入生产阶段前必须克服许多产量限制因素。传统STRAM设计的一个考虑因素是STRAM单元的自由层厚度折衷。较厚的自由层提高热稳定性和数据保持，但也增加切换电流要求，因为切换电流与自由层的厚度成比例。因此，使STRAM单元在电阻数据状态之间切换所需的电流量很大。

发明内容

本公开涉及包括镜绝缘体间隔层的通量闭合(flux-closed)自旋转移矩存储单元。镜绝缘体间隔层也被称为电绝缘且电子反射层。电绝缘且电子反射层将自旋电子反射回自由层以帮助切换自由层的磁化方向，因此减小自旋转移矩存储单元所需的切换电流。

在一个具体实施例中，公开了一种具有镜绝缘间隔层的通量闭合自旋转移矩存储器。通量闭合的自旋转移矩存储单元包括多层自由磁性元件，其包括通过电绝缘且电子反射层反铁磁地耦合到第二自由磁性层的第一自由磁性层。电绝缘且非磁性隧穿阻挡层将自由磁性元件与参考磁性层分离。

通过阅读下面的详细描述，这些以及各种其它的特征和优点将会显而易见。

附图简述

考虑下面与附图相结合的本公开的各种实施例的详细描述，可以更加全面地理解本发明：

图1是处于低阻态的示例性磁性隧穿结(MTJ)的横截面示意图；

图2是处于高阻态的示例性MTJ的横截面示意图；

图3是示例性通量闭合自旋转移矩存储单元的示意图；

图4A是示例性不均匀电绝缘且电子反射层的横截面示意图；

图4B是另一个示例性不均匀电绝缘且电子反射层的横截面示意图；

图5是包括多层参考层的示例性通量闭合自旋转移矩存储单元的示意图；

图6A是包括间隔层的示例性通量闭合自旋转移矩存储单元的示意图；

图6B是包括间隔层和多层参考层的示例性通量闭合自旋转移矩存储单元的示意图；

图7A是包括间隔层和第二镜间隔层的示例性通量闭合自旋转移矩存储单元的示意图；以及

图7B是包括间隔层、多层参考层和第二镜间隔层的示例性通量闭合自旋转移矩存储单元的示意图。

各附图不一定按比例绘制。附图中使用的类似附图标记表示类似组件。然而，应该理解，使用附图标记指代给定附图中的某个组件并不对其它附图中用相同附图标记标示的组件构成限制。

具体实施方式

在以下说明书中，参照构成说明书一部分并以示例方式示出若干特定实施方式的一组附图。应该理解，可以构想出其它实施方式，但不脱离本公开的范围或精神。因此，下面的详细说明不应理解为限定。本文提供的定义是为了便于本文频繁使用的某些术语的理解并且不旨在限定本公开的范围。

除非另行指定，在说明书和权利要求书中使用的表示特征尺寸、量和物理特征的全部数字应当理解为在任何情形下可由术语“大约”就行修饰。因此，除非明示相反情形，否则说明书之前和所附权利要求书中阐述的数字参数是近似值，这些近似值能根据由本领域内技术人员尝试利用本文披露的教导获得的所需特性而改变。

通过端点对数值范围的列举包括包容在该范围内的全部数值(例如1-5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任一范围。