[发明专利]磁性结、磁存储器及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁性结、磁存储器及其方法。

背景技术

由于其高读/写速度、良好耐久性、非易失性和操作期间的低功耗的潜力，磁存储器，特别是磁随机存取存储器(MRAM)，已经受到越来越多的注意。MRAM能够使用磁材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM利用磁性结，该磁性结通过被驱动流经磁性结的电流而至少部分地被写入。被驱动经过磁性结的自旋极化电流施加自旋矩在磁性结中的磁矩上。结果，具有响应自旋矩的磁矩的层可以转换到期望的状态。

例如，图1示出常规磁隧道结(MTJ)10，其可以使用在常规STT-RAM中。常规MTJ 10通常位于底接触11上，使用常规籽晶层(或多个籽晶层)12并包括常规反铁磁(AFM)层14、常规被钉扎层16、常规隧穿势垒层18、常规自由层20和常规覆盖层22。顶接触24也被示出。

常规接触11和24用于在电流垂直于平面(CPP)方向上或沿如图1所示的z轴驱动电流。常规籽晶层12通常用于帮助具有期望晶体结构的后续层(诸如AFM层14)的生长。常规隧穿势垒层18是非磁性的，并例如为薄绝缘体诸如MgO。

常规被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规被钉扎层16的磁化17通常通过与AFM层14的交换偏置相互作用而被固定或钉扎在特定方向。尽管示出为单一(单个)层，但是常规被钉扎层16可以包括多个层。例如，常规被钉扎层16可以是综合反铁磁(SAF)层，包括通过薄导电层(诸如Ru)反铁磁耦合的磁性层。在这样的SAF中，可以使用交插以Ru的薄层的多个磁性层。在另一实施例中，跨过Ru层的耦合可以是铁磁的。此外，常规MTJ 10的其他形式可以包括通过额外的非磁性势垒层或导电层(未示出)与自由层20分隔开的额外被钉扎层(未示出)。

常规自由层20具有可改变的磁化21。尽管示出为单一层，但是常规自由层20还可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过薄导电层诸如Ru反铁磁或铁磁地耦合的磁性层的综合层。尽管示出为平面内，但是常规自由层20的磁化21可以具有垂直各向异性。因此，被钉扎层16和自由层20可以具有它们的分别取向为垂直于层的平面的磁化17和21。

为了转换常规自由层20的磁化21，电流垂直于平面(在z方向上)驱动。当足够的电流从顶接触24驱动到底接触11时，常规自由层20的磁化21可以转换为平行于常规被钉扎层16的磁化17。当足够的电流从底接触11驱动到顶接触24时，自由层的磁化21可以转换为反平行于被钉扎层16的磁化。磁组态的差异对应于不同的磁致电阻，从而对应于常规MTJ 10的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“1”)。

当用于STT-RAM应用中时，期望常规MTJ 10的自由层21以相对低的电流来转换。临界转换电流(I_c0)是在平衡取向附近的自由层磁化21的无穷小进动变得不稳定的最小电流。例如，期望I_c0可以为大约几mA或更小。此外，期望短的电流脉冲用于以较高的数据率来编程常规磁元件10。例如，期望大约20-30ns或更小的电流脉冲。

尽管常规MTJ 10可以利用自旋转移写入并使用在STT-RAM中，但是存在缺陷。例如，对于具有可接受的I_c0和脉冲宽度的存储器，写入错误率会高于所期望的。写入错误率(WER)是单元(也就是，常规磁性结的自由层20的磁化21)在受到至少等于典型转换电流的电流时没有转换的几率。WER期望为10^-9或更小。然而，常规自由层20通常具有远超过该值的WER。此外，已经确定，对于较短写入电流脉冲，WER的改善具有挑战性。例如，图2是示出WER对于不同宽度的脉冲的趋势的曲线图50。应注意，实际的数据没有在曲线图50中绘出。相反，曲线图50意在指示趋势。脉冲宽度对于曲线52、54、56和58从最长到最短。如从图50可见，对于较高的脉冲宽度，WER与写入电流的关系曲线具有较高的斜率。因此，对于相同的脉冲宽度，较高写入电流的施加可以引起WER的显著降低。然而，随着脉冲宽度在曲线54、56和58中缩短，曲线54、56和58的斜率减小。对于减小的脉冲宽度，电流的增加不太可能引起WER的降低。因此，使用常规MTJ10的存储器会具有不可接受的高WER，该高WER不能通过写入电流的增加而补救。