[发明专利]磁性存储元件

说明书

技术领域

本发明提供了电流引发的反转类型的可写入的磁性存储元件。

背景技术

通常通过施加磁场使层或小型磁性元件的磁化反转。根据是期望使磁化朝一个方向转向还是朝另一个方向转向来改变磁场的方向。在磁道上或者电脑硬盘上进行写入基于该原则：用于反转的元件物理上置于磁场发生器的附近以便三维地定位磁场。按照定义，磁场的结构本身未在三维上定位，这对于将磁场集成在装置中而言造成了许多困难。因此，当机械作用不可行或不期望有机械作用时，例如，就被称为磁性随机存取存储器（MRAM）的固体磁性存储器或者逻辑器件而言，需要充分地集中磁场以使其仅作用于目标单元，而不影响该目标单元的相邻件。当多个存储器或逻辑单元被定位成非常靠近于彼此以便增大其密度时，该问题变得越来越严重。

通过自旋极化电流控制磁化的可行性最初在1996年进行了理论性的论证，这对该问题提供了第一个解决方案。为了控制存储点的磁化，被称为自旋转移力矩（STT）的该物理原理需要存在至少两个通过非磁性金属（用于自旋阀类型的结构）或者通过绝缘体（用于磁性隧道结类型的结构）隔开的磁层，这两个层具有不共线的磁化。详细的物理解释根据涉及自旋阀结构还是磁隧道结结构而不同，但是概括来说，电流在穿过第一磁层时变为自旋极化并且随后通过电流极化的非共线分量来对第二层的磁化施加力矩。当电流密度足够高时，既可以在自旋阀中又可以在磁性隧道结中使第二磁层的磁化反转。

例如，如在2006年3月7日公开的美国专利No.7,009,877和在2009年5月21日公开的美国专利申请No.2009/129,143中所描述的，写入电流必须垂直于层的平面通过结。

美国专利6269018也是这种情况，其中（图5B），也在中央铁磁场中产生磁场的写入电流垂直于层的平面穿过磁隧道结类型的层叠体。还应当注意，该文献使用了两个不同的磁性层。

通过电流局部控制亚微米尺寸的磁性元件的磁化的能力立即显示了针对应用的可行性。目前，工业行动者正在寻求将该原理结合到用于MRAM存储器单元和逻辑元件的新型架构中。

目前，这样的结合遇到呈现为相互关联的多种困难。

通过STT进行反转需要在存储点处存在至少两个通过非磁性隔件分开的磁层。如上文所述，通过将高密度的电流注入垂直于磁层的平面的整个层叠体来进行写入，同时通过层叠体的磁阻来进行读取：对于自旋阀而言为巨磁电阻（GMR），对于磁隧道结而言为隧道磁阻（TMR）。目前，所有或几乎所有的应用基于使用磁隧道结。因此，尽管GMR信号仅仅是几个百分点，然而来自基于MgO结的TMR信号通常大于100%。然而，隧道结的缺点为电阻与面积的乘积（RA）显示为大值。因此，对于STT反转所需的典型电流密度10⁷安培/每平方厘米（A/cm²），RA为100欧姆-平方微米（Ω.μm²）时，结的边缘处的电压为10伏特（V），RA为10Ω.μm²时，该电压为1V，RA为1Ω.μm²时，该电压为0.1V。除了最小的值以外，在结中损耗的功率较大，这在能耗方面和损害所述结方面都是有害的。

此外，对读取有用的TMR的高值通常通过具有高RA值的层叠体来获得。

这就是为何本研究寻求获得具有高TMR值和小RA值的隧道结的原因。此外，甚至对于在结的边缘处具有相对较小的电压值，由于电压循环，故在操作中已经发现结加速老化的现象。目前，大量的研究致力于这一点，以优化现有构型中的材料并且还限定新的构型以便尽可能地分离写入和读取现象。

总之，困难在于，由于在已知的STT装置中，这两种现象内在关联，故不可能独立地优化读取和写入。

另一困难在于，写入需要非常高密度的电流通过层叠体。

该联系内在的另一困难源自层叠体的极大复杂性。因此，如果期望STT效果仅在待反转的层中感知以存储磁化，例如，必须通过交换与反铁磁材料的耦合来稳定其他层：如果期望增大STT转移的振幅，必须优化极化层；如果期望减小辐射在灵敏层上的磁场，则例如必须使用人造的反铁磁双层；等。

因此，MRAM单元或逻辑元件的典型磁性层叠体可具有各种材料的大于10个或15个不同的层。则这在结构化步骤期间并且特别在蚀刻步骤期间引起困难，这是集成这样的磁性层叠体的主要障碍点之一。