[发明专利]平衡垂直磁隧道结中的状态之间的能垒

说明书

背景技术

在深亚微米工艺节点(例如32nm及以上)中的集成电路设计涉及多个重要的挑战，并且结合有诸如晶体管或存储器器件的微电子组件的电路在这些级别，例如关于以最佳器件参数和电路性能实现小器件特征的那些面临着特别的复杂性。不断的工艺缩减往往加剧此类问题。

附图说明

图1A是传统垂直磁隧道结(MJT)在其平行状态中的横截面示意图。

图1B是图1A的传统垂直MJT在其反平行状态中的横截面示意图。

图2A是示出用于理想垂直MTJ的作为外磁场的函数的电阻的滞后图。

图2B是图2A的理想垂直MTJ的能量图。

图2C是示出用于图1A-1B的传统垂直MTJ的作为外磁场的函数的电阻的滞后图。

图2D是图1A-1B的传统垂直MTJ的能量图。

图3A是根据本发明实施例配置的垂直MTJ在其平行状态中的横截面示意图。

图3B是根据本发明实施例配置的图3A的垂直MTJ在其反平行状态中的横截面示意图。

图4A是根据本发明另一个实施例配置的垂直MTJ在其平行状态中的横截面示意图。

图4B是根据本发明实施例配置的图4A的垂直MTJ在其反平行状态中的横截面示意图。

图5是实施根据本发明实施例配置的垂直MTJ的示例集成电路的透视示意图。

图6示出了以包括根据本发明示例实施例配置的一个或多个垂直MTJ的集成电路结构或器件实施的计算系统。

具体实施方式

公开了用于通过在垂直磁隧道结(MTJ)中实施附加铁磁层来增强垂直磁隧道结的性能的技术。例如可以在垂直MTJ的固定铁磁层或自由铁磁层中或者附近实施附加铁磁层。在一些实施例中，借助非磁性间隔体实施附加铁磁层，其中，可以调整附加铁磁层和/或间隔体的厚度，以充分平衡垂直MTJ的平行和反平行状态之间的能垒。在一些实施例中，配置附加铁磁层以使得其磁化与固定铁磁层的磁化相反。附加铁磁层例如可以用于减轻/消除垂直MTJ的平行与反平行状态之间的能量固有偏移，从而使电阻－外磁场滞后更好地居中，平衡状态之间的能垒，和/或改进垂直MTJ的性能。该技术例如可以在存储器器件、传感器、磁盘驱动器读取头和/或可以得益于MTJ器件的二值特性的其他电路中实施。

概述

磁隧道结(MTJ)器件是磁阻器件，其电阻可编程并可以响应于施加的磁场设定为高电阻率或低电阻率状态。这两个状态之间的电阻的差通常称为磁阻(MR)比率，取决于温度和制造该器件的材料，磁阻比率的范围例如从小于10％到百分之几百或者更大。典型的MTJ器件配置包括夹置在分别称为固定层和自由层的两个铁磁层之间的隧穿氧化物的绝缘体层。自由层中的磁场的方向确定MTJ器件是处于高电阻率状态还是处于低电阻率状态。通过将其电阻改变为低电阻率状态，可以在MTJ器件中存储二进制的零，通过将其电阻改变为高电阻率状态，可以存储二进制的一。有利地，一旦设定，则无需静态功率来保持电阻状态。如果绝缘体层足够薄，电子可以借助量子隧穿从一个铁磁层通过绝缘体层到达另一个。

给定MTJ的两个铁磁层典型地呈现磁各向异性－它们的磁特性的方向相关性。给定铁磁层的磁各向异性可以由于多个来源导致，包括但不限于：(1)基于基体的各向异性(例如磁晶各向异性；形状各向异性)；和/或(2)基于界面的各向异性。取决于其组成铁磁层的磁化的方向，给定MTJ可以分类为呈现：(1)面内磁各向异性；或者(2)面外磁各向异性。面内MTJ的磁化方向沿两个铁磁层的平面。相反地，面外(垂直)MTJ的磁化方向与组成铁磁层的平面正交。可以配置两个铁磁层以使得其各自的磁化或者在相同方向上对准－平行(P)状态，或者在相反方向上对准－反平行(AP)状态。

图1A是传统垂直MTJ100在其平行(P)状态中的横截面示意图。图1B是图1A的垂直MJT100在其反平行(AP)状态中的横截面示意图。如所见到的，垂直MTJ100是分层结构，包括第一(固定)铁磁层120、绝缘体层130和第二(自由)铁磁层140，如所示地堆叠。固定层有时称为钉扎(pinned)的，通常不经受其磁化(M_固定)中的变化－其磁化方向保持固定并用作参考。另一方面，自由层有时称为动态的，在其磁化(M_自由)方向上经受变化。