[发明专利]磁隧道结器件、磁阻存储器件及存储单元

说明书

提供了既能够减小写入电流又能够提高写入速度的磁隧道结器件、磁阻存储器件及存储单元。该磁隧道结器件包括：自由层，具有可变的第一磁化方向；钉扎层，配置为在预定方向上保持第二磁化方向；以及绝缘层，在自由层和钉扎层之间。自由层包括具有垂直磁各向异性和高极化性的第一自由层、以及反铁磁耦合到第一自由层的第二自由层。

技术领域

本发明构思的实施方式涉及磁隧道结器件和磁阻存储器件。

背景技术

具有垂直磁化的磁阻器件可以通过磁阻效应来读取，并且可以具有由精细图案引起的高热扰动阻抗，因而可以用作下一代存储器件。

该下一代存储器件可以包括磁隧道结(MTJ)器件，其具有拥有可变磁化方向的自由层(也称为存储层)、保持预定磁化方向的钉扎层(也称为参考层)以及设置成自由层和钉扎层之间的隧道势垒的绝缘层。

具有高垂直磁各向异性和高自旋极化性的铁磁材料可以用作包括在下一代存储器件中的自旋极化磁层的材料。然而，可能难以获得具有垂直磁各向异性和高自旋极化性的材料。此外，实际上，利用界面磁各向异性的钴-铁-硼(CoFeB)合金可以用作具有垂直磁各向异性和高自旋极化性的材料，并且可选材料的范围非常窄。因此，可能难以使用具有高垂直磁各向异性和高自旋极化性的材料。

同时，已经提出了将垂直磁化保持层耦合到MTJ器件的存储层的方法以解决上述限制。

垂直磁化保持层可以包括钴(Co)基哈斯勒合金。因为钴(Co)基哈斯勒合金具有高自旋极化性和高居里温度，所以拥有该合金的MTJ器件可以具有大的隧道磁阻比。此外，可以改善包括FePt、CoPt、Co/Pt、MnGa或MnGe的垂直磁化保持层所耦合的存储层的磁化的热稳定性。而且，已经提出了ECC结构或TcC结构。在ECC结构或TcC结构中，磁耦合控制层可以提供在两个磁层之间以控制磁层之间的磁耦合，因而可以保持存储层的磁化的热稳定性并且可以减小磁化反转电流。TcC结构可以是垂直磁化保持层的居里温度降低的结构。TcC结构的热稳定性在高使用温度下可能较差。TcC结构可以具有大的热稳定性梯度，因为具有低居里温度(Tc)的高磁各向异性层用作垂直磁化保持层。

此外，对于实际使用，可能需要MTJ器件，其可在-40摄氏度至150摄氏度的宽工作温度范围内使用并具有低功耗、高速反转(切换)和/或高可靠性。例如，可以减小具有垂直磁化的纳米磁性物质的切换电流或写入电流。

在使用磁隧道结器件的磁阻存储器件中，可以减小写入电流并且可以提高写入速度。然而，可能难以减小写入电流并提高写入速度。例如，当写入电流的脉冲宽度(Tp)减小时，写入电流可以增大。

发明内容

本发明构思的实施方式可以提供既能够减小写入电流又能够提高写入速度的磁隧道结器件和磁阻存储器件。

在一些实施方式中，一种磁隧道结器件可以包括：自由层，配置为具有可变的第一磁化方向；钉扎层，配置为在预定方向上保持第二磁化方向；以及绝缘层，在自由层和钉扎层之间。自由层可以包括具有垂直磁各向异性和高极化性的第一自由层、以及反铁磁耦合到第一自由层的第二自由层。

在根据一些实施方式的磁隧道结器件中，可以减小写入电流并且可以提高写入速度。

在一些实施方式中，第一自由层可以提供在绝缘层和第二自由层之间，并且第二自由层的磁各向异性可以小于第一自由层的磁各向异性。

在一些实施方式中，第一自由层可以提供在绝缘层和第二自由层之间，并且第二自由层可以是比第一自由层的第一厚度小的第二厚度。

在根据一些实施方式的磁隧道结器件中，在第一自由层和第二自由层的阻尼系数小的区域中可以减小写入电流。第二自由层可以比第一自由层薄，因而在第一自由层和第二自由层的阻尼系数小的区域中可以减小写入电流。