[发明专利]压控层间交换耦合磁阻存储器设备及其操作方法

说明书

本发明公开了一种磁阻存储器设备，该磁阻存储器设备包括磁隧道结，该磁隧道结包括自由层、参考层和位于该自由层与该参考层之间的绝缘隧道势垒层、与该自由层竖直地间隔的垂直磁各向异性(PMA)铁磁层、位于该自由层与该PMA铁磁层之间的导电非磁层间交换耦合层。该磁阻存储器设备是混合磁阻存储器设备，其通过自旋扭矩转移效应和压控交换耦合效应的组合来编程。

相关申请

本申请要求2020年3月20日提交的美国非临时专利申请号16/824,814的优先权的权益，该美国非临时专利申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本公开整体上涉及磁阻存储器设备领域，并且具体地涉及采用压控层间交换耦合以促进编程的磁阻存储器设备及其操作方法。

背景技术

磁阻存储器设备可存储采用第一配置和第二配置的电阻差的信息，在第一配置中，自由磁化层的磁化方向平行于参考磁化层的磁化，在第二配置中，自由磁化层的磁化方向反平行于参考磁化层的磁化。磁阻存储器设备的编程需要采用各种外部电源来翻转自由层的磁化方向，这些外部电源本质上可为磁性或可采用自旋转移机制。

自旋扭矩转移磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)设备的可扩展性需要高于操作所需的电流。STT-MRAM设备基于界面垂直磁各向异性的可扩展性决定了显著增强垂直磁各向异性(PMA)以实现MRAM设备中可靠信息保留所需的热稳定性的需要。同时，写入信息期间的低功耗需要有效的磁化操纵。需要同时具有用于保持的高能势垒和用于有效切换的低能势垒是具有高PMA的系统的关键挑战。

压控磁各向异性(VCMA)是更节能的用于磁化切换的方法，因为它由电压而不是由电流驱动。然而，实现足够大的VCMA效应以克服PMA是非常具有挑战性的。此外，VCMA切换依赖于必须由电压脉冲的持续时间精确控制的

优先磁化切换。由于磁属性在不同存储器单元中的分布，这可能导致大的写入错误。

发明内容

根据本公开的一个方面，磁阻存储器设备包括第一电极、第二电极和位于该第一电极与该第二电极之间的第一层叠堆。该第一层叠堆包括自由层、参考层、位于该该自由层与参考层之间的绝缘层、铁磁层和位于该自由层与该铁磁层之间的导电非磁层间交换耦合层。

根据本公开的一个方面，一种磁阻存储器设备包括磁交换耦合的层叠堆和绝缘间隔层，该磁交换耦合的层叠堆包括自由层、参考层和导电非磁性层间交换耦合层，该导电非磁性层间交换耦合层位于自由层与参考层之间，该绝缘间隔层在第一电极与第二电极之间与磁交换耦合的层叠堆串联连接。该第一电极和该第二电极被配置为跨该磁交换耦合的层叠堆和该绝缘间隔层提供编程电压。

根据本公开的另一方面，提供了一种操作磁阻存储器设备的方法。该设备包括磁交换耦合的层叠堆和绝缘间隔层，该磁交换耦合的层叠堆包括自由层、参考层和位于该自由层与该参考层之间的导电非磁层间交换耦合层，该绝缘间隔层在第一电极与第二电极之间与该磁交换耦合的层叠堆串联连接。该方法包括跨磁交换耦合的层叠堆和绝缘间隔层在第一电极与第二电极之间施加第一极性编程电压，以将自由层的磁化从与参考层平行的状态切换到与参考层反平行的状态，以及跨磁交换耦合的层叠堆和绝缘间隔层在第一电极与第二电极之间施加与第一极性电压相反的第二极性编程电压，以将自由层的磁化从与参考层反平行的状态切换到与参考层平行的状态。

附图说明

图1是包括处于阵列配置的本公开的磁阻存储器单元的随机存取存储器设备的示意图。

图2A示出了根据本公开的实施方案的示例性磁阻存储器单元的第一构型。

图2B示出了根据本公开的实施方案的示例性磁阻存储器单元的第二构型。

图3示意性地示出了本公开的示例性磁阻存储器单元中自由层的平行和反平行构型的磁各向异性能量的压感变化。