公開(kāi)了具有鏡絕緣間隔層的自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)器。自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)單元(30)包括自由磁性層(F6)、參考磁性層(RL)、將自由磁性層與參考磁性層分離的電絕緣且非磁性隧穿阻擋層(TB)、電極層(E1、E2)以及將電極層與自由磁性層分離的電絕緣且電子反射層(ER)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
具有電子反射絕緣間隔層的STRAM本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2011年4月四日申請(qǐng)?zhí)枮榈?00980143739. 5號(hào)專(zhuān)利技術(shù)名稱(chēng)為 “具有電子反射絕緣間隔層的STRAM”的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)介紹
普及性計(jì)算和手持/通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展引起對(duì)大容量非易失性固態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的爆炸式需求。相信非易失性存儲(chǔ)器尤其是閃存將代替DRAM占據(jù)存儲(chǔ)器市場(chǎng)的最大份額。然而，閃存具有若干缺陷，例如慢存取速度( ms寫(xiě)和 50-100ns讀)、有限的使用壽命( IO3-IO4編程循環(huán))以及片上系統(tǒng)(SoC)的集成難度。閃存(NAND或NOR)在32nm 節(jié)點(diǎn)及以上也面對(duì)重大的等比縮放(scaling)問(wèn)題。磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)是未來(lái)非易失性和通用存儲(chǔ)器的另一個(gè)有前景的候選。MRAM具有非易失、快寫(xiě)/讀速度(< IOns)、幾乎無(wú)限的編程壽命(> IO15次循環(huán))和零待機(jī)功率的特征。MRAM的基本組件是磁性隧穿結(jié)(MTJ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是通過(guò)在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間切換MTJ的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MRAM通過(guò)使用電流感應(yīng)的磁場(chǎng)來(lái)切換MTJ的磁化強(qiáng)度從而切換MTJ電阻。隨著MTJ尺寸縮小，切換磁場(chǎng)振幅增加且切換變化變得嚴(yán)重。因此，所引發(fā)的高功耗限制了傳統(tǒng)MRAM的等比縮小。最近，基于自旋極化電流感應(yīng)的磁化切換的新型寫(xiě)入機(jī)制被引入到MRAM設(shè)計(jì)中。 被稱(chēng)為自旋轉(zhuǎn)移矩RAM(STRAM)的這種新型MRAM設(shè)計(jì)使用流過(guò)MTJ的(雙向)電流以實(shí)現(xiàn)電阻切換。因此，STRAM的切換機(jī)制是局部約束的并且相信STRAM具有比傳統(tǒng)MRAM更好的縮放特性。然而，在STRAM進(jìn)入生產(chǎn)階段前必須克服許多產(chǎn)量限制因素。傳統(tǒng)STRAM設(shè)計(jì)的一個(gè)考慮因素是STRAM單元的自由層厚度折衷。較厚的自由層提高熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持， 但也增加切換電流要求，因?yàn)榍袚Q電流與自由層的厚度成比例。因此，使STRAM單元在電阻數(shù)據(jù)狀態(tài)之間切換所需的電流量很大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本公開(kāi)涉及包括鏡絕緣體間隔層的自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)器。鏡絕緣體間隔層也被稱(chēng)為電絕緣且電子反射層。電絕緣且電子反射層將自旋電子反射回自由層以幫助切換自由層的磁化方向，因此減小自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)單元所需的切換電流。在一個(gè)具體實(shí)施例中，自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)單元包括自由磁性層、參考磁性層、將自由磁性層與參考磁性層分離的電絕緣且非磁性隧穿阻擋層、電極層以及將電極層與自由磁性層分離的電絕緣且電子反射層。通過(guò)閱讀下面的詳細(xì)描述，這些以及各種其它的特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)顯而易見(jiàn)。附圖簡(jiǎn)述考慮下面與附圖相結(jié)合的本公開(kāi)的各種實(shí)施例的詳細(xì)描述，可以更加全面地理解本專(zhuān)利技術(shù)附圖說(shuō)明圖1是處于低阻態(tài)的示例性磁性隧穿結(jié)(MTJ)的橫截面示意圖2是處于高阻態(tài)的示例性MTJ的橫截面示意圖；圖3是包括電子反射絕緣間隔層的示例性自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)單元的示意圖；圖4A是示例性不均勻電絕緣且電子反射層的橫截面示意圖；圖4B是另一個(gè)示例性不均勻電絕緣且電子反射層的橫截面示意圖；圖5是包括第二電子反射絕緣間隔層的示例性自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)單元的示意圖；圖6是包括多層參考層的示例性自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)單元的示意圖；以及圖7是包括替換的多層參考層的示例性自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)單元的示意圖。各附圖不一定按比例繪制。附圖中使用的類(lèi)似附圖標(biāo)記表示類(lèi)似組件。然而，應(yīng)該理解，使用附圖標(biāo)記指代給定附圖中的某個(gè)組件并不對(duì)其它附圖中用相同附圖標(biāo)記標(biāo)示的組件構(gòu)成限制。具體實(shí)施例方式在以下說(shuō)明書(shū)中，參照構(gòu)成說(shuō)明書(shū)一部分并以示例方式示出若干特定實(shí)施方式的一組附圖。應(yīng)該理解，可以構(gòu)想出其它實(shí)施方式，但不脫離本公開(kāi)的范圍或精神。因此，下面的詳細(xì)說(shuō)明不應(yīng)理解為限定。本文提供的定義是為了便于本文頻繁使用的某些術(shù)語(yǔ)的理解并且不旨在限定本公開(kāi)的范圍。除非另行指定，在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中使用的表示特征尺寸、量和物理特征的全部數(shù)字應(yīng)當(dāng)理解為在任何情形下可由術(shù)語(yǔ)“大約”就行修飾。因此，除非明示相反情形， 否則說(shuō)明書(shū)之前和所附權(quán)利要求書(shū)中闡述的數(shù)字參數(shù)是近似值，這些近似值能根據(jù)由本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員嘗試?yán)帽疚呐兜慕虒?dǎo)獲得的所需特性而改變。通過(guò)端點(diǎn)對(duì)數(shù)值范圍的列舉包括包容在該范圍內(nèi)的全部數(shù)值(例如1-5包括1、 1. 5、2、2. 75,3,3. 80,4和5)以及該范圍內(nèi)的任一范圍。如說(shuō)明書(shū)以及所附權(quán)利要求書(shū)中所使用地，單數(shù)形式的“一”、“該”以及“所述”涵蓋具有復(fù)數(shù)對(duì)象的實(shí)施方式，除非上下文明確地指出其它情形。如說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利要求書(shū)中使用地，術(shù)語(yǔ)“或”通常用于包括“和/或”的語(yǔ)境中，除非內(nèi)容明確地指出相反情形。本公開(kāi)涉及包括鏡絕緣體間隔層的自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)器。鏡絕緣體間隔層也被稱(chēng)為電絕緣且電子反射層。電絕緣且電子反射層將自旋電子反射回自由層以幫助切換自由層的磁化方向，因此減小自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)單元所需的切換電流。自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)單元中使用電絕緣且電子反射層可使所需切換減小至少50%或至少75%或至少90%。盡管本公開(kāi)并非局限于此，然而本公開(kāi)各個(gè)方面的理解可通過(guò)下面提供的示例闡述而獲得。圖1是處于低阻態(tài)的示例性磁隧穿結(jié)(MTJ)單元10的橫截面示意圖，而圖2是處于高阻態(tài)的示例性MTJ單元10的橫截面示意圖。MTJ單元可以是能夠在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間切換的任何有用存儲(chǔ)單元。在很多實(shí)施例中，本文所述的可變電阻存儲(chǔ)單元是自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)單元。MTJ單元10包括鐵磁體自由層12和鐵磁體參考(即，釘扎)層14。鐵磁體自由層12和鐵磁體參考層14由氧化物阻擋層13或隧穿阻擋層分離。第一電極15與鐵磁體自由層12電接觸，而第二電極16與鐵磁體參考層14電接觸。鐵磁體層12、14可由例如鐵、 鈷、鎳的任何有用鐵磁(FM)合金制成，并且絕緣隧穿阻擋層13可由例如氧化物材料(例如 Al203、Mg0或TiO)的電絕緣材料制成。也可使用其它技術(shù)。4電極15、16將鐵磁體層12、14電連接至提供通過(guò)鐵磁體層12、14的讀和寫(xiě)電流的控制電路。MTJ單元10兩端的電阻由鐵磁體層12、14的磁化矢量的相對(duì)方向或磁化方向確定。鐵磁體參考層14的磁化方向被釘扎在預(yù)定方向而鐵磁體自由層12的磁化方向在自旋矩影響下自由旋轉(zhuǎn)。鐵磁體參考層14的釘扎可通過(guò)例如使用與諸如PtMn、IrMn等反鐵磁規(guī)則材料交換偏磁來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1示出處于低阻態(tài)的MTJ單元10，其中鐵磁體自由層12的磁化方向是平行的并處于與鐵磁體參考層14磁化方向相同的方向。這被稱(chēng)為低阻態(tài)或“0”數(shù)據(jù)狀態(tài)。圖2示出處于高阻態(tài)的MTJ單元10，其中鐵磁體自由層12的磁化方向是反平行的并與鐵磁體參考層14的磁化方向相反的方向。這被稱(chēng)為高阻態(tài)或“1”數(shù)據(jù)狀態(tài)。當(dāng)流過(guò)MTJ單元10的磁性層的電流變?yōu)樽孕龢O化并將自旋矩施加在MTJlO的自由層12上時(shí)，通過(guò)自旋轉(zhuǎn)移切換電阻狀態(tài)并因此切換MTJ單元10的數(shù)據(jù)狀態(tài)。當(dāng)將足夠的自旋矩施加于自由層12時(shí)，自由層12的磁化方向可在兩相反方向上切換并因此MTJ單元10可在平行狀態(tài)(即低阻態(tài)或“0”數(shù)據(jù)狀態(tài))和反平行狀態(tài)(即高阻態(tài)或“1”數(shù)據(jù)狀態(tài))之間切換，這取決于電流的方向。示例性自旋轉(zhuǎn)移矩MTJ單元10可用來(lái)構(gòu)造包含多個(gè)可變電阻存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)設(shè)備，其中通過(guò)改變自由磁性層12相對(duì)于釘扎磁性層14的相對(duì)磁化狀態(tài)來(lái)將數(shù)據(jù)位存儲(chǔ)在磁性隧道結(jié)單元中?？赏ㄟ^(guò)測(cè)量隨自由層相對(duì)于釘扎的磁性層的磁化方向改變的單元本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
１．一種自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)單元，包括：自由磁性層；合成反鐵磁體參考磁性元件；將所述自由磁性層與合成反鐵磁體參考磁性層分離的電絕緣且非磁性隧穿阻擋層；電極層；將所述電極層與所述自由磁性層分離的電絕緣且電子反射層。
【技術(shù)特征摘要】
...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：Y·鄭，D·V·季米特洛夫，W·田，D·王，Z·高，X·王，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：希捷科技有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：US
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