[发明专利]具有减小的电流密度的磁性元件

说明书

技术领域

本公开一般涉及存储装置，并且更具体地说，涉及磁性存储装置。

背景技术

非易失存储装置是电子系统中的重要元件。FLASH是当今使用的主要非易失存储装置。典型的非易失存储装置使用在浮动氧化层中捕获的电荷存储信息。FLASH存储器的缺点包括高电压需求、缓慢程序及擦除时间、低耐用性、及可量测性的限制。

为了克服这些缺点，半导体工业正在评估磁性存储装置，如磁阻随机存取存储器(MRAM)。在MRAM中的存储器状态由磁矩的方向保持，而不是由在层中存储的电荷保持。MRAM包括磁性隧道结(MTJ)结构。MTJ具有由介电隧道势垒与自由磁性层分离的固定磁性层。在常规MRAM中，数据存储通过施加磁场和使自由层被磁化成与固定层磁化平行或反向平行而完成，平行或反向平行与两种可能存储器状态相对应。再调用数据通过检测在自由与固定磁性层之间穿过隧道的电流的电阻而完成。如果自由层的磁矩与固定层磁矩相平行，那么MRAM装置具有低电阻。如果代之以自由层的磁矩与固定层磁矩反向平行，则MRAM装置具有高电阻。用于写入的磁场通过使电流通过在MTJ结构外部的传导线而创建。

存在不同类型的MRAM。一种类型是触发MRAM。在触发MRAM中，使用磁场对位进行编程，这些磁场通过使电流向下通过在位附近的传导线而产生。同一脉冲序列用来从一种状态(例如，“1”或“0”)切换到另一种状态(例如，“0”或“1”)。尽管触发MRAM具有一些优点，但它没有实现小写入电流，特别是对于小单元尺寸。另一种类型的MRAM，自旋力矩(spin torque)MRAM(STMRAM)，在ST-MRAM中，通过允许自旋-极化电子流碰撞在磁性自由层上而对位进行编程。与自旋极化电流相关联的角动量的变化在自由层上产生力矩，该力矩对于大得足够的电流可改变自由层的磁化方向。尽管ST-MRAM使用比触发MRAM显著小的写入电流，特别是在小单元尺寸下，但用于STMRAM的写入电流仍然不希望地巨大，并且对于某些单元，要求超过隧道势垒的击穿电压(Vbd)的编程电压。另外，巨大写入电流需要巨大导通晶体管，用来选择性编程在阵列中的位，由此不希望地限制整体存储器密度。因此，对于自旋转移效应装置，存在进一步减小编程电流的需要。

附图说明

本发明通过例子表明，并且不由附图限制，在附图中，类似附图标记指示类似元件。在图中的类似元件为了简单和清楚而表明，并且没有必要按比例画出。

图1表明按照一个实施例的存储装置，如MRAM装置，的剖视图；

图2表明按照一个实施例的自由磁性元件的剖视图；

图3是流程图，表明按照一个实施例写入存储器的方法；

图4-7表明在按照一个实施例的写入过程期间在图2中的自由磁性元件的视图；及

图8表明按照实施例的存储器单元阵列的示意表示。

具体实施方式

为了减小在STMRAM装置中的编程电流，MTJ结构的自由磁性元件包括弱耦合磁性层。在一个实施例中，各磁性层通过薄非磁性中间层弱铁磁地相耦合。在一个实施例中，每个薄中间层的厚度是近似0.1至近似2纳米。当电流施加到按照实施例的自旋转移效应存储装置上时，在离隧道势垒最近的自由层的一部分上诱导自旋-力矩。随着这个层反向，弱铁磁耦合也使其它层依次反向。因而，切换事件在多层上传播，并且在时间上稍微延迟，由此减小对于反向要求的峰值力矩(和因此峰值电流)。相反，在常规自旋转移效应MRAM装置中，整个自由层由于对于连续磁性材料固有的强铁磁耦合同时反向。通过使用弱铁磁耦合层，实现低编程电流，防止隧道势垒击穿或使其最小化。另外，存储器单元可包括比常规STMRAM结构小的导通晶体管，这希望地减小单元的尺寸。因此，较高密度和较低功率MRAM装置是可能的。此外，具有弱耦合磁性层的自由磁性元件可用在任何适当磁性存储器单元中。