[发明专利]可写入磁性元件

说明书

技术领域

本发明提供了一种电流引发的反转型可写入磁性元件。

背景技术

通常通过施加磁场使层或小型磁性元件的磁化反转。例如，磁场方向发生变化取决于是否需要将磁化转向一个方向或转向另一方向。在磁道或计算机硬盘上的写入基于这样的原则：用于反转的元件被机械地置于磁场发生器的附近，以将磁场限制在三维空间的局部范围。这正是磁场的结构，其不能通过定义限制在三维空间的局部范围，这引发了将磁场集成在装置中的许多困难。因此，例如，当用被称为磁性随机存取内存（MRAM）的固态磁存储器或逻辑器件，不可能产生机械操作或不需要机械操作时，为了使其仅作用在目标单元而不影响其邻位，需要充分地将磁场集中。当各种存储器或逻辑单元为了增加其密度彼此非常靠近时，该问题变得越来越严重。

最初在1996年，从理论上证明了通过自旋极化电流来操纵磁化的可能，提供了该问题的第一个解决方案。为了在存储器点操纵磁化的目的，被称为自旋转移矩（STT）的物理原理需要存在由非磁性金属（自旋阀式结构）或绝缘体（磁性隧道结型结构）隔开的至少两个磁性层，这两个层的磁化是非共线的。根据自旋阀型结构或磁性隧道结型结构来分别进行详细物理解释，但大致上在通过第一磁性层后的电流成为自旋极化的电流，然后，通过电流极化的非共线分量来对第二层的磁化施加力矩。当电流密度足够高时，既可以在自旋阀中又可以在磁性隧道结中使第二磁层的磁化反转。

例如，在2006年3月7日公布的第7009877号美国专利和2009年5月21日公布的第2009/129143号美国专利申请所述，电流必须垂直于层的平面通过结。

通过电流局部操纵亚微米尺寸的磁性元件的磁化的能力，立即显示了针对应用的可能性。目前，行业参与者正在寻求将该原则并入到MRAM存储单元和逻辑组件新的架构。

目前，这样的合作正面临相互关联的各种困难。

STT反转需要在存储点存在由非磁性间隔件分隔的至少两个磁性层。如上所述，通过垂直于磁性层的平面注入高密度的电流通过整个层叠体来实现写入，而通过层叠体的磁阻（用于自旋阀的巨磁阻（GMR），以及用于磁性隧道结的隧道磁阻（TMR））来实现读取。目前，所有或几乎所有的应用都基于使用磁性隧道结。因此，虽然GMR信号仅占百分之几，基于MgO结的TMR信号通常大于100%。然而，隧道结具有电阻与面积（RA）的乘积呈现较大值的缺点。因此，对于STT反转所需要的典型的电流密度为每平方厘米10⁷amps（A/cm²），RA为100欧姆-平方微米（Ω·μm²），结的边缘处电压为10伏（V）；RA为10Ω·μm²，结的边缘处电压为1V；RA为1Ω·μm²，结的边缘处电压为0.1V。除了最小的值，在结处功耗大，其在能源消耗方面不利，且破坏了所述结。此外，有利于读取的高的TMR值通常通过呈现高RA值的层叠体来获得。这就是目前的研究正在寻求获得TMR呈现高值且RA呈现低值的隧道结的原因。此外，即使结的边缘处的电压相对低值，由于电压循环，在操作中已经观察到，结的加速老化现象。目前，无论是为了在现有的配置中优化材料，还是用于定义新的配置，许多研究致力于这点，例如，通过使用具有三个端子的配置，可以尽可能多的解决分离写入和读取的问题。

总之，由于在已知的STT装置中，这两种现象是内在联系的，因此困难在于不能独立优化读取和写入。

然而，另一该联系的固有的困难来自层叠体的越来越大的复杂性。因此，为了存储磁化，如果需要仅在待反转的层中产生STT效果，必须例如，稳定其它层，例如，通过与反铁磁性材料交互耦合：如果需要增加STT转移的振幅，必须优化极化层；如果需要减少敏感层上辐射的磁场，必须例如，使用人工反铁磁双层；等等。

因此，MRAM单元或逻辑组件的典型磁性层叠体可以具有各种材料的超过10个或15个不同的层。因此，其在构造步骤过程中带来了困难，尤其是在蚀刻工序中，其是用于集成这样的磁性层叠体主要的阻碍之处之一。