[发明专利]磁存储器及其提供方法和编程方法

说明书

技术领域

示例性实施方式涉及磁存储器及其提供方法和编程方法。

背景技术

磁存储器，尤其是磁随机存取存储器(MRAM)，由于它们在操作期间的高读/写速度、优良的耐用性、非易失性和低功耗方面的潜能，已经引起越来越多的关注。MRAM可以利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移扭矩随机存取存储器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用磁性结，所述磁性结至少部分地通过被驱动经过磁性结的电流而被写入。被驱动经过磁性结的自旋极化电流对磁性结中的磁矩施加自旋扭矩。结果，具有响应于自旋扭矩的磁矩的层可以被转换至期望状态。

例如，图1描绘了可以被用于常规STT-RAM中的常规双磁性隧道结(MTJ)10。常规双MTJ 10通常位于底部接触11上，利用常规籽晶层12并且包括常规第一反铁磁(AFM)层14、常规第一被钉扎或参考层16、常规第一隧穿势垒层18、常规自由层20以及常规第二隧穿势垒层22、常规第二被钉扎层24、常规第二AFM层26和常规盖层28。还示出了顶部接触30。

常规接触11和30被用于在电流垂直平面(CPP)的方向上或者沿着如图1所示的Z轴驱动电流。常规籽晶层12通常被用于辅助具有期望的晶体结构的后续层诸如第一AFM层14的生长。常规隧穿势垒层18和22每个是非磁性的，并且为例如薄绝缘体，诸如MgO。

常规被钉扎层16/24和常规自由层20是磁性的。常规参考层16和24的磁化17和25通常通过与AFM层14和26的交换偏置相互作用而被固定或者被钉扎在特定方向上。虽然被描绘为单一(单个)层，但常规参考层16和24可以包括多个层。例如，常规参考层16和/或24可以是包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁耦合的磁性层的合成反铁磁(SAF)层。在这样的SAF中，可以使用插入有Ru的薄层的多个磁性层。在另一实施方式中，经由Ru层的耦合可以是铁磁性的。虽然可以使用单个参考层16或24以及单个隧穿势垒层18或22，但是如果参考层16和24被固定在双态(参考层16和24的磁矩17和25反平行)，双MTJ 10可以具有提高自旋扭矩的优点。然而，处于双态下的双MTJ 10可以具有减小的磁阻。相反，如果参考层16和24被固定在反双态(参考层16和24的的磁矩17和25平行)，双MTJ 10可以具有提高的磁阻。此外，在反双态构造中，由两个参考层16和24贡献的自旋转移扭矩相互抵消。结果，与双态相比或者甚至与具有单个势垒的类似单元相比，在反双态下，自由层上的自旋转移扭矩的数值会实质上减小。因此，可以显著减小读取错误率，该读取错误率是在读取操作期间无意地转换自由层的可能性。这可以允许显著地增加感测余量(其是由读出放大器可接收的最小读取电流与导致不容许的读取错误的电流之间的差异)，从而使得在双构造中读取电流能够接近写入电流。因为读取错误率取决于单元热稳定性，所以这也可以允许放宽对于MTJ单元参数的要求，尤其对于MTJ单元的热稳定性的要求。然而，这也意味着基于自旋转移的转换会需要更大的写入电流。

常规自由层20具有可改变的磁化21。虽然被描绘为单一层，但是常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁地或铁磁地耦合的磁性层的合成层。虽然被示出为在平面内，但常规自由层20的磁化21可以具有垂直各向异性。类似地，常规被钉扎层16的磁化17也可以垂直于平面。

为了转换常规自由层20的磁化21，电流被垂直于平面(在Z方向上)驱动。载流子被自旋极化并且对于常规自由层的磁化21施加扭矩。在常规双MTJ 10中，来自参考层16和24的自旋扭矩在这些层处于反双态(磁矩17和25反平行)时是附加的。当磁矩21平行于易磁化轴(稳定状态)时，常规自由层20的磁矩21上的自旋转移扭矩最初是小的。这样，磁矩21的稳定态也对应于转换中的临界点。由于热波动，磁矩21可以从与常规自由层20的易磁化轴对准而旋转。然后，自旋转移扭矩可以起到增大效果的作用，并且自由层20的磁矩被转换。当足够的电流被从顶部接触30驱动到底部接触11时，常规自由层20的磁化21可以转换为平行于常规参考层16的磁化17。当足够的电流被从底部接触11驱动到顶部接触30时，自由层的磁化21可以转换为反平行于参考层16的磁化。磁构造的差异对应于不同的磁阻，因此对应于常规MTJ 10的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“1”)。