[发明专利]具有辅助层的自旋转移矩MRAM及其操作方法

说明书

一种MRAM设备包括磁性隧道结，该磁性隧道结包含：具有固定磁化方向的参考层、自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性隧道阻挡层；一个或多个辅助层；和第一非磁性间隔层，该第一非磁性间隔层位于该自由层与该一个或多个辅助层之间。

相关申请

本申请要求2018年12月6日提交的美国非临时申请序列号16/212,257、16/212,342和16/212,420的优先权，前述申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及磁存储设备领域，并且特别涉及具有辅助层的自旋转移矩(STT)磁阻随机存取存储器(MRAM)设备及其操作方法。

背景技术

自旋转移矩(“STT”)是指磁性隧道结或自旋阀中的磁层取向由自旋极化电流修改的效应。一般地，电流是非极化的，其中电子具有随机自旋取向。自旋极化电流是电子由于优先自旋取向分布而具有非零净自旋的电流。自旋极化电流可通过使电流通过磁性极化层来生成。当自旋极化电流流过磁性隧道结或自旋阀的自由层时，自旋极化电流中的电子可将其角动量中的至少一些转移到自由层，从而产生扭矩以磁化自由层。当足够量的自旋极化电流通过自由层时，可采用自旋转移矩以翻转自由层中的自旋取向(例如，改变磁化)。可采用自由层的不同磁化状态之间的磁性隧道结的电阻差以将数据存储在磁阻随机存取存储器(MRAM)单元内，取决于自由层的磁化是平行于还是反平行于参考层的磁化。

发明内容

根据本公开的一个方面，MRAM设备包括磁性隧道结，该磁性隧道结包含：具有固定磁化方向的参考层、自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性隧道阻挡层；具有负磁各向异性的负磁各向异性辅助层，该负磁各向异性在垂直于固定磁化方向的平面内提供面内磁化；和第一非磁间隔层，该第一非磁间隔层位于自由层与负磁各向异性辅助层之间。

根据本公开的另一方面，MRAM设备包括磁性隧道结，该磁性隧道结包含具有固定磁化方向的参考层、自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性隧道阻挡层；第一磁性辅助层；第二磁性辅助层；反铁磁耦合间隔层，该反铁磁耦合间隔层位于第一磁性辅助层与第二磁性辅助层之间；和第一非磁性间隔层，该第一非磁性间隔层位于自由层与第一磁性辅助层之间。反铁磁耦合间隔层被配置为在第一磁性辅助层的第一磁化方向与第二磁性辅助层的第二磁化方向之间提供反铁磁耦合。

根据本公开的另一方面，MRAM单元包括磁性隧道结，该磁性隧道结包含具有固定磁化方向的参考层、自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性隧道阻隔层；自旋矩振荡器叠堆；和第一非磁性隔层，该第一非磁性隔层位于自由层与自旋扭矩振荡器叠堆之间。

附图说明

图1是包括处于阵列构型的本公开的电阻存储器单元的存储器设备的示意图。

图2示出了根据本公开的第一实施方案的示例性STT MRAM单元的第一构型。

图3示出了根据本公开的第一实施方案的示例性STT MRAM单元的第二构型。

图4示出了根据本公开的第一实施方案的示例性STT MRAM单元的第三构型。

图5示出了根据本公开的第一实施方案的示例性STT MRAM单元的第四构型。

图6A示出了在自由层的自旋从向上状态转变到向下状态期间的示例性旋进图案。

图6B示出了在自由层的自旋从向下状态转变到向上状态期间的示例性旋进图案。

图7示出了根据本公开的第二实施方案的示例性STT MRAM单元的第一构型。

图8示出了根据本公开的第二实施方案的示例性STT MRAM单元的第二构型。

图9示出了根据本公开的第二实施方案的示例性STT MRAM单元的第三构型。