具有利用自旋转移力矩可编程的磁弹性自由层的磁性结制造技术

描述了一种磁性结、包括该磁性结的磁存储器和一种用于编程磁性结的方法。所述磁性结具有自由层、参考层以及在参考层与自由层之间的非磁性间隔件层。当写入电流经过磁性结时，自由层在稳定磁状态之间是可切换的。对于静态，自由层具有超过其平面外退磁能的垂直磁各向异性。自由层具有磁致伸缩使得在对磁性结施加的编程电压存在的情况下垂直磁各向异性改变，使磁矩从其静态方向倾斜至少五度。编程电压至少为1伏特且不大于2伏特。非磁性间隔件层是绝缘隧道势垒层，并且/或者磁性结包括与自由层的相对界面相邻的附加绝缘层。

Magnetic junction having programmable magnetic moment of freedom using spin transfer torque

A magnetic junction, a magnetic memory including the magnetic junction, and a method for programming magnetic junctions are described. The magnetic junction has a free layer, a reference layer, and a nonmagnetic spacer layer between the reference layer and the free layer. When the write current passes through the magnetic knot, the free layer is switchable between the stable magnetic states. For the static, the free layer has a perpendicular magnetic anisotropy exceeding the magnetic energy beyond its plane. The free layer has magnetostriction so that the perpendicular magnetic anisotropy changes in the presence of a programmed voltage applied to the magnetic junction so that the magnetic moment is tilted at least five degrees from its static direction. The programming voltage is at least 1 volts and not greater than 2 volts. The nonmagnetic spacer layer is an insulating tunnel barrier layer, and / or the magnetic junction includes an additional insulating layer adjacent to the relative interface of the free layer.

【技术实现步骤摘要】
具有利用自旋转移力矩可编程的磁弹性自由层的磁性结本申请要求在2015年11月17日提交的题为MAGNETOELASTICFLASSISTFORFASTSTTSWITCHING(磁弹性自由层促进快速STT切换)的第62/256,433号临时专利申请序列号的权益，所述专利申请分配给本申请的受让人，并且通过引用包含于此。
本专利技术涉及一种具有利用自旋转移力矩可编程的磁弹性自由层的磁性结。
技术介绍
磁存储器(特别是磁随机存取存储器(MRAM))由于其在操作期间的高读/写速度、优异的耐力、非易失性和低功耗的潜能，已经受到越来越多的关注。MRAM可以利用磁材料作为信息记录介质来存储信息。一种MRAM是自旋转移力矩随机存取存储器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用至少部分地被通过磁性结驱动的电流写入的磁性结。通过磁性结驱动的自旋极化电流在磁性结中对磁矩施加自旋力矩。结果，响应于自旋力矩的具有磁矩的层可以切换至预期的状态。例如，传统的磁隧道结(MTJ)可以用于传统的STT-MRAM中。传统的MTJ通常位于基底上。传统的MTJ使用传统的种子层，传统的MTJ可以包括覆盖层并可以包括传统的反铁磁(AFM)层。传统的MTJ包括传统的被钉扎层、传统的自由层以及在传统的被钉扎层与传统的自由层之间的传统的隧道势垒层。在传统的MTJ下的底接触件和在传统的MTJ上的顶接触件可以用来在电流垂直于平面(CPP)方向上驱动电流经过传统MTJ。传统的被钉扎层和传统的自由层是磁性的。传统被钉扎层的磁化在特定方向上被固定或被钉扎。传统自由层具有可变的磁化。传统的自由层可以是单层或可以包括多层。被钉扎层和自由层可以具有垂直于层的平面(垂直于平面)或在层的平面内(平面内)而取向的它们的磁化。为了切换传统自由层的磁化，垂直于平面驱动电流。当从顶接触件到底接触件驱动足够的电流时，传统自由层的磁化可以切换到平行于传统的底部被钉扎层的磁化。当从底接触件到顶接触件驱动足够的电流时，自由层的磁化可以切换到反平行于底部被钉扎层的磁化。磁结构的差异对应于不同的磁阻并因此对应于传统MTJ的不同逻辑状态(例如，逻辑“1”和逻辑“0”)。因为其用在各种应用中的潜力，所以对磁存储器的研究正在进行中。用于改善STT-RAM的性能的方法受到期待。例如，高的垂直磁各向异性(perpendicularmagneticanisotropy)和高的磁阻受到期待。传统的自由层中的高的磁各向异性使自由层的磁矩在较高温度下热稳定。然而，高的磁各向异性也导致切换自由层的磁化方向所需要电流的增加，特别是较短的电流脉冲宽度的增加。这样的增加是不被期望的。越快的存储器期望越短的写入时间，因此期望越短的电流脉冲。因此，高的磁各向异性的使用会遭受多重弊端。因此，需要的是可以改善自旋转移力矩类存储器的性能的方法和系统。在这里描述的方法和系统满足这样的需求。
技术实现思路
描述了磁存储器以及用于设置和编程磁存储器的方法。存储器包括存储单元和位线。每个存储单元包括具有自由层、参考层以及在参考层与自由层之间的非磁性间隔件层的磁性结。当写入电流经过磁性结时自由层在稳定的磁状态之间是可切换的。自由层具有磁矩、垂直磁各向异性和平面外退磁能(out-of-planedemagnetizationenergy)。对于静态，垂直磁各向异性超过平面外退磁能。磁矩在静态沿着一方向。自由层具有磁致伸缩使得垂直磁各向异性改变，以便磁矩在对磁性结施加的编程电压存在的情况下从所述方向倾斜至少五度。编程电压至少为1伏特且不大于2伏特。自由层具有面对非磁性间隔件层的第一界面和与非磁性间隔件层相对的第二界面。非磁性间隔件层中的至少一层是相邻于第一界面的绝缘隧道势垒层，磁性结还包括相邻于第二界面的附加绝缘层。附图说明图1描绘了包括利用自旋转移和磁弹性效应可编程的磁性结的磁性装置的示例性实施例。图2是描绘了用于利用自旋转移力矩和磁弹性效应来编程磁性结的方法的示例性实施例的流程图。图3至图6描绘了用于利用自旋转移力矩和磁弹性效应来编程磁性结的时序图的示例性实施例。图7、图8A、图8B和图9描绘了在利用自旋转移力矩和磁弹性效应进行编程过程中自由层的磁矩的另一个示例性实施例。图10至图13描绘了利用自旋转移力矩和磁弹性效应来编程磁性结的时序图的附加示例性实施例。图14描绘了利用自旋转移和磁弹性效应可编程的磁性结的另一个示例性实施例。图15描绘了利用自旋转移和磁弹性效应可编程的磁性结的另一个示例性实施例。图16描绘了利用自旋转移和磁弹性效应可编程的磁性结的另一个示例性实施例。图17描绘了利用自旋转移和磁弹性效应可编程的磁性结的另一个示例性实施例。图18是描绘了用于提供利用自旋转移力矩和磁弹性效应可编程的磁存储器的方法的示例性实施例的流程图。图19描绘了包括利用自旋转移和磁弹性效应可编程的磁性结的磁性装置的另一个示例性实施例。具体实施方式示例性实施例涉及可用于诸如磁存储器的磁性装置中的磁性结，以及使用这样的磁性结的装置。磁存储器可以包括自旋转移力矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)并可以用于使用非易失性存储器的电子装置中。这样的电子装置包括但不限于蜂窝式电话、智能手机、台式计算机、膝上型计算机以及其它便携式和非便携式计算装置。呈现下面的描述以使本领域普通技术人员实现并使用本专利技术，在专利申请及其权利要求的上下文中提供下面的描述。对示例性实施例的各种修改以及在此描述的一般原则和特征将是很明显的。示例性实施例关于具体实施方式中提供的具体方法和系统进行主要描述。然而，方法和系统将以其它实施方式进行有效地操作。诸如“示例性实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的短语可以指相同的或者不同的实施例以及指多个实施例。将针对具有特定组件的系统和/或装置对实施例进行描述。然而，系统和/或装置可以包括比所示组件多或少的组件，在不脱离本专利技术范围的情况下，可以变化组件的布置和类型。也将在具有特定步骤的具体方法的上下文中对示例性实施例进行描述。然而，所述方法和系统对具有不同的步骤和/或附加的步骤的其它方法以及与示例性实施例不一致的不同顺序的分步骤和/或步骤进行有效地操作。因此，本专利技术不意图受限于所示的实施例，但要符合的是最大范围与在此描述的原则和特征一致。描述了磁存储器以及用于设置和编程磁存储器的方法。存储器包括存储单元、磁振荡器和位线。每个存储单元包括具有自由层、参考层和在参考层与自由层之间的非磁性间隔件层的磁性结。当写入电流经过磁性结时，自由层在稳定的磁性状态间是可切换的。自由层具有磁矩、垂直磁各向异性和平面外退磁能。对于静态，垂直磁各向异性超过平面外退磁能。在静态，磁矩沿着一个方向。自由层具有磁致伸缩，使得垂直磁各向异性改变，以便磁矩在存在对磁性结施加编程电压的情况下从所述方向倾斜至少五度。编程电压为至少1伏特且不大于2伏特。自由层具有面对非磁性间隔件层的第一界面和与非磁性间隔件层相对的第二界面。非磁性间隔件层中的至少一个是与第一界面相邻的绝缘隧道势垒层，磁性结还包括与第二界面相邻的附加绝缘层。在具体方法、具有特定组件的磁性结和磁存储器的背景下对示例性实施例进行描述。本领域普通技术人员将容易认识到的是，本专利技术与具有与本专利技术不一致的其它组件和/或附加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性结，所述磁性结位于基底上并可用于磁性装置中，所述磁性结包括：参考层；非磁性间隔件层；以及自由层，非磁性间隔件层位于参考层和自由层之间，自由层具有磁矩、垂直磁各向异性和平面外退磁能，对于静态，垂直磁各向异性超过平面外退磁能，在静态，磁矩沿着一方向，自由层具有磁致伸缩，使得垂直磁各向异性改变，以便在存在施加于磁性结的编程电压的情况下磁矩从所述方向倾斜至少五度，编程电压为至少1伏特且不大于2伏特，自由层具有面对非磁性间隔件层的第一界面和与非磁性间隔件层相对的第二界面；其中，非磁性间隔件层中的至少一个是与第一界面相邻的绝缘隧道势垒层，磁性结还包括与第二界面相邻的附加绝缘层；其中，构造磁性结使得当写入电流经过磁性结时，自由层在多个稳定磁状态之间是可切换的。

【技术特征摘要】
2015.11.17 US 62/256,433;2016.01.21 US 15/003,3601.一种磁性结，所述磁性结位于基底上并可用于磁性装置中，所述磁性结包括：参考层；非磁性间隔件层；以及自由层，非磁性间隔件层位于参考层和自由层之间，自由层具有磁矩、垂直磁各向异性和平面外退磁能，对于静态，垂直磁各向异性超过平面外退磁能，在静态，磁矩沿着一方向，自由层具有磁致伸缩，使得垂直磁各向异性改变，以便在存在施加于磁性结的编程电压的情况下磁矩从所述方向倾斜至少五度，编程电压为至少1伏特且不大于2伏特，自由层具有面对非磁性间隔件层的第一界面和与非磁性间隔件层相对的第二界面；其中，非磁性间隔件层中的至少一个是与第一界面相邻的绝缘隧道势垒层，磁性结还包括与第二界面相邻的附加绝缘层；其中，构造磁性结使得当写入电流经过磁性结时，自由层在多个稳定磁状态之间是可切换的。2.根据权利要求1所述的磁性结，其中，所述方向垂直于平面。3.根据权利要求1所述的磁性结，其中，非磁性间隔件层是绝缘隧道势垒层，且磁性结包括非磁性绝缘层。4.根据权利要求3所述的磁性结，其中，非磁性绝缘层是附加隧道势垒层，其中，磁性结还包括：附加参考层，附加隧道势垒层在自由层和附加参考层之间。5.根据权利要求1所述的磁性结，其中，自由层包括Tb合金、Co合金和TbxDy1-xFe2中的至少一种，其中，x大于0且小于1。6.根据权利要求1所述的磁性结，其中，编程电压至少为0.5伏特且不大于1伏特。7.根据权利要求1所述的磁性结，其中，非磁性间隔件层是导体，其中，磁性结包括附加绝缘层。8.根据权利要求1所述的磁性结，其中，非磁性间隔件层是隧道势垒层且邻接自由层的第一界面。9.根据权利要求1所述的磁性结，其中，磁性结包括附加绝缘层，其中，附加绝缘层与自由层的第二界面邻接。10.一种磁存储器，所述磁存储器包括：多个磁存储单元，所述多个磁存储单元中的每个包括至少一个磁性结，所述至少一个磁性结包括参考层、非磁性间隔件层和自由层，非磁性间隔件层位于参考层和自由层之间，自由层具有磁矩、垂直磁各向异性和平面外退磁能，对于静态，垂直磁各向异性超过...

【专利技术属性】
技术研发人员：塞巴斯蒂安·沙费尔，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国,KR