專利名稱：包含亞鐵磁層的自參考磁隨機存取存儲器單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用具有低切換場的亞鐵磁(ferrimagnetic)感應和/或存儲層的自參考磁隨機存儲器(MRAM)單元。本發明還涉及用于寫入MRAM單元的方法和用于讀取MRAM單元的自參考方法，使得MRAM單元可以分別使用小的寫入和讀取場來寫入和讀取。
背景技術：
使用所謂的自參考讀取操作的磁隨機存取存儲器(MRAM)單元典型地包含由具有磁化(其方向可以從第一穩定方向變化成第二穩定方向)的磁存儲層、薄絕緣層和具有可逆轉方向的感應層形成的磁隧道結。自參考MRAM單元允許以低功耗和增加的速度執行寫入和讀取操作。然而，在寫入操作期間，由于在閉合磁通量配置中耦合感應層的磁化與存儲層的磁化的局部磁雜散場，出現存儲和感應層之間的偶極耦合。在寫入操作期間切換存儲層磁化則將要求應用足夠高以克服偶極耦合的磁場。偶極耦合導致當應用場循環以測量存儲層的磁滯回線時磁滯回線的偏移(或偏置)。這種偶極耦合依賴于存儲和感應層的厚度和磁化以及磁隧道結的尺寸。具體而言，偶極耦合隨著磁隧道結直徑的降低而增加且因而可能在按比例縮小MRAM單元時變成主要問題。

發明內容
本公開涉及一種磁隧道結基隨機存取存儲器(MRAM)單元，其包含磁隧道結，該磁隧道結包含存儲層，具有`凈存儲磁化，其在磁隧道結在高溫閾值處被加熱時可以從第一方向調節到第二方向并且在低溫閾值處被釘住(pin);感應層，具有在應用磁場條件下可逆轉的感應磁化；以及隧道阻擋層，將感應層與存儲層分離。存儲層和感應層中的至少一個包含亞鐵磁3d-4f非晶合金材料，該亞鐵磁3d-4f非晶合金材料包含提供第一磁化的3d過渡金屬原子的亞晶格和提供第二磁化的4f稀土原子的亞晶格，使得在所述存儲層和感應層中的至少一個的補償溫度處，第一磁化和第二磁化基本相等。在一個實施例中，感應層包含亞鐵磁3d_4f非晶合金材料，第一磁化是第一感應磁化且第二磁化是第二感應磁化；且其中感應層的補償溫度基本對應于高溫閾值。在另一實施例中，存儲層包含亞鐵磁3d_4f非晶合金材料，第一磁化是第一存儲磁化且第二磁化是第二存儲磁化；且其中存儲層的補償溫度基本對應于低溫閾值。在又一實施例中，感應層包含提供第一和第二磁化的亞鐵磁3d_4f非晶合金材料，且存儲層包含提供第一和第二磁化的亞鐵磁3d-4f非晶合金材料，且其中存儲層的補償溫度高于感應層的補償溫度。在又一實施例中，存儲層的補償溫度基本對應于低溫閾值且感應層的補償溫度基本對應于高溫閾值。在又一實施例中，可以根據過渡金屬3d亞晶格和稀土 4f亞晶格之間的相對組分調節補償溫度。
在又一實施例中，亞鐵磁材料包含合金，該合金含有Co或Fe與Gd、Sm或Tb。本公開還涉及寫入MRAM單元的方法，包含
將磁隧道結加熱到高溫閾值；
一旦磁隧道結達到高溫閾值，切換存儲層的磁化方向以向所述存儲層寫入數據； 該高溫閾值基本對應于補償溫度。本公開還涉及讀取MRAM單元的方法,包含
在第一方向上對準凈感應磁化；
測量所述磁隧道結的第一電阻，該第一電阻由相對于切換的存儲磁化的取向的凈感應磁化的第一方向確定；
在第二方向上對準凈感應磁化；
測量所述磁隧道結的第二電阻，該第二電阻由相對于切換的存儲磁化的取向的凈感應磁化的第二方向確定；
確定第一電阻值和第二電阻值之間的差異；
在補償溫度以下的讀取溫度執行在第一方向和第二方向上對準凈感應磁化?？梢苑謩e使用小的寫入和讀取場對公開的MRAM單元進行寫入和讀取。


在通過舉例給出且通過圖說明的實施例的描述的幫助下，將更好地理解本公開，附圖中
圖1說明根據一個實施例的自參考隨機存取存儲器(MRAM)元件；
圖2報告了根據一個實施例用作MRAM單元中的感應層或存儲層的亞鐵磁層的磁化的溫度依賴性；以及
圖3報告了由亞鐵磁3d-4f非晶合金制成的存儲層23的磁化的溫度依賴性。
具體實施例方式圖1說明根據一個實施例的自參考隨機存取存儲器(MRAM)元件I。MRAM單元I包含磁隧道結2，該磁隧道結2包含具有凈存儲磁化230的鐵磁存儲層23 ;具有凈感應磁化210的亞鐵磁感應層21 ;以及包括在存儲層23和感應層21之間的隧道阻擋層22。層25代表金屬性接觸電極。存儲磁化230的方向可以通過使用熱輔助切換(TAS)寫入操作從第一穩定方向調節到第二穩定方向。換句話說，凈存儲磁化230在當存儲層23在高溫閾值處被加熱時可以被調節且在低溫閾值處被釘住。存儲層23也可以由諸如例如鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)、鎳鐵(NiFe)、鈷(Co)等鐵磁材料制成。在圖1的實施例中，存儲層23被反鐵磁存儲層24交換耦合。反鐵磁存儲層24調適為在低溫閾值釘住凈存儲磁化230且在高溫閾值釋放凈存儲磁化230。反鐵磁層24可以由諸如IrMn或FeMn的錳基合金或任意其他合適的材料制成。典型地，高溫閾值高于室溫， 例如介于120°C和220°C之間。隧道阻擋層22優選地由選自包含Al2O3和MgO的組的材料制成。磁隧道結2的隧穿電阻指數地依賴于絕緣層厚度且通過結的電阻-面積乘積(RA)測量。RA必須足夠小以允許足夠高以提升磁隧道結2 (存儲層23和反鐵磁存儲層24)的溫度到高溫閾值的電流流過結。感應層21可以由典型地包括鐵、鈷鎳或其合金的低矯頑性軟亞鐵磁材料制成。感應層21的凈感應磁化210可以容易地逆轉，即，凈感應磁化210可以在低和高溫閾值調節。根據一個實施例，TAS寫入操作包含
將磁隧道結2加熱到高溫閾值；
一旦磁隧道結2達到高溫閾值，切換凈存儲磁化230到寫入狀態(寫入數據)中；以及 將磁隧道結2冷卻到低溫閾值，從而將凈存儲磁化230凍結在寫入狀態中。加熱磁隧道結2可以包含例如經由電流線5 (如圖1的實施例中表示)應用流過磁隧道結2的加熱電流31。高溫閾值可以對應于高于阻斷溫度Tbs的溫度，在這種情況下，反鐵磁存儲層24和存儲層23之間的交換耦合消失且不再被釘住的凈存儲磁化230可以被自由調節。切換凈存儲磁化230可以包含應用外部寫入磁場42，凈存儲磁化230則根據應用的磁場42的方向在一個取向中切換?？梢酝ㄟ^在與磁隧道結2 (在圖1的實施例中表示)通信的場線4中使寫入電流通過而應用寫入磁場42。場線典型地布置在磁隧道結2的頂部上或下方。低溫閾值可以對應于低于反鐵磁層24的阻斷溫度Tbs的溫度，在這種情況下，反鐵磁層24釘住凈存儲磁化230。冷卻磁隧道結2可以包含例如在磁隧道結2達到高溫閾值之后阻止加熱電流31。在一個實施例中，MRAM單元I的自參考讀取操作包含第一讀取循環，該第一讀取循環包含應用第一讀取磁場52,該第一讀取磁場52調適為根據第一讀取磁場52的第一取向在第一方向上對 準凈感應磁化210?？梢酝ㄟ^在場線4中使具有第一極性的第一讀取場電流51通過而應用第一讀取磁場52。通過使感應電流32通過磁隧道結2，凈感應磁化210的第一方向然后與切換的凈存儲磁化230 (寫入的數據)進行比較。磁隧道結2兩端測量的電壓得出磁隧道結2的相應第一電阻值％。在凈感應磁化210基本平行于存儲磁化230而被對準的情況中，第一電阻值R1小(R1=RniinX另一方面，當凈感應磁化210基本反平行于存儲磁化230而被對準時，測量的第一電阻值為高(R1=Rmax)15第一電阻值R1可以與參考電阻進行比較，該參考電阻典型地處于Rmin和Rmax中間(如專利申請EP2276034中所描述)。優選地，MRAM單元I的讀取操作還包含第二讀取循環，該第二讀取循環包含應用第二讀取磁場54，該第二讀取磁場54調適為根據第二讀取磁場54的第二取向，在與第一方向相對的第二方向上對準凈感應磁化210。可以通過在場線4中使具有第二極性的第二讀取場電流53通過而應用第二讀取磁場54。通過使感應電流32通過磁隧道結2，凈感應磁化210的第二方向然后與切換的存儲磁化230進行比較。當感應電流32通過磁隧道結2時測量磁隧道結2兩端的電壓得出磁隧道結2的相應第二電阻值R2。寫入數據然后可以通過第二電阻值R2和在第一讀取循環中測量的第一電阻值R1之間的差異確定。第一和第二電阻值Rp R2之間的差異也被稱為磁隧道磁阻或磁阻AR。存儲的第一電阻值R1和第二電阻值R2之間的差異可以得出負或正磁阻A R0在高溫閾值處的寫入操作期間，存儲層23不再與反鐵磁層24交換耦合，且可以自由地調節存儲磁化230。然而，由于凈感應磁化210，存儲層23與感應層21的偶極耦合可以引發耦合存儲層23和感應層21的局部磁雜散場(未示出)。取決于雜散場的值且因而取決于凈感應磁化210的值，存儲磁化230可以通過耦合而被釘住，阻止MRAM單元I的寫入。換句話說，除非應用的寫入磁場42的量值增加，應用的寫入磁場42不能克服由感應層21進行的對存儲層23的偶極耦合。凈存儲磁化230還可以引發耦合存儲層23與感應層21的局部磁雜散場(同樣未示出)。在讀取操作期間，由于存儲磁化230引起的存儲層23和感應層21的這種偶極耦合，可能需要第一和第二讀取磁場52、54的增加的量值。在一個實施例中，感應層21包含亞鐵磁3d_4f非晶合金?？梢酝ㄟ^在3d過渡金屬和4f稀土材料之間選擇合適的元素和相對組分提供亞鐵磁3d-4f非晶合金。在MRAM器件中使用的這種亞鐵磁3d-4f非晶材料在用于與此處公開的目的不同的目的的文檔EP2232495A1中描述。更具體而言，感應層21的亞鐵磁3d_4f非晶合金包含提供第一感應磁化(此處為第一感應磁化211)的3d過渡金屬原子的亞晶格以及提供第二磁化(此處為第二感應磁化212)的4f稀土原子的亞晶格。感應層21的凈感應磁化210因而是第一感應磁化211和第二感應磁化212的矢量和。圖2報告了由亞鐵磁3d-4f非晶合金制成的感應層21的磁化的溫度依賴性。更具體而言，該圖報告了作為溫度的函數的3d過渡金屬原子的亞晶格的第一感應磁化211的絕對值以及4f過渡金屬原子的亞晶格的第二感應磁化212的絕對值。還報告了作為溫度的函數的凈感應磁化210。在圖2的示例中，3d過渡金屬亞晶格和4f稀土材料亞晶格的相應組分被選擇為使得第一感應磁化211反平行于第二感應磁化212而取向。在感應層21的補償溫度Totp,第一感應磁化211和第二感應磁化212具有基本相等的幅度和相反的符號。在這些條件下，第一和第二感應磁化212、212被補償且凈感應磁化210變得基本為零。在補償溫度Totp以下，第二感應磁化212變得大于第一感應磁化211，且凈感應磁化210在第二感應磁化212的方向上取向。相反，在高于補償溫度Totp的溫度，第一感應磁化211大于第二感應磁化212，且凈感應磁化210在第一感應磁化211的方向上取向。當溫度增加到感應層21的居里溫度Tew或以上時，溫度波動使得凈感應磁化210變得基本為零且感應層21變成順磁的。在圖2中還示出了感應層21的矯頑場Hw。在補償溫度Totp，矯頑場Hw發散且理論地增加到無限。在補償溫度Totp的任一側，當溫度靠近補償溫度Totp時，矯頑場Hw更加快速地降低。在優選實施例中，感應層21的補償溫度Totp基本對應于高溫閾值。在高溫閾值處的寫入操作期間，凈存儲磁化210基本為零，且不出現由存儲層21進行的對感應層23的耦合。因此，可以使用具有小量值的應用寫入磁場42容易地切換感應磁化230。在低于補償溫度Tcxmp的讀取溫度Traid執行讀取操作。讀取溫度Traid對應于低溫閾值，在該低溫閾值，存儲磁化230被反鐵磁層24釘住，使得第一和第二讀取磁場52、54不能切換存儲磁化230。在讀取操作期間，存儲磁化230被反鐵磁層24釘住，使得它不能通過第一和第二讀取磁場52、54切換。優選地，亞鐵磁層3d_4f非晶合金包含含有Co或Fe與Gd、Sm或Tb的合金，該合金諸如例如是GdCo、SmCo或TbFeCo。可以根據亞鐵磁材料合金組分調節補償溫度TOTP。例如，可以通過選擇3d過渡金屬和4f稀土材料之間的相對組分調節補償溫度TroMP。此處公開的MRAM單元I和寫入操作方法的優勢在于，在寫入操作期間，由于在補償溫度Totp處的低或零的雜散場，可以使用具有低量值的寫入磁場42切換存儲磁化230。此外，在讀取操作期間，因為凈感應磁化210可以容易地逆轉，第一和第二讀取磁場52、54的量值可以很小。在另一實施例中，存儲層23包含亞鐵磁3d_4f非晶合金。更具體而言，存儲層23的亞鐵磁3d-4f非晶合金包含提供第一存儲磁化(此處為第一存儲磁化231)的3d過渡金屬原子的亞晶格以及提供第二磁化(此處為第二存儲磁化232)的4f稀土原子的亞晶格。存儲層23的凈存儲磁化230因而是第一存儲磁化231和第二存儲磁化232的矢量和。圖3報告了由亞鐵磁3d-4f非晶合金制成的存儲層23的磁化的溫度依賴性。更具體而言，該圖報告了作為溫度的函數的3d過渡金屬原子的亞晶格的第一存儲磁化231的絕對值以及4f過渡金屬原子的亞晶格的第二存儲磁化232的絕對值。還報告了作為溫度的函數的凈存儲磁化230。在圖3的示例中，3d過渡金屬亞晶格和4f稀土材料亞晶格的相應組分被選擇為使得第一存儲磁化231反平行于第二感應磁化232取向。在存儲層23的補償溫度Totp，第一存儲磁化231和第二存儲磁化232具有基本相等的幅度和相反的符號且被補償以使得凈存儲磁化230變得基本為零。亞鐵磁存儲層23的補償溫度Totp可以被調節以使得它基本對應于讀取溫度T,ead(或低溫閾值)。在讀取溫度Tread (低溫閾值)執行讀取操作期間，凈存儲磁化230變得基本為零，使得不出現由存儲層23進行的對感應層21的耦合。因此，可以使用具有較低量值的第一和第二讀取磁場52、54切換凈感應磁化210。在又一實施例中，感應層21和存儲層23均包含亞鐵磁3d_4f非晶合金。此處，感應層21包含第一和第二感應磁化211、212且存儲層23包含第一和第二存儲磁化231、232。存儲層23和感應層21的亞鐵磁3d-4f非晶合金可以布置為使得存儲層23的補償溫度Tcmqp大于感應層21的補償溫度T—。在一個優選實施例中，存儲層23的補償溫度Totp基本對應于讀取溫度TMad (或低溫閾值)且感應層21的補償溫度Totp基本對應于高溫閾值。參考數字
1磁隨機存取存儲器(MRAM)單元
2磁隧道結
21感應層
210凈感應磁化
211第一感應磁化
212第二感應磁化
22隧道阻擋層
23存儲層
24反鐵磁存儲層
25電極
230凈存儲磁化
231第一存儲磁化
232第二存儲磁化
31加熱電流
32感應電流
4場線
41寫入電流
42寫入磁場
5電流線
52第一讀取磁場54第二讀取磁場
Hff矯頑場
Tcomp補償溫度
Tread讀取溫度。
權利要求
1.一種包含磁隧道結的隨機存取存儲器(MRAM)單元，該磁隧道結包含存儲層，具有凈存儲磁化，該凈存儲磁化在磁隧道結處于高溫閾值時可以從第一方向調節到第二方向并且在低溫閾值處被釘??；感應層，具有可逆轉的凈感應磁化；以及隧道阻擋層，將感應層與存儲層分離； 存儲層和感應層中的至少一個包含亞鐵磁3d-4f非晶合金材料，該亞鐵磁3d-4f非晶合金材料包含提供第一磁化的3d過渡金屬原子的亞晶格和提供第二磁化的4f稀土原子的亞晶格，使得在所述存儲層和感應層中的至少一個的補償溫度處，第一磁化和第二磁化基本相等。
2.根據權利要求1所述的MRAM單元，其中 感應層包含該亞鐵磁3d-4f非晶合金材料，第一磁化是第一感應磁化且第二磁化是第二感應磁化；且其中感應層的補償溫度基本對應于該高溫閾值。
3.根據權利要求1所述的MRAM單元，其中 存儲層包含該亞鐵磁3d-4f非晶合金材料，第一磁化是第一存儲磁化且第二磁化是第二存儲磁化；且其中存儲層的補償溫度基本對應于該低溫閾值。
4.根據權利要求1所述的MRAM單元，其中 感應層包含提供第一和第二磁化的亞鐵磁3d-4f非晶合金材料，且存儲層包含提供第一和第二磁化的亞鐵磁3d-4f非晶合金材料，且其中存儲層的補償溫度高于感應層的補償溫度。
5.根據權利要求4所述的MRAM單元，其中 存儲層的補償溫度基本對應于該低溫閾值且感應層的補償溫度基本對應于該高溫閾值。
6.根據權利要求1所述的MRAM單元，其中 可以根據過渡金屬3d亞晶格和稀土 4f亞晶格之間的相對組分調節補償溫度。
7.根據權利要求1所述的MRAM單元，其中 亞鐵磁材料包含合金，該合金含有Co或Fe與Gd、Sm或Tb。
8.一種用于寫入MRAM單元的方法，該MRAM單元包含磁隧道結，該磁隧道結包含存儲層，其具有凈存儲磁化，該凈存儲磁化在磁隧道結處于高溫閾值時可以從第一方向調節到第二方向并且在低溫閾值處被釘??；感應層，具有可逆轉的凈感應磁化；以及隧道阻擋層，將感應層與存儲層分離；存儲層和感應層中的至少一個包含亞鐵磁3d-4f非晶合金材料，該亞鐵磁3d-4f非晶合金材料包含提供第一磁化的3d過渡金屬原子的亞晶格和提供第二磁化的4f稀土原子的亞晶格，使得在所述存儲層和感應層中的至少一個的補償溫度處，第一磁化和第二磁化基本相等，該方法包含 將磁隧道結加熱到高溫閾值； 一旦磁隧道結達到高溫閾值，切換存儲層的磁化方向以向所述存儲層寫入數據； 該高溫閾值基本對應于補償溫度。
9.一種用于讀取MRAM單元的方法，該MRAM單元包含磁隧道結，該磁隧道結包含存儲層，其具有凈存儲磁化，該凈存儲磁化在磁隧道結處于高溫閾值時可以從第一方向調節到第二方向并且在低溫閾值處被釘住；感應層，具有可逆轉的凈感應磁化；以及隧道阻擋層，將感應層與存儲層分離；存儲層和感應層中的至少一個包含亞鐵磁3d-4f非晶合金材料，該亞鐵磁3d-4f非晶合金材料包含提供第一磁化的3d過渡金屬原子的亞晶格和提供第二磁化的4f稀土原子的亞晶格，使得在所述存儲層和感應層中的至少一個的補償溫度處，第一磁化和第二磁化基本相等，該方法包含 在第一方向上對準凈感應磁化； 測量所述磁隧道結的第一電阻，該第一電阻由相對于切換的存儲磁化的取向的凈感應磁化的第一方向確定； 在第二方向上對準凈感應磁化； 測量所述磁隧道結的第二電阻，該第二電阻由相對于切換的存儲磁化的取向的凈感應磁化的第二方向確定； 確定第一電阻值和第二電阻值之間的差異；以及 在補償溫度以下的讀取溫度執行`在第一方向和第二方向上對準凈感應磁化。
全文摘要
本發明涉及包含亞鐵磁層的自參考磁隨機存取存儲器單元。MRAM單元包含磁隧道結，該磁隧道結包含存儲層，具有凈存儲磁化，該凈存儲磁化在磁隧道結處于高溫閾值時可調節并且在低溫閾值處被釘??；感應層，具有可逆轉的感應磁化；以及感應層與存儲層之間的隧道阻擋層；存儲層和感應層中的至少一個包含亞鐵磁3d-4f非晶合金材料，該亞鐵磁3d-4f非晶合金材料包含提供第一磁化的3d過渡金屬原子的亞晶格和提供第二磁化的4f稀土原子的亞晶格，使得在所述存儲層和感應層中的至少一個的補償溫度處，第一磁化和第二磁化基本相等?？梢苑謩e使用小的寫入和讀取場對公開的MRAM單元進行寫入和讀取。
文檔編號H01L43/10GK103035836SQ20121036799
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月28日 優先權日2011年9月30日
發明者I.L.普雷貝亞努, L.隆巴爾 申請人:克羅科斯科技公司