[发明专利]用于提供改进转换性能的混合磁隧道结元件的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于提供混合磁隧道结元件的方法和系统。

背景技术

磁性存储器，特别地，磁性随机存取存储器(MRAM)由于在工作期间其在高读取/写入速度、优秀的耐久性、非易失性和低能耗方面的潜能而吸引了越来越多的关注。MRAM能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为自旋转移力矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM利用至少部分地由驱动穿过磁性结的电流实现的磁性结写入。驱动穿过磁性结的自旋极化电流在磁性结中施加自旋力矩到磁矩上。结果，具有响应于自旋力矩的磁矩的层可以被转换为期望的状态。

例如，图1示出常规磁隧道结(MTJ)10，其可以被用于常规STT-RAM中。常规MTJ10典型地位于底接触11上，使用常规籽晶层(seed layer)12，以及包括常规反铁磁(AFM)层14、常规被钉扎层16、常规隧道势垒层18、常规自由层20和常规盖层22。顶接触24也被示出。

常规接触11和24被用于沿电流垂直于平面(CPP)方向或者沿图1所示的z轴方向驱动电流。常规籽晶层12典型地用于帮助后续的层诸如AFM层14生长以具有期望的晶体结构。常规隧道势垒层18是非磁性的，例如为诸如MgO的薄绝缘体。

常规被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规被钉扎层16的磁化17典型地通过与AFM层14的交换偏置相互作用(exchange-bias interaction)而沿特定方向被固定或被钉扎。虽然常规被钉扎层16图示为简单(单个)层，但是它可以包括多个层。例如，常规被钉扎层16可以是包括通过诸如Ru的薄导电层反铁磁耦合的多个磁性层的合成反铁磁(SAF)层。在这种SAF中，可以使用插入Ru薄层的多个磁性层。在另一实施例中，跨过Ru层的耦合可以是铁磁的。此外，常规MTJ10的其他变型可以包括附加被钉扎层(未示出)，该附加被钉扎层通过附加非磁势垒层或导电层(未示出)与自由层20分离开。

常规自由层20具有可变的磁化21。虽然常规自由层20图示为简单层，但是它也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过诸如Ru的薄导电层反铁磁耦合或铁磁耦合的多个磁性层的合成层。虽然常规自由层20的磁化21图示为面内磁化，但是它可以具有垂直各向异性。

为了转换常规自由层20的磁化21，电流被垂直于平面(沿z轴方向)驱动。当足够的电流被从顶接触24驱动到底接触11时，常规自由层20的磁化21可以转换为平行于常规被钉扎层16的磁化17。当足够的电流被从底接触11驱动到顶接触24时，自由层的磁化21可以转换为与被钉扎层16的磁化反平行。在磁性配置上的差异对应于不同的磁致电阻并由此对应于常规MTJ10的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“1”)。

当常规MTJ10的自由层21用于STT-RAM应用中时，期望以相对低的电流转换该自由层21。临界转换电流(Ico)是最低电流，在该最低电流下自由层磁化21在平衡取向周围的无限小进动(infinitesimal precession)变得不稳定。例如，可以期望Ico在几mA或更小的数量级上。另外，短路电流脉冲被期望用于以更高的数据比率对常规磁性元件10编程。例如，期望20-30ns或更小数量级的电流脉冲。

虽然常规MTJ10可以利用自旋转移来写入并可以用在STT-RAM中，但是存在缺陷。例如，写入错误率会高于对于具有可接受的Ico和脉冲宽度的存储器的要求。写入错误率(WER)是当单元(即，常规磁性结的自由层20的磁化21)被施加至少等于典型转换电流的电流时该单元没有被转换的可能性。WER期望为10^-9或更小。但是，常规自由层20典型地具有严重超出此值的WER。另外，已经确定WER在缩短写入电流脉冲的改进方面会受到挑战。例如，图2为图表50，其绘示出对于不同宽度的脉冲WER的趋势。注意，图表50中没有画出实际的数据。取而代之，图表50旨在表示趋势。从最长到最短的脉冲宽度为曲线52、54、56和58。如在图表50中所示，脉冲宽度越大，WER相对写入电流具有越大的斜率。因此，对于相同的脉冲宽度，使用更大的写入电流可以带来WER的显著减少。然而，随着曲线54、56和58中脉冲宽度缩短，曲线54、56和58的斜率减小。对于减小的脉冲宽度，电流的增大更不容易带来WER的减少。结果，应用常规MTJ10的存储器会具有不能接受的高WER，通过增大写入电流不会消除该不能接受的高WER。