磁性隨機存儲器記憶單元及其讀寫和抗干擾方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及存儲器件領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種垂直型自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機存儲器記憶 單元及其讀寫和抗干擾方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來人們利用磁性隧道結(jié)（MTJ，Ma即etic化nnel化nction)的特性做成磁性 隨機存儲器，即為MRAM(Ma即etic Random Access Memoir)。MRAM是一種新型固態(tài)非易失 性記憶體，它有著高速讀寫的特性。鐵磁性MTJ通常為S明治結(jié)構(gòu)，其中有磁性記憶層，它 可W改變磁化方向W記錄不同的數(shù)據(jù)；位于中間的絕緣的隧道勢壘層；磁性參考層，位于 隧道勢壘層的另一側(cè)，它的磁化方向是不變的。當(dāng)磁性記憶層與磁性參考層之間的磁化強 度矢量方向平行或反平行時，磁記憶元件的電阻態(tài)也相應(yīng)為低阻態(tài)或高阻態(tài)。運樣測量磁 電阻單元的電阻態(tài)即可得到存儲的信息。
[000引 已有一種方法可W得到高的磁電阻（MR，Ma即eto Resistance)率：在非晶結(jié)構(gòu)的 磁性膜的表面加速晶化形成一層晶化加速膜。當(dāng)此層膜形成后，晶化開始從隧道勢壘層一 側(cè)形成，運樣使得隧道勢壘層的表面與磁性表面形成匹配，運樣就可W得到高MR率。
[0004] 一般通過不同的寫操作方法來對MRAM器件進行分類。傳統(tǒng)的MRAM為磁場切換型 MRAM:在兩條交叉的電流線的交匯處產(chǎn)生磁場，可改變磁電阻單元中的記憶層的磁化強度 方向。自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機存儲器（STT-MRAM，Spin-transfer Torque Ma即etic Random Access Memory)則采用完全不同的寫操作，它利用的是電子的自旋角動量轉(zhuǎn)移，即自旋極 化的電子流把它的角動量轉(zhuǎn)移給磁性記憶層中的磁性材料。磁性記憶層的容量越小，需要 進行寫操作的自旋極化電流也越小。所W運種方法可W同時滿足器件微型化與低電流密 度。STT-MRAM具有高速讀寫、大容量、低功耗的特性，有潛力在電子忍片產(chǎn)業(yè)，尤其是移動忍 片產(chǎn)業(yè)中，替代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體記憶體W實現(xiàn)能源節(jié)約與數(shù)據(jù)的非易失性。 陽0化]在一個簡單的面內(nèi)型STT-MRAM結(jié)構(gòu)中，每個MTJ元件的磁性記憶層都具有穩(wěn)定 的面內(nèi)磁化強度。面內(nèi)型器件的易磁化軸由磁性記憶層的面內(nèi)形狀或形狀各向異性決定。 CMOS晶體管產(chǎn)生的寫電流流經(jīng)磁電阻單元的堆疊結(jié)構(gòu)后，可W改變其電阻態(tài)，也即改變了 存儲的信息。進行寫操作時電阻會改變，一般情況下采用恒定電壓。在STT-MRAM中，電壓 主要作用在約iOA厚的氧化物層（即隧道勢壘層）上。如果電壓過大，隧道勢壘層會被擊 穿。即使隧道勢壘層不會立即被擊穿，如果重復(fù)進行寫操作的話，會使得電阻值產(chǎn)生變化， 讀操作錯誤增多，磁電阻單元也會失效，無法再記錄數(shù)據(jù)。另外，寫操作需要有足夠的電壓 或自旋電流。所W在隧道勢壘層被擊穿前也會出現(xiàn)記錄不完全的問題。
[0006] 對于垂直型 STT-MRAM(pSTT-MRAM， pe巧endi州Iar Spin-transfer Torque Ma即etic Random Access Memory)有著上述同樣的情況。此外，在pSTT-MRAM中，由于兩個 磁性層的磁晶各向異性比較強（不考慮形狀各向異性），使得其易磁化方向都垂直于層表 面，為此在同樣的條件下，該器件的尺寸可W做得比面內(nèi)型器件更小。
[0007] 因為減小MTJ元件尺寸時所需的切換電流也會減小，所W在尺度方面pSTT-MRAM 可W很好的與最先進的技術(shù)節(jié)點相契合。但是小尺度的MTJ元件的圖案化會導(dǎo)致MTJ電阻 率的高不穩(wěn)定性，并且需要相對較高的切換電流或記錄電壓。
[0008] pSTT-MRAM的讀操作是把電壓作用在MTJ堆疊結(jié)構(gòu)上，再測量此MTJ元件是處于高 阻態(tài)或是低阻態(tài)。為了正確得到電阻態(tài)是高或低，需要的電壓相對較高。并且寫操作和讀 操作需要的電壓值并不相等，在當(dāng)前的先進技術(shù)節(jié)點，若各MTJ之間有任何的電子特性波 動，都會導(dǎo)致本應(yīng)進行讀操作的電流，卻像寫電流一樣，改變了 MTJ中磁性記憶層的磁化強 度方向。
[0009] 因為在對此非易失性的MTJ記憶體進行寫操作會改變它的電阻值時，使MTJ記憶 器件產(chǎn)生損耗，縮短了它的生命周期。為了減小運種負(fù)面影響，我們需要提供一些方法來得 到某種結(jié)構(gòu)的pSTT-MRAM，可W同時具有高精度的讀操作，W及高可靠的寫操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種垂直型自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機存儲 器記憶單元，其包括堆疊結(jié)構(gòu)，所述堆疊結(jié)構(gòu)包括：
[0011] 磁性參考層，所述磁性參考層的磁化方向不變且磁各向異性垂直于層表面；
[0012] 磁性記憶層，所述磁性記憶層的磁化方向可變且磁各向異性垂直于層表面；
[0013] 隧道勢壘層，所述隧道勢壘層位于所述磁性參考層和所述磁性記憶層之間且分別 與所述磁性參考層和所述磁性記憶層相鄰，本文中的層與層的"相鄰"是指層與層緊貼設(shè) 置，其間未主動設(shè)置其它層；
[0014] 中間層，所述中間層的材料是金屬氧化物或非磁性金屬，并且與所述磁性記憶層 相鄰；
[0015] 自旋閥層，所述自旋閥層的材料是鐵磁性合金，其磁化方向可變且磁各向異性垂 直于層表面；所述自旋閥層的磁各向異性小于所述磁性記憶層的磁各向異性；所述自旋閥 層與所述中間層相鄰；并且
[0016] 所述磁性隨機存儲器記憶單元還包括自旋閥控制層，所述自旋閥控制層是與所述 堆疊結(jié)構(gòu)相間隔設(shè)置的導(dǎo)電層；所述自旋閥控制層的結(jié)構(gòu)滿足：流經(jīng)所述自旋閥控制層的 電流能夠產(chǎn)生垂直于所述自旋閥層的層表面的磁場或磁場分量。
[0017] 進一步地，所述磁性參考層、所述隧道勢壘層和所述磁性記憶層形成第一磁性隧 道結(jié)，所述自旋閥層、所述中間層和所述磁性記憶層形成第二磁性隧道結(jié)（當(dāng)所述中間層 是金屬氧化物）或巨磁阻結(jié)構(gòu)（當(dāng)所述中間層是非磁性金屬），所述第二磁性隧道結(jié)或所述 巨磁阻結(jié)構(gòu)的磁電阻小于所述第一磁性隧道結(jié)的磁電阻。
[0018] 優(yōu)選地，所述第二磁性隧道結(jié)或所述巨磁阻結(jié)構(gòu)的磁電阻小于所述第一磁性隧道 結(jié)的磁電阻的=分之一。
[0019] 進一步地，所述自旋閥控制層與所述自旋閥層的相對位置滿足：存在至少一個與 所述自旋閥層的層表面相平行的平面，所述平面分別與所述自旋閥控制層和所述自旋閥層 相交。
[0020] 進一步地，所述自旋閥層的磁各向異性小于或等于所述磁性記憶層的磁各向異性 的 70%。
[0021] 進一步地，作為所述自旋閥層材料的鐵磁性合金中至少一種元素為Co、Fe、Ni或 B。
[0022] 進一步地，作為所述中間層材料的金屬氧化物是MgO、ZnO或M拉nO。 陽02引進一步地，作為所述中間層材料的非磁性金屬是化、Ag、Au或Ru。
[0024] 進一步地，所述自旋閥控制層包括第一控制層和第二控制層，所述第一控制層和 所述第二控制層分別設(shè)置在所述自旋閥層的兩側(cè)，并且所述第一控制層、所述第二控制層 和所述自旋閥層的相對位置滿足：存在至少一個與所述自旋閥層的層表面相平行的平面， 所述平面分別與所述第一控制層、所述第二控制層和所述自旋閥層相交。
[00巧]本發(fā)明還提供了一種上述磁性隨機存儲器記憶單元的讀寫方法，通過流經(jīng)所述自 旋閥控制層的電流產(chǎn)生的磁場將所述自旋閥層設(shè)置為第一狀態(tài)或第二狀態(tài)；
[00%] 當(dāng)所述自旋閥層處于所述第一狀態(tài)時，所述自旋閥層的磁化方向反平行于所述磁 性參考層的磁化方向；
[0027] 當(dāng)所述自旋閥層處于所述第二狀態(tài)時，所述自旋閥層的磁化方向平行于所述磁性 參考層的磁化方向；
[0028] 所述磁性隨機存儲器記憶單元的寫操作包括：先將所述自旋閥層設(shè)置為所述第一 狀態(tài)，再通過在所述堆疊結(jié)構(gòu)中加載電流，W改變所述磁性記憶層的磁化方向；
[0029] 所述磁性隨機存儲器記憶單元的讀操作包括：先將所述自旋閥層設(shè)置為所述第二 狀態(tài)，再在所述堆疊結(jié)構(gòu)上加載電壓，W讀取電流。
[0030] 優(yōu)選地，所述自旋閥控制層上加載預(yù)設(shè)強度、周期、方向的電流脈沖。
[0031] 進一步地，所述寫操作中，
[0032] 當(dāng)流經(jīng)所述堆疊結(jié)構(gòu)的電流方向是從所述磁性參考層指向所述自旋閥層時，在自 旋轉(zhuǎn)移矩作用下，所述磁性記憶層的磁化方向反平行于所述磁性參考層的磁化方向；
[0033] 當(dāng)流經(jīng)所述堆疊結(jié)構(gòu)的電流方向是從所述自旋閥層指向所述磁性參考層時，在自 旋轉(zhuǎn)移矩作用下，所述磁性記憶層的磁化方向平行于所述磁性參考層的磁化方向。
[0034] 本發(fā)明還提供了另一種上述磁性隨機存儲器記憶單元的讀寫方法，通過流經(jīng)所述 第一控制層的電流產(chǎn)生的磁場和流經(jīng)所述第二控制層的電流產(chǎn)生的磁場共同作用將所述 自旋閥層設(shè)置為第一狀態(tài)或第二狀態(tài)；
[0035] 當(dāng)所述自旋閥層處于所述第一狀態(tài)時，所