CN105374935B - 一种用于stt-mram的含有不均匀势垒层的磁性隧道结 - Google Patents

一种用于stt-mram的含有不均匀势垒层的磁性隧道结 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于STT‑MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结，含有铁磁性的自由层与固定层，非磁性的势垒层，势垒层呈不均匀性；本发明利用不均匀的势垒层来实现将非均匀分布的写电流注入到磁性隧道结的自由层内，从而通过非均匀的自由层磁化反转过程降低STT写电流阈值。

Description

一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结
技术领域
本发明涉及磁电阻随机存储器领域，尤其涉及一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结。
背景技术
磁电阻随机存储器(MRAM)是一种非易失型的存储器，由依靠电路相互连接的磁性隧道结(MTJ)阵列组成。每个MTJ含有铁磁性的自由层和固定层。自由层和固定层之间由非磁性的势垒层分开。在MTJ正常工作时自由层的磁化方向可以改变，而固定层的磁化方向保持不变。MTJ的电阻与自由层和固定层的相对磁化方向有关。当自由层的磁化方向相对于固定层的磁化方向发生改变时，MTJ的电阻值相应改变，对应于不同的存储信息(如0或1)。电阻值发生变化的幅度称为磁电阻。
在自旋转移扭矩磁电阻随机存储器(STT-MRAM)中，自由层的反转可以通过自旋转移扭矩(STT)效应实现。当垂直于MTJ膜层的写电流通过自由层时，如果电流的大小超过STT效应的阈值，电流产生的STT可以导致自由层的磁化方向发生反转。反转后自由层的磁化方向由写电流流动的方向决定。
STT-MRAM的速度、容量及功耗均与其工作时所需的写电流大小有关，因此降低STT-MRAM的写电流可以有效地提高STT-MARM的性能。降低写电流的一种方法是将非均匀分布的写电流注入自由层，使得自由层的某些局部感受到高电流密度，并通过非均匀的磁化反转过程降低STT写电流阈值。
发明内容
本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结，含有铁磁性的自由层与固定层，非磁性的势垒层，本发明利用不均匀的势垒层来实现将非均匀分布的写电流注入到MTJ的自由层内，从而通过非均匀的自由层磁化反转过程降低STT写电流阈值。
本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结，包括：自由层、势垒层、固定层；所述的自由层与固定层为铁磁性；势垒层为非磁性，势垒层呈不均匀性；势垒层夹在自由层与固定层之间。
作为优选，所述势垒层呈不均匀性，其结构为使得势垒层的膜厚不均匀分布或者在势垒层中掺杂有不同类的势垒层材料。
作为优选，所述势垒层的膜厚呈不均匀分布，其结构为如下三种中的任意一种：
(a)自由层与势垒层之间的连接界面不平整；
(b)固定层与势垒层之间的连接界面不平整；
(c)固定层与势垒层之间的连接界面及自由层与势垒层之间的连接界面均不平整。
作为优选，所述自由层与固定层均带有SAF结构，SAF结构由两层磁性材料与反铁磁耦合层组成；两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。
作为优选，所述势垒层夹在自由层与固定层之间的连接形式为如下两种中的任意一种：
(A)固定层位于势垒层下方，自由层位于势垒层上方；
(B)固定层位于势垒层上方，自由层位于势垒层下方。
作为优选，所述自由层和固定层的磁化方向为在膜层面内或者垂直于膜层。
作为优选，所述固定层和自由层含有钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、钨以及包含上述材料的合金、以及由上述元素及合金组成的多层膜结构的任意一种。
作为优选，所述势垒层由若干层绝缘层构成，其材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化锌、氧化镁锌或氮化硼的任意一种。
作为优选，所述在势垒层中掺杂的势垒层材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。
作为优选，所述势垒层呈不均匀性，使得磁性隧道结的隧穿电流呈非均匀分布。
本发明的有益效果在于：(1)本发明利用不均匀的势垒层来实现将非均匀分布的写电流注入到MTJ的自由层内，从而通过非均匀的自由层磁化反转过程降低STT写电流阈值；(2)本发明对STT-MRAM的制备生产有着重要意义，有很大的应用前景。
附图说明
图1是本发明的磁性隧道结结构示意图1；
图2是本发明的磁性隧道结结构示意图2；
图3是本发明的磁性隧道结结构示意图3；
图4是本发明的磁性隧道结结构示意图4。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：如图1所示，一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结由有铁磁性的自由层1、非磁性的势垒层2、有铁磁性的固定层3组成；势垒层呈不均匀性；固定层3和自由层1之间被非磁性的势垒层2分开。其中势垒层2与自由层1的界面不平整，使得势垒层的膜厚随位置变化，势垒层2的厚度不均匀，STT-MRAM工作时注入自由层1的写电流不是均匀分布，并通过非均匀的自由层磁化反转过程降低STT写电流阈值。
所述固定层3和自由层1的磁化方向可能是在膜层面内，也可能是垂直于膜面。固定层3和自由层1包含钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、钨等以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。固定层3和自由层1可能含有合成反铁磁耦合(SAF)结构；SAF结构由两层磁性材料组成，两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。SAF中的反铁磁耦合层可能包含但不仅限于以下材料：钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。势垒层2可能由一层或多层绝缘层组成。势垒层可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl2O4)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝等。
实施例2：如图2所示，一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结由有铁磁性的自由层4、非磁性的势垒层5、有铁磁性的固定层6组成；势垒层呈不均匀性；固定层6和自由层4之间被非磁性的势垒层5分开。其中势垒层5与固定层6之间的界面不平整，使得势垒层的膜厚随位置变化，势垒层5的厚度不均匀，STT-MRAM工作时注入自由层4的写电流不是均匀分布，并通过非均匀的自由层磁化反转过程降低STT写电流阈值。
所述固定层6和自由层4的磁化方向可能是在膜层面内，也可能是垂直于膜面。固定层6和自由层4包含钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、钨等以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。固定层6和自由层4可能含有合成反铁磁耦合(SAF)结构；SAF结构由两层磁性材料组成，两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。SAF中的反铁磁耦合层可能包含但不仅限于以下材料：钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。势垒层5可能由一层或多层绝缘层组成，势垒层可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl2O4)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝等。
实施例3：如图3所示，一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结由有铁磁性的自由层7、非磁性的势垒层8、有铁磁性的固定层9组成；势垒层呈不均匀性；固定层9和自由层7之间被非磁性的势垒层8分开。其中势垒层8和固定层9之间的界面以及势垒层8和自由层7之间的界面不平整，使得势垒层的膜厚随位置变化，势垒层8的厚度不均匀，STT-MRAM工作时注入自由层7的写电流不是均匀分布，并通过非均匀的自由层磁化反转过程降低STT写电流阈值。
所述固定层9和自由层7的磁化方向可能是在膜层面内，也可能是垂直于膜面。固定层9和自由层7包含钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、钨等以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。固定层9和自由层7可能含有合成反铁磁耦合(SAF)结构；SAF结构由两层磁性材料组成，两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。SAF中的反铁磁耦合层可能包含但不仅限于以下材料：钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。势垒层8可能由一层或多层绝缘层组成。势垒层可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl2O4)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝等。
实施例4：如图4所示，一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结由有铁磁性的自由层10、非磁性的势垒层11、有铁磁性的固定层12组成；势垒层呈不均匀性；固定层12和自由层10之间被非磁性的势垒层11分开。其中势垒层11中掺有不同类的势垒层材料13-17，使得流过势垒层中掺杂区域的隧穿电流密度与流过势垒层中未掺杂区域的隧穿电流密度不相同，由此导致注入自由层10的写电流不是均匀分布，并通过非均匀的自由层磁化反转过程降低STT写电流阈值。
所述固定层12和自由层10的磁化方向可能是在膜层面内，也可能是垂直于膜面。固定层12和自由层10包含钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、钨等以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。固定层12和自由层10可能含有合成反铁磁耦合(SAF)结构；SAF结构由两层磁性材料组成，两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。SAF中的反铁磁耦合层可能包含但不仅限于以下材料：钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。势垒层11可能由一层或多层绝缘层组成。势垒层可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl2O4)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝等。
所述在势垒层中掺杂的势垒层材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。
在磁性隧道结中，电子的流动通过量子隧穿效应实现，隧穿电流的大小随着势垒层膜厚的增加呈指数衰减，因此势垒层膜厚的细微变化可以引起隧穿电流大小的明显改变。除此之外，磁性隧道结中的隧穿效应也与势垒层所用的材料密切相关。在相同的势垒层膜厚下，采用不同的势垒层材料的磁性隧道结的隧穿电流可以显著不同。本发明利用不均匀的势垒层来实现将非均匀分布的写电流注入到磁性隧道结的自由层内，从而通过非均匀的自由层磁化反转过程降低STT写电流阈值。
实施例1至实施例4均利用上述原理，即中利用不均匀的势垒层以实现将非均匀分布的写电流注入到磁性隧道结的自由层，从而通过非均匀的自由层磁化反转过程降低STT写电流阈值，有助于改善STT-MRAM的速度、容量及功耗等性能。
以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结，其特征在于，包括：自由层(1)、势垒层(2)、固定层(3)；所述的自由层(1)与固定层(3)为铁磁性；势垒层(2)为非磁性，势垒层(2)呈不均匀性；势垒层(2)夹在自由层(1)与固定层(3)之间；所述势垒层(2)呈不均匀性，其结构为势垒层的膜厚不均匀分布或者在势垒层(2)中掺杂有不同类的势垒层材料；所述势垒层(2)的膜厚呈不均匀分布，其结构为如下三种中的任意一种：
(a)自由层(1)与势垒层(2)之间的连接界面不平整，使得势垒层(2)的厚度不均匀；
(b)固定层(3)与势垒层(2)之间的连接界面不平整，使得势垒层(2)的厚度不均匀；
(c)固定层(3)与势垒层(2)之间的连接界面及自由层(1)与势垒层(2)之间的连接界面均不平整，使得势垒层(2)的厚度不均匀；
利用上述三种不均匀的势垒层结构来实现将非均匀分布的写电流注入到MTJ的自由层内，从而通过非均匀的自由层磁化反转过程降低STT写电流阈值。
2.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结，其特征在于：所述自由层(1)与固定层(3)均带有SAF结构，SAF结构由两层磁性材料与反铁磁耦合层组成；两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。
3.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结，其特征在于：所述势垒层(2)夹在自由层(1)与固定层(3)之间的连接形式为如下两种中的任意一种：
(A)固定层(3)位于势垒层(2)下方，自由层(1)位于势垒层(2)上方；
(B)固定层(3)位于势垒层(2)上方，自由层(1)位于势垒层(2)下方。
4.根据权利要求2所述的一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结，其特征在于：所述自由层(1)和固定层(3)的磁化方向为在膜层面内或者垂直于膜层。
5.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结，其特征在于：所述固定层(3)和自由层(1)含有钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、钨以及包含上述材料的合金、以及由上述元素及合金组成的多层膜结构的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结，其特征在于：所述势垒层(2)由若干层绝缘层构成，其材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化锌、氧化镁锌或氮化硼的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结，其特征在于：所述在势垒层(2)中掺杂的势垒层材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。
8.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的含有不均匀势垒层的磁性隧道结，其特征在于：所述势垒层(2)呈不均匀性，使得磁性隧道结中的隧穿电流呈非均匀分布。
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