CN111542490A 用于低温操作的金属磁性存储器装置及其操作方法 （桑迪士克科技有限责任公司）

PCT/US2019/04678320WO2020/117332EN2020.0M.霍用于低温操作的金属磁性存储器装置及其2金属辅助结构，其配置成在编程期间向所述自由层2.根据权利要求1所述的MRAM装置，其中所述金属辅助结构包括具有负磁各向异性的所述负磁各向异性辅助层具有垂直于所述参考层的所述所述自由层具有正磁各向异性以提供双稳磁化状态，于所述固定竖直磁化的磁化的平行状态和具有反平行于所述固定竖直磁化的磁化的反平所述负磁各向异性辅助层的磁性能量在水平平面内所述负磁各向异性辅助层的磁化4.根据权利要求2所述的MRAM装置，其中所述负磁各向异性辅助层包括均质负磁各向5.根据权利要求4所述的MRAM装置，其中所述负磁各向异性辅助层包括钴-铱合金或6.根据权利要求5所述的MRAM装置，其中所述负磁各向异性辅助层包括所述钴-铱合7.根据权利要求5所述的MRAM装置，其中所述负磁各向异性辅助层包括所述钴-铁合8.根据权利要求1所述的MRAM装置，其中所述负磁各向异性辅助层包括包含第一磁性反铁磁耦合间隔物层，其位于所述第一磁性辅助所述反铁磁耦合间隔物层配置成提供所述第一磁性辅助层的第一磁化方向和所述第二磁11.根据权利要求10所述的MRAM装置，其中所述第一磁化方向和所述第二磁化方向配3所述自由层具有正磁各向异性以提供双稳磁化状态，于所述固定竖直磁化的磁化的平行状态和具有反平行于所述固定竖直磁化的磁化的反平所述第二磁化方向是垂直于所述参考层的所述固定磁化15.根据权利要求14所述的MRAM单元，其中所述第一磁性辅助层和所述第二磁性辅助16.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中所述金属辅助结构包括自旋力矩振荡器堆所述自旋力矩层位于所述第一非磁性金属间隔物层上，所述所述自旋力矩层包括第一磁性材料，所述第一磁性材所述自旋偏振层包括第二磁性材料，所述第二磁性材19.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中所述非磁性金属屏障层包括选自Cu、Ag、20.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中所述MRAM单元不含任何电绝缘层，且所述MRAM单元配置成在低于77开氏度的温度下操作。金属线，其接触所述自由层的第二表面，其中所述金属第二电极，其电连接到所述金属线的第二端，4编程控制器，其配置成控制所述第一晶体管和所23.一种对自旋轨道力矩存储器装置进行编程的方法，所述自旋轨道力矩存储器装置5[0002]本申请要求2018年12月6日提交的第16/212,132号美国非临时专利申请的优先[0003]本公开大体上涉及磁性存储器装置的领域，且确切地说涉及金属磁性存储器装[0004]自旋转移力矩(STT)指代磁性隧道结或自旋阀中的磁性层的定向通过自旋偏振电振电流中的电子可将其角动量中的至少一些转移到自由层，借此产生使自由层磁化的力6[0021]图5A示出根据本公开的第四实施例的示例性SOTMRAM单元的编程操作的第一步[0022]图5B示出根据本公开的第四实施例的示例性SOTMRAM单元的编程操作的第二步[0024]图6示出根据本公开的第四实施例的示例性SOTMRAM单元内的自由层和金属线之反平行状态到平行状态的过渡的电流的量值大于所要量值(例如，大于在室温下引起相同过渡所需的电流的量值)。特定针对量子计算环境中的MRAM装置的其它所期望特性包含针710倍以上)。这因非常低的低温操作温度(因此低得多于数据保持的相同热稳定性因数所需的各向异性低得多。这还进一步减小所需的开关电[0029]图式未按比例绘制。除非明确地描述或以其它方式清楚地指示不存在元件的重部表面和底部表面处的任何对水平平面之间。层可水平地、竖直地和/或沿着锥形表面延8的，且可为本征半导体材料或掺杂半导体材料。掺杂半导体材料可取决于其中的电掺杂剂[0034]本公开的实施例的MRAM装置500包含含有位于相应字线(其可包括如所示出的导电线30，或作为替代配置中的第二导电线90)和位线(其可包括如所示出的第二导电线90，或作为替代配置中的第一导电线30)的相交点处的相应MRAM单元180的阵列的存储器阵列区550。MRAM装置500还可含有连接到字线的行解码器560、连接到位线的感测电路570(例数据缓冲器590。MRAM单元180的多个例项提供于形成MRAM装置500的阵列配置中。如此，[0035]每一MRAM单元180包含取决于不同磁性材料层的磁化的对准而具有至少两个不同电阻状态的磁性自旋阀。磁性自旋阀设置于每一MRAM单元180内的第一电极和第二电极之[0036]参看图2A，示意性地示出根据第一实施例的第一示例性STTMRAM单元180的第一9化的定向。每单位体积的磁性能量可通过磁化方向和垂直于磁性薄膜的平面(例如磁性薄[0038]其中参考层132和自由层136具有相应正单轴磁各向异性的配置为自由层136提供[0040]在一个实施例中，参考层132可提供为合成反铁磁结构(SAF结构)120内的组件。化和固定铁磁层112的磁化之间的反铁磁对准中以将参考层132的磁化和固定铁磁层112的[0041]第一非磁性金属间隔物层150提供在与朝向非磁性金属屏障层134的自由层136的第一侧相对的自由层136的第二侧上方。第一非磁性金属间隔物层150包含例如Cu、Ag、[0042]负磁各向异性辅助层160可提供在第一非磁性金属间隔物层150上方以及自由层[0043]在一个实施例中，难磁化轴平行于垂直于负磁各向异性辅助层160的主表面的方平行于负磁各向异性辅助层160的平面(即，易磁化平面垂直于图2A中的参考层132的固定异性辅助层160后，负磁各向异性辅助层160的磁化在平行于第一非磁性金属间隔物层150异性辅助层160的磁性能量可在水平平面内负磁各向异性辅助层160的磁化旋转的条件下90％到99.5比如99％)的原子浓度下的钴原子，以及在20％到0.2％的范围内(例如，钴-铁合金的K1值为约-0.99x106J/m3。负磁各向异性辅助层160的厚度可在1nm到10nm[0048]MRAM单元180可包含电连接到或包括位线90(图1中展示)的一部分以及电连接到或包括字线30(图1中展示)的一部分的第二端子32。第一和第二端子的位置170)。转向装置可电连接在图案化层堆叠和相应MRAM单元180的相应字线30或位线90中的[0050]在一个实施例中，施加到第一端子92的电压的极性可取决于自由层136中待编程负磁各向异性辅助层160在起始电流穿过MRAM单元180的流动后在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线进动的初始阶段期间向自由层136的磁化提供[0052]在一个实施例中，MRAM单元180可配置成在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线进动期间提供负磁各向异性辅助层160的平面内磁化和自由层136的磁化之间的耦合，且在电流流经MRAM单元180的同时提供负磁各向异性辅助层就可向负磁各向异性辅助层160提供自旋力矩以致使负磁各向异性辅助层160磁化也进动。面但缺乏固定易轴方向的实施例负磁各向异性辅助层160比其中辅助层的磁化方向(例如，[0054]参看图2B，第一示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第二配置可从图2A的第一示各向异性辅助层260替换具有均质材料组成的负磁各向异性辅助层160。多层堆叠(262、264)可包含第一磁性材料层262和第二磁性材料层264的多个重复。第一磁性材料层262可[0055]每一第一磁性材料层262的组成和厚度以及每一第二磁性材料层264的组成和厚的重复的钴-铁多层堆叠可具有约-1.1x10[0058]参看图2C，第一示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第三配置可从图2A的第一示性顶盖层170之间插入第二非磁性金属间隔物层190也可采用更小和更大的厚度。第二非磁性金属间隔物层190可包含与第一非磁性金属间隔[0060]钉扎磁化层192是具有正单轴磁各向异性的磁性层。换句话说，K1的值为正且项sin(nφ)(或cos(nφ))的项。136的K1的值，使得钉扎磁化层192扎磁化层192的磁化可保持平行或反平行于参考向异性辅助层160的平面内磁化的振荡可在编程期间产生自由层136的磁化上的旋转自旋辅助层160的磁化的组合对自由层136的磁化施加非水平且非竖直磁场(即，既不平行于也不垂直于参考层132的磁化方向的场)，以减小在自由层136的磁化的切换期间穿过离散图[0062]参看图2D，第一示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第四配置可从图2A的示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第三配置导出，方式是用含有上文关于图2B所描述的包含第[0063]参看图1-2D中示出的示例性自旋转移力矩MRAM单元180的所有配置，可个别地编程和读取示例性自旋转移力矩MRAM单元180。可通过跨选定离散图案化层堆叠{120、140、层132的磁化之间的平行或反平行对准确定每一MRAM单元180中的选定离散图案化层堆叠感测以确定自由层136的磁化状态和由检测到的磁化状切换)来执行第一示例性自旋转移力矩MRAM单元180到自由层136的相对磁化状态的编程。132的固定竖直磁化的竖直轴线进动的初始阶段期间，负磁各向异性辅助层(160或260)的以在电流流经MRAM单元180的同时提供负磁各向异性辅助层(160或260)的平面内磁化与自层136的磁化和负磁各向异性辅助层(160或260)的平面内磁化的水平(平面内)分量之间的层164和第二磁性辅助层166。第一磁性辅助层162可设置在第一非磁性金属间隔物层150供第一平面内磁化。所述平面内磁化是定位于垂直于参考层132的固定竖直磁化方向的水磁性辅助层162后，第一磁性辅助层162的磁化在平行于第一非磁性金属间隔物层150和第一磁性辅助层162之间的介面的水平平面内自由进动。在一个实施例中，第一磁性辅助层162的磁性能量可在水平平面内第一磁性辅助层162[0069]在一个实施例中，例如第一磁性辅助层162等具有负磁各向异性的材料具有平行磁各向异性。在一个实施例中，钴-铱合金可包含在60％到98％的范围内(例如，70％到[0071]在另一实施例中，第一磁性辅助层162包括包含第一磁性材料层和第二磁性材料每一第一磁性材料层的组成和厚度以及每一第二磁性材料层的组成和厚度可选择为使得[0073]反铁磁耦合间隔物层164可位于第一磁性辅助层和第二磁性辅助层之间，例如在第一磁性辅助层162上，在位于自由层136和第一磁性辅助层162之间的第一非磁性金属间和在一个实施例中位于反铁磁耦合间隔物层164上的第二磁性辅助层166之间的Ruderman-的局部内d-或f-壳层电子自旋经由介入的非磁性材料层中的传导电子而交互以限定另一铁磁金属层中的优选磁化方向的定向。反铁磁耦合间隔物层164的厚度可选择为使得第二磁性辅助层166的第二平面内磁化方向反平行于第一磁性辅助层162的第一平面内磁化方和第二磁性辅助层166的第二磁化方向之间的反铁磁耦合的范围内的厚度。在一个实施例[0074]第二磁性辅助层166可设置在反铁磁耦合间隔物层164上。第二磁性辅助层166包层166后，第二磁性辅助层166的磁化在平行于反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层或基本上由所述钴-铱合金或钴-铁合金组成。钴-铱合金的材料组成可选择为提供负磁各以及在余额的原子浓度下的铱原子。第二磁性辅助层166的厚度可在1nm到10nm的范围内，[0077]在另一实施例中，第二磁性辅助层166包括包含第一磁性材料层和第二磁性材料每一第一磁性材料层的组成和厚度以及每一第二磁性材料层的组成和厚度可选择为使得一个实施例中，第一磁性辅助层162和第二磁性辅助层166中的每一个可独立地选自钴-铱[0080]在一个实施例中，上文关于图2A所描述的非磁性金属顶盖层170可位于第二磁性[0081]如图2A中示出的第一实施例中，图3A中示出的第二实施例的MRAM单元180可包含电连接到或包括位线90(图1中展示)的一部分的第一端子92，以及电连接到或包括字线30(图1中展示)的一部分的第二端子32。第一和第二端子的位置可切换使得第一端子电连接[0083]在一个实施例中，施加到第一端子92的电压的极性可取决于自由层136中待编程第二磁性辅助层166后，第一磁性辅助层162的第一磁化方向和第二磁性辅助层166的第二磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴线自由进动，同时维持其间层166有助于更多地在平面中保持自由层的电子自旋以抵消使电子自旋倾斜到平面外的自辅助层166的组合的反铁磁耦合辅助膜进一步有利于每一层内的单个域，因此在辅助自由层辅助膜内的通量封闭可使来自自由层136上的反铁磁耦合辅助膜的杂散场最小化，这将层166的组合配置成在起始电流流动穿过MRAM单元180后在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴线进动的初始阶段期间向自由层136的磁化提供初始非零力矩。MRAM单元180配置成在自由层136的磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴线进动期间提供自由层136的磁化方向和第一磁性辅助层162的第一[0089]参看图3B，第二示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第二配置可从图3A中示出的向异性的第一铁磁性材料的第一磁性辅助层262替换具有第一平面内磁化的第一磁性辅助[0090]反铁磁耦合间隔物层164的厚度选择为提供第一磁性辅助层262的第一磁化和第持彼此反平行)的空间定向的函数的每体积磁各向异性能量的变化可与室温下的热能(即，[0091]第一磁性辅助层262和第二磁性辅助层266中的每一个包括不具有单轴磁各向异平行于参考层132的固定竖直磁化方向的平行状态到反平行于参考层132的固定磁化方向助层262的第一磁化方向和第二磁性辅助层266的第二磁化方向相对于竖直轴线以0度和层266的第二磁化方向的倾斜角与自由层136的磁化方向的倾斜角同步。参考层132的固定262、反铁磁耦合间隔物层164和第二磁性辅助层266的组合配置成在起始电流流动穿过MRAM单元180后在自由层136的磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直在自由层136的磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴线进动期间流经MRAM单元180的同时提供第一磁性辅助层262的第一磁化方向与自由层136的磁化方向的同步进动。[0095]参看图3C，第二示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第三配置可从图3A的第二示盖层170之间插入第二非磁性金属间隔物层1非磁性金属间隔物层190的厚度可在0.2nm到2nm的范围内，但是也可采用更小度。第二非磁性金属间隔物层190可包含与第一非磁性金属间隔物层150的材料相同的材[0097]钉扎磁化层192是具有正单轴磁各向异性的磁性层。换句话说，K1的值为正且项sin(nφ)(或cos(nφ))的项。136的K1的值，使得钉扎磁化层192和第二磁性辅助层166的磁化的组合对自由层136的磁化施加非水平非竖直磁场(即，既不平行于也不垂直于参考层132的固定磁化方向的场)，以减小在自由层136的磁化的切换期[0099]参看图3D，第二示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第四配置可从图3C中示出的向异性的第一铁磁性材料的第一磁性辅助层262替换具有第一平面内磁化的第一磁性辅助[0100]反铁磁耦合间隔物层164的厚度选择为提供第一磁性辅助层262的第一磁化和第持彼此反平行)的空间定向的函数的每体积磁各向异性能量的变化可与室温下的热能(即，[0101]第二示例性自旋转移力矩MRAM单元180可个别地编程和读取。可通过跨选定离散平行对准确定每一MRAM单元180中的选定离散图案化层堆叠的电阻，且因此确定在第一端子92和第二端子32之间流动的电流的量值。电流的量值可被感测以确定自由层136的磁化[0102]参看图4A，示意性地示出根据第三实施例的第三示例性STTMRAM单元180的第一[0103]磁性辅助层堆叠360从一侧到另一侧包含第一磁性辅助层(例如，自旋力矩层)直于铁磁性膜的平面的竖直轴线具有六面旋转对称性的轴线的具有每体积磁各向异性能[0106]具有不同磁各向异性对称性的铁磁性膜可以类似的方式提供锥形磁化。举例来1sin22sin43sin4开尔文(其为室温))相比，自旋力矩层362的磁各向异性的方位相依分量可为零或不显著。举例来说，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线的每单位体积的磁各向异性[0109]非磁性间隔物层364可位于自旋力矩层362上，在第一非磁性金属间隔物层150的性辅助层(例如，自旋力矩层)362和位于非磁性间隔物层364的与第一磁性辅助层362相对的一侧上的第二磁性辅助层(例如，自旋偏振层)366之间的Ruderman-Kittel-Kasuya-包含单个磁性材料层或多个磁性材料层。自旋偏振层366的第二锥形磁化可由具有第二锥组铁磁性材料层提供。第二磁性材料的平面内磁化分量垂直于参考层132的固定竖直磁化磁化的竖直轴线的每单位体积的磁各向异性能量的最大变化可小于室温下的热能的1/2例中，自旋偏振层366的磁性能量可在水平平面内自旋偏振层366的磁化旋转的条件下不[0113]在一个实施例中，自旋偏振层366可包含提供锥形磁化的任何铁磁性膜。举例来[0114]在自旋偏振层366的磁化为锥形磁化(即，第二锥形磁化)的情况下，自旋偏振层366的第二锥形磁化可在各种模式中与自366可具有反平行于自旋力矩层362的锥形磁化的轴向分量的轴向磁化分量(即，竖直磁化[0117]包含从SAF结构120到非磁性金属顶盖层170的材料层的层堆叠可向上或向下沉积，即，从SAF结构120朝向非磁性金属顶盖层170或从非磁性金属顶盖层170朝向SAF结构1中展示)的一部分的第一端子92，以及电连接到或包括字线30(图1中展示)的一部分的第170)。转向装置可电连接在图案化层堆叠和相应MRAM单元180的相应字线30或位线90中的[0120]在一个实施例中，施加到第一端子92的电压的极性可取决于自由层136中待编程层366后，自旋力矩层362的第一锥形磁化和自旋偏振层366的第二锥形磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线自由进动。在施加电流穿过参考层132后参考层132的364和自旋偏振层366的组合的自旋力矩振荡器堆叠360配置成在起始电流流动穿过MRAM单元180后在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线进动的初始阶段期间向自由层136的磁化提供初始非零力矩。MRAM单元180配置成在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴线进动期间提供自由层136的磁化和自旋力矩层362的第一磁化之间的磁耦合，且在电流流经MRAM单元180的同时提供自旋力矩层[0124]参看图4B，示出第三示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第二配置。自旋偏振层的原子浓度下的铱原子。在说明性实例中，具有组成Co0.8Ir0.2的钴-铱合金的K1值为约-合金和/或基本上由钴-铁-硼(CoFeB)合金组成。第一自旋偏振分量层3662的厚度可在1nm有相同厚度的钴层和铁层组成的单位层堆叠的重复的交错的钴-铁多层堆叠可具有约-[0128]自旋偏振层366进一步包含具有平行或反平行于参考层132的竖直方向的轴向磁量层3666的轴向磁化可平行或反平行于参化围绕平行于参考层132的磁化的竖直方向的竖直轴线进动。第一和第二锥形磁化可具有[0131]参看图4C，根据本公开的实施例的示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第三配置可从示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第二配置导出，方式是交换第一自旋偏振分量层中的示例性自旋转移力矩MRAM单元180[0132]图4D示出根据本公开的实施例的示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第四配置。示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第四配置可从示例性自旋转移力矩MRAM单元180的第[0134]在另一实施例中，自旋力矩层462包含含有第一磁性材料层和第二磁性材料层的度的钴层和铁层组成的单位层堆叠的重复的交错的钴-铁多层堆叠可具有约-1.1x106J/m3句话说，在一实施例中，金属线200由除不可避免的杂质外未掺杂且非合金的元素金属制[0139]第一电极910可位于且电连接到金属线200的第一端。第一电极910可经由第一晶电极920可电连接到第二电压源(其可为接地)V2。接触金属线200的自由层136的接触表面和第三电压源可包括具有到电极910、920和930的不同连接的相同的计算机控制的电压源[0140]返回参看图5A-5C，第三电极930可直接或经由SAF结构120的固定铁磁层112电连