專利名稱：利用氧化層和電流誘導(dǎo)加熱的熱輔助磁寫入的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及磁隨機(jī)存取存儲器器件中的熱輔助磁寫入，更具體地涉及電流誘導(dǎo)加熱。
背景技術(shù)：
非易失性存儲器芯片市場現(xiàn)在被閃存(flash)技術(shù)所統(tǒng)治。不幸的是，閃存非常慢并且在失效之前具有非常有限的寫入循環(huán)次數(shù)(大約106)，使其不適合作為例如DRAM或SRAM之類的易失性存儲器的替代物。也認(rèn)為具有超過65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)(technology node)的有限可量測性。因此，就需要一種新型的非易失性存儲器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種非易失性磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)設(shè)備，其具有由一個或更多層組成的穩(wěn)定磁電極、氧化層、和由一個或更多層組成的自由磁電極。當(dāng)氧化物被用作勢壘時，穩(wěn)定和自由磁電極靠近氧化物。在含有孔的氧化物設(shè)計中，在此兩電極之間也可以有非磁性金屬隔層。氧化層位于穩(wěn)定磁電極和自由磁電極之間。在本發(fā)明中，導(dǎo)體被連接至穩(wěn)定磁電極。氧化層的電阻處于允許產(chǎn)生足夠功率耗散的水平，以通過電流誘導(dǎo)加熱降低自由磁電極的磁各向異性。使用電流誘導(dǎo)加熱結(jié)合自旋變換轉(zhuǎn)矩或磁場，以轉(zhuǎn)換自由磁電極。穩(wěn)定磁電極比自由磁電極更厚或具有更高的磁各向異性。
在本發(fā)明中，使用晶體管控制電流是否通過自由磁電極和穩(wěn)定磁電極之間。電流誘導(dǎo)加熱僅暫時降低各向異性直至自由磁電極被轉(zhuǎn)換。氧化層的電阻和熱特性被優(yōu)化以通過電流誘導(dǎo)加熱暫時降低自由磁電極的各向異性。優(yōu)化自由磁電極的材料選擇，使較小溫度變化的情況下具有增加的各向異性下降，以允許在寫過程中降低轉(zhuǎn)換所需的電流密度。本發(fā)明提供一種非易失性MRAM存儲器器件，其具有大量讀寫周期、電流控制轉(zhuǎn)換、極好的可量測性、超快的轉(zhuǎn)換速度、非常小的位單元、低電壓、低功率，和CMOS集成的最佳電阻。
本發(fā)明還提供一種制造非易失性磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)設(shè)備的方法。本發(fā)明首先形成穩(wěn)定磁電極。本發(fā)明隨后在穩(wěn)定磁電極上形成氧化層并在氧化層上形成自由磁電極，以使氧化層在穩(wěn)定磁電極和自由磁電極之間。形成具有一定電阻水平的氧化層，以允許足夠的功率耗散加熱自由磁電極，從而通過電流誘導(dǎo)加熱降低自由磁電極的各向異性。加熱可以輔助轉(zhuǎn)換自由磁電極以在M RAM器件中寫入信息，并可以將所需的電流密度降低至低于在不存在加熱的情況下所需的數(shù)值。穩(wěn)定磁電極的形成可以形成一個或更多層。加熱電流為自旋極化電流，并以一定水平發(fā)生，以允許在自由磁電極中發(fā)生基于自旋變換的寫入。本發(fā)明可以形成連接至自由磁電極和穩(wěn)定磁電極的位和字線。加熱電流與流經(jīng)位和字線的電流產(chǎn)生的磁場結(jié)合轉(zhuǎn)換自由磁電極。本發(fā)明形成具有熱特性的氧化層。電阻和熱特性被優(yōu)化以通過電流誘導(dǎo)加熱暫時降低各向異性。自由磁電極的材料選擇被優(yōu)化以在較小溫度變化的情況下具有增加的各向異性下降，以允許在信息寫入過程中降低臨界電流密度。


從下文參照附圖的本發(fā)明優(yōu)選實施方式的詳細(xì)說明中，將更好地理解上述及其它目的、方面和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是磁隨機(jī)存取存儲器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是磁隨機(jī)存取存儲器結(jié)構(gòu)的示意圖；和圖3的曲線圖表示溫度與磁性合金的磁化之間的關(guān)系。
具體實施例方式
在本發(fā)明中，通過將電流通過靠近或接近待轉(zhuǎn)換的自由電極的超低電阻氧化層，完成熱輔助磁寫入。電流誘導(dǎo)加熱降低自由電極的各向異性，并降低場或基于自旋變換的寫入所需的電流密度。在本發(fā)明的一實施方式中，沿氧化層的電阻在4-μm2左右，自由電極由TbxFey基合金構(gòu)成，并通過熱輔助自旋變換轉(zhuǎn)矩感應(yīng)轉(zhuǎn)換。因此，本發(fā)明提供一種非易失性MRAM存儲器器件，其具有大量讀寫周期、電流控制轉(zhuǎn)換、極好的可量測性、超快的轉(zhuǎn)換速度、非常小的位單元、低電壓、低功率，和CMOS集成的最佳電阻。
如上所述，非易失性存儲器芯片市場現(xiàn)在被閃存技術(shù)所統(tǒng)治。不幸的是，閃存非常慢并且在失效之前具有非常有限的寫入循環(huán)次數(shù)(大約106)，使其不適合作為例如DRAM或SRAM之類的易失性存儲器的替代物。也認(rèn)為具有超過65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的有限可量測性。兩種主要的新興存儲器技術(shù)為相變(也稱為雙向通用存儲器(OvonicUniversal Memory)-OUM)和使用磁隧道結(jié)MTJ的磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)。OUM使用高和低電阻態(tài)的相變介質(zhì)(非晶態(tài)對晶態(tài))存儲位，而MRAM使用高和低電阻態(tài)MTJ(平行對反平行磁電極)存儲位。
通過將高電流通入介質(zhì)以使材料上升至結(jié)晶溫度或熔化溫度(大約700至900K)，完成OUM寫入。熔融介質(zhì)的快速冷卻導(dǎo)致非晶(高電阻)相。結(jié)晶相的寫入需要更長的時間以發(fā)生成核和生長。通過將電流通入字和位線，以產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場從而在這些線的接合點(diǎn)處轉(zhuǎn)換“軟”或“自由”磁電極，完成MTJ-MRAM寫入。
OUM和MTJ-MRAM技術(shù)都有大量缺點(diǎn)。對OUM而言，由于所需的結(jié)晶期導(dǎo)致寫入時間相當(dāng)慢(大約50ns)，并且由于介質(zhì)的反復(fù)熔化導(dǎo)致寫入循環(huán)有限(大約1013)。MTJ-MRAM可以快十倍多并且可以具有幾乎無限的寫入循環(huán)次數(shù)。但是，MTJ-MRAM可能受到由較復(fù)雜的寫入方法引起的大單元尺寸的不利影響，和由材料改變與半選擇尋址方案引起的位或字線上別處元件的意外轉(zhuǎn)換。但是，最嚴(yán)重的限制是當(dāng)導(dǎo)線變小且軟電極的矯頑性被增加以避免超順磁性時，MTJ-MRAM受到產(chǎn)生寫入磁場所需的電流密度的不佳定標(biāo)的不利影響。例如，定標(biāo)為20nm節(jié)點(diǎn)，立方形磁位需要的各向異性能(Ku)為Ku＝50KBT/V＝2.8×105ergs/cm3，其中T/V為溫度電壓比。假定1000ergs/cm3的磁化強(qiáng)度，各向異性磁場(Hk)將需要為Hk＝2Ku/M＝570Oe，其中M為磁化強(qiáng)度。在Stoner-Wohlfarth模型的逆磁化中，我們可以取Hk約等于快速轉(zhuǎn)換所需的磁場。對20nm×20nm位和字線(與磁軸成45度)從其中心產(chǎn)生570Oe 20nm而言，電流密度將需要至少為j＝(5/21/2)Hk/d＝1×109A/cm2，其中d為高度和寬度。假定銅位和字線長度為256單元(10μm)，電壓將為V＝j(luò)ρL＝2伏特，其中j為電流密度，ρ為電阻率，而L為線的長度。功率將為P＝2Vjd2＝16mW。在如此大的電流密度下的電遷移和功率耗散問題看來排除在20nm節(jié)點(diǎn)的場感應(yīng)MTJ寫入的實際應(yīng)用(在達(dá)到此節(jié)點(diǎn)之前可能很好)。
優(yōu)選地，電流密度應(yīng)該保持盡可能低(大約107A/cm2)。當(dāng)為字和位線應(yīng)用磁場時通過直接沿MTJ傳遞電流保持低電流密度。于是功率耗散(P＝I2R)加熱自由電極并暫時降低寫入過程中的Hk。冷卻后，Hk增加至其初始值以保證寫入位的長期熱穩(wěn)定性。下文給出幾個說明本發(fā)明的具體實施例。熱輔助MTJ寫入也解決半選擇問題。在MTJ寫入中，通過字線提供一半磁場，另一半來自位線。這意味著位和字線上的其它單元經(jīng)歷的磁場為交叉處的一半。有時這種情況偶爾轉(zhuǎn)換。使用熱輔助避免傳統(tǒng)MTJ結(jié)構(gòu)的半選擇問題，因為電流僅通過待寫入的接合點(diǎn)(例如通過使用FET)。因而，利用本發(fā)明僅對接合點(diǎn)降低Hk。
自旋極化電流通過自旋轉(zhuǎn)換也可以用于磁轉(zhuǎn)換。當(dāng)與磁體的磁化方向呈橫向的自旋電流部件被吸附在磁體表面時發(fā)生自旋轉(zhuǎn)換。對圖1所示的具體實例而言，非磁性金屬隔層120插入厚穩(wěn)定磁體140和薄“自由”磁體130之間。磁化層130、140具有垂直于控制施加的、交換和退磁化磁場的各層平面的各向異性(此設(shè)備的另一版本具有平面內(nèi)的磁化)。電流從厚磁體140傳送至薄磁體130，并且厚磁體方向中的電流極化影響薄磁體。對平行或反平行磁化而言不發(fā)生自旋轉(zhuǎn)換。但是，薄磁體方向的任何小偏差(由熱運(yùn)動或缺陷引起)導(dǎo)致非磁性隔層120和自由磁體130問的界面處的與自由磁體方向平行的自旋電流。這種角動量的傳送導(dǎo)致自由電極130的磁矩上的扭矩。此扭矩導(dǎo)致磁化方向150旋轉(zhuǎn)并沿各向異性方向進(jìn)動。如果角動量的傳送快于進(jìn)動矩(precessing moment)的阻尼(damping)，傾斜(canting)將會增加直至發(fā)生反轉(zhuǎn)。通過沿相反方向通電流，自由電極矩可以被轉(zhuǎn)換復(fù)位，因為電流被自由電極變得自旋極化。由于在隔層和厚電極界面處的橫向自旋電流的吸附，角動量損失。于是角動量以這種方式消失以滿足反取向。
假定自由電極垂直各向異性支配形狀各向異性(退磁場滿足平面內(nèi)磁化)，并且“厚”或“硬”電極140與隔層120被設(shè)計用于低交換和靜磁場(為了完成此目的厚電極140可以實際上包含許多層)，轉(zhuǎn)換所需的臨界電流為I＝αeγSHk/g。在此公式中，α為Gilbert阻尼參數(shù)，e為電子電荷，γ為旋磁比，S為自由電極的總自旋，而g為根據(jù)自旋電流極化度而定的參數(shù)。由于 而Hk＝2Ku/M(假定Stoner-Wohlfarth模型)，臨界電流密度為j＝2αctKu/g，其中t為自由電極厚度。在20nm節(jié)點(diǎn)下，必須避免超順磁性，于是t Ku＞50 KBT/A＝0.6erg/cm2(例如，在330k和t＝2nm下Ku＝3×106erg/cm3)。如果極化度為0.35(純鈷的典型情況)，那么g＝0.2。
對塊狀鈷和其它高質(zhì)量金屬磁體而言，α可以小于0.01，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在鈷薄膜(20nm厚)中0.04＜α＜0.2，并且納米收縮(nano-constrictions)表明表面附近的磁阻尼可以非常大。對2nm厚的薄膜而言，如果α＝0.04，那么臨界電流密度為4×107A/cm2。此值不能通過使薄膜更薄被降低，因為Ku將于是必須更大以避免超順磁性。為了具有快速轉(zhuǎn)換，電流密度將需要大于此值，因為必須通過自旋扭矩超過有效阻尼矩。所需的額外電流密度為 其中τ為轉(zhuǎn)換時間。如果t＝2nm，τ＝1ns，而M＝200emu/cm3(鈷的磁化強(qiáng)度為1400emu/cm3)，那么jswitch＝1×107A/cm2。對平面外(out-of-plane)器件而言，這種低磁化強(qiáng)度將是所期望的，以使平面內(nèi)形狀各向異性不占優(yōu)勢。形狀各向異性引起2πM2＝2.5×105ergs/cm3的有效電流密度，此電流密度小于本實施例中的Ku10倍多。
在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，自旋變換器件在20nm節(jié)點(diǎn)下所需的總電流密度為5×107A/cm2，假定材料具有鈷的極化度、小于鈷7倍的力矩、高各向異性和低Gilbert阻尼。即使在優(yōu)化的假定條件下，圖1所示的結(jié)構(gòu)的電流密度不合需要地大，可能導(dǎo)致隨時間過去的電遷移和器件失效的問題。
在圖1所示的器件中，電阻太低，因為它是一種全金屬器件。實驗地，簡單的7層設(shè)備的電阻為大約0.01Ω-μm2，而電阻變化為大約0.001Ω-μm2。在20nm節(jié)點(diǎn)下，此電阻變化為2.5Ω，而銅位線(假定256單元長)將具有R＝ρL/A＝500Ω的電阻，并且ΔR/R＝0.005，其中ΔR代表電阻的差別而L是線的長度。檢測這么小的信號將是困難的。位線必須如此長，以致所有與寫和讀相關(guān)的電子元件與存儲單元相比未占用太多的芯片不動產(chǎn)(chip real estate)。在更大的長度范圍下此問題更嚴(yán)重，因為導(dǎo)線電阻隨特征尺寸呈線性下降而器件電阻隨特征尺寸的平方下降(因此，在約100nm節(jié)點(diǎn)下，ΔR/R＝0.001)。理想地，此電阻需要以至少20的因數(shù)增加。增加電阻的一種方法是將薄多孔氧化層放在一個和更多界面處(例如在穩(wěn)定電極和非磁性金屬隔層之間)。這具有沿孔隙集聚電流和減少設(shè)備有效面積的作用。不幸的是，這也增加局部電流密度。例如，為了以因數(shù)20增加電阻，對我們20nm節(jié)點(diǎn)設(shè)計而言，孔隙應(yīng)該占面積的5％而局部電流密度將必須為1×109A/cm2。因此，高電流密度帶來的問題可能變得更嚴(yán)重。
在一種實施方式中，通過用例如一種氧化物(如圖2所示)之類的絕緣體勢壘160取代金屬隔層120解決上述問題，以增加電阻(最好沒有電流集聚)、優(yōu)化電阻和熱特性以通過電流誘導(dǎo)加熱暫時降低各向異性、并優(yōu)化自由磁電極材料以在較小溫度變化的情況下具有較大的各向異性下降，以使寫過程中臨界電流密度被顯著降低。氧化物層160最好具有0.2Ω-μm2和20Ω-μm2之間的電阻。圖2也說明位線200和字線230、熱沉220、基座(電接觸)210和晶體管240。因此，圖2所示設(shè)備為一種具有通過自旋變換和熱輔助(例如，大于50℃變化)的組合電流誘導(dǎo)轉(zhuǎn)換的MTJ。
這種實施方式也可以利用使用與上述連續(xù)無針孔層氧化物勢壘160相反的多孔氧化物。如上所述，增加電阻的一種方法是將薄多孔氧化層放在一個和更多界面處。這具有沿孔隙集聚電流和減少設(shè)備有效面積的作用。因此，圖2也說明可選的非磁性金屬隔層170，如果氧化物勢壘為多孔氧化物勢壘，非磁性金屬隔層170可以被放置在氧化物勢壘160的任一側(cè)(或兩側(cè))上。非磁性金屬隔層170可以在氧化物勢壘160與自由和穩(wěn)定電極130、140的其中之一(或兩者)之間。多孔氧化物160不是必須被放置在磁電極130、140之間。相反，多孔氧化物160可以僅僅在磁電極的附近，只要在達(dá)到自由電極之前沿絕緣體160的孔隙的電流擴(kuò)散不太大，并且氧化物處的功率耗散導(dǎo)致自由電極的加熱。
自旋變換的概念首先在隧道勢壘的范圍內(nèi)被考慮，但是因為由以與MTJ相關(guān)的典型電阻值過量加熱導(dǎo)致的不可能而被排除。幸運(yùn)的是，已經(jīng)做了大量的工作降低MTJ電阻以用作磁頭中的傳感器，并且現(xiàn)在可以制造電阻低于10Ω-μm2和ΔR/R大于0.2的無針孔器件。
圖2所示的幾何形狀也是新的。注意FET240允許雙向電流流動。并且，硬電極140和自由電極130也可以包含多層以優(yōu)化其磁特性，并且連接其中之一的可以是TbFeCo合金。本發(fā)明也包括用于硬電極的反鐵磁釘扎層與合成鐵磁體，和用于自由電極的“蓋”(capping)層。此器件可以在20nm節(jié)點(diǎn)下以1×108A/cm2無熱輔助寫入。這種器件在讀回信號和功率耗散方面的優(yōu)選電阻為大約等于對應(yīng)于0.2Ω-μm2的500Ω的位線電阻(假定長度為256單元)。假定這種低電阻MTJ可以在無針孔條件下制造(或者可以制造具有良好ΔR/R的多孔氧化物設(shè)備)，并且這種高電流密度可以被維持，在接合點(diǎn)中的功率將為80μW，且在位線中的功率為80μW，或者總體為160μW。
假定基座210高20nm，具有100W/mK的熱導(dǎo)率(良好純金屬的典型情況)，并且結(jié)功率的一半被沉積在自由電極130上(40μW)，穩(wěn)定上升將為ΔT＝Ph/KA＝20K，其中h為基座的高度，P為功率而K為熱導(dǎo)率。這里通過假定勢壘為一種有效熱絕緣體計算溫度上升，并解決簡單的1維熱流動問題。結(jié)論是大約108A/cm2左右的電流密度可以在20nm的器件中導(dǎo)致電遷移、需要高功率、低信號水平、和難以保持的電阻值等問題。但是，在40nm節(jié)點(diǎn)下利用自旋變換并且沒有熱輔助的MTJ寫入要合理得多，因為臨界電流取值范圍與按照tKu＞50KBT/A的區(qū)域相反。對無熱輔助的40nm器件而言可能的參數(shù)為t＝2nm，Ku＝7.5×105ergs/cm3，α＝0.04，g＝0.2，jcrit＝1×107A/cm2，M＝100emu/cm3，τ＝1ns，jswitch＝5×106A/cm2，jtotal＝1.5×107A/cm2，I＝0.24mA，R＝1Ω-μm2＝625Ω，V＝0.15Volts，P＝36μW，h＝40nm，K＝100W/mK，ΔT＝4.5K。為了獲得此目標(biāo)，必須要有一種具有低阻尼、高極化度、和低力矩的材料。因此，本發(fā)明降低絕緣體160的電阻以提供一種低電阻隧道結(jié)勢壘。此低電阻隧道結(jié)勢壘允許足夠高的電流密度存在，以使在沒有擊穿電壓或過熱的情況下發(fā)生基于自旋變換的寫入。
現(xiàn)在考慮利用圖2所示的熱輔助在20nm節(jié)點(diǎn)下設(shè)計用于在1×107A/cm2下寫入的器件。對4Ω-μm2＝10KΩ的電阻和0.4V的電壓而言，總功率為16μW(在此電流下位線中的功率將非常小)。對高度為50nm的基座、10W/mK的熱導(dǎo)率(許多合金的典型情況)而言，并假定一半功率被損耗在自由電極130上，溫度上升將為100K。此外，熱時間常數(shù)可以被計算為τthermal＝h2C/K＝0.75ns，其中C為熱容(假定為3×106J/m3)。因此，本發(fā)明的器件非常快。注意功率大約小于非熱輔助情況下(假定1×108A/cm2)的10倍，并低于無熱輔助場感應(yīng)MTJ寫入情況下的1000倍。此分析表明MTJ、自旋扭矩、和熱輔助的組合可以允許小、快、功率效率高的設(shè)備，并且具有大信號和CMOS集成的理想電阻值。
在另一實施方式中，由通過位線和字線的電流引起的磁場可以輔助轉(zhuǎn)換。例如，在我們的20nm節(jié)點(diǎn)設(shè)計中以1×108A/cm2的電流密度通過這些線，可以產(chǎn)生大約60Oe的磁場。1×107A/cm2的MTJ電流加熱該位以降低各向異性至低于60Oe用于寫入。此外，以相比無熱輔助的最好情況的因數(shù)100降低功率，并且避免半選擇尋址具有的問題。
理想地適合用于自由電極130的一類材料為鐵磁性RT-TM合金，例如含Gd、Co、和其它可選少量添加的元素以調(diào)整特性的“非晶態(tài)”TbxFey。在TbxFey中，稀土(RE)Tb和過渡金屬(TM)Fe磁化彼此相反，并具有不同的溫度依賴性。當(dāng)x等于0.1時，TM磁化占優(yōu)勢，而當(dāng)x等于0.3時，RE磁化占優(yōu)勢。當(dāng)x等于約0.22時，磁化強(qiáng)度在室溫下抵消(補(bǔ)償)(在圖3中通過虛線指示)，并然后當(dāng)TM次網(wǎng)格的磁化分量大于RE次網(wǎng)格時隨溫度上升(在圖3中通過磁化矢量的大小指示)。因為鐵磁體的總磁化強(qiáng)度非常小(典型地低于300emu/cm3)，臨界電流可能小于其它材料，使得其即便沒有熱輔助也很具吸引力。TbxFey合金在300K具有等于1.5×107emu/cm3的可調(diào)垂直各向異性，在400K附近的Curie溫度下降至0。這種大各向異性和低Curie點(diǎn)使得這種類型的材料對本發(fā)明非常有吸引力(即便10nm×10nm×2nm的自由電極將為熱穩(wěn)定)。低磁化強(qiáng)度保證平面外磁化。在上述20nm熱輔助設(shè)備的給定實施例中，在功率僅為16μW的情況下通過隧穿電流導(dǎo)致的損耗在小于1ns內(nèi)將自由電極加熱至400K。理解Curie溫度附近的溫度相關(guān)的臨界電流很重要。對于小P取gαP3/2，臨界電流密度為可以取j(T)∝Ku(T)/P(T)3/2和Ku(T)∝ MRE(T)2。由于RE的磁電子處于Fermi能級中的4f層，而TM的磁電子處于的3d層(在Fermi能級中)，極化度可以主要由TM極化度支配。假定P(T)∝MTM(T)，產(chǎn)生j(T)∝MRE(T)2/MTM(T)3/2。注意這顯得相比場感應(yīng)寫入較不理想，因為在這種情況下j(T)∝Hk∝MRE(T)2/MTM(T)。但是，這里考慮的是最壞的情況，因為硬電極實際上可以有效散熱并且由具有低溫度響應(yīng)和高Curie溫度的材料制成，其中只有自由電極的極化度將顯著下降。即便如此，由于在分子中指數(shù)較大并且MRE下降快于MTM，這表示臨界電流將隨溫度上升而急劇地下降。如果自由電極倍加熱至Curie點(diǎn)并冷卻，寫入將以最理想的溫度發(fā)生(僅低于Curie點(diǎn))。
因此，如上所述，利用本發(fā)明，通過沿鄰近或接近待轉(zhuǎn)換自由電極的超低電阻氧化層通電流完成熱輔助磁寫入。電流誘導(dǎo)加熱降低自由電極的各向異性并降低場或基于自旋變換的寫入所需的電流密度。本發(fā)明提供一種非易失性MRAM存儲器器件，其具有極好的耐用性、電流控制轉(zhuǎn)換、極好的可量測性、超快的轉(zhuǎn)換速度、非常小的位單元、低電壓、低功率，和CMOS集成的最佳電阻。
雖然已經(jīng)以優(yōu)選實施方式的形式說明本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到本發(fā)明在權(quán)利要求書的精神和領(lǐng)域內(nèi)可以被修改實施。
權(quán)利要求
1.一種非易失性磁隨機(jī)存取存儲器器件，包含穩(wěn)定的磁電極；絕緣體層；以及自由磁電極，其中所述絕緣體層位于所述穩(wěn)定的磁電極和所述自由磁電極之間；其中所述絕緣體層的電阻具有允許產(chǎn)生足夠的功率耗散的值，以通過電流誘導(dǎo)加熱來加熱所述自由磁電極從而降低所述自由磁電極的各向異性；并且其中所述加熱輔助轉(zhuǎn)換所述自由磁電極，以在所述磁隨機(jī)存取存儲器器件中寫入信息，并將所需電流密度降低至低于在不存在所述加熱情況下所需電流密度的數(shù)值。
2.如權(quán)利要求1的器件，其中所述穩(wěn)定的磁電極包含一或更多層。
3.如權(quán)利要求1的器件，其中所述加熱電流為自旋極化電流，并具有允許在所述自由磁電極中發(fā)生基于自旋變換的寫入的值。
4.如權(quán)利要求1的器件，還包括連接至所述自由磁電極和所述穩(wěn)定的磁電極的位線和字線，其中所述加熱電流與流經(jīng)所述位線和字線的電流產(chǎn)生的磁場結(jié)合轉(zhuǎn)換所述自由磁電極。
5.如權(quán)利要求1的器件，所述絕緣體層具有熱特性，并且其中所述電阻和所述熱特性被優(yōu)化以通過所述電流誘導(dǎo)加熱暫時降低所述各向異性。
6.如權(quán)利要求1的器件，其中所述自由磁電極的材料的選擇被優(yōu)化以在較小溫度變化的情況下具有增加的各向異性下降，以允許在所述信息寫入過程中降低臨界電流密度。
7.一種非易失性磁隨機(jī)存取存儲器器件，包含穩(wěn)定的磁電極；連接至所述穩(wěn)定的磁電極的絕緣體層，其中所述絕緣體層為連續(xù)且不含針孔；以及連接至所述絕緣體層的自由磁電極，其中所述絕緣體層位于所述穩(wěn)定的磁電極和所述自由磁電極之間；其中所述絕緣體層的電阻處于具有產(chǎn)生足夠的功率耗散的值，以通過電流誘導(dǎo)加熱來加熱所述自由磁電極從而降低所述自由磁電極的各向異性；并且其中所述加熱輔助轉(zhuǎn)換所述自由磁電極，以在所述磁隨機(jī)存取存儲器器件中寫入信息，并將所需電流密度降低至低于在不存在所述加熱情況下所需電流密度的數(shù)值。
8.如權(quán)利要求7的器件，其中所述穩(wěn)定的磁電極包含一或更多層。
9.如權(quán)利要求7的器件，其中所述加熱電流為自旋極化電流，并具有允許在所述自由磁電極中發(fā)生基于自旋變換的寫入的值。
10.如權(quán)利要求7的器件，還包括連接至所述自由磁電極和所述穩(wěn)定的磁電極的位線和字線，其中所述加熱電流與流經(jīng)所述位線和字線的電流產(chǎn)生的磁場結(jié)合轉(zhuǎn)換所述自由磁電極。
11.如權(quán)利要求7的器件，所述絕緣體層具有熱特性，并且其中所述電阻和所述熱特性被優(yōu)化以通過所述電流誘導(dǎo)加熱暫時降低所述各向異性。
12.如權(quán)利要求7的器件，其中所述自由磁電極的材料選擇被優(yōu)化以在較小溫度變化的情況下具有增加的各向異性下降，以允許在所述信息寫入過程中降低臨界電流密度。
13.一種非易失性磁隨機(jī)存取存儲器器件，包含穩(wěn)定的磁電極；多孔絕緣體層；與所述絕緣體層相鄰的非磁性層；以及自由磁電極，其中所述絕緣體層和所述非磁性層位于所述穩(wěn)定的磁電極和所述自由磁電極之間；其中所述絕緣體層的電阻具有允許產(chǎn)生足夠的功率耗散的值，以通過電流誘導(dǎo)加熱來加熱所述自由磁電極從而降低所述自由磁電極的各向異性；并且其中所述加熱輔助轉(zhuǎn)換所述自由磁電極以在所述磁隨機(jī)存取存儲器器件中寫入信息，并將所需電流密度降低至低于在不存在所述加熱情況下所需電流密度的數(shù)值。
14.如權(quán)利要求13的器件，其中所述穩(wěn)定的磁電極包含一或更多層。
15.如權(quán)利要求13的器件，其中所述加熱電流為自旋極化電流，并發(fā)生在允許在所述自由磁電極中發(fā)生基于自旋變換的寫入的水平。
16.如權(quán)利要求13的器件，還包括連接至所述自由磁電極和所述穩(wěn)定磁電極的位線和字線，其中所述加熱電流與流經(jīng)所述位線和字線的電流產(chǎn)生的磁場結(jié)合轉(zhuǎn)換所述自由磁電極。
17.如權(quán)利要求13的器件，所述絕緣體層具有熱特性，并且其中所述電阻和所述熱特性被優(yōu)化以通過所述電流誘導(dǎo)加熱暫時降低所述各向異性。
18.如權(quán)利要求13的器件，其中所述自由磁電極的材料選擇被優(yōu)化以在較小溫度變化的情況下具有增加的各向異性下降，以允許在所述信息寫入過程中降低臨界電流密度。
19.一種制造非易失性磁隨機(jī)存取存儲器器件的方法，所述方法包括形成穩(wěn)定的磁電極；在所述穩(wěn)定的磁電極上形成絕緣體層；以及在所述絕緣體層上形成自由磁電極，以使所述絕緣體層在所述穩(wěn)定的磁電極和所述自由磁電極之間；其中進(jìn)行所述絕緣體層的所述形成，使得所述絕緣體層具有產(chǎn)生足夠功率耗散的電阻值，以加熱所述自由磁電極，從而通過電流誘導(dǎo)加熱降低所述自由磁電極的各向異性；并且其中所述加熱輔助轉(zhuǎn)換所述自由磁電極以在所述磁隨機(jī)存取存儲器器件中寫入信息，并將所需電流密度降低至低于在不存在所述加熱情況下所需電流密度的數(shù)值。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中所述穩(wěn)定磁電極的形成包含形成一或更多層。
21.如權(quán)利要求19的方法，其中所述加熱電流為自旋極化電流，并發(fā)生在允許在所述自由磁電極中發(fā)生基于自旋變換的寫入的水平。
22.如權(quán)利要求19的方法，還包括形成連接至所述自由磁電極和所述穩(wěn)定的磁電極的位線和字線，其中所述加熱電流與流經(jīng)所述位線和字線的電流產(chǎn)生的磁場結(jié)合轉(zhuǎn)換所述自由磁電極。
23.如權(quán)利要求19的方法，執(zhí)行所述絕緣體層的所述形成以使所述絕緣體層具有熱特性，并且其中所述電阻和所述熱特性被優(yōu)化以通過所述電流誘導(dǎo)加熱暫時降低所述各向異性。
24.如權(quán)利要求19的方法，其中所述自由磁電極的材料選擇被優(yōu)化以在較小溫度變化的情況下具有增加的各向異性下降，以允許在所述信息寫入過程中臨界電流密度被降低。
25.一種非易失性磁隨機(jī)存取存儲器器件，其包含穩(wěn)定的磁電極；連接至所述穩(wěn)定磁電極的絕緣體層，其中所述絕緣體層連續(xù)且不含針孔；以及連接至所述絕緣體層的自由磁電極，其中所述絕緣體層位于所述穩(wěn)定的磁電極和所述自由磁電極之間，其中所述絕緣體層具有允許足夠電流密度存在的電阻值，以促進(jìn)所述自由磁電極中的基于自旋變換的寫入。
26.如權(quán)利要求25的器件，其中所述穩(wěn)定磁電極包含一或更多層。
27.如權(quán)利要求25的器件，還包括連接至所述自由磁電極和所述穩(wěn)定磁電極的位線和字線，其中所述基于自旋變換的寫入與流經(jīng)所述位線和字線的電流產(chǎn)生的磁場結(jié)合轉(zhuǎn)換所述自由磁電極。
28.如權(quán)利要求25的器件，其中所述絕緣體層的阻尼、極化度和力矩特性被優(yōu)化以促進(jìn)所述基于自旋變換的寫入。
29.如權(quán)利要求25的器件，其中所述基于自旋變換的寫入在沒有電壓擊穿或過熱的情況下發(fā)生。
全文摘要
一種非易失性磁隨機(jī)存取存儲器器件的方法和結(jié)構(gòu)，此設(shè)備含有穩(wěn)定磁電極、與穩(wěn)定磁電極相鄰的氧化層，和自由磁電極。氧化層位于穩(wěn)定磁電極和自由磁電極之間。在本發(fā)明中，導(dǎo)體被連接至穩(wěn)定磁電極。氧化層的電阻處于允許產(chǎn)生足夠功率耗散的水平，以通過電流誘導(dǎo)加熱降低自由磁電極的各向異性。使用電流誘導(dǎo)加熱結(jié)合自旋變換轉(zhuǎn)矩或磁場，以轉(zhuǎn)換自由磁電極。
文檔編號H01L27/22GK1519856SQ200310113899
公開日2004年8月11日 申請日期2003年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者拜瑞·C·斯戴普, 拜瑞 C 斯戴普 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司