本发明通常涉及磁随机存取存储器器件中的热辅助磁写入，更具体地涉及电流诱导加热。

非易失性存储器芯片市场现在被闪存(flash)技术所统治。不幸的是，闪存非常慢并且在失效之前具有非常有限的写入循环次数(大约106)，使其不适合作为例如DRAM或SRAM之类的易失性存储器的替代物。也认为具有超过65nm技术节点(technology node)的有限可量测性。因此，就需要一种新型的非易失性存储器。

本发明提供一种非易失性磁随机存取存储器(MRAM)设备，其具有由一个或更多层组成的稳定磁电极、氧化层、和由一个或更多层组成的自由磁电极。当氧化物被用作势垒时，稳定和自由磁电极靠近氧化物。在含有孔的氧化物设计中，在此两电极之间也可以有非磁性金属隔层。氧化层位于稳定磁电极和自由磁电极之间。在本发明中，导体被连接至稳定磁电极。氧化层的电阻处于允许产生足够功率耗散的水平，以通过电流诱导加热降低自由磁电极的磁各向异性。使用电流诱导加热结合自旋变换转矩或磁场，以转换自由磁电极。稳定磁电极比自由磁电极更厚或具有更高的磁各向异性。
在本发明中，使用晶体管控制电流是否通过自由磁电极和稳定磁电极之间。电流诱导加热仅暂时降低各向异性直至自由磁电极被转换。氧化层的电阻和热特性被优化以通过电流诱导加热暂时降低自由磁电极的各向异性。优化自由磁电极的材料选择，使较小温度变化的情况下具有增加的各向异性下降，以允许在写过程中降低转换所需的电流密度。本发明提供一种非易失性MRAM存储器器件，其具有大量读写周期、电流控制转换、极好的可量测性、超快的转换速度、非常小的位单元、低电压、低功率，和CMOS集成的最佳电阻。
本发明还提供一种制造非易失性磁随机存取存储器(MRAM)设备的方法。本发明首先形成稳定磁电极。本发明随后在稳定磁电极上形成氧化层并在氧化层上形成自由磁电极，以使氧化层在稳定磁电极和自由磁电极之间。形成具有一定电阻水平的氧化层，以允许足够的功率耗散加热自由磁电极，从而通过电流诱导加热降低自由磁电极的各向异性。加热可以辅助转换自由磁电极以在M RAM器件中写入信息，并可以将所需的电流密度降低至低于在不存在加热的情况下所需的数值。稳定磁电极的形成可以形成一个或更多层。加热电流为自旋极化电流，并以一定水平发生，以允许在自由磁电极中发生基于自旋变换的写入。本发明可以形成连接至自由磁电极和稳定磁电极的位和字线。加热电流与流经位和字线的电流产生的磁场结合转换自由磁电极。本发明形成具有热特性的氧化层。电阻和热特性被优化以通过电流诱导加热暂时降低各向异性。自由磁电极的材料选择被优化以在较小温度变化的情况下具有增加的各向异性下降，以允许在信息写入过程中降低临界电流密度。
附图说明
从下文参照附图的本发明优选实施方式的详细说明中，将更好地理解上述及其它目的、方面和优点，其中：图1是磁随机存取存储器结构的示意图；图2是磁随机存取存储器结构的示意图；和图3的曲线图表示温度与磁性合金的磁化之间的关系。

在本发明中，通过将电流通过靠近或接近待转换的自由电极的超低电阻氧化层，完成热辅助磁写入。电流诱导加热降低自由电极的各向异性，并降低场或基于自旋变换的写入所需的电流密度。在本发明的一实施方式中，沿氧化层的电阻在4-μm2左右，自由电极由TbxFey基合金构成，并通过热辅助自旋变换转矩感应转换。因此，本发明提供一种非易失性MRAM存储器器件，其具有大量读写周期、电流控制转换、极好的可量测性、超快的转换速度、非常小的位单元、低电压、低功率，和CMOS集成的最佳电阻。
如上所述，非易失性存储器芯片市场现在被闪存技术所统治。不幸的是，闪存非常慢并且在失效之前具有非常有限的写入循环次数(大约106)，使其不适合作为例如DRAM或SRAM之类的易失性存储器的替代物。也认为具有超过65nm技术节点的有限可量测性。两种主要的新兴存储器技术为相变(也称为双向通用存储器(OvonicUniversal Memory)-OUM)和使用磁隧道结MTJ的磁随机存取存储器(MRAM)。OUM使用高和低电阻态的相变介质(非晶态对晶态)存储位，而MRAM使用高和低电阻态MTJ(平行对反平行磁电极)存储位。
通过将高电流通入介质以使材料上升至结晶温度或熔化温度(大约700至900K)，完成OUM写入。熔融介质的快速冷却导致非晶(高电阻)相。结晶相的写入需要更长的时间以发生成核和生长。通过将电流通入字和位线，以产生足够强的磁场从而在这些线的接合点处转换“软”或“自由”磁电极，完成MTJ-MRAM写入。
OUM和MTJ-MRAM技术都有大量缺点。对OUM而言，由于所需的结晶期导致写入时间相当慢(大约50ns)，并且由于介质的反复熔化导致写入循环有限(大约1013)。MTJ-MRAM可以快十倍多并且可以具有几乎无限的写入循环次数。但是，MTJ-MRAM可能受到由较复杂的写入方法引起的大单元尺寸的不利影响，和由材料改变与半选择寻址方案引起的位或字线上别处元件的意外转换。但是，最严重的限制是当导线变小且软电极的矫顽性被增加以避免超顺磁性时，MTJ-MRAM受到产生写入磁场所需的电流密度的不佳定标的不利影响。例如，定标为20nm节点，立方形磁位需要的各向异性能(Ku)为Ku＝50KBT/V＝2.8×105ergs/cm3，其中T/V为温度电压比。假定1000ergs/cm3的磁化强度，各向异性磁场(Hk)将需要为Hk＝2Ku/M＝570Oe，其中M为磁化强度。在Stoner-Wohlfarth模型的逆磁化中，我们可以取Hk约等于快速转换所需的磁场。对20nm×20nm位和字线(与磁轴成45度)从其中心产生570Oe 20nm而言，电流密度将需要至少为j＝(5/21/2)Hk/d＝1×109A/cm2，其中d为高度和宽度。假定铜位和字线长度为256单元(10μm)，电压将为V＝jρL＝2伏特，其中j为电流密度，ρ为电阻率，而L为线的长度。功率将为P＝2Vjd2＝16mW。在如此大的电流密度下的电迁移和功率耗散问题看来排除在20nm节点的场感应MTJ写入的实际应用(在达到此节点之前可能很好)。
优选地，电流密度应该保持尽可能低(大约107A/cm2)。当为字和位线应用磁场时通过直接沿MTJ传递电流保持低电流密度。于是功率耗散(P＝I2R)加热自由电极并暂时降低写入过程中的Hk。冷却后，Hk增加至其初始值以保证写入位的长期热稳定性。下文给出几个说明本发明的具体实施例。热辅助MTJ写入也解决半选择问题。在MTJ写入中，通过字线提供一半磁场，另一半来自位线。这意味着位和字线上的其它单元经历的磁场为交叉处的一半。有时这种情况偶尔转换。使用热辅助避免传统MTJ结构的半选择问题，因为电流仅通过待写入的接合点(例如通过使用FET)。因而，利用本发明仅对接合点降低Hk。
自旋极化电流通过自旋转换也可以用于磁转换。当与磁体的磁化方向呈横向的自旋电流部件被吸附在磁体表面时发生自旋转换。对图1所示的具体实例而言，非磁性金属隔层120插入厚稳定磁体140和薄“自由”磁体130之间。磁化层130、140具有垂直于控制施加的、交换和退磁化磁场的各层平面的各向异性(此设备的另一版本具有平面内的磁化)。电流从厚磁体140传送至薄磁体130，并且厚磁体方向中的电流极化影响薄磁体。对平行或反平行磁化而言不发生自旋转换。但是，薄磁体方向的任何小偏差(由热运动或缺陷引起)导致非磁性隔层120和自由磁体130问的界面处的与自由磁体方向平行的自旋电流。这种角动量的传送导致自由电极130的磁矩上的扭矩。此扭矩导致磁化方向150旋转并沿各向异性方向进动。如果角动量的传送快于进动矩(precessing moment)的阻尼(damping)，倾斜(canting)将会增加直至发生反转。通过沿相反方向通电流，自由电极矩可以被转换复位，因为电流被自由电极变得自旋极化。由于在隔层和厚电极界面处的横向自旋电流的吸附，角动量损失。于是角动量以这种方式消失以满足反取向。
假定自由电极垂直各向异性支配形状各向异性(退磁场满足平面内磁化)，并且“厚”或“硬”电极140与隔层120被设计用于低交换和静磁场(为了完成此目的厚电极140可以实际上包含许多层)，转换所需的临界电流为：I＝αeγSHk/g。在此公式中，α为Gilbert阻尼参数，e为电子电荷，γ为旋磁比，S为自由电极的总自旋，而g为根据自旋电流极化度而定的参数。由于 而Hk＝2Ku/M(假定Stoner-Wohlfarth模型)，临界电流密度为j＝2αctKu/g，其中t为自由电极厚度。在20nm节点下，必须避免超顺磁性，于是t Ku＞50 KBT/A＝0.6erg/cm2(例如，在330k和t＝2nm下Ku＝3×106erg/cm3)。如果极化度为0.35(纯钴的典型情况)，那么g＝0.2。
对块状钴和其它高质量金属磁体而言，α可以小于0.01，但是已经发现在钴薄膜(20nm厚)中0.04＜α＜0.2，并且纳米收缩(nano-constrictions)表明表面附近的磁阻尼可以非常大。对2nm厚的薄膜而言，如果α＝0.04，那么临界电流密度为4×107A/cm2。此值不能通过使薄膜更薄被降低，因为Ku将于是必须更大以避免超顺磁性。为了具有快速转换，电流密度将需要大于此值，因为必须通过自旋扭矩超过有效阻尼矩。所需的额外电流密度为 其中τ为转换时间。如果t＝2nm，τ＝1ns，而M＝200emu/cm3(钴的磁化强度为1400emu/cm3)，那么jswitch＝1×107A/cm2。对平面外(out-of-plane)器件而言，这种低磁化强度将是所期望的，以使平面内形状各向异性不占优势。形状各向异性引起2πM2＝2.5×105ergs/cm3的有效电流密度，此电流密度小于本实施例中的Ku10倍多。
在图1所示的结构中，自旋变换器件在20nm节点下所需的总电流密度为5×107A/cm2，假定材料具有钴的极化度、小于钴7倍的力矩、高各向异性和低Gilbert阻尼。即使在优化的假定条件下，图1所示的结构的电流密度不合需要地大，可能导致随时间过去的电迁移和器件失效的问题。
在图1所示的器件中，电阻太低，因为它是一种全金属器件。实验地，简单的7层设备的电阻为大约0.01Ω-μm2，而电阻变化为大约0.001Ω-μm2。在20nm节点下，此电阻变化为2.5Ω，而铜位线(假定256单元长)将具有R＝ρL/A＝500Ω的电阻，并且ΔR/R＝0.005，其中ΔR代表电阻的差别而L是线的长度。检测这么小的信号将是困难的。位线必须如此长，以致所有与写和读相关的电子元件与存储单元相比未占用太多的芯片不动产(chip real estate)。在更大的长度范围下此问题更严重，因为导线电阻随特征尺寸呈线性下降而器件电阻随特征尺寸的平方下降(因此，在约100nm节点下，ΔR/R＝0.001)。理想地，此电阻需要以至少20的因数增加。增加电阻的一种方法是将薄多孔氧化层放在一个和更多界面处(例如在稳定电极和非磁性金属隔层之间)。这具有沿孔隙集聚电流和减少设备有效面积的作用。不幸的是，这也增加局部电流密度。例如，为了以因数20增加电阻，对我们20nm节点设计而言，孔隙应该占面积的5％而局部电流密度将必须为1×109A/cm2。因此，高电流密度带来的问题可能变得更严重。
在一种实施方式中，通过用例如一种氧化物(如图2所示)之类的绝缘体势垒160取代金属隔层120解决上述问题，以增加电阻(最好没有电流集聚)、优化电阻和热特性以通过电流诱导加热暂时降低各向异性、并优化自由磁电极材料以在较小温度变化的情况下具有较大的各向异性下降，以使写过程中临界电流密度被显著降低。氧化物层160最好具有0.2Ω-μm2和20Ω-μm2之间的电阻。图2也说明位线200和字线230、热沉220、基座(电接触)210和晶体管240。因此，图2所示设备为一种具有通过自旋变换和热辅助(例如，大于50℃变化)的组合电流诱导转换的MTJ。
这种实施方式也可以利用使用与上述连续无针孔层氧化物势垒160相反的多孔氧化物。如上所述，增加电阻的一种方法是将薄多孔氧化层放在一个和更多界面处。这具有沿孔隙集聚电流和减少设备有效面积的作用。因此，图2也说明可选的非磁性金属隔层170，如果氧化物势垒为多孔氧化物势垒，非磁性金属隔层170可以被放置在氧化物势垒160的任一侧(或两侧)上。非磁性金属隔层170可以在氧化物势垒160与自由和稳定电极130、140的其中之一(或两者)之间。多孔氧化物160不是必须被放置在磁电极130、140之间。相反，多孔氧化物160可以仅仅在磁电极的附近，只要在达到自由电极之前沿绝缘体160的孔隙的电流扩散不太大，并且氧化物处的功率耗散导致自由电极的加热。
自旋变换的概念首先在隧道势垒的范围内被考虑，但是因为由以与MTJ相关的典型电阻值过量加热导致的不可能而被排除。幸运的是，已经做了大量的工作降低MTJ电阻以用作磁头中的传感器，并且现在可以制造电阻低于10Ω-μm2和ΔR/R大于0.2的无针孔器件。
图2所示的几何形状也是新的。注意FET240允许双向电流流动。并且，硬电极140和自由电极130也可以包含多层以优化其磁特性，并且连接其中之一的可以是TbFeCo合金。本发明也包括用于硬电极的反铁磁钉扎层与合成铁磁体，和用于自由电极的“盖”(capping)层。此器件可以在20nm节点下以1×108A/cm2无热辅助写入。这种器件在读回信号和功率耗散方面的优选电阻为大约等于对应于0.2Ω-μm2的500Ω的位线电阻(假定长度为256单元)。假定这种低电阻MTJ可以在无针孔条件下制造(或者可以制造具有良好ΔR/R的多孔氧化物设备)，并且这种高电流密度可以被维持，在接合点中的功率将为80μW，且在位线中的功率为80μW，或者总体为160μW。
假定基座210高20nm，具有100W/mK的热导率(良好纯金属的典型情况)，并且结功率的一半被沉积在自由电极130上(40μW)，稳定上升将为ΔT＝Ph/KA＝20K，其中h为基座的高度，P为功率而K为热导率。这里通过假定势垒为一种有效热绝缘体计算温度上升，并解决简单的1维热流动问题。结论是大约108A/cm2左右的电流密度可以在20nm的器件中导致电迁移、需要高功率、低信号水平、和难以保持的电阻值等问题。但是，在40nm节点下利用自旋变换并且没有热辅助的MTJ写入要合理得多，因为临界电流取值范围与按照tKu＞50KBT/A的区域相反。对无热辅助的40nm器件而言可能的参数为：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。为了获得此目标，必须要有一种具有低阻尼、高极化度、和低力矩的材料。因此，本发明降低绝缘体160的电阻以提供一种低电阻隧道结势垒。此低电阻隧道结势垒允许足够高的电流密度存在，以使在没有击穿电压或过热的情况下发生基于自旋变换的写入。
现在考虑利用图2所示的热辅助在20nm节点下设计用于在1×107A/cm2下写入的器件。对4Ω-μm2＝10KΩ的电阻和0.4V的电压而言，总功率为16μW(在此电流下位线中的功率将非常小)。对高度为50nm的基座、10W/mK的热导率(许多合金的典型情况)而言，并假定一半功率被损耗在自由电极130上，温度上升将为100K。此外，热时间常数可以被计算为τthermal＝h2C/K＝0.75ns，其中C为热容(假定为3×106J/m3)。因此，本发明的器件非常快。注意功率大约小于非热辅助情况下(假定1×108A/cm2)的10倍，并低于无热辅助场感应MTJ写入情况下的1000倍。此分析表明MTJ、自旋扭矩、和热辅助的组合可以允许小、快、功率效率高的设备，并且具有大信号和CMOS集成的理想电阻值。
在另一实施方式中，由通过位线和字线的电流引起的磁场可以辅助转换。例如，在我们的20nm节点设计中以1×108A/cm2的电流密度通过这些线，可以产生大约60Oe的磁场。1×107A/cm2的MTJ电流加热该位以降低各向异性至低于60Oe用于写入。此外，以相比无热辅助的最好情况的因数100降低功率，并且避免半选择寻址具有的问题。
理想地适合用于自由电极130的一类材料为铁磁性RT-TM合金，例如含Gd、Co、和其它可选少量添加的元素以调整特性的“非晶态”TbxFey。在TbxFey中，稀土(RE)Tb和过渡金属(TM)Fe磁化彼此相反，并具有不同的温度依赖性。当x等于0.1时，TM磁化占优势，而当x等于0.3时，RE磁化占优势。当x等于约0.22时，磁化强度在室温下抵消(补偿)(在图3中通过虚线指示)，并然后当TM次网格的磁化分量大于RE次网格时随温度上升(在图3中通过磁化矢量的大小指示)。因为铁磁体的总磁化强度非常小(典型地低于300emu/cm3)，临界电流可能小于其它材料，使得其即便没有热辅助也很具吸引力。TbxFey合金在300K具有等于1.5×107emu/cm3的可调垂直各向异性，在400K附近的Curie温度下降至0。这种大各向异性和低Curie点使得这种类型的材料对本发明非常有吸引力(即便10nm×10nm×2nm的自由电极将为热稳定)。低磁化强度保证平面外磁化。在上述20nm热辅助设备的给定实施例中，在功率仅为16μW的情况下通过隧穿电流导致的损耗在小于1ns内将自由电极加热至400K。理解Curie温度附近的温度相关的临界电流很重要。对于小P取gαP3/2，临界电流密度为：可以取j(T)∝Ku(T)/P(T)3/2和Ku(T)∝ MRE(T)2。由于RE的磁电子处于Fermi能级中的4f层，而TM的磁电子处于的3d层(在Fermi能级中)，极化度可以主要由TM极化度支配。假定P(T)∝MTM(T)，产生j(T)∝MRE(T)2/MTM(T)3/2。注意这显得相比场感应写入较不理想，因为在这种情况下j(T)∝Hk∝MRE(T)2/MTM(T)。但是，这里考虑的是最坏的情况，因为硬电极实际上可以有效散热并且由具有低温度响应和高Curie温度的材料制成，其中只有自由电极的极化度将显著下降。即便如此，由于在分子中指数较大并且MRE下降快于MTM，这表示临界电流将随温度上升而急剧地下降。如果自由电极倍加热至Curie点并冷却，写入将以最理想的温度发生(仅低于Curie点)。
因此，如上所述，利用本发明，通过沿邻近或接近待转换自由电极的超低电阻氧化层通电流完成热辅助磁写入。电流诱导加热降低自由电极的各向异性并降低场或基于自旋变换的写入所需的电流密度。本发明提供一种非易失性MRAM存储器器件，其具有极好的耐用性、电流控制转换、极好的可量测性、超快的转换速度、非常小的位单元、低电压、低功率，和CMOS集成的最佳电阻。
虽然已经以优选实施方式的形式说明本发明，本领域的技术人员将认识到本发明在权利要求书的精神和领域内可以被修改实施。