專(zhuān)利名稱：具有多電平的磁阻存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體集成電路器件及其驅(qū)動(dòng)方法，更具體而言，涉及一種具有多電平的磁存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
除了高速和低功耗之外，快速的寫(xiě)入/讀取操作和低的操作電壓也是嵌入在電子設(shè)備中的存儲(chǔ)器的有益特性。已提出的磁存儲(chǔ)裝置滿足這些有益特性。磁存儲(chǔ)裝置具有高速操作和/或非易失性特性。通常，磁存儲(chǔ)裝置可以包括磁隧道結(jié)模式(下文稱為MTJ)。MTJ可以包括兩種磁性材料和插入到所述兩種磁性材料之間的絕緣層。MTJ的電阻根據(jù)所述兩種磁性材料的磁化方向而變化。更具體而言，當(dāng)兩種磁性材料的磁化方向彼此反向平行(anti-parallel)時(shí)，MTJ具有大的電阻；而當(dāng)兩種磁性材料的磁化方向彼此平行時(shí)，MTJ具有小的電阻。所以，MTJ可以具有不同的電阻，且可以根據(jù)電阻差來(lái)讀取/寫(xiě)入數(shù)據(jù)。一些磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)通過(guò)將鐵磁隧道結(jié)形成為磁阻器件來(lái)實(shí)現(xiàn)MTJ器件。MTJ器件包括磁性層、非磁性層和磁性層這三層，并且電流流動(dòng)以隧穿所述非磁性層(隧道勢(shì)壘層)。另一種稱為自旋閥(spin valve)結(jié)構(gòu)的MTJ器件設(shè)計(jì)，包括反鐵磁性層，所述反鐵磁性層被設(shè)置為與磁性層相鄰，且磁化方向被固定以改善磁場(chǎng)的靈敏度。在MRAM中，可以通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)改變形成單位單元的鐵磁材料的磁化狀態(tài)。替代地，也存在著電流感應(yīng)磁阻器件，其中通過(guò)施加電流來(lái)改變鐵磁材料的磁化狀態(tài)。電流感應(yīng)磁阻器件是通過(guò)施加電流到磁性層以控制磁性層的磁化方向并以此來(lái)控制磁化方向的裝置。從電流感應(yīng)磁阻器件中讀取信息的方法類(lèi)似于磁感應(yīng)MTJ或巨磁阻(GRM)器件。當(dāng)自由磁性層和固定磁性層的相對(duì)磁化方向平行時(shí)，器件具有低電阻。而另一方面，當(dāng)自由磁性層和固定磁性層的相對(duì)磁化方向是反向平行時(shí)，器件具有高電阻。所以，器件的電阻狀態(tài)可以對(duì)應(yīng)于數(shù)字值“ O ”或“ I ”。最近，已提出了一種雙GMR結(jié)構(gòu)來(lái)獲得除了 “O”和“I”之外的多電平(J. Appl.Phys. 105，103911,2009)。如圖I所示，雙GMR結(jié)構(gòu)包括第一固定層10、第一間隔層20、自由層30、第二間隔層40、以及第二固定層50。第一固定層10和第二固定層50可以包括具有固定磁性的鐵磁材料。自由層30可以是磁性根據(jù)外部磁場(chǎng)變化的反鐵磁材料。第一間隔層20和第二間隔層40可由CoFe/Cu/Co材料組成。如圖2所示，當(dāng)改變第一固定層10和第二固定層50以及自由層30的磁性以實(shí)現(xiàn)多電平時(shí)，雙GMR只能實(shí)現(xiàn)三種電平(0，O)、(0,1)和(LO)0
所以，需要一種能實(shí)現(xiàn)更多不同電平的磁阻存儲(chǔ)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能實(shí)現(xiàn)多種電平的磁阻存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。根據(jù)不例性實(shí)施例的一個(gè)方面，一種磁阻存儲(chǔ)裝置包括第一磁器件，所述第一磁器件包括具有固定磁化方向的固定層、設(shè)置在固定層上的隧道層、以及設(shè)置在隧道層上并具有可變磁化方向的第一自由層；以及第二磁器件，所述第二磁器件設(shè)置在所述第一磁器件上，包括多個(gè)自由層，所述多個(gè)自由層之間用間隔層隔離。根據(jù)示例性實(shí)施例的另一個(gè)方面，一種磁阻存儲(chǔ)裝置包括第一磁器件，所述第一磁器件包括具有可變磁化方向的第一自由層、設(shè)置在第一自由層上的隧道層、以及設(shè)置在隧道層上并具有固定磁化方向的固定層；以及第二磁器件，所述第二磁器件設(shè)置在第一磁器件之下，包括多個(gè)自由層，所述多個(gè)自由層之間用間隔層隔離。固定層、第一自由層、以及·所述多個(gè)自由層被配置為矯頑力朝著固定層而增加。根據(jù)示例性實(shí)施例的另一個(gè)方面，一種磁阻存儲(chǔ)裝置包括固定層，所述固定層具有固定的第一磁化方向；隧道層，所述隧道層形成在固定層上；第一自由層，所述第一自由層形成在隧道層上，并具有第一磁化方向或與第一磁化方向反向平行的第二磁化方向；第一間隔層，所述第一間隔層設(shè)置在第一自由層上；第二自由層，所述第二自由層設(shè)置在第一間隔層上，并具有第一磁化方向或第二磁化方向；第二間隔層，所述第二間隔層設(shè)置在第二自由層上；第三自由層，所述第三自由層設(shè)置在第二間隔層上，并具有第一磁化方向或第二磁化方向。固定層和第一、第二以及第三自由層被形成為保持自由層的磁化方向的矯頑力朝著固定層而增加。根據(jù)示例性實(shí)施例的另一個(gè)方面，一種驅(qū)動(dòng)磁阻存儲(chǔ)器的方法包括以下步驟將第一、第二以及第三自由層設(shè)置為具有第二磁化方向，使得磁存儲(chǔ)裝置具有第一電阻水平；通過(guò)施加第一磁場(chǎng)而將第三自由層的磁化方向改變?yōu)榈谝淮呕较?，使得磁存?chǔ)裝置具有第二電阻水平；通過(guò)施加第二磁場(chǎng)而將第二自由層的磁化方向改變?yōu)榈谝淮呕较?，使得磁存?chǔ)裝置具有第三電阻水平；以及通過(guò)施加第三磁場(chǎng)而將第一自由層的磁化方向改變?yōu)榈谝淮呕较蛞跃哂械谒碾娮杷?。將在下面?biāo)題為“具體實(shí)施方式
”的部分中描述這些以及其它的特征、方面和實(shí)施例。


從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述將更為清楚地了解本發(fā)明主題的上述以及其它方面、特征和其它優(yōu)點(diǎn)，其中圖I是說(shuō)明相關(guān)技術(shù)中的雙巨磁阻(GMR)器件的截面圖；圖2是說(shuō)明相關(guān)技術(shù)中的GMR的每種磁場(chǎng)的電阻水平的圖；圖3是說(shuō)明根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的多層磁阻存儲(chǔ)裝置的截面圖；圖4A和4B是示出圖3中的多層磁阻存儲(chǔ)裝置的每種磁場(chǎng)的磁化方向的截面圖，其中，圖4A是說(shuō)明固定層和自由層具有相同的平面內(nèi)(in-plane)磁各向異性的電阻可變機(jī)制的示意圖，而圖4B是說(shuō)明固定層和自由層具有相同的平面外(out-of-plane)磁各向異性的電阻可變機(jī)制的示意圖；圖5是說(shuō)明圖3中的多層磁阻存儲(chǔ)裝置的每種磁場(chǎng)的電阻水平的圖；以及圖6和圖7是根據(jù)其它示例性實(shí)施例的多層磁阻存儲(chǔ)裝置的截面圖。
具體實(shí)施例方式本文參照截面圖來(lái)描述示例性實(shí)施例,所述截面圖是示例性實(shí)施例的示意圖(以及中間結(jié)構(gòu))。如此，可以預(yù)想到例如由制造技術(shù)和/或公差所引起的對(duì)圖示形狀的變化。因此，示例性實(shí)施例不應(yīng)解釋為限于本文所圖示的區(qū)域的特定形狀，而是可以包括例如因制造引起的形狀偏差。在附圖中，為了清楚的目的，可能對(duì)層和區(qū)域的長(zhǎng)度和尺寸進(jìn)行了夸大。相同的附圖標(biāo)記在附圖中表示相同的元件。還應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)提及一層在另一層“上”或在襯底“上”時(shí)，它可以是直接在另一層上或者在襯底上，或者也可以存在中層間。
參見(jiàn)圖3，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的磁阻存儲(chǔ)裝置可以包括第一磁器件100和第二磁器件200，所述第一磁器件100和所述第二磁器件200形成層疊結(jié)構(gòu)。第一磁器件100可以是磁隧道結(jié)(MTJ)，所述磁隧道結(jié)(MTJ)包括固定層110、隧道層120、以及第一自由層130。固定層110可以是具有固定磁化方向的鐵磁材料層。隧道層120可以是包括下列材料中的一種或更多種的絕緣層氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)、氧化鈦(TiO2)、氧化釔(Y2O3)、以及氧化鐿(Yb2O3)。第一自由層130可以由響應(yīng)于施加的磁場(chǎng)而具有可反轉(zhuǎn)的磁化方向的材料形成。第二磁器件200可以是GMR器件，所述GMR器件包括順序?qū)盈B的第一間隔層210、第二自由層220、第二間隔層230、以及第三自由層240。GMR器件可以包括具有固定磁化層的自旋閥(spin valve)層、能夠響應(yīng)于外部磁場(chǎng)而改變磁化方向的自由層、以及包括非磁性導(dǎo)電層的間隔層。在本不例性實(shí)施例中，GMR器件被形成在第一磁器件100上,使得自旋閥層可以是第一磁器件100。第一間隔層210和第二間隔層230可以包括非磁性導(dǎo)電材料，例如，可以是包括以下材料中的一種或多種的材料銅(Cu)、鈷鐵(CoFe)和鈷(Co)。第一間隔層210的作用是使第一磁器件100與第二磁器件200中的第一間隔層210之上的層隔離。第二間隔層230的作用是使第二自由層220與第三自由層240隔離。第二自由層220和第三自由層240是能夠響應(yīng)于磁場(chǎng)而使磁化方向反轉(zhuǎn)的材料。在本示例性實(shí)施例中，第三自由層240具有比第二自由層220小的矯頑力(He)，第二自由層220具有比第一自由層130小的矯頑力。于是，在固定層110與第一自由層130之間、在第一自由層130與第二自由層220之間、在第二自由層220與第三自由層230之間、以及在第三自由層240與固定層110之間存在電阻差。還可以在第三自由層240上形成覆蓋層300以與外部器件連接。覆蓋層300例如包括諸如鈦或鉭(Ta)的導(dǎo)電層。參見(jiàn)圖4A和圖5，在磁阻存儲(chǔ)裝置中，固定層110和第一、第二以及第三自由層130、220和240被形成為使得固定層的磁化方向被固定為沿第一磁化方向的方向，而第一、第二以及第三自由層130、220和240可以具有與第一磁化方向反向平行(anti-parallel)的第二磁化方向。在圖5中,X軸表不磁場(chǎng),Y軸表不電阻。第一、第二以及第三自由層130、220和240被形成為具有相同的第二磁化方向。由于第一、第二以及第三自由層130、220和240具有相同的第二磁化方向，因此第一、第二以及第三自由層130、220和240如單個(gè)磁性層那樣操作。固定層110與第一、第二以及第三自由層130、220和240具有反向平行的磁化方向。固定層與第一、第二以及第三自由層130、220和240的反向平行的磁化方向是指磁阻存儲(chǔ)器具有第一電阻狀態(tài)(①)。例如，當(dāng)施加第一磁場(chǎng)(Hl)足以使第三自由層240的磁化方向反轉(zhuǎn)時(shí)，第三自由層240的磁化方向被改變。由于第三自由層240的矯頑力最小，因此只有第三自由層240的磁化方向被改變。因此，第三自由層240的磁化方向被反轉(zhuǎn)成與第一磁化方向相匹配。當(dāng)只有第三自由層的磁化方向平行于第一磁化方向時(shí)，磁阻存儲(chǔ)器具有電阻比第一電阻狀態(tài)(①)更大的第二電阻狀態(tài)(②)。接著，例如，當(dāng)施加比第一磁場(chǎng)(Hl)大的第二磁場(chǎng)(H2)足以使第二自由層220的磁化方向反轉(zhuǎn)時(shí)，第二自由層220的磁化方向被改變。第二自由層220的磁化方向和第三自由層240的磁化方向被改變?yōu)槠叫杏诘谝淮呕较颉Ｒ虼?磁阻存儲(chǔ)器具有第三電阻狀態(tài)(③)，第三電阻狀態(tài)是具有比第二電阻狀態(tài)(②)更高的電阻水平的狀態(tài)。 最后，例如當(dāng)施加比第二磁場(chǎng)(H2)大的第三磁場(chǎng)(H3)足以使第一自由層130的磁化方向反轉(zhuǎn)時(shí)，第一、第二以及第三自由層130、220和240的磁化方向被改變?yōu)榈谝淮呕较?。?dāng)?shù)谝?、第二以及第三自由?30、220和240都具有第一磁化方向時(shí)，磁阻存儲(chǔ)器具有第四電阻狀態(tài)(④)。在第四電阻狀態(tài)(④)中固定層110和第一、第二以及第三自由層130、220和240都具有相同的磁化方向，因此，第四電阻狀態(tài)(④)具有最低的電阻狀態(tài)。如上所述，本示例性實(shí)施例中的磁阻存儲(chǔ)裝置能夠通過(guò)改變磁場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)四種不同的電阻水平。這四種電阻水平能夠?qū)崿F(xiàn)2比特的多電平。圖4A是不出固定層和自由層對(duì)于固定層的表面具有平面內(nèi)(in-plane)磁各向異性的磁阻存儲(chǔ)裝置的示意圖，圖4B是示出固定層和自由層對(duì)于固定層的表面具有平面外(out-of-plane)磁各向異性的磁阻存儲(chǔ)裝置的示意圖。圖6說(shuō)明在形成GMR器件的第二磁器件200上層疊形成MTJ的第一磁器件100。類(lèi)似于上面討論的實(shí)施例，盡管第一磁器件100被層疊在第二磁器件200上，但磁阻存儲(chǔ)裝置也可通過(guò)改變磁場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)多電平。本發(fā)明不限于上面描述的具有兩個(gè)自由層220和240作為第二磁器件的示例性實(shí)施例。如圖7所示，還可以層疊三層或更多的自由層260和280，同時(shí)插入間隔層250和270在其中，以形成GMR器件。在這種情況下，在四個(gè)或更多個(gè)步驟中逐步地控制磁場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)2比特或更多比特的多電平。如上所述，形成MTJ的第一磁器件與形成GMR器件的第二磁器件層疊，逐步地施加磁場(chǎng)以順序地使MTJ器件的自由層和GMR器件的自由層的磁化方向反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)多電平。由于MTJ器件包括固定層，且例如只有MTJ器件和GMR器件的自由層的磁化方向反轉(zhuǎn)，因此能夠用低的臨界電流密度(Jc)來(lái)實(shí)現(xiàn)多電平。此外，可以由單個(gè)MTJ實(shí)現(xiàn)多電平，因此能在高集成器件中應(yīng)用。雖然已經(jīng)在上文中描述了具體的實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，描述的實(shí)施例僅是示例性的。因此，不應(yīng)當(dāng)基于所描述的實(shí)施例來(lái)限定本文描述的器件和方法。而是，應(yīng)當(dāng)根據(jù)所附權(quán)利要求并結(jié)合以上說(shuō)明書(shū)和附圖來(lái)限定本文描述的系統(tǒng)和方法。
權(quán)利要求
1.一種磁阻存儲(chǔ)裝置，包括 第一磁器件，所述第一磁器件包括具有固定磁化方向的固定層、設(shè)置在所述固定層上的隧道層、以及設(shè)置在所述隧道層上并具有可變磁化方向的第一自由層；以及 第二磁器件，所述第二磁器件設(shè)置在所述第一磁器件上，包括多個(gè)自由層，所述多個(gè)自由層之間用間隔層隔離。
2.如權(quán)利要求I所述的磁阻存儲(chǔ)裝置，其中，所述固定層、所述第一自由層、以及所述多個(gè)自由層被配置為矯頑力朝著所述固定層而增加。
3.如權(quán)利要求I所述的磁阻存儲(chǔ)裝置，其中，所述固定層、所述第一自由層、以及所述多個(gè)自由層分別具有平面內(nèi)磁各向異性。
4.如權(quán)利要求I所述的磁阻存儲(chǔ)裝置，其中，所述固定層、所述第一自由層、以及所述多個(gè)自由層分別具有平面外磁各向異性。
5.如權(quán)利要求2所述的磁阻存儲(chǔ)裝置，其中，所述第一自由層和所述多個(gè)自由層能夠基于具有足夠矯頑力的所施加的磁場(chǎng)的存在來(lái)改變磁化方向。
6.如權(quán)利要求I所述的磁阻存儲(chǔ)裝置，其中，所述隧道層是絕緣層。
7.如權(quán)利要求I所述的磁阻存儲(chǔ)裝置，其中，所述固定層包括鐵磁材料。
8.如權(quán)利要求I所述的磁阻存儲(chǔ)裝置，其中，所述第一磁器件形成自旋閥層。
9.如權(quán)利要求I所述的磁阻存儲(chǔ)裝置，其中，所述間隔層包括非磁性導(dǎo)電材料。
10.一種磁阻存儲(chǔ)裝置，包括 第一磁器件，所述第一磁器件包括具有可變磁化方向的第一自由層、設(shè)置在所述第一自由層上的隧道層、以及設(shè)置在所述隧道層上并具有固定磁化方向的固定層；以及 第二磁器件，所述第二磁器件設(shè)置在所述第一磁器件之下，包括多個(gè)自由層，所述多個(gè)自由層之間用間隔層隔離， 其中，所述固定層、所述第一自由層、所述多個(gè)自由層被配置為矯頑力朝著所述固定層而增加。
11.一種磁阻存儲(chǔ)裝置，包括 固定層，所述固定層具有固定的第一磁化方向； 隧道層，所述隧道層形成在所述固定層上； 第一自由層，所述第一自由層形成在所述隧道層上，并具有所述第一磁化方向或與所述第一磁化方向反向平行的第二磁化方向； 第一間隔層，所述第一間隔層設(shè)置在所述第一自由層上； 第二自由層，所述第二自由層設(shè)置在所述第一間隔層上，并具有所述第一磁化方向或所述第二磁化方向； 第二間隔層，所述第二間隔層設(shè)置在所述第二自由層上；以及 第三自由層，所述第三自由層設(shè)置在所述第二間隔層上，并具有所述第一磁化方向或所述第二磁化方向， 其中，所述固定層和所述第一自由層至所述第三自由層被形成為保持自由層的磁化的矯頑力朝所述固定層而增加。
12.如權(quán)利要求11所述的磁阻存儲(chǔ)裝置，其中，所述第一磁化方向和所述第二磁化方向關(guān)于所述固定層的表面為在平面內(nèi)。
13.如權(quán)利要求11所述的磁阻存儲(chǔ)裝置，其中，所述第一磁化方向和所述第二磁化方向關(guān)于所述固定層的表面為在平面外。
14.如權(quán)利要求11所述的磁阻存儲(chǔ)裝置，還包括覆蓋層，所述覆蓋層形成在所述第三自由層上。
15.一種驅(qū)動(dòng)磁阻存儲(chǔ)裝置的方法，包括以下步驟 將第一自由層至第三自由層設(shè)置為具有第二磁化方向，使得所述磁存儲(chǔ)裝置具有第一電阻水平； 通過(guò)施加第一磁場(chǎng)而將第三自由層的磁化方向改變?yōu)榈谝淮呕较?，使得所述磁存?chǔ)裝置具有第二電阻水平； 通過(guò)施加第二磁場(chǎng)而將第二自由層的磁化方向改變?yōu)樗龅谝淮呕较?，使得所述磁存?chǔ)裝置具有第三電阻水平；以及 通過(guò)施加第三磁場(chǎng)而將第一自由層的磁化方向改變?yōu)樗龅谝淮呕较蛞跃哂械谒碾娮杷健?br> 16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述第一磁場(chǎng)、所述第二磁場(chǎng)和所述第三磁場(chǎng)具有順序增大的磁場(chǎng)。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，當(dāng)所述第二自由層的磁化方向改變時(shí)，所述第三自由層的磁化方向同時(shí)改變，并且 其中，當(dāng)所述第一自由層的磁化方向改變時(shí)，所述第三自由層和所述第二自由層的磁化方向同時(shí)改變。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)多種電平的磁阻存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。所述磁阻存儲(chǔ)裝置包括第一磁器件，所述第一磁器件包括具有固定磁化方向的固定層、設(shè)置在固定層上的隧道層、以及設(shè)置在隧道層上的具有可變磁化方向的第一自由層；以及第二磁器件，所述第二磁器件設(shè)置在第一磁器件上，包括多個(gè)自由層，所述多個(gè)自由層之間用間隔層隔離。
文檔編號(hào)H01L43/12GK102916123SQ20111043199
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者崔源峻 申請(qǐng)人:海力士半導(dǎo)體有限公司