專利名稱：存儲器單元和存儲器器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于隨機(jī)存取存儲器(RAM)的可編程存儲器單元這一領(lǐng)域，并且涉及 可編程磁阻存儲器單元以及包括這樣的存儲器單元的RAM存儲器器件。
背景技術(shù)：
磁阻隨機(jī)訪問存儲器(MRAM)是例如已經(jīng)在US 5，640，343中公開的非易失性存儲 器技術(shù)。根據(jù)這一技術(shù)，存儲器單元包括磁阻元件，例如各向異性磁阻(AMR)元件、表現(xiàn)巨 磁阻(GMR)效應(yīng)的金屬多層元件或者具有磁隧道結(jié)(MTJ)并因此表現(xiàn)隧道磁阻(TMR)的多 層元件。由于AMR和GMR存儲器單元的某些約束，目前優(yōu)選基于MTJ的技術(shù)，并且市面上的 MRAM器件并入了 MTJ存儲器單元?；贕MR和TMR的存儲器單元中的信息位由存儲器單元中的兩個不同鐵磁層的相 對磁化定向來限定，這些鐵磁層由間隔物層分離。在GMR單元中，間隔物層為非磁性金屬， 而對于TMR單元，間隔物層為電絕緣的，并且構(gòu)成從一個鐵磁層向另一鐵磁層的電流的隧 道屏障。例如，邏輯“1”可以對應(yīng)于其中兩個鐵磁層的磁化平行的配置，而邏輯“0”可以由 其中磁化反向平行的配置限定，或者反之亦然。通過測量與層平面(基于TMR或者GMR的 存儲器單元)垂直的或者沿著層平面(基于GMR的存儲器單元)的電阻，來確定存儲器單 元的狀態(tài)(“讀取”操作)。使兩個鐵磁層之中的一層具有良好定義的磁化方向。在這一“硬”磁層中，磁化可 能至多受很高磁場持久地影響，因此具有比在正常操作期間施加的場更高的場。例如，硬磁 層可以耦合到反鐵磁(AF)層。這一硬磁層也常稱為“固定鐵磁層”或者“釘扎(pin)鐵磁 層”。兩個鐵磁層中的另一層具有明顯較低有效矯頑力(即，包括該層的環(huán)境(比如，釘扎 等)的影響的矯頑力)，并且稱為“軟鐵磁層”。對于“寫入”操作，必須切換軟鐵磁層的磁化。為此，已經(jīng)提出若干方式。第一種 最簡單方式依賴于生成如下磁場，該磁場足以通過使電流流過存儲器單元上方和下方的兩 個垂直接觸線來改變軟鐵磁層的磁化方向。這一方式的優(yōu)點(diǎn)在于最簡單，然為它要求限定 好軟鐵磁層的矯頑力，并且近鄰存儲器單元的錯誤寫入概率隨著尺寸越來越按比例縮減而 增大。已經(jīng)提出用于“寫入”操作的其他方式，這些方式包括也要求施加磁場的“切換模式” 和“自旋力矩傳送”，但是它們也受弊端困擾。具體而言，所有提出的“寫入”操作都需要相 對大的寫入電流?！皩懭搿辈僮鞯谋锥丝赡苁菫槭裁碝RAM器件于十幾年之前便被開發(fā)但仍 是市面上的定制產(chǎn)品的原因之一。希望提供一種MRAM存儲器單元，其克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，并且尤其實現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù) 的MRAM存儲器單元相比改進(jìn)了的“寫入”操作。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明一個方面的一種存儲器單元包括磁元件，該磁元件包括第一鐵磁層和
3第二鐵磁層，該第一鐵磁層和第二鐵磁層的磁化的相對定向定義數(shù)據(jù)位，第一鐵磁層和第 二鐵磁層由非鐵磁(優(yōu)選為電絕緣間隔物層)分離。如磁RAM領(lǐng)域中已知的，可以例如通 過優(yōu)選地垂直于層平面來測量跨磁元件的電阻來讀出數(shù)據(jù)位。除了磁元件之外，存儲器單 元還包括磁化方向被良好定義的(即磁化方向在存儲器單元的操作期間確立)又一第三磁 化層和電阻切換材料，可以通過借助施加的電壓信號使離子濃度更改來更改該電阻切換材 料的載流子密度。這樣，載流子密度可以在第一狀態(tài)與第二狀態(tài)之間切換。在第二鐵磁層 與第三鐵磁層之間的有效交換耦合受制于載流子密度狀態(tài)。因而，在兩個載流子密度狀態(tài) 之間的切換也使第二鐵磁層的磁化改變方向。例如，可以選擇第二間隔物層(即，包括電阻切換材料的層)的厚度，使得在第二 鐵磁層與第三鐵磁層之間的有效磁交換耦合在載流子密度從第一狀態(tài)改變成第二狀態(tài)或 者相反時，從鐵磁(即，有利于平行磁化)改變成反鐵磁(有利于反向平行磁化)，或者反之 亦然。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，如果選擇第二鐵磁層為“軟”(即，改變它的磁化方向所 需的場小于在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)中、在第二鐵磁層與第三鐵磁層的磁化之間的總耦合)， 則可以實現(xiàn)“寫入”過程。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的MTJ存儲器單元形成對比，無需為“寫入”操作施加磁場和高 電流。僅需少量電流和少量能量。這不僅在存儲器器件的能量消耗上有利，而且它也使更 密集和更佳的可縮放RAM成為可能。當(dāng)前市面上的MRAM技術(shù)難以縮放，并且具有約25F2的 大單元尺寸面積，其中F為特征尺寸。由于本發(fā)明的方式，該技術(shù)對于快速應(yīng)用(比如對于 計算機(jī)主存儲器乃至CPU高速緩存)也更有吸引力。用于電阻切換材料的適當(dāng)和優(yōu)選類別的材料為過渡金屬氧化物，其中由電信號引 起更改的離子濃度為氧濃度。在下文中，將離子濃度的改變描述為歸因于氧空缺的遷移。具 體而言，表現(xiàn)所謂填充受控金屬-絕緣體躍遷的材料優(yōu)選地用于過渡金屬氧化物電阻切換 材料。這一類材料包括AB03_s鈣鈦礦，A為堿土元素、稀土元素或者其組合，而B為過渡金 屬元素。例子為鑭和/或鍶鈦氧化物(La，Sr)Ti03_s、釔和/或鈣鈦氧化物(Y，Ca)Ti03_s、 鑭和/或鍶錳氧化物(La，Sr)Mn03_s，或者鐠和/或鈣錳氧化物(Pr，Ca)Mn03_s。對于本發(fā) 明有利的更多過渡金屬氧化物包括金剛砂，比如釩和/或鉻氧化物(V，Cr)203_s?？梢杂欣?使用的其他材料包括二元過渡金屬氧化物，比如鎳氧化物NiCVs或者鈦氧化物TiCVs。在兩個切換狀態(tài)中的至少一個切換狀態(tài)中的第二間隔物層的電阻切換材料優(yōu)選 地具有金屬性質(zhì)?？梢赃x擇電阻切換材料的組成，使得在兩個切換狀態(tài)中該材料都為金屬， 由此定義Fermi表面。然后，在兩個切換狀態(tài)中，在第一層和第二層的磁化之間存在交換耦 合。作為替代，可以優(yōu)選地將電阻切換層選擇為僅在兩個狀態(tài)之一中為金屬，而在另一狀態(tài) 中實質(zhì)上為絕緣體。在這一情況下，為了在兩個切換狀態(tài)中給予第二鐵磁層以良好定義的 磁化方向，使耦合偏置作用于第二鐵磁層，這樣的耦合偏置例如由與反鐵磁中間層的弱耦 合或者由第二磁鐵層與第三鐵磁層之間的靜磁耦合等引起。電阻切換材料也優(yōu)選為如下材料，該材料具有相當(dāng)高的為l(T9Cm7VS或者更高的
氧空缺遷移率。為了能夠接受或者釋放氧空缺，電阻切換材料層優(yōu)選地與氧離子傳導(dǎo)層接觸。也 是在這一離子傳導(dǎo)層中，氧空缺遷移率優(yōu)選為l(T9Cm2/VS或者更高。離子傳導(dǎo)層可以由第三鐵磁層或者由第二鐵磁層形成。作為替代，它可以是在一方面為第二鐵磁層或者第三鐵 磁層與另一方面為電阻切換材料層之間的薄金屬非磁性中間層。已經(jīng)提出將也稱為可編程電阻材料的具有電阻切換性質(zhì)的過渡金屬氧化物用于 非易失性存儲器器件，例如參見US 6，815，744。在這樣的存儲器器件中，相反極性的電脈沖 可以在低電阻狀態(tài)與高電阻狀態(tài)之間可逆地和持久地切換電阻。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)基于這一 技術(shù)的存儲器單元在一個單元中和從單元到單元這兩種情況中表現(xiàn)電阻值的大量統(tǒng)計范 圍。耐久度也是有限的。與基于可編程電阻材料的那些現(xiàn)有技術(shù)不同，本發(fā)明提出不將可編程電阻材料的 不同電阻值用于讀取操作，而僅將跨可編程電阻材料間隔物的、鐵磁層之間的交換耦合用 于寫入操作。也由于根據(jù)本發(fā)明的方式，跨電阻切換材料的電阻值的統(tǒng)計范圍對于“讀取”操作 變得無關(guān)。這是因為讀出值受跨第一間隔物層的如下電阻支配，該電阻依賴于第一鐵磁層 磁化和第二鐵磁層磁化的相對定向，而不依賴于電阻切換材料的電阻。另外，由于存儲器單 元未暴露于功率/溫度尖峰，所以與可編程電阻材料存儲器(RRAM)相比提高了耐久度。因 此關(guān)于“讀取”操作，根據(jù)本發(fā)明的存儲器共享現(xiàn)有技術(shù)的MTJ存儲器單元的優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)選地，存儲器單元包括在豎直層疊置體中形成兩個觸點(diǎn)對的至少三個觸點(diǎn)(或 者“端子”)，從而第一觸點(diǎn)對可以測試第一鐵磁層與第二鐵磁層之間、跨第一間隔物層的電 阻，并且第二觸點(diǎn)對可以跨第二層施加電壓脈沖。至少三個觸點(diǎn)中的第二觸點(diǎn)(中間觸點(diǎn)) 可以直接通向第二鐵磁層，或者它可以通向布置于第二鐵磁層附近并且也在第一間隔物層 與第二間隔物層之間的中間層。在原理上，僅為存儲器單元提供用于寫入和讀取信號的兩個觸點(diǎn)也是可能的。這 將例如由如下兩個接觸線實現(xiàn)一個接觸線與第一鐵磁層接觸，另一觸點(diǎn)與第二鐵磁層接 觸。在這樣的配置中，“讀取”電流優(yōu)選為低到足以不引起電阻切換材料中的任何離子遷移， 而“寫入”電壓脈沖必須具有足夠高的電壓，因為也跨絕緣第一間隔物層自動施加“寫入”信 號。根據(jù)本發(fā)明的存儲器單元的鐵磁或者非磁性層無需是均質(zhì)(homogeneous)的，而可以 本身可選地由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并且可以例如包括兩個子層、夾層式結(jié)構(gòu)或者多層等。作為例 子，磁性上為硬的第一鐵磁層和/或第三鐵磁層可以包括三層(即，由薄金屬非鐵磁膜分離 的兩個鐵磁層，該膜反鐵磁地耦合這兩個鐵磁層)的夾層。第二鐵磁層(軟層)和/或非 鐵磁層也可以包括分層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)例如分別包括坡莫合金膜或者多個不同子層。通過這 一方式，通過向第二間隔物層施加電信號，在第一磁化狀態(tài)與第二磁化狀態(tài)之間可逆地切 換第二軟鐵磁層。本發(fā)明的另一方面涉及一種具有多個根據(jù)本發(fā)明第一方面實施例的存儲器器件。 該存儲器器件可以布線成RAM器件，S卩，每個存儲器單元可單獨(dú)尋址。該存儲器器件可以 例如用作任何電子設(shè)備的密集和快速可存取存儲介質(zhì)或者計算機(jī)設(shè)備的主存儲器或者CPU 高速緩存等。


下文將參照附圖描述本發(fā)明的實施例。附圖均為示意性的并且未按比例繪制。在 附圖中，相同標(biāo)號指代相同或者對應(yīng)元件。
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圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的存儲器單元在第一狀態(tài)中的分層結(jié)構(gòu)；圖2圖示了在第二狀態(tài)中的圖1的結(jié)構(gòu)；圖3針對兩個不同載流子濃度圖示了電阻切換材料的Fermi表面的跨越矢量 (spanning vector)；圖4a_4c利用三種不同場景示出了針對兩個不同電阻切換材料載流子濃度的交 換耦合振蕩；圖5示出了具有釘扎層和接觸線的存儲器單元的變體；并且圖6示出了在兩個鐵磁層之間的靜磁偏置耦合的原理。
具體實施例方式圖1的存儲器單元1包括這樣的磁元件，該磁元件包括第一鐵磁層11、第二鐵磁 層12和在所示實施例中由第一間隔物層13形成的隧道屏障。第一鐵磁層為硬鐵磁體，而 第二鐵磁層為軟鐵磁體?！坝病痹诒疚闹幸馕吨诖鎯ζ鲉卧恼２僮髌陂g存在的有效磁 場(包括有效交換耦合場)不足以使磁化方向反向，而“軟”層的磁化可以在正常操作期間 反向。硬鐵磁層與軟鐵磁層之間的差異可以例如通過以下手段之一或者其組合來實現(xiàn)(i)材料選擇可以將硬層的材料選擇為具有比軟層材料更高的矯頑力；(ii)磁矩設(shè)計硬層可以包括反鐵磁耦合并且其磁化方向因此反向平行的多個 鐵磁層，從而總凈磁矩較小；(iii)通過反鐵磁體來釘扎與反鐵磁體(比如Fe-Mn)直接接觸的鐵磁層的磁化 方向更難以改變(鑒于長期磨損，釘扎也可以是有利的，從而防止相應(yīng)“硬”層的磁化在長 時間內(nèi)減弱)；(iv)誘發(fā)各向異性如果鐵磁層生長于具有某些晶格失配的層上，則磁致伸縮性 可以對鐵磁體的各向異性有貢獻(xiàn)；(ν)不同有效場在第一鐵磁層的情況下，可以通過簡單地使第一鐵磁層不暴露 于磁場來實現(xiàn)釘扎。這之所以可能，是因為根據(jù)本發(fā)明的方式，僅將交換耦合用于寫入過 程，而不需要物理磁場。交換耦合為極端近程的，并且在第三鐵磁層與第二鐵磁層之間的交 換耦合將不會影響第一鐵磁層。其他手段也可以是可能的。分別將鐵磁層制作成“硬”和“軟”的方式對于本發(fā)明
而言并非關(guān)鍵。例如，如在現(xiàn)有技術(shù)的包括磁隧道結(jié)的MRAM器件中，可以選擇第一鐵磁層和第二 鐵磁層以及間隔物層的材料為任何適當(dāng)組合。在附圖中，磁化由箭頭描繪為平行于層平面，S卩，假設(shè)層的各向異性有利于平面內(nèi) 磁化。然而，本發(fā)明的原理同樣適用于平面外磁化層。另外，盡管假設(shè)鐵磁層的各向異性為 二重(即，假設(shè)磁化僅可在兩個方向之間切換)，但是本發(fā)明也對其他種類的各向異性起作用。除了提到的磁元件之外，存儲器單元包括優(yōu)選地比第二鐵磁層硬的另一第三鐵磁 層15，以及電阻切換材料層14。在圖1中所示第一狀態(tài)中，在第二鐵磁層與第三鐵磁層之 間的整體耦合(包括交換耦合，但是也可能為對耦合的其他貢獻(xiàn)，比如靜磁耦合、針孔等) 使得并行布置磁化。
用于電阻切換材料層14的適當(dāng)和優(yōu)選類別的材料為過渡金屬氧化物，其中將由 電信號更改的離子濃度為氧濃度。如果跨電阻轉(zhuǎn)換材料層14施加電信號(比如電壓脈沖)， 則可以更改這一層中的氧空缺濃度。例如，可以使氧空缺擴(kuò)散到第三鐵磁層15中或者氧空 缺可以由第三鐵磁層15釋放。如提到的那樣，表現(xiàn)所謂填充受控金屬絕緣體躍遷的材料優(yōu)選用于電阻切換材料 層14。從這些材料中例如選擇氧離子遷移率高的順磁或者抗磁過渡金屬氧化物材料。例 子為AB03_s鈣鈦礦，A為堿土元素或者稀土元素或者其組合，而B為過渡金屬元素如鑭和/ 或鍶鈦氧化物(La，Sr)Ti03_s、金剛砂如釩和/或鉻氧化物(V，Cr)203_s以及二元過渡金屬 氧化物如鎳氧化物NiCVs。響應(yīng)于例如與改變氧空缺的密度相關(guān)聯(lián)地改變帶填充，這些材 料的電阻被修改。尤其優(yōu)選的一組材料為鑭和/或鍶鈦氧化物(La，Sr) Ti03_s，因為它們的室溫電阻 強(qiáng)依賴于氧化學(xué)計量。對于第三鐵磁層15，一般可以使用能夠存儲和釋放適當(dāng)數(shù)量的氧離子的鐵磁材 料。例子為鐵磁有序雙鈣鈦礦，例如堿土鉻錸氧化物A2CrReO6、堿土鐵錸氧化物A2FeReO6、堿 土鐵鉬氧化物A2FeMoO6和堿土鐵鎢氧化物鉬A2FeWO6，其中堿土 A優(yōu)選為鍶、鈣或者鋇，并且 其中A2可以包括兩種相同或者兩種不同堿土元素。用于第三鐵磁層15的材料的更多例子 包括鐵磁鈣鈦礦，比如鑭和鍶錳氧化物(La，Sr)Mn03。在圖1(以及在適用時包括下圖)的配置中，第一鐵磁層11、第二鐵磁層12和第三 鐵磁層15接觸。對于“寫入”操作，如圖1中的電壓源2所示，在第二鐵磁層12與第三鐵 磁層15之間施加電壓脈沖。對于“讀取”操作，測試跨第一間隔物層13的電隧道電阻、因 此測試在第一鐵磁層與第二鐵磁層之間的電阻(電阻測量3)。通過引線來接觸層疊置體中 的不同層在存儲器器件領(lǐng)域中是已知的，并且它不受制于本發(fā)明而且它在這里將不加以描 述。除了所示層之外，存儲器單元可以包括諸如接觸層、化學(xué)屏障層、釘扎層等更多元 件。圖2圖示了在其第二狀態(tài)中的存儲器單元，在該狀態(tài)中，電阻切換材料層14中的 氧空缺密度與第一狀態(tài)相比有所增加。已經(jīng)通過跨電阻切換材料層14施加電壓脈沖而誘 發(fā)了從第一狀態(tài)向第二狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，該電壓具有如圖1中的電壓源所示的極性。由于持續(xù) 更改的電荷載流子密度，交換耦合使得第二軟鐵磁層12在與在圖1中所示第一狀態(tài)中相反 的方向上磁化。在第一與第二切換狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變完全可逆，S卩，通過施加相反極性的電壓脈沖， 氧空缺會持續(xù)地遷移回到圖1中所示的配置中。參照圖3和圖4a_c來說明在第一狀態(tài)與第二狀態(tài)之間使磁化反向的物理效應(yīng)。已得到確認(rèn)的事實如下跨非鐵磁金屬層、在鐵磁金屬層之間的交換耦合是間隔 物層厚度的振蕩函數(shù)。這一耦合的理論和實驗已經(jīng)表明振蕩行為將歸結(jié)于間隔物層材料 的Fermi表面的性質(zhì)。更具體而言，間隔物的Fermi表面的跨越矢量確定了振蕩周期。例 如，參見 M. van Schilfgaarde> F. Herman、S. S. Parkin 禾口 J. Kudrnovsk夕在 Phys. Rev. Lett. 74,4063(1995)中發(fā)表的Theory of Oscillatory ExchangeCoupling in Fe/(V,Cr) and Fe/(Cr, Mn)禾口 M. Springford 編輯的 Electronsat the Fermi Surface (Cambridge
7Univ. Press, Cambridge,1980)。圖3在2D模型中示出了簡化分區(qū)方案中的電阻切換材料層14的Fermi表面。外 線31描繪了在第一狀態(tài)中(圖1)的Fermi表面，而內(nèi)線32示出了在第二狀態(tài)中(圖2)的 Fermi表面。氧空缺在第二狀態(tài)中的密度與第一狀態(tài)相比有所增加會造成電荷載流子的密 度增加，并且隨之造成Fermi表面在簡化分區(qū)方案中從外線移向內(nèi)線。因而，圖中所示的跨 越矢量對于第二狀態(tài)而言比第二狀態(tài)要小，這意味著在第一狀態(tài)中的振蕩周期(即，波長) 對于第二狀態(tài)比對于第一狀態(tài)要大。圖4a針對兩個波長X1(圖1 ；由第一條線41代表)和λ 2 (圖2，由第二條線42代 表)、示意地圖示了在第二鐵磁層與第三鐵磁層之間、作為間隔物厚度的函數(shù)的交換耦合。如本領(lǐng)域中常見的那樣，交換耦合的效果由假想的磁場Hra代表，該磁場對磁化的 影響對應(yīng)于交換耦合對指定磁化的影響?？梢栽趫D4a中選擇電阻切換材料層14( S卩，過渡金屬氧化物(TMO))的厚度，使得 在狀態(tài)之一中有明顯的反鐵磁耦合，而在另一狀態(tài)中有明顯的鐵磁耦合。圖4a中的虛線示 出了這樣的厚度。圖4b和圖4c示出了如下變體，其中材料性質(zhì)和/或“寫入”脈沖強(qiáng)度不同于圖4a， 使得第一狀態(tài)和第二狀態(tài)中的波長也不同。在這些條件之下，有可能在不同厚度值和在交 換耦合的不同最大值/最小值處具有電阻切換材料層14的最優(yōu)厚度d·。圖5示出了圖1和圖2的存儲器單元的變體。首先描繪通過交換偏置的物理效應(yīng) 釘扎住第一鐵磁層和第三鐵磁層的磁化方向的反鐵磁釘扎層21、22。如在本文中先前提到 的那樣，可以通過反鐵磁層而不是所示配置來僅釘扎住第一層或者第二層，和/或可以使 用用于保證“硬”鐵磁層磁化被固定的其他手段。作為與圖1和圖2的實施例的又一差異，除了所示第二間隔物層之外，還示出了中 間層18。中間層18也為金屬，并且可以例如充當(dāng)氧離子貯存器，用于存儲氧離子并且將它 們釋放到電阻切換材料層14而不是繼而可以是任何鐵磁材料的第三鐵磁層15中。在這一 配置中的交換耦合將跨電阻切換材料層14和中間層18這二者發(fā)生。如果在電阻切換材料中的電荷載流子密度高度依賴于諸如施加的脈沖或者生長 條件等因素，則可取的是將存儲器單元調(diào)節(jié)為針對一個單元以及不同單元之間這兩種情 況的電荷載流子密度的變化都變得魯棒。一種這樣做的方式可以使用如下材料作為氧遷移 率材料，該材料在第一狀態(tài)中實質(zhì)上為非金屬，而僅在第二狀態(tài)中變成金屬。在第一狀態(tài) 中，實質(zhì)上無相鄰鐵磁層之間的交換耦合。還可以有可能提供小的如下偏置，該偏置例如通 過靜磁耦合來有利于兩種磁化的平行定向。例如，已知對于兩個鐵磁層而言，如果如圖6 中所示具有起皺表面并且間隔物層厚度恒定，則可能有利于平行磁化。其原因在于如果磁 場線由于顯微鏡銳邊等而如圖6中的虛線所示退出鐵磁層進(jìn)入間隔物層中，則這樣的平行 配置會優(yōu)化磁流。如果引起如圖所示靜磁偏置耦合，則可以選擇電阻切換材料層，使得在第 二狀態(tài)中的交換耦合在廣闊參數(shù)范圍中是反鐵磁的。切換過程僅為第二鐵磁層與第三鐵磁 層之間接通或者關(guān)斷交換耦合，其中交換耦合在接通時支配更弱的靜磁耦合。根據(jù)上述實施例可以設(shè)想更多變體。例如，盡管具有遷移氧空缺的過渡金屬氧化 物是用于第二間隔物層的一類優(yōu)選電阻切換材料，但是這并非必需。實際上，可以使用電荷 載流子密度可能由于離子遷移乃至其他效應(yīng)而受影響的其他材料。例如，可以使氫、鋰或者銅離子遷移而不是氧離子遷移。第三鐵磁層或者中間層也不必須如圖中所示那樣適于作為傳導(dǎo)層。將同樣有可能 在如圖1和圖2中的配置中使第三鐵磁層無法讓氧空缺滲透，并且為第二鐵磁層選擇離子 遷移率高的材料。更多其他變體是可能的。例如，盡管存儲器單元優(yōu)選地剛好在如多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的 存儲器單元中一樣的、數(shù)據(jù)位為“0”或者1這兩個狀態(tài)之間可切換，但是其中在多個狀態(tài)之 間實現(xiàn)切換的其他配置可以是可能的。為此，可以在不止兩個狀態(tài)之間切換第二鐵磁層的 磁化。如果非交換貢獻(xiàn)如靜磁耦合使第二與第三鐵磁層之間的總耦合偏置，則尤其存在這 樣的可能性，該非交換貢獻(xiàn)可以由例如與交換場成直角的有效場描述。也可以通過有意地 產(chǎn)生磁域結(jié)構(gòu)，生成多于兩個的可控磁化狀態(tài)。
權(quán)利要求
一種非易失性存儲器單元，包括第一鐵磁層(11)和第二鐵磁層(12)，所述第一鐵磁層和第二鐵磁層(11，12)由非磁性間隔物層(13)分離，所述第一鐵磁層具有已定義的磁化方向，并且所述第一鐵磁層和第二鐵磁層的磁化方向的相對定向定義所存儲信息的值，其特征在于具有已定義的磁化方向的第三鐵磁層(15)以及所述第二鐵磁層與所述第三鐵磁層之間的電阻切換材料(14)，其中所述電阻切換材料的電荷載流子密度通過施加的電壓信號而在不同載流子密度狀態(tài)之間可逆地可切換，不同載流子密度狀態(tài)引起所述第二鐵磁層與所述第三鐵磁層之間不同的有效磁交換耦合，并且由此引起所述第二鐵磁層的不同磁化方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器單元，其中所述存儲器單元的至少一層是離子傳導(dǎo) 層，其能夠根據(jù)所述電壓信號的極性從所述電阻切換材料接受離子以及將離子釋放到所述 電阻切換材料中，所述離子傳導(dǎo)層與所述電阻切換材料接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的存儲器單元，其中所述離子傳導(dǎo)層是所述第三鐵磁層(14)、 所述第二鐵磁層(12)和金屬中間層(18)中的至少一個。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的存儲器單元，其中所述電阻切換材料是過渡金屬氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的存儲器單元，其中所述過渡金屬氧化物包括填充受控金 屬-絕緣體躍遷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的存儲器單元，其中所述電阻切換材料包括氧化物，所述氧化 物包括鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳和銅中的至少一個。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的存儲器單元，其中所述電阻切換材料是TiQ1-PV2Q3-P NiQ1^5, Cr2Q3-S和(La，Sr)BQ3^5中的一個，其中B為過渡金屬如鈦，而δ為對于所述第一 狀態(tài)和所述第二狀態(tài)不同的數(shù)目，其中δ <1。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或者3和權(quán)利要求4-7中的任一權(quán)利要求所述的存儲器單元，其中 所述離子傳導(dǎo)層的材料表現(xiàn)至少為10_9Cm2/VS的氧空缺遷移率。
9.根據(jù)權(quán)利要求4-8中的任一權(quán)利要求所述的存儲器單元，其中所述電阻切換材料表 現(xiàn)至少為10_9cm2/VS的氧空缺遷移率。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的存儲器單元，包括第一觸點(diǎn)、第二觸點(diǎn)和第三觸點(diǎn)， 其中可通過在所述第一觸點(diǎn)與第二觸點(diǎn)之間傳導(dǎo)電流來測量跨所述第一間隔物層的隧道 電阻，并且其中可在所述第二觸點(diǎn)與第三觸點(diǎn)之間施加電壓脈沖。
11.一種存儲器器件，包括多個根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的存儲器單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的存儲器器件，具有多個根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲器單 元，包括用于接觸所述存儲器單元的所述第一觸點(diǎn)、第二觸點(diǎn)和第三觸點(diǎn)的接觸線。全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的一種存儲器單元包括磁元件，該磁元件包括第一鐵磁層和第二鐵磁層(11，12)，該第一鐵磁層和第二鐵磁層的磁化的相對定向定義數(shù)據(jù)位，第一鐵磁層和第二鐵磁層由優(yōu)選為電絕緣間隔物層(13)的非鐵磁分離。如磁RAM領(lǐng)域中已知，可以通過優(yōu)選地垂直于層平面測量跨磁元件的電阻來讀出數(shù)據(jù)位。除了磁元件之外，存儲器單元還包括磁化方向被良好定義的又一第三磁化層(15)和電阻切換材料(14)，可以通過借助施加的電壓信號使離子濃度更改來更改該電阻切換材料的載流子密度。這樣，載流子密度可以在第一狀態(tài)與第二狀態(tài)之間切換，以在第二鐵磁層與第三鐵磁層的磁化之間的總磁耦合改變方向(即，總磁耦合有利于第二鐵磁層和第三鐵磁層的磁化方向的不同相對定向)這樣的方式影響第二鐵磁層與第三鐵磁層之間的有效交換耦合。
文檔編號G11C11/16GK101911204SQ200980102325
公開日2010年12月8日 申請日期2009年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者I·梅杰爾, S·F·卡格 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司