专利名称：具有多电平的磁阻存储装置及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体集成电路器件及其驱动方法，更具体而言，涉及一种具有多电平的磁存储装置及其驱动方法。
背景技术：
除了高速和低功耗之外，快速的写入/读取操作和低的操作电压也是嵌入在电子设备中的存储器的有益特性。已提出的磁存储装置满足这些有益特性。磁存储装置具有高速操作和/或非易失性特性。通常，磁存储装置可以包括磁隧道结模式(下文称为MTJ)。MTJ可以包括两种磁性材料和插入到所述两种磁性材料之间的绝缘层。MTJ的电阻根据所述两种磁性材料的磁化方向而变化。更具体而言，当两种磁性材料的磁化方向彼此反向平行(anti-parallel)时，MTJ具有大的电阻；而当两种磁性材料的磁化方向彼此平行时，MTJ具有小的电阻。所以，MTJ可以具有不同的电阻，且可以根据电阻差来读取/写入数据。一些磁随机存取存储器(MRAM)通过将铁磁隧道结形成为磁阻器件来实现MTJ器件。MTJ器件包括磁性层、非磁性层和磁性层这三层，并且电流流动以隧穿所述非磁性层(隧道势垒层)。另一种称为自旋阀(spin valve)结构的MTJ器件设计，包括反铁磁性层，所述反铁磁性层被设置为与磁性层相邻，且磁化方向被固定以改善磁场的灵敏度。在MRAM中，可以通过磁场来改变形成单位单元的铁磁材料的磁化状态。替代地，也存在着电流感应磁阻器件，其中通过施加电流来改变铁磁材料的磁化状态。电流感应磁阻器件是通过施加电流到磁性层以控制磁性层的磁化方向并以此来控制磁化方向的装置。从电流感应磁阻器件中读取信息的方法类似于磁感应MTJ或巨磁阻(GRM)器件。当自由磁性层和固定磁性层的相对磁化方向平行时，器件具有低电阻。而另一方面，当自由磁性层和固定磁性层的相对磁化方向是反向平行时，器件具有高电阻。所以，器件的电阻状态可以对应于数字值“ O ”或“ I ”。最近，已提出了一种双GMR结构来获得除了 “O”和“I”之外的多电平(J. Appl.Phys. 105，103911,2009)。如图I所示，双GMR结构包括第一固定层10、第一间隔层20、自由层30、第二间隔层40、以及第二固定层50。第一固定层10和第二固定层50可以包括具有固定磁性的铁磁材料。自由层30可以是磁性根据外部磁场变化的反铁磁材料。第一间隔层20和第二间隔层40可由CoFe/Cu/Co材料组成。如图2所示，当改变第一固定层10和第二固定层50以及自由层30的磁性以实现多电平时，双GMR只能实现三种电平(0，O)、(0,1)和(LO)0
所以，需要一种能实现更多不同电平的磁阻存储装置。
发明内容
本发明提供一种能实现多种电平的磁阻存储装置及其驱动方法。根据不例性实施例的一个方面，一种磁阻存储装置包括第一磁器件，所述第一磁器件包括具有固定磁化方向的固定层、设置在固定层上的隧道层、以及设置在隧道层上并具有可变磁化方向的第一自由层；以及第二磁器件，所述第二磁器件设置在所述第一磁器件上，包括多个自由层，所述多个自由层之间用间隔层隔离。根据示例性实施例的另一个方面，一种磁阻存储装置包括第一磁器件，所述第一磁器件包括具有可变磁化方向的第一自由层、设置在第一自由层上的隧道层、以及设置在隧道层上并具有固定磁化方向的固定层；以及第二磁器件，所述第二磁器件设置在第一磁器件之下，包括多个自由层，所述多个自由层之间用间隔层隔离。固定层、第一自由层、以及·所述多个自由层被配置为矫顽力朝着固定层而增加。根据示例性实施例的另一个方面，一种磁阻存储装置包括固定层，所述固定层具有固定的第一磁化方向；隧道层，所述隧道层形成在固定层上；第一自由层，所述第一自由层形成在隧道层上，并具有第一磁化方向或与第一磁化方向反向平行的第二磁化方向；第一间隔层，所述第一间隔层设置在第一自由层上；第二自由层，所述第二自由层设置在第一间隔层上，并具有第一磁化方向或第二磁化方向；第二间隔层，所述第二间隔层设置在第二自由层上；第三自由层，所述第三自由层设置在第二间隔层上，并具有第一磁化方向或第二磁化方向。固定层和第一、第二以及第三自由层被形成为保持自由层的磁化方向的矫顽力朝着固定层而增加。根据示例性实施例的另一个方面，一种驱动磁阻存储器的方法包括以下步骤将第一、第二以及第三自由层设置为具有第二磁化方向，使得磁存储装置具有第一电阻水平；通过施加第一磁场而将第三自由层的磁化方向改变为第一磁化方向，使得磁存储装置具有第二电阻水平；通过施加第二磁场而将第二自由层的磁化方向改变为第一磁化方向，使得磁存储装置具有第三电阻水平；以及通过施加第三磁场而将第一自由层的磁化方向改变为第一磁化方向以具有第四电阻水平。将在下面标题为“具体实施方式
”的部分中描述这些以及其它的特征、方面和实施例。
从以下结合附图的详细描述将更为清楚地了解本发明主题的上述以及其它方面、特征和其它优点，其中图I是说明相关技术中的双巨磁阻(GMR)器件的截面图；图2是说明相关技术中的GMR的每种磁场的电阻水平的图；图3是说明根据一个示例性实施例的多层磁阻存储装置的截面图；图4A和4B是示出图3中的多层磁阻存储装置的每种磁场的磁化方向的截面图，其中，图4A是说明固定层和自由层具有相同的平面内(in-plane)磁各向异性的电阻可变机制的示意图，而图4B是说明固定层和自由层具有相同的平面外(out-of-plane)磁各向异性的电阻可变机制的示意图；图5是说明图3中的多层磁阻存储装置的每种磁场的电阻水平的图；以及图6和图7是根据其它示例性实施例的多层磁阻存储装置的截面图。
具体实施例方式本文参照截面图来描述示例性实施例,所述截面图是示例性实施例的示意图(以及中间结构)。如此，可以预想到例如由制造技术和/或公差所引起的对图示形状的变化。因此，示例性实施例不应解释为限于本文所图示的区域的特定形状，而是可以包括例如因制造引起的形状偏差。在附图中，为了清楚的目的，可能对层和区域的长度和尺寸进行了夸大。相同的附图标记在附图中表示相同的元件。还应当理解，当提及一层在另一层“上”或在衬底“上”时，它可以是直接在另一层上或者在衬底上，或者也可以存在中层间。
参见图3，根据一个示例性实施例的磁阻存储装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形成层叠结构。第一磁器件100可以是磁隧道结(MTJ)，所述磁隧道结(MTJ)包括固定层110、隧道层120、以及第一自由层130。固定层110可以是具有固定磁化方向的铁磁材料层。隧道层120可以是包括下列材料中的一种或更多种的绝缘层氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化钛(TiO2)、氧化钇(Y2O3)、以及氧化镱(Yb2O3)。第一自由层130可以由响应于施加的磁场而具有可反转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器件包括顺序层叠的第一间隔层210、第二自由层220、第二间隔层230、以及第三自由层240。GMR器件可以包括具有固定磁化层的自旋阀(spin valve)层、能够响应于外部磁场而改变磁化方向的自由层、以及包括非磁性导电层的间隔层。在本不例性实施例中，GMR器件被形成在第一磁器件100上,使得自旋阀层可以是第一磁器件100。第一间隔层210和第二间隔层230可以包括非磁性导电材料，例如，可以是包括以下材料中的一种或多种的材料铜(Cu)、钴铁(CoFe)和钴(Co)。第一间隔层210的作用是使第一磁器件100与第二磁器件200中的第一间隔层210之上的层隔离。第二间隔层230的作用是使第二自由层220与第三自由层240隔离。第二自由层220和第三自由层240是能够响应于磁场而使磁化方向反转的材料。在本示例性实施例中，第三自由层240具有比第二自由层220小的矫顽力(He)，第二自由层220具有比第一自由层130小的矫顽力。于是，在固定层110与第一自由层130之间、在第一自由层130与第二自由层220之间、在第二自由层220与第三自由层230之间、以及在第三自由层240与固定层110之间存在电阻差。还可以在第三自由层240上形成覆盖层300以与外部器件连接。覆盖层300例如包括诸如钛或钽(Ta)的导电层。参见图4A和图5，在磁阻存储装置中，固定层110和第一、第二以及第三自由层130、220和240被形成为使得固定层的磁化方向被固定为沿第一磁化方向的方向，而第一、第二以及第三自由层130、220和240可以具有与第一磁化方向反向平行(anti-parallel)的第二磁化方向。在图5中,X轴表不磁场,Y轴表不电阻。第一、第二以及第三自由层130、220和240被形成为具有相同的第二磁化方向。由于第一、第二以及第三自由层130、220和240具有相同的第二磁化方向，因此第一、第二以及第三自由层130、220和240如单个磁性层那样操作。固定层110与第一、第二以及第三自由层130、220和240具有反向平行的磁化方向。固定层与第一、第二以及第三自由层130、220和240的反向平行的磁化方向是指磁阻存储器具有第一电阻状态(①)。例如，当施加第一磁场(Hl)足以使第三自由层240的磁化方向反转时，第三自由层240的磁化方向被改变。由于第三自由层240的矫顽力最小，因此只有第三自由层240的磁化方向被改变。因此，第三自由层240的磁化方向被反转成与第一磁化方向相匹配。当只有第三自由层的磁化方向平行于第一磁化方向时，磁阻存储器具有电阻比第一电阻状态(①)更大的第二电阻状态(②)。接着，例如，当施加比第一磁场(Hl)大的第二磁场(H2)足以使第二自由层220的磁化方向反转时，第二自由层220的磁化方向被改变。第二自由层220的磁化方向和第三自由层240的磁化方向被改变为平行于第一磁化方向。因此,磁阻存储器具有第三电阻状态(③)，第三电阻状态是具有比第二电阻状态(②)更高的电阻水平的状态。 最后，例如当施加比第二磁场(H2)大的第三磁场(H3)足以使第一自由层130的磁化方向反转时，第一、第二以及第三自由层130、220和240的磁化方向被改变为第一磁化方向。当第一、第二以及第三自由层130、220和240都具有第一磁化方向时，磁阻存储器具有第四电阻状态(④)。在第四电阻状态(④)中固定层110和第一、第二以及第三自由层130、220和240都具有相同的磁化方向，因此，第四电阻状态(④)具有最低的电阻状态。如上所述，本示例性实施例中的磁阻存储装置能够通过改变磁场而实现四种不同的电阻水平。这四种电阻水平能够实现2比特的多电平。图4A是不出固定层和自由层对于固定层的表面具有平面内(in-plane)磁各向异性的磁阻存储装置的示意图，图4B是示出固定层和自由层对于固定层的表面具有平面外(out-of-plane)磁各向异性的磁阻存储装置的示意图。图6说明在形成GMR器件的第二磁器件200上层叠形成MTJ的第一磁器件100。类似于上面讨论的实施例，尽管第一磁器件100被层叠在第二磁器件200上，但磁阻存储装置也可通过改变磁场而实现多电平。本发明不限于上面描述的具有两个自由层220和240作为第二磁器件的示例性实施例。如图7所示，还可以层叠三层或更多的自由层260和280，同时插入间隔层250和270在其中，以形成GMR器件。在这种情况下，在四个或更多个步骤中逐步地控制磁场，以实现2比特或更多比特的多电平。如上所述，形成MTJ的第一磁器件与形成GMR器件的第二磁器件层叠，逐步地施加磁场以顺序地使MTJ器件的自由层和GMR器件的自由层的磁化方向反转，从而实现多电平。由于MTJ器件包括固定层，且例如只有MTJ器件和GMR器件的自由层的磁化方向反转，因此能够用低的临界电流密度(Jc)来实现多电平。此外，可以由单个MTJ实现多电平，因此能在高集成器件中应用。虽然已经在上文中描述了具体的实施例，但是应当理解，描述的实施例仅是示例性的。因此，不应当基于所描述的实施例来限定本文描述的器件和方法。而是，应当根据所附权利要求并结合以上说明书和附图来限定本文描述的系统和方法。
权利要求
1.一种磁阻存储装置，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层、设置在所述固定层上的隧道层、以及设置在所述隧道层上并具有可变磁化方向的第一自由层；以及 第二磁器件，所述第二磁器件设置在所述第一磁器件上，包括多个自由层，所述多个自由层之间用间隔层隔离。
2.如权利要求I所述的磁阻存储装置，其中，所述固定层、所述第一自由层、以及所述多个自由层被配置为矫顽力朝着所述固定层而增加。
3.如权利要求I所述的磁阻存储装置，其中，所述固定层、所述第一自由层、以及所述多个自由层分别具有平面内磁各向异性。
4.如权利要求I所述的磁阻存储装置，其中，所述固定层、所述第一自由层、以及所述多个自由层分别具有平面外磁各向异性。
5.如权利要求2所述的磁阻存储装置，其中，所述第一自由层和所述多个自由层能够基于具有足够矫顽力的所施加的磁场的存在来改变磁化方向。
6.如权利要求I所述的磁阻存储装置，其中，所述隧道层是绝缘层。
7.如权利要求I所述的磁阻存储装置，其中，所述固定层包括铁磁材料。
8.如权利要求I所述的磁阻存储装置，其中，所述第一磁器件形成自旋阀层。
9.如权利要求I所述的磁阻存储装置，其中，所述间隔层包括非磁性导电材料。
10.一种磁阻存储装置，包括 第一磁器件，所述第一磁器件包括具有可变磁化方向的第一自由层、设置在所述第一自由层上的隧道层、以及设置在所述隧道层上并具有固定磁化方向的固定层；以及 第二磁器件，所述第二磁器件设置在所述第一磁器件之下，包括多个自由层，所述多个自由层之间用间隔层隔离， 其中，所述固定层、所述第一自由层、所述多个自由层被配置为矫顽力朝着所述固定层而增加。
11.一种磁阻存储装置，包括 固定层，所述固定层具有固定的第一磁化方向； 隧道层，所述隧道层形成在所述固定层上； 第一自由层，所述第一自由层形成在所述隧道层上，并具有所述第一磁化方向或与所述第一磁化方向反向平行的第二磁化方向； 第一间隔层，所述第一间隔层设置在所述第一自由层上； 第二自由层，所述第二自由层设置在所述第一间隔层上，并具有所述第一磁化方向或所述第二磁化方向； 第二间隔层，所述第二间隔层设置在所述第二自由层上；以及 第三自由层，所述第三自由层设置在所述第二间隔层上，并具有所述第一磁化方向或所述第二磁化方向， 其中，所述固定层和所述第一自由层至所述第三自由层被形成为保持自由层的磁化的矫顽力朝所述固定层而增加。
12.如权利要求11所述的磁阻存储装置，其中，所述第一磁化方向和所述第二磁化方向关于所述固定层的表面为在平面内。
13.如权利要求11所述的磁阻存储装置，其中，所述第一磁化方向和所述第二磁化方向关于所述固定层的表面为在平面外。
14.如权利要求11所述的磁阻存储装置，还包括覆盖层，所述覆盖层形成在所述第三自由层上。
15.一种驱动磁阻存储装置的方法，包括以下步骤 将第一自由层至第三自由层设置为具有第二磁化方向，使得所述磁存储装置具有第一电阻水平； 通过施加第一磁场而将第三自由层的磁化方向改变为第一磁化方向，使得所述磁存储装置具有第二电阻水平； 通过施加第二磁场而将第二自由层的磁化方向改变为所述第一磁化方向，使得所述磁存储装置具有第三电阻水平；以及 通过施加第三磁场而将第一自由层的磁化方向改变为所述第一磁化方向以具有第四电阻水平。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一磁场、所述第二磁场和所述第三磁场具有顺序增大的磁场。
17.如权利要求15所述的方法，其中，当所述第二自由层的磁化方向改变时，所述第三自由层的磁化方向同时改变，并且 其中，当所述第一自由层的磁化方向改变时，所述第三自由层和所述第二自由层的磁化方向同时改变。
全文摘要
本发明提供一种能够实现多种电平的磁阻存储装置及其驱动方法。所述磁阻存储装置包括第一磁器件，所述第一磁器件包括具有固定磁化方向的固定层、设置在固定层上的隧道层、以及设置在隧道层上的具有可变磁化方向的第一自由层；以及第二磁器件，所述第二磁器件设置在第一磁器件上，包括多个自由层，所述多个自由层之间用间隔层隔离。
文档编号H01L43/12GK102916123SQ20111043199
公开日2013年2月6日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年8月5日
发明者崔源峻 申请人:海力士半导体有限公司