[發明專利]一種自旋轉移矩磁存儲單元

有效

• 申請號: 201610124480.1
• 申請日: 2016-03-04
• 公開（公告）號: CN105702853B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 王樂知;張博宇;趙巍勝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/10;H01L27/22
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

一種自旋轉移矩磁存儲單元，其特征是該磁存儲單元的磁隧道結基于垂直磁各向異性(PMA)，在經典磁隧道結即自由層、參考層和隧穿勢壘層的三層結構基礎上，添加了一層緩沖層，一層頂部磁性層及一層頂部非磁性層。該磁存儲單元的磁隧道結從下到上由參考層、隧穿勢壘層、自由層、緩沖層、頂部磁性層及頂部非磁性層構成。本發明提供的新型磁隧道結將在有效提高數據存儲熱穩定性的同時保持翻轉電流在較低水平。對提高磁存儲單元穩定性，降低存儲功耗，延長存儲單元讀寫壽命作用明顯。

【技術領域】

本發明涉及一種自旋轉移矩磁存儲單元，它的核心是一種基于自旋轉移矩效應的磁隧道結結構，即STT-MTJ，屬于非易失性存儲器技術領域。

【背景技術】

磁存儲器(Magnetic Random Access Memory，簡稱MRAM)的核心存儲單元稱為磁隧道結MTJ(Magnetic tunnel junction)，其經典結構由三層金屬薄膜構成。中間的一層稱為隧穿勢壘層，其上是鐵磁材料構成的自由層，磁化方向可以自由翻轉；其下是鐵磁材料構成的參考層，磁化方向固定。由于自由層的自由翻轉，該結構兩層鐵磁金屬會產生平行與反平行兩種狀態。自由層與參考層平行時，磁隧道結表現低阻狀態R_P；自由層與參考層反平行時表現高阻狀態R_AP。兩種阻態間的差異用(R_AP-R_P)/R_P來表征，稱為隧穿磁阻(TunnelMagnetoresistance，簡稱TMR)。自旋轉移矩效應(Spin-Transfer-Torque，簡稱STT)的發現可以無需外部磁場有效地改變自由層極化方向，出現隧穿磁阻效應，表征二進制數據“0”和“1”。將其與傳統集成電路技術結合即可構成自旋轉移矩磁存儲器(STT-MRAM)，該型存儲器與以往磁性存儲器比較具有與集成電路工藝集成度高，易于大規模生產，同時具有非易失性、接近無限次讀寫、高速讀寫、低功耗等一系列優點。

傳統的磁隧道結是基于面內磁各向異性，大容量小尺寸下自由層在翻轉時受面內退磁作用，翻轉電流增大，翻轉時間變長，嚴重制約該技術進一步發展。近年來隨著薄膜工藝的發展，一種基于垂直磁各向異性(Perpendicular Magnetic Anisotropy,簡稱PMA)的磁性隧道結因其不受退磁作用制約，在小尺寸時展現出較低的翻轉電流，快速的翻轉時間，較高的隧穿磁阻等方面優勢，使其在大容量存儲單元制造中保持良好性質。2010年日本的研究小組首次使用MgO作為隧穿勢壘層[H.Ohno,et al.,Nature Materials.9,721–724(2010)]，在CoFeB與MgO界面發現較強的垂直磁各向異性，同時在大容量小尺寸(40納米)實現自旋轉移矩翻轉，發現該磁隧道結具有較好的熱穩定性，較低的翻轉電流和較高的隧穿磁阻。

目前該型基于垂直磁各向異性磁隧道結面臨的問題是：磁隧道結尺寸進一步降低時無法同時保證高熱穩定性與較低翻轉電流，磁隧道結性能因此無法保證下尺寸下實現可靠存儲。近年一些研究小組已經提出一些新型結構和新型材料解決小尺寸磁隧道結穩定性與翻轉電流的矛盾。

【發明內容】

1.發明目的：

針對上述背景中提到的垂直磁各向異性磁隧道結的問題，本發明提出一種自旋轉移矩磁存儲單元，結合新型材料的使用，克服了現有技術的不足。本發明通過在傳統磁隧道結頂部加入一層新的頂部磁性層，同時創新地使用新型材料等使得磁隧道結在小尺寸下擁有較好的熱穩定性、較小的翻轉電流、較大的隧穿磁阻效應。

2.技術方案：

本發明的技術方案是，一種自旋轉移矩磁存儲單元，其特征是該磁存儲單元的磁隧道結基于垂直磁各向異性(PMA)，在經典磁隧道結即自由層、參考層和隧穿勢壘層的三層結構基礎上，添加了一層緩沖層，一層頂部磁性層及一層頂部非磁性層。該磁存儲單元的磁隧道結從下到上由參考層、隧穿勢壘層、自由層、緩沖層、頂部磁性層及頂部非磁性層共六層構成。