[發明專利]MTJ單元及STT-MRAM

有效

• 申請號: 201710115591.0
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN108511602B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 簡紅;蔣信
• 申請（專利權）人: 中電?？导瘓F有限公司;浙江馳拓科技有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L27/22;G11C11/16
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 趙囡囡;吳貴明

本申請提供了一種MTJ單元及STT?MRAM。該MTJ單元包括參考層、雙勢壘結構與自由層，參考層的材料包括鐵磁材料和非磁金屬材料；雙勢壘結構設置在參考層的表面上，且雙勢壘結構包括第一絕緣層、量子阱層和第二絕緣層，第一絕緣層的材料的禁帶寬度為η₁，量子阱層的材料的禁帶寬度為η₂，第二絕緣層的材料的禁帶寬度為η₃，η₂＜η₁，η₂＜η₃，當雙勢壘結構兩端的電壓達到預定值時，入射雙勢壘結構的電子與量子阱層中的量子阱態能級發生共振，入射電子通過共振隧穿通過雙勢壘結構；自由層設置在第二絕緣層的遠離量子阱層的表面上，自由層的材料包括鐵磁材料和非磁金屬材料。該MTJ應用在存儲器中，使得其寫入效率較高。

技術領域

本申請涉及計算機存儲技術領域，具體而言，涉及一種MTJ單元及STT-MRAM。

背景技術

自旋轉移力矩磁性隨機存儲器(Spin Transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory，簡稱STT-MRAM)是一種新型非易失存儲器，其核心存儲單元為MTJ單元。MTJ主要由參考層、絕緣勢壘層和自由層組成。參考層也稱為釘扎層，它的磁化方向保持不變，僅改變自由層的磁化方向使之與參考層同向或反向。

MTJ單元依靠量子隧穿效應使電子通過絕緣勢壘層。極化電子的隧穿概率和參考層與自由層的相對磁化方向有關。當自由層與參考層的磁化方向相同時，極化電子的隧穿概率較高，此時，MTJ單元表現為低電阻狀態(Rp)；而當自由層與參考層磁化方向相反時，極化電子的隧穿概率較低，此時，MTJ單元表現為高電阻狀態(Rap)。MRAM分別利用MTJ單元的Rp狀態和Rap狀態來表示邏輯狀態“1”和“0”，從而實現數據的存儲。隧穿磁電阻值表示為：TMR＝100％×(R_ap-R_p)/R_p。

與傳統的MRAM不同，STT-MRAM利用電流的自旋轉移力矩效應(STT)對MRAM進行寫入操作，當自旋極化電流經過一磁性薄膜時，極化電流會與磁性薄膜的局域電子發生交換相互作用，從而對磁性薄膜的局域磁矩施加一個力矩，使之傾向于與自旋極化電流的極化方向相同，這一現象稱為自旋轉移力矩效應(STT效應)。對磁性薄膜施加一個與之磁化方向相反的極化電流，當極化電流強度超過一定閾值時，磁性薄膜本身的磁矩即可發生翻轉。利用自旋轉移力矩效應可以使得MTJ單元的自由層的磁化方向與參考層的磁化方向平行或反平行，從而實現“寫”操作。

STT-MRAM的數據寫入效率和流經MTJ單元的電流強度成正比。傳統的MTJ單元采用單層絕緣材料作為勢壘層，電阻普遍比較高。要想獲得大的電流密度，必須要對MTJ施加很高的偏壓，導致能耗偏高，不利于寫操作速度和存儲密度的進一步提高。

發明內容

本申請的主要目的在于提供一種MTJ單元及STT-MRAM，以解決現有技術中的MTJ單元的寫入效率較低的問題。

為了實現上述目的，根據本申請的一個方面，提供了一種MTJ單元，該MTJ單元包括：參考層，上述參考層的材料包括鐵磁材料和非磁金屬材料，上述參考層具有垂直磁各向異性；雙勢壘結構，設置在上述參考層的表面上，且上述雙勢壘結構包括沿遠離上述參考層的方向依次設置的第一絕緣層、量子阱層和第二絕緣層，上述第一絕緣層的材料的禁帶寬度為η₁，上述量子阱層的材料的禁帶寬度為η₂，上述第二絕緣層的材料的禁帶寬度為η₃，η₂＜η₁，η₂＜η₃，當上述雙勢壘結構兩端的電壓達到預定值時，入射上述雙勢壘結構的電子與上述量子阱層中的量子阱態能級發生共振，入射電子通過共振隧穿通過上述雙勢壘結構；自由層，設置在上述第二絕緣層的遠離上述量子阱層的表面上，上述自由層的材料包括鐵磁材料和非磁金屬材料，上述自由層具有垂直磁各向異性。