[發明專利]一種用于實現自旋扭矩傳遞切換的磁性元件、制備方法及磁存儲器件

在審

• 申請號: 201710379588.X
• 申請日: 2017-05-25
• 公開（公告）號: CN107221596A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 刁治濤;李占杰;羅逍
• 申請（專利權）人: 湖北中部慧易數據科技有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/02;H01L27/22;H01L43/12
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙)42224
• 代理人: 方可

技術領域

本發明屬于磁存儲技術領域，更具體地，涉及一種用于實現自旋扭矩傳遞切換的磁性元件、制備方法及磁存儲器件。

背景技術

垂直磁各向異性磁隧道結(MTJ)是磁性多層膜自旋閥器件或磁性存儲位單元的一個核心組成部分。它由薄膜絕緣層及由其所隔離的兩個具有垂直磁各向異性的鐵磁層形成高自旋極化穿隧接合。薄膜絕緣層的應用使電子可以從一個鐵磁層穿隧到另一個鐵磁層。在結晶型薄膜絕緣層的場合，鐵磁層在外磁場或自旋扭矩傳遞作用下形成的平行和反平行狀態。由此電子能帶結構產生不對稱導電通道(conductive channels)及電導傳輸，并形成巨大的隧道磁阻(TMR)效應。在一個具有垂直磁各向異性的典型結構配置中，第一鐵磁層(磁自由層)的垂直磁化可以在外加磁場中自由旋轉，而第二鐵磁層的垂直磁化被固定或釘扎以作為自旋偏振器。該磁隧道結被連接到由一個或多個起開關作用的半導體晶體管(電路)(CMOS)以構成 STT-MRAM的存儲位單元。其中第一鐵磁層的垂直磁化方向由于自旋扭矩傳遞效應可單獨旋轉或開關。相較于其反平行排列，如果兩個鐵磁層的垂直磁化方向平行排列，則傳導電子將更有可能通過隧道效應穿隧絕緣層。因此，該磁隧道結可以實現在高和低電阻兩狀態之間相互切換，并以非易失性方式(non-volatile)記錄存儲數據信息。

由自旋扭矩傳遞誘起磁自由層的垂直磁化旋轉或開關所需的自旋極化電流與來自該層對應的垂直磁各向異性場(perpendicular anisotropy field) 成正比關系。垂直磁化的開關特性直接決定STT-MRAM的存儲位單元 (storage bit cell)的可寫性(writeability)。降低開關電流密度Jc是減小半導體晶體管CMOS尺寸，實現低功耗和高密度STT-MRAM的關鍵。同時，磁性元件的熱穩定性也正比于磁自由層的垂直各向異性場，它決定數據信息在STT-MRAM存儲器內的保持期(data retention)。該參量的大小取決于 STT-MRAM存儲器的存儲容量，應用和使用工作條件。總的來說，在降低寫開關電流密度和提高磁性器件的熱穩定性兩者之間，需要均衡或合理折衷以滿足磁性器件和STT-MRAM存儲器優化及正常運作。隨半導體技術節點的降低，其自旋扭矩傳遞開關電流或寫入電流在同樣熱穩定性設計時大致保持恒定。在實際工程實踐上，其技術挑戰仍在于降低自旋扭矩傳遞開關電流或寫入電流而同時保持設計所要求的熱穩定性。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明提供了一種用于實現自旋扭矩傳遞切換的磁性元件，其目的在于能夠實現在大信號條件下存儲器系統的高速和高記錄密度。

本發明提供了一種用于實現自旋扭矩傳遞切換的磁性元件，所述磁性元件包括：第一垂直各向異性磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一非磁性隔離層，附著于所述第一垂直各向異性磁固定層上；垂直各向異性磁自由層，附著于所述第一非磁性隔離層上，所述垂直各向異性磁自由層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第二非磁性隔離層，附著于所述垂直各向異性磁自由層上；第二垂直各向異性磁固定層，附著于所述第二非磁性隔離層上，所述第二垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；以及覆蓋層，附著于所述第二垂直各向異性磁固定層上，且與半導體晶體管電路連接；當寫電流通過該磁性元件時，垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應在穩定的磁性狀態之間切換或開關。

本發明提供具有雙釘扎結構的垂直磁各向異性磁隧道結(DMTJ)和由此構成的磁性存儲位單元及存儲器系統構建方案，以進一步降低自旋扭矩傳遞開關電流和實現STT-MRAM存儲器高記錄密度。相較于單釘扎結構的垂直磁各向異性磁隧道結構型，具有反平行排列的雙釘扎鐵磁層的垂直磁化增加了作用于磁自由層上的自旋扭矩傳遞效應。降低了自旋扭矩傳遞開關電流或記錄存儲的寫入電流。其次，通過優化設計存儲位單元中的垂直各向異性磁隧道結(DMTJ)結構，在降低自旋扭矩傳遞開關電流或寫入電流的同時，保持磁隨機存取存儲器安定的熱穩定性。通過應用本發明開示的相關磁性元件和存儲器系統集成的方法及系統，以實現在大信號條件下存儲器系統的高速和高記錄密度。