[發明專利]磁性存儲單元及磁性存儲器

有效

• 申請號: 201910552465.0
• 申請日: 2019-06-25
• 公開（公告）號: CN112133343B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 宮俊錄;何世坤
• 申請（專利權）人: 中電海康集團有限公司;浙江馳拓科技有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 北京蘭亭信通知識產權代理有限公司 11667
• 代理人: 趙永剛

本發明提供一種磁性存儲單元，包括：底電極、頂電極以及位于所述底電極和所述頂電極之間的層疊結構，所述層疊結構包括依次堆疊設置的參考層、勢壘層、自由層、非磁性隔離層以及相變層，其中，所述相變層根據相變溫度在反鐵磁相和鐵磁相之間變化，當所述相變層為鐵磁相時，為所述自由層提供偏置磁場，使得所述自由層磁化方向偏離與所述參考層磁化方向共線的方向；所述非磁性隔離層用于防止所述相變層和所述自由層產生磁耦合。本發明能夠降低自由層的臨界翻轉電流。

技術領域

本發明涉及磁性存儲器技術領域，尤其涉及一種磁性存儲單元及磁性存儲器。

背景技術

磁性隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)被認為是未來的固態非易失性記憶體，它具有高速讀寫、大容量以及低能耗等特點。利用自旋流來實現磁矩翻轉的自旋轉移矩磁性隨機存儲器(Spin Transfer Torque Magnetic Random AccessMemory,STT-MRAM)是一種常見的實現形式。

STT-MRAM的存儲單元的傳統結構如圖1所示，包括頂電極、底電極以及二者之間的MTJ，在STT-MRAM寫入過程中，由于自由層與參考層的磁化方向共線，初始階段需要由熱擾動引發自由層磁矩產生隨機的小角度偏轉，初始的自旋轉移矩很小。只有當寫電流超過某一臨界值時，自由層才能發生磁化翻轉。

在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術中至少存在如下技術問題：

現有的STT-MRAM存儲單元，MTJ自由層的臨界翻轉電流較大，因此需要較大的寫電流，而較大的寫電流會導致較高的功耗，另外還容易導致MTJ勢壘層擊穿，損壞器件。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供一種磁性存儲單元，能夠降低MTJ自由層翻轉的臨界電流。

第一方面，本發明提供一種磁性存儲單元，包括：底電極、頂電極以及位于所述底電極和所述頂電極之間的層疊結構，所述層疊結構包括依次堆疊設置的參考層、勢壘層、自由層、非磁性隔離層以及相變層，其中，所述相變層根據相變溫度在反鐵磁相和鐵磁相之間變化，當所述相變層為鐵磁相時，為所述自由層提供偏置磁場，使得所述自由層磁化方向偏離與所述參考層磁化方向共線的方向；所述非磁性隔離層用于防止所述相變層和所述自由層產生磁耦合。

可選地，當溫度低于相變溫度時，所述相變層為反鐵磁相，當溫度高于相變溫度時，所述相變層為鐵磁相。

可選地，所述相變層的材料為FeRhX，X為Ir、Pt、V、Mn、Au、Co、Ni中的任意一種或者任意多種的組合，其中，Rh原子占原子總數的百分比為40％～60％，X原子占原子總數的百分比為0～15％。

可選地，所述相變層的相變溫度介于50℃～200℃之間。

可選地，所述非磁性隔離層的材料為MgO、Cu、Au、Al、Ta、Ag、Mo、Ir和W中的一種或多種的混合物。

可選地，所述自由層和所述參考層的材料為Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任意一種。

可選地，所述勢壘層的材料為MgO、HfO₂、AlO_x和TaO_x中的任意一種。

可選地，所述層疊結構還包括：耦合層和釘扎層，所述耦合層位于所述參考層遠離所述勢壘層的一側表面，所述釘扎層位于所述耦合層遠離所述參考層的一側表面，所述參考層與所述耦合層以及所述釘扎層構成合成反鐵磁結構，用于減小雜散場對所述自由層磁化翻轉的影響。

可選地，所述耦合層為Ru、Ir、Rh、Ti和Ta中的一種，所述釘扎層為各向異性較大的磁性單層膜或多層膜結構。

第二方面，本發明提供一種磁性存儲器，所述磁性存儲器包括上述磁性存儲單元。