[發明專利]磁性隧道結結構及磁性隨機存儲器

在審

• 申請號: 201910951256.3
• 申請日: 2019-10-08
• 公開（公告）號: CN112635654A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 張云森;郭一民;陳峻;肖榮福
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/10;H01L43/12
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務所(普通合伙) 31287
• 代理人: 于曉菁

本申請提供一種磁性隧道結結構及磁性隨機存儲器，所述磁性隧道結結構包括雙層結構的自由層，兩自由層之間由非磁性金屬氧化物形成的垂直各向異性增強層，以及設置于自由層上方的磁阻尼阻擋層。本申請的具有雙自由層和磁阻尼阻擋層的磁性隧道結結構單元，增強了器件的熱穩定性，降低了阻尼系數，有利于寫電流的降低。

技術領域

本發明涉及存儲器技術領域，特別是關于一種磁性隧道結結構及磁性隨機存儲器。

背景技術

磁性隨機存儲器(Magnetic random access memory，MRAM)在具有垂直各向異性(Perpendicular Magnetic Anisotropy；PMA)的磁性隧道結(Magnetic tunnel junction；MTJ)中，作為存儲信息的自由層，在垂直方向擁有兩個磁化方向，即：向上和向下，分別對應二進制中的“0”和“1”或者“1”和“0”，在實際應用中，在讀取信息或者空置的時候，自由層的磁化方向會保持不變；在寫的過程中，如果與現有狀態不相同的信號輸入時，則自由層的磁化方向將會在垂直方向上發生一百八十度的翻轉。磁隨機存儲器的自由層磁化方向保持不變的能力叫做數據保存能力(Data Retention)或者是熱穩定性因子(Thermal StabilityFactor)(▽)，在不同的應用情況中要求不一樣，對于一個典型的非易失存儲器(Non-volatile Memory，NVM) 而言，數據保存能力要求是在125℃的條件下可以保存數據十年，在外磁場翻轉，熱擾動，電流擾動或讀寫多次操作時，都會造成數據保持能力或者是熱穩定性的降低。

為了提高磁性隨機存儲器的存儲密度，近年來，磁性隧道結的關鍵尺寸(CriticalDimension)越來越小。當尺寸進一步縮小時，會發現磁性隧道結的熱穩定性因子(▽)急劇變差。為提升超小型MRAM單元器件的熱穩定性因子(▽)，可以通過降低自由層的厚度，在自由層里添加或把自由層改為低飽和磁化率的材料等一些列措施來增加有效垂直有效各向異性能量密度，進而維持較高的熱穩定性因子(▽)，但磁性隧道結的隧穿磁阻率 (TunnelMagnetoresistance Ratio，TMR)將會降低，進而增加存儲器讀操作的錯誤率。

發明內容

為了解決上述技術問題，本申請的目的在于，提供一種通過雙層自由層設計與非磁性垂直各向異性增強層的磁性隧道結結構及磁性隨機存儲器。

本申請的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。

依據本申請提出的一種磁性隧道結結構，其由上至下結構包括覆蓋層(CappingLayer，CL)、磁阻尼阻擋層、自由層(Free Layer，FL)、勢壘層(Tunneling Barrier Layer，TBL)、參考層(Reference Layer，RL)、晶格隔斷層(Crystal Breaking Layer，CBL)、反鐵磁層 (Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)與種子層(Seed Layer；SL)，其中，所述自由層包括：第一自由層，為可變磁極化層，所述第一自由層為磁性金屬合金所形成；垂直各向異性增強層，設置于所述第一自由層上，所述垂直各向異性增強層為非磁性金屬氧化物形成；第二自由層，設置于所述垂直各向異性增強層上，所述第二自由層為可變磁極化層，由非磁性摻雜元素金屬合金或其化合物所形成；所述磁阻尼阻擋層，設置于所述第二自由層上，所述磁阻尼阻擋層由非磁性金屬或其氧化物形成；其中，所述垂直各向異性增強層用于實現所述第一自由層與第二自由層的磁性耦合；所述磁阻尼阻擋層有利于調降整個膜層結構的阻尼系數。

本申請解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。