[發(fā)明專利]具有對稱結(jié)構(gòu)的磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)及磁性隨機(jī)存儲器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910972493.8
• 申請日: 2019-10-14
• 公開（公告）號: CN112736191A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張?jiān)粕?/a>;郭一民;陳峻;麻榆陽;肖榮福
• 申請（專利權(quán)）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L27/22
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31287
• 代理人: 于曉菁

本申請?zhí)峁┮环N具對稱結(jié)構(gòu)的磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)及磁性隨機(jī)存儲器，所述磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)包括自由層的雙層設(shè)計(jì)，結(jié)合設(shè)置于自由層上下兩側(cè)的雙勢壘層及延伸的對稱結(jié)構(gòu)。本申請通過對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與雙自由層設(shè)計(jì)，有助提升熱穩(wěn)定性，通過雙勢壘層設(shè)計(jì)在不增幅總體電阻面積積的同時保持穩(wěn)定且足夠的隧穿磁阻率，可以有效的降低臨界電流，非常有利于MRAM電路讀/寫性能的提升與超小型MRAM電路的制作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及存儲器技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)及磁性隨機(jī)存儲器。

背景技術(shù)

磁性隨機(jī)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(jié)(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(yīng)二進(jìn)制中的“0”和“1”或者“1”和“0”，在實(shí)際應(yīng)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(xiàn)有狀態(tài)不相同的信號輸入時，則自由層的磁化方向?qū)诖怪狈较蛏习l(fā)生一百八十度的翻轉(zhuǎn)。磁隨機(jī)存儲器的自由層磁化方向保持不變的能力叫做數(shù)據(jù)保存能力或者是熱穩(wěn)定性，在不同的應(yīng)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，比如：應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域，數(shù)據(jù)保存能力要求是在125℃的條件下可以保存數(shù)據(jù)至少十年，在外磁場翻轉(zhuǎn)，熱擾動，電流擾動或讀寫多次操作時，都會造成數(shù)據(jù)保持能力或者是熱穩(wěn)定性的降低。

為了提升MRAM的存儲密度，近年來，磁性隧道結(jié)的關(guān)鍵尺寸(CriticalDimension，CD)越來越小。當(dāng)尺寸進(jìn)一步縮小時，會發(fā)現(xiàn)磁性隧道結(jié)的熱穩(wěn)定性因子急劇變差。為提升超小型MRAM單元器件的熱穩(wěn)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各向異性能量密度，進(jìn)而維持較高的熱穩(wěn)定性因子，但磁性隧道結(jié)的隧穿磁阻率(TunnelMagnetoresistance Ratio，TMR)將會降低，進(jìn)而會增加存儲器讀操作的錯誤率。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本申請的目的在于，提供一種具對稱結(jié)構(gòu)，結(jié)合雙自由層與雙勢壘層的磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)及磁性隨機(jī)存儲器。

本申請的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。

依據(jù)本申請?zhí)岢龅囊环N具對稱結(jié)構(gòu)的磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，其包括覆蓋層(CappingLayer，CL)、自由層(Free Layer，F(xiàn)L)、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)，其特征在于，所述勢壘層、所述參考層、所述晶格隔斷層與所述反鐵磁層為雙層結(jié)構(gòu)，所述雙層結(jié)構(gòu)是分隔且對稱設(shè)置于所述自由層的上下兩側(cè)，所述自由層由下至上包括：第一自由層(1^st FreeLayer，1^st FL)，所述第一自由層為可變磁極化層，由磁性金屬合金或其化合物形成的單層或多層結(jié)構(gòu)；垂直各向異性增強(qiáng)層(Perpendicular Magnetic Anisotropy EnhanceLayer，PMA-EL)，設(shè)置于所述第一自由層上，所述垂直各向異性增強(qiáng)層為非磁性金屬氧化物形成；第二自由層(2^nd Free Layer，2^nd FL)，設(shè)置于所述垂直各向異性增強(qiáng)層上，所述第二自由層為可變磁極化層，由磁性金屬合金或其化合物形成的單層或多層結(jié)構(gòu)；其中，所述垂直各向異性增強(qiáng)層用于實(shí)現(xiàn)所述第一自由層與第二自由層的磁性耦合。同時，設(shè)置第一參考層與第二參考層的磁矩反平行，當(dāng)寫電流通過時，所述自由層中極化自旋電子密度將提高，導(dǎo)致所需臨界寫電流密度將降低。

本申請解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。