[發明專利]一種具雙自由層的磁性隨機存儲器存儲單元在審

申請號：	201911048593.8	申請日：	2019-10-31
公開（公告）號：	CN112750945A	公開（公告）日：	2021-05-04
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;H01L27/22;G11C11/16
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
地址：	201815 上海市***	國省代碼：	上海;31
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種自由磁性隨機存儲器存儲單元
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【說明書】：

一種具雙自由層的磁性隨機存儲器存儲單元，存儲單元包括依次向上層疊設置的參考層、勢壘層、自由層、覆蓋層，所述自由層內部，按照第一自由層、雜質吸收層、第二自由層的依次向上疊加設置；其中，所述第一自由層和第二自由層的磁化矢量在透過雜質吸收層的RKKY耦合作用下呈現平行的狀態。雙自由層的磁性隧道結結構，能夠增加自旋轉移力矩效率和磁性隨機存儲器的熱穩定性，非常有利于磁性隨機存儲器磁學、電學和良率的提升，以及器件的進一步縮微化。

技術領域

本發明涉及具有垂直各向異性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)的磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)，特別是關于一種雙自由層結構的磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction)單元結構。

背景技術

近年來，采用磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性隨機存儲器(Magnetic Radom Access Memory，MRAM)被人們認為是未來的固態非易失性記憶體，它具有高速讀寫、大容量以及低能耗的特點。鐵磁性MTJ通常為三明治結構，其中有磁性自由層(Free Layer，FL)，磁性自由層(FL)可以改變磁化方向以記錄不同的數據；位于中間的絕緣隧道勢壘層(Tunnel Barrier Layer，TBL)；磁性參考層(Reference Layer，RL)位于隧道勢壘層的另一側，它的磁化方向不變。

為能在這種磁電阻組件中記錄信息，建議使用基于自旋動量轉移或稱自旋轉移矩(STT，Spin Transfer Torque)轉換技術的寫方法，這樣的MRAM稱為STT-MRAM。根據磁極化方向的不同，STT-MRAM又分為面內STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT- MRAM)，后者有更好的性能。在具有垂直各向異性(Perpendicular Magnetic Anisotropy， PMA)的磁性隧道結(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“1”和“0”。在實際應用中，在讀取信息或者空置的時候，自由層的磁化方向保持不變；在寫的過程中，如果有與現有不同狀態的信號輸入的時候，那么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。業界把這種空置狀態之下，磁性存儲器的自由層保持磁化方向不變得能力叫做數據保存能力(Data Retention)或熱穩定性因子(Thermal Stability Factor)，在不同的應用場景中要求不一樣，對于一個典型的非易失存儲器(Non-volatile Memory，NVM)，比如：應用于汽車電子領取，其熱穩定性要求是在125℃甚至150℃的條件可以保存數據至少10年。

更進一步地，數據保存能力(Data Retention)可以用下面的公式進行計算：

其中，τ為在熱擾動條件下磁化矢量不變的時間，τ₀為嘗試時間(一般為1ns)，E為自由層的能量壁壘，k_B為玻爾茲曼常數，T為工作溫度。

熱穩定性因子(Thermal Stability Factor)則可以表示為如下的公式：

其中，K_eff為自由層的有效各向能量密度，V為自由層的體積，K_V為體各向異性常數M_s為自由層飽和磁化率，N_z垂直方向的退磁化常數，t為自由層的厚度，K_i為界面各向異性常數，D_MTJ為磁性隨機存儲器的關鍵尺寸(一般指自由層的直徑)，A_s為剛度積分交換常數，D_n為自由層翻轉過程中反向核的尺寸(一般指反向核的直徑)。實驗表明當自由層的厚度較厚時表現為面內各向異性，較薄時，表現為垂直各向異性，K_V一般可以忽略不計，而退磁能對垂直各向異性的貢獻為負值，因此垂直各向異性完全來自界面效應(K_i)。