[發明專利]具對稱雙勢壘層的磁性隧道結結構及磁性隨機存儲器

在審

• 申請號: 201911098302.6
• 申請日: 2019-11-12
• 公開（公告）號: CN112864306A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 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: H01L43/02
• 分類號: H01L43/02;H01L43/08;H01L43/10;H01L27/22
• 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

本申請提供一種具雙勢壘層結構的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自由層結合反鐵磁耦合結構設計，結合設置于自由層上下兩側的雙勢壘層及延伸的對稱結構。本申請通過對稱結構設計與雙自由層設計，有助提升熱穩定性。通過雙勢壘層設計，在不增幅總體電阻面積的同時保持穩定且足夠的隧穿磁阻率。通過反鐵磁耦合調控層實現兩自由層的反鐵磁耦合，有效地增加總磁矩的垂直各向異性，并降低在自旋激化寫電流下的翻轉過程中出現的退磁場，從而能夠在保證熱穩定性條件下降低臨界電流。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或者是熱穩定性，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，例如：應用于汽車電子領域，其數據保存能力要求是在125℃甚至150℃的條件下可以保存數據至少十年，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。

為了提升MRAM的存儲密度，近年來，磁性隧道結的關鍵尺寸(CriticalDimension，CD)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，且臨界寫電流密度會相應大幅增加而導致存儲元耐久性降低，進而會增加存儲器讀操作的錯誤率。

美國專利號為8072800公開一種磁性隧道結，其將自由層260設計為多層結構，常規材料選擇是鐵磁耦合的雙自由層結構FL1/M/FL2，其中FL1為鐵磁性材料構成的第一自由層，FL2為鐵磁性材料構成的第二自由層，M可選為Mn、Cr、V、Ru、Cu、Pt、Pd、Ta其中的一種過渡金屬材料，M也可以選為MgO/Mn、MgO/Cr、MgO/V、MgO/Ta、MgO/Pd、MgO/Pt、MgO/Ru、MgO/Cu其中的一種氧化鎂/過渡金屬雙層材料。同時該專利進一步描述，M的作用為(a)對FL1產生垂直各向異性，(b)對FL1和FL2產生兩層材料之間的鐵磁耦合(magnetic coupling)，即使得FL1和FL2兩層鐵磁材料的磁矩相互盡可能地平行。

發明內容

為了解決上述技術問題，本申請的目的在于，提供一種具對稱結構，雙自由層、雙勢壘層、雙參考層、于自由層結合反鐵磁耦合結構設計的自旋轉移力矩加倍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。