[發明專利]一種具垂直各向異性場增強層的磁性隧道結單元結構

有效

• 申請號: 201911318304.1
• 申請日: 2019-12-19
• 公開（公告）號: CN113013322B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 張云森;郭一民;麻榆陽;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: H10N50/10
• 分類號: H10N50/10;H10N50/85
• 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

一種具垂直各向異性場增強層的磁性隧道結單元結構，其特征在于自由層上方設有垂直各向異性場增強層，第一垂直各向異性場增強層為所述自由層提供一個額外的垂直各向異性來源，從而增加其熱穩定性；且透過第二垂直各向異性場增強層和第三垂直各向異性場增強層的平面晶向模板作用下，使第一垂直各向異性場增強層具有更好的結晶性能，從而增強自由層的垂直各向異性場。該磁性隧道結單元結構有利磁性隨機存儲器電路的讀/寫性能的提升，也常有利于其磁場免疫能力的提升，及非常有利制作超小型的磁性隨機存儲器。

技術領域

本發明涉及具有垂直各向異性的磁性隨機存儲器領域，特別涉及一種具垂直各向異性場增強層的磁性隧道結單元結構的領域。

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)，自由層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，TB)；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?StabilityFactor)。

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，比如：應用于汽車電子領域，其熱穩定性的要求是在125℃甚至150℃的條件下至少保存數據十年。

為了實現邏輯“0”或“1”的快速寫入，一般寫入時要求寫電流密度(J)要大于臨界電流密度(J_c0)。其中，

寫入的時間為t_pw，則為：

寫電流(J)超過臨界電流(J_c0)的部分與臨界電流的比值為j，j＝J/J_c0-1。

其中，α為磁阻尼系數，為約化普朗克常數，M_s為自由層的飽和磁化率，t為自由層的有效厚度，H_K為垂直有效各向異性場，k_B為玻爾茲曼常數，T為溫度，η自旋極化率，γ為旋磁比，Δ為磁性隧道到結(MTJ)的熱力學穩定因子，τ_relax弛豫時間，θ₀為自由層磁化矢量初始化角。

在快速緩沖存儲器中，比如：作為靜態隨機存取存儲器(SRAM)的替代者，則需要磁性隨機存儲器(MRAM)有與SRAM相匹配的讀寫速度。

另外，作為磁性隨機存儲器(MRAM)的核心存儲單元的磁性隧道結(MTJ)還必須和CMOS工藝相兼容，必須能夠承受在350℃或更高溫條件下的長時間退火；同時，還需要MRAM的磁存儲單元具有較強的磁場免疫能力(Magnetic?Immunity)。