[发明专利]一种双自由层垂直铁磁性隧道结结构

说明书

技术领域

本发明属于磁随机存储技术领域，特别是提供了一种双自由层垂直铁磁性隧道结(MTJ)结构，这种新结构具有低写入电流特性，可实现超高存储密度，将被广泛应用到新型磁传感器或磁随机存储器件等器件中。

技术背景

随着信息产业的不断发展，对信息的存储技术有了越来越高的要求，期望得到更高密度、更高速度、更低成本与低功耗的随机存储器。目前计算机随机存储器大多采用硅集成电路组成的易丢失性的动态及静态随机存储器(DRAM及SRAM)，DRAM存储量大，价格低，但速度较慢；SRAM的速度可达纳秒量级，但存储密度稍低且价格较贵。前几年，利用各向异性磁电阻开发出了不易丢失性的磁电阻存储器(MRAM)，它具有非破坏性读出信息和耐辐射等特点，但在存储量和存储速度等方面却无法与DRAM相比。巨磁电阻(GMR)效应以及隧道磁电阻(TMR)效应的发现，给这一类磁电子器件带来了新的曙光并使之得到高速的发展。这种MRAM具有最大的优点是非易失性，可永久保存信息。此外，由于MRAM具有抗辐射性好、体积小、高集成度和低成本等优点，被广泛用于军事目的、航天航空以及民用中，在信息领域中发挥着举足轻重的作用。

MRAM的存储单元实际上是表现出GMR效应的金属多层膜或表现出TMR效应的铁磁性隧道结(MTJ)结构。存储的过程是通过金属多层膜的磁化取向的改变来实现。磁性存储元件的磁化切换场与其宽度成正比，即随着MRAM存储密度的提高，磁性存储元件的尺寸大幅度减小，其切换场也迅速增加，所需要的写电流也迅速增加。因此如何降低电流密度，从而降低能耗是进一步提高MRAM存储量所面临的难题。1996年，科学家们提出，当自旋电流穿过纳米尺寸的单个铁磁层或磁纳米柱时，会带来自旋角动量转移，从而导致磁激发，甚至会带来磁化方向的翻转效应[J.C.Slonczewski，“Current-driven excitation of magneticmultilayers”，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，Volume 159，Page L1-L9，l996]。这种电流诱导磁化翻转(CIMS)效应利用电流直接通过磁元件进行数据写入，能大大降低能耗。运用CIMS效应不仅可以大幅度简化和改善MRAM的设计，而且随着存储元件尺寸的减小，所需消耗的写电流反而减小，使得实现高存储密度成为可能。但是通常情况下，CIMS所需要的临界电流密度高达10⁷A/cm²，这么高的电流密度会破坏磁性单元。如果要将CIMS顺利应用在实际器件中，临界电流密度必须要降低到～10⁵A/cm²左右。理论预测表明，在MTJ等自旋器件中使用这种垂直各向异性金属薄膜会提高器件的磁翻转速度，带来更快和更小的磁存储单元[A.D.Kent，B.Ozyilmaz，E.del Barco，“Spin-transfer-induced precessionalmagnetization reversal”，Appl.Phys.Lett.84，3897(2004).]。本发明利用垂直各向异性MTJ结构，进一步改善了MRMA的存储结构单元，并降低写入电流密度、大大降低能耗，使得CIMS行为更好的应用到MRAM结构中，为实现超高密度的MRAM器件提供了可能。

发明内容

本发明目的在于提供了一种具有低写入电流特性的双自由层垂直铁磁性隧道结(MTJ)结构，这种结构能进一步改善MRAM的存储结构单元，从而降低写入电流密度、大大降低能耗，使得CIMS行为更好的应用到MRAM结构中，从而实现超高密度的MRAM。

本发明中的双自由层垂直MTJ采用玻璃或单晶硅基片，通过等离子体溅射、磁控溅射或者分子束外延生长手段制备而成的一种金属多层膜结构，然后通过照相平版印刷或电子束印刷、离子刻蚀的手段分别在金属多层膜的顶层和底层膜面制作出两个电极。该MRAM器件在工作时，信号电流的流动方向垂直于金属多层膜膜面。

本发明存储单元的结构如下图1所示。

双自由层垂直MTJ的最底层称为底电极层，例如金属金等，厚度为10～200纳米。

从底电极层往上第二层为反铁磁层，例如铱锰合金等，厚度为10～20纳米。