[发明专利]一种可调的垂直式磁电阻元件

说明书

技术领域

本发明涉及存储器件领域，尤其涉及一种垂直式磁电阻元件。

背景技术

随着材料学的不断进步,一种新型的内存——磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)正在吸引人们的目光。它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。这种高速内存已经被视为DRAM内存的接班人。

磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunneling Junction)是由绝缘体或磁性材料构成的磁性多层膜，它在横跨绝缘层的电压作用下,其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向，当此相对取向在外磁场的作用下发生改变时,可观测到大的隧穿磁电阻(TMR，Tunnel Magnetoresistance)。人们利用MTJ的特性做成的磁性随机存取记忆体，即为非挥发性的MRAM。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写、大容量、低功耗的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；隧道势垒层为绝缘层；磁性参考层位于绝缘层的另一侧，它的磁化方向是不变的。

自旋转移力矩(STT，Spin Transfer Torque)可以用于磁电阻元件的写操作，即自旋极化的电流通过磁电阻元件时，可以通过STT改变记忆层的磁化方向。当记忆层的磁性物体体积变小时，所需的极化电流也会同样变小，这样就可以同时达到小型化与低电流。

垂直式磁性隧道结(PMTJ，Perpendicular Magnetic Tunnel Junction)，在这种结构中，由于两个磁性层的垂直磁各向异性比较强(不考虑形状各向异性)，使得其易磁化方向都垂直于层表面。在同样的条件下，器件的尺寸可以做得比平面式磁性隧道结(即易磁化方向在面内的)器件更小，易磁化方向的磁极化误差可以做的很小。因此，如果能够找到具体有更大的磁各向异性的材料的话，可以在保持热稳定性的同时，满足使得器件小型化与低电流要求。

为了使记忆层得到较高的垂直各向异性与热稳定性，在垂直MTJ中，需要加入附加的一层垂直磁化磁性层(如TbCoFe或CoPt或如(Co/Pt)n的多层膜)与记忆层进行耦合，可得到足够的磁晶垂直各向异性。但是考虑到此附加层的耗散，及此层的种子层在热处理时的晶格匹配问题及物质弥散问题，很难再降低写电流。

在STT-MRAM中，自旋转移写电流正比于阻尼系数，反比于自旋极化率。因此，减小写电流的关键技术即在于减小阻尼系数，增大自旋极化率和保持垂直各向异性。但是，在面内MTJ中记忆层所用的材料可以具有低阻尼与高MR，但把此材料用于垂直MTJ时，因为没有足够的磁晶各向异性，所以无法得到足以抵消退磁效应的热稳定性。

有一种方法是在记忆层相邻位置设置一功能层(如MgO)，这样有助于在界面形成更好的垂直各向异性。并且当有垂直于表面的电场作用在功能层时，其表面的O负离子与金属正离子被拉向相反的方向，可改变记忆层-功能层之间的界面相互作用。如果电场的方向向下指向功能层的上表面时(记忆层在上、功能层在下)，O原子被拉得离表面更远，使得记忆层-功能层界面相互作用更强，于是得到更强的垂直各向异性，反之亦然。当在电介质材料的功能层上加上电压偏置时，可以采用这种机制在操纵或修改记忆层的垂直各向异性强度，从而降低写电流。为此，记忆层与功能层的材料选择以及各层间的匹配是本领域技术人员研究的重点。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种可调的垂直式磁电阻元件，其包括：

参考层，所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；

记忆层，所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；

势垒层，所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻(本文中的层与层的“相邻”是指层与层紧贴设置，其间未主动设置其它层)；

其特征在于，还包括

功能层，所述功能层与所述记忆层相邻；所述功能层是具有NaCl晶格结构的材料层，并且所述功能层的(100)晶面平行于基底平面、[110]晶向的晶格常数略大于bcc相Co在[100]晶向的晶格常数；以及

电极层，所述电极层与所述功能层相邻；并且

所述记忆层至少包括第一记忆子层和第二记忆子层，所述第一记忆子层是铁磁性材料层且与所述势垒层相邻，所述第二记忆子层是非晶态铁磁性材料层且与所述功能层相邻。