[发明专利]垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元

说明书

本发明提供了一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元，包括堆叠结构和自旋阀控制层，所述堆叠结构包括：磁性参考层、磁性记忆层、隧道势垒层、中间层和自旋阀层；所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；所述磁性记忆层和所述自旋阀层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；所述自旋阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层的磁各向异性且包括至少两个子层；所述中间层分别与所述磁性记忆层和所述自旋阀层相邻；所述自旋阀控制层是与所述堆叠结构相间隔设置的导电层。

技术领域

本发明涉及存储器件领域，尤其涉及一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元。

背景技术

近年来人们利用磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的特性做成磁性随机存储器，即为MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写的特性。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；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当磁性记忆层与磁性参考层之间的磁化强度矢量方向平行或反平行时，磁记忆元件的电阻态也相应为低阻态或高阻态。这样测量磁电阻单元的电阻态即可得到存储的信息。

已有一种方法可以得到高的磁电阻(MR，Magneto Resistance)率：在非晶结构的磁性膜的表面加速晶化形成一层晶化加速膜。当此层膜形成后，晶化开始从隧道势垒层一侧形成，这样使得隧道势垒层的表面与磁性表面形成匹配，这样就可以得到高MR率。

一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型MRAM：在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变磁电阻单元中的记忆层的磁化强度方向。自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极化的电子流把它的角动量转移给磁性记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。

在一个简单的面内型STT-MRAM结构中，每个MTJ元件的磁性记忆层都具有稳定的面内磁化强度。面内型器件的易磁化轴由磁性记忆层的面内形状或形状各向异性决定。CMOS晶体管产生的写电流流经磁电阻单元的堆叠结构后，可以改变其电阻态，也即改变了存储的信息。进行写操作时电阻会改变，一般情况下采用恒定电压。在STT-MRAM中，电压主要作用在约厚的氧化物层(即隧道势垒层)上。如果电压过大，隧道势垒层会被击穿。即使隧道势垒层不会立即被击穿，如果重复进行写操作的话，会使得电阻值产生变化，读操作错误增多，磁电阻单元也会失效，无法再记录数据。另外，写操作需要有足够的电压或自旋电流。所以在隧道势垒层被击穿前也会出现记录不完全的问题。

对于垂直型STT-MRAM(pSTT-MRAM，perpendicular Spin-transfer TorqueMagnetic Random Access Memory)有着上述同样的情况。此外，在pSTT-MRAM中，由于两个磁性层的磁晶各向异性比较强(不考虑形状各向异性)，使得其易磁化方向都垂直于层表面，为此在同样的条件下，该器件的尺寸可以做得比面内型器件更小。