[发明专利]一种磁性随机存取器及磁隧道结存储单元

说明书

本发明的目的在于解决现有磁性随机存取器中磁隧道结存储单元所存在的磁稳定性问题。本发明磁隧道结存储单元，包括磁性自由层、绝缘隧道势垒层、磁性参考层和复合反铁磁层，其中复合反铁磁层设置在磁性参考层远离绝缘隧道势垒层的一侧，复合反铁磁层包括：合成反铁磁耦合增强层、第一铁磁超晶格层、第二铁磁超晶格层、第一反铁磁耦合层以及第二反铁磁耦合层；本发明磁性随机存取器包括磁隧道结存储单元。相对于现有技术，本发明不仅有更优的体心立方结构的磁性参考层和铁磁隧道效应及其稳定性，并且具有更强的漏磁场和写电流调控能力。

技术领域

本发明涉及具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)的磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)，具体涉及一种具有复合反铁磁层的磁性随机存取器及磁隧道结存储单元。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的MRAM被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性自由层(Free Layer，FL)，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘隧道势垒层(Barrier Layer,BL)；磁性参考层(Reference Layer,RL)，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。在具有垂直各向异性(PMA)的磁性隧道结(MTJ)中，作为存储信息的自由层(FL)，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”。在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层(FL)的磁化方向保持不变；在写的过程中，如果有与现有不同状态的信号输入的时候，那么自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生180度的翻转。业界把这种空置状态之下，磁性存储器的自由层(FL)保持磁化方向不变的能力叫做数据保存能力(Data Retention)或者热稳定性(Thermal Stability)。在不同的应用场景中要求不一样。对于一个典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)的热稳定性要求是在125℃的条件可以保存数据10年。

更进一步地，数据保存能力(Data Retention)可以用下面的公式进行计算：

其中，τ为在热扰动条件下磁化矢量不变的时间，τ₀为尝试时间(一般为1ns)，E为自由层的能量壁垒，k_B为玻尔兹曼常数，T为工作温度。

热稳定性因子(Thermal Stability factor)则可以表示为如下的公式：