[发明专利]磁性存储单元及磁性存储器

说明书

本发明提供一种磁性存储单元，包括：底电极、顶电极以及位于所述底电极和所述顶电极之间的层叠结构，所述层叠结构包括依次堆叠设置的参考层、势垒层、自由层、非磁性隔离层以及相变层，其中，所述相变层根据相变温度在反铁磁相和铁磁相之间变化，当所述相变层为铁磁相时，为所述自由层提供偏置磁场，使得所述自由层磁化方向偏离与所述参考层磁化方向共线的方向；所述非磁性隔离层用于防止所述相变层和所述自由层产生磁耦合。本发明能够降低自由层的临界翻转电流。

技术领域

本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种磁性存储单元及磁性存储器。

背景技术

磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)被认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗等特点。利用自旋流来实现磁矩翻转的自旋转移矩磁性随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic Random AccessMemory,STT-MRAM)是一种常见的实现形式。

STT-MRAM的存储单元的传统结构如图1所示，包括顶电极、底电极以及二者之间的MTJ，在STT-MRAM写入过程中，由于自由层与参考层的磁化方向共线，初始阶段需要由热扰动引发自由层磁矩产生随机的小角度偏转，初始的自旋转移矩很小。只有当写电流超过某一临界值时，自由层才能发生磁化翻转。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：

现有的STT-MRAM存储单元，MTJ自由层的临界翻转电流较大，因此需要较大的写电流，而较大的写电流会导致较高的功耗，另外还容易导致MTJ势垒层击穿，损坏器件。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种磁性存储单元，能够降低MTJ自由层翻转的临界电流。

第一方面，本发明提供一种磁性存储单元，包括：底电极、顶电极以及位于所述底电极和所述顶电极之间的层叠结构，所述层叠结构包括依次堆叠设置的参考层、势垒层、自由层、非磁性隔离层以及相变层，其中，所述相变层根据相变温度在反铁磁相和铁磁相之间变化，当所述相变层为铁磁相时，为所述自由层提供偏置磁场，使得所述自由层磁化方向偏离与所述参考层磁化方向共线的方向；所述非磁性隔离层用于防止所述相变层和所述自由层产生磁耦合。

可选地，当温度低于相变温度时，所述相变层为反铁磁相，当温度高于相变温度时，所述相变层为铁磁相。

可选地，所述相变层的材料为FeRhX，X为Ir、Pt、V、Mn、Au、Co、Ni中的任意一种或者任意多种的组合，其中，Rh原子占原子总数的百分比为40％～60％，X原子占原子总数的百分比为0～15％。

可选地，所述相变层的相变温度介于50℃～200℃之间。

可选地，所述非磁性隔离层的材料为MgO、Cu、Au、Al、Ta、Ag、Mo、Ir和W中的一种或多种的混合物。

可选地，所述自由层和所述参考层的材料为Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任意一种。

可选地，所述势垒层的材料为MgO、HfO₂、AlO_x和TaO_x中的任意一种。

可选地，所述层叠结构还包括：耦合层和钉扎层，所述耦合层位于所述参考层远离所述势垒层的一侧表面，所述钉扎层位于所述耦合层远离所述参考层的一侧表面，所述参考层与所述耦合层以及所述钉扎层构成合成反铁磁结构，用于减小杂散场对所述自由层磁化翻转的影响。

可选地，所述耦合层为Ru、Ir、Rh、Ti和Ta中的一种，所述钉扎层为各向异性较大的磁性单层膜或多层膜结构。

第二方面，本发明提供一种磁性存储器，所述磁性存储器包括上述磁性存储单元。