[发明专利]磁性隧道结及其制备方法

说明书

本发明提供一种磁性隧道结及其制备方法，所述磁性隧道结包括：籽层；参考层，位于所述籽层上；自由层，位于所述参考层的与所述籽层相反的一侧；隧道势垒层，位于所述参考层和所述自由层之间；垂直磁各向异性增强层，位于所述自由层的与所述隧道势垒层相反的一侧且与所述自由层接触，所述垂直磁各向异性增强层的一部分厚度不均匀，另一部分厚度相同，且两部分的结合处没有明显高度差；非磁性盖层，所述非磁性盖层位于所述垂直磁各向异性增强层的厚度相同部分上；其中，所述参考层具有与所述参考层的平面大致垂直的固定磁化，所述自由层的一部分或者整个自由层的初始磁化方向与垂直方向存在一定的偏离夹角。本发明能够提高磁性隧道结的写入速度。

技术领域

本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种磁性隧道结及其制备方法。

背景技术

MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁性随机存储器)的核心存储器件是MTJ(Magnetic Tunnel Junctions，磁性隧道结)，MTJ基于磁性隧道磁阻(TMR)效应，最典型的结构包括两层磁性层和介于两层磁性层之间的隧道层，其中一个磁性层的磁化方向固定，称为参考层，另一个磁性层的磁化方向可以通过磁场或电流改变，称为自由层。实际应用中，当自由层磁化反平行于参考层磁化时，MTJ呈现高阻态，可以代表“1”，当自由层磁化方向平行于参考层磁化方向时，MTJ呈现低阻态，可以代表“0”，反之亦然。

要改变MTJ的存储状态，需要对MTJ进行写操作：在MTJ中通入写电流，自由层将受到来自参考层的极化电流作用，该作用表现为自由层感受到来自于参考层的力矩，称为自旋转移矩STT，这个力矩的大小与自由层和参考层的磁化方向之间的夹角、写入电流、自旋极化率等有关。其中，自由层和参考层的磁化方向之间的夹角越大，STT越大，在STT一定的情况下，可以适当降低写入电流。

但是，实际对MTJ进行写操作时，自由层和参考层的磁化方向之间的夹角是由随机热扰动引起的，为一个随机夹角，该随机夹角一般为0°～0.5°。正是因为存在这样一个随机夹角，才使得MTJ写操作时自由层的磁化方向能够翻转。

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：

由于随机夹角的大小和方向的不确定性，自由层的磁化翻转时间是一个概率分布事件，也具有不确定性，会直接影响磁性隧道结组成的阵列的写入速度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种磁性隧道结及其制备方法，引入一个厚度不均匀的垂直磁各向异性增强层，能够为自由层提供额外的磁力矩，从而形成自由层初始磁化方向的确定性偏转，使得自由层磁化方向和参考层磁化方向不共线，从而能够加快室温下MTJ的翻转速度，同时降低写入电流。

第一方面，本发明提供一种磁性隧道结，包括：

籽层；

参考层，位于所述籽层上，所述参考层具有垂直磁各向异性；

自由层，位于所述参考层的与所述籽层相反的一侧，所述自由层具有垂直磁各向异性；

隧道势垒层，位于所述参考层和所述自由层之间；

垂直磁各向异性增强层，位于所述自由层的与所述隧道势垒层相反的一侧且与所述自由层接触，所述垂直磁各向异性增强层的一部分厚度不均匀，另一部分厚度相同，且两部分的结合处没有明显高度差；

非磁性盖层，所述非磁性盖层位于所述垂直磁各向异性增强层的厚度相同部分上；

其中，所述参考层具有与所述参考层的平面大致垂直的固定磁化，所述自由层的一部分或者整个自由层的初始磁化方向与垂直方向存在一定的偏离夹角。

可选地，所述垂直磁各向异性增强层的厚度不均匀部分的表面形态包括凸形曲面、凹形曲面、表面平整的斜面和表面呈波浪形的斜面中的一种。