[发明专利]一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器

说明书

本发明公开了一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器，存储单元包括层叠设置的参考层、势垒层、第一自由层，在第一自由层上方进一步包括第二自由层，以及第二自由层下方的垂直磁耦合层，和第二自由层上方的磁阻尼阻挡层叠加所组成，第二自由层中的磁化矢量始终垂直于第一自由层，并与第一自由层中的磁化矢量平行；垂直磁耦合层用于实现第一自由层与第二自由层的强磁性耦合，并提供额外的垂直界面各项异性来源；磁阻尼阻挡层提供额外的各向异性来源，并同时减少膜层的磁阻尼系数。第二自由层的加入增加了自由层的厚度，降低磁阻尼系数，增加热稳定性因子，而临界写电流并不会增加。

技术领域

本发明涉及磁性随机存储器领域，特别涉及一种具有双层自由层的磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic Radom Access Memory，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，其中有磁性记忆层(自由层)，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(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)的磁性隧道结(MTJ)中，作为存储信息的自由层，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“1”和“0”。在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层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保持磁化方向不变得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。

另外，作为磁性存储器(MRAM)的核心存储单元的MTJ，还必须和CMOS工艺相兼容，必须能够承受在400℃条件下的长时间退火。

图1为现有的磁性随机存储器存储单元的结构示意图。现有的磁性随机存储器存储单元的结构由下至上结构包括所述底电极11、种子层20、反平行铁磁超晶格层30(包含下铁磁层31，反平行铁磁耦合层32，上铁磁层33)、晶格隔断层40、参考层50、势垒层60、自由层70(包含自由层(I)71，自由层(II)72，自由层(III)73)、覆盖层80及顶电极12顺序层叠设置。

现有的磁性随机存储器存储单元的自由层70结构为一般由CoFeB、CoFe/CoFeB、Fe/CoFeB或CoFeB/(Ta，W，Mo，Hf)/CoFeB等自由层(I)71，自由层(II)72，自由层(III)73所组成，为了提高磁性存储器的密度，近年来，磁性隧道结的关键尺寸(Critical Dimension)做得越来越小。当尺寸进一步缩小时，会发现磁性隧道结的热稳定性(Thermal StabilityFactor)急剧变差。对于超小尺寸的MRAM磁性存储单元而言，为了提高热稳定，通常可以降低自由层的厚度，降低自由层的饱和磁化率或者增加界面各向异性。如果降低自由层的厚度，则隧穿磁阻率(Tunnel Magnetoresistance Ration，TMR)将会降低，这将会增加读操作时候错误率。在厚度不变的条件下，在自由层里添加或把自由层改为低饱和磁化率的材料，同样会使隧穿磁阻率(TMR)降低，不利于器件的读操作。

发明内容