[发明专利]具有超薄合成反铁磁层的磁性隧道结单元

说明书

本发明提供一种具有超薄合成反铁磁层的磁性隧道结单元的磁性随机存储单元，透过直接在磁性隧道结的参考层之下方，制备合成反铁磁层。合成反铁磁层为叠加的多层结构，从下至上分别为超薄铁磁超晶格层和反铁磁耦合层的双层结构；其中该反铁磁耦合层下至上分别为RKKY反铁磁耦合层，晶格转换层和硼碳吸收层的依次向上叠加而成。透过一种含有三亚层的反铁磁耦合层的合成反铁磁层的磁性隧道结单元结构，极大的减小了整个合成反铁磁层和参考层的总厚度，且能够承受在400℃条件下的长时间退火，具有更强的漏磁场(H_Stray)和写电流调控能力，非常有利于磁性随机存储器在磁学、电学和良率方面的提升，以及器件的进一步缩微化。

技术领域

本发明涉及存储器技术领域，特别是关于一种具有垂直各向异性的磁性随机存储器中含有三亚层反铁磁耦合层的合成反铁磁层的磁性隧道结单元结构。

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 random 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(Tunnel Barrier Layer，TBL)；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。

在实际应用上为能在这种磁电阻组件中记录信息，使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)转换技术，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。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的能力叫做数据保存能力(Data Retention)或者热稳定性(ThermalStability)。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。

磁性存储器自由层的数据保存能力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：

其中，K_eff为自由层的有效各向能量密度，V为自由层的体积，K_V为体各向异性常数M_s为自由层饱和磁化率，Nz垂直方向的退磁化常数，t为自由层的厚度，K_i为界面各向异性常数，D_MTJ为磁性随机存储器的关键尺寸(一般指自由层的直径)，A_s为刚度积分交换常数，D_n为自由层翻转过程中反向核的尺寸(一般指反向核的直径)。实施实验中显示当自由层的厚度较厚时表现为面内各向异性，较薄时，表现为垂直各向异性，K_V一般可以忽略不计，而退磁能对垂直各向异性的贡献为负值，因此垂直各向异性完全来自界面效应(K_i)。