[发明专利]一种具双自由层的磁性随机存储器存储单元

说明书

一种具双自由层的磁性随机存储器存储单元，存储单元包括依次向上层叠设置的参考层、势垒层、自由层、覆盖层，所述自由层内部，按照第一自由层、杂质吸收层、第二自由层的依次向上叠加设置；其中，所述第一自由层和第二自由层的磁化矢量在透过杂质吸收层的RKKY耦合作用下呈现平行的状态。双自由层的磁性隧道结结构，能够增加自旋转移力矩效率和磁性随机存储器的热稳定性，非常有利于磁性随机存储器磁学、电学和良率的提升，以及器件的进一步缩微化。

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)，特别是关于一种双自由层结构的磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction)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 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，其中有磁性自由层(Free Layer，FL)，磁性自由层(FL)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。

为能在这种磁电阻组件中记录信息，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一百八十度的翻转。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)或热稳定性因子(Thermal Stability Factor)，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)，比如：应用于汽车电子领取，其热稳定性要求是在125℃甚至150℃的条件可以保存数据至少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：

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，N_z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)。实验表明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)。