[发明专利]磁性隧道结结构及磁性随机存储器

说明书

本申请提供一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器，所述磁性隧道结结构包括多层结构的自由层，三自由子层之间配置二个由非磁性金属、其氧化物及/或不完全氧化物形成的垂直各向异性增强层。本申请通过二个垂直各向异性增强层的设置，为自由层各提供两个具有强烈垂直各向异性的界面，从而增加了热稳定性。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

本发明涉及存储器技术领域，特别是关于一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器。

背景技术

磁性随机存储器(Magnetic random access memory，MRAM)在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy；PMA)的磁性隧道结(Magnetic tunnel junction；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”或者“1”和“0”，在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向会保持不变；在写的过程中，如果与现有状态不相同的信号输入时，则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。磁随机存储器的自由层磁化方向保持不变的能力叫做数据保存能力或者是热稳定性，在不同的应用情况中要求不一样，对于一个典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)而言，例如：运用于汽车电子领域，其数据保存能力要求是在125℃甚至150℃的条件下可以保存数据至少十年，在外磁场翻转，热扰动，电流扰动或读写多次操作时，都会造成数据保持能力或者是热稳定性的降低。

为了提升MRAM的存储密度，近年来，磁性隧道结的关键尺寸(CriticalDimension，CD)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因子急剧变差。为提升超小型MRAM单元器件的热稳定性因子，可以通过降低自由层的厚度，在自由层里添加或把自由层改为低饱和磁化率的材料等一些列措施来增加有效垂直各向异性能量密度，进而维持较高的热稳定性因子，但磁性隧道结的隧穿磁阻率(TunnelMagnetoresistance Ratio，TMR)将会降低，进而会增加存储器读操作的错误率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种具有多层自由子层结合多个垂直各向异性增强层的结构设计的磁性隧道结结构及磁性随机存储器。

本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本申请提出的一种磁性隧道结结构，其由上至下结构包括覆盖层(CappingLayer，CL)、自由层(Free Layer，FL)、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)、参考层(Reference Layer，RL)、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)与种子层(Seed Layer；SL)，其中，所述自由层包括：第一自由子层，设置于所述势垒层上，所述第一自由子层为铁磁金属或其合金所形成；第一垂直各向异性增强层，设置于所述第一自由子层上，为非磁性金属层、其氧化物层、其不完全氧化物层、或其组合所形成的多层组合；第二自由子层，设置于所述第一垂直各向异性增强层上，由铁磁金属或其合金所形成；第二垂直各向异性增强层，设置于所述第二自由子层上，为非磁性金属层、其氧化物层、其不完全氧化物层、或其组合所形成的多层组合所形成；第三自由子层，设置于所述第二垂直各向异性增强层上，由铁磁金属或其合金所形成；其中，所述第一垂直各向异性增强层和所述第二垂直各向异性增强层分别为所述自由层各提供两个具有强烈垂直各向异性的界面；所述第一自由子层、所述第二自由子层与所述第三自由子层的磁化矢量在所述第一垂直各向异性增强层和所述第二垂直各向异性增强层的作用下永远呈现平行的状态。

本申请解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。