[发明专利]一种磁性隧道结垂直各向异性场增强层及随机存储器

说明书

本发明涉及磁性随机存储器领域，特别涉及一种磁性隧道结垂直各向异性场增强层；所述垂直各向异性场增强层设置于磁性随机存储器存储单元，所述垂直各向异性场增强层为通过溅射沉积工艺形成的第一垂直各向异性场增强层以及通过第二垂直各向异性场增强层的双层结构，所述第一垂直各向异性场增强层通过第二垂直各向异性场增强层HCP晶系晶向的模板作用增强自由层的垂直各向异性场；本发明有利于MRAM电路读/写性能的提升，有利于其磁场免疫能力的提升，有利制作超小型的MRAM电路，具有很强的市场应用前景。

技术领域

本发明涉及磁性随机存储器领域，特别涉及一种磁性隧道结垂直各向异性场增强层。

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(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”。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的能力叫做数据保存能力或者热稳定性。

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，比如：应用于汽车电子，其热稳定性的要求是在125℃甚至150℃的条件下至少保存数据十年。

为了实现逻辑“0”或“1”的快速写入，一般写要求写电流密度(J)要大于临界电流密度(J_c0)。其中，

写入的时间为t_pw，则有：

写电流(J)超过临界电流(J_c0)的部分与临界电流的比值为j，j＝J/J_c0-1。

其中，α为次阻尼系数，为约化普朗克常数，M_s为自由层的饱和磁化率，t为自由层的有效厚度，H_K为垂直有效各向异性场，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度，η自旋极化率，γ为旋磁比，Δ为磁性隧道到结(MTJ)的热力学稳定因子，τ_relax弛豫时间，θ₀为自由层磁化矢量初始化角。

在快速缓存中，比如：作为SRAM的替代者，则需要MRAM有与SRAM相匹配的读写速度。

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350℃或更高温条件下的长时间退火；同时，还需要MRAM的磁存储单元具有较强的磁场免疫能力(Magnetic Immunity)。

在现有结构中，自由层一般由CoFeB/(Zr，V，Cr，Nb，Tc，Ta，W，Mo，Hf)/CoFeB或Fe/CoFeB/(Zr，V，Cr，Nb，Tc，Ta，W，Mo，Hf)/CoFeB等组成。在自由层之上，之上设置一层MgO，由于MgO/自由层之间具有垂直各向异性，从而增强了MTJ单元结构的热稳定性。