[发明专利]一种自旋转移矩磁存储单元

权利要求书

1.一种自旋转移矩磁存储单元，该磁存储单元的磁隧道结基于垂直磁各向异性PMA，在现有磁隧道结自由层、参考层和隧穿势垒层的三层结构基础上，添加了一层缓冲层，一层顶部磁性层及一层顶部非磁性层，其特征在于：

该磁存储单元的磁隧道结从下到上由参考层、隧穿势垒层、自由层、缓冲层、顶部磁性层及顶部非磁性层构成；

其中，参考层组成材料为半金属磁性材料，厚度区间为0.1-5纳米；

其中，自由层组成材料为半金属磁性材料，厚度区间为0.1-5纳米；

其中，顶部磁性层组成材料为半金属磁性材料，厚度区间为0.1-5纳米；

所述半金属磁性材料包括各类赫斯勒Heusler合金，形式为XYZ或X₂YZ。

2.根据权利要求1所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述隧穿势垒层为氧化镁MgO、三氧化二铝Al₂O₃，所述隧道势垒层厚度区间为0.1-4纳米。

3.根据权利要求1所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述缓冲层材料为钽Ta、铪Hf、镁Mg、钛Ti或铱Ir厚度区间为0.1-2纳米。

4.根据权利要求1所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述缓冲层金属在自由层与顶部磁性层间会产生上下磁性层磁化方向平行的铁磁耦合或上下磁性层磁化方向反平行的反铁磁耦合效应。

5.根据权利要求4所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述缓冲层材料钽Ta厚度为0.4纳米时表现铁磁耦合；厚度为0.7纳米时表现反铁磁耦合。

6.根据权利要求1所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述顶部非磁性层为氧化镁MgO、氧化铝Al₂O₃、钽Ta、铪Hf、镁Mg或铂Pt；所述顶部非磁性层厚度区间为0.1-4纳米。

7.根据权利要求1所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述结构自旋转移矩磁隧道结形状为椭圆、圆形、正方形、长方形、三角形或多边形。

8.一种如权利要求1所述的自旋转移矩磁存储单元的加工方法，其特征在于：该磁存储单元的磁隧道结由薄膜制备工艺和微纳加工工艺制备而成；

首先，将样品用薄膜制备工艺进行多层薄膜沉积，按照从下到上的顺序沉积在衬底上，依次为参考层、隧穿势垒层、自由层、缓冲层、顶部磁性层及顶部非磁性层；

其次，在沉积后多层膜上进行微纳加工工艺；

最后，完成制备。

9.根据权利要求8所述的自旋转移矩磁存储单元的加工方法，其特征在于：薄膜制备工艺包括磁控溅射、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、脉冲激光沉积(PLD)、原子力沉积(ALD)及金属化学气相沉积。

10.根据权利要求8所述的自旋转移矩磁存储单元的加工方法，其特征在于：微纳加工工艺包括紫外/极紫外光刻、电子束光刻、离子束刻蚀、化学反应刻蚀、湿法刻蚀及剥离。

11.根据权利要求8所述的自旋转移矩磁存储单元的加工方法，其特征在于：所述自旋转移矩磁隧道结通过后端集成工艺集成在传统半导体器件上，构成自旋转移矩磁存储单元，实现非易失性存储。

12.根据权利要求11所述的自旋转移矩磁存储单元的加工方法，其特征在于：所述后端集成工艺包括化学机械磨平CMP和后端铜互连工艺。

13.根据权利要求8所述的自旋转移矩磁存储单元的加工方法，其特征在于：所述自旋转移矩磁隧道结构成的非易失性存储单元，通过底电极和顶电极写入的不同方向电流，经过自旋转移矩的作用，实现自由层的翻转，参考层与自由层平行与反平行的转换；自由层翻转后在铁磁耦合效应的作用下，顶部磁性层会随自由层实现翻转。