[发明专利]一种自旋转移矩磁存储单元

说明书

一种自旋转移矩磁存储单元，其特征是该磁存储单元的磁隧道结基于垂直磁各向异性(PMA)，在经典磁隧道结即自由层、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。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。本发明提供的新型磁隧道结将在有效提高数据存储热稳定性的同时保持翻转电流在较低水平。对提高磁存储单元稳定性，降低存储功耗，延长存储单元读写寿命作用明显。

【技术领域】

本发明涉及一种自旋转移矩磁存储单元，它的核心是一种基于自旋转移矩效应的磁隧道结结构，即STT-MTJ，属于非易失性存储器技术领域。

【背景技术】

磁存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)的核心存储单元称为磁隧道结MTJ(Magnetic tunnel junction)，其经典结构由三层金属薄膜构成。中间的一层称为隧穿势垒层，其上是铁磁材料构成的自由层，磁化方向可以自由翻转；其下是铁磁材料构成的参考层，磁化方向固定。由于自由层的自由翻转，该结构两层铁磁金属会产生平行与反平行两种状态。自由层与参考层平行时，磁隧道结表现低阻状态R_P；自由层与参考层反平行时表现高阻状态R_AP。两种阻态间的差异用(R_AP-R_P)/R_P来表征，称为隧穿磁阻(TunnelMagnetoresistance，简称TMR)。自旋转移矩效应(Spin-Transfer-Torque，简称STT)的发现可以无需外部磁场有效地改变自由层极化方向，出现隧穿磁阻效应，表征二进制数据“0”和“1”。将其与传统集成电路技术结合即可构成自旋转移矩磁存储器(STT-MRAM)，该型存储器与以往磁性存储器比较具有与集成电路工艺集成度高，易于大规模生产，同时具有非易失性、接近无限次读写、高速读写、低功耗等一系列优点。

传统的磁隧道结是基于面内磁各向异性，大容量小尺寸下自由层在翻转时受面内退磁作用，翻转电流增大，翻转时间变长，严重制约该技术进一步发展。近年来随着薄膜工艺的发展，一种基于垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy,简称PMA)的磁性隧道结因其不受退磁作用制约，在小尺寸时展现出较低的翻转电流，快速的翻转时间，较高的隧穿磁阻等方面优势，使其在大容量存储单元制造中保持良好性质。2010年日本的研究小组首次使用MgO作为隧穿势垒层[H.Ohno,et al.,Nature Materials.9,721–724(2010)]，在CoFeB与MgO界面发现较强的垂直磁各向异性，同时在大容量小尺寸(40纳米)实现自旋转移矩翻转，发现该磁隧道结具有较好的热稳定性，较低的翻转电流和较高的隧穿磁阻。

目前该型基于垂直磁各向异性磁隧道结面临的问题是：磁隧道结尺寸进一步降低时无法同时保证高热稳定性与较低翻转电流，磁隧道结性能因此无法保证下尺寸下实现可靠存储。近年一些研究小组已经提出一些新型结构和新型材料解决小尺寸磁隧道结稳定性与翻转电流的矛盾。

【发明内容】

1.发明目的：

针对上述背景中提到的垂直磁各向异性磁隧道结的问题，本发明提出一种自旋转移矩磁存储单元，结合新型材料的使用，克服了现有技术的不足。本发明通过在传统磁隧道结顶部加入一层新的顶部磁性层，同时创新地使用新型材料等使得磁隧道结在小尺寸下拥有较好的热稳定性、较小的翻转电流、较大的隧穿磁阻效应。

2.技术方案：

本发明的技术方案是，一种自旋转移矩磁存储单元，其特征是该磁存储单元的磁隧道结基于垂直磁各向异性(PMA)，在经典磁隧道结即自由层、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。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共六层构成。