[发明专利]混合自旋转移矩磁性随机存取存储器(H-STT-MRAM)

权利要求书

1.一种混合自旋转移矩磁性随机存取存储器(H-STT-MRAM)器件，包括：

由非磁性间隔分离的垂直磁向异性磁性隧道结(pma-MTJ)堆叠和面内磁向异性磁性隧道结(ima-MTJ)堆叠的面对面堆叠，所述非磁性间隔设置在所述两个MTJ的两个自由层之间，并且

其中MTJ包括由MgO隧穿势垒夹层分开的以下各项：

磁性参考层(RL)，其磁化被固定在一个方向上；以及

磁性自由层(FL)，其磁化可以被旋转成与所述RL固定磁化平行或反平行。

2.根据权利要求1所述的H-MRAM器件，其中所述器件包括：

底部pma-MTJ堆叠，其FL和RL分别直接设置在其MgO隧穿势垒的上方和下方；以及上方的顶部ima-MTJ堆叠，其FL和RL分别直接设置在其MgO隧穿势垒的下方和上方；

非磁性间隔层，其设置在所述底部pma-MTJ堆叠和所述顶部ima-MTJ堆叠中的所述两个FL之间。

3.根据权利要求1所述的H-STT-MRAM器件，其中所述设备进一步包括

底部ima-MTJ堆叠，其FL和RL直接设置在其MgO隧道势垒上方和下方；

顶部pma-MTJ堆叠,FL和RL直接设置在其MgO隧道势垒下方和其上方；

非磁性间隔层，其设置在所述底部ima-MTJ堆叠和所述顶部pma-MTJ堆叠中的所述两个FL之间。

4.根据权利要求1所述的H-STT-MRAM器件，其中所述MTJ-MTJ堆叠的所述FL与所述PMA-MTJ堆叠的所述FL之间的所述非磁性间隔层包含MgO或AlOx的隧穿势垒TMR层、GMR中的Cu夹层或Ta、Au、W、V、Mo、Ru的势垒层，Cr或Nb以截断两个FL之间的交换耦合，并且还能促进极化电子自旋输运。

5.根据权利要求1所述的H-STT-MRAM器件，其中所述pma-MTJ中的RL可为以下三种情况中的一个：

永久垂直磁向异性(PMA)磁层，其包括HCP(002)Co合金，L10合金，例如FePd、FePt或CoPt，或CO2/PD9或CO2/PT9的多层；

通过Ru夹层分离的两个垂直磁各向异性层组成的合成反铁磁体(SAF)叠层；

由反铁磁体(AFM)层沿垂直固定的SAF叠层。

6.根据权利要求1所述的H-STT-MRAM器件，其中所述ima-MTJ中的RL为AFM沿面内方向固定的SAF叠层，其由Ru夹层分离的两个面内磁向异性层组成。

7.根据权利要求1所述的H-STT-MRAM器件，其中所述ima-MTJ中的所述FL还可为SAF FL结构，所述SAF FL结构包括由Ru层分离的两个磁性自由层，以改善所述自由层稳定性且利于存储器小型化–可突破单层FL的ima-MTJ中60nm的存储器单元尺寸的极限，且有可能用于制作亚10纳米的存储器。

8.根据权利要求7所述的H-STT-MRAM器件，其中具有SAF自由层结构的所述ima-MTJ也可用于制作面内STT-MRAM器件以突破单层F的面内STT-MRAM中60nm存储器单元尺寸的极限，并进一步将所述存储器单元大小减至亚10nm以用于高面密度存储。

9.根据权利要求1所述的H-STT-MRAM器件，且其中所述pma-MTJ中的所述FL及垂直SAF结构中的所述两个磁性层、平面内SAF RL及SAF自由层结构为CoFe、CoFeB及CoFe合金磁性材料。

10.根据权利要求1所述的H-STT-MRAM器件，其中所述ima-MTJ中的所述AFM面内固定层和所述pma-MTJ中的所述AFM垂直固定层为两种不同的AFM材料，包括IrMn、NiMn、FeMn、PtMn或IrMn/FeMn多层，以便具有不同的退火块温度。