[发明专利]混合自旋转移矩磁性随机存取存储器(H-STT-MRAM)

说明书

本发明是一种由非磁夹层隔离的垂直磁向异性磁隧道结(pma‑MTJ)和面内磁向异性磁隧道结(ima‑MTJ)面对面堆叠组成的混合型自旋转移矩磁阻随机存取存储器(H‑STT‑MRAM)。其中在任一个MTJ磁自由层写入时,会受到来自另一个MTJ磁自由层通过非磁夹层施加的一个垂直于普通自旋转移矩(STT)的附加自旋转移矩(STT)来协助写入,以提高MTJ的写入性能。还提出了一种由Ru夹层隔开的两个磁自由层组成的合成反铁磁体自由层(SAF FL)结构来替代ima‑MTJ中的磁自由层(FL)，以改善其面内磁向异性自由层存储的稳定性，从而由进一步减小存储单元的尺寸来实现ima‑MTJ和pma‑MTJ面内尺寸匹配的高密度存储。还提出了高位H‑STST‑MRAM器件及其读、写方法和其组成的2D和3D阵列以实现超高面密度存储。

技术领域

本发明涉及信息存储器技术领域，并且更特别地涉及高位自旋转移矩磁阻随机存取存储器单元及磁存储器。

背景技术

随着高性能计算和移动设备的出现，大量信息被生成并且需要被存储，这已经通过逐渐缩小存储器中存储单元的尺寸来满足,并推动了存储和存储器技术的快速增长。虽然利用电子电荷性质的常规半导体存储器已经被很好地利用和开发，但已接近其极限，1998年发现的巨磁阻(GMR)效应斩获了2004年的诺贝尔物理学奖，开辟了电子自旋学的新领域,并导致了一系列电子自旋技术的应用和发展。在过去的十年中采用和操纵电子自旋性质的自旋电子转移矩存储器的新技术已获得了深入的研究。

使用电子电荷容量的动态随机存取存储器(DRAM)在维持显著生长以满足数据存储的需求方面已经接近其极限。随着DRAM单元尺寸的缩小，电荷泄漏会引起功率消耗和其他问题。与基于电子电荷的DRAM相比，基于电子自旋的磁性随机存取存储器(MRAM)是非易失性存储器，有功耗低等优点，被视为代替基于半导体电荷的存储器技术的良好候选者。已经开发了两种MRAM，并且它们是基于磁场写入的MRAM和自旋转移矩(STT)写入的MRAM(STT-MRAM)。与磁场驱动MRAM相比，STT-MRAM由于其小功率消耗、工艺简化及单元小型化而已经在可获利的市场产品中找到其位置。

典型的STT-MRAM器件基本上是包括由氧化镁(MgO)势垒层夹在两个磁性层之间的磁性隧道结(MTJ)堆叠，其中一个磁性层被称为参考层(RL)，其磁化被固定在一个方向上；并且另一个被称为自由层(FL)，其磁化可以被旋转成与RL磁化平行或反平行，这由通过以下操作自旋转移矩来实现的：分别将电流从MTJ的RL通过MgO势垒层到FL或从MTJ的FL通过MgO势垒层到RL来完成信息写入和存储。存储在FL层中的信息可以在由电流传过MTJ堆叠之后基于隧穿磁阻(TMR)效应读出，在FL磁化与RL磁化反平行或平行存储时，分别获得最大电阻或最小电阻。