本發(fā)明屬于磁存儲技術領域，更具體地，涉及一種用于實現(xiàn)自旋扭矩傳遞切換的磁性元件、制備方法及磁存儲器件。

背景技術：

垂直磁各向異性磁隧道結(mtj)是磁性多層膜自旋閥器件或磁性存儲位單元的一個核心組成部分。它由薄膜絕緣層及由其所隔離的兩個具有垂直磁各向異性的鐵磁層形成高自旋極化穿隧接合。薄膜絕緣層的應用使電子可以從一個鐵磁層穿隧到另一個鐵磁層。在結晶型薄膜絕緣層的場合，鐵磁層在外磁場或自旋扭矩傳遞作用下形成的平行和反平行狀態(tài)。由此電子能帶結構產(chǎn)生不對稱導電通道(conductivechannels)及電導傳輸，并形成巨大的隧道磁阻(tmr)效應。在一個具有垂直磁各向異性的典型結構配置中，第一鐵磁層(磁自由層)的垂直磁化可以在外加磁場中自由旋轉，而第二鐵磁層的垂直磁化被固定或釘扎以作為自旋偏振器。該磁隧道結被連接到由一個或多個起開關作用的半導體晶體管(電路)(cmos)以構成stt-mram的存儲位單元。其中第一鐵磁層的垂直磁化方向由于自旋扭矩傳遞效應可單獨旋轉或開關。相較于其反平行排列，如果兩個鐵磁層的垂直磁化方向平行排列，則傳導電子將更有可能通過隧道效應穿隧絕緣層。因此，該磁隧道結可以實現(xiàn)在高和低電阻兩狀態(tài)之間相互切換，并以非易失性方式(non-volatile)記錄存儲數(shù)據(jù)信息。

由自旋扭矩傳遞誘起磁自由層的垂直磁化旋轉或開關所需的自旋極化電流與來自該層對應的垂直磁各向異性場(perpendicularanisotropyfield)成正比關系。垂直磁化的開關特性直接決定stt-mram的存儲位單元(storagebitcell)的可寫性(writeability)。降低開關電流密度jc是減小半導體晶體管cmos尺寸，實現(xiàn)低功耗和高密度stt-mram的關鍵。同時，磁性元件的熱穩(wěn)定性也正比于磁自由層的垂直各向異性場，它決定數(shù)據(jù)信息在stt-mram存儲器內的保持期(dataretention)。該參量的大小取決于stt-mram存儲器的存儲容量，應用和使用工作條件?？偟膩碚f，在降低寫開關電流密度和提高磁性器件的熱穩(wěn)定性兩者之間，需要均衡或合理折衷以滿足磁性器件和stt-mram存儲器優(yōu)化及正常運作。隨半導體技術節(jié)點的降低，其自旋扭矩傳遞開關電流或寫入電流在同樣熱穩(wěn)定性設計時大致保持恒定。在實際工程實踐上，其技術挑戰(zhàn)仍在于降低自旋扭矩傳遞開關電流或寫入電流而同時保持設計所要求的熱穩(wěn)定性。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提供了一種用于實現(xiàn)自旋扭矩傳遞切換的磁性元件，其目的在于能夠實現(xiàn)在大信號條件下存儲器系統(tǒng)的高速和高記錄密度。

本發(fā)明提供了一種用于實現(xiàn)自旋扭矩傳遞切換的磁性元件，所述磁性元件包括：第一垂直各向異性磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一非磁性隔離層，附著于所述第一垂直各向異性磁固定層上；垂直各向異性磁自由層，附著于所述第一非磁性隔離層上，所述垂直各向異性磁自由層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第二非磁性隔離層，附著于所述垂直各向異性磁自由層上；第二垂直各向異性磁固定層，附著于所述第二非磁性隔離層上，所述第二垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；以及覆蓋層，附著于所述第二垂直各向異性磁固定層上，且與半導體晶體管電路連接；當寫電流通過該磁性元件時，垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關。

本發(fā)明提供具有雙釘扎結構的垂直磁各向異性磁隧道結(dmtj)和由此構成的磁性存儲位單元及存儲器系統(tǒng)構建方案，以進一步降低自旋扭矩傳遞開關電流和實現(xiàn)stt-mram存儲器高記錄密度。相較于單釘扎結構的垂直磁各向異性磁隧道結構型，具有反平行排列的雙釘扎鐵磁層的垂直磁化增加了作用于磁自由層上的自旋扭矩傳遞效應。降低了自旋扭矩傳遞開關電流或記錄存儲的寫入電流。其次，通過優(yōu)化設計存儲位單元中的垂直各向異性磁隧道結(dmtj)結構，在降低自旋扭矩傳遞開關電流或寫入電流的同時，保持磁隨機存取存儲器安定的熱穩(wěn)定性。通過應用本發(fā)明開示的相關磁性元件和存儲器系統(tǒng)集成的方法及系統(tǒng)，以實現(xiàn)在大信號條件下存儲器系統(tǒng)的高速和高記錄密度。

本發(fā)明還提供了一種用于實現(xiàn)自旋扭矩傳遞切換的磁性元件，其特征在于，包括：第一垂直各向異性磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一非磁性層間耦合層，附著于所述第一垂直各向異性磁固定層上；第一垂直各向異性磁參照層，附著于所述第一非磁性層間耦合層上，并通過第一非磁性層間耦合層與第一垂直各向異性磁固定層構成反鐵磁耦合結構；所述第一垂直各向異性磁參照層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一中間層，附著于所述第一垂直各向異性磁參照層上；高自旋極化率磁參照層子層，附著于所述第一中間層上，并通過所述第一中間層與第一垂直各向異性磁參照層形成鐵磁耦合的垂直各向異性復合型磁參照層結構；第一隧穿勢壘層包括mgo結晶層，附著于所述高自旋極化率磁參照層子層上；高自旋極化率磁自由層子層，附著于所述第一隧穿勢壘層包括mgo結晶層上；第二中間層，附著于所述高自旋極化率磁自由層子層上；垂直各向異性磁自由層，附著于所述第二中間層上，并通過所述第二中間層與高自旋極化率磁自由層子層進行鐵磁性耦合形成復合型磁自由層，所述垂直各向異性磁自由層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第二隧穿勢壘層，附著于所述垂直各向異性磁自由層上，包括mgo結晶層；第二垂直各向異性磁固定層，附著于所述第二隧穿勢壘層上，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，第二垂直各向異性磁固定層與垂直各向異性復合型磁參照層的垂直磁化互為反平行排列，以及覆蓋層，附著于所述第二垂直各向異性磁固定層上，且與半導體晶體管電路連接；其中第一中間層和第二中間層為磁性中間層或非磁性中間層；當寫電流通過所述磁性元件時，垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關。

本發(fā)明還提供了一種用于實現(xiàn)自旋扭矩傳遞切換的磁性元件，其特征在于，包括：第一垂直各向異性磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一非磁性層間耦合層，附著于所述第一垂直各向異性磁固定層上；第一垂直各向異性磁參照層，附著于所述第一非磁性層間耦合層上，所述第一垂直各向異性磁參照層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；由第一垂直各向異性磁固定層、第一非磁性層間耦合層和所述第一垂直各向異性磁參照層形成反鐵磁耦合結構；第一中間層，附著于所述第一垂直各向異性磁參照層上；第一高自旋極化率磁參照層子層，附著于所述第一中間層上，由第一垂直各向異性磁參照層、第一中間層和第一高自旋極化率磁參照層子層形成鐵磁耦合的垂直各向異性復合型磁參照層；第一隧穿勢壘層，附著于所述第一高自旋極化率磁參照層子層上，包括mgo結晶層；第一高自旋極化率磁自由層子層，附著于所述第一隧穿勢壘層上；第二中間層，附著于所述第一高自旋極化率磁自由層子層上；垂直各向異性磁自由層，附著于所述第二中間層上，所述垂直各向異性磁自由層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第三中間層，附著于所述垂直各向異性磁自由層上；第二高自旋極化率磁自由層子層，附著于所述第三中間層上；第二隧穿勢壘層，附著于所述第二高自旋極化率磁自由層子層上，包括mgo結晶層；第二高自旋極化率磁參照層子層，附著于所述第二隧穿勢壘層上；第四中間層，附著于所述第二高自旋極化率磁參照層子層上；第二垂直各向異性磁參照層，附著于所述第四中間層上，所述第二垂直各向異性磁參照層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第二非磁性層間耦合層，附著于所述第二垂直各向異性磁參照層上；第二垂直各向異性磁固定層，附著于所述第二非磁性層間耦合層上，所述第二垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；以及覆蓋層，附著于所述第二垂直各向異性磁固定層上，且與半導體晶體管電路連接；其中第一中間層、第二中間層、第三中間層和第四中間層為磁性中間層或非磁性中間層；當寫電流通過磁性元件時，垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關。

本發(fā)明還提供了一種用于實現(xiàn)自旋扭矩傳遞切換的磁性元件，包括：第一垂直各向異性磁固定層，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一非磁性層間耦合層，附著于所述第一垂直各向異性磁固定層上；第一垂直各向異性磁參照層，附著于所述第一非磁性層間耦合層上，所述第一垂直各向異性磁參照層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，且磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一中間層，附著于所述第一垂直各向異性磁參照層上；第一高自旋極化率磁參照層子層，附著于所述第一中間層上；第一隧穿勢壘層，附著于所述第一高自旋極化率磁參照層子層上，包括mgo結晶層；第一高自旋極化率磁自由層子層，附著于所述第一隧穿勢壘層上；第二中間層，附著于所述第一高自旋極化率磁自由層子層上；第一垂直各向異性磁自由子層，附著于所述第二中間層上，且通過第二中間層與第一高自旋極化率磁自由層子層鐵磁性耦合形成第一復合型磁自由層；第二非磁性層間耦合層，附著于所述第一垂直各向異性磁自由子上；第二垂直各向異性磁自由子層，附著于所述第二非磁性層間耦合層上，且具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第三中間層，附著于所述第二垂直各向異性磁自由子層上；第二高自旋極化率磁自由層子層，附著于所述第三中間層上，且通過第三中間層與第二垂直各向異性磁自由層子層進行鐵磁性耦合形成第二復合型磁自由層，其中，第一復合型磁自由層與第二復合型磁自由層形成反鐵磁性耦合結構；第二隧穿勢壘層，附著于所述第二高自旋極化率磁自由層子層上，包括mgo結晶層；第二高自旋極化率磁參照層子層，附著于所述第二隧穿勢壘層上；第四中間層，附著于所述第二高自旋極化率磁參照層子層上；第二垂直各向異性磁參照層，附著于所述第四中間層上，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，且通過所述第四中間層與第二高自旋極化率磁參照層子層形成鐵磁耦合型的第二垂直各向異性復合型磁參照層；第三非磁性層間耦合層，附著于所述第二垂直各向異性磁參照層上；第二垂直各向異性磁固定層，附著于所述第三非磁性層間耦合層上，具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能，磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，且通過第三非磁性層間耦合層與第二垂直各向異性復合型磁參照層形成反鐵磁耦合結構，第一及第二垂直各向異性復合型磁參照層的垂直磁化互為平行排列；以及覆蓋層，附著于所述第二垂直各向異性磁固定層上，且與半導體晶體管電路連接；其中第一中間層、第二中間層、第三中間層和第四中間層為磁性中間層或非磁性中間層；當寫電流通過該磁性元件時，垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關。

在本發(fā)明中，高自旋極化率具體是指半金屬材料的自旋極化率可高達值1.0.但是，在實際體系中該值遠低于其閾值?，F(xiàn)階段根據(jù)不同定義或包括既有或新材料的實驗體系，高自旋極化率可以是指自旋極化率達到0.3-0.6，甚至是0.7以上的值。

更進一步地，垂直各向異性磁自由層、垂直各向異性磁自由子層、垂直各向異性磁參照層、垂直各向異性磁參照子層、垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性磁固定子層中，至少其中之一包含由過渡族金屬co，fe，ni或它們的合金與貴金屬ag，au，pt，pd交互而成的，具有[cot1/ptt2]n或[cot1/pdt2]n構型的多層膜結構；且多層膜結構包括超薄型多層膜結構，在高溫熱處理固化為有序合金結構，并產(chǎn)生垂直磁各向異性；其中n≥1。

其中，超薄型多層膜結構中的超薄型具體是指薄至0.1納米以下(或《1a)；高溫熱處理具體是指高達600c的處理溫度。但在器件工藝中，通常指200-400c更具實際意義。

本發(fā)明提供了具有雙釘扎結構的垂直磁各向異性磁隧道結(dmtj)和由此構成的磁性存儲位單元及存儲器系統(tǒng)，以進一步降低自旋扭矩傳遞開關電流和實現(xiàn)stt-mram存儲器高記錄密度。該雙釘扎結構的垂直磁各向異性磁隧道結(dmtj)由雙釘扎垂直各向異性磁固定層(pl，pl’)，垂直各向異性磁自由層(fl)及隔離前兩者的非磁性隔離層或薄膜絕緣層(sp1，sp2)組成。其中，雙釘扎鐵磁層的垂直磁化被固定或釘扎以作為自旋偏振器，其磁化可具有相互平行或反平行排序。而位于垂直磁各向異性磁隧道結中心的第二鐵磁層(磁自由層)的垂直磁化可以在外加磁場中自由旋轉。其垂直磁化方向由于自旋扭矩傳遞效應可單獨旋轉或開關。相較于單釘扎結構的垂直磁各向異性磁隧道結構型，具有反平行排列的雙釘扎鐵磁層的垂直磁化增加了作用于磁自由層上的自旋扭矩傳遞效應。降低了自旋扭矩傳遞開關電流或記錄存儲的寫入電流。

其次，通過優(yōu)化設計存儲位單元中的垂直各向異性磁隧道結(dmtj)結構，增強磁自由層的垂直各向異性，改善其阻尼特性并提升該垂直各向異性磁隧道結的自旋扭矩傳遞效率，從而解決磁隨機存取存儲器(stt-mram)的技術難點。在降低自旋扭矩傳遞開關電流或寫入電流的同時，保持磁隨機存取存儲器安定的熱穩(wěn)定性。通過應用本發(fā)明開示的相關磁性元件和存儲器系統(tǒng)集成的方法及系統(tǒng)，可實現(xiàn)在大信號條件下存儲器系統(tǒng)的高速和高記錄密度。綜上所述，本發(fā)明提供的stt-mram存儲器具有如下技術優(yōu)點：

(1)在保證器件的熱穩(wěn)定性的情況下，垂直各向異性dmtj磁隧道結元件的寫入電流可減低至數(shù)十微安或更低?；蛟?0納米或以下的技術節(jié)點領域，進一步增加存儲位單元的寫操作裕度，拓展stt-mram存儲器的可擴展性(scalability)及在高密度數(shù)據(jù)存儲和記憶中的應用。同時該磁隧道結元件也可應用于多比特(multi-levelbit)器件設計。

(2)由于垂直各向異性dmtj磁隧道結元件的垂直磁化的雜散磁場分布范圍縮窄，降低磁隧道結元件之間的外場相互作用和干擾，及寫入電流分布。有利于stt-mram存儲器的安定性的提高和高密度化。

(3)在技術節(jié)點(technologynode)減小至20納米或以下，其熱穩(wěn)定性仍可滿足設計要求。有利于stt-mram存儲器的高密度化。同時，stt-mram存儲器屬于非揮發(fā)性存儲器，具有良好的數(shù)據(jù)信息保持期(dataretention)。

(4)由于stt-mra存儲器具有高速讀/寫功能。寫操作可以在短至幾納秒(nano-seconds)內完成。具有寫周期的優(yōu)異耐久性(endurance)。按一般設計，耐久性可高達10¹⁶寫周期。

(5)stt-mram存儲器屬于低功耗存儲器。在典型的使用情況下，讀/寫操作的運行功耗僅為幾個微微焦耳(pico-joule)，適合于在低功耗和移動設備上的應用。

(6)stt-mram存儲器具備良好的系統(tǒng)及工藝兼容性。stt-mram適用于兼容并取代soc內的存儲器元件，諸如rom和dram存儲器等，以節(jié)省空間，提高的存儲器集成度，降低功耗，提高性能及功效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件中的垂直各向異性磁自由層之參數(shù)設計滿足存儲器系統(tǒng)所需的熱穩(wěn)定性的要求的等值線示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件中的垂直各向異性磁自由層之參數(shù)設計同時滿足存儲器系統(tǒng)所需的低開關電流和高熱穩(wěn)定性的要求的等值線示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件的結構示意圖；其中，(a)為現(xiàn)有技術提供的單釘扎結構；(b)為本發(fā)明提供的雙釘扎垂直各向異性磁自旋閥結構。

圖5為本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件結構的另一個實施例；其中，(a)中垂直各向異性磁自由層為單層，(b)中垂直各向異性磁自由層為具有反鐵磁性耦合的復合垂直各向異性磁自由層。

圖6為本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件結構的另一實施例；其中垂直各向異性磁固定層為單層。

圖7為本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件結構的另一實施例；其中垂直各向異性磁固定層為具有反鐵磁性耦合的復合垂直各向異性磁固定層。

圖8為本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件結構的另一實施例。

圖9為本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件結構的另一實施例。

圖10為本發(fā)明實施例提供的stt-mram存儲器的部分存儲位單元陣列結構示意圖；其中(a)中的陣列采用獨立源線的排列結構；(b)中的陣列采用源線共享的排列結構。

圖11為本發(fā)明實施例提供的stt-mram存儲器的部分內存架構。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明旨在實現(xiàn)具有垂直磁各向異性特性(perpendicularanisotropy)的磁性多層膜自旋閥器件及自旋扭矩傳遞磁隨機存取存儲器(stt-mram)。在此類的磁性自旋閥結構中，磁性固定層和自由層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于垂直各向異性的各向異性能。其垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。按磁性機制，它利用垂直磁各向異性(perpendicularanisotropy)及相應的磁化分布來實現(xiàn)信息的磁記錄及存儲。

本發(fā)明利用雙釘扎垂直磁各向異性自旋閥的垂直磁化膜在自旋扭矩傳遞效應下的開關機理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的磁存儲和記錄。并提供該垂直磁各向異性元件及諸如磁隨機存取存儲器(“mram”)的磁存儲系統(tǒng)的設計和制造方法。

圖1示出了本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元，具有雙釘扎結構的垂直各向異性dmtj磁性元件的結構和磁性開關狀態(tài)下磁化形態(tài)配置。其中，cmos為起開關作用的半導體晶體管。dmtj為垂直各向異性磁隧道結，pl，pl’表示垂直各向異性磁固定層，sp1，sp2表示隔離層，fl表示垂直各向異性磁自由層，m1和m’1表示垂直各向異性磁固定層的垂直磁化，m2表示垂直各向異性磁自由層的垂直磁化；bl表示位線，sl表示源線，wl表示字線；iw0，iw1表示不同方向的寫電流。

如圖1所示，本發(fā)明提供的存儲位單元基于1t-1dmtj配置。每個存儲位單元都由一個垂直各向異性磁隧道結(dmtj)，至少一個用于連接并選擇開關磁隧道結的半導體晶體管(cmos)，若干連接其他存儲位單元或外圍電路的字線(wl)，源線(sl)和位線(bl)所構成。并構成具有讀寫操作功能的基本單元。其后位線和源線與雙極寫脈沖發(fā)生器(bipolarwritepulsegenerator)或讀偏置發(fā)生器(readbiasgenerator)連接。

存儲位單元中的垂直各向異性磁隧道結(dmtj)由雙釘扎垂直各向異性磁固定層(pl，pl’)，垂直各向異性磁自由層(fl)及隔離前兩者的雙層非磁性隔離層或薄膜絕緣層(sp1，sp2)組成。非磁性隔離層可以采用雙層薄膜絕緣層，或薄膜絕緣層和非磁性金屬層的組合構型。在一個具有垂直磁各向異性的典型結構配置中，薄膜絕緣層及由其所隔離的第一垂直各向異性磁固定層和垂直各向異性磁自由層形成高自旋極化穿隧接合。薄膜絕緣層的應用使電子可以從一個鐵磁層穿隧到另一個鐵磁層。同時，第二薄膜絕緣層的應用還可使電子可以從垂直各向異性磁自由層穿隧到最后的鐵磁層，即第二垂直各向異性磁固定層。其中，作為自旋偏振器，雙釘扎垂直各向異性磁固定層被固定或釘扎并具有相互平行或反平行磁化。位于垂直磁各向異性磁隧道結中心的第二鐵磁層(磁自由層)的垂直磁化可以在外加磁場中自由旋轉。其垂直磁化方向由于自旋扭矩傳遞效應可單獨旋轉或開關。該類型的磁隧道結所具有的宏觀垂直磁各向異性來自磁性薄膜的內在垂直結晶各向異性。也包括來自在部分或局部磁性層以及多層膜界面產(chǎn)生的誘發(fā)垂直磁各向異性，或源自于磁性層的超晶格構造及其能帶結構特性而引起的垂直磁各向異性。

當在存儲位單元寫入“0”時，加在位線(bl)上的寫電壓為正vdd，源線(sl)接地。此時字線(wl)在vdd或更高的電壓下被激活。寫入電流iw0經(jīng)位線通過垂直各向異性磁隧道結及半導體晶體管流入源線或接地端。而電子流向與電流相反，從垂直各向異性磁固定層流向垂直各向異性磁自由層。由于自旋扭矩傳遞效應，磁自由層的垂直磁化切換到與固定層垂直磁化相平行的狀態(tài)。相反的，當在存儲位單元寫入“1”時，位線被選擇性接地，而正vdd的寫電壓加在源線上。寫入電流iw1與先前寫入電流iw0的方向相反。半導體晶體管上的柵源極偏壓vgs是vwl–vmtj。因此此時從該半導體晶體管流過的電流比寫“0”操作時(vgs＝vwl)的電流為低。最終，寫入電流和其非對稱性成為決定存儲位單元的大小及stt-mram存儲器的存儲密度的關鍵因素之一。對同樣大小的存儲位單元，高性能晶體管可以比低功率晶體管(nmos)提供更多的電流以支持存儲位單元的寫操作。

圖2示出了本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件設計。該磁性元件的垂直各向異性磁自由層之參數(shù)設計滿足存儲器系統(tǒng)所需的熱穩(wěn)定性的要求。其中，ms表示垂直各向異性磁自由層的垂直磁化，hpk表示其垂直各向異性磁各向異性場；thermalfactor表示熱穩(wěn)定系數(shù)。

本發(fā)明提供使用于stt-mram存儲位單元內的垂直各向異性dmtj磁隧道結的元件結構設計。圖2的等值線顯示熱穩(wěn)定系數(shù)(thermalstabilityfactor)與垂直各向異性磁自由層的垂直各向異性場，hpk，和垂直磁化，ms，的內在關系。垂直各向異性場對應于垂直各向異性磁隧道結元件的垂直磁各向異性。磁隧道結的設計工作點及范圍(hpki，msi；i＝1，2，3，4…)決定于熱穩(wěn)定系數(shù)(thermalstabilityfactor)，器件容量(存儲密度)及工作條件要求。隨著對熱穩(wěn)定系數(shù)要求的提高，設計工作點(hpk1，ms1)隨之移向高位點(hpk2，ms2)。對于一定的熱穩(wěn)定系數(shù)要求，采用偏低的垂直各向異性場hpk和稍高的垂直磁化ms組合設計可能更有利于器件的性能改善。

圖3示出了本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件設計。該磁性元件的垂直各向異性磁自由層之參數(shù)設計同時滿足存儲器系統(tǒng)所需的低開關電流和高熱穩(wěn)定性的要求。其中，thermalfactor表示熱穩(wěn)定系數(shù)；jsw表示該垂直各向異性磁自由層的垂直磁化的切換電流密度；α表示磁自由層的阻尼系數(shù)，η表示該磁隧道結的自旋扭矩傳遞效率；hpnmos為高性能半導體晶體管，lponmos為低功率半導體晶體管。

圖3的特征線示出了在自旋扭矩傳遞效應下垂直各向異性磁自由層的垂直磁化的切換特性，以及其特性對于垂直磁各向異性磁隧道結的釘扎構型的依存性。在熱穩(wěn)定性系數(shù)確定，采用雙釘扎垂直磁各向異性磁隧道結的情況下，垂直各向異性磁自由層的阻尼系數(shù)和自旋扭矩傳遞效率比的降低使得寫操作電流減小，設計工作點(jsw3，δ2)隨之移向低位點(jsw2，δ2)，有利于磁性器件的高密度化和大容量化。另一方面，在寫電流有限，同樣采用雙釘扎垂直磁各向異性磁隧道結的情況下，設計工作點(jsw3，δ2)隨之移向同位點(jsw3，δ3)，但是δ3>δ1。即在有限的寫電流情況下極大地保證器件的熱穩(wěn)定性。當使用低功率(lpo)半導體晶體管nmos時，在有限的寫電流情況下為了保證器件的熱穩(wěn)定性它要求較低的垂直各向異性磁自由層的阻尼系數(shù)和自旋扭矩傳遞效率比。寫操作設計工作點定位于dmtj磁隧道結的特征線上(jsw1，δ1；jsw2，δ2；lopnmos)不失為一種合理的選擇。而當使用高性能(hp)半導體晶體管nmos時，在保證一定的器件熱穩(wěn)定性情況下，寫操作設計工作電流得到大幅的增加，擴大了垂直各向異性磁自由層的阻尼系數(shù)和自旋扭矩傳遞效率比的調控范圍。隨著熱穩(wěn)定性要求的增加寫操作設計工作點從(jsw3，δ2；lopnmos)轉變到(jsw3，δ3；hpnmos)，其中jsw1<jsw3和δ3>δ1。對于垂直各向異性磁隧道結元件而言，這意味著采用較大的垂直磁化ms和較低垂直各向異性場的設計指標，以兼顧并使其擁有良好的熱穩(wěn)定性和自旋扭矩傳遞開關特性。

圖4示出了本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件實施例。作為對照構型的單雙釘扎(圖4a)和本發(fā)明的雙釘扎(圖4b)垂直各向異性磁自旋閥結構(spinvalve)。其中，pl，pl’表示反平行配置的雙釘扎垂直各向異性磁固定層，spacerlayer1，2(sp1，sp2)表示隔離層，fl表示垂直各向異性磁自由層，m1和m’1表示垂直各向異性磁固定層的垂直磁化，m2表示垂直各向異性磁自由層的垂直磁化。

相較于對照構型的單雙釘扎垂直各向異性磁自旋閥結構(圖4a)，如圖1和圖4b所示，本發(fā)明提供下述使用在stt-mram存儲位單元中的雙釘扎垂直各向異性dmtj磁隧道結元件結構。該磁隧道結元件由第一垂直各向異性磁固定層(pl)，第一非磁性隔離層或薄膜絕緣層(或隧穿勢壘層)(sp1)，垂直各向異性磁自由層(fl)，第二非磁性隔離層或薄膜絕緣層(sp2)和第二垂直各向異性磁固定層(pl’)構成。雙釘扎垂直各向異性磁固定層被固定或釘扎并具有相互反平行磁化。非磁性隔離層可以采用雙層薄膜絕緣層，或薄膜絕緣層和非磁性金屬層的組合構型。垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能。該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。磁隧道結的覆蓋層(和位于磁隧道結底部的籽晶層(seedlayer)在圖中未示出)鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導體晶體管電路的連接部分(contact)。當寫電流(writecurrent)通過該磁性元件時，它的構造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關。在反平行磁化雙釘扎垂直各向異性磁固定層構型中，有效自旋扭矩傳遞的效率增加，這將有助于提高自旋扭矩傳遞效應，并降低寫操作開關電流。

該垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層可為磁單層或多層膜結構。其磁多層膜結構可以是以自身的鐵磁性子層(magneticsublayer)由不同的鐵磁性材料介在其間以鐵磁性耦合而成，也可以是這些鐵磁性子層由不同的非磁性材料的中間層以鐵磁性耦合而成。而且，其鐵磁性子層本身亦可為磁單層或多層膜結構。具體的開示可歸納為以下類別和優(yōu)選實施例。

垂直各向異性磁自由層或任一垂直各向異性固定層可以由鐵磁性子層與其他鐵磁性材料中間層以鐵磁性耦合形成的重復性多層膜結構組成。其中，鐵磁性子層和鐵磁性中間層都包括過渡族金屬co，fe，或ni，或它們的結晶性二元合金(如鈷鐵，鐵鈷，nife合金)或三元合金(如cofeni或feconi合金)，或與硼或其他無定形非晶合金形成元素構成的磁性非晶合金(如cofeb，cofe(al，si)非晶合金)，或基于上述鐵磁性金屬，合金而形成的氧化物，氮化物或氮氧化物。在其中一例優(yōu)選實施例中，垂直各向異性磁自由層，垂直各向異性固定層或兩者由鐵磁性子層co與鐵磁性中間層ni以鐵磁性耦合形成的重復性多層膜結構組成。該垂直各向異性多層膜co/ni可具有(001)，(011)或(111)結晶織構。

此外，垂直各向異性磁自由層或任一垂直各向異性固定層也可以由鐵磁性子層與非磁性材料的中間層以鐵磁性耦合形成的重復性多層膜結構組成。其中，鐵磁性子層包括過渡族金屬co，fe，或ni，或它們的結晶性二元合金(如鈷鐵，鐵鈷，nife合金)或三元合金(如cofeni或feconi合金)，或與硼或其他無定形非晶合金形成元素構成的磁性非晶合金(如cofeb，cofe(al，si)非晶合金)。而非磁性中間層包括貴金屬(noblemetals)，一般性的非磁性金屬及其合金。它們可以是ag，au，pt，pd；cu，cr，mg，al，mn，ru，rh，ir，鉭，鈦，鋯，鉿；它們之間的非磁性二元或多元合金；或由超過一種以上的上述非磁性材料構成的多層結構；或基于上述非磁性金屬，合金或多層結構而形成的氧化物，氮化物或氮氧化物。在其中一例優(yōu)選實施例中，由鐵磁性子層co與非鐵磁性中間層pt以鐵磁性耦合形成的重復性多層膜結構。還包括co/ag，co/au到co/pt，co/pd多層膜結構。其磁性垂直各向異性由弱轉強并具有可調節(jié)性。

此外，垂直各向異性磁自由層或任一垂直各向異性固定層也可以是鐵磁性鈷鐵或鐵鈷合金與硼或其他無定形非晶合金形成元素構成的磁性非晶合金薄膜層。并且它們由界面與磁隧道結的隧穿勢壘層相連接，并由鐵(fe)的3d和氧(o)的2p軌道雜交形成磁垂直各向異性。在其中一例優(yōu)選實施例中，mgo薄膜絕緣層與無定形非晶合金薄膜組成mgo/cofeb(tf)和cofeb(tf)/mgo結構；其中tf<1.5納米(nm)。該界面結構提供垂直各向異性磁自由層和固定層高自旋極化率或自旋扭矩傳遞效率和磁垂直各向異性。

在另一例利用軌道雜交形成磁垂直各向異性的優(yōu)化實例中，垂直各向異性磁自由層由mgo(barrier)/cofeb/ta(mgo)/cofeb/mgo(ta，cap)結構的多層膜構成。該多層膜還可以其納米量級的薄膜單元結構cofeb/ta(mgo)進行周期復制以增加多層膜的集成厚度。其中，非磁性金屬中間層ta可以用金屬氧化物層mgo薄層加以置換。反之依然，金屬氧化物層mgo(cap)構成的非磁性覆蓋層亦可以用非磁性金屬層ta同時加以置換。這里，非磁性金屬中間層(覆蓋層)除使用ta外，還可使用金屬鈦，鋯，鉿，ag，au，pt，pd；cu，cr，mg，al，mn，ru，rh，ir，或它們之間的非磁性二元或多元合金。同樣，非磁性金屬中間層(覆蓋層)除使用mgo外，還可使用諸如alox，taox，tiox，znox等基于上述非磁性金屬，合金或多層結構而形成的氧化物，氮化物或氮氧化物。

該垂直各向異性磁隧道結的薄膜絕緣層或隧穿勢壘層可以具有結晶或無定形非晶結構?？梢跃呤?001)mgo結晶體氧化層，或由元素al，ti，ta，zn，hf和zr所形成的非晶體氧化層。它也可以是由這些不同氧化物之間形成的混合或化合物組成的氧化層。它也可以是由上述不同的元素或合金的氮氧化物層，或由超過一種以上的上述元素構成的多層結構。隧穿勢壘層可以利用濺射金屬薄膜的自然氧化或等離子體氧化法實現(xiàn)，或采用射頻濺射氧化物靶材的方法制成。

該垂直各向異性磁隧道結的金屬性非磁性隔離層還可是金屬鈦，鋯，鉿，ag，au，pt，pd；cu，cr，mg，al，mn，ru，rh，ir,它們之間的二元或多元合金，或它們與磁性過渡族金屬co，fe，或ni之間形成的非磁性二元或多元合金。

圖5示出了本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件另一實施例。該磁性元件為具有平行配置的雙釘扎垂直各向異性磁固定層的磁自旋閥結構。其中，垂直各向異性磁自由層為單層(圖5a)或具有反鐵磁性耦合的復合垂直各向異性磁自由層(圖5b)。pl，pl’表示平行配置的雙釘扎垂直各向異性磁固定層，sp1，sp2表示隔離層，fl，fl’表示垂直各向異性磁自由單層或子層，interlayercouplelayer表示位于復合垂直各向異性磁自由層中的反鐵磁性耦合中間層，m1和m’1表示垂直各向異性磁固定層的垂直磁化，m2，m’2表示垂直各向異性磁自由(子)層的垂直磁化。

如圖5所示，本發(fā)明提供下述使用在stt-mram存儲位單元中的雙釘扎垂直各向異性dmtj磁隧道結元件結構。該磁隧道結元件由第一垂直各向異性磁固定層(pl)，第一非磁性隔離層或薄膜絕緣層(sp1)，垂直各向異性磁自由層(fl)(圖5(a))或復合垂直各向異性磁自由層(fl，fl’)(圖5(b))，第二非磁性隔離層或薄膜絕緣層(sp2)，第二垂直各向異性磁固定層(pl’)構成。雙釘扎垂直各向異性磁固定層被固定并具有相互平行磁化。非磁性隔離層可以采用雙層薄膜絕緣層，或薄膜絕緣層和非磁性金屬層的組合構型。相較于對單體垂直各向異性磁自由層結構(圖5a)，如圖5b所示，復合垂直各向異性磁自由層由磁自由子層fl，fl’反鐵磁性耦合而成。其中，垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能。該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。磁隧道結的覆蓋層(和位于磁隧道結底部的籽晶層(seedlayer)在圖中未示出)鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導體晶體管電路的連接部分(contact)。當寫電流(writecurrent)通過該磁性元件時，它的構造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關。而在平行磁化雙釘扎垂直各向異性磁固定層構型中，有效自旋極化率得到提高，有助于提高電子隧穿效應增加tmr和stt-mram存儲位單元的寫操作裕度(operationmargin)。如圖5b所示，當使用反鐵磁性耦合的復合垂直各向異性磁自由層時，由于磁自由子層間的反平行磁化排列，形成類似于反平行磁化雙釘扎垂直各向異性磁固定層的局部構型。由此有效自旋扭矩傳遞效率增加，并伴隨寫操作開關電流的降低。同時，復合垂直各向異性磁自由層的反鐵磁性耦合強度和磁自由子層之結構加以優(yōu)化以實現(xiàn)寫操作的安定性。

該垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層及其磁性子層可具有上述磁性垂直各向異性薄膜之中的任何一種或組合結構。其磁性材料結構可以相同或相異，但其結構或構成須滿足復合垂直各向異性磁自由層或磁固定層的設計要求。而用于反鐵磁耦合的復合垂直各向異性磁固定層的中間層可以是ru，rh，cr，ti，zr，hf，ta，cu，ag，au，pt，pd，mg，al，或它們的合金。

圖6示出了本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件另一實施例。該磁性元件為具有反平行配置的雙釘扎垂直各向異性磁固定層的磁自旋閥結構。其中，垂直各向異性磁固定層為單層(圖6)或具有反鐵磁性耦合的復合垂直各向異性磁固定層(圖7)，垂直各向異性磁自由層為具有鐵磁性耦合的復合型磁自由層。pl1，pl’1，pl”1，pl2和pl’2順次表示垂直各向異性磁固定(子)層，sp1，sp2表示隔離層，fl，fl’表示垂直各向異性磁自由子層，intermediatelayer1，2表示位于復合型磁固定層及自由層中的第一，第二鐵磁性耦合中間層，interlayercouplelayer(1)，2表示位于復合垂直各向異性磁固定層中的反鐵磁性耦合中間層。m1，m’1，m”1，m3和m’3順次表示復合型垂直各向異性磁固定(子)層的垂直磁化，m2和m’2表示垂直各向異性磁自由層的兩磁性子層的垂直磁化。

如圖6、圖7所示，本發(fā)明提供下述使用在stt-mram存儲位單元中的雙釘扎垂直各向異性dmtj磁隧道結元件結構。該磁隧道結元件由第一復合垂直各向異性磁固定層(pl1，pl’1，pl”1)，第一非磁性隔離層或薄膜絕緣層(sp1)，復合垂直各向異性磁自由層(fl，fl’)，第二非磁性隔離層或薄膜絕緣層(sp2)，第二垂直各向異性磁固定層(pl2)(圖6)或第二復合垂直各向異性磁固定層(pl2，pl’2)(圖7)構成。磁隧道結的覆蓋層(和位于磁隧道結底部的籽晶層(seedlayer)在圖中未示出)鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導體晶體管電路的連接部分(contact)。當寫電流(writecurrent)通過該磁性元件時，它的構造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關。

其中，垂直各向異性磁性子層pl”1及fl為高自旋極化率磁參照子層和磁自由子層。pl”1和另一垂直各向異性磁參照子層pl’1夾第一鐵磁性耦合中間層形成復合垂直各向異性磁參照層。該結構繼而與垂直各向異性磁固定子層pl1夾反鐵磁性耦合中間層構成第一復合垂直各向異性磁固定層。同樣，fl和fl’夾第二鐵磁性耦合中間層形成復合垂直各向異性磁自由層。垂直各向異性磁參照子層pl2與垂直各向異性磁固定子層pl’2夾第二反鐵磁性耦合中間層構成第二復合垂直各向異性磁固定層(圖7)。此處，垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能。該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。而且，垂直各向異性磁自由層兩側的雙釘扎垂直各向異性磁參照(子)/固定層pl”1和pl2被固定并具有相互反平行磁化排列。即兩垂直各向異性磁固定層之一具有反鐵磁性耦合結構。但是另一垂直各向異性磁固定層為磁性單層膜結構。作為一般性論述，雙釘扎之垂直各向異性磁參照(固定)和固定層可以分別是由相關磁性材料組成的磁性單層或具有反鐵磁性耦合及中間層結構的磁性多層膜。兩垂直各向異性磁固定層之一具有偶數(shù)層垂直各向異性磁性子層與非磁性中間層構成的反鐵磁性耦合多層膜結構。但是另一垂直各向異性磁固定層具有基數(shù)層垂直各向異性磁性子層與非磁性中間層構成的反鐵磁性耦合多層膜結構構成的反鐵磁性耦合多層膜結構)。在垂直各向異性磁自由層兩側，它們的垂直磁化成反平行磁化排列。有效自旋扭矩傳遞的效率將增加，有助于提高自旋扭矩傳遞效應并降低寫操作開關電流。

其中，該磁隧道結元件的復合垂直各向異性磁固定層的子層和垂直各向異性磁自由層則可具有上述之磁性垂直各向異性膜之中的任何一種或組合結構。其磁性材料結構可以相同或相異，但其結構或構成須滿足復合垂直各向異性磁自由層或磁固定層的設計要求。此外，雙固定垂直各向異性磁隧道結mtj元件的第二隔離層(sp2)亦可以是金屬導電層而非氧化物隧道阻擋層。它可以是單體金屬層如ru，rh，鉭，鈦，鋯，鉿，cu，ag，au，pt，pd，cr，mg，al，或它們的合金或多層膜。而用于反鐵磁耦合的復合垂直各向異性磁固定層的中間層可以是ru，rh，cr，ti，zr，hf，ta，cu，ag，au，pt，pd，mg，al，或它們的合金。其使用于復合垂直各向異性磁固定層和自由層內的鐵磁性耦合中間層可以是ru，rh，鉭，鈦，鋯，鉿，cu，ag，au，pt，pd，cr，mg，al，鐵，鈷，鎳或鈷鐵或鐵鈷等它們的鐵磁性合金，非晶化合金，或它們的多層膜，氧化物，氮化物或氮氧化物。

圖8示出了本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件另一實施例。該磁性元件為具有平行配置的雙釘扎垂直各向異性磁固定層的磁自旋閥結構。其中，垂直各向異性磁固定層為具有反鐵磁性耦合的復合垂直各向異性磁固定層，垂直各向異性磁自由層為具有鐵磁性耦合的復合型磁自由層。pl1，pl’1，pl”1，pl2，pl’2和pl”2順次表示垂直各向異性磁固定子層，sp1，sp2表示隔離層，fl，fl’和fl‘’表示垂直各向異性磁自由子層，intermediatelayer1，2，3和4順次表示位于復合型磁固定層及自由層中的鐵磁性耦合中間層，interlayercouplelayer1，2表示位于復合垂直各向異性磁固定層中的反鐵磁性耦合中間層。m1，m’1，m”1，m3，m‘3和m”3順次表示復合型垂直各向異性磁固定子層的垂直磁化，m2，m’2和m”2表示垂直各向異性磁自由子層的垂直磁化。

如圖8所示，本發(fā)明提供下述使用在stt-mram存儲位單元中的雙釘扎垂直各向異性dmtj磁隧道結元件結構。該磁隧道結元件由第一復合垂直各向異性磁固定層(pl1，pl’1，pl”1)，第一非磁性隔離層或薄膜絕緣層(sp1)，復合垂直各向異性磁自由層(fl，fl’，fl”)，第二非磁性隔離層或薄膜絕緣層(sp2)，第二復合垂直各向異性磁固定層(pl2，pl’2，pl‘’2)構成。磁隧道結的覆蓋層(和位于磁隧道結底部的籽晶層(seedlayer)在圖中未示出)鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導體晶體管電路的連接部分(contact)。當寫電流(writecurrent)通過該磁性元件時，它的構造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關。

其中，垂直各向異性磁性子層pl”1，pl2及fl，fl”為高自旋極化率磁參照子層和磁自由子層。pl”1和垂直各向異性磁參照子層pl’1夾第一鐵磁性耦合中間層形成第一復合垂直各向異性磁參照層。同樣，pl”1和另一垂直各向異性磁參照子層pl’1夾第一鐵磁性耦合中間層形成頂部第二復合垂直各向異性磁參照層。繼而第一(第二)復合垂直各向異性磁參照層與垂直各向異性磁固定子層pl1(pl‘’2)夾第一(第二)反鐵磁性耦合中間層構成第一(第二)復合垂直各向異性磁固定層。依此fl，fl’和fl”分別夾第二，第三鐵磁性耦合中間層形成復合垂直各向異性磁自由層。此處，垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能。該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。而且，垂直各向異性磁自由層兩側的雙釘扎垂直各向異性磁參照(子)/固定層pl”1和pl2被固定并具有相互平行磁化排列。雙釘扎垂直各向異性磁固定層均具有反鐵磁性耦合結構。從一般性論述，雙釘扎之垂直各向異性磁參照(固定)和固定層可以分別是由相關磁性材料組成的磁性單層或具有反鐵磁性耦合及中間層結構的磁性多層膜。兩垂直各向異性磁固定層同時具有相同層數(shù)的垂直各向異性磁性子層與非磁性中間層構成的反鐵磁性耦合多層膜結構。在垂直各向異性磁自由層兩側，兩垂直各向異性磁固定層的磁化成平行排列。自旋轉移的效率將得到提高，有助于提高電子隧穿效應增加tmr和stt-mram存儲位單元的寫操作裕度(operationmargin)。

其中，該磁隧道結元件的復合垂直各向異性磁固定層的子層和垂直各向異性磁自由層則可具有上述之磁性垂直各向異性膜之中的任何一種或組合結構。其磁性材料結構可以相同或相異，但其結構或構成須滿足復合垂直各向異性磁自由層或磁固定層的設計要求。此外，雙固定垂直各向異性磁隧道結mtj元件的第二隔離層(sp2)，用于反鐵磁耦合的復合垂直各向異性磁固定層的中間層，以及使用于復合垂直各向異性磁固定層和自由層內的鐵磁性耦合中間層亦可以是上述相對分類中的任何一種，或組合形態(tài)與結構。

圖9示出了本發(fā)明實施例提供的stt-mram的存儲位單元中的垂直各向異性dmtj磁性元件另一實施例。該磁性元件為具有平行配置的雙釘扎垂直各向異性磁固定層的磁自旋閥結構。其中，垂直各向異性磁固定層為具有反鐵磁性耦合的復合垂直各向異性磁固定層，垂直各向異性磁自由層為具有反鐵磁性耦合的復合型磁自由層。pl1，pl’1，pl”1，pl2，pl’2和pl”2順次表示垂直各向異性磁固定子層，sp1，sp2表示隔離層，fl，fl’，fl”和fl“’表示垂直各向異性磁自由子層，intermediatelayer1，2，3和4順次表示位于復合型磁固定層及自由層中的鐵磁性耦合中間層，interlayercouplelayer1，2和3表示位于復合垂直各向異性磁固定層及自由層中的反鐵磁性耦合中間層。m1，m’1，m”1，m3，m‘3和m”3順次表示復合型垂直各向異性磁固定子層的垂直磁化，m2，m’2，m’‘2和m”’2表示垂直各向異性磁自由子層的垂直磁化。

如圖9所示，本發(fā)明提供下述使用在stt-mram存儲位單元中的雙釘扎垂直各向異性dmtj磁隧道結元件結構。該磁隧道結元件由第一復合垂直各向異性磁固定層(pl1，pl’1，pl”1)，第一非磁性隔離層或薄膜絕緣層(sp1)，復合垂直各向異性磁自由層(fl，fl’，fl”，fl”’)，第二非磁性隔離層或薄膜絕緣層(sp2)，第二復合垂直各向異性磁固定層(pl2，pl’2，pl‘’2)構成。其第一和第二復合垂直各向異性磁固定層結構與圖8所示雙釘扎垂直各向異性磁固定層相似。磁隧道結的覆蓋層(和位于磁隧道結底部的籽晶層(seedlayer)在圖中未示出)鄰接垂直各向異性磁自由層和連接半導體晶體管電路的連接部分(contact)。當寫電流(writecurrent)通過該磁性元件時，它的構造使其垂直各向異性磁自由層可通過自旋扭矩傳遞效應在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開關。

其中，垂直各向異性磁性子層pl”1，pl2及fl，fl”’為高自旋極化率磁參照子層和磁自由子層。fl和fl’夾第二鐵磁性耦合中間層形成復合垂直各向異性磁自由子層，與此相似，fl”和fl”’夾第三鐵磁性耦合中間層形成另一復合垂直各向異性磁自由子層。此兩復合垂直各向異性磁自由子層再夾第二反鐵磁性耦合中間層最終形成復合垂直各向異性磁自由層。此處，垂直各向異性磁自由層和垂直各向異性磁固定層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對應于磁性垂直各向異性的各向異性能。該磁性垂直各向異性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。而且，垂直各向異性磁自由層兩側的雙釘扎垂直各向異性磁參照(子)/固定層pl”1和pl2被固定并具有相互平行磁化排列。雙釘扎垂直各向異性磁固定層均具有反鐵磁性耦合結構并有助于提高電子隧穿效應增加tmr和stt-mram存儲位單元的寫操作裕度(operationmargin)。而且在使用反鐵磁性耦合的復合垂直各向異性磁自由層時，由于磁自由子層間的反平行磁化排列，形成類似于反平行磁化雙釘扎垂直各向異性磁固定層的局部構型，增加局域有效自旋扭矩傳遞效率。同時，對復合垂直各向異性磁自由層的反鐵磁性耦合強度和磁自由子層之結構加以優(yōu)化以實現(xiàn)寫操作的安定性。

其中，該磁隧道結元件的復合垂直各向異性磁固定層的子層和垂直各向異性磁自由層則可具有上述之磁性垂直各向異性膜之中的任何一種或組合結構。其磁性材料結構可以相同或相異，但其結構或構成須滿足復合垂直各向異性磁自由層或磁固定層的設計要求。此外，雙固定垂直各向異性磁隧道結mtj元件的第二隔離層(sp2)，用于反鐵磁耦合的復合垂直各向異性磁固定層的中間層，以及使用于復合垂直各向異性磁固定層和自由層內的鐵磁性耦合中間層亦可以是上述相對分類中的任何一種，或組合形態(tài)與結構。

圖10示出了本發(fā)明實施例提供的stt-mram存儲器的部分存儲位單元陣列。該陣列可采用獨立源線(sourceline)(圖10a)和源線共享(圖10b)的排列結構。其中，cmos為起開關作用的半導體晶體管，dmtj為具有雙釘扎垂直各向異性磁固定層的磁自旋閥隧道結，bl表示位線，sl表示源線，wl表示字線。

圖11示出了本發(fā)明實施例提供的stt-mram存儲器的部分內存架構(architecture)。其中，cmos為起開關作用的半導體晶體管，dmtj為具有雙釘扎垂直各向異性磁固定層的磁自旋閥隧道結。它包括用于讀操作的參考列(referencecolumn)。與存儲陣列通過位線(bitlines)，源線和字線(wordline)與諸如寫驅動器(writedrive)，字線行解碼器(wordlinerowdecoder)，位線列解碼器(bitlinecolumndecoder)和檢測放大器(senseamplifier)等外圍電路聯(lián)接并集成建成內存架構。

如圖10和圖11所示，本發(fā)明提供垂直各向異性dmtj磁隧道結元件，以此為基礎的stt-mram存儲位單元，和由存儲位單元構成的stt-mram存儲陣列和架構。圖10中所顯示的是具有源線獨立(圖10a)和源線共享(圖10b)的部分stt-mram存儲位單元陣列。在stt-mram高密度存儲應用中，如果stt-mram存儲位單元采用獨立源線排列與dram設計規(guī)則兼容的布局，位單元面積估計為6f²。而通過源線共享陣列布置減少平均位單元面積，可實現(xiàn)高達兩位數(shù)百分比的stt-mram的存儲容量的增加。圖11所示的是由一個輸入和輸出模塊電路組成的stt-mram存儲器的架構模塊(blockofmemoryarchitecture)。它包括字線行解碼器(wordlinerowdecoder)位線列解碼器(bitlinecolumndecoder)，寫驅動器(writedrive)和傳感放大器(senseamplifier)。stt-mram存儲位單元陣列(包括為讀操作設置的參考列)經(jīng)電路集成并通過位線，源線和字線實現(xiàn)與外圍電路連接和正常的讀/寫操作。如上所述，在讀/寫過程中，通過外圍電路控制提供給位線，源線和字線上的電壓，可以很容易地選擇和訪問任何特定的位單元。通過該存儲陣列和架構，stt-mram存儲器可充分得益于本發(fā)明提供的垂直各向異性dmtj磁隧道結元件的設計和問題解決方案。

本發(fā)明實施例提供的stt-mram存儲器具有如下技術優(yōu)點：

(1)在保證器件的熱穩(wěn)定性的情況下，垂直各向異性dmtj磁隧道結元件的寫入電流可減低至數(shù)十微安或更低?；蛟?0納米或以下的技術節(jié)點領域，進一步增加存儲位單元的寫操作裕度，拓展stt-mram存儲器的可擴展性(scalability)及在高密度數(shù)據(jù)存儲和記憶中的應用。同時該磁隧道結元件也可應用于多比特(multi-levelbit)器件設計。

(2)由于垂直各向異性dmtj磁隧道結元件的垂直磁化的雜散磁場分布范圍縮窄，降低磁隧道結元件之間的外場相互作用和干擾，及寫入電流分布。有利于stt-mram存儲器的安定性的提高和高密度化。

(3)在技術節(jié)點(technologynode)減小至20納米或以下，其熱穩(wěn)定性仍可滿足設計要求。有利于stt-mram存儲器的高密度化。同時，stt-mram存儲器屬于非揮發(fā)性存儲器，具有良好的數(shù)據(jù)信息保持期(dataretention)。

(4)由于stt-mra存儲器具有高速讀/寫功能。寫操作可以在短至幾納秒(nano-seconds)內完成。具有寫周期的優(yōu)異耐久性(endurance)。按一般設計，耐久性可高達10¹⁶寫周期。

(5)stt-mram存儲器屬于低功耗存儲器。在典型的使用情況下，讀/寫操作的運行功耗僅為幾個微微焦耳(pico-joule)，適合于在低功耗和移動設備上的應用。

(6)stt-mram存儲器具備良好的系統(tǒng)及工藝兼容性。stt-mram適用于兼容并取代soc內的存儲器元件，諸如rom和dram存儲器等，以節(jié)省空間，提高的存儲器集成度，降低功耗，提高性能及功效。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。