交錯(cuò)形成的具有反鐵磁耦合的磁多層膜；在所述的磁固定層中，與磁自由層的相鄰兩鐵磁子層的磁化是處于反平行排列。
[0029]更進(jìn)一步地，所述第一磁固定層是多層鐵磁層與至少二層或偶數(shù)層中間層交錯(cuò)形成的具有反鐵磁耦合的磁多層膜；所述第二磁固定層是單層的鐵磁層或是多層鐵磁層與至少一層或基數(shù)層中間層交錯(cuò)形成的具有反鐵磁耦合的磁多層膜；在所述的磁固定層中，與磁自由層的相鄰兩鐵磁子層的磁化是處于平行排列。
[0030]本發(fā)明還提供了一種磁存儲(chǔ)器，包括多個(gè)磁性存儲(chǔ)位單元，多條字線(wordlines)以連接親合多個(gè)磁存儲(chǔ)位單元，和多條位線(bit lines)以連接親合多個(gè)磁存儲(chǔ)位單元；每個(gè)磁性存儲(chǔ)位單元包括至少一個(gè)磁性元件和多個(gè)與連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact);其特征在于，每個(gè)或至少一個(gè)磁性元件由磁固定層，磁自由層，磁固定層和自由層之間的非磁性隔離層和覆蓋層構(gòu)成，磁自由層具有垂直于膜平面方向的退磁能和對(duì)應(yīng)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低于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔離層位于磁固定層和磁自由層之間，覆蓋層鄰接自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact)，當(dāng)寫(xiě)電流(write current)通過(guò)該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其磁自由層可通過(guò)自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開(kāi)關(guān)。
[0031]更進(jìn)一步地，所述每個(gè)磁存儲(chǔ)位單元都包括至少一個(gè)半導(dǎo)體晶體管，該晶體管通過(guò)電路連接到所述的磁性元件。
[0032]更進(jìn)一步地，所述構(gòu)成所述磁性元件的非磁性隔離層的隧穿勢(shì)皇層。
[0033]更進(jìn)一步地，所述構(gòu)成所述磁性元件的磁自由層和覆蓋層之間還包括非磁性中間層，并以此在磁自由層內(nèi)產(chǎn)生部分垂直磁各向異性，該磁性垂直各向異性能低于垂直于膜平面方向的退磁能。
[0034]本發(fā)明還提供了一種制備上述的磁性元件的方法，包括下述步驟:提供磁固定層；提供非磁性隔離層；提供磁自由層，它具有垂直于膜平面方向的退磁能和對(duì)應(yīng)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低于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔離層位于磁固定層和磁自由層之間；和提供覆蓋層，它用于連接所述磁自由層和連接半導(dǎo)體晶體管電路的連接部分(contact);當(dāng)寫(xiě)電流(write current)通過(guò)該磁性元件時(shí)，它的構(gòu)造使其磁自由層可通過(guò)自旋扭矩傳遞效應(yīng)在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換或開(kāi)關(guān)。
[0035]本發(fā)明還提供了一種存儲(chǔ)器系統(tǒng)的寫(xiě)操作方法，包括下述步驟:
[0036]當(dāng)在磁性存儲(chǔ)位單元中寫(xiě)入“0”時(shí)，加在位線BL上的寫(xiě)電壓為正VDD，源線SL接地；字線WL在VDD電壓下被激活，第一寫(xiě)入電流I w。經(jīng)位線通過(guò)磁隧道結(jié)及半導(dǎo)體晶體管流入源線或接地端；而電子流向與電流相反，從固定層流向自由層；由于自旋扭矩傳遞效應(yīng)，磁自由層的磁化切換到與固定層磁化相平行的狀態(tài)；
[0037]當(dāng)在磁性存儲(chǔ)位單元中寫(xiě)入“ 1 ”時(shí)，位線BL被選擇性接地，而正VDD的寫(xiě)電壓加在源線SL上，第二寫(xiě)入電流1?與第一寫(xiě)入電流I w。的方向相反。由于柵源極偏壓Vm是V1-VMnj半導(dǎo)體晶體管流過(guò)的電流或小于寫(xiě)“0”操作電流。
[0038]本發(fā)明通過(guò)改變磁性元件中各層材質(zhì)使得寫(xiě)電流減小，通過(guò)降低自旋扭矩傳遞切換電流來(lái)實(shí)現(xiàn)在大信號(hào)條件下存儲(chǔ)器系統(tǒng)的高速和高記錄密度。解決了傳統(tǒng)的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)具有難以擴(kuò)展和不可持續(xù)的問(wèn)題。其次，通過(guò)磁性器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出新的存儲(chǔ)位單元中的磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)以降低退磁場(chǎng)因子的影響和提升自旋扭矩傳遞效率，從而解決磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)的技術(shù)難點(diǎn)。降低自旋扭矩傳遞開(kāi)關(guān)電流或?qū)懭腚娏?，而同時(shí)保持磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器安定的熱穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0039]圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲(chǔ)位單元，(a)為MTJ磁性元件的結(jié)構(gòu)，(b)為磁性開(kāi)關(guān)狀態(tài)下磁化形態(tài)配置。其中，MTJ為磁隧道結(jié)，PL表示磁固定層，SP表示隔離層，F(xiàn)L表示磁自由層，MjP Μ 2表示磁固定層和磁自由層的面內(nèi)磁化強(qiáng)度，Θ表示部分垂直各向異性引起的面內(nèi)磁化的傾角；BL表示位線，SL表示源線，WL表示字線，CMOS為半導(dǎo)體晶體管，Iw。，Iwl表示不同方向的寫(xiě)電流。
[0040]圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲(chǔ)位單元中的MTJ磁性元件設(shè)計(jì)。它同時(shí)滿(mǎn)足存儲(chǔ)器系統(tǒng)所需的低開(kāi)關(guān)電流和高熱穩(wěn)定性的要求。其中，Ms表示磁自由層的面內(nèi)飽和磁化強(qiáng)度，^表示磁自由層的磁各向異性場(chǎng)；Thermal factor表示熱穩(wěn)定系數(shù)，HPNM0S為高性能半導(dǎo)體晶體管，磁自由層，LPO NM0S為低功率半導(dǎo)體晶體管。
[0041 ] 圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲(chǔ)位單元中的MTJ磁性元件設(shè)計(jì)。該類(lèi)型的MTJ磁性元件具有部分磁垂直各向異性。該設(shè)計(jì)使它同時(shí)滿(mǎn)足存儲(chǔ)器系統(tǒng)所需的低開(kāi)關(guān)電流和高熱穩(wěn)定性的要求。其中，Ms表示磁自由層的面內(nèi)磁化強(qiáng)度，Hk表示磁自由層的磁各向異性場(chǎng)；Thermal factor表示熱穩(wěn)定系數(shù)，HP NM0S為高性能半導(dǎo)體晶體管，磁自由層，LPO NM0S為低功率半導(dǎo)體晶體管。
[0042]圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲(chǔ)位單元中的MTJ磁性元件一個(gè)實(shí)施例。該MTJ磁性元件具有下層(如圖(a))或上層(如圖(b))固定的自旋閥結(jié)構(gòu)(spinvalve) ο其中，PL表示磁固定層，Spacer Layer表示隔離層，F(xiàn)L表示磁自由層，MdP Μ 2分別表示磁固定層和磁自由層的面內(nèi)磁化強(qiáng)度，Θ表示部分垂直各向異性引起的面內(nèi)磁化的傾角。
[0043]圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲(chǔ)位單元中的MTJ磁性元件另一實(shí)施例。該MTJ磁性元件具有下層固定的自旋閥結(jié)構(gòu)(spin valve) 0其磁自由層具有界面誘導(dǎo)磁垂直各向異性。其中，PL表示磁固定層，Spacer Layer表示隔離層，F(xiàn)L表示磁自由層，Intermediate Layer表示中間層，Cap Layer表示覆蓋層，MjP M2表示磁固定層和磁自由層的面內(nèi)磁化強(qiáng)度，Θ表示部分垂直各向異性引起的面內(nèi)磁化的傾角。
[0044]圖6示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲(chǔ)位單元中的MTJ磁性元件另一實(shí)施例。該MTJ磁性元件具有下層固定的自旋閥結(jié)構(gòu)(spin valve) 0其磁自由層具有反鐵磁親合結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)磁性元件的熱穩(wěn)定性。其中，PL表示磁固定層，Spacer Layer表示隔離層，F(xiàn)L和FL’表示磁自由層的兩磁性子層，Intermediate Layer表示其中間層，IV^表示磁固定層的面內(nèi)磁化，MjPM2，表示磁自由層的兩磁性子層的面內(nèi)磁化強(qiáng)度，Θ和Θ ’表示部分垂直各向異性引起的面內(nèi)磁化的傾角。
[0045]圖7示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM的存儲(chǔ)位單元中的MTJ磁性元件另一實(shí)施例。該MTJ磁性元件具有雙固定層，S卩同時(shí)具有上下層固定的自旋閥結(jié)構(gòu)(spinvalve)。其中任一固定層還可由磁多層膜構(gòu)成。在該上下固定層中，通過(guò)非磁性間隔層或穿隧絕緣層與磁自由層直接相鄰的磁性固定子層(sublayer)根據(jù)需要可設(shè)置為平行或反平行排列結(jié)構(gòu)。其中，PL和PL’表示雙磁固定層，F(xiàn)L表示磁自由層，Spacer Layerl和SpacerLayer 2表示雙隔離層，MjP M i，表示雙磁固定層的面內(nèi)磁化強(qiáng)度，M2表示磁自由層的面內(nèi)磁化強(qiáng)度，Θ表示部分垂直各向異性引起的面內(nèi)磁化的傾角。
[0046]圖8示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM存儲(chǔ)器的部分存儲(chǔ)位單元陣列。該陣列可采用獨(dú)立源線(source line)(如圖(a))和源線共享(如圖(b))的排列結(jié)構(gòu)。其中，MTJ為磁隧道結(jié)，CMOS為半導(dǎo)體晶體管，BL表示位線，SL表示源線，WL表示字線。
[0047]圖9示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM存儲(chǔ)器的部分內(nèi)存架構(gòu)(architecture) 0它包括用于讀操作的參考列(reference column)。其中，MTJ為磁隧道結(jié)，CMOS為半導(dǎo)體晶體管。與存儲(chǔ)陣列通過(guò)位線(bit lines)，源線和字線(word line)與諸如寫(xiě)驅(qū)動(dòng)器(write drive)，字線行解碼器(word line row decoder)，位線列解碼器(bit line column decoder)和檢測(cè)放大器(sense amplifier)等外圍電路聯(lián)接并集成建成內(nèi)存架構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0048]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0049]本發(fā)明利用磁性自旋閥的面內(nèi)磁化膜在自旋扭矩傳遞效應(yīng)下的開(kāi)關(guān)機(jī)理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的磁存儲(chǔ)和記錄。并提供該磁性元件及諸如磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(“MRAM”)的磁存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造方法。
[0050]本發(fā)明實(shí)施例提供了具有面內(nèi)磁化(層)的磁性元件的結(jié)構(gòu)，其磁化層或局部結(jié)構(gòu)仍可具有部分磁垂直各向異性(partial perpendicular anisotropy)。該垂直各向異性部分來(lái)自于磁性/非磁性界面結(jié)構(gòu)或應(yīng)力效應(yīng)，以及局域超晶格結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的內(nèi)在垂直各向異性。利用自旋扭矩傳遞效應(yīng)的磁隧道結(jié)或磁性元件可應(yīng)用于下一代MRAM或STT-MRAM存儲(chǔ)器，并提供一個(gè)革新性的存儲(chǔ)器系統(tǒng)寫(xiě)入方案。本發(fā)明示出了相關(guān)磁性元件和存儲(chǔ)器系統(tǒng)集成的方法及系統(tǒng)。以降低自旋扭矩傳遞切換電流和實(shí)現(xiàn)在大信號(hào)條件下存儲(chǔ)器系統(tǒng)的高速和高記錄密度。
[0051]本發(fā)明實(shí)施例提供的STT-MRAM存儲(chǔ)位單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，本發(fā)明提供的存儲(chǔ)單元基于1T-1MTJ配置。每個(gè)存儲(chǔ)位單元都由一個(gè)磁隧道結(jié)(MTJ)，至少一個(gè)用于連接并選擇開(kāi)關(guān)磁隧道結(jié)的半導(dǎo)體晶體管(CM0S)，若干連接其他存儲(chǔ)位單元或外圍電路的字線(WL)，源線(SL)和位線(BL)所構(gòu)成。并構(gòu)成具有讀寫(xiě)操作功能的基