[发明专利]一种具有强垂直磁各向异性的磁隧道结

说明书

本发明一种具有强垂直磁各向异性的磁隧道结，其结构从下到上依次为铁磁层一、势垒层、铁磁层二；其特征在于：磁隧道结的横截面尺寸在1nm到150nm之间，铁磁层一和铁磁层二的厚度都大于6nm，且铁磁层一和铁磁层二的厚度都大于横截面尺寸的一半；势垒层的厚度为0.2‑10nm。与现有技术相比，该器件具有垂直磁各向异性强、热稳定性高、横截面尺寸小、自旋转移矩翻转效率高、薄膜层数少等优点。

【技术领域】

本发明涉及一种具有强垂直磁各向异性的磁隧道结，属于非易失性磁存储 器和磁逻辑技术领域。

【背景技术】

磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)和磁逻辑具有非 易失性、读写速度快、功耗低、可无限次擦写等优点，受到了工业界和学术界 的广泛关注。

磁随机存储器和磁逻辑的核心器件是磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)。磁隧道结的基本结构由三层薄膜组成：铁磁层、势垒层、铁磁层。当两 个铁磁层的磁化方向相同时，该结构的电阻较低；当两个铁磁层的磁化方向相 反时，该结构的电阻较高，该现象被称为隧穿磁阻效应(Tunnel Magnetoresistance,TMR)，相应的低阻态和高阻态可分别用于表征二进制数 据“0”和“1”。通常的，两个铁磁层中的一个铁磁层具有较强的热稳定性， 其磁化方向保持不变，用于提供参考，被称为参考层(Reference Layer)；另 一个铁磁层的磁各向异性较弱，其磁化方向可以通过施加电流、磁场等方式进 行翻转，用于存储数据，被称为自由层(Free Layer)。

为了使磁隧道结中存储的数据能够保存足够长的时间，要求自由层具有较 强的热稳定性。自由层的热稳定性可以用热稳定因子Δ(Thermal Stability Factor)来衡量，一般可以表示为Δ＝KV/K_BT，其中K是有效磁各向异性常数， V是自由层体积，K_B是玻尔兹曼常数，T是温度。当磁隧道结的横截面形状为圆 形时，自由层的体积V可以表示为：V＝πtD²/4，其中t是自由层厚度，D是横截 面直径。Ikeda et al.,Nat.Mater.9,721(2010)和Satoet al.,IEEE Magn. Lett.3,3000204(2012)等文献提供了测量铁磁层的热稳定因子大小的方法。 工业上一般要求磁随机存储器中磁隧道结的自由层的热稳定因子高于60，从而保证数据的稳定存储。此外，当采用自旋转移矩(Spin Transfer Torque:STT) 效应来翻转自由层的磁化方向时，临界翻转电流密度与自由层的磁阻尼系数成 正比。自由层的磁阻尼系数随着自由层厚度的减小而急剧增大(Ikeda et al., Nature Materials 9,721(2010))。因此，当自由层的厚度较小时(例如1nm)， 自由层的磁阻尼系数较大，导致自旋转移矩翻转效率不高。

磁隧道结中铁磁层的易磁化轴方向可以平行于薄膜平面方向，也可以垂直 于薄膜平面方向，分别被称为面内磁各向异性(In-plane Magnetic Anisotropy, IMA)和垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy,PMA)。在2010 年以前，磁隧道结领域的研究主要集中在基于面内磁各向异性的磁隧道结上。 但是由于面内退磁场的作用，该结构的写入电流密度过大，难以满足低功耗的 要求。2010年，Ikeda等人研究了基于Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta结构的磁隧道结， 如图1所示，并发现该结构能够在界面上产生界面垂直磁各向异性(Ikeda et al., Nature Materials 9,721(2010))。该磁隧道结的横截面形状为圆形，横截 面半径大于CoFeB层厚度，此时有效磁各向异性常数可以表示为：