[发明专利]一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器

说明书

本发明涉及存储器技术领域，尤指一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器，至少包括半导体存取晶体管、垂直磁化的磁性隧道结和互连导线结构，所述磁性隧道结包括垂直磁化的磁性固定层，垂直磁化的磁性自由层，以及位于磁性固定层和磁性自由层之间的隧穿势垒层；所述磁性自由层由垂直磁化的人工反铁磁结构组成，包含垂直磁化的第一磁性自由层，垂直磁化的第二磁性自由层，以及位于第一磁性自由层和第二磁性自由层之间的耦合层；所述半导体存取晶体管和磁性隧道结组成存储单元，磁性隧道结的高低电阻态代表所存储的数据；磁性隧道结的自由层包含垂直磁化的人工反铁磁结构。本发明能够增强磁性随机存储器的抗磁场干扰能力，提高产品的可靠性。

技术领域

本发明涉及存储器技术领域，尤指一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器。

背景技术

目前主流的集成电路芯片产品大多采用冯·诺伊曼架构，即产品中包含处理器和存储器两个部分，芯片产品工作时，数据需要在处理器和存储器之间来回传输。在集成电路的发展过程中，处理器技术的发展速度快于存储器技术，从而导致存储器的性能与处理器的性能之间存在较大的差距，限制了芯片产品整体性能的提升。这就是所谓的“存储墙”（memory wall）问题。为了解决存储墙问题，更好地改善芯片产品的性能，需要一种高速度，大容量，性能优异的存储器。

磁性随机存储器（MRAM）是近年来发展起来的一种新型非易失存储器。MRAM中的核心器件是磁性隧道结（MTJ）。如图1所示，磁性隧道结10中包含两个磁性材料组成的薄膜电极。其中一个磁性电极的磁化方向保持不变，称为固定层110。另一个磁性电极的磁化方向可以在磁场或电流的作用下发生改变，称为自由层130。固定层和自由层之间由绝缘的隧穿势垒层120分开。磁性隧道结10的电阻取决于固定层110和自由层130的磁化方向的相对排列。当自由层130的磁化方向与固定层110的磁化方向为同向时，磁性隧道结10的电阻值较低，当自由层130的磁化方向与固定层110的磁化方向为反向时，磁性隧道结10的电阻值较高。磁性隧道结10利用其自由层130的磁化方向来存储信息，对应的高低阻态分别代表所存储的信息为“0”或“1”。

在最新一代MRAM技术中，自由层和固定层的磁化方向均为垂直于MTJ薄膜的表面。垂直磁化的自由层和固定层具有较强的磁性各向异性能，能够增强MRAM的非易失性，提高数据写入效率及可靠性。MRAM的数据保持时间与MTJ的磁性自由层的翻转能量势垒（E_B）呈指数关系。翻转能量势垒越高，数据保持能力越强。对于尺寸较小的MTJ，自由层中的磁性薄膜可以用单磁畴模型描述，其翻转能量势垒E_B = H_K M_S V/2，其中H_K是自由层的垂直各向异性磁场，M_S是自由层的磁矩，V是自由层的体积。