磁性隧道结结构及磁性随机存储器
阅读：894发布：2020-05-14
专利汇可以提供磁性隧道结结构及磁性随机存储器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 提供一种 磁性 隧道结结构及磁性随机 存储器 ，所述磁性隧道结结构包括自由层、在自由层之上设置隔 断层 和具有垂直 各向异性 的高自旋激化率自旋激化层，将自旋 电子 聚集于自由层周围，增加翻转自由层磁化矢量的自旋转移 力 矩。由于自旋激化层的引入，使得磁性隧道结在写过程中的自旋转移力矩，得到了有效的提升，非常有利于MTJ器件临界 电流 (IC0)的降低，提升MRAM 电路 写的速度，降低写功耗与提升耐久性的，非常适用于快速超低功耗的应用环境中。，下面是磁性隧道结结构及磁性随机存储器专利的具体信息内容。
1.一种磁性隧道结结构，设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结由上至下结构至
少包括自由层、势垒层与参考层，其特征在于，所述自由层上方设置包括：
隔断层，设置于所述自由层上，所述隔断层由下至上包括缓冲层与自旋扩散层，所述缓
冲层由金属氧化层形成，所述自旋扩散层为高自旋扩散长度的金属构成；
自旋激化层，设置于所述自旋扩散层上，由具有垂直各向异性的高自旋激化率的磁性
材料形成；
其中，所述缓冲层为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性界面各向异性来源，及
导引所述自旋扩散层的晶格形成，所述自旋扩散层导引所述自旋激化层所需的晶格生长，及所述自旋激化层的磁化矢量与所述参考层的磁化矢量方向为反平行。
2.如权利要求1所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述缓冲层的厚度为0.5奈米～1.4
奈米；所述缓冲层的形成材料为MgO、ZrO2、ZnO、Al2O3、GaO、Fe3O4、Fe2O3、CoO、NiO、Y2O3、SrO、Sc2O3、TiO2、HfO2、V2O5、Nb2O5、Ta2O5、CrO3、MoO3、WO3、RuO2、OsO2、TcO、ReO、RhO、IrO、SnO、SbO、MgZnO、Mg3B2O6、MgAl2O4、SrTiO3或其组合，优选为MgO。
3.如权利要求1所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述自旋扩散层的厚度为0.2奈米
～5.0奈米；所述自旋扩散层的形成材料为Cu、Ag、Au、Al、Ge、Ti、Zn、Ga、In、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Si或其组合，优选为Ag、Au、Al或Cu/Ag、Cu/Au、Cu/Al。
4.如权利要求1所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述自旋激化层的厚度为0.4奈米
～4.0奈米；所述自旋激化层的形成材料为Co、[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[Co/Ni]n、[Co/AgPt]n、[Co/AgPd]n、[Co/AgNi]n、[Co/AuPt]n、[Co/AuPd]n、[Co/AuNi]n、[Co/AlPt]n、[Co/AlPd]n、[Co/AlNi]n、[Co/Ag/Pt]n、[Co/Ag/Pd]n、[Co/Ag/Ni]n、[Co/Au/Pt]n、[Co/Au/Pd]n、[Co/Au/Ni]n、[Co/Al/Pt]n、[Co/Al/Pd]n、[Co/Al/Ni]n、Fe、[Fe/Pt]n、[Fe/Pd]n、[Fe/Ni]n、[Fe/AgPt]n、
[Fe/AgPd]n、[Fe/AgNi]n、[Fe/AuPt]n、[Fe/AuPd]n、[Fe/AuNi]n、[Fe/AlPt]n、[Fe/AlPd]n、[Fe/AlNi]n、[Fe/Ag/Pt]n、[Fe/Ag/Pd]n、[Fe/Ag/Ni]n、[Fe/Au/Pt]n、[Fe/Au/Pd]n、[Fe/Au/Ni]n、[Fe/Al/Pt]n、[Fe/Al/Pd]n、[Fe/Al/Ni]n、[Fe/Co]n、[Co/Fe]n、[CoFe/Pt]n、[CoFe/Pd]n、[CoFe/Ni]n、CoFe、CoFeNi、或FeNi的单层或多层结构或其组合，其中n≥1；或者，所述自旋激化层为具有磁晶各向异性合金形成，其为CoPt、FePt、CoFePt、CoPd、FePd、CoFePd、CoAgPt、FeAgPt、CoFeAgPt、CoAgPd、FeAgPd、CoFeAgPd、CoAuPt、FeAuPt、CoFeAuPt、CoAuPd、FeAuPd、CoFeAuPd、CoAlPt、FeAlPt、CoFeAlPt、CoAlPd、FeAlPd、CoFeAlPd、Co3Pt、D022-Mn3Ga、D022-Mn3Ge、L10-FePt、L10-CoPt、L10-FePd、L10-CoPd或其组合。
5.如权利要求4所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述自旋激化层为反铁磁层构成，
所述反铁磁层的结构为铁磁性材料层/(Ru、Rh或Ir)/铁磁性材料层，所述铁磁性材料层为所述单层或多层结构或其组合及/或所述磁晶各向异性合金或其组合，所述自旋激化层临接所述自旋扩散层的铁磁性材料层的磁化矢量与所述参考层的磁化矢量方向为反平行。
6.如权利要求1所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述磁性隧道结由上至下结构包括
覆盖层、自旋激化层、隔断层、所述自由层、所述势垒层、所述参考层、晶格隔断层、第一反铁磁层与种子层，所述第一反铁磁层由铁磁材料形成，其中所述第一反铁磁层与所述参考层呈铁磁耦合；所述自旋激化层与所述参考层的磁化矢量为反向平行。
7.如权利要求6所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述自旋激化层与所述覆盖层之
间，由下至上还包括反铁磁耦合层与第二反铁磁层，所述反铁磁耦合层由可形成反铁磁耦合的过渡金属材料形成，所述第二反铁磁层由铁磁材料形成，其中所述第二反铁磁层与所述自旋激化层通过反铁磁耦合层而形成反铁磁耦合。
8.一种磁性随机存储器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的磁性隧道结结
构，设置于所述磁性隧道结结构上方的顶电极，及设置于所述磁性隧道结结构下方的底电极。
9.一种磁性随机存储单元的数据写入方法，所述磁性随机存储单元包括磁性隧道结，
所述磁性隧道结结构包括自旋激化层、隔断层、自由层、势垒层与参考层，其特征在于，所述数据写入方法包括如下步骤：
判断所述磁性隧道结为的电阻状态；
依据所述电阻状态，在写入相异数据逻辑时，选择性的将电子流自所述参考层或所述
自旋激化层通入所述磁性隧道结；
当所述电子流进入层级时，所述电子流自旋激化，通过所述进入层级的磁化矢量以筛
选可达到所述自由层的自旋电子，及通过所述自由层的周围层将所述自旋电子聚集于所述自由层的周围；
通过激化与聚集的所述自旋电子以翻转所述自由层的磁化矢量，实现所述相异数据逻
辑的写入。
10.如权利要求9所述磁性隧道结结构，其特征在于，当所述参考层和所述自由层的磁
化矢量反向平行时，所述磁性隧道结是高电阻状态的逻辑1；为写入逻辑0，将所述电子流自所述参考层通入所述磁性隧道结；当所述电子流通过所述参考层时，所述电子流被自旋激化，通过所述参考层的磁化矢量筛选能够到达所述自由层的自旋电子，所述自旋电子的多数或全部的自旋矢量与所述参考层的磁化矢量为一致方向；穿过所述自由层的所述自旋电子的自旋矢量与所述自旋激化层的磁化矢量为相反方向，将会在所述间隔层及/或所述自旋激化层的界面处被反射，以聚集在所述自由层的周围；通过所述参考层激化的自旋电子与被所述间隔层及/或所述自旋激化层界面处反射的自旋电子的相同自旋矢量方向，翻转所述自由层的磁化矢量方向，以实现逻辑0的写入。
11.如权利要求9所述磁性隧道结结构，其特征在于，当所述参考层和所述自由层的磁
化矢量平行时，所述磁性隧道结是高电阻状态的逻辑0；为写入逻辑1，将所述电子流自所述自旋激化层通入所述磁性隧道结；当所述电子流通过所述自旋激化层时，所述电子流被自旋激化，通过所述自旋激化层的磁化矢量筛选能够到达所述自由层的自旋电子，所述自旋电子的多数或全部的自旋矢量与所述自旋激化层的磁化矢量为一致方向；穿过所述自由层的所述自旋电子的自旋矢量与所述参考层的磁化矢量为相反方向，将会在所述势垒层及/或所述参考层的界面处被反射，以聚集在所述自由层的周围；通过所述自旋激化层激化的自旋电子与被所述势垒层及/或所述参考层界面处反射的自旋电子的具有相同自旋矢量方向，翻转所述自由层的磁化矢量方向，以实现逻辑1的写入。
磁性隧道结结构及磁性随机存储器
技术领域
[0001] 本发明涉及存储器技术领域，特别是关于一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器。
背景技术
[0002] 磁性随机存储器(Magnetic random access memory，MRAM)在具有垂直各向异性 (Perpendicular Magnetic Anisotropy；PMA)的磁性隧道结(Magnetic tunnel junction；
MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”，在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向会保持不变；在写的过程中，如果与现有状态不相同的信号输入时，则自由层的磁
化方向将会在垂直方向上发生一百八十度的翻转。磁随机存储器的自由层磁化方向保持不
变的能力叫做数据保存能力或者是热稳定性，在不同的应用情况中要求不一样，对于一个
典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)而言，数据保存能力要求是在125℃的条
件下可以保存数据十年，在外磁场翻转，热扰动，电流扰动或读写多次操作时，都会造成数
据保持能力或者是热稳定性的降低。
MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”，在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向会保持不变；在写的过程中，如果与现有状态不相同的信号输入时，则自由层的磁
化方向将会在垂直方向上发生一百八十度的翻转。磁随机存储器的自由层磁化方向保持不
变的能力叫做数据保存能力或者是热稳定性，在不同的应用情况中要求不一样，对于一个
典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)而言，数据保存能力要求是在125℃的条
件下可以保存数据十年，在外磁场翻转，热扰动，电流扰动或读写多次操作时，都会造成数
据保持能力或者是热稳定性的降低。
[0003] 为了提升MRAM的存储密度，近年来，磁性隧道结的关键尺寸(Critical Dimension， CD)越来越小。当尺寸进一步缩小时，会发现磁性隧道结的热稳定性因子(Δ)
急剧变差。为提升超小型MRAM单元器件的热稳定性因子(Δ)，可以通过降低自由层的厚度，
在自由层里添加或把自由层改为低饱和磁化率的材料等一些列措施来增加有效垂直各向
异性能量密度，进而维持较高的热稳定性因子(Δ)，但临界写电流密度会相应大幅增加而
导致存储元耐久性降低，同时磁性隧道结的隧穿磁阻率(Tunnel Magnetoresistance
Ration，TMR)将会降低，进而会增加存储器读操作的错误率。
急剧变差。为提升超小型MRAM单元器件的热稳定性因子(Δ)，可以通过降低自由层的厚度，
在自由层里添加或把自由层改为低饱和磁化率的材料等一些列措施来增加有效垂直各向
异性能量密度，进而维持较高的热稳定性因子(Δ)，但临界写电流密度会相应大幅增加而
导致存储元耐久性降低，同时磁性隧道结的隧穿磁阻率(Tunnel Magnetoresistance
Ration，TMR)将会降低，进而会增加存储器读操作的错误率。
发明内容
[0004] 为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种在自由层之上具有额外自旋激化结构，结合自旋激化层和参考层的对翻转所述自由层磁化矢量所需自旋转移力矩具
有激化与聚集效应的磁性隧道结结构及磁性随机存储器。
有激化与聚集效应的磁性隧道结结构及磁性随机存储器。
[0005] 本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
[0006] 依据本申请提出的一种磁性隧道结结构，设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结由上至下结构至少包括自由层、势垒层与参考层；所述自由层上方设置包括：隔断层，
设置于所述自由层上，所述隔断层由下至上包括缓冲层与自旋扩散层，所述缓冲层由金属
氧化层形成，所述自旋扩散层为高自旋扩散长度的金属构成；自旋激化层，设置于所述自旋
扩散层上，由具有垂直各向异性的高自旋激化率的磁性材料形成；其中，所述缓冲层为所述
自由层提供一个额外的垂直各向异性界面各向异性来源，及导引所述自旋扩散层的晶格形
成，所述自旋扩散层导引所述自旋激化层所需的晶格生长，及所述自旋激化层的磁化矢量
与所述参考层的磁化矢量方向均固定不变并垂直于材料平面，且相互为反平行。
设置于所述自由层上，所述隔断层由下至上包括缓冲层与自旋扩散层，所述缓冲层由金属
氧化层形成，所述自旋扩散层为高自旋扩散长度的金属构成；自旋激化层，设置于所述自旋
扩散层上，由具有垂直各向异性的高自旋激化率的磁性材料形成；其中，所述缓冲层为所述
自由层提供一个额外的垂直各向异性界面各向异性来源，及导引所述自旋扩散层的晶格形
成，所述自旋扩散层导引所述自旋激化层所需的晶格生长，及所述自旋激化层的磁化矢量
与所述参考层的磁化矢量方向均固定不变并垂直于材料平面，且相互为反平行。
[0007] 本申请解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
[0008] 在本申请的一实施例中，所述缓冲层的厚度为0.5奈米～1.4奈米；所述缓冲层的形成材料为MgO、ZrO2、ZnO、Al2O3、GaO、Fe3O4、Fe2O3、CoO、NiO、Y2O3、SrO、Sc2O3、 TiO2、HfO2、V2O5、Nb2O5、Ta2O5、CrO3、MoO3、WO3、RuO2、OsO2、TcO、ReO、RhO、 IrO、SnO、SbO、MgZnO、Mg3B2O6、MgAl2O4、SrTiO3或其组合，优选为MgO。
[0009] 在本申请的一实施例中，所述自旋扩散层的厚度为0.2奈米～5.0奈米；所述自旋扩散层的形成材料为Cu、Ag、Au、Al、Ge、Ti、Zn、Ga、In、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、 Tc、Ru、Si或其组合，优选为单层材料Ag、Au、Al或自下而上的双层材料Cu/Ag、Cu/Au、 Cu/Al。
[0010] 在本申请的一实施例中，所述自旋激化层的厚度为0.4奈米～4.0奈米；所述自旋激化层的形成材料为Co、[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[Co/Ni]n、[Co/AgPt]n、[Co/AgPd]n、[Co/
AgNi]n、 [Co/AuPt]n、[Co/AuPd]n、[Co/AuNi]n、[Co/AlPt]n、[Co/AlPd]n、[Co/AlNi]n、[Co/Ag/Pt]n、 [Co/Ag/Pd]n、[Co/Ag/Ni]n、[Co/Au/Pt]n、[Co/Au/Pd]n、[Co/Au/Ni]n、[Co/Al/Pt]n、[Co/Al/Pd]n、 [Co/Al/Ni]n、Fe、[Fe/Pt]n、[Fe/Pd]n、[Fe/Ni]n、[Fe/AgPt]n、[Fe/AgPd]n、[Fe/AgNi]n、[Fe/AuPt]n、 [Fe/AuPd]n、[Fe/AuNi]n、[Fe/AlPt]n、[Fe/AlPd]n、[Fe/AlNi]n、[Fe/Ag/Pt]n、[Fe/Ag/Pd]n、 [Fe/Ag/Ni]n、[FeAu/Pt]n、[Fe/Au/Pd]n、[Fe/Au/Ni]n、[Fe/Al/Pt]n、[Fe/Al/Pd]n、[Fe/Al/Ni]n、 [CoFe/Pt]n、[Fe/Co]n、[Co/Fe]n、[CoFe/Pd]n、[CoFe/Ni]n、CoFe、CoFeNi、或FeNi的单层或多层结构或其组合，其中n≥1；或者，所述自旋激化层为具有磁晶各向异性合金形成，其为CoPt、FePt、CoFePt、CoPd、FePd、CoFePd、
CoAgPt、FeAgPt、CoFeAgPt、CoAgPd、 FeAgPd、CoFeAgPd、CoAuPt、FeAuPt、CoFeAuPt、CoAuPd、FeAuPd、CoFeAuPd、CoAlPt、 FeAlPt、CoFeAlPt、CoAlPd、FeAlPd、CoFeAlPd、Co3Pt、D022-Mn3Ga、D022-Mn3Ge、L10-FePt、 L10-CoPt、L10-FePd、L10-CoPd或其组合。
AgNi]n、 [Co/AuPt]n、[Co/AuPd]n、[Co/AuNi]n、[Co/AlPt]n、[Co/AlPd]n、[Co/AlNi]n、[Co/Ag/Pt]n、 [Co/Ag/Pd]n、[Co/Ag/Ni]n、[Co/Au/Pt]n、[Co/Au/Pd]n、[Co/Au/Ni]n、[Co/Al/Pt]n、[Co/Al/Pd]n、 [Co/Al/Ni]n、Fe、[Fe/Pt]n、[Fe/Pd]n、[Fe/Ni]n、[Fe/AgPt]n、[Fe/AgPd]n、[Fe/AgNi]n、[Fe/AuPt]n、 [Fe/AuPd]n、[Fe/AuNi]n、[Fe/AlPt]n、[Fe/AlPd]n、[Fe/AlNi]n、[Fe/Ag/Pt]n、[Fe/Ag/Pd]n、 [Fe/Ag/Ni]n、[FeAu/Pt]n、[Fe/Au/Pd]n、[Fe/Au/Ni]n、[Fe/Al/Pt]n、[Fe/Al/Pd]n、[Fe/Al/Ni]n、 [CoFe/Pt]n、[Fe/Co]n、[Co/Fe]n、[CoFe/Pd]n、[CoFe/Ni]n、CoFe、CoFeNi、或FeNi的单层或多层结构或其组合，其中n≥1；或者，所述自旋激化层为具有磁晶各向异性合金形成，其为CoPt、FePt、CoFePt、CoPd、FePd、CoFePd、
CoAgPt、FeAgPt、CoFeAgPt、CoAgPd、 FeAgPd、CoFeAgPd、CoAuPt、FeAuPt、CoFeAuPt、CoAuPd、FeAuPd、CoFeAuPd、CoAlPt、 FeAlPt、CoFeAlPt、CoAlPd、FeAlPd、CoFeAlPd、Co3Pt、D022-Mn3Ga、D022-Mn3Ge、L10-FePt、 L10-CoPt、L10-FePd、L10-CoPd或其组合。
[0011] 在本申请的一实施例中，所述自旋激化层为反铁磁层构成，所述反铁磁层的结构为铁磁性材料层/(Ru、Rh或Ir)/铁磁性材料层，所述铁磁性材料层为所述单层或多层结构
或其组合及/或所述磁晶各向异性合金，所述自旋激化层临接所述自旋扩散层的铁磁性材
料层的磁化矢量与所述参考层的磁化矢量方向均固定不变并垂直于材料平面，且相互为反
平行。
或其组合及/或所述磁晶各向异性合金，所述自旋激化层临接所述自旋扩散层的铁磁性材
料层的磁化矢量与所述参考层的磁化矢量方向均固定不变并垂直于材料平面，且相互为反
平行。
[0012] 在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结由上至下结构包括覆盖层、自旋激化层、隔断层、所述自由层、所述势垒层、所述参考层、晶格隔断层、第一反铁磁层与种子层，所述第一反铁磁层由铁磁材料形成，其中所述第一反铁磁层与所述参考层呈铁磁耦合；所述自
旋激化层与所述参考层的磁化矢量为反向平行。
旋激化层与所述参考层的磁化矢量为反向平行。
[0013] 在本申请的一实施例中，所述自旋激化层与所述覆盖层之间，由下至上还包括反铁磁耦合层与第二反铁磁层，所述反铁磁耦合层由可形成反铁磁耦合的过渡金属材料形
成，所述第二反铁磁层由铁磁材料形成，其中所述第二反铁磁层与所述自旋激化层通过反
铁磁耦合层而形成反铁磁耦合。
成，所述第二反铁磁层由铁磁材料形成，其中所述第二反铁磁层与所述自旋激化层通过反
铁磁耦合层而形成反铁磁耦合。
[0015] 本申请又一目的为提供一种磁性随机存储单元的数据写入方法，所述磁性随机存储单元包括磁性隧道结，所述磁性隧道结结构包括自旋激化层、隔断层、自由层、势垒层与
参考层；所述数据写入方法包括如下步骤：判断所述磁性隧道结为的电阻状态；依据所述电
阻状态，在写入相异数据逻辑时，选择性的将电子流自所述参考层或所述自旋激化层通入
所述磁性隧道结；当所述电子流进入层级时，所述电子流自旋激化，通过所述进入层级的磁
化矢量以筛选可达到所述自由层的自旋电子，及通过所述自由层的周围层将所述自旋电子
聚集于所述自由层的周围；通过激化与聚集的所述自旋电子以翻转所述自由层的磁化矢
量，实现所述相异数据逻辑的写入。
参考层；所述数据写入方法包括如下步骤：判断所述磁性隧道结为的电阻状态；依据所述电
阻状态，在写入相异数据逻辑时，选择性的将电子流自所述参考层或所述自旋激化层通入
所述磁性隧道结；当所述电子流进入层级时，所述电子流自旋激化，通过所述进入层级的磁
化矢量以筛选可达到所述自由层的自旋电子，及通过所述自由层的周围层将所述自旋电子
聚集于所述自由层的周围；通过激化与聚集的所述自旋电子以翻转所述自由层的磁化矢
量，实现所述相异数据逻辑的写入。
[0016] 在本申请的一实施例中，当所述参考层和所述自由层的磁化矢量反向平行时，所述磁性隧道结是高电阻状态的逻辑1；为写入逻辑0，将所述电子流自所述参考层通入所述
磁性隧道结；当所述电子流通过所述参考层时，所述电子流被自旋激化，通过所述参考层的
磁化矢量筛选能够到达所述自由层的自旋电子，所述自旋电子的多数或全部的自旋矢量与
所述参考层的磁化矢量为一致方向；穿过所述自由层的所述自旋电子的自旋矢量与所述自
旋激化层的磁化矢量为相反方向，将会在所述间隔层及/或所述自旋激化层的界面处被反
射，以聚集在所述自由层的周围；通过所述参考层激化的自旋电子与被所述间隔层及/或所
述自旋激化层界面处反射的自旋电子的相同自旋矢量方向，翻转所述自由层的磁化矢量方
向，以实现逻辑0的写入。
磁性隧道结；当所述电子流通过所述参考层时，所述电子流被自旋激化，通过所述参考层的
磁化矢量筛选能够到达所述自由层的自旋电子，所述自旋电子的多数或全部的自旋矢量与
所述参考层的磁化矢量为一致方向；穿过所述自由层的所述自旋电子的自旋矢量与所述自
旋激化层的磁化矢量为相反方向，将会在所述间隔层及/或所述自旋激化层的界面处被反
射，以聚集在所述自由层的周围；通过所述参考层激化的自旋电子与被所述间隔层及/或所
述自旋激化层界面处反射的自旋电子的相同自旋矢量方向，翻转所述自由层的磁化矢量方
向，以实现逻辑0的写入。
[0017] 在本申请的一实施例中，当所述参考层和所述自由层的磁化矢量平行时，所述磁性隧道结是高电阻状态的逻辑0；为写入逻辑1，将所述电子流自所述自旋激化层通入所述
磁性隧道结；当所述电子流通过所述自旋激化层时，所述电子流被自旋激化，通过所述自旋
激化层的磁化矢量筛选能够到达所述自由层的自旋电子，所述自旋电子的多数或全部的自
旋矢量与所述自旋激化层的磁化矢量为一致方向；穿过所述自由层的所述自旋电子的自旋
矢量与所述参考层的磁化矢量为相反方向，将会在所述势垒层及/或所述参考层的界面处
被反射，以聚集在所述自由层的周围；通过所述自旋激化层激化的自旋电子与被所述势垒
层及/或所述参考层界面处反射的自旋电子的相同自旋矢量方向，翻转所述自由层的磁化
矢量方向，以实现逻辑1的写入。
磁性隧道结；当所述电子流通过所述自旋激化层时，所述电子流被自旋激化，通过所述自旋
激化层的磁化矢量筛选能够到达所述自由层的自旋电子，所述自旋电子的多数或全部的自
旋矢量与所述自旋激化层的磁化矢量为一致方向；穿过所述自由层的所述自旋电子的自旋
矢量与所述参考层的磁化矢量为相反方向，将会在所述势垒层及/或所述参考层的界面处
被反射，以聚集在所述自由层的周围；通过所述自旋激化层激化的自旋电子与被所述势垒
层及/或所述参考层界面处反射的自旋电子的相同自旋矢量方向，翻转所述自由层的磁化
矢量方向，以实现逻辑1的写入。
[0018] 在本申请的一实施例中，在所述底电极、种子层、反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、隔断层、自旋激化层、覆盖层和顶电极沉积之后，在不小于350℃的温度下进行至少30分钟的退火操作。
[0019] 本申请的磁性隧道结单元结构，其通过引入的自旋激化层，使得磁性隧道结在写过程中的自旋转移力矩，得到了有效的提升，非常有利于MTJ器件临界电流(IC0)的降低，提
升MRAM电路写的速度，降低写功耗与提升耐久性的，非常适用于快速超低功耗的应用环境
中。
附图说明
升MRAM电路写的速度，降低写功耗与提升耐久性的，非常适用于快速超低功耗的应用环境
中。
附图说明
[0020] 图1为范例性磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；
[0021] 图2为本申请实施例的磁性隧道结结构示意图；
[0022] 图3a与图3b为本申请实施例的磁性隧道结的写数据过程示意图；
[0023] 图4为本申请实施例磁性随机存储单元结构示意图；
[0024] 图5为本申请实施例的磁性隧道结结构示意图；
[0025] 图6为本申请实施例的磁性隧道结结构示意图。
具体实施方式
[0026] 请参照附图中的图式，其中相同的组件符号代表相同的组件。以下的说明是基于所例示的本申请具体实施例，其不应被视为限制本申请未在此详述的其它具体实施例。
[0027] 以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本申请可用以实施的特定实施例。本申请所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本申请，而非用以
限制本申请。
限制本申请。
[0028] 本申请的说明书和权利要求书以及上述附图中的述语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情形下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及其它相关示例的变形，意图在于覆盖不排他的包含。
[0029] 本申请说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本申请的概念。除非上下文中有明确不同的意义，否则，以单数形式使用的表达涵盖复数形式的表
达。在本申请说明书中，应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本申请说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可
添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指
代相同部分。
达。在本申请说明书中，应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本申请说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可
添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指
代相同部分。
[0030] 附图和说明被认为在本质上是示出性的，而不是限制性的。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。另外，为了理解和便于描述，附图中示出的每个组件的尺寸和厚度是
任意示出的，但是本申请不限于此。
任意示出的，但是本申请不限于此。
[0031] 在附图中，为了清晰、理解和便于描述，夸大设备、系统、组件、电路的配置范围。将理解的是，当组件被称作“在”另一组件“上”时，所述组件可以直接在所述另一组件上，或者也可以存在中间组件。
[0032] 另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包括”将被理解为意指包括所述组件，但是不排除任何其它组件。此外，在说明书中，“在......上”意指位于目标组件上方或者下方，而不意指必须位于基于重力方向的顶部上。
[0033] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对依据本发明提出的一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器，其具体
结构、特征及其功效，详细说明如后。
结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0034] 图1为范例性磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图。所述磁性存储单元结构至少包括底电极(Bottom Electrode,BE)10、磁性隧道结(MTJ)20与顶电极(Top
Electrode, TE)30形成的多层结构。
Electrode, TE)30形成的多层结构。
[0035] 在一些实施例中，底电极10为钛(Ti)，氮化钛(TiN)，钽(Ta)，氮化钽(TaN)，钌(Ru)，钨(W)，氮化钨(WN)或其组合；顶电极30组成材料为钛(Ti)，氮化钛(TiN)，钽(Ta)，氮化钽 (TaN)，钨(W)，氮化钨(WN)或其组合。所述磁性存储单元结构一般采用物理气相沉积
(PVD) 的方式实现，通常在底电极10沉积之后，都会对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道
结20 的表面平整度。
(PVD) 的方式实现，通常在底电极10沉积之后，都会对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道
结20 的表面平整度。
[0036] 在一些实施例中，所述磁性隧道结20，由上至下结构包括覆盖层(Capping Layer， CL)290、自由层(Free Layer；FL)260、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)250、参考层 (Reference Layer，RL)240、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)230、反铁磁层
(Synthetic Anti-Ferrimagnet Layer，SyAF)220与种子层(Seed Layer；SL)210。
(Synthetic Anti-Ferrimagnet Layer，SyAF)220与种子层(Seed Layer；SL)210。
[0037] 如图1所示，在一些实施例中，所述自由层260由钴铁硼合金CoFeB、铁钴合金 FeCo/钴铁硼合金CoFeB、铁Fe/钴铁硼合金CoFeB、或钴铁硼合金CoFeB/(钽Ta，钨W，钼Mo或
铪Hf其中之一)/钴铁硼合金CoFeB等单层或多层结构组成。其中，数据保存能力 (Data
Retention)可以用下面的公式进行计算：
铪Hf其中之一)/钴铁硼合金CoFeB等单层或多层结构组成。其中，数据保存能力 (Data
Retention)可以用下面的公式进行计算：
[0038] 其中，τ为在热扰动条件下磁化矢量不变的时间，τ0为尝试时间(一般为1ns)，E为自由层的能量壁垒，kB为玻尔兹曼常数，T为工作温度。
[0039] 热稳定性因子(Δ)则可以表示为如下的公式：
[0040] 其中，Keff为自由层的有效各向能量密度，V为自由层的体积，KV为体各向异性常数Ms为自由层饱和磁化率，Nz垂直方向的退磁化常数，t为自由层的厚度，Ki为界面各向异性常数，DMTJ为磁性随机存储器的关键尺寸(一般指自由层260的直径)，As为刚度积分交换常数，Dn为自由层翻转过程中反向核的尺寸(一般指反向核的直径)。实验表明当自由层的厚度较
厚时表现为面内各向异性，较薄时，表现为垂直各向异性，KV一般可以忽略不计，而退磁能
对垂直各向异性的贡献为负值，因此垂直各向异性完全来自界面效应Ki。
厚时表现为面内各向异性，较薄时，表现为垂直各向异性，KV一般可以忽略不计，而退磁能
对垂直各向异性的贡献为负值，因此垂直各向异性完全来自界面效应Ki。
[0041] 此外，随着自由层260的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。写操作的临界电流Ic0和热稳定性强相关，其关系可以表达如下的公式：
[0042] 其中，α为阻尼系数(damping constant)，为约化普朗克常数，η为自旋极化率。在增加热稳定性的同时，降低临界电流则变得异常重要。
[0043] 然而，为了提高磁性随机存储器的密度，磁性隧道结200的关键尺寸(Critical Dimension)做得越来越小。当尺寸进一步缩小时，会发现磁性隧道结200的热稳定性
(Thermal Stability Factor)急剧变差。对于超小尺寸的MRAM磁性存储单元而言，为了提
高热稳定，通常可以降低自由层260的厚度，降低自由层260的饱和磁化率或者增加界面各
向异性。如果降低自由层260的厚度，则隧穿磁阻率(Tunnel Magnetoresistance Ration，
TMR)将会降低，这将会增加读操作时候错误率；在厚度不变的条件下，在自由层260里添加
或把自由层260改为低饱和磁化率的材料，同样会使隧穿磁阻率降低，进而降低了自旋极化
率，如此并不利于器件的读/写操作。
(Thermal Stability Factor)急剧变差。对于超小尺寸的MRAM磁性存储单元而言，为了提
高热稳定，通常可以降低自由层260的厚度，降低自由层260的饱和磁化率或者增加界面各
向异性。如果降低自由层260的厚度，则隧穿磁阻率(Tunnel Magnetoresistance Ration，
TMR)将会降低，这将会增加读操作时候错误率；在厚度不变的条件下，在自由层260里添加
或把自由层260改为低饱和磁化率的材料，同样会使隧穿磁阻率降低，进而降低了自旋极化
率，如此并不利于器件的读/写操作。
[0044] 图2为本申请实施例磁性存储单元结构示意图。现有技术请同时配合图1以利于理解。如图2所示，在本申请的一实施例中，一种磁性隧道结结构，设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结结构至少包括自由层(Free Layer，FL)260、势垒层(Tunneling Barrier
Layer，TBL)250与参考层(Reference Layer，RL)240。参考层240位于势垒层250的下方，其
具有磁化矢量的不变性；势垒层250材料优选的为MgO；自由层260位于势垒层250上方，其具
有磁化矢量的可变性。所述自由层260上方设置还包括：隔断层(Spacer)270，设置于所述自
由层260上，所述隔断层270由下至上包括缓冲层(Buffer Layer)271与自旋扩散层(Spin
Diffusion Layer)272，所述缓冲层271由金属氧化层形成，所述自旋扩散层272为高自旋扩
散长度的金属构成；自旋激化层(Spin Polarization Layer，SPL)280，设置于所述自旋扩
散层272上，由具有垂直各向异性的高自旋激化率的磁性材料形成；其中，所述缓冲层 271
为所述自由层260提供一个额外的垂直各向异性界面各向异性来源，及导引所述自旋扩散
层272的晶格形成，所述自旋扩散层272导引所述自旋激化层280所需的晶格生长，及所述自
旋激化层280具有磁化矢量的不变性，其磁化矢量与所述参考层260的磁化矢量方向永远为
反平行。
Layer，TBL)250与参考层(Reference Layer，RL)240。参考层240位于势垒层250的下方，其
具有磁化矢量的不变性；势垒层250材料优选的为MgO；自由层260位于势垒层250上方，其具
有磁化矢量的可变性。所述自由层260上方设置还包括：隔断层(Spacer)270，设置于所述自
由层260上，所述隔断层270由下至上包括缓冲层(Buffer Layer)271与自旋扩散层(Spin
Diffusion Layer)272，所述缓冲层271由金属氧化层形成，所述自旋扩散层272为高自旋扩
散长度的金属构成；自旋激化层(Spin Polarization Layer，SPL)280，设置于所述自旋扩
散层272上，由具有垂直各向异性的高自旋激化率的磁性材料形成；其中，所述缓冲层 271
为所述自由层260提供一个额外的垂直各向异性界面各向异性来源，及导引所述自旋扩散
层272的晶格形成，所述自旋扩散层272导引所述自旋激化层280所需的晶格生长，及所述自
旋激化层280具有磁化矢量的不变性，其磁化矢量与所述参考层260的磁化矢量方向永远为
反平行。
[0045] 在本申请的一实施例中，所述缓冲层271的厚度为0.5奈米～1.4奈米；所述缓冲层 271的形成材料为MgO、ZrO2、ZnO、Al2O3、GaO、Fe3O4、Fe2O3、CoO、NiO、Y2O3、SrO、 Sc2O3、TiO2、HfO2、V2O5、Nb2O5、Ta2O5、CrO3、MoO3、WO3、RuO2、OsO2、TcO、ReO、 RhO、IrO、SnO、SbO、MgZnO、Mg3B2O6、MgAl2O4、SrTiO3或其组合，优选为MgO。
[0046] 缓冲层271具有多功能的作用：(1)为自由层260提供一个额外的垂直各向异性界面各向异性来源，从增加了自由层260的热稳定性；(2)金属氧化物具有较长的自旋扩散长
度，自旋电子(spin polarized electrons)在其传导过程中被消耗可以忽略不计；(3)缓冲
层271为后续自旋扩散层272的晶格生长提供良好基底。更一步地，可以在缓冲层271沉积之
后，进行加热/冷却处理，以增强其结晶性能。其中，自旋扩散长度是指自旋电子积累在某种材料一个长度范围内呈指数衰减的特征长度值。
度，自旋电子(spin polarized electrons)在其传导过程中被消耗可以忽略不计；(3)缓冲
层271为后续自旋扩散层272的晶格生长提供良好基底。更一步地，可以在缓冲层271沉积之
后，进行加热/冷却处理，以增强其结晶性能。其中，自旋扩散长度是指自旋电子积累在某种材料一个长度范围内呈指数衰减的特征长度值。
[0047] 在本申请的一实施例中，所述自旋扩散层272一般由具有较长的自旋扩散长度的金属构成，所述自旋扩散层272的厚度为0.2奈米～5.0奈米；所述自旋扩散层272的形成材
料为Cu、Ag、Au、Al、Ge、Ti、Zn、Ga、In、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Si或其组合，优选为单层材料Ag、Au、Al或自下而上的双层材料Cu/Ag、Cu/Au、Cu/Al。
料为Cu、Ag、Au、Al、Ge、Ti、Zn、Ga、In、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Si或其组合，优选为单层材料Ag、Au、Al或自下而上的双层材料Cu/Ag、Cu/Au、Cu/Al。
[0048] 自旋扩散层272的功能为：(1)作为后续自旋激化层280的种子层，促进自旋激化层 280所需的晶格生长，确保其具有良好的垂直各向异性；(2)消除缓冲层270氧化物插入自由
层260与自旋激化层280之间的磁性隧道结高电阻效应，降低连接电阻。更进一步，可以在自
旋扩散层272沉积之后，对其进行表面等离子处理，以有利于后续的自旋激化层280 的生
长。
层260与自旋激化层280之间的磁性隧道结高电阻效应，降低连接电阻。更进一步，可以在自
旋扩散层272沉积之后，对其进行表面等离子处理，以有利于后续的自旋激化层280 的生
长。
[0049] 隔断层270的整体效果为：(1)实现了自由层260和自旋激化层280的“去铁磁耦合”(de-coupling)；(2)不会增加磁性隧道结(MTJ)的结电阻面积积(Resistance Area
Product， RA),MTJ单元结构读取性能不会受到影响；(3)缓冲层271和自旋扩散层272均有
较长的自旋扩散长度，且缓冲层271与自旋扩散层272界面的自旋散射率很低，自旋电子在
通过隔断层270的时候，自旋电子基本不会衰减。在一些实施例中，以MgO/Ag为例，其自旋扩散长度高达300奈米。
Product， RA),MTJ单元结构读取性能不会受到影响；(3)缓冲层271和自旋扩散层272均有
较长的自旋扩散长度，且缓冲层271与自旋扩散层272界面的自旋散射率很低，自旋电子在
通过隔断层270的时候，自旋电子基本不会衰减。在一些实施例中，以MgO/Ag为例，其自旋扩散长度高达300奈米。
[0050] 在本申请的一实施例中，所述自旋激化层280的厚度为0.4奈米～4.0奈米，组成材料具有垂直各向异性的高自旋激化率的磁性材料；所述自旋激化层280的形成材料为Co、
[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[Co/Ni]n、[Co/AgPt]n、[Co/AgPd]n、[Co/AgNi]n、[Co/AuPt]n、[Co/AuPd]n、 [Co/AuNi]n、[Co/AlPt]n、[Co/AlPd]n、[Co/AlNi]n、[Co/Ag/Pt]n、[Co/Ag/Pd]n、[Co/Ag/Ni]n、 [Co/Au/Pt]n、[Co/Au/Pd]n、[Co/Au/Ni]n、[Co/Al/Pt]n、[Co/Al/Pd]n、[Co/Al/Ni]n、Fe、[Fe/Pt]n、 [Fe/Pd]n、[Fe/Ni]n、[Fe/Co]n、[Co/Fe]n、[Fe/AgPt]n、[Fe/AgPd]n、[Fe/AgNi]n、[Fe/AuPt]n、 [Fe/AuPd]n、[Fe/AuNi]n、[Fe/AlPt]n、[Fe/AlPd]n、[Fe/AlNi]n、[Fe/Ag/Pt]n、[Fe/Ag/Pd]n、[Fe/Ag/Ni]n、[Fe/Au/Pt]n、[Fe/Au/Pd]n、[Fe/Au/Ni]n、[Fe/Al/Pt]n、[Fe/Al/Pd]n、[Fe/Al/Ni]n、 [Fe/Co]n、[Co/Fe]n、[CoFe/Pt]n、[CoFe/Pd]n、[CoFe/Ni]n、CoFe、CoFeNi、或FeNi的单层或多层结构或其组合，其中n≥1；或者，所述自旋激化层为具有磁晶各向异性合金形成，其为CoPt、FePt、CoFePt、CoPd、FePd、CoFePd、CoAgPt、FeAgPt、CoFeAgPt、CoAgPd、 FeAgPd、CoFeAgPd、CoAuPt、FeAuPt、CoFeAuPt、CoAuPd、FeAuPd、
CoFeAuPd、CoAlPt、 FeAlPt、CoFeAlPt、CoAlPd、FeAlPd、CoFeAlPd、Co3Pt、D022-Mn3Ga、D022-Mn3Ge、L10-FePt、 L10-CoPt、L10-FePd、L10-CoPd或其组合。
[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[Co/Ni]n、[Co/AgPt]n、[Co/AgPd]n、[Co/AgNi]n、[Co/AuPt]n、[Co/AuPd]n、 [Co/AuNi]n、[Co/AlPt]n、[Co/AlPd]n、[Co/AlNi]n、[Co/Ag/Pt]n、[Co/Ag/Pd]n、[Co/Ag/Ni]n、 [Co/Au/Pt]n、[Co/Au/Pd]n、[Co/Au/Ni]n、[Co/Al/Pt]n、[Co/Al/Pd]n、[Co/Al/Ni]n、Fe、[Fe/Pt]n、 [Fe/Pd]n、[Fe/Ni]n、[Fe/Co]n、[Co/Fe]n、[Fe/AgPt]n、[Fe/AgPd]n、[Fe/AgNi]n、[Fe/AuPt]n、 [Fe/AuPd]n、[Fe/AuNi]n、[Fe/AlPt]n、[Fe/AlPd]n、[Fe/AlNi]n、[Fe/Ag/Pt]n、[Fe/Ag/Pd]n、[Fe/Ag/Ni]n、[Fe/Au/Pt]n、[Fe/Au/Pd]n、[Fe/Au/Ni]n、[Fe/Al/Pt]n、[Fe/Al/Pd]n、[Fe/Al/Ni]n、 [Fe/Co]n、[Co/Fe]n、[CoFe/Pt]n、[CoFe/Pd]n、[CoFe/Ni]n、CoFe、CoFeNi、或FeNi的单层或多层结构或其组合，其中n≥1；或者，所述自旋激化层为具有磁晶各向异性合金形成，其为CoPt、FePt、CoFePt、CoPd、FePd、CoFePd、CoAgPt、FeAgPt、CoFeAgPt、CoAgPd、 FeAgPd、CoFeAgPd、CoAuPt、FeAuPt、CoFeAuPt、CoAuPd、FeAuPd、
CoFeAuPd、CoAlPt、 FeAlPt、CoFeAlPt、CoAlPd、FeAlPd、CoFeAlPd、Co3Pt、D022-Mn3Ga、D022-Mn3Ge、L10-FePt、 L10-CoPt、L10-FePd、L10-CoPd或其组合。
[0051] 在本申请的一实施例中，所述自旋激化层280为反铁磁层构成，所述反铁磁层的结构为铁磁性材料层/(Ru、Rh或Ir)/铁磁性材料层，所述铁磁性材料层为所述单层或多层结
构或其组合及/或所述磁晶各向异性合金，所述自旋激化层280临接所述自旋扩散层272的
铁磁性材料层的磁化矢量与所述参考层240的磁化矢量方向均固定不变并垂直于材料平
面，且相互为反平行。
构或其组合及/或所述磁晶各向异性合金，所述自旋激化层280临接所述自旋扩散层272的
铁磁性材料层的磁化矢量与所述参考层240的磁化矢量方向均固定不变并垂直于材料平
面，且相互为反平行。
[0052] 在一些实施例中，所述垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)的材料一般为含Co或Fe的磁性材料，具有平面晶向(111)的面心立方结构FCC，其晶格
长度约为0.354奈米。通常在具有较高垂直各向异性的材料，Co或Fe的非磁性基底或夹层需
要也具有平面晶向(111)的面心立方结构FCC，其晶格长度大于Co或Fe晶格长度(～0.354奈
米)，并且具有较高的晶格错配度。符合以上条件的金属元素(及其FCC晶格长度)为：Ag
(0.408 奈米)、Au(0.407奈米)、Al(0.405奈米)、Pt(0.392奈米)、Pd(0.389奈米)、Ir(0.384奈米)等。 Cu的自旋扩散虽然长度较长，但其晶格长度约为0.361奈米，与Co或Fe晶格长度
(～0.354 奈米)的晶格错配度较低，不适合做直接基底或夹层，可以作间接基底。Pt、Pd、Ir等金属材料的自旋扩散长度极短，基本上是自旋吸收耗损材料(spin sinker)，不适合做自
旋扩散层材料或基底材料，可以作夹层材料。较优的自旋扩散层材料为Ag、Au、Al或Cu/Ag、Cu/Au、 Cu/Al。
长度约为0.354奈米。通常在具有较高垂直各向异性的材料，Co或Fe的非磁性基底或夹层需
要也具有平面晶向(111)的面心立方结构FCC，其晶格长度大于Co或Fe晶格长度(～0.354奈
米)，并且具有较高的晶格错配度。符合以上条件的金属元素(及其FCC晶格长度)为：Ag
(0.408 奈米)、Au(0.407奈米)、Al(0.405奈米)、Pt(0.392奈米)、Pd(0.389奈米)、Ir(0.384奈米)等。 Cu的自旋扩散虽然长度较长，但其晶格长度约为0.361奈米，与Co或Fe晶格长度
(～0.354 奈米)的晶格错配度较低，不适合做直接基底或夹层，可以作间接基底。Pt、Pd、Ir等金属材料的自旋扩散长度极短，基本上是自旋吸收耗损材料(spin sinker)，不适合做自
旋扩散层材料或基底材料，可以作夹层材料。较优的自旋扩散层材料为Ag、Au、Al或Cu/Ag、Cu/Au、 Cu/Al。
[0053] 图3a与图3b为本申请实施例的磁性隧道结的写数据过程示意图。请同时配合图2 以利于理解。本申请揭示一种磁性随机存储单元的数据写入方法，所述磁性随机存储单元
包括磁性隧道结，所述磁性隧道结结构包括自旋激化层280、隔断层270、自由层260、势垒层
250与参考层240；所述数据写入方法包括如下步骤：判断所述磁性隧道结为的电阻状态；依
据所述电阻状态，在写入相异数据逻辑时，选择性的将电子流自所述参考层或所述自旋激
化层通入所述磁性隧道结；当所述电子流进入层级时，所述电子流自旋激化，通过所述进入
层级的磁化矢量以筛选可达到所述自由层的自旋电子，及通过所述自由层的周围层将所述
自旋电子聚集于所述自由层的周围；通过激化与聚集的所述自旋电子以翻转所述自由层的
磁化矢量，实现所述相异数据逻辑的写入。
包括磁性隧道结，所述磁性隧道结结构包括自旋激化层280、隔断层270、自由层260、势垒层
250与参考层240；所述数据写入方法包括如下步骤：判断所述磁性隧道结为的电阻状态；依
据所述电阻状态，在写入相异数据逻辑时，选择性的将电子流自所述参考层或所述自旋激
化层通入所述磁性隧道结；当所述电子流进入层级时，所述电子流自旋激化，通过所述进入
层级的磁化矢量以筛选可达到所述自由层的自旋电子，及通过所述自由层的周围层将所述
自旋电子聚集于所述自由层的周围；通过激化与聚集的所述自旋电子以翻转所述自由层的
磁化矢量，实现所述相异数据逻辑的写入。
[0054] 在本申请的一实施例中，如图3a所示，当参考层240和自由层260的磁化矢量反向平行时，这时呈现“高”电阻状，即：逻辑“1”；为了实现逻辑“0”的写入，电子流为从参考层
240的一端通入磁性隧道结(MTJ),在电子通过参考层240的时候，电子被自旋激化，能够到
达自由层260自旋电子，绝大多数为自旋矢量与参考层240的磁化矢量一致的自旋电子；穿
过自由层260并且自旋矢量与自旋激化层280的磁化矢量相反的自旋电子11，将会在间隔层
270和自旋激化层280的界面处被反射，从而聚集在自由层260的周围。因此，被参考层240激
化的自旋电子和被间隔层270/自旋激化层280界面处反射的自旋电子具有相同的自旋矢量
方向，在它们的共同自旋转移力矩的作用下，自由层260的磁矩开始翻转，从而，实现逻辑
“0”的写入。由于，自旋激化层280的引入，在间隔层270/自旋激化层280的界面处产生了额外的自旋电子流，从而，增加了自旋转移力矩的总量，相当于大幅地增加了自旋极化率(η)，有效地降低了临界写电流。
240的一端通入磁性隧道结(MTJ),在电子通过参考层240的时候，电子被自旋激化，能够到
达自由层260自旋电子，绝大多数为自旋矢量与参考层240的磁化矢量一致的自旋电子；穿
过自由层260并且自旋矢量与自旋激化层280的磁化矢量相反的自旋电子11，将会在间隔层
270和自旋激化层280的界面处被反射，从而聚集在自由层260的周围。因此，被参考层240激
化的自旋电子和被间隔层270/自旋激化层280界面处反射的自旋电子具有相同的自旋矢量
方向，在它们的共同自旋转移力矩的作用下，自由层260的磁矩开始翻转，从而，实现逻辑
“0”的写入。由于，自旋激化层280的引入，在间隔层270/自旋激化层280的界面处产生了额外的自旋电子流，从而，增加了自旋转移力矩的总量，相当于大幅地增加了自旋极化率(η)，有效地降低了临界写电流。
[0055] 在本申请的一实施例中，如图3b所示，当参考层240和自由层260的磁化矢量平行时，这是呈现“低”电阻状，即：逻辑“0”；为了实现逻辑“1”的写入，电子流为从自旋激化层
280的一端通入磁性隧道结(MTJ),在电子通过自旋激化层280的时候，电子被自旋激化，基
本上只有自旋矢量和自旋激化层280的磁化矢量一致的自旋电子才能到达自由层260；穿过
自由层260并且自旋矢量与参考层240的磁化矢量相反的自旋电子12，由于它们与参考层
240的磁化矢量相反，将会在势垒层250和参考层240的界面处被反射，而再次聚集在自由层
260附近。由于被参考层249/势垒层250界面处反射的自旋电子和被自旋激化层280 激化的
自旋电子具有相同的自旋矢量方向，在它们的共同自旋转移力矩的作用下，自由层 260的
磁矩开始翻转，从而，实现逻辑“1”的写入。由于，自旋激化层280的引入，在自旋激化层280中产生了额外的自旋电子流，从而，增加了自旋转移力矩。
280的一端通入磁性隧道结(MTJ),在电子通过自旋激化层280的时候，电子被自旋激化，基
本上只有自旋矢量和自旋激化层280的磁化矢量一致的自旋电子才能到达自由层260；穿过
自由层260并且自旋矢量与参考层240的磁化矢量相反的自旋电子12，由于它们与参考层
240的磁化矢量相反，将会在势垒层250和参考层240的界面处被反射，而再次聚集在自由层
260附近。由于被参考层249/势垒层250界面处反射的自旋电子和被自旋激化层280 激化的
自旋电子具有相同的自旋矢量方向，在它们的共同自旋转移力矩的作用下，自由层 260的
磁矩开始翻转，从而，实现逻辑“1”的写入。由于，自旋激化层280的引入，在自旋激化层280中产生了额外的自旋电子流，从而，增加了自旋转移力矩。
[0056] 图4为本申请实施例磁性随机存储单元结构示意图。在本申请的一实施例中，磁性随机存储单元为一个晶体管一个磁性隧道结(one Transistor one Magnetic Tunneling
Junction, 1T1MTJ)的结构。晶体管8既可以是NMOS也可以是PMOS，晶体管8一端链接源极线
(Source Line,SL)7，另外一端连接磁性隧道结(MTJ)，并由字线(Word Line,WL)6控制晶体
管8的开启和关闭，磁性隧道结(MTJ)另一端则连接位线(Bit Line)9，用以进行数据读/写。
在一些实施案例中，晶体管8和磁性隧道结(MTJ)也可也按照其他方式连接，比如：2T1MTJ
或2T2MTJ等，以优化MRAM电路的读写性能。
Junction, 1T1MTJ)的结构。晶体管8既可以是NMOS也可以是PMOS，晶体管8一端链接源极线
(Source Line,SL)7，另外一端连接磁性隧道结(MTJ)，并由字线(Word Line,WL)6控制晶体
管8的开启和关闭，磁性隧道结(MTJ)另一端则连接位线(Bit Line)9，用以进行数据读/写。
在一些实施案例中，晶体管8和磁性隧道结(MTJ)也可也按照其他方式连接，比如：2T1MTJ
或2T2MTJ等，以优化MRAM电路的读写性能。
[0057] 图5为本申请实施例的磁性隧道结结构示意图。在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结200由上至下结构包括覆盖层290、自旋激化层280、隔断层270、所述自由层260、所述势垒层250、所述参考层240、晶格隔断层230、第一反铁磁层220a与种子层210，所述第一反
铁磁层220a由铁磁材料形成，其中所述第一反铁磁层220a与所述参考层240呈铁磁耦合；所
述自旋激化层280与所述参考层240的磁化矢量为反向平行。
铁磁层220a由铁磁材料形成，其中所述第一反铁磁层220a与所述参考层240呈铁磁耦合；所
述自旋激化层280与所述参考层240的磁化矢量为反向平行。
[0058] 在本申请的一实施例中，种子层210一般由Ta，Ti，TiN，TaN，W，WN，Ru，Pt， Ni，Cr，CrCo，CoFeB或其组合构成。更进一步地，可以是Ta/Ru，CoFeB/Ta/Pt，CoFeB/Ta/Ru， CoFeB/Ta/Ru/Pt，Ta/Pt或Ta/Pt/Ru等多层结构。种子层210用以优化后续的第一反铁磁层 220a的晶体结构。
[0059] 在本申请的一实施例中，第一反铁磁层220a具有[Co/Pt]nCo/Ru、[Co/Pt]nCo/Ir、 [Co/Pt]nCo/Ru/Co、[Co/Pt]nCo/Ir/Co、[Co/Pt]nCo/Ru/Co[Pt/Co]m或[Co/Pt]nCo/Ir/Co
[Pt/Co]m超晶格结构，其中，n>m≥1，第一反铁磁层220a具有很强的垂直各向异性(PMA)。
[Pt/Co]m超晶格结构，其中，n>m≥1，第一反铁磁层220a具有很强的垂直各向异性(PMA)。
[0060] 参考层240在第一反铁磁层220a的铁磁耦合下，具有磁极化不变性，其组成材料一般为Co，Fe，Ni，CoFe，CoFeB或其组合等。由于第一反铁磁层220a具有面心立方(FCC) 晶体结构，而参考层240的晶体结构为体心立方(BCC)，晶格并不匹配，为了实现从第一反铁磁层
220a到参考层240的过渡和铁磁耦合，一般会在两层材料之间添加一层晶格隔断层 230，其
组成材料一般为Ta，W，Mo，Hf，Fe，Co(Ta，W，Mo或Hf)，Fe(Ta，W，Mo或 Hf)，FeCo(Ta，W，Mo或Hf)或FeCoB(Ta，W，Mo或Hf)等。
220a到参考层240的过渡和铁磁耦合，一般会在两层材料之间添加一层晶格隔断层 230，其
组成材料一般为Ta，W，Mo，Hf，Fe，Co(Ta，W，Mo或Hf)，Fe(Ta，W，Mo或 Hf)，FeCo(Ta，W，Mo或Hf)或FeCoB(Ta，W，Mo或Hf)等。
[0061] 势垒层250的总厚度为0.6奈米～1.5奈米。其材料为MgO，可以通过直接对MgO 靶材进行溅射沉积的方式实现，或者通过先对Mg靶材进行溅射沉积Mg，然后，通过氧化工艺使
Mg变为MgO的方式实现。
Mg变为MgO的方式实现。
[0062] 所述自由层260具有CoFeB，Fe/CoFeB，Fe/FeB，FeCo/CoFeB，CoFeB/(W，Mo， V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB、Fe/CoFeB/(W， Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB 或CoFe/CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh， Ir，Pd，Pt)/CoFeB结构。更进一步地，可以选择性的，采用等离子工艺在自由层沉积之后，对其进行表面等离子体处理，以进行表面修饰或选择性移除。
[0063] 覆盖层290的材料为W、Zn、Al、Cu、Ca、Ti、V、Cr、Mo、Mg、Nb、Ru、Hf、 V、Cr、Pt或其组合的多层材料等制成，其总厚度为0.5奈米～10.0奈米。
[0064] 图6为本申请实施例的磁性隧道结结构示意图，请配合图5以理解。在本申请的一实施例中，所述自旋激化层与所述覆盖层之间，由下至上还包括反铁磁耦合层220c与第二
反铁磁层220b，所述反铁磁耦合层220c由可形成反铁磁耦合的过渡金属材料形成，所述第
二反铁磁层220b由铁磁材料形成，其中所述第二反铁磁层220b与所述自旋激化层280通过
反铁磁耦合层220c而形成反铁磁耦合。
反铁磁层220b，所述反铁磁耦合层220c由可形成反铁磁耦合的过渡金属材料形成，所述第
二反铁磁层220b由铁磁材料形成，其中所述第二反铁磁层220b与所述自旋激化层280通过
反铁磁耦合层220c而形成反铁磁耦合。
[0065] 在一些实施例中，所述第一反铁磁层220a具有[Co/Pt]nCo、Co/[Co/Pt]nCo， [Co/Pd]nCo、Co/[Co/Pd]nCo，超晶格结构，其中，n≥1，第一反铁磁层220a具有很强的垂直各向异性(PMA)。
[0066] 在一些实施例中，反铁磁耦合层220c的材料选择Ru或Ir，进一步可以选择Ru的第一RKKY振荡峰(0.3奈米～0.6奈米)，也可以选择Ru的第二RKKY振荡峰(0.7奈米～0.9 奈
米)，甚至Ir的第一振荡峰(0.3奈米～0.6奈米)。
米)，甚至Ir的第一振荡峰(0.3奈米～0.6奈米)。
[0067] 在一些实施例中，所述第二反铁磁层220b具有Co/[Pt/Co]n、Co/[Pt/Co]nPt，Co/[Pd/Co]n、Co/[Pd/Co]nPd，超晶格结构，其中，n≥1，第二反铁磁层220b具有很强的垂直各向异性(PMA)。
[0068] 请同时参阅图2至图6，在本申请的实施例中，一种磁性随机存储器，其储存单元包括如前所述磁性隧道结200结构中任一者，设置于所述磁性隧道结200结构上方的顶电极
300，及设置于所述磁性隧道结200结构下方的底电极100。
300，及设置于所述磁性隧道结200结构下方的底电极100。
[0069] 在本申请的一实施例中，在所述底电极、种子层、反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层和顶电极沉积之后，在大于350℃的温度下进行至少30分钟的退火操作。
[0070] 本申请的磁性隧道结单元结构，其通过引入的自旋激化层，使得磁性隧道结在写过程中的自旋转移力矩，得到了有效的提升，非常有利于MTJ器件临界电流(IC0)的降低，提
升MRAM电路写的速度，降低写功耗与提升耐久性的，非常适用于快速超低功耗的应用环境
中。
升MRAM电路写的速度，降低写功耗与提升耐久性的，非常适用于快速超低功耗的应用环境
中。
[0071] “在本申请的一实施例中”及“在各种实施例中”等用语被重复地使用。此用语通常不是指相同的实施例；但它也可以是指相同的实施例。“包含”、“具有”及“包括”等用词是同义词，除非其前后文意显示出其它意思。
[0072] 以上所述，仅是本申请的具体实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以具体实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人
员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰
为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质
对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。
员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰
为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质
对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。
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