一种用于实现自旋扭矩传递切换的磁性元件、制备方法及磁存储器件与流程

本发明属于磁存储技术领域，更具体地，涉及一种用于实现自旋扭矩传递切换的磁性元件、制备方法及磁存储器件。

背景技术：

垂直磁各向异性磁隧道结(mtj)是磁性多层膜自旋阀器件或磁性存储位单元的一个核心组成部分。它由薄膜绝缘层及由其所隔离的两个具有垂直磁各向异性的铁磁层形成高自旋极化穿隧接合。薄膜绝缘层的应用使电子可以从一个铁磁层穿隧到另一个铁磁层。在结晶型薄膜绝缘层的场合，铁磁层在外磁场或自旋扭矩传递作用下形成的平行和反平行状态。由此电子能带结构产生不对称导电通道(conductivechannels)及电导传输，并形成巨大的隧道磁阻(tmr)效应。在一个具有垂直磁各向异性的典型结构配置中，第一铁磁层(磁自由层)的垂直磁化可以在外加磁场中自由旋转，而第二铁磁层的垂直磁化被固定或钉扎以作为自旋偏振器。该磁隧道结被连接到由一个或多个起开关作用的半导体晶体管(电路)(cmos)以构成stt-mram的存储位单元。其中第一铁磁层的垂直磁化方向由于自旋扭矩传递效应可单独旋转或开关。相较于其反平行排列，如果两个铁磁层的垂直磁化方向平行排列，则传导电子将更有可能通过隧道效应穿隧绝缘层。因此，该磁隧道结可以实现在高和低电阻两状态之间相互切换，并以非易失性方式(non-volatile)记录存储数据信息。

由自旋扭矩传递诱起磁自由层的垂直磁化旋转或开关所需的自旋极化电流与来自该层对应的垂直磁各向异性场(perpendicularanisotropyfield)成正比关系。垂直磁化的开关特性直接决定stt-mram的存储位单元(storagebitcell)的可写性(writeability)。降低开关电流密度jc是减小半导体晶体管cmos尺寸，实现低功耗和高密度stt-mram的关键。同时，磁性元件的热稳定性也正比于磁自由层的垂直各向异性场，它决定数据信息在stt-mram存储器内的保持期(dataretention)。该参量的大小取决于stt-mram存储器的存储容量，应用和使用工作条件。总的来说，在降低写开关电流密度和提高磁性器件的热稳定性两者之间，需要均衡或合理折衷以满足磁性器件和stt-mram存储器优化及正常运作。随半导体技术节点的降低，其自旋扭矩传递开关电流或写入电流在同样热稳定性设计时大致保持恒定。在实际工程实践上，其技术挑战仍在于降低自旋扭矩传递开关电流或写入电流而同时保持设计所要求的热稳定性。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于实现自旋扭矩传递切换的磁性元件，其目的在于能够实现在大信号条件下存储器系统的高速和高记录密度。

本发明提供了一种用于实现自旋扭矩传递切换的磁性元件，所述磁性元件包括：第一垂直各向异性磁固定层，具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一非磁性隔离层，附着于所述第一垂直各向异性磁固定层上；垂直各向异性磁自由层，附着于所述第一非磁性隔离层上，所述垂直各向异性磁自由层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第二非磁性隔离层，附着于所述垂直各向异性磁自由层上；第二垂直各向异性磁固定层，附着于所述第二非磁性隔离层上，所述第二垂直各向异性磁固定层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；以及覆盖层，附着于所述第二垂直各向异性磁固定层上，且与半导体晶体管电路连接；当写电流通过该磁性元件时，垂直各向异性磁自由层可通过自旋扭矩传递效应在稳定的磁性状态之间切换或开关。

本发明提供具有双钉扎结构的垂直磁各向异性磁隧道结(dmtj)和由此构成的磁性存储位单元及存储器系统构建方案，以进一步降低自旋扭矩传递开关电流和实现stt-mram存储器高记录密度。相较于单钉扎结构的垂直磁各向异性磁隧道结构型，具有反平行排列的双钉扎铁磁层的垂直磁化增加了作用于磁自由层上的自旋扭矩传递效应。降低了自旋扭矩传递开关电流或记录存储的写入电流。其次，通过优化设计存储位单元中的垂直各向异性磁隧道结(dmtj)结构，在降低自旋扭矩传递开关电流或写入电流的同时，保持磁随机存取存储器安定的热稳定性。通过应用本发明开示的相关磁性元件和存储器系统集成的方法及系统，以实现在大信号条件下存储器系统的高速和高记录密度。

本发明还提供了一种用于实现自旋扭矩传递切换的磁性元件，其特征在于，包括：第一垂直各向异性磁固定层，具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一非磁性层间耦合层，附着于所述第一垂直各向异性磁固定层上；第一垂直各向异性磁参照层，附着于所述第一非磁性层间耦合层上，并通过第一非磁性层间耦合层与第一垂直各向异性磁固定层构成反铁磁耦合结构；所述第一垂直各向异性磁参照层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一中间层，附着于所述第一垂直各向异性磁参照层上；高自旋极化率磁参照层子层，附着于所述第一中间层上，并通过所述第一中间层与第一垂直各向异性磁参照层形成铁磁耦合的垂直各向异性复合型磁参照层结构；第一隧穿势垒层包括mgo结晶层，附着于所述高自旋极化率磁参照层子层上；高自旋极化率磁自由层子层，附着于所述第一隧穿势垒层包括mgo结晶层上；第二中间层，附着于所述高自旋极化率磁自由层子层上；垂直各向异性磁自由层，附着于所述第二中间层上，并通过所述第二中间层与高自旋极化率磁自由层子层进行铁磁性耦合形成复合型磁自由层，所述垂直各向异性磁自由层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第二隧穿势垒层，附着于所述垂直各向异性磁自由层上，包括mgo结晶层；第二垂直各向异性磁固定层，附着于所述第二隧穿势垒层上，具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，第二垂直各向异性磁固定层与垂直各向异性复合型磁参照层的垂直磁化互为反平行排列，以及覆盖层，附着于所述第二垂直各向异性磁固定层上，且与半导体晶体管电路连接；其中第一中间层和第二中间层为磁性中间层或非磁性中间层；当写电流通过所述磁性元件时，垂直各向异性磁自由层可通过自旋扭矩传递效应在稳定的磁性状态之间切换或开关。

本发明还提供了一种用于实现自旋扭矩传递切换的磁性元件，其特征在于，包括：第一垂直各向异性磁固定层，具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一非磁性层间耦合层，附着于所述第一垂直各向异性磁固定层上；第一垂直各向异性磁参照层，附着于所述第一非磁性层间耦合层上，所述第一垂直各向异性磁参照层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；由第一垂直各向异性磁固定层、第一非磁性层间耦合层和所述第一垂直各向异性磁参照层形成反铁磁耦合结构；第一中间层，附着于所述第一垂直各向异性磁参照层上；第一高自旋极化率磁参照层子层，附着于所述第一中间层上，由第一垂直各向异性磁参照层、第一中间层和第一高自旋极化率磁参照层子层形成铁磁耦合的垂直各向异性复合型磁参照层；第一隧穿势垒层，附着于所述第一高自旋极化率磁参照层子层上，包括mgo结晶层；第一高自旋极化率磁自由层子层，附着于所述第一隧穿势垒层上；第二中间层，附着于所述第一高自旋极化率磁自由层子层上；垂直各向异性磁自由层，附着于所述第二中间层上，所述垂直各向异性磁自由层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第三中间层，附着于所述垂直各向异性磁自由层上；第二高自旋极化率磁自由层子层，附着于所述第三中间层上；第二隧穿势垒层，附着于所述第二高自旋极化率磁自由层子层上，包括mgo结晶层；第二高自旋极化率磁参照层子层，附着于所述第二隧穿势垒层上；第四中间层，附着于所述第二高自旋极化率磁参照层子层上；第二垂直各向异性磁参照层，附着于所述第四中间层上，所述第二垂直各向异性磁参照层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第二非磁性层间耦合层，附着于所述第二垂直各向异性磁参照层上；第二垂直各向异性磁固定层，附着于所述第二非磁性层间耦合层上，所述第二垂直各向异性磁固定层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；以及覆盖层，附着于所述第二垂直各向异性磁固定层上，且与半导体晶体管电路连接；其中第一中间层、第二中间层、第三中间层和第四中间层为磁性中间层或非磁性中间层；当写电流通过磁性元件时，垂直各向异性磁自由层可通过自旋扭矩传递效应在稳定的磁性状态之间切换或开关。

本发明还提供了一种用于实现自旋扭矩传递切换的磁性元件，包括：第一垂直各向异性磁固定层，具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一非磁性层间耦合层，附着于所述第一垂直各向异性磁固定层上；第一垂直各向异性磁参照层，附着于所述第一非磁性层间耦合层上，所述第一垂直各向异性磁参照层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，且磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第一中间层，附着于所述第一垂直各向异性磁参照层上；第一高自旋极化率磁参照层子层，附着于所述第一中间层上；第一隧穿势垒层，附着于所述第一高自旋极化率磁参照层子层上，包括mgo结晶层；第一高自旋极化率磁自由层子层，附着于所述第一隧穿势垒层上；第二中间层，附着于所述第一高自旋极化率磁自由层子层上；第一垂直各向异性磁自由子层，附着于所述第二中间层上，且通过第二中间层与第一高自旋极化率磁自由层子层铁磁性耦合形成第一复合型磁自由层；第二非磁性层间耦合层，附着于所述第一垂直各向异性磁自由子上；第二垂直各向异性磁自由子层，附着于所述第二非磁性层间耦合层上，且具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；第三中间层，附着于所述第二垂直各向异性磁自由子层上；第二高自旋极化率磁自由层子层，附着于所述第三中间层上，且通过第三中间层与第二垂直各向异性磁自由层子层进行铁磁性耦合形成第二复合型磁自由层，其中，第一复合型磁自由层与第二复合型磁自由层形成反铁磁性耦合结构；第二隧穿势垒层，附着于所述第二高自旋极化率磁自由层子层上，包括mgo结晶层；第二高自旋极化率磁参照层子层，附着于所述第二隧穿势垒层上；第四中间层，附着于所述第二高自旋极化率磁参照层子层上；第二垂直各向异性磁参照层，附着于所述第四中间层上，具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，且通过所述第四中间层与第二高自旋极化率磁参照层子层形成铁磁耦合型的第二垂直各向异性复合型磁参照层；第三非磁性层间耦合层，附着于所述第二垂直各向异性磁参照层上；第二垂直各向异性磁固定层，附着于所述第三非磁性层间耦合层上，具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能，磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，且通过第三非磁性层间耦合层与第二垂直各向异性复合型磁参照层形成反铁磁耦合结构，第一及第二垂直各向异性复合型磁参照层的垂直磁化互为平行排列；以及覆盖层，附着于所述第二垂直各向异性磁固定层上，且与半导体晶体管电路连接；其中第一中间层、第二中间层、第三中间层和第四中间层为磁性中间层或非磁性中间层；当写电流通过该磁性元件时，垂直各向异性磁自由层可通过自旋扭矩传递效应在稳定的磁性状态之间切换或开关。

在本发明中，高自旋极化率具体是指半金属材料的自旋极化率可高达值1.0.但是，在实际体系中该值远低于其阈值。现阶段根据不同定义或包括既有或新材料的实验体系，高自旋极化率可以是指自旋极化率达到0.3-0.6，甚至是0.7以上的值。

更进一步地，垂直各向异性磁自由层、垂直各向异性磁自由子层、垂直各向异性磁参照层、垂直各向异性磁参照子层、垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性磁固定子层中，至少其中之一包含由过渡族金属co，fe，ni或它们的合金与贵金属ag，au，pt，pd交互而成的，具有[cot1/ptt2]n或[cot1/pdt2]n构型的多层膜结构；且多层膜结构包括超薄型多层膜结构，在高温热处理固化为有序合金结构，并产生垂直磁各向异性；其中n≥1。

其中，超薄型多层膜结构中的超薄型具体是指薄至0.1纳米以下(或《1a)；高温热处理具体是指高达600c的处理温度。但在器件工艺中，通常指200-400c更具实际意义。

本发明提供了具有双钉扎结构的垂直磁各向异性磁隧道结(dmtj)和由此构成的磁性存储位单元及存储器系统，以进一步降低自旋扭矩传递开关电流和实现stt-mram存储器高记录密度。该双钉扎结构的垂直磁各向异性磁隧道结(dmtj)由双钉扎垂直各向异性磁固定层(pl，pl’)，垂直各向异性磁自由层(fl)及隔离前两者的非磁性隔离层或薄膜绝缘层(sp1，sp2)组成。其中，双钉扎铁磁层的垂直磁化被固定或钉扎以作为自旋偏振器，其磁化可具有相互平行或反平行排序。而位于垂直磁各向异性磁隧道结中心的第二铁磁层(磁自由层)的垂直磁化可以在外加磁场中自由旋转。其垂直磁化方向由于自旋扭矩传递效应可单独旋转或开关。相较于单钉扎结构的垂直磁各向异性磁隧道结构型，具有反平行排列的双钉扎铁磁层的垂直磁化增加了作用于磁自由层上的自旋扭矩传递效应。降低了自旋扭矩传递开关电流或记录存储的写入电流。

其次，通过优化设计存储位单元中的垂直各向异性磁隧道结(dmtj)结构，增强磁自由层的垂直各向异性，改善其阻尼特性并提升该垂直各向异性磁隧道结的自旋扭矩传递效率，从而解决磁随机存取存储器(stt-mram)的技术难点。在降低自旋扭矩传递开关电流或写入电流的同时，保持磁随机存取存储器安定的热稳定性。通过应用本发明开示的相关磁性元件和存储器系统集成的方法及系统，可实现在大信号条件下存储器系统的高速和高记录密度。综上所述，本发明提供的stt-mram存储器具有如下技术优点：

(1)在保证器件的热稳定性的情况下，垂直各向异性dmtj磁隧道结元件的写入电流可减低至数十微安或更低。或在20纳米或以下的技术节点领域，进一步增加存储位单元的写操作裕度，拓展stt-mram存储器的可扩展性(scalability)及在高密度数据存储和记忆中的应用。同时该磁隧道结元件也可应用于多比特(multi-levelbit)器件设计。

(2)由于垂直各向异性dmtj磁隧道结元件的垂直磁化的杂散磁场分布范围缩窄，降低磁隧道结元件之间的外场相互作用和干扰，及写入电流分布。有利于stt-mram存储器的安定性的提高和高密度化。

(3)在技术节点(technologynode)减小至20纳米或以下，其热稳定性仍可满足设计要求。有利于stt-mram存储器的高密度化。同时，stt-mram存储器属于非挥发性存储器，具有良好的数据信息保持期(dataretention)。

(4)由于stt-mra存储器具有高速读/写功能。写操作可以在短至几纳秒(nano-seconds)内完成。具有写周期的优异耐久性(endurance)。按一般设计，耐久性可高达10¹⁶写周期。

(5)stt-mram存储器属于低功耗存储器。在典型的使用情况下，读/写操作的运行功耗仅为几个微微焦耳(pico-joule)，适合于在低功耗和移动设备上的应用。

(6)stt-mram存储器具备良好的系统及工艺兼容性。stt-mram适用于兼容并取代soc内的存储器元件，诸如rom和dram存储器等，以节省空间，提高的存储器集成度，降低功耗，提高性能及功效。

附图说明

图1为本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件中的垂直各向异性磁自由层之参数设计满足存储器系统所需的热稳定性的要求的等值线示意图。

图3为本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件中的垂直各向异性磁自由层之参数设计同时满足存储器系统所需的低开关电流和高热稳定性的要求的等值线示意图。

图4为本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件的结构示意图；其中，(a)为现有技术提供的单钉扎结构；(b)为本发明提供的双钉扎垂直各向异性磁自旋阀结构。

图5为本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件结构的另一个实施例；其中，(a)中垂直各向异性磁自由层为单层，(b)中垂直各向异性磁自由层为具有反铁磁性耦合的复合垂直各向异性磁自由层。

图6为本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件结构的另一实施例；其中垂直各向异性磁固定层为单层。

图7为本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件结构的另一实施例；其中垂直各向异性磁固定层为具有反铁磁性耦合的复合垂直各向异性磁固定层。

图8为本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件结构的另一实施例。

图9为本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件结构的另一实施例。

图10为本发明实施例提供的stt-mram存储器的部分存储位单元阵列结构示意图；其中(a)中的阵列采用独立源线的排列结构；(b)中的阵列采用源线共享的排列结构。

图11为本发明实施例提供的stt-mram存储器的部分内存架构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明旨在实现具有垂直磁各向异性特性(perpendicularanisotropy)的磁性多层膜自旋阀器件及自旋扭矩传递磁随机存取存储器(stt-mram)。在此类的磁性自旋阀结构中，磁性固定层和自由层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于垂直各向异性的各向异性能。其垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。按磁性机制，它利用垂直磁各向异性(perpendicularanisotropy)及相应的磁化分布来实现信息的磁记录及存储。

本发明利用双钉扎垂直磁各向异性自旋阀的垂直磁化膜在自旋扭矩传递效应下的开关机理实现数据的磁存储和记录。并提供该垂直磁各向异性元件及诸如磁随机存取存储器(“mram”)的磁存储系统的设计和制造方法。

图1示出了本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元，具有双钉扎结构的垂直各向异性dmtj磁性元件的结构和磁性开关状态下磁化形态配置。其中，cmos为起开关作用的半导体晶体管。dmtj为垂直各向异性磁隧道结，pl，pl’表示垂直各向异性磁固定层，sp1，sp2表示隔离层，fl表示垂直各向异性磁自由层，m1和m’1表示垂直各向异性磁固定层的垂直磁化，m2表示垂直各向异性磁自由层的垂直磁化；bl表示位线，sl表示源线，wl表示字线；iw0，iw1表示不同方向的写电流。

如图1所示，本发明提供的存储位单元基于1t-1dmtj配置。每个存储位单元都由一个垂直各向异性磁隧道结(dmtj)，至少一个用于连接并选择开关磁隧道结的半导体晶体管(cmos)，若干连接其他存储位单元或外围电路的字线(wl)，源线(sl)和位线(bl)所构成。并构成具有读写操作功能的基本单元。其后位线和源线与双极写脉冲发生器(bipolarwritepulsegenerator)或读偏置发生器(readbiasgenerator)连接。

存储位单元中的垂直各向异性磁隧道结(dmtj)由双钉扎垂直各向异性磁固定层(pl，pl’)，垂直各向异性磁自由层(fl)及隔离前两者的双层非磁性隔离层或薄膜绝缘层(sp1，sp2)组成。非磁性隔离层可以采用双层薄膜绝缘层，或薄膜绝缘层和非磁性金属层的组合构型。在一个具有垂直磁各向异性的典型结构配置中，薄膜绝缘层及由其所隔离的第一垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性磁自由层形成高自旋极化穿隧接合。薄膜绝缘层的应用使电子可以从一个铁磁层穿隧到另一个铁磁层。同时，第二薄膜绝缘层的应用还可使电子可以从垂直各向异性磁自由层穿隧到最后的铁磁层，即第二垂直各向异性磁固定层。其中，作为自旋偏振器，双钉扎垂直各向异性磁固定层被固定或钉扎并具有相互平行或反平行磁化。位于垂直磁各向异性磁隧道结中心的第二铁磁层(磁自由层)的垂直磁化可以在外加磁场中自由旋转。其垂直磁化方向由于自旋扭矩传递效应可单独旋转或开关。该类型的磁隧道结所具有的宏观垂直磁各向异性来自磁性薄膜的内在垂直结晶各向异性。也包括来自在部分或局部磁性层以及多层膜界面产生的诱发垂直磁各向异性，或源自于磁性层的超晶格构造及其能带结构特性而引起的垂直磁各向异性。

当在存储位单元写入“0”时，加在位线(bl)上的写电压为正vdd，源线(sl)接地。此时字线(wl)在vdd或更高的电压下被激活。写入电流iw0经位线通过垂直各向异性磁隧道结及半导体晶体管流入源线或接地端。而电子流向与电流相反，从垂直各向异性磁固定层流向垂直各向异性磁自由层。由于自旋扭矩传递效应，磁自由层的垂直磁化切换到与固定层垂直磁化相平行的状态。相反的，当在存储位单元写入“1”时，位线被选择性接地，而正vdd的写电压加在源线上。写入电流iw1与先前写入电流iw0的方向相反。半导体晶体管上的栅源极偏压vgs是vwl–vmtj。因此此时从该半导体晶体管流过的电流比写“0”操作时(vgs＝vwl)的电流为低。最终，写入电流和其非对称性成为决定存储位单元的大小及stt-mram存储器的存储密度的关键因素之一。对同样大小的存储位单元，高性能晶体管可以比低功率晶体管(nmos)提供更多的电流以支持存储位单元的写操作。

图2示出了本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件设计。该磁性元件的垂直各向异性磁自由层之参数设计满足存储器系统所需的热稳定性的要求。其中，ms表示垂直各向异性磁自由层的垂直磁化，hpk表示其垂直各向异性磁各向异性场；thermalfactor表示热稳定系数。

本发明提供使用于stt-mram存储位单元内的垂直各向异性dmtj磁隧道结的元件结构设计。图2的等值线显示热稳定系数(thermalstabilityfactor)与垂直各向异性磁自由层的垂直各向异性场，hpk，和垂直磁化，ms，的内在关系。垂直各向异性场对应于垂直各向异性磁隧道结元件的垂直磁各向异性。磁隧道结的设计工作点及范围(hpki，msi；i＝1，2，3，4…)决定于热稳定系数(thermalstabilityfactor)，器件容量(存储密度)及工作条件要求。随着对热稳定系数要求的提高，设计工作点(hpk1，ms1)随之移向高位点(hpk2，ms2)。对于一定的热稳定系数要求，采用偏低的垂直各向异性场hpk和稍高的垂直磁化ms组合设计可能更有利于器件的性能改善。

图3示出了本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件设计。该磁性元件的垂直各向异性磁自由层之参数设计同时满足存储器系统所需的低开关电流和高热稳定性的要求。其中，thermalfactor表示热稳定系数；jsw表示该垂直各向异性磁自由层的垂直磁化的切换电流密度；α表示磁自由层的阻尼系数，η表示该磁隧道结的自旋扭矩传递效率；hpnmos为高性能半导体晶体管，lponmos为低功率半导体晶体管。

图3的特征线示出了在自旋扭矩传递效应下垂直各向异性磁自由层的垂直磁化的切换特性，以及其特性对于垂直磁各向异性磁隧道结的钉扎构型的依存性。在热稳定性系数确定，采用双钉扎垂直磁各向异性磁隧道结的情况下，垂直各向异性磁自由层的阻尼系数和自旋扭矩传递效率比的降低使得写操作电流减小，设计工作点(jsw3，δ2)随之移向低位点(jsw2，δ2)，有利于磁性器件的高密度化和大容量化。另一方面，在写电流有限，同样采用双钉扎垂直磁各向异性磁隧道结的情况下，设计工作点(jsw3，δ2)随之移向同位点(jsw3，δ3)，但是δ3>δ1。即在有限的写电流情况下极大地保证器件的热稳定性。当使用低功率(lpo)半导体晶体管nmos时，在有限的写电流情况下为了保证器件的热稳定性它要求较低的垂直各向异性磁自由层的阻尼系数和自旋扭矩传递效率比。写操作设计工作点定位于dmtj磁隧道结的特征线上(jsw1，δ1；jsw2，δ2；lopnmos)不失为一种合理的选择。而当使用高性能(hp)半导体晶体管nmos时，在保证一定的器件热稳定性情况下，写操作设计工作电流得到大幅的增加，扩大了垂直各向异性磁自由层的阻尼系数和自旋扭矩传递效率比的调控范围。随着热稳定性要求的增加写操作设计工作点从(jsw3，δ2；lopnmos)转变到(jsw3，δ3；hpnmos)，其中jsw1δ1。对于垂直各向异性磁隧道结元件而言，这意味着采用较大的垂直磁化ms和较低垂直各向异性场的设计指标，以兼顾并使其拥有良好的热稳定性和自旋扭矩传递开关特性。

图4示出了本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件实施例。作为对照构型的单双钉扎(图4a)和本发明的双钉扎(图4b)垂直各向异性磁自旋阀结构(spinvalve)。其中，pl，pl’表示反平行配置的双钉扎垂直各向异性磁固定层，spacerlayer1，2(sp1，sp2)表示隔离层，fl表示垂直各向异性磁自由层，m1和m’1表示垂直各向异性磁固定层的垂直磁化，m2表示垂直各向异性磁自由层的垂直磁化。

相较于对照构型的单双钉扎垂直各向异性磁自旋阀结构(图4a)，如图1和图4b所示，本发明提供下述使用在stt-mram存储位单元中的双钉扎垂直各向异性dmtj磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由第一垂直各向异性磁固定层(pl)，第一非磁性隔离层或薄膜绝缘层(或隧穿势垒层)(sp1)，垂直各向异性磁自由层(fl)，第二非磁性隔离层或薄膜绝缘层(sp2)和第二垂直各向异性磁固定层(pl’)构成。双钉扎垂直各向异性磁固定层被固定或钉扎并具有相互反平行磁化。非磁性隔离层可以采用双层薄膜绝缘层，或薄膜绝缘层和非磁性金属层的组合构型。垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性磁固定层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能。该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。磁隧道结的覆盖层(和位于磁隧道结底部的籽晶层(seedlayer)在图中未示出)邻接垂直各向异性磁自由层和连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)。当写电流(writecurrent)通过该磁性元件时，它的构造使其垂直各向异性磁自由层可通过自旋扭矩传递效应在稳定的磁性状态之间切换或开关。在反平行磁化双钉扎垂直各向异性磁固定层构型中，有效自旋扭矩传递的效率增加，这将有助于提高自旋扭矩传递效应，并降低写操作开关电流。

该垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性磁固定层可为磁单层或多层膜结构。其磁多层膜结构可以是以自身的铁磁性子层(magneticsublayer)由不同的铁磁性材料介在其间以铁磁性耦合而成，也可以是这些铁磁性子层由不同的非磁性材料的中间层以铁磁性耦合而成。而且，其铁磁性子层本身亦可为磁单层或多层膜结构。具体的开示可归纳为以下类别和优选实施例。

垂直各向异性磁自由层或任一垂直各向异性固定层可以由铁磁性子层与其他铁磁性材料中间层以铁磁性耦合形成的重复性多层膜结构组成。其中，铁磁性子层和铁磁性中间层都包括过渡族金属co，fe，或ni，或它们的结晶性二元合金(如钴铁，铁钴，nife合金)或三元合金(如cofeni或feconi合金)，或与硼或其他无定形非晶合金形成元素构成的磁性非晶合金(如cofeb，cofe(al，si)非晶合金)，或基于上述铁磁性金属，合金而形成的氧化物，氮化物或氮氧化物。在其中一例优选实施例中，垂直各向异性磁自由层，垂直各向异性固定层或两者由铁磁性子层co与铁磁性中间层ni以铁磁性耦合形成的重复性多层膜结构组成。该垂直各向异性多层膜co/ni可具有(001)，(011)或(111)结晶织构。

此外，垂直各向异性磁自由层或任一垂直各向异性固定层也可以由铁磁性子层与非磁性材料的中间层以铁磁性耦合形成的重复性多层膜结构组成。其中，铁磁性子层包括过渡族金属co，fe，或ni，或它们的结晶性二元合金(如钴铁，铁钴，nife合金)或三元合金(如cofeni或feconi合金)，或与硼或其他无定形非晶合金形成元素构成的磁性非晶合金(如cofeb，cofe(al，si)非晶合金)。而非磁性中间层包括贵金属(noblemetals)，一般性的非磁性金属及其合金。它们可以是ag，au，pt，pd；cu，cr，mg，al，mn，ru，rh，ir，钽，钛，锆，铪；它们之间的非磁性二元或多元合金；或由超过一种以上的上述非磁性材料构成的多层结构；或基于上述非磁性金属，合金或多层结构而形成的氧化物，氮化物或氮氧化物。在其中一例优选实施例中，由铁磁性子层co与非铁磁性中间层pt以铁磁性耦合形成的重复性多层膜结构。还包括co/ag，co/au到co/pt，co/pd多层膜结构。其磁性垂直各向异性由弱转强并具有可调节性。

此外，垂直各向异性磁自由层或任一垂直各向异性固定层也可以是铁磁性钴铁或铁钴合金与硼或其他无定形非晶合金形成元素构成的磁性非晶合金薄膜层。并且它们由界面与磁隧道结的隧穿势垒层相连接，并由铁(fe)的3d和氧(o)的2p轨道杂交形成磁垂直各向异性。在其中一例优选实施例中，mgo薄膜绝缘层与无定形非晶合金薄膜组成mgo/cofeb(tf)和cofeb(tf)/mgo结构；其中tf<1.5纳米(nm)。该界面结构提供垂直各向异性磁自由层和固定层高自旋极化率或自旋扭矩传递效率和磁垂直各向异性。

在另一例利用轨道杂交形成磁垂直各向异性的优化实例中，垂直各向异性磁自由层由mgo(barrier)/cofeb/ta(mgo)/cofeb/mgo(ta，cap)结构的多层膜构成。该多层膜还可以其纳米量级的薄膜单元结构cofeb/ta(mgo)进行周期复制以增加多层膜的集成厚度。其中，非磁性金属中间层ta可以用金属氧化物层mgo薄层加以置换。反之依然，金属氧化物层mgo(cap)构成的非磁性覆盖层亦可以用非磁性金属层ta同时加以置换。这里，非磁性金属中间层(覆盖层)除使用ta外，还可使用金属钛，锆，铪，ag，au，pt，pd；cu，cr，mg，al，mn，ru，rh，ir，或它们之间的非磁性二元或多元合金。同样，非磁性金属中间层(覆盖层)除使用mgo外，还可使用诸如alox，taox，tiox，znox等基于上述非磁性金属，合金或多层结构而形成的氧化物，氮化物或氮氧化物。

该垂直各向异性磁隧道结的薄膜绝缘层或隧穿势垒层可以具有结晶或无定形非晶结构。可以具是(001)mgo结晶体氧化层，或由元素al，ti，ta，zn，hf和zr所形成的非晶体氧化层。它也可以是由这些不同氧化物之间形成的混合或化合物组成的氧化层。它也可以是由上述不同的元素或合金的氮氧化物层，或由超过一种以上的上述元素构成的多层结构。隧穿势垒层可以利用溅射金属薄膜的自然氧化或等离子体氧化法实现，或采用射频溅射氧化物靶材的方法制成。

该垂直各向异性磁隧道结的金属性非磁性隔离层还可是金属钛，锆，铪，ag，au，pt，pd；cu，cr，mg，al，mn，ru，rh，ir,它们之间的二元或多元合金，或它们与磁性过渡族金属co，fe，或ni之间形成的非磁性二元或多元合金。

图5示出了本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件另一实施例。该磁性元件为具有平行配置的双钉扎垂直各向异性磁固定层的磁自旋阀结构。其中，垂直各向异性磁自由层为单层(图5a)或具有反铁磁性耦合的复合垂直各向异性磁自由层(图5b)。pl，pl’表示平行配置的双钉扎垂直各向异性磁固定层，sp1，sp2表示隔离层，fl，fl’表示垂直各向异性磁自由单层或子层，interlayercouplelayer表示位于复合垂直各向异性磁自由层中的反铁磁性耦合中间层，m1和m’1表示垂直各向异性磁固定层的垂直磁化，m2，m’2表示垂直各向异性磁自由(子)层的垂直磁化。

如图5所示，本发明提供下述使用在stt-mram存储位单元中的双钉扎垂直各向异性dmtj磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由第一垂直各向异性磁固定层(pl)，第一非磁性隔离层或薄膜绝缘层(sp1)，垂直各向异性磁自由层(fl)(图5(a))或复合垂直各向异性磁自由层(fl，fl’)(图5(b))，第二非磁性隔离层或薄膜绝缘层(sp2)，第二垂直各向异性磁固定层(pl’)构成。双钉扎垂直各向异性磁固定层被固定并具有相互平行磁化。非磁性隔离层可以采用双层薄膜绝缘层，或薄膜绝缘层和非磁性金属层的组合构型。相较于对单体垂直各向异性磁自由层结构(图5a)，如图5b所示，复合垂直各向异性磁自由层由磁自由子层fl，fl’反铁磁性耦合而成。其中，垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性磁固定层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能。该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。磁隧道结的覆盖层(和位于磁隧道结底部的籽晶层(seedlayer)在图中未示出)邻接垂直各向异性磁自由层和连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)。当写电流(writecurrent)通过该磁性元件时，它的构造使其垂直各向异性磁自由层可通过自旋扭矩传递效应在稳定的磁性状态之间切换或开关。而在平行磁化双钉扎垂直各向异性磁固定层构型中，有效自旋极化率得到提高，有助于提高电子隧穿效应增加tmr和stt-mram存储位单元的写操作裕度(operationmargin)。如图5b所示，当使用反铁磁性耦合的复合垂直各向异性磁自由层时，由于磁自由子层间的反平行磁化排列，形成类似于反平行磁化双钉扎垂直各向异性磁固定层的局部构型。由此有效自旋扭矩传递效率增加，并伴随写操作开关电流的降低。同时，复合垂直各向异性磁自由层的反铁磁性耦合强度和磁自由子层之结构加以优化以实现写操作的安定性。

该垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性磁固定层及其磁性子层可具有上述磁性垂直各向异性薄膜之中的任何一种或组合结构。其磁性材料结构可以相同或相异，但其结构或构成须满足复合垂直各向异性磁自由层或磁固定层的设计要求。而用于反铁磁耦合的复合垂直各向异性磁固定层的中间层可以是ru，rh，cr，ti，zr，hf，ta，cu，ag，au，pt，pd，mg，al，或它们的合金。

图6示出了本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件另一实施例。该磁性元件为具有反平行配置的双钉扎垂直各向异性磁固定层的磁自旋阀结构。其中，垂直各向异性磁固定层为单层(图6)或具有反铁磁性耦合的复合垂直各向异性磁固定层(图7)，垂直各向异性磁自由层为具有铁磁性耦合的复合型磁自由层。pl1，pl’1，pl”1，pl2和pl’2顺次表示垂直各向异性磁固定(子)层，sp1，sp2表示隔离层，fl，fl’表示垂直各向异性磁自由子层，intermediatelayer1，2表示位于复合型磁固定层及自由层中的第一，第二铁磁性耦合中间层，interlayercouplelayer(1)，2表示位于复合垂直各向异性磁固定层中的反铁磁性耦合中间层。m1，m’1，m”1，m3和m’3顺次表示复合型垂直各向异性磁固定(子)层的垂直磁化，m2和m’2表示垂直各向异性磁自由层的两磁性子层的垂直磁化。

如图6、图7所示，本发明提供下述使用在stt-mram存储位单元中的双钉扎垂直各向异性dmtj磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由第一复合垂直各向异性磁固定层(pl1，pl’1，pl”1)，第一非磁性隔离层或薄膜绝缘层(sp1)，复合垂直各向异性磁自由层(fl，fl’)，第二非磁性隔离层或薄膜绝缘层(sp2)，第二垂直各向异性磁固定层(pl2)(图6)或第二复合垂直各向异性磁固定层(pl2，pl’2)(图7)构成。磁隧道结的覆盖层(和位于磁隧道结底部的籽晶层(seedlayer)在图中未示出)邻接垂直各向异性磁自由层和连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)。当写电流(writecurrent)通过该磁性元件时，它的构造使其垂直各向异性磁自由层可通过自旋扭矩传递效应在稳定的磁性状态之间切换或开关。

其中，垂直各向异性磁性子层pl”1及fl为高自旋极化率磁参照子层和磁自由子层。pl”1和另一垂直各向异性磁参照子层pl’1夹第一铁磁性耦合中间层形成复合垂直各向异性磁参照层。该结构继而与垂直各向异性磁固定子层pl1夹反铁磁性耦合中间层构成第一复合垂直各向异性磁固定层。同样，fl和fl’夹第二铁磁性耦合中间层形成复合垂直各向异性磁自由层。垂直各向异性磁参照子层pl2与垂直各向异性磁固定子层pl’2夹第二反铁磁性耦合中间层构成第二复合垂直各向异性磁固定层(图7)。此处，垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性磁固定层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能。该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。而且，垂直各向异性磁自由层两侧的双钉扎垂直各向异性磁参照(子)/固定层pl”1和pl2被固定并具有相互反平行磁化排列。即两垂直各向异性磁固定层之一具有反铁磁性耦合结构。但是另一垂直各向异性磁固定层为磁性单层膜结构。作为一般性论述，双钉扎之垂直各向异性磁参照(固定)和固定层可以分别是由相关磁性材料组成的磁性单层或具有反铁磁性耦合及中间层结构的磁性多层膜。两垂直各向异性磁固定层之一具有偶数层垂直各向异性磁性子层与非磁性中间层构成的反铁磁性耦合多层膜结构。但是另一垂直各向异性磁固定层具有基数层垂直各向异性磁性子层与非磁性中间层构成的反铁磁性耦合多层膜结构构成的反铁磁性耦合多层膜结构)。在垂直各向异性磁自由层两侧，它们的垂直磁化成反平行磁化排列。有效自旋扭矩传递的效率将增加，有助于提高自旋扭矩传递效应并降低写操作开关电流。

其中，该磁隧道结元件的复合垂直各向异性磁固定层的子层和垂直各向异性磁自由层则可具有上述之磁性垂直各向异性膜之中的任何一种或组合结构。其磁性材料结构可以相同或相异，但其结构或构成须满足复合垂直各向异性磁自由层或磁固定层的设计要求。此外，双固定垂直各向异性磁隧道结mtj元件的第二隔离层(sp2)亦可以是金属导电层而非氧化物隧道阻挡层。它可以是单体金属层如ru，rh，钽，钛，锆，铪，cu，ag，au，pt，pd，cr，mg，al，或它们的合金或多层膜。而用于反铁磁耦合的复合垂直各向异性磁固定层的中间层可以是ru，rh，cr，ti，zr，hf，ta，cu，ag，au，pt，pd，mg，al，或它们的合金。其使用于复合垂直各向异性磁固定层和自由层内的铁磁性耦合中间层可以是ru，rh，钽，钛，锆，铪，cu，ag，au，pt，pd，cr，mg，al，铁，钴，镍或钴铁或铁钴等它们的铁磁性合金，非晶化合金，或它们的多层膜，氧化物，氮化物或氮氧化物。

图8示出了本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件另一实施例。该磁性元件为具有平行配置的双钉扎垂直各向异性磁固定层的磁自旋阀结构。其中，垂直各向异性磁固定层为具有反铁磁性耦合的复合垂直各向异性磁固定层，垂直各向异性磁自由层为具有铁磁性耦合的复合型磁自由层。pl1，pl’1，pl”1，pl2，pl’2和pl”2顺次表示垂直各向异性磁固定子层，sp1，sp2表示隔离层，fl，fl’和fl‘’表示垂直各向异性磁自由子层，intermediatelayer1，2，3和4顺次表示位于复合型磁固定层及自由层中的铁磁性耦合中间层，interlayercouplelayer1，2表示位于复合垂直各向异性磁固定层中的反铁磁性耦合中间层。m1，m’1，m”1，m3，m‘3和m”3顺次表示复合型垂直各向异性磁固定子层的垂直磁化，m2，m’2和m”2表示垂直各向异性磁自由子层的垂直磁化。

如图8所示，本发明提供下述使用在stt-mram存储位单元中的双钉扎垂直各向异性dmtj磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由第一复合垂直各向异性磁固定层(pl1，pl’1，pl”1)，第一非磁性隔离层或薄膜绝缘层(sp1)，复合垂直各向异性磁自由层(fl，fl’，fl”)，第二非磁性隔离层或薄膜绝缘层(sp2)，第二复合垂直各向异性磁固定层(pl2，pl’2，pl‘’2)构成。磁隧道结的覆盖层(和位于磁隧道结底部的籽晶层(seedlayer)在图中未示出)邻接垂直各向异性磁自由层和连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)。当写电流(writecurrent)通过该磁性元件时，它的构造使其垂直各向异性磁自由层可通过自旋扭矩传递效应在稳定的磁性状态之间切换或开关。

其中，垂直各向异性磁性子层pl”1，pl2及fl，fl”为高自旋极化率磁参照子层和磁自由子层。pl”1和垂直各向异性磁参照子层pl’1夹第一铁磁性耦合中间层形成第一复合垂直各向异性磁参照层。同样，pl”1和另一垂直各向异性磁参照子层pl’1夹第一铁磁性耦合中间层形成顶部第二复合垂直各向异性磁参照层。继而第一(第二)复合垂直各向异性磁参照层与垂直各向异性磁固定子层pl1(pl‘’2)夹第一(第二)反铁磁性耦合中间层构成第一(第二)复合垂直各向异性磁固定层。依此fl，fl’和fl”分别夹第二，第三铁磁性耦合中间层形成复合垂直各向异性磁自由层。此处，垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性磁固定层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能。该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。而且，垂直各向异性磁自由层两侧的双钉扎垂直各向异性磁参照(子)/固定层pl”1和pl2被固定并具有相互平行磁化排列。双钉扎垂直各向异性磁固定层均具有反铁磁性耦合结构。从一般性论述，双钉扎之垂直各向异性磁参照(固定)和固定层可以分别是由相关磁性材料组成的磁性单层或具有反铁磁性耦合及中间层结构的磁性多层膜。两垂直各向异性磁固定层同时具有相同层数的垂直各向异性磁性子层与非磁性中间层构成的反铁磁性耦合多层膜结构。在垂直各向异性磁自由层两侧，两垂直各向异性磁固定层的磁化成平行排列。自旋转移的效率将得到提高，有助于提高电子隧穿效应增加tmr和stt-mram存储位单元的写操作裕度(operationmargin)。

其中，该磁隧道结元件的复合垂直各向异性磁固定层的子层和垂直各向异性磁自由层则可具有上述之磁性垂直各向异性膜之中的任何一种或组合结构。其磁性材料结构可以相同或相异，但其结构或构成须满足复合垂直各向异性磁自由层或磁固定层的设计要求。此外，双固定垂直各向异性磁隧道结mtj元件的第二隔离层(sp2)，用于反铁磁耦合的复合垂直各向异性磁固定层的中间层，以及使用于复合垂直各向异性磁固定层和自由层内的铁磁性耦合中间层亦可以是上述相对分类中的任何一种，或组合形态与结构。

图9示出了本发明实施例提供的stt-mram的存储位单元中的垂直各向异性dmtj磁性元件另一实施例。该磁性元件为具有平行配置的双钉扎垂直各向异性磁固定层的磁自旋阀结构。其中，垂直各向异性磁固定层为具有反铁磁性耦合的复合垂直各向异性磁固定层，垂直各向异性磁自由层为具有反铁磁性耦合的复合型磁自由层。pl1，pl’1，pl”1，pl2，pl’2和pl”2顺次表示垂直各向异性磁固定子层，sp1，sp2表示隔离层，fl，fl’，fl”和fl“’表示垂直各向异性磁自由子层，intermediatelayer1，2，3和4顺次表示位于复合型磁固定层及自由层中的铁磁性耦合中间层，interlayercouplelayer1，2和3表示位于复合垂直各向异性磁固定层及自由层中的反铁磁性耦合中间层。m1，m’1，m”1，m3，m‘3和m”3顺次表示复合型垂直各向异性磁固定子层的垂直磁化，m2，m’2，m’‘2和m”’2表示垂直各向异性磁自由子层的垂直磁化。

如图9所示，本发明提供下述使用在stt-mram存储位单元中的双钉扎垂直各向异性dmtj磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由第一复合垂直各向异性磁固定层(pl1，pl’1，pl”1)，第一非磁性隔离层或薄膜绝缘层(sp1)，复合垂直各向异性磁自由层(fl，fl’，fl”，fl”’)，第二非磁性隔离层或薄膜绝缘层(sp2)，第二复合垂直各向异性磁固定层(pl2，pl’2，pl‘’2)构成。其第一和第二复合垂直各向异性磁固定层结构与图8所示双钉扎垂直各向异性磁固定层相似。磁隧道结的覆盖层(和位于磁隧道结底部的籽晶层(seedlayer)在图中未示出)邻接垂直各向异性磁自由层和连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)。当写电流(writecurrent)通过该磁性元件时，它的构造使其垂直各向异性磁自由层可通过自旋扭矩传递效应在稳定的磁性状态之间切换或开关。

其中，垂直各向异性磁性子层pl”1，pl2及fl，fl”’为高自旋极化率磁参照子层和磁自由子层。fl和fl’夹第二铁磁性耦合中间层形成复合垂直各向异性磁自由子层，与此相似，fl”和fl”’夹第三铁磁性耦合中间层形成另一复合垂直各向异性磁自由子层。此两复合垂直各向异性磁自由子层再夹第二反铁磁性耦合中间层最终形成复合垂直各向异性磁自由层。此处，垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性磁固定层具有垂直于膜平面方向的退磁能和对应于磁性垂直各向异性的各向异性能。该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。而且，垂直各向异性磁自由层两侧的双钉扎垂直各向异性磁参照(子)/固定层pl”1和pl2被固定并具有相互平行磁化排列。双钉扎垂直各向异性磁固定层均具有反铁磁性耦合结构并有助于提高电子隧穿效应增加tmr和stt-mram存储位单元的写操作裕度(operationmargin)。而且在使用反铁磁性耦合的复合垂直各向异性磁自由层时，由于磁自由子层间的反平行磁化排列，形成类似于反平行磁化双钉扎垂直各向异性磁固定层的局部构型，增加局域有效自旋扭矩传递效率。同时，对复合垂直各向异性磁自由层的反铁磁性耦合强度和磁自由子层之结构加以优化以实现写操作的安定性。

其中，该磁隧道结元件的复合垂直各向异性磁固定层的子层和垂直各向异性磁自由层则可具有上述之磁性垂直各向异性膜之中的任何一种或组合结构。其磁性材料结构可以相同或相异，但其结构或构成须满足复合垂直各向异性磁自由层或磁固定层的设计要求。此外，双固定垂直各向异性磁隧道结mtj元件的第二隔离层(sp2)，用于反铁磁耦合的复合垂直各向异性磁固定层的中间层，以及使用于复合垂直各向异性磁固定层和自由层内的铁磁性耦合中间层亦可以是上述相对分类中的任何一种，或组合形态与结构。

图10示出了本发明实施例提供的stt-mram存储器的部分存储位单元阵列。该阵列可采用独立源线(sourceline)(图10a)和源线共享(图10b)的排列结构。其中，cmos为起开关作用的半导体晶体管，dmtj为具有双钉扎垂直各向异性磁固定层的磁自旋阀隧道结，bl表示位线，sl表示源线，wl表示字线。

图11示出了本发明实施例提供的stt-mram存储器的部分内存架构(architecture)。其中，cmos为起开关作用的半导体晶体管，dmtj为具有双钉扎垂直各向异性磁固定层的磁自旋阀隧道结。它包括用于读操作的参考列(referencecolumn)。与存储阵列通过位线(bitlines)，源线和字线(wordline)与诸如写驱动器(writedrive)，字线行解码器(wordlinerowdecoder)，位线列解码器(bitlinecolumndecoder)和检测放大器(senseamplifier)等外围电路联接并集成建成内存架构。

如图10和图11所示，本发明提供垂直各向异性dmtj磁隧道结元件，以此为基础的stt-mram存储位单元，和由存储位单元构成的stt-mram存储阵列和架构。图10中所显示的是具有源线独立(图10a)和源线共享(图10b)的部分stt-mram存储位单元阵列。在stt-mram高密度存储应用中，如果stt-mram存储位单元采用独立源线排列与dram设计规则兼容的布局，位单元面积估计为6f²。而通过源线共享阵列布置减少平均位单元面积，可实现高达两位数百分比的stt-mram的存储容量的增加。图11所示的是由一个输入和输出模块电路组成的stt-mram存储器的架构模块(blockofmemoryarchitecture)。它包括字线行解码器(wordlinerowdecoder)位线列解码器(bitlinecolumndecoder)，写驱动器(writedrive)和传感放大器(senseamplifier)。stt-mram存储位单元阵列(包括为读操作设置的参考列)经电路集成并通过位线，源线和字线实现与外围电路连接和正常的读/写操作。如上所述，在读/写过程中，通过外围电路控制提供给位线，源线和字线上的电压，可以很容易地选择和访问任何特定的位单元。通过该存储阵列和架构，stt-mram存储器可充分得益于本发明提供的垂直各向异性dmtj磁隧道结元件的设计和问题解决方案。

本发明实施例提供的stt-mram存储器具有如下技术优点：

(1)在保证器件的热稳定性的情况下，垂直各向异性dmtj磁隧道结元件的写入电流可减低至数十微安或更低。或在20纳米或以下的技术节点领域，进一步增加存储位单元的写操作裕度，拓展stt-mram存储器的可扩展性(scalability)及在高密度数据存储和记忆中的应用。同时该磁隧道结元件也可应用于多比特(multi-levelbit)器件设计。

(2)由于垂直各向异性dmtj磁隧道结元件的垂直磁化的杂散磁场分布范围缩窄，降低磁隧道结元件之间的外场相互作用和干扰，及写入电流分布。有利于stt-mram存储器的安定性的提高和高密度化。

(3)在技术节点(technologynode)减小至20纳米或以下，其热稳定性仍可满足设计要求。有利于stt-mram存储器的高密度化。同时，stt-mram存储器属于非挥发性存储器，具有良好的数据信息保持期(dataretention)。

(4)由于stt-mra存储器具有高速读/写功能。写操作可以在短至几纳秒(nano-seconds)内完成。具有写周期的优异耐久性(endurance)。按一般设计，耐久性可高达10¹⁶写周期。

(5)stt-mram存储器属于低功耗存储器。在典型的使用情况下，读/写操作的运行功耗仅为几个微微焦耳(pico-joule)，适合于在低功耗和移动设备上的应用。

(6)stt-mram存储器具备良好的系统及工艺兼容性。stt-mram适用于兼容并取代soc内的存储器元件，诸如rom和dram存储器等，以节省空间，提高的存储器集成度，降低功耗，提高性能及功效。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。