一种磁性存储单元及磁性存储器

技术领域

本发明涉及磁性存储器技术领域，特别涉及一种磁性存储单元及磁性存储器。

背景技术

磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)被认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗等特点。磁性随机存储器会产生杂散场，杂散场会给磁性随机存储器造成不利影响。相关技术中，通过增加多层人工反铁磁层减少杂散场。但温度对杂散场的影响很大，该相关技术无法消除在MRAM中温度依存性的杂散场，无法使杂散场在温度变化下始终保持很小的值。

发明内容

基于此，有必要提供一种磁性存储单元及磁性存储器，能够解决相关技术中无法消除在MRAM中温度依存性的杂散场，无法使杂散场在温度变化下始终保持很小的值的技术问题。

本发明提供的一种磁性存储单元，包括上电极、钉扎层、耦合层、固定磁性层、隧穿势垒层、自由磁性层和下电极，所述上电极、所述钉扎层、所述耦合层、所述固定磁性层、所述隧穿势垒层、所述自由磁性层和所述下电极依次堆叠设置，所述耦合层用于将所述固定磁性层和所述钉扎层形成反铁磁耦合，所述钉扎层用于消除所述固定磁性层对所述自由磁性层的杂散场，且所述钉扎层内设置有材料掺杂区。

进一步地，所述材料掺杂区设置为多个，多个所述材料掺杂区均匀布设于所述钉扎层内。

进一步地，所述材料掺杂区为合金材料。

进一步地，所述材料掺杂区的材料包括钒、铬、铜、铌、钼、钌、铑、钽、钨、铼、铱、铌、锆、钇、铁、镍、钴、硼、碳、氮、氧、钕、铕、钆、铽、镝、钬、锰、铝、硅、磷、镓、锗、砷、铟、锡、锑的其中一种或多种组合。

进一步地，所述钉扎层的材料包括铁磁材料、反铁磁材料或亚铁磁材料。

进一步地，所述固定磁性层的材料包括铁磁材料、反铁磁材料或亚铁磁材料。

进一步地，所述自由磁性层的材料包括铁磁材料、反铁磁材料或亚铁磁材料。

进一步地，所述隧穿势垒层的材料为金属氧化物。

进一步地，所述耦合层的材料包括钒、铬、铜、铌、钼、钌、铑、钽、钨、铼、铱的其中一种或多种组合。

本发明还提供一种磁性存储器，包括上述磁性存储单元。

本发明提供的一种磁性存储单元及磁性存储器，磁性存储单元包括依次设置的上电极、钉扎层、耦合层、固定磁性层、隧穿势垒层、自由磁性层和下电极，通过设置钉扎层能够消除固定磁性层对自由磁性层的杂散场，在钉扎层内设置材料掺杂区，能够使得自由磁性层所受的杂散场在温度变化下始终保持很小的值。杂散场的大小与固定磁性层和钉扎层的饱和磁化强度成正比。但是因为固定磁性层和钉扎层的结构材料的差异，饱和磁化强度随温度的变化并非同步，如图3(a)所示，所以导致杂散场随温度变化产生变化，并且温度变化越大，杂散场的偏移量越大，如图4虚线所示。通过在钉扎层内设置材料掺杂区，可以使钉扎层的饱和磁化强度随温度的变化的趋势发生变化，再精确控制预设的材料掺杂区的量，可以使固定磁性层和钉扎层的饱和磁化强度随温度的变化一致，如图3(b)所示。最终可以使杂散场保持在很小的值(约等于0)并且不随温度发生变化，如图4实线所示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种磁性存储单元的结构示意图。

图2为本发明实施例中设置有材料掺杂区的钉扎层的结构示意图。

图3(a)为本发明实施例中钉扎层未设置材料掺杂区时钉扎层和固定磁性层的饱和磁化强度与温度之间的关系图；图3(b)为本发明实施中钉扎层设置材料掺杂区时钉扎层和固定磁性层的饱和磁化强度与温度之间的关系图。

图4为本发明实施例中在钉扎层设置材料掺杂区前后的自由磁性层所受杂散场与温度之间的关系图。

图5为本发明实施例中CoPt合金的饱和磁化强度随温度的变化在掺杂不一样的钨掺杂量的对比图。

图6为本发明实施例中钉扎层为面内磁化的一种磁性存储单元的结构示意图。

其中：

100、上电极；200、钉扎层；210、材料掺杂区；300、耦合层；400、固定磁性层；500、隧穿势垒层；600、自由磁性层；700、下电极。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示，在一些实施例中，一种磁性存储单元包括上电极100、钉扎层200、耦合层300、固定磁性层400、隧穿势垒层500、自由磁性层600和下电极700，上电极100、钉扎层200、耦合层300、固定磁性层400、隧穿势垒层500、自由磁性层600和下电极700依次堆叠设置，耦合层300用于将固定磁性层400和钉扎层200形成反铁磁耦合，钉扎层200用于消除固定磁性层400对自由磁性层600的杂散场，且钉扎层200上设置有材料掺杂区(即是在钉扎层200中掺杂其他元素)。通过设置钉扎层200能够消除固定磁性层400对自由磁性层600的杂散场，在钉扎层200上设置材料掺杂区，能够使得自由磁性层600杂散场在温度变化下始终保持很小的值，达到全温度杂散场补偿的效果。杂散场的大小与固定磁性层400和钉扎层200的饱和磁化强度成正比。但是因为固定磁性层400和钉扎层200的结构材料的差异，饱和磁化强度随温度的变化并非同步，如图3(a)所示，所以导致杂散场随温度变化产生变化，并且温度变化越大，杂散场的补偿越大，如图4虚线所示。通过在钉扎层200内设置材料掺杂区，可以使钉扎层200的饱和磁化强度随温度的变化的趋势发生变化，再精确控制预设的材料掺杂区的量，可以使固定磁性层400和钉扎层200的饱和磁化强度随温度的变化一致，如图3(b)所示。最终可以使杂散场保持在很小的值(约等于0)并且不随温度发生变化，如图4实线所示。

其中，钉扎层200可以是面内磁化(如图6所示)，也可以是面外磁化，钉扎层200设置于上电极100和耦合层300之间。耦合层300形成于钉扎层200背离上电极100的一侧(即是图1中钉扎层200的下方)。固定磁化层形成于耦合层300背离钉扎层200的一侧(即是图1中耦合层300的下方)，可以是面内磁化，也可以是面外磁化。隧穿势垒层500形成于固定磁性层400背离耦合层300的一侧(即是图1中固定磁性层400的下方)。自由磁性层600形成于隧穿势垒层500背离固定磁性层400的一侧(即是图1中固定磁性层400的下方)，自由磁性层600的磁矩方向为信息的载体，可以是面内磁化，也可以是面外磁化。

具体地，如图2所示，材料掺杂区设置为多个，多个材料掺杂区均匀布设于钉扎层200上，能够更高效地消除杂散场的温度依存性。

更具体地，材料掺杂区为合金材料或插层材料。

进一步地，材料掺杂区可以是钒(V)、铬(Cr)、铜(Cu)、铌(Nb)、钼(Mo)、钌(Ru)、铑(Rh)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、铱(Ir)、铌(Nb)、锆(Zr)、钇(Y)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)的过渡金属元素。或者是硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)的轻元素。或者是钕(Nd)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)的稀土元素。或者是锰(Mn)、铝(Al)、硅(Si)、磷(P)、镓(Ga)、锗(Ge)、砷(As)、铟(In)、锡(Sn)、锑(Sb)等元素。

在本实施例中，钉扎层200的材料包括铁磁材料、反铁磁材料或亚铁磁材料。固定磁性层400的材料包括铁磁材料、反铁磁材料或亚铁磁材料。自由磁性层600的材料包括铁磁材料、反铁磁材料或亚铁磁材料。

具体地，磁性材料可以使用含由铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)中的一种或两种以上组成的现有任意一种合金材料或多层膜结构。此外，磁性材料可以包括铌(Nb)、锆(Zr)、钇(Y)的过渡金属元素。或者硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)的轻元素；或者钕(Nd)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)的稀土元素以及含有锰(Mn)、铝(Al)、硅(Si)、磷(P)、镓(Ga)、锗(Ge)、砷(As)、铟(In)、锡(Sn)、锑(Sb)等形成的现有任意一种赫斯勒合金或其他合金。

进一步地，隧穿势垒层500为绝缘层。

更进一步地，隧穿势垒层500的材料为金属氧化物。金属氧化物制成可以使用氧化铝(AlO

具体地，耦合层300的材料包括钒、铬、铜、铌、钼、钌、铑、钽、钨、铼、铱的其中一种或多种组合。

在另一个实施例中，一种磁性存储器包括磁性存储单元。

图3(a)为本发明实施例中钉扎层未设置材料掺杂区时钉扎层和固定磁性层的饱和磁化强度与温度之间的关系图；图3(b)为本发明实施中钉扎层设置材料掺杂区时钉扎层和固定磁性层的饱和磁化强度与温度之间的关系图。

图4为本发明实施例中在钉扎层设置材料掺杂区前后的自由磁性层所受杂散场与温度之间的关系图。

图5示出CoPt合金的饱和磁化强度随温度的变化在掺杂不一样的钨掺杂量的对比图。W的含量越多，CoPt合金的饱和磁化强度随温度的变化越剧烈，证明通过掺杂的方式能改变饱和磁化强度随温度的变化趋势，从而可以消除杂散场随温度的变化。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。