CN102396031A - 具有垂直各向异性的st-ram单元 - Google Patents

具有垂直各向异性的st-ram单元 Download PDF

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习海文
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Abstract

磁性自旋转矩存储器单元，也称磁性隧道结单元，其关联的铁磁性层具有与晶片平面垂直对准的(或“处于面外的”)磁各向异性(即在零电场和零电流下的磁化方向)。存储器或磁性结单元可具有铁磁性自由层、第一被钉扎基准层和第二被钉扎基准层，每个前述层具有垂直于衬底的磁各向异性。自由层具有垂直于衬底的磁化方向，该磁化方向可通过自旋转矩从第一方向切换至相反的第二方向。

Description

具有垂直各向异性的ST-RAM单元
背景
新型存储器已展现出与常用形式的存储器相竞争的显著潜能。例如，非易失性自旋转移矩随机存取存储器(在这里被称为ST-RAM)已协商作为“通用”存储器。磁性隧道结单元由于其高速、相对较高的密度和较低的功耗而在ST-RAM的应用中引起了很多注意。
大多数活动已集中在具有面内磁各向异性的磁性隧道结单元。然而，对得到足够的温度稳定性需要多低的切换电流存在限制，这进一步限制了最终限制存储器阵列密度的CMOS晶体管尺寸。另外，单元形状和边缘粗糙度存在非常低的公差，这些因素会对照相平版印刷技术形成挑战。为提高磁性隧道结单元结构和材料而制定的技术、设计和修正仍处于重要的发展领域，以使ST-RAM的优势最大化。
发明内容
本公开涉及磁性自旋转矩存储器单元，也称磁性隧道结单元，其关联铁磁性层的磁各向异性(即磁化方向)与晶片平面垂直对准(或“处于面外”)。
本公开的一个特定实施例是具有铁磁性自由层、第一被钉扎基准层和第二被钉扎基准层的磁性结单元，每个前述层具有垂直于衬底的磁各向异性。铁磁性自由层具有垂直于衬底的磁化方向，该磁化方向可通过自旋转矩从第一方向切换至相反的第二方向。铁磁性所述自由层的磁化作用耦合于第一被钉扎基准层和第二被钉扎基准层中的每一个。
通过阅读下面的详细描述，将明白这些以及各种其它的特征和优点。
附图简述
结合附图考虑以下对本公开的各种实施例的详细描述，能更完整地理解本公开，在附图中：
图1A是处于低阻态的、具有面外磁化方向的说明性磁性隧道结存储器单元的示意性侧视图；图1B是处于高阻态的、说明性磁性隧道结存储器单元的示意性侧视图；
图2是包括存储器单元和半导体晶体管的说明性存储器单元的示意图；
图3是说明性可存储器阵列的示意图；
图4A-4H是具有底部被钉扎基准层的磁性隧道结存储器单元的示意性侧视图；
图5A-5H是具有顶部被钉扎基准层的磁性隧道结存储器单元的示意性侧视图；
图6A-6D是具有顶部和底部被钉扎基准层两者的双单元结构的磁性隧道结存储器单元的示意性侧视图；
图7A-7D是具有顶部被钉扎基准层的双单元结构的磁性隧道结存储器单元的示意性侧视图；
图8A-8D是具有底部被钉扎基准层的双单元结构的磁性隧道结存储器单元的示意性侧视图；
图9A-9D是不具有反铁磁性层的双单元结构的磁性隧道结存储器单元的示意性侧视图；以及
图10A-10D是至少一层尺寸减小的双单元结构的磁性隧道结存储器单元的示意性侧视图。
这些附图不一定按比例示出。附图中使用的相同数字表示相同部件。然而，应当理解，在一给定附图中使用一数字来指代一部件无意限制在另一附图中用同一数字标记该部件。
详细说明
本公开针对具有磁各向异性的磁性隧道结存储器单元的多种设计，这些设计导致相关铁磁性层的磁化方向与晶片平面垂直对准，或“处于面外”。这些存储器单元具有多种结构性要素，这些结构性要素在维持适当温度稳定性的同时减小了用于切换所述单元的数据位状态所需的切换电流。存储器单元可以按较高的面密度布图在晶片上。此外，存储器单元对于工艺偏差具有更好的耐受性。
在以下描述中，参照形成本说明书一部分的一组附图，其中通过图示示出了若干特定实施例。应当理解的是，可构想并可作出其他实施例，而不背离本公开的范围或精神。因此，以下详细描述不应按照限制性的意义来理解。本文中所提供的任何定义是为了便于对本文中频繁使用的某些术语的理解，而不是为了限制本公开的范围。
除非另外指明，否则在说明书和权利要求书中使用的表示特征大小、量、以及物理性质的所有数字应被理解为在任何情况下均由术语“大约”修饰。因此，除非相反地指明，否则在上述说明书和所附权利要求中陈述的数值参数是近似值，这些近似值可根据本领域技术人员所寻求获得的期望性质利用本文中公开的示教而变化。
如本说明书以及所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“某一”以及“该”涵盖具有复数引用物的实施例，除非该内容明确地指示并非如此。如本说明书以及所附权利要求书中所使用的，术语“或”一般以其包括“和/或”的意义来使用，除非该内容明确地指出并非如此。
虽然本发明不仅限于此，但通过对下文提供的示例的讨论将获得对本公开的各个方面的理解。
图1A和1B示出具有垂直或面外磁化方向的说明性存储器单元。磁性隧道结存储器单元10包括相对较软的铁磁性自由层12、铁磁性基准(例如固定)层14以及靠近基准层14的钉扎层16。铁磁性自由层12和铁磁性基准层14由氧化物阻挡层13或非磁性隧道阻挡结构隔开。为了清楚起见，在这些附图中不绘出例如籽晶层或保护层(capping layer)等其它层。自由层12、基准层14和钉扎层16各自具有关联的磁化方向。自由层12的磁化方向比基准层14的磁化方向更易切换，而钉扎层16的磁化方向是固定的并且一般非常低且不会切换。钉扎层16将被钉扎基准层14的磁化方向固定。在一些实施例中，钉扎层16可具有零磁化，但仍然能将被钉扎层的磁化固定。
铁磁性层12、14可由任何有用的铁磁(FM)材料制成，例如Fe、Co、或Ni以及其诸如NiFe与CoFe等合金。例如CoFeB等三元合金由于其较低的转矩和高极化比而尤为有用。铁磁性自由层12与基准层14中的任一个或两者可以是单层或非平衡的合成反铁磁性(SAF)耦合结构，即，由诸如Ru或Cu等金属间隔件分隔开的两个铁磁性子层，其中这些子层的磁化方向处于相反方向以便提供净磁化。钉扎层16可以是诸如PtMn、IrMn及其它物质等的反铁磁性有序材料(AFM)。
阻挡层13可由例如氧化物材料(例如，Al2O3、TiOx或MgOx)等电绝缘材料来制成。根据工艺可行性与装置可靠性，可以有选择地将阻挡层13与自由层12或基准层14布图在一起。
第一电极18与铁磁性自由层12电接触，而第二电极19与铁磁性基准层14电接触。电极18、19将铁磁性层12、14电连接于控制电路，该控制电路提供通过层12、14的读/写电流。跨磁性隧道结存储器单元10的电阻是由铁磁性层12、14的磁化向量或磁化方向的相对取向确定的。在图示实施例中，铁磁性基准层14的磁化方向通过钉扎层16被限定在预定方向，而铁磁性自由层12的磁化方向在自旋转矩的影响下自由旋转。
层12、14、16的磁化方向垂直于层的延伸方面并垂直于在其上形成存储器单元10的晶片衬底的平面，这经常被称为“面外的”或“垂直的”。
在图1A中，磁性隧道结存储器单元10处于低阻态，其中自由层12的磁化方向与基准层14的磁化方向处于同一方向。在图1B中，磁性隧道结存储器单元140处于高阻态，其中自由层12的磁化方向与基准层14的磁化方向处于相反方向。在一些实施例中，低阻态可以是“0”数据状态而高阻态可以是“1”数据状态，但在其它一些实施例中，低阻态可以是“1”而高阻态可以是“0”。
经由自旋转移而切换阻态并因此切换磁性隧道结存储器单元10的数据状态的情况发生在流过磁性隧道结存储器单元10的磁性层的电流发生自旋极化并对自由层12施加自旋转矩时。当足够自旋转矩被施加于自由层12时，自由层12的磁化方向可在两相反方向之间切换，并因此，磁性隧道结存储器单元10可在低阻态和高阻态之间切换。
图2是包括经由导电元件24电耦合于半导体晶体管22的存储元件21的说明性存储器单元20的示意图。存储器单元21可以是本文描述的任何存储器单元，或可以是被配置成经由通过存储器元件21的电流来切换数据状态的任意其它存储器单元。晶体管22包括半导体衬底25，该半导体衬底25具有掺杂区(例如，图示为n掺杂区)以及在掺杂区之间的沟道区(例如，图示为p掺杂沟道区)。晶体管22包括栅极26，其电耦合于字线WL以允许选择并使电流从位线BL流至存储器单元21。可编程金属化存储器单元20的阵列可利用半导体制造技术形成在半导体衬底上。
图3是说明性存储器阵列30的示意图。存储器阵列30包括形成交叉点阵列的多个字线WL和多个位线BL。在各个交叉点处，如本文所述的存储器单元31电耦合至字线WL和位线BL。
在本公开中，提供了具有垂直磁各向异性的磁性隧道结单元的各种结构性设计。这些设计和布图工艺允许在具有适当温度稳定性的同时减小切换电流，并能够具有较高的面密度，同时对于工艺偏差增加耐受性。
与具有面内磁各向异性的存储器单元相比，对于具有垂直磁各向异性的存储器单元来说，在被钉扎基准层和自由层中经历更强的耦合。这种更高程度的耦合导致需要较低的切换电流(Ic)。已发现，垂直磁各向异性抵消了强去磁化效应，由此减少并常常消除对电流致磁性反转的障碍，并因此减小了切换电流(Ic)。
每种存储器单元设计是磁性隧道结单元，该磁性隧道结单元具有一个或多个隧道阻挡层、具有垂直各向异性的铁磁性自由层以及同样具有垂直各向异性的一个或两个铁磁性基准层。基准层可以是单个基准层或三层非平衡合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。在一些实施例中，存储器单元具有一个或两个被钉扎层，这些被钉扎层也具有垂直各向异性。存储器单元还包括多个非磁性层和/或金属间隔层。要注意，单元结构还包括为清楚起见未被示出的籽晶层和/或保护层。下面的附图示出具有面外或垂直的磁各向异性的磁性存储器单元的数个实施例。
图4A-4H和图5A-5H中的下列存储器单元是存储器单元的一些实施例，这些存储器单元包括具有可切换的垂直磁化方向的铁磁性自由层以及具有垂直磁化方向被钉扎的基准层。一般来说，这些存储器单元具有一铁磁性自由层，该铁磁性自由层具有与其上形成存储器单元的衬底垂直的磁各向异性，所述磁各向异性提供可由自旋转矩切换的磁化方向，该存储器单元还具有被钉扎基准层，该被钉扎基准层所具有的磁各向异性提供被钉扎垂直于衬底的磁化方向，该存储器单元还具有位于自由层和被钉扎基准层之间的第一非磁性阻挡层。自由层和被钉扎基准层中的每一个具有一面积。
在一些实施例中，当被钉扎基准层位于衬底和自由层之间时，自由层面积小于基准层面积，而当自由层位于衬底和基准层之间时，基准层面积小于自由层面积。一般来说，这些存储器单元具有铁磁性自由层，该铁磁性自由层具有垂直于衬底的磁各向异性，磁化方向可通过自旋转矩切换。存储器单元包括被钉扎基准层，该被钉扎基准层具有磁各向异性和被钉扎垂直于衬底的磁化方向，并且存储器单元还包括位于自由层和被钉扎基准层之间的第一非磁性阻挡层。当被钉扎基准层位于衬底和自由层之间时，自由层面积小于基准层面积，而当自由层位于衬底和基准层之间时，基准层面积小于自由层面积。对于至少一个层具有减小面积的存储器单元的实施例(例如，图4E-4H和图5E-5H)来说，当流过存储器单元的电流从一个层传向另一层时，由于较小的面积，电流被集中，由此增加了电流密度，进而减小了所需的切换电流(Ic)。
图4A-4H示出在单元底部(例如，在其上设置该单元的衬底的最接近处)具有被钉扎基准层的存储器单元的实施例。
在图4A中，衬底411上的存储器单元410具有：带可切换的垂直磁化方向的铁磁性自由层412；铁磁性单层；具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层414，该基准层414靠近衬底411；以及在其间的阻挡层413。图4B的存储器单元420类似于图4A的存储器单元410，除了存储器单元420具有作为被钉扎基准层的非平衡合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。存储器单元420具有：带可切换的垂直磁化方向的铁磁性自由层422；以及具有固定在一个方向的垂直磁化方向的非平衡合成反铁磁性(SAF)层425；以及在两者之间的阻挡层423。SAF层425包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的铁磁性基准层424；垂直磁化方向固定在与基准层424的方向相反的方向上的的铁磁性钉扎层428；以及在两者之间的例如Ru或Cu等金属间隔层427。基准层424和钉扎层428的对立磁化提供一净磁化。下述存储器单元的各种元件与存储器单元410、420的元件是相同或相似的，除非另有说明。
在图4C中，存储器单元430包括：具有可切换垂直磁化方向的自由层432；具有固定垂直磁化方向的单层基准层434；以及在两者之间的阻挡层433。与基准层434相邻的是反铁磁性材料(AFM)层436。图4D的存储器单元440类似于图4C的存储器单元430，除了存储器单元440具有作为被钉扎基准层的非平衡合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。存储器单元440包括：具有可切换垂直磁化方向的自由层442；具有固定垂直磁化的SAF层445；以及在两者之间的阻挡层443。SAF层445包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层444；垂直磁化方向固定在与基准层444的方向相反的方向上的钉扎层448；以及在两者之间的金属间隔层447。基准层444和钉扎层448的对立磁化提供一净磁化。与SAF层445相邻，尤其与钉扎层448相邻的是反铁磁性材料(AFM)层446。AFM层446直接稳定钉扎层448的磁化方向，并由此经由金属间隔层447稳定基准层444。
在图4E中，存储器单元450包括：具有可切换垂直磁化方向的自由层452；具有固定垂直磁化方向的单层基准层454；以及在两者之间的阻挡层453。在该实施例中，自由层452的表面积小于基准层454的表面积。自由层452在各个方向相对基准层454凹进；在该实施例中，自由层452也在各个方向相对阻挡层453凹进。图4F的存储器单元460类似于图4E的存储器单元450，除了存储器单元460具有作为被钉扎基准层的非平衡合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。存储器单元460包括：具有可切换垂直磁化方向的尺寸减小或凹进的自由层462；具有固定垂直磁化的SAF层465；以及在两者之间的阻挡层463。SAF层465包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层464；垂直磁化方向固定在与基准层464的方向相反的方向上的钉扎层468；以及在两者之间的金属间隔层467。
图4G的存储器单元470类似于图4E的存储器单元450而图4H的存储器单元480类似于图4F的存储器单元460，除了存储器单元470、480分别具有与基准层454和SAF层465相邻的一层反铁磁性材料。图4G中的存储器单元470包括：具有可切换垂直磁化方向的面积减小或凹进的自由层472；具有固定垂直磁化方向的单层基准层474；以及在两者之间的阻挡层473。与基准层474相邻的是AFM层476。图4H的存储器单元480包括：具有可切换垂直磁化方向的尺寸减小或凹进的自由层482；具有固定垂直磁化的SAF层485；以及在两者之间的阻挡层483。SAF层485包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层484；垂直磁化方向固定在与基准层484的方向相反的方向上的的钉扎层488；以及在两者之间的金属间隔层487。与SAF层485相邻，尤其与钉扎层488相邻的是反铁磁性材料(AFM)层486。AFM层486直接稳定钉扎层488的磁化方向，并由此经由金属间隔层487稳定基准层484。
图5A-5H示出在单元顶部(即在其上设置该单元的衬底的最远处)具有被钉扎基准层的存储器单元的实施例。
在图5A中，衬底511上的存储器单元510包括：靠近衬底511并具有可切换垂直磁化方向的自由层512；具有固定的垂直磁化方向的单层基准层514；以及在两者之间的阻挡层513。图5B的存储器单元520类似于图5A的存储器单元510，除了存储器单元520具有作为被钉扎基准层的非平衡合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。存储器单元520包括：具有可切换垂直磁化方向的自由层522；具有固定垂直磁化的SAF层525；以及在两者之间的阻挡层523。SAF层525包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层524；垂直磁化方向固定在与基准层524的方向相反的方向上的钉扎层528；以及在两者之间的金属间隔层527。
在图5C中，存储器单元530包括：具有可切换垂直磁化方向的自由层532；具有固定垂直磁化方向的单层基准层534；以及在两者之间的阻挡层533。与基准层534相邻的是反铁磁性材料(AFM)层536。图5D的存储器单元540类似于图5C的存储器单元530，除了存储器单元540具有作为被钉扎基准层的非平衡合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。存储器单元540包括：具有可切换垂直磁化方向的自由层542；具有固定垂直磁化的SAF层545；以及在两者之间的阻挡层543。SAF层545包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层544；垂直磁化方向固定在与基准层544的方向相反的方向上的钉扎层548；以及在两者之间的金属间隔层547。与SAF层545相邻，尤其与基准层544相邻的是AFM层546。AFM层546直接稳定基准层544的磁化方向，并由此经由金属间隔层547稳定钉扎层548。在图5E中，存储器单元550包括：具有可切换垂直磁化方向的自由层552；具有固定垂直磁化方向的单层基准层554；以及在两者之间的阻挡层553。在该实施例中，基准层554的表面积小于自由层552的表面积。基准层554在各个方向相对自由层552凹进；在该实施例中，基准层554也在各个方向相对阻挡层553凹进。图5F的存储器单元560类似于图5E的存储器单元550，除了存储器单元560具有作为被钉扎基准层的非平衡合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。存储器单元560包括：具有可切换垂直磁化方向的自由层562；具有固定垂直磁化的尺寸减小或凹进的SAF层565；以及在两者之间的阻挡层563。SAF层565包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层564；垂直磁化方向固定在与基准层564的方向相反的方向上的钉扎层568；以及在两者之间的金属间隔层567。在该实施例中，SAF层565的每个层564、567、568是凹进的。
图5G的存储器单元570类似于图5E的存储器单元550而图5H的存储器单元580类似于图5F的存储器单元560，除了存储器单元570、580分别具有与基准层554和SAF层565相邻的一层反铁磁性材料。图5G中的存储器单元570包括：具有可切换垂直磁化方向的自由层572；具有固定垂直磁化方向的面积减小或凹进的单层基准层574；以及在两者之间的阻挡层573。与基准层574相邻的是尺寸减小或凹进的AFM层576，它具有相比自由层572减小但与基准层574相同的面积。图5H的存储器单元580包括：具有可切换垂直磁化方向的自由层582；具有固定垂直磁化的尺寸减小或凹进的SAF层585；以及在两者之间的阻挡层583。SAF层585包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层584；垂直磁化方向的固定在与基准层584的方向相反的方向上的钉扎层588；以及在两者之间的金属间隔层587。与SAF层585相邻，尤其与基准层584相邻的是AFM层586。AFM层586直接稳定基准层584的磁化方向，并由此经由金属间隔层587稳定钉扎层588。在该实施例中，SAF层565的每个层564、567、568以及AFM层586是凹进的。
图6A-6D、7A-7D、8A-8D和图9A-9D中的下列存储器单元是具有双单元结构的存储器单元的实施例，该双单元结构具有带可切换垂直磁化方向的铁磁性自由层，该铁磁性自由层通过被钉扎基准层(要么是单个基准层要么是SAF层)约束在顶部和底部。一般来说，存储器单元包括：铁磁性自由层，该铁磁性自由层具有与其上形成该存储器单元的衬底垂直的磁各向异性，磁化方向可通过自旋转矩切换；第一被钉扎基准层，其具有垂直于衬底的磁各向异性，且位于衬底和所述自由层之间；以及第二被钉扎基准层，其具有垂直于衬底的磁各向异性，所述自由层位于第一被钉扎基准层和第二被钉扎基准层之间。对于具有双单元结构的存储器单元的实施例来说，切换电流(Ic)由于两个被钉扎基准层而进一步被减小。由于每个被钉扎基准层都影响对自由层磁化方向的切换，因此来自第一被钉扎基准层和第二被钉扎基准层的自旋转矩是累积的，由此需要减小的总切换电流来切换自由层的磁化方向。
图6A-6D示出具有双单元结构的存储器单元的实施例，该结构的顶部和底部均钉扎了反铁磁性材料层。每个实施例具有自由层，在该自由层的每一侧具有被钉扎基准层(要么是单个基准层要么是SAF层)和AFM层。如果与AFM层相邻的是SAF层，那么AFM层直接稳定钉扎层的磁化方向，并由此经由金属间隔层来使被钉扎基准层稳定。如果与AFM层相邻的是单个基准层，则AFM层直接使该基准层的磁化方向稳定。在图6A中，存储器单元610具有自由层612，该自由层具有可切换的垂直磁化方向，其第一侧有第一非平衡合成反铁磁性(SAF)层615而第二侧有第二非平衡合成反铁磁性(SAF)层615’，SAF层615和SAF层615’分别具有固定的垂直磁化。第一SAF层615包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层614；垂直磁化方向的固定在与基准层614的方向相反的方向上的钉扎层618；以及在两者之间的金属间隔层617。第二SAF层615’包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层614’；垂直磁化方向固定在与基准层614’的方向相反的方向上的钉扎层618’；以及在两者之间的金属间隔层617’。在一些实施例中，第二SAF层615’与第一SAF层615相同。阻挡层613位于自由层612和第一SAF层615之间，而非金属层619位于自由层612和第二SAF层615’。与第一SAF层615相邻，尤其与钉扎层618相邻的是AFM层616。与第二SAF层615’相邻，尤其与钉扎层618’相邻的是第二AFM层616’。在存储器单元610的这种配置中，阻挡层613、SAF层615和AFM层616位于自由层612和其上形成存储器单元610的衬底之间，而非金属层619、第二SAF层615’和第二AFM层616’位于自由层612上方。
图6B的存储器单元620类似于图6A的存储器单元610，除了用单层的被钉扎基准层来取代自由层612上方的第二SAF层615’。存储器单元620具有带可切换垂直磁化方向的自由层622，在自由层622和其上形成存储器单元620的衬底之间具有带固定垂直磁化的SAF层625。SAF层625包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层624；垂直磁化方向的固定在与基准层624的方向相反的方向上的钉扎层628；以及在两者之间的金属间隔层627。与SAF层625相邻，尤其与钉扎层628相邻的是AFM层626。阻挡层623位于SAF层625和自由层622之间。自由层622的另一侧是单层的被钉扎基准层624’和第二AFM层626’。非金属层629位于自由层622和基准层624’之间。在存储器单元620的这种配置中，阻挡层623、SAF层625和AFM层626位于自由层622和其上形成存储器单元620的衬底之间，而非金属层629、基准层624’和第二AFM层626’位于自由层622上方。
图6C中的存储器单元630类似于图6B的存储器单元620，除了SAF层位于自由层上方且单层的被钉扎基准层位于自由层下方。存储器单元630具有带可切换垂直磁化方向的自由层632，在自由层632和其上形成存储器单元630的衬底之间具有带固定垂直磁化的单层的被钉扎基准层634。与基准层634相邻的是AFM层636。阻挡层633位于基准层634和自由层632之间。自由层632的另一侧是具有固定垂直磁化的SAF层635。SAF层635包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层634’；垂直磁化方向固定在与基准层634’的方向相反的方向上的钉扎层638；以及在两者之间的金属间隔层637。与SAF层645相邻，尤其与钉扎层638相邻的是第二AFM层636’。非金属层639位于自由层632和SAF层635之间。在存储器单元630的这种配置中，阻挡层623、基准层634和AFM层636位于自由层632和其上形成存储器单元630的衬底之间，而非金属层639、SAF层635和第二AFM层636’在自由层632上方。
图6D的存储器单元640类似于图6A的存储器单元610、图6B的存储器单元620和图6C的存储器单元630中的每一个，除了在图6D的存储器单元640中自由层上方和下方均具有单层的被钉扎基准层。存储器单元640具有带可切换垂直磁化方向的自由层642，在自由层642的第一侧具有带固定垂直磁化的单层的被钉扎基准层644，在自由层642的相反侧具有第二单层的被钉扎基准层644’。与每个基准层644、644’相邻的分别是AFM 646、646’。阻挡层643位于基准层644和自由层642之间，而非金属层649位于自由层642和第二基准层644’之间。在存储器单元640的这种配置中，阻挡层643位于自由层642和其上形成存储器单元640的衬底之间，且非金属层649位于自由层642上方。
图7A-7D示出具有双单元结构的存储器单元的实施例，该结构仅在顶部钉扎了反铁磁性材料层。每个实施例都具有自由层，在该自由层的每一侧具有被钉扎基准层(要么是单个基准层要么是SAF层)，但仅在自由层的上方具有AFM层。如果与AFM层相邻的是SAF层，那么AFM层直接稳定钉扎层的磁化方向，并由此经由金属间隔层来使被钉扎基准层稳定。如果与AFM层相邻的是单个基准层，则AFM层直接使基准层的磁化方向稳定。
在图7A中，存储器单元710具有自由层712，该自由层具有可切换的垂直磁化方向，其第一侧具有第一非平衡合成反铁磁性(SAF)层715而第二侧具有第二非平衡合成反铁磁性(SAF)层715’，SAF层715和SAF层715’都具有固定的垂直磁化。第一SAF层715包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层714；垂直磁化方向固定在与基准层714的方向相反的方向上的钉扎层718；以及在两者之间的金属间隔层717。第二SAF层715’包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层714’；垂直磁化方向固定在与基准层714’的方向相反的方向上的钉扎层718’；以及在两者之间的金属间隔层717’。在一些实施例中，第二SAF层715’与第一SAF层715相同。阻挡层713位于自由层712和第一SAF层715之间，而非金属层719位于自由层712和第二SAF层715’之间。与第二SAF层715’相邻，尤其与钉扎层718’相邻的是AFM层716’。在存储器单元710的这种配置中，阻挡层713、SAF层715和SAF层715位于自由层712和其上形成存储器单元710的衬底之间，而非金属层719、第二SAF层715’和第二AFM层716位于自由层712上方。
图7B的存储器单元720类似于图7A的存储器单元710，除了用单层的被钉扎基准层来取代在自由层712上方的第二SAF层715’。存储器单元720具有带可切换垂直磁化方向的自由层722，在自由层722和其上形成存储器单元720的衬底之间具有带固定垂直磁化的SAF层725。SAF层725包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层724；垂直磁化方向固定在与基准层724的方向相反的方向上的钉扎层728；以及在两者之间的金属间隔层727。阻挡层723位于SAF层725和自由层722之间。自由层722的另一侧是单层的被钉扎基准层724’和AFM层726。非金属层729位于自由层722和基准层724’之间。在存储器单元720的这种配置中，阻挡层723和SAF层725位于自由层722和其上形成存储器单元720的衬底之间，而非金属层729、基准层724’和AFM层726位于自由层722上方。
图7C中的存储器单元730类似于图7B的存储器单元720，除了SAF层位于自由层上方且单层的被钉扎基准层位于自由层下方。存储器单元730具有带可切换垂直磁化方向的自由层732，在自由层732和其上形成存储器单元730的衬底之间具有带固定垂直磁化的单层的被钉扎基准层734。阻挡层733位于基准层734和自由层732之间。自由层732的另一侧是具有固定垂直磁化的SAF层735。SAF层735包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层734’；垂直磁化方向固定在与基准层734’的方向相反的方向上的钉扎层738；以及在两者之间的金属间隔层737。与SAF层735相邻，尤其与钉扎层738相邻的是AFM层736。非金属层739位于自由层732和SAF层735之间。在存储器单元730的这种配置中，阻挡层723和基准层734位于自由层732和其上形成存储器单元730的衬底之间，而非金属层739、SAF层735和AFM层736在自由层732上方。
图7D的存储器单元740类似于图7A的存储器单元710、图7B的存储器单元720和图7C的存储器单元730中的每一个，除了在图7D的存储器单元740中在自由层的上方和下方均具有单层的被钉扎基准层。存储器单元740具有带可切换垂直磁化方向的自由层742，在自由层742的第一侧具有带固定垂直磁化的单层的被钉扎基准层744，在自由层742的相反侧具有第二单层的被钉扎基准层744’。与基准层744’相邻的是AFM层746。阻挡层743位于基准层744和自由层742之间，而非金属层749位于自由层742和第二基准层744’之间。在存储器单元740的这种配置中，阻挡层743位于自由层742和其上形成存储器单元740的衬底之间，且非金属层749位于自由层742上方。
图8A-8D示出具有双单元结构的存储器单元的实施例，该结构仅在下部钉扎了反铁磁性材料层。每个实施例都具有自由层，在该自由层的每一侧具有被钉扎基准层(要么是单个基准层要么是SAF层)，但仅在自由层和其上出现存储器单元的衬底之间具有AFM层。如果与AFM层相邻的是SAF层，那么AFM层直接稳定钉扎层的磁化方向，并由此经由金属间隔层来使被钉扎基准层稳定。如果与AFM层相邻的是单个基准层，则AFM层直接使基准层的磁化方向稳定。
在图8A中，存储器单元810具有自由层812，该自由层812具有可切换的垂直磁化方向，该自由层812的第一侧具有第一非平衡合成反铁磁性(SAF)层815，第二侧具有第二非平衡合成反铁磁性(SAF)层815’，SAF层815和SAF层815’都具有固定的垂直磁化。第一SAF层815包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层814；垂直磁化方向固定在与基准层814的方向相反的方向上钉扎层818；以及在两者之间的金属间隔层817。与SAF层815相邻，尤其与钉扎层818相邻的是AFM层816。第二SAF层815’包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层814’；垂直磁化方向固定在与基准层814’的方向相反的方向上钉扎层818’；以及在两者之间的金属间隔层817’。在一些实施例中，第二SAF层815’与第一SAF层815相同。阻挡层813位于自由层812和第一SAF层815之间，而非金属层819位于自由层812和第二SAF层815’之间。在存储器单元810的这种配置中，阻挡层813、SAF层815和AFM层816位于自由层812和其上形成存储器单元810的衬底之间，而非金属层819和第二SAF层815’位于自由层812上方。
图8B的存储器单元820类似于图8A的存储器单元810，除了用单层的被钉扎基准层取代在自由层812上方的SAF层815’。存储器单元820具有带可切换垂直磁化方向的自由层822，在自由层825和其上形成存储器单元820的衬底之间具有带固定垂直磁化的SAF层825。SAF层825包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层824；垂直磁化方向固定在与基准层824的方向相反的方向上的钉扎层828；以及在两者之间的金属间隔层827。阻挡层823在SAF层825和自由层822之间。与SAF层825相邻，尤其与钉扎层828相邻的是AFM层826。在自由层822另一侧上的是单层的被钉扎基准层824’。非金属层829位于自由层822和基准层824’之间。在存储器单元820的这种配置中，阻挡层823、SAF层825和AFM层826位于自由层822和其上形成存储器单元820的衬底之间，而非金属层829和基准层824’位于自由层822上方。
图8C中的存储器单元830类似于图8B的存储器单元820，除了SAF层位于自由层上方且单层的被钉扎基准层位于自由层下方。存储器单元830具有带可切换垂直磁化方向的自由层832，在自由层832和其上形成存储器单元830的衬底之间具有带固定垂直磁化的单层的被钉扎基准层834。与基准层834相邻的是AFM层836。阻挡层833位于基准层834和自由层832之间。自由层832的另一侧是具有固定垂直磁化的SAF层835。SAF层835包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层834’；垂直磁化方向固定在与基准层834’的方向相反的方向上的钉扎层838；以及在两者之间的金属间隔层837。非金属层839位于自由层832和SAF层835之间。在存储器单元830的这种配置中，阻挡层823、基准层834和AFM层836位于自由层832和其上形成存储器单元830的衬底之间，而非金属层839和SAF层835在自由层832上方。
图8D的存储器单元840类似于图8A的存储器单元810、图8B的存储器单元820和图8C的存储器单元830中的每一个，除了在图8D的存储器单元840中在自由层上方和下方均具有单层的被钉扎基准层。存储器单元840具有带可切换垂直磁化方向的自由层842，在自由层842的第一侧具有带固定垂直磁化的单层的被钉扎基准层842，在自由层842的相反侧具有第二单层的被钉扎基准层844’。与基准层844相邻的是AFM层846。阻挡层843位于基准层844和自由层842之间，而非金属层849位于自由层842和第二基准层844’之间。在存储器单元840的这种配置中，阻挡层843位于自由层842和其上形成存储器单元840的衬底之间，且非金属层849位于自由层842上方。
图9A-9D示出具有双单元结构的存储器单元的实施例，该结构任何一部分都未钉气反铁磁性材料层。每个实施例都具有自由层，在该自由层的每一侧具有被钉扎基准层(要么是单个基准层要么是SAF层)。
在图9A中，存储器单元910具有自由层912，该自由层912具有可切换的垂直磁化方向，该自由层912的第一侧具有第一非平衡合成反铁磁性(SAF)层915，第二侧具有第二非平衡合成反铁磁性(SAF)层915’，SAF层915和SAF层915’都具有固定的垂直磁化。第一SAF层915包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层914；垂直磁化方向固定在与基准层914的方向相反的方向上的钉扎层918；以及在两者之间的金属间隔层917。第二SAF层915’包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层914’；垂直磁化方向固定在与基准层914’的方向相反的方向上的钉扎层918’；以及在两者之间的金属间隔层917’。在一些实施例中，第二SAF层915’与第一SAF层915相同。阻挡层913位于自由层912和第一SAF层915之间，而非金属层919位于自由层912和第二SAF层915’之间。在存储器单元910的这种配置中，阻挡层913和SAF层915位于自由层912和其上形成存储器单元910的衬底之间，而非金属层919和第二SAF层915’位于自由层912上方。
图8B的存储器单元920类似于图8A的存储器单元910，除了用单层的被钉扎基准层取代在自由层912上方的SAF层915’。存储器单元920具有带可切换垂直磁化方向的自由层922，在自由层922和其上形成存储器单元920的衬底之间具有带固定垂直磁化的SAF层925。SAF层925包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层924；垂直磁化方向固定在与基准层924的方向相反的方向上的钉扎层928；以及在两者之间的金属间隔层927。阻挡层923位于SAF层925和自由层922之间。在自由层922的另一侧是单层的被钉扎基准层924’。非金属层929位于自由层922和基准层924’之间。在存储器单元920的这种配置中，阻挡层923和SAF层925位于自由层922和其上形成存储器单元920的衬底之间，而非金属层929和基准层924’位于自由层922上方。
图9C中的存储器单元930类似于图9B的存储器单元920，除了SAF层位于自由层上方且单层的被钉扎基准层位于自由层下方。存储器单元930具有带可切换垂直磁化方向的自由层932，在自由层932和其上形成存储器单元930的衬底之间具有带固定垂直磁化的单层的被钉扎基准层934。阻挡层933位于基准层934和自由层932之间。自由层932的另一侧是具有固定垂直磁化的SAF层935。SAF层935包括：具有固定在一个方向的垂直磁化方向的基准层934’；垂直磁化方向固定在与基准层934’的方向相反的方向上的钉扎层938；以及在两者之间的金属间隔层937。非金属层939位于自由层932和SAF层935之间。在存储器单元930的这种配置中，阻挡层923和基准层934位于自由层932和其上形成存储器单元930的衬底之间，而非金属层939和SAF层935在自由层932上方。
图9D的存储器单元940类似于图9A的存储器单元910、图9B的存储器单元920和图9C的存储器单元930中的每一个，除了在图9D的存储器单元940中在自由层上方和下方均具有单层的被钉扎基准层。存储器单元940具有带可切换垂直磁化方向的自由层942，在自由层942的第一侧具有带固定垂直磁化的单层的被钉扎基准层944，在自由层942的相反侧具有第二单层的被钉扎基准层944’。阻挡层943位于基准层944和自由层942之间，而非金属层949位于自由层942和第二基准层944’之间。在存储器单元940的这种配置中，阻挡层943位于自由层942和其上形成存储器单元940的衬底之间，且非金属层949位于自由层942上方。
图10A-10D中的下列存储器单元是至少一层具有减小面积的双单元存储器单元的实施例。在一些实施例中，第二被钉扎基准层具有小于自由层面积的面积。在其它实施例中，第二被钉扎基准层和自由层两者的面积均小于第一被钉扎层的面积。对于至少一层具有减小面积的存储器单元的实施例来说，当流过存储器单元的电流从一个层传向另一层时，由于较小的面积，电流被集中，由此增加了电流密度，进而减小了所需的切换电流(Ic)。
在图10A中，存储器单元1010具有自由层1012，该自由层1012具有可切换的垂直磁化方向，该自由层1012的第一侧具有第一被钉扎基准层1014，第二侧具有第二被钉扎基准层1014’，被钉扎基准层1014和基准层1014’都具有固定的垂直磁化。被钉扎基准层1014、1014’中的任一个或两者可以是单层的被钉扎基准层或非平衡合成反铁磁性(SAF)层。反铁磁性(AFM)层可与被钉扎基准层1014、1014’中的任一个或两者相邻。阻挡层1013位于自由层1012和第一基准层1014之间，而非金属层1019位于自由层1012和第二基准层1014’之间。在该实施例中，第二被钉扎基准层1014’的表面积小于自由层1012和第一被钉扎基准层1014的表面积。第二基准层1014’在各个方向相对自由层1012凹进；在该实施例中，第二基准层1014’也在各个方向相对非金属层1019凹进。
图10B的存储器单元1020类似于图10A的存储器单元1010，除了存储器单元1020的非金属层的表面积也小于自由层的表面积。存储器单元1020具有自由层1022，该自由层1022具有可切换的垂直磁化方向，该自由层1022的第一侧具有第一被钉扎基准层1024，第二侧具有第二被钉扎基准层1024’，基准层1024和基准层1024’都具有固定的垂直磁化。被钉扎基准层1024、1024’中的任一个或两者可以是单层的被钉扎基准层或非平衡合成反铁磁性(SAF)层。反铁磁性(AFM)层可与被钉扎基准层1024、1024’中的任一个或两者相邻。阻挡层1023位于自由层1022和第一基准层1024之间，而非金属层1029位于自由层1022和第二基准层1024’之间。在该实施例中，第二被钉扎基准层1024’和非金属层1029两者的表面积均小于自由层1022和第一被钉扎基准层1024的表面积。第二基准层1024’和非金属层1029在各个方向相对自由层1022凹进。
图10C的存储器单元1030类似于图10A的存储器单元1010和图10B的存储器单元1020，除了自由层的表面积小于第一被钉扎基准层的表面积外。存储器单元1030具有自由层1032，该自由层1032具有可切换的垂直磁化方向，该自由层1032的第一侧具有第一被钉扎基准层1034，第二侧具有第二被钉扎基准层1034’，基准层1034和基准层1034’都具有固定的垂直磁化。被钉扎基准层1034、1034’中的任一个或两者可以是单层的被钉扎基准层或非平衡合成反铁磁性(SAF)层。反铁磁性(AFM)层可与被钉扎基准层1034、1034’中的任一个或两者相邻。阻挡层1033位于自由层1032和第一基准层1034之间，而非金属层1039位于自由层1032和第二基准层1034’之间。在该实施例中，第二被钉扎基准层1034’、非金属层1039和自由层1032的表面积均小于第一被钉扎基准层的表面积。第二被钉扎基准层1034’、非金属层1039和自由层1032中的每一个在各个方向相对第一被钉扎基准层1034凹进。
类似地，图10D的存储器单元1040类似于图10A的存储器单元1010、图10B的存储器单元1020以及图10C的存储器单元1030，除了在靠近自由层的阻挡层的表面积也小于第一被钉扎基准层的表面积。存储器单元1040具有自由层1042，该自由层1042具有可切换的垂直磁化方向，该自由层1042的第一侧具有第一被钉扎基准层1044，第二侧具有第二被钉扎基准层1044’，基准层1044和基准层1044’都具有固定的垂直磁化。被钉扎基准层1044、1044’中的任一个或两者可以是单层的被钉扎基准层或非平衡合成反铁磁性(SAF)层。反铁磁性(AFM)层可与被钉扎基准层1044、1044’中的任一个或两者相邻。阻挡层1043位于自由层1042和第一基准层1044之间，而非金属层1049位于自由层1042和第二基准层1044’之间。在该实施例中，第二被钉扎基准层1044’、非金属层1049、自由层1042和阻挡层1043的表面积均小于第一被钉扎基准层1044的表面积。第二被钉扎基准层1044’、非金属层1049、自由层1042和阻挡层1043中的每一个在各个方向相对第一被钉扎基准层1044凹进。
对于前述示例性自旋转矩存储器单元中的每一个，其关联铁磁性层的磁各向异性与其上形成该单元的平面(即晶片平面)垂直对准。尽管各附图示出了基准层或被钉扎层的磁化方向的方向，然而应当理解。磁化方向可以沿相反方向，只要其保持垂直或处于面外即可。由于所述特定的存储器单元构造，减小了单元的切换电流(即从高数据状态至低数据状态以及从低数据状态至高数据状态)，同时保持足够的热稳定性，并取得高的面密度，对于工艺偏差具有更大的耐受性。
每个存储器单元包括具有垂直各向异性的铁磁性自由层以及同样具有垂直各向异性的至少一个铁磁性基准层(要么是单个基准层要么是三层的非平衡合成反铁磁性(SAF)耦合的结构)。在一些实施例中(例如图6A-6D、7A-7D、8A-8D和图9A-9D的实施例)，存储器单元包括两个铁磁性基准层(要么是单个基准层要么是三层的非平衡合成反铁磁性(SAF)耦合的结构)。尽管图6A-6D、7A-7D、8A-8D以及图9A-9D所示的实施例已将隧道阻挡层图示和表述为位于自由层和其上形成存储器单元的衬底之间，并将非磁性层图示和表述为位于自由层上方，然而这些层的相对位置是可以转换的，以使非磁性层位于自由层和衬底之间并使阻挡层位于自由层上方。
自由层、被钉扎基准层(及其各个层，在合适时)以及AFM钉扎层(如果有的话)中的每一个可以是如前面结合图1A和图1B所描述的和下面将描述的关于垂直磁各向异性的许多选择中的任何一个。
对于铁磁性自由层特别有用的材料的示例包括例如Fe、Co或Ni及其诸如NiFe和CoFe等合金的铁磁(FM)材料。例如CoFeB等三元合金由于其较低的转矩和高极化比而尤为有用。钴(Co)尤为适用于具有垂直磁各向异性的自由层。对于单层被钉扎基准层(例如图6B的基准层624’)以及SAF层的基准层(例如图6B中SAF层625中的基准层624，等等)特别有用的材料的示例包括含FeCo材料和混合物的铁磁性材料，例如TbFeCo，CoFeB-TbFeCo和CoFeB-NiFe。对于SAF层的钉扎层(例如图6B中SAF层625中的钉扎层628，等等)特别有用的材料的示例包括含FeCo材料的铁磁性材料，例如TbFeCo，GdFeCo和CoFe。Ru和Cu是SAF层中的金属间隔层(例如图6B中SAF层625中的间隔层627)的适用金属材料。对于自由层和下端被钉扎基准层之间的阻挡层(例如图6B的阻挡层623)，适用材料的示例包括电绝缘材料，例如氧化物材料(例如Al2O3，TiOx，MgOx)。非磁性层(例如图6B的层629)的适用材料的示例包括例如Cu等非磁性金属材料，或与同一单元中用于阻挡层的材料具有不同性质的隧道阻挡材料(例如氧化物)。
前面的段落已提供了可具有垂直磁各向异性的各种材料的示例。为了存在这些和其它材料的许多种配置可以提供垂直磁各向异性，包括：(1)单层铁磁性材料(FM)、(2)铁磁性/非金属性(FM/NM)多层、(3)FM/FM多层、(4)具有特殊晶相和纹理的铁磁合金，以及(5)重稀土-过渡金属合金。FM/NM多层的一个特例是Co/Pt多层。FM/FM多层的一个示例是Co/Ni多层。具有特殊晶相和纹理的铁磁合金的一个示例是具有hcp晶体结构且c轴(易磁化轴)垂直于膜平面(film plane)的CoPtx合金。另一示例是具有L10结构且c轴垂直于膜平面的FePt。相同的L10FePt可以制成FePt多层的形式，例如Cr/Pt/FePt。重稀土-过渡金属合金的示例包括TbCoFe和GdCoFe。
这些层(即自由层、被钉扎基准层，及其适当的各层)中的任何层或所有层，以及AFM钉扎层(如果有的话)可以是复合的双层或多层，包括紧挨着隧道阻挡层的除尘层(具有高自旋极化率)以及提供必要的垂直各向异性的另一子层。除尘层和子层通过交换耦合紧密地耦合在一起。
本公开的各种结构(例如存储器单元、存储器阵列，等等)可通过例如化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)、溅射沉积以及原子层沉积(ALD)等薄膜技术制成。
由此，公开了具有垂直各向异性的ST-RAM单元的实施例。上述实现方式以及其它实现方式在下面权利要求书的范围内。本领域技术人员将理解，本公开可用除所公开的实施例之外的实施例来实施。出于说明而非限制性的目的，给出了所公开的实施例，而本发明仅受限于下面的权利要求书。
在下面权利要求书中，使用例如“第一”、“第二”等数字标识是为了识别和提供在前基础。除非内容上明确表示相反情形，否则不应当认为数字标识意指这一数目的这类要素必需在设备、系统或装置中出现。例如，如果设备包括第一层，这并不意味着该设备中一定就要有第二层。

Claims (17)

1.一种在衬底上的磁性隧道结单元，所述磁性隧道结单元包括铁磁性自由层、第一被钉扎基准层和第二被钉扎基准层，每个前述层具有垂直于所述衬底的磁各向异性，所述自由层在所述第一被钉扎基准层和所述第二被钉扎基准层之间，并具有垂直于所述衬底的磁化方向且所述磁化方向可通过自旋转矩从第一方向切换至相反的第二方向，所述自由层的磁化耦合于所述第一被钉扎基准层和所述第二被钉扎基准层中的每一个。
2.如权利要求1所述的磁性隧道结单元，其特征在于，还包括：
位于所述自由层和第一被钉扎基准层之间的第一非磁性阻挡层；以及
位于所述自由层和第二被钉扎基准层之间的第二非磁性阻挡层。
3.如权利要求1或2所述的磁性隧道结单元，其特征在于，所述第一被钉扎基准层是非平衡的合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。
4.如权利要求1-3中任何一项所述的磁性隧道结单元，其特征在于，所述第二被钉扎基准层是非平衡的合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。
5.如权利要求1-4中任何一项所述的磁性隧道结单元，其特征在于，所述第一被钉扎基准层和所述第二被钉扎基准层中的每一个是非平衡的合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。
6.一种在衬底上的磁存储器单元，所述存储器单元包括：
具有磁各向异性且磁化垂直于所述衬底的铁磁性自由层，所述磁化可通过自旋转矩来切换；
具有磁各向异性且磁化被钉扎垂直于所述衬底的第一被钉扎基准层，所述第一被钉扎基准层位于所述衬底和所述自由层之间；
位于所述自由层和第一被钉扎基准层之间的第一非磁性阻挡层；
具有磁各向异性且磁化被钉扎垂直于所述衬底的第二被钉扎基准层，所述自由层位于所述第一被钉扎基准层和所述第二被钉扎基准层之间；以及
位于所述自由层和所述第二被钉扎基准层之间的第二非磁性阻挡层。
7.如权利要求6所述的存储器单元，其特征在于，所述第一被钉扎基准层是非平衡的合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。
8.如权利要求6或7所述的存储器单元，其特征在于，所述第二被钉扎基准层是非平衡的合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。
9.如权利要求6-8中任何一项所述的存储器单元，其特征在于，所述第一被钉扎基准层和所述第二被钉扎基准层中的每一个是非平衡的合成反铁磁性(SAF)耦合的结构。
10.如权利要求9所述的存储器单元，其特征在于，所述第一被钉扎基准层和所述第二被钉扎基准层是相同的。
11.如权利要求6-10中任何一项所述的存储器单元，其特征在于，还包括位于所述第一被钉扎基准层和所述衬底之间的第一反铁磁性材料(AFM)层。
12.如权利要求6-11中任何一项所述的存储器单元，其特征在于，还包括第二反铁磁性材料(AFM)层，所述第二被钉扎基准层位于所述第二AFM层和所述第二阻挡层之间。
13.如权利要求6-12中任何一项所述的存储器单元，其特征在于，还包括位于所述第一被钉扎基准层和所述衬底之间的第一反铁磁性材料(AFM)层、以及第二反铁磁性材料(AFM)层，所述第二被钉扎基准层位于所述第二AFM层和所述第二阻挡层之间。
14.如权利要求6-13中任何一项所述的存储器单元，其特征在于，所述第一被钉扎基准层和所述第二被钉扎基准层中的每一个是非平衡的合成反铁磁性(SAF)耦合结构，并且所述存储器单元还包括位于所述第一被钉扎基准层和所述衬底之间的第一反铁磁性材料(AFM)层、以及第二反铁磁性材料(AFM)层，所述第二被钉扎基准层位于所述第二AFM层和所述第二阻挡层之间。
15.如权利要求6-14中任何一项所述的存储器单元，其特征在于，所述自由层、第一被钉扎基准层和第二被钉扎基准层中的每一个具有一面积，其中所述第二被钉扎基准层的面积小于所述自由层的面积。
16.如权利要求15所述的存储器单元，其特征在于，所述自由层的面积小于所述第一被钉扎基准层的面积。
17.一种存储器阵列，其包括形成交叉点阵列的多条字线和多条位线，并且根据权利要求6-16所述的存储器单元位于所述阵列的交叉点上。
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