CN105355780B - 一种磁性元件、存储器系统及其写操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磁性元件、存储器系统及其写操作方法；磁性元件包括磁固定层、非磁性隔离层、磁自由层和覆盖层；非磁性隔离层设置于磁固定层与磁自由层之间；覆盖层连接磁自由层与外部半导体晶体管电路。磁性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。其垂直各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能。当写电流通过该磁性元件时，通过自旋扭矩传递效应，其磁性自由层可实现在平面方向的平行及反平行磁状态之间切换以达到磁存储的目的。

Description

一种磁性元件、存储器系统及其写操作方法
技术领域
本发明属于磁存储技术领域，更具体地，涉及一种磁性元件、存储器系统及其写操作方法。
背景技术
对自旋扭矩传递机制的初期阐明及其后的深入的物性研究为自旋扭矩传递和磁开关技术的发展和潜在的商业化应用奠定了的基础。其中一个应用方向就是自旋扭矩传递磁随机存取存储器(STT-MRAM)。从磁特性来讲，在取代传统的磁随机存取存储器(MRAM)的概念和流程方面，旋转扭矩转换开关技术具有革命性的意义。同时，该技术解决了基于传统磁场开关技术的MRAM存储器的难以扩展和不可持续的难点。自旋扭矩传递磁随机存取存储器的这一特性在半导体技术节点不断降低，数据记录密度快速增加的今天具有不言而喻的重要作用。从广义来看，该技术在半导体存储器领域有广阔的应用前景，作为一种通用存储器并在未来加以技术创新，它具有替代目前广泛使用的SRAM和DRAM技术的潜力。
根据定义，由自旋扭矩传递诱起磁自由层的磁化旋转所需的自旋极化电流与来自该层垂直于膜平面方向的退磁能和对应的垂直磁各向异性场(out of plane anisotropy)成正比关系。面内磁化的开关特性直接决定STT-MRAM的存储位单元(storage bit cell)的可写性(writeability)。降低开关电流密度Jc成为实现小尺寸CMOS适用技术，低功耗和高密度STT-MRAM的关键。同时，考虑磁性元件的热稳定性具有同样重要性。一般来说，它正比于磁化的面内各向异性(in-plane anisotropy)，通常被量化为热稳定系数KUV/KBT。它决定数据信息在STT-MRAM存储器内的保持期(data retention)。一般来说，KUV～60KBT被认为是保证数据信息的10年保持期的一个较好的器件工程设计。然而实际上，该参量或小于或大于标称值，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存储器正常运作。
在STT-MRAM技术中，磁隧道结(MTJ)是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开的两个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。隧道磁阻效应的增加有助于器件输出信号的增加和自旋扭矩传递效率的提高。在一个典型的结构配置中，第一铁磁层(磁自由层)的磁化可以在外加磁场中自由旋转，而第二铁磁层的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。
现有技术存在的技术问题在于：传统的磁随机存取存储器(MRAM)随着记录的高密度化，其要求的写入电流成指数速率增加。因此，基于传统磁场开关技术的MRAM存储器的具有难以扩展和不可持续的问题。这是难以克服的结构性问题。其次，就新型的自旋扭矩传递磁随机存取存储器(STT-MRAM)而言，其技术难点在于降低自旋扭矩传递开关电流或写入电流，而同时保持安定的热稳定性。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种磁性元件，其目的在于通过降低自旋扭矩传递切换电流来实现在大信号条件下存储器系统的高速和高记录密度。
本发明提供了一种磁性元件，用于连接半导体晶体管电路的连接部分；所述该磁性元件包括：磁固定层；非磁性隔离层；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，该磁性垂直各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔离层位于位于磁固定层和自由层之间；和覆盖层，用于连接所述磁自由层和所述连接部分；当写电流(write current)通过所述磁性元件时，该磁隧道结的构造使其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。
更进一步地，所述非磁性隔离层为隧穿势垒层；所述磁自由层和所述磁固定层中至少有一层包含多层膜结构。
更进一步地，所述磁自由层和所述固定层中，至少两者之一包含多层膜结构。
更进一步地，所述磁自由层还包括：具有多层膜构造的铁磁层；和至少一层覆盖层，数层的铁磁层与至少一层的中间层或覆盖层交错而成的多层铁磁层形成磁自由层的边缘界面，调节中间层或覆盖层结构使得多层铁磁层之间的磁耦合为铁磁或反铁磁耦合。
更进一步地，所述磁固定层还包括：具有多层膜构造的铁磁层；和至少一层覆盖层，数层的铁磁层与至少一层的中间层或覆盖层交错而成的多层铁磁层形成磁自由层的边缘界面，调节中间层或覆盖层结构使得多层铁磁层之间的磁耦合为反铁磁耦合。
更进一步地，所述磁自由层和所述磁固定层至少包括过渡金属Co，Fe，或Ni，或它们的二元(如钴铁，铁钴，NiFe)结晶合金，或三元(如CoFeNi)结晶合金，或由硼或其他非晶形成合金元素加入而形成的无定形非晶合金(如CoFeB，CoFe(Al，Si))。
更进一步地，所述磁自由层和所述磁固定层还包括磁性休斯勒合金(Heusleralloys)如Co2Mn(Al,Si)或Co2Fe(Al,Si)，或亚铁磁性合金如CoGd或TbFeCo。
更进一步地，所述中间层和覆盖层至少包括非磁性金属Ru，Rh，钽，钛，锆，铪，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg，Al，Si，或它们之间的合金，多层膜，氧化物或及氮氧化物。其中覆盖层用于将磁自由层与外部半导体晶体管电路连接。中间层用于在磁自由层中诱导或产生部分垂直磁各向异性。
本发明还提供了一种磁性元件，用于连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)；所述磁性元件包括：磁固定层，隧穿势垒层，包括MgO结晶层；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，该磁性垂直各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道势垒层位于位于磁固定层和自由层之间，以及覆盖层，用于连接所述磁自由层和所述连接部分(contact)；当写电流(write current)通过该磁性元件时，该磁隧道结的构造使其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磁性元件，用于连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)；所述磁性元件包括：磁固定层，隧穿势垒层，包括MgO结晶层；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，但是该磁性垂直各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道势垒层位于位于磁固定层和自由层之间；中间层，在磁自由层中诱导或产生部分垂直磁各向异性，与磁自由层和覆盖层相邻；以及覆盖层，用于连接中间层和所述连接部分(contact)；当写电流(write current)通过该磁性元件时，该磁隧道结的构造使其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。
更进一步地，所述中间层至少还包括非磁性金属Ru，Rh，钽，钛，锆，铪，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg，Al，Si，或它们之间的合金，多层膜，氧化物或及氮氧化物。
更进一步地，所述中间层至少还包括具有内在磁垂直磁各向异性的铁磁性层，磁性多层膜，氧化物或及氮氧化物。
更进一步地，所述磁自由层是非晶态CoFeB磁性合金层。
更进一步地，所述中间层还包括金属Ta或Ta/Ru的多层膜。
更进一步地，所述中间层为氧化镁(MgO)氧化层。
本发明提供了一种磁性元件，用于连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)；所述磁性元件包括：第一磁固定层；第一非磁性隔离层，它是隧穿势垒层包括MgO结晶层；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，该磁性垂直各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道势垒层位于位于磁固定层和自由层之间；第二非磁性隔离层；第二磁固定层；以及覆盖层，用于连接所述第二磁固定层和所述连接部分(contact)；当写电流(write current)通过该磁性元件时，该磁隧道结的构造使其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。
更进一步地，所述第二非磁性隔离层至少还包括非磁性金属Ru，Rh，钽，钛，锆，铪，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg，Al，Si，或它们之间的合金，多层膜，氧化物或及氮氧化物。
更进一步地，至少所述磁自由层和所述磁固定层之一为多层膜。
更进一步地，至少其两磁固定层之一还是铁磁层与至少一层中间层交错形成的具有反铁磁耦合的磁多层膜。
更进一步地，所述第二非磁性隔离层为隧穿势垒层。
更进一步地，所述第一磁固定层还包括：具有多层膜构造的铁磁层；和至少一层中间层，铁磁层与至少一层中间层交错形成的具有反铁磁耦合的磁多层膜。
更进一步地，所述第一磁固定层是多层铁磁层与至少一层或基数层中间层交错形成的具有反铁磁耦合的磁多层膜；所述第二磁固定层是单层的铁磁层或是多层铁磁层与至少二层或偶数层中间层交错形成的具有反铁磁耦合的磁多层膜；在所述的磁固定层中，与磁自由层的相邻两铁磁子层的磁化是处于反平行排列。
更进一步地，所述第一磁固定层是多层铁磁层与至少二层或偶数层中间层交错形成的具有反铁磁耦合的磁多层膜；所述第二磁固定层是单层的铁磁层或是多层铁磁层与至少一层或基数层中间层交错形成的具有反铁磁耦合的磁多层膜；在所述的磁固定层中，与磁自由层的相邻两铁磁子层的磁化是处于平行排列。
本发明还提供了一种磁存储器，包括多个磁性存储位单元，多条字线(wordlines)以连接耦合多个磁存储位单元，和多条位线(bit lines)以连接耦合多个磁存储位单元；每个磁性存储位单元包括至少一个磁性元件和多个与连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)；其特征在于，每个或至少一个磁性元件由磁固定层，磁自由层，磁固定层和自由层之间的非磁性隔离层和覆盖层构成，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，该磁性垂直各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔离层位于磁固定层和磁自由层之间，覆盖层邻接自由层和连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)，当写电流(write current)通过该磁性元件时，它的构造使其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。
更进一步地，所述每个磁存储位单元都包括至少一个半导体晶体管，该晶体管通过电路连接到所述的磁性元件。
更进一步地，所述构成所述磁性元件的非磁性隔离层的隧穿势垒层。
更进一步地，所述构成所述磁性元件的磁自由层和覆盖层之间还包括非磁性中间层，并以此在磁自由层内产生部分垂直磁各向异性，该磁性垂直各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能。
本发明还提供了一种制备上述的磁性元件的方法，包括下述步骤：提供磁固定层；提供非磁性隔离层；提供磁自由层，它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低于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔离层位于磁固定层和磁自由层之间；和提供覆盖层，它用于连接所述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(write current)通过该磁性元件时，它的构造使其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存储器系统的写操作方法，包括下述步骤：
当在磁性存储位单元中写入“0”时，加在位线BL上的写电压为正VDD，源线SL接地；字线WL在VDD电压下被激活，第一写入电流IW0经位线通过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，从固定层流向自由层；由于自旋扭矩传递效应，磁自由层的磁化切换到与固定层磁化相平行的状态；
当在磁性存储位单元中写入“1”时，位线BL被选择性接地，而正VDD的写电压加在源线SL上，第二写入电流IW1与第一写入电流IW0的方向相反。由于栅源极偏压VGS是VWL–VMTJ；从半导体晶体管流过的电流或小于写“0”操作电流。
本发明通过改变磁性元件中各层材质使得写电流减小，通过降低自旋扭矩传递切换电流来实现在大信号条件下存储器系统的高速和高记录密度。解决了传统的磁随机存取存储器(MRAM)具有难以扩展和不可持续的问题。其次，通过磁性器件的优化设计，提出新的存储位单元中的磁隧道结(MTJ)结构以降低退磁场因子的影响和提升自旋扭矩传递效率，从而解决磁随机存取存储器(STT-MRAM)的技术难点。降低自旋扭矩传递开关电流或写入电流，而同时保持磁随机存取存储器安定的热稳定性。
附图说明
图1示出了本发明实施例提供的STT-MRAM的存储位单元，(a)为MTJ磁性元件的结构，(b)为磁性开关状态下磁化形态配置。其中，MTJ为磁隧道结，PL表示磁固定层，SP表示隔离层，FL表示磁自由层，M1和M2表示磁固定层和磁自由层的面内磁化强度，θ表示部分垂直各向异性引起的面内磁化的倾角；BL表示位线，SL表示源线，WL表示字线，CMOS为半导体晶体管，Iw0，Iw1表示不同方向的写电流。
图2示出了本发明实施例提供的STT-MRAM的存储位单元中的MTJ磁性元件设计。它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，Ms表示磁自由层的面内饱和磁化强度，Hk表示磁自由层的磁各向异性场；Thermal factor表示热稳定系数，HPNMOS为高性能半导体晶体管，磁自由层，LPO NMOS为低功率半导体晶体管。
图3示出了本发明实施例提供的STT-MRAM的存储位单元中的MTJ磁性元件设计。该类型的MTJ磁性元件具有部分磁垂直各向异性。该设计使它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，Ms表示磁自由层的面内磁化强度，Hk表示磁自由层的磁各向异性场；Thermal factor表示热稳定系数，HP NMOS为高性能半导体晶体管，磁自由层，LPO NMOS为低功率半导体晶体管。
图4示出了本发明实施例提供的STT-MRAM的存储位单元中的MTJ磁性元件一个实施例。该MTJ磁性元件具有下层(如图(a))或上层(如图(b))固定的自旋阀结构(spinvalve)。其中，PL表示磁固定层，Spacer Layer表示隔离层，FL表示磁自由层，M1和M2分别表示磁固定层和磁自由层的面内磁化强度，θ表示部分垂直各向异性引起的面内磁化的倾角。
图5示出了本发明实施例提供的STT-MRAM的存储位单元中的MTJ磁性元件另一实施例。该MTJ磁性元件具有下层固定的自旋阀结构(spin valve)。其磁自由层具有界面诱导磁垂直各向异性。其中，PL表示磁固定层，Spacer Layer表示隔离层，FL表示磁自由层，Intermediate Layer表示中间层，Cap Layer表示覆盖层，M1和M2表示磁固定层和磁自由层的面内磁化强度，θ表示部分垂直各向异性引起的面内磁化的倾角。
图6示出了本发明实施例提供的STT-MRAM的存储位单元中的MTJ磁性元件另一实施例。该MTJ磁性元件具有下层固定的自旋阀结构(spin valve)。其磁自由层具有反铁磁耦合结构以增强磁性元件的热稳定性。其中，PL表示磁固定层，Spacer Layer表示隔离层，FL和FL’表示磁自由层的两磁性子层，Intermediate Layer表示其中间层，M1表示磁固定层的面内磁化，M2和M2’表示磁自由层的两磁性子层的面内磁化强度，θ和θ’表示部分垂直各向异性引起的面内磁化的倾角。
图7示出了本发明实施例提供的STT-MRAM的存储位单元中的MTJ磁性元件另一实施例。该MTJ磁性元件具有双固定层，即同时具有上下层固定的自旋阀结构(spin valve)。其中任一固定层还可由磁多层膜构成。在该上下固定层中，通过非磁性间隔层或穿隧绝缘层与磁自由层直接相邻的磁性固定子层(sublayer)根据需要可设置为平行或反平行排列结构。其中，PL和PL’表示双磁固定层，FL表示磁自由层，Spacer Layer1和Spacer Layer 2表示双隔离层，M1和M1’表示双磁固定层的面内磁化强度，M2表示磁自由层的面内磁化强度，θ表示部分垂直各向异性引起的面内磁化的倾角。
图8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(source line)(如图(a))和源线共享(如图(b))的排列结构。其中，MTJ为磁隧道结，CMOS为半导体晶体管，BL表示位线，SL表示源线，WL表示字线。
图9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)。它包括用于读操作的参考列(reference column)。其中，MTJ为磁隧道结，CMOS为半导体晶体管。与存储阵列通过位线(bit lines)，源线和字线(word line)与诸如写驱动器(write drive)，字线行解码器(word line row decoder)，位线列解码器(bitline column decoder)和检测放大器(sense amplifier)等外围电路联接并集成建成内存架构。
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。
本发明利用磁性自旋阀的面内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。并提供该磁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。
本发明实施例提供了具有面内磁化(层)的磁性元件的结构，其磁化层或局部结构仍可具有部分磁垂直各向异性(partial perpendicular anisotropy)。该垂直各向异性部分来自于磁性/非磁性界面结构或应力效应，以及局域超晶格结构所产生的内在垂直各向异性。利用自旋扭矩传递效应的磁隧道结或磁性元件可应用于下一代MRAM或STT-MRAM存储器，并提供一个革新性的存储器系统写入方案。本发明示出了相关磁性元件和存储器系统集成的方法及系统。以降低自旋扭矩传递切换电流和实现在大信号条件下存储器系统的高速和高记录密度。
本发明实施例提供的STT-MRAM存储位单元结构如图1所示，本发明提供的存储单元基于1T-1MTJ配置。每个存储位单元都由一个磁隧道结(MTJ)，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。其位线和源线与双极写脉冲发生器(bipolar write pulse generator)或读偏置发生器(read biasgenerator)连接。
存储位单元中的磁隧道结(MTJ)包括磁固定层(PL)，磁自由层(FL)及隔离前两者的非磁性隔离层(SP)或薄膜绝缘层组成。磁自由层的磁化可自由旋转并可以由自旋扭矩传递效应实现方向切换或开关。与现有技术中采用磁场开关实现磁化方向切换不同的是，本发明采用自旋电流实现磁自由层磁化方向切换，利用自旋扭矩传递效应实现方向切换或开关。操作程序上完全不同。
虽然磁隧道结的自旋阀结构在宏观上具有面内磁各向异性，但并不排除在部分或局部磁性层以及界面产生的诱发垂直磁各向异性。其来源于磁性层的超晶格构造而引起的界面应力效应或其内在的垂直各向异性。作为对系统中产生的部分垂直各向异性的应答，磁自由层或磁固定层的磁化可以在一定程度上具有垂直于膜平面方向的垂直分量，面内磁垂直各向异性仍占主流。
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，从固定层流向自由层。由于自旋扭矩传递效应，磁自由层的磁化切换到与固定层磁化相平行的状态。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。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。
本发明实施例提供的STT-MRAM存储位单元中的磁性元MTJ的结构，如图1和图2所示，MTJ磁隧道结的设计取决于磁自由层的材料物性及磁性质，半导体晶体管的技术节点，STT-MRAM存储器的存储密度，应用方向及使用条件等。热稳定系数(thermal stabilityfactor)的等值线图显示它与磁自由层的面内各向异性场，Hk，和磁化，MS，的内在关系。面内各向异性场是利用磁隧道结元件的磁形状各向异性，硬磁材料的矫顽力场或反铁磁性物质的交换场偏置(exchange bias)。而图中的特征线反映了在自旋扭矩传递效应下磁自由层的磁化切换及元件的特征和性能。磁自由层的退磁能(场)，垂直磁各向异性场，阻尼行为，以及MTJ磁隧道结的自旋极化和元件的热稳定性要求决定了特征线的趋式。在此情况下，热稳定系数等值线及切换特征线的交叉对应着磁隧道结元件的写操作条件及范围(Hki，Msi；i＝1，2，3，4……)。
如图2所示，如果采用高性能NMOS用于存储位单元中的磁隧道结元件和STT-MRAM存储器架构之间的连接，随着热稳定性要求的提高，磁隧道结的设计工作点从(Hk1，MS1)转移到(Hk2，MS2)，并且Hk1<Hk2和Ms1～Ms2。通常，热稳定性的要求的提高则要求更大的面内各向异性场。同时，磁隧道结元件的写操作工作点或操作范围也取决于半导体晶体管CMOS所能提供的写电流。当使用低功率(LPO)晶体管NMOS时，写操作设计工作点从(Hk1，Ms1；HPNMOS)转变到(Hk3，Ms3；LPO NMOS)，或从(Hk2，Ms2；HP NMOS)转变到(Hk4，Ms4；LPO NMOS)，其中Hk1<Hk3和Ms1>Ms3，Hk2<Hk4和Ms2>Ms4。对于磁隧道结元件而言，这意味着采用低磁自由层磁化MS和高面内各向异性场的设计指标可以兼顾它的热稳定性和自旋扭矩传递效应产生的开关特性。
如图1，图3和图5所示，本发明实施例还提供了使用于STT-MRAM存储位单元内的MTJ磁隧道结的元件结构设计。其中MTJ磁隧道结元件具有诱导型磁垂直各向异性。与图2相似，写操作设计工作点(Hk4，Ms4)和(Hk3，Ms3)代表无诱导磁垂直各向异性存在的情况。而这两个设计工作点分别对应于为高，低热稳定性的两种不同要求。在使用高性能(HP)晶体管NMOS的情况下，如果相当于的退磁磁场2πMS的20％大小的部分垂直各向异性场被诱起，工作点便从(Hk4，Ms4)调降到(Hk2，Ms2)，或从(Hk3，Ms3)调降到(Hk1，Ms1)，其中Hk4>Hk2和Ms4<Ms2；Hk3>Hk1和Ms3<Ms1。由于部分磁垂直各向异性场Han⊥<<2πMs，自由层的磁化仍位于在膜面内，但是由于共生部分Han⊥的存在、对于同样的热稳定性所要求的面内各向异性场却有很大的降低。同时，STT-MRAM存储位单元的写操作开关电流可保持在较低的水平。
如图1和图4所示，本发明实施例提供使用在STT-MRAM存储位单元中的MTJ磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由磁固定层(PL)，磁自由层(FL)及隔离前两者的非磁性隔离层(SP)或薄膜绝缘层构成。磁自由层或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低于垂直于膜平面方向的退磁能。薄膜绝缘层或隧穿势垒层(tunneling barrier)位于磁固定层和自由层之间。磁隧道结的覆盖层(和位于磁隧道结底部的籽晶层(seedlayer)一样在图中未示出)邻接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(write current)通过该磁性元件时，它的构造使其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。当磁自由层通过自旋扭矩传递效切换或开关时，磁固定层的磁化是固定不动的。因此，磁固定层和自由层之间的磁性状态可以是它们的磁化的平行(低电阻)或反平行(高电阻)状态。由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，并以非易失性方式记录存储数据信息。
该磁隧道结的磁自由层和固定层可为单层或多层结构以优化器件性能，调节薄膜成长过程中的复杂性和构建所需的薄膜织构。磁自由层或固定层的磁多层膜可以是本身的铁磁性子层(magnetic sublayer)由不同的铁磁性材料以铁磁性耦合而成的多层结构。也可以是本身的铁磁性子层(magnetic sublayer)由不同的非磁性材料以铁磁性或反铁磁性耦合而成的多层结构。其中，一种典型的情况是两铁磁性子层通过Ru或Cr非磁性薄膜中间层产生的反铁磁性耦合。具有反铁磁耦合作用的合成磁自由层和固定层均采用该种结构；具体地：以铁磁性或反铁磁性耦合而成的合成磁自由层或固定层可以是CoFe/Ru/CoFe或Fe/Cr/Fe反铁磁性耦合多层膜；以铁磁性或反铁磁性耦合而成的合成磁自由层还可以是CoFe/Ru/CoFeCoFeB/Ru/CoFeB，CoFeB/CoFe/Ru/CoFe/CoFeB其中之一。其中，合成磁自由层由磁性子层及非磁性材料子层的多层膜制成。它有利于建立磁单畴的多层膜结构，提高磁固定层的钉扎强度，或减低作用于磁自由层的偏移外场。
在本发明实施例中，磁自由层，固定层或它们的磁性子层可以由过渡族金属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)；具体地，过渡族金属的二元合金可以为Co(1-x)Fe(x)其中，0.05<＝x<＝0.8；或Ni(1-x)Fe(x)其中，0.05<＝x<＝0.8。过渡族金属的三元合金可以为Co(1-x-y)Ni(y)Fe(x)其中，0.05<＝x<＝0.2和0.05<＝y<＝0.3；或Ni(1-x-y)Co(y)Fe(x)其中，0.05<＝x<＝0.2和0.05<＝y<＝0.7。磁性非晶合金可以为(Co(1-y)Fe(y))(1-x)B(x)其中，0.05<＝x<＝0.5和0.05<＝y<＝0.8。
在本发明实施例中，磁自由层，固定层或它们的磁性子层也可以是铁磁性Heusler合金(如Co2Mn(Al，Si)和Co2Fe(Al，Si)(Al，Si))，或亚铁磁性合金(ferrimagneticalloys)(如CoGd或TbFeCo亚铁磁性合金)，或由超过一种以上的上述非磁性材料构成的多层结构，或它们而形成的氧化物或氮化物。
其中，所使用的非磁性材料可以是Ru，Rh，钽，钛，锆，铪，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg，Al，或它们之间的二元或多元合金。其中，非磁性材料的二元合金可以为Ta(1-x)Ru(x)其中，0.05<＝x<＝0.4；或Cr(1-x)Ru(x)其中，0.05<＝x<＝0.4。其中，非磁性材料的氧化物可为CuOx，TaOx，TiOx，MgOx，AlOx其中之一或者它们之间的化合物。
在本发明实施例中，该磁隧道结的反铁磁层(如PtMn和IrMn；图中未显示)用于固定磁固定层。
在本发明实施例中，该磁隧道结的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晶体氧化层，或由元素Al，Ti，Ta，Hf和Zr所形成的非晶氧化层。它也可以是这些元素的氮氧化物层，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。取根据器件设计和可靠性要求，该磁隧道结的电阻面积之积(RA)可在个位到两位数的Ωμm2范围内调节变化。并在磁固定层/隧穿势垒层以及隧穿势垒层/磁自由层之间的界面结构进行工艺/工程优化设计以最大限度地提高器件的稳定性，自旋极化和TMR以保证STT-MRAM存储器有足够的读/写操作余量(operation margin)。
如图4(图(b))所示，若磁固定层将位于磁隧道结多层膜的顶部，则固定磁固定层的反铁磁层如PtMn，IrMn(图中未显示)应处于固定磁固定层之上。在某些情况下，为了形成磁自由层特定的生长织构，或应对成膜的复杂性，常使用顶部磁固定层。例如，在具有上，下部双磁固定层的磁隧道结或在双隧穿势垒层(double barrier)的磁隧道结多层膜中，其上部固定磁固定层便使用顶部磁固定层(参阅图7)。
如图5所示，本发明提供下述使用在STT-MRAM存储位单元中的MTJ磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由磁固定层(PL)，磁自由层(FL)及隔离前两者的非磁性隔离层(SP)或薄膜绝缘层构成。磁自由层或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低于垂直于膜平面方向的退磁能。薄膜绝缘层或隧穿势垒层(tunneling barrier)位于磁固定层和自由层之间。此外，另一中间层(intermediate layer)位与自由层和磁隧道结的覆盖层(和位于磁隧道结底部的籽晶层(seedlayer)一样在图中未示出)之间。同时，该覆盖层邻接此中间层和连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)。当写电流(write current)通过该磁性元件时，它的构造使其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。
该中间层用于诱导磁自由层的界面磁垂直各向异性，以降低磁隧道结的垂直于膜平面方向的有效退磁能。进而降低磁隧道结元件的写操作开关电流。该中间层可以是Ru，Rh，钽，钛，锆，铪，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg，Al，或它们的多层膜，合金，氧化物或氮氧化物。或氮化物。在利用金属性中间层的优选实施例中，磁隧道结元件的顶层结构为MgO(SP)/CoFeB(FL)/(Ta/Ru，中间层)/覆盖层。而在使用氧化物中间层的优选实施例中，磁隧道结元件的顶层结构为MgO(SP)/CoFeB(FL)/(MgO，中间层)/覆盖层。由此，磁自由层的自旋泵浦效应(spin pumping effect)被抑制，有助于减少磁隧道结元件的有效阻尼常数(effectivedamping constant)。此外，中间层也可以是具有内在磁垂直各向异性的磁性单层或多层膜。它还可以以结晶(或非晶)金属膜，氧化物或氮氧化物的形式存在。对中间层的膜材料及膜结构进行优化，以减少磁隧道结元件的写操作开关电流，并提高STT-MRAM存储器的存储密度。
如图6所示，本发明提供下述使用在STT-MRAM存储位单元中的MTJ磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由磁固定层(PL)，磁自由层(FL)及隔离前两者的非磁性隔离层(SP)或薄膜绝缘层构成。磁自由层或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低于垂直于膜平面方向的退磁能。薄膜绝缘层或隧穿势垒层(tunneling barrier)位于磁固定层和磁自由层之间。磁自由层由两个磁性子层构成，并通过非磁性中间层进行层间耦合合成为具有反铁磁性耦合结构的耦合层。磁隧道结的覆盖层(和位于磁隧道结底部的籽晶层(seedlayer)一样在图中未示出)邻接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(write current)通过该磁性元件时，它的构造使其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。
反铁磁耦合的磁自由层可增强面内各向异性场以增加该磁性元件的热稳定性，以降低写操作电流的分布和误比特率(bit error ratio)。它的中间层可以是Ru，Rh，Cr，Ti，Zr，Hf，Ta，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Mg，Al，或它们的合金。其材料和(多层)膜结构的优化可改善STT-MRAM存储器的写操作性能。
如图7所示，本发明提供的使用在STT-MRAM存储位单元中的双钉扎MTJ磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由第一磁固定层(PL1)，第一非磁性隔离层或薄膜绝缘层(SP1)，磁自由层(FL)，第二非磁性隔离层或薄膜绝缘层(SP2)，第二磁固定层(PL2)构成。磁自由层或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低于垂直于膜平面方向的退磁能。第一薄膜绝缘层或隧穿势垒层(tunneling barrier)位于第一磁固定层和磁自由层之间；第二薄膜绝缘层或隧穿势垒层(tunneling barrier)位于第二磁固定层和磁自由层之间。磁隧道结的覆盖层(和位于磁隧道结底部的籽晶层(seedlayer)一样在图中未示出)邻接第二磁固定层和连接半导体晶体管电路的连接部分(contact)。当写电流(write current)通过该磁性元件时，它的构造使其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。
双钉扎磁隧道结MTJ元件可用于器件性能的改善或多比特(multi-level bit)器件设计。其中位于磁自由层两侧的第一磁固定层及第二磁固定层的(子铁磁层的)磁化可以设定为平行或反平行构型。两磁固定层分别可以是由相关磁性材料组成的磁性单层或多层膜。他们可以具有由中间层或层间耦合层耦合的，由两个磁性子层合成的反铁磁性耦合结构。在其中一种优选实施例中，两磁固定层之一具有反铁磁性耦合结构。但是另一磁固定层为磁性单层膜结构(或具有基数层磁性子层构成的反铁磁性耦合多层膜结构)。邻近磁自由层两侧，两磁固定层的子铁磁层的磁化成反平行磁化排列。在两磁固定层的磁化成反平行磁化的优选实施例中，有效自旋扭矩传递的效率将增加一倍，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。在另一种优选实施例中，两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(operation margin)。
此外，双钉扎磁隧道结MTJ元件的第二隔离层(SP2)可以是金属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。该磁性元件的内部多层结构需要进行优化，以减少写开关电流及其分布，和由多层磁固定层所引起的偏置场效应和对元件性能最优化的影响。
本发明提供了STT-MRAM存储单元阵列和架构(cell array and architecture)；如图8和9所示，本发明提供MTJ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8中所显示的是具有源线独立(图(a))和源线共享(图(b))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9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(block of memory architecture)。它包括字线行解码器(word line row decoder)位线列解码器(bit line column decoder)，写驱动器(write drive)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MTJ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)随着半导体工业的技术节点(technology node)的减小，STT-MRAM存储器具有良好的可扩展性(scalability)，所需的写操作开关电流随着CMOS工艺技术节点的减少而降低，适合在高密度数据存储和记忆中的应用。
(2)在待机的情况下，STT-MRAM存储器保留数据和所需要的信息无须使用电源。记录的数据信息可保持可10年以上。与DRAM和SRAM的应用相反，属非挥发性存储器及应用。
(3)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。
其中，本发明的低功耗具有两方面的含义：其一，相较于以DRAM(须即时充电)和SRAM(较大的半导体的漏电流)为代表的挥发性半导体存储器须消耗大量的功耗以保持记录的数据信息。其二，相较于使用磁场写入原理的MRAM存储器。后者的功耗随产生磁场的写电流的增加而急剧上升，属于高功耗存储器。相应于STT-MRAM存储器，它的非挥发性，高密度/低写电流，和纳秒级的高速读/写功能奠定了它作为低功耗存储器应用的基础。
(4)具有高速读/写功能。写操作可以在短至几纳秒(nano-seconds)内完成。适合于使用在SRAM中起主要作用的应用领域，诸如高速缓冲存储器和在SOC领域的应用。
本发明采用的优化设计使存储器元件具有良好的热稳定性及具有高速读/写功能。其写操作的速度实际上决定于磁性元件内的磁自由层的自旋扭矩传递周期的优异切换或开关时间。在自旋进动开关(precessional switching)领域，该开关时间tp与写操作电流以Ln(π/2θ)/(J-J0)形式成反比例关系，并具有纳秒级的单位。这里，J和J0分别为写操作电流密度和其自旋扭矩传递周期切换阀值电流密度。由此可见，适当调控写操作电流，使可以写操作在短至数纳秒内完成，以实现其高速读/写功能。同时，在这里读操作高速化并无大的障碍。
(5)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。
(6)良好的数据信息保持期(data retention)和写周期的优异耐久性(endurance)。按一般设计，记录的数据信息可保持长达10年之久。耐久性可高达1016写周期。
本发明采用的优化设计使存储器元件具有良好的热稳定性；它保证数据信息保持期。而且，根据调节磁自由层的设计参数和工艺，热稳定性是可调的。写周期的耐久性取决于MTJ磁隧道结元件的薄膜绝缘层或隧穿势垒层的安定性。按设计指标应能达到1016写周期。
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。

Claims (17)

1.一种磁性元件，用于连接半导体晶体管电路的连接部分；其特征在于，所述磁性元件包括：
磁固定层；
非磁性隔离层；
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，该对应于磁性垂直各向异性的各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔离层位于磁固定层和磁自由层之间；和
覆盖层，用于连接所述磁自由层和所述连接部分；
当写电流通过所述磁性元件时，它的构造使其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；
所述磁自由层和所述磁固定层中，至少两者之一包含多层膜结构；
其中，当磁自由层为多层膜结构时，所述磁自由层的铁磁层为多层膜结构，且还包括
至少一层覆盖层，数层的铁磁层与至少一层的中间层或覆盖层交错而成的多层铁磁层形成磁自由层的边缘界面，调节中间层或覆盖层结构使得多层铁磁层之间的磁耦合为铁磁或反铁磁耦合；
当磁固定层为多层膜结构时，所述磁固定层的铁磁层为多层膜结构，且还包括
至少一层覆盖层，数层的铁磁层与至少一层的中间层或覆盖层交错而成的多层铁磁层形成磁固定层的边缘界面，调节中间层或覆盖层结构使得多层铁磁层之间的磁耦合为反铁磁耦合；
所述磁自由层和所述磁固定层至少包括过渡金属Co，Fe，或Ni，或它们的二元结晶合金，或三元结晶合金，或由硼或其他非晶形成合金元素加入而形成的无定形非晶合金；
所述中间层和覆盖层至少包括非磁性金属Ru，Rh，钽，钛，锆，铪，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg，Al，Si，或它们之间的合金，或它们的多层膜，或它们的氧化物或它们的氮氧化物。
2.如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，所述非磁性隔离层为隧穿势垒层。
3.如权利要求1或2所述的磁性元件，其特征在于，所述磁自由层和所述磁固定层还包括磁性休斯勒合金或亚铁磁性合金。
4.一种磁性元件，用于连接半导体晶体管电路的连接部分；其特征在于，所述磁性元件包括：
磁固定层，
隧穿势垒层，包括MgO结晶层；
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，该对应于磁性垂直各向异性的各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道势垒层位于磁固定层和磁自由层之间，以及
覆盖层，用于连接所述磁自由层和所述连接部分；
当写电流通过该磁性元件时，它的构造使其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；
所述磁自由层和所述磁固定层中，至少两者之一包含多层膜结构；
其中，当磁自由层为多层膜结构时，所述磁自由层的铁磁层为多层膜结构，且还包括
至少一层覆盖层，数层的铁磁层与至少一层的中间层或覆盖层交错而成的多层铁磁层形成磁自由层的边缘界面，调节中间层或覆盖层结构使得多层铁磁层之间的磁耦合为铁磁或反铁磁耦合；
当磁固定层为多层膜结构时，所述磁固定层的铁磁层为多层膜结构，且还包括
至少一层覆盖层，数层的铁磁层与至少一层的中间层或覆盖层交错而成的多层铁磁层形成磁固定层的边缘界面，调节中间层或覆盖层结构使得多层铁磁层之间的磁耦合为反铁磁耦合；
所述磁自由层和所述磁固定层至少包括过渡金属Co，Fe，或Ni，或它们的二元结晶合金，或三元结晶合金，或由硼或其他非晶形成合金元素加入而形成的无定形非晶合金；
所述中间层和覆盖层至少包括非磁性金属Ru，Rh，钽，钛，锆，铪，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg，Al，Si，或它们之间的合金，或它们的多层膜，或它们的氧化物或它们的氮氧化物。
5.一种磁性元件，用于连接半导体晶体管电路的连接部分；其特征在于，所述磁性元件包括：
磁固定层，
隧穿势垒层，包括MgO结晶层；
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，但是该对应于磁性垂直各向异性的各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道势垒层位于磁固定层和磁自由层之间；
中间层，在磁自由层中诱导或产生部分垂直磁各向异性，与磁自由层和覆盖层相邻；以及
覆盖层，用于连接中间层和所述连接部分；
当写电流通过该磁性元件时，它的构造使其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；
所述磁自由层和所述磁固定层中，至少两者之一包含多层膜结构；
其中，当磁自由层为多层膜结构时，所述磁自由层的铁磁层为多层膜结构，且还包括
至少一层覆盖层，数层的铁磁层与至少一层的中间层或覆盖层交错而成的多层铁磁层形成磁自由层的边缘界面，调节中间层或覆盖层结构使得多层铁磁层之间的磁耦合为铁磁或反铁磁耦合；
当磁固定层为多层膜结构时，所述磁固定层的铁磁层为多层膜结构，且还包括
至少一层覆盖层，数层的铁磁层与至少一层的中间层或覆盖层交错而成的多层铁磁层形成磁固定层的边缘界面，调节中间层或覆盖层结构使得多层铁磁层之间的磁耦合为反铁磁耦合；
所述磁自由层和所述磁固定层至少包括过渡金属Co，Fe，或Ni，或它们的二元结晶合金，或三元结晶合金，或由硼或其他非晶形成合金元素加入而形成的无定形非晶合金；
所述中间层和覆盖层至少包括非磁性金属Ru，Rh，钽，钛，锆，铪，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg，Al，Si，或它们之间的合金，或它们的多层膜，或它们的氧化物或它们的氮氧化物。
6.如权利要求5所述的磁性元件，其特征在于，所述中间层至少还包括具有内在磁垂直各向异性的铁磁性层，磁性多层膜，氧化物或氮氧化物。
7.如权利要求5所述的磁性元件，其特征在于，所述磁自由层是非晶态CoFeB磁性合金层。
8.如权利要求7所述的磁性元件，其特征在于，所述中间层还包括金属Ta或Ta/Ru的多层膜。
9.如权利要求7所述的磁性元件，其特征在于，所述中间层为氧化镁氧化层。
10.一种磁性元件，用于连接半导体晶体管电路的连接部分；其特征在于，所述磁性元件包括：
第一磁固定层；
第一非磁性隔离层，它是隧穿势垒层包括MgO结晶层；
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，该对应于磁性垂直各向异性的各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道势垒层位于第一磁固定层和磁自由层之间；
第二非磁性隔离层；
第二磁固定层；以及
覆盖层，用于连接所述第二磁固定层和所述连接部分；
当写电流通过该磁性元件时，它的构造使其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；
所述磁自由层和所述第一磁固定层、第二磁固定层中，至少有一个包含多层膜结构；
其中，当磁自由层为多层膜结构时，所述磁自由层的铁磁层为多层膜结构，且还包括
至少一层覆盖层，数层的铁磁层与至少一层的中间层或覆盖层交错而成的多层铁磁层形成磁自由层的边缘界面，调节中间层或覆盖层结构使得多层铁磁层之间的磁耦合为铁磁或反铁磁耦合；
当第一磁固定层和/或第二磁固定层为多层膜结构时，所述第一磁固定层和/或第二磁固定层的铁磁层为多层膜结构，且还包括
至少一层覆盖层，数层的铁磁层与至少一层的中间层或覆盖层交错而成的多层铁磁层形成第一磁固定层和/或第二磁固定层的边缘界面，调节中间层或覆盖层结构使得多层铁磁层之间的磁耦合为反铁磁耦合；
所述磁自由层和所述第一磁固定层、第二磁固定层至少包括过渡金属Co，Fe，或Ni，或它们的二元结晶合金，或三元结晶合金，或由硼或其他非晶形成合金元素加入而形成的无定形非晶合金；
所述中间层和覆盖层至少包括非磁性金属Ru，Rh，钽，钛，锆，铪，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg，Al，Si，或它们之间的合金，或它们的多层膜，或它们的氧化物或它们的氮氧化物。
11.如权利要求10所述的磁性元件，其特征在于，所述第二非磁性隔离层为隧穿势垒层。
12.如权利要求10所述的磁性元件，其特征在于，所述第一磁固定层是多层铁磁层与至少一层的奇数层中间层交错形成的具有反铁磁耦合的磁多层膜；所述第二磁固定层是单层的铁磁层或是多层铁磁层与至少二层的偶数层中间层交错形成的具有反铁磁耦合的磁多层膜；
在所述第一磁固定层和第二磁固定层中，与磁自由层相邻的两铁磁子层的磁化是处于反平行排列。
13.如权利要求10所述的磁性元件，其特征在于，所述第一磁固定层是多层铁磁层与至少二层的偶数层中间层交错形成的具有反铁磁耦合的磁多层膜；所述第二磁固定层是单层的铁磁层或是多层铁磁层与至少一层的奇数层中间层交错形成的具有反铁磁耦合的磁多层膜；
在所述第一磁固定层和第二磁固定层中，与磁自由层相邻的两铁磁子层的磁化是处于平行排列。
14.一种磁存储器，包括多个磁性存储位单元，多条字线以连接耦合多个磁存储位单元，和多条位线以连接耦合多个磁存储位单元；其特征在于，每个磁性存储位单元包括至少一个权利要求1～13任一项所述的磁性元件和多个用于连接半导体晶体管电路的连接部分。
15.如权利要求14所述的磁存储器，其特征在于，所述每个磁存储位单元都包括至少一个半导体晶体管，该晶体管通过电路连接到所述的磁性元件。
16.如权利要求14所述的磁存储器，其特征在于，构成所述磁性元件的磁自由层和覆盖层之间还包括非磁性中间层，并以此在磁自由层内产生部分磁性垂直各向异性能，该磁性垂直各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能。
17.一种制备权利要求1-13任一项所述的磁性元件的方法，其特征在于，包括下述步骤：
提供权利要求1-9任一项所述的磁固定层，或权利要求10-13任一项所述的第一磁固定层和第二磁固定层；
提供权利要求1～3任一项所述的非磁性隔离层，或权利要求4～9任一项所述的隧穿势垒层，或权利要求10～13任一项所述的第一非磁性隔离层和第二非磁性隔离层；
提供磁自由层，它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，该对应于磁性垂直各向异性的各向异性能低于垂直于膜平面方向的退磁能；和
提供覆盖层。
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