CN105957961A - 一种垂直各向异性磁性元件、制备方法及磁存储器 - Google Patents

一种垂直各向异性磁性元件、制备方法及磁存储器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种垂直各向异性磁性元件、制备方法及磁存储器；使用在磁性器件中的该磁性元件将联接半导体集成电路构成存储位单元。该磁性元件的垂直各向异性磁性固定层，非磁性间隔层和垂直各向异性磁性自由层的结构。其中非磁性间隔层位于垂直各向异性磁性固定层和自由层之间。垂直各向异性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。其垂直各向异性能大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，其垂直各向异性磁性自由层可实现在垂直于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

一种垂直各向异性磁性元件、制备方法及磁存储器
技术领域
本发明属于磁存储技术领域，更具体地，涉及一种垂直各向异性磁性元件、制备方法及磁存储器。
背景技术
以自旋扭矩传递机制为基础的磁随机存取存储器，即自旋扭矩传递磁随机存取存储器(STT-MRAM)，从磁记录特性来讲可取代传统的，基于传统磁场开关技术的磁随机存取存储器(MRAM)技术因而具有革命性的意义。并促进磁记录的高密度化，磁存储器技术的可扩展性和可持续性。在半导体技术节点不断降低，数据记录密度快速增加的背景下，新型自旋扭矩传递磁随机存取存储器(STT-MRAM)的方案，在半导体存储器领域具有广阔的应用前景。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。
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，本发明的目的在于提供一种垂直各向异性磁性元件、制备方法及磁存储器，其目的在于利用磁性垂直各向异性及其特性，以及所产生的低自旋扭矩传递切换电流和磁性器件的热稳定性比率和对所述器件性能的高可调控性，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。
本发明提供了一种垂直各向异性磁性元件，与半导体晶体管电路连接，所述垂直各向异性磁性元件包括：
磁固定层(magnetic pinned layer)，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；
非磁性隔离层(non-magnetic spacer layer)；附着于所述磁固定层上；
磁自由层(magnetic free layer)，附着于所述非磁性隔离层上，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；以及
覆盖层(cap layer)，附着于所述磁自由层上，且与半导体晶体管电路连接；
当写电流通过所述垂直各向异性磁性元件时，该磁隧道结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。
更进一步地，所述非磁性隔离层为隧穿势垒层。
本发明提供了一种垂直各向异性磁性元件，与半导体晶体管电路连接，所述垂直各向异性磁性元件包括：
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；
磁固定层子层，具有高自旋极化率，且与所述磁固定层铁磁性耦合形成复合型磁固定层；
隧穿势垒层，包括MgO结晶层；
磁自由层子层，具有高自旋极化率，
磁自由层，与所述磁自由层子层铁磁性耦合形成复合型磁自由层，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，隧道势垒层位于位于复合型垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性磁自由层之间；以及
覆盖层，位于所述磁自由层和外部的半导体晶体管电路之间；
当写电流(write current)通过所述垂直各向异性磁性元件时，该磁隧道结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。
本发明提供了一种垂直各向异性磁性元件，连接于半导体晶体管电路的连接部分(contact)；所述磁性元件包括：
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，但是该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；
非磁性层间耦合层(interlayer couple layer)；
垂直各向异性磁参照层(magnetic reference layer)，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大于垂直于膜平面方向的退磁能，并通过非磁性层间耦合层的介在与垂直各向异性磁固定层形成反铁磁耦合结构；
隧穿势垒层包括MgO结晶层；
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，但是该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道势垒层位于位于垂直各向异性磁参照层和垂直各向异性磁自由层之间；和
覆盖层，它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(write current)通过该磁性元件时，该磁隧道结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。
本发明提供了一种垂直各向异性磁性元件，连接于半导体晶体管电路的连接部分(contact)；所述磁性元件包括：
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，但是该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；
非磁性层间耦合层(interlayer couple layer)；
垂直各向异性磁参照层(magnetic reference layer)，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大于垂直于膜平面方向的退磁能，并通过非磁性层间耦合层的介在与垂直各向异性磁固定层形成反铁磁耦合结构；
高自旋极化率磁固定层子层，与垂直各向异性磁参照层铁磁性耦合形成复合型磁参照层；
隧穿势垒层包括MgO结晶层；
高自旋极化率磁自由层子层；
垂直各向异性磁自由层，与高自旋极化率磁自由层子层铁磁性耦合形成复合型磁自由层，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大于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道势垒层位于位于复合型垂直各向异性磁参照层和垂直各向异性磁自由层之间；和
覆盖层，它邻接复合型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(write current)通过该磁性元件时，该磁隧道结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。
更进一步地，所述垂直各向异性磁自由(子)层，垂直各向异性磁参照(子)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或它们的合金之间交互而成的,具有诸如(但不限于)[Cot1/Ni t2]n；(n≥1)构型的多层膜结构。
更进一步地，所述垂直各向异性磁自由(子)层，垂直各向异性磁参照(子)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(或它们的合金)交互而成的，具有诸如(但不限于)[Cot1/Pt t2]n或[Cot1/Pd t2]n；(n≥1)构型的多层膜结构。
更进一步地，所述垂直各向异性磁多层膜结构(具有(但不限于)(111)及(011)的优先结晶取向及织构。
更进一步地，所述垂直各向异性高自旋极化率磁性自由层和固定层(参照层)子层在其与隧穿势垒层或MgO结晶层的界面上具有结晶学织构和电子能带结构上的匹配，以产生高自旋极化率和并提供高自旋扭矩传递效率。其中包括下列情形。所述垂直各向异性高自旋极化率磁性自由层和固定层(参照层)子层包括由过渡金属Co，Fe，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，或它们与硼或其他非晶化元素合成的无定形磁性非晶合金层(诸如，但不限于，CoFeB，或CoFe(Al，Si)非晶合金层，以及它们之间形成的多层膜结构(诸如，但不限于，CoFeB/CoFe或CoFe/CoFeB多层膜合金结构)。所述垂直各向异性高自旋极化率磁性自由层和固定层(参照层)子层在热处理后，膜结构具有(但不限于)(001)的优先结晶取向及织构。
更进一步地，所述磁性元件的非磁性层间耦合层包括非磁性金属Ru，Rh，Ta，Cu，Cr，Au，Pt，Pd，或它们之间的合金，诸如(但不限于)Ru(1-x)Tax和Ru(1-x)Crx合金；x<0.5。
更进一步地，所述磁性元件还包括非磁性籽晶层(Seedlayers)(此处未表示)。所述籽晶层提供的平坦的界面(粗缲度<0.3纳米)及基底结晶织构可促进垂直各向异性磁自由层和固定层多层膜的成长，优化元件的性能并改善磁性元件在高温条件下的热稳定性。
更进一步地，所述籽晶层至少包含下列之一：非磁性金属Ru，Rh，Ta，Ti，Zr，hf，Nb，V，W，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Ir，Os，Re，Mg，Al，Si，B，或它们之间的合金，多层膜(包括(但不限于)Ta/Ru多层膜)，氧化物及氮化物(诸如(但不限于)CuN和TiN)。
更进一步地，所述籽晶层还包括磁性过渡族金属Co，Fe，Ni，它们相互之间形成的合金(诸如(但不限于)CoFe或FeCo合金)，或与权利要求12所述的非磁性金属之间相互形成合金，多层膜，氧化物及氮化物。
更进一步地，所述磁性元件的覆盖层可优化元件的性能并改善磁性元件在高温条件下的热稳定性，它包括非磁性金属Ru，Rh，Ta，Ti，Zr，hf，Nb，V，W，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Ir，Os，Re，Mg，Al，Si，B，或它们之间的合金，多层膜(包括(但不限于)Ta/Ru多层膜)，氧化物(诸如(但不限于)MgO)及氮化物。
本发明还提供了一种垂直各向异性磁性元件，连接于半导体晶体管电路的连接部分(contact)；所述磁性元件包括：
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，但是该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；
第一磁性中间层或第一非磁性中间层；
高自旋极化率磁固定层子层，由第一磁性中间层或第一非磁性中间层介在与垂直各向异性磁固定层铁磁性耦合形成复合型磁固定层；
隧穿势垒层包括MgO结晶层；
高自旋极化率磁自由层子层；
第二磁性中间层或第二非磁性中间层；
垂直各向异性磁自由层，由第二磁性中间层或第二非磁性中间层介在与垂直各向异性磁自由层铁磁性耦合形成复合型磁自由层，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大于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道势垒层位于位于复合型垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性磁自由层之间；和
覆盖层，它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(write current)通过该磁性元件时，该磁隧道结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。
本发明还提供了一种垂直各向异性磁性元件，连接于半导体晶体管电路的连接部分(contact)；所述磁性元件包括：
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，但是该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能；
非磁性层间耦合层；
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，但是该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，通过非磁性层间耦合层的介在与垂直各向异性磁固定层形成反铁磁耦合结构；
非磁性中间层；
高自旋极化率磁参照层子层；
隧穿势垒层包括MgO结晶层；
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，但是该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道势垒层位于位于复合型垂直各向异性磁参照层和垂直各向异性磁自由层之间；和
覆盖层，它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(write current)通过该磁性元件时，该磁隧道结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。
更进一步地，所述垂直各向异性磁自由层为复合型结构并包括：
高自旋极化率磁自由层子层；
第二磁性中间层或第二非磁性中间层；
垂直各向异性磁自由层，由第二磁性中间层或第二非磁性中间层介在与高自旋极化率磁自由层子层铁磁性耦合形成复合型磁自由层，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大于垂直于膜平面方向的退磁能，隧道势垒层位于位于复合型垂直各向异性磁参照层和垂直各向异性磁自由层之间。
更进一步地，所述垂直各向异性磁参照层相对于垂直各向异性磁固定层具有非平衡垂直磁化结构。前者相对于后者具有较小的膜厚垂直磁化之积，通过邻近效应(proximity effect)以减小作用于垂直各向异性磁自由层的杂散磁场。
更进一步地，所述垂直各向异性磁自由(子)层，垂直各向异性磁参照(子)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或它们的合金之间交互而成的超薄型多层膜结构。其中，所述多层膜(诸如，但不限于，[Cot1/Ni t2]n；t1，t2<1纳米)，在高温热处理固化为有序(超晶格)合金结构，并产生垂直磁各向异性。
更进一步地，所述垂直各向异性磁自由(子)层，垂直各向异性磁参照(子)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，或Pd交互而成的超薄型多层膜结构。其中，所述多层膜(诸如，但不限于，[Cot1/Pt t2]n或[Cot1/Pd t2]n(n≥1)，t1，t2<1纳米)，在高温热处理固化为有序(超晶格)合金结构，并产生垂直磁各向异性。
更进一步地，所述垂直各向异性磁自由层，或在多层膜的情况下，各垂直各向异性磁自由层的子层由高磁垂直各向异性，同时具有低自旋轨道相互作用(spin-orbit interaction)的磁性层构成。其中包括下列情形。所述垂直各向异性磁自由层由过渡族金属Co，Fe的二元(如钴铁)合金与硼等非晶化元素合成的CoFeB磁性非晶合金薄膜层，或它们的不同成份合金层之间形成的多层膜构成。而且其膜厚小于薄膜临界值以保证磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。参考膜厚值，但不限于，<2.0纳米。通过界面MgO/CoFeB或CoFeB/MgO与隧穿势垒层MgO，和界面Ta(MgO)/CoFeB或CoFeB/Ta(MgO)与覆盖层Ta或MgO(另一层氧化物MgO层)相连邻，由铁(Fe，或其他过渡族金属)的3d和氧(O)的2p轨道杂交或界面磁各向异性效应形成磁垂直各向异性并提供高自旋扭矩传递效率。
更进一步地，所述垂直各向异性磁自由层由MgO/CoFeB/Ta(MgO)/CoFeB/MgO(Ta)结构的多层膜集成。其中，非磁性金属中间层和覆盖层的Ta可以用金属氧化物层MgO薄层加以置换或相互掺杂。CoFeB的膜厚小于薄膜临界值以保证磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。
更进一步地，所述垂直各向异性磁性自由层在热处理后，膜结构具有(但不限于)(001)的优先结晶取向及织构。
更进一步地，所述垂直各向异性反铁磁耦合磁固定层的磁参照层相对于垂直各向异性磁固定层具有非平衡垂直磁化结构；前者相对于后者具有较小的膜厚垂直磁化之积，通过邻近效应以减小作用于垂直各向异性磁自由层的杂散磁场。而且，所述磁参照层仅由MgO/CoFeB/Ta(MgO)/CoFeB/MgO(Ta)结构的多层膜，以及(001)的优先结晶取向及织构的高自旋极化率的磁性层构成。
更进一步地，所述非磁性中间层可按需求调节或分隔多层膜的局部结构或结晶及织构以利于元件的性能优化，包括非磁性金属Ru，Rh，Ta，Ti，Zr，hf，Nb，V，W，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Ir，Os，Re，Mg，Al，Si，B，或它们之间的合金，多层膜(包括(但不限于)Ta/Ru的多层膜)，氧化物及氮化物。
更进一步地，所述磁性中间层可按需求调节或分隔多层膜的局部结构或结晶及织构以利于元件的性能优化，还包括磁性过渡族金属Co，Fe，Ni，它们相互之间形成的合金(诸如(但不限于)CoFe或FeCo合金)，或与所述的非磁性金属之间相互形成合金，多层膜，氧化物及氮化物。
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(word lines)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；每个或至少一个磁性元件由垂直各向异性磁固定层，垂直各向异性磁自由层，垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性自由层之间的非磁性隔离层和覆盖层构成，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，该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔离层位于垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性磁自由层之间，覆盖层邻接自由层和连接半导体晶体管电路的连接部分，当写电流通过该磁性元件时，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。
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，构成所述磁性元件的非磁性隔离层包括隧穿势垒层。而且所述磁性元件的垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性磁固定层还包括高自旋极化率磁性层子层，与垂直各向异性磁自由层和磁固定层铁磁性耦合形成它们的复合型磁性层。并以此在垂直各向异性磁性层内产生高自旋扭矩传递效率。所述构成所述磁性元件的垂直各向异性磁固定层还包括通过非磁性层间耦合层的介在，垂直各向异性磁参照层与垂直各向异性磁固定层形成反铁磁耦合结构，并以此减低在垂直各向异性磁自由层内产生的杂散磁场，该磁性垂直各向异性能大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：
提供垂直各向异性磁固定层，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大于垂直于膜平面方向的退磁能；
提供非磁性隔离层；
提供垂直各向异性磁自由层，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大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔离层位于垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性磁自由层之间；和
提供覆盖层，它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(write current)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。
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：
提供垂直各向异性磁自由层，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大于垂直于膜平面方向的退磁能；
提供非磁性隔离层；
提供垂直各向异性磁固定层，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大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔离层位于垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性磁固定层之间；和
提供覆盖层，它邻接垂直各向异性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。
本发明提供了用于制造具有自旋扭矩传递效应的垂直磁化磁隧道结或磁性元件和基于该垂直各向异性磁性元件的STT-MRAM存储器；可以取代并解决传统的磁随机存取存储器(MRAM)存储器具有难以扩展和不可持续的问题。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(MTJ)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，可实现在小信号条件下存储器系统的高速和高记录密度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的STT-MRAM的存储位单元，垂直各向异性MTJ磁性元件的结构和磁性开关状态下磁化形态配置；其中(a)为存储位单元结构，(b)为的存储位单元中的垂直各向异性MTJ磁性元件的结构示意图。
图2是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MTJ磁性元件。
图3是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MTJ磁性元件。
图4是本发明第一实施例提供的STT-MRAM的存储位单元中的垂直各向异性MTJ磁性元件的结构示意图，其中，(a)为磁性元件具有下层固定的垂直各向异性磁自旋阀结构(spin valve)；(b)为磁性元件具有上层固定的垂直各向异性磁自旋阀结构(spin valve)。
图5是本发明第二实施例提供的STT-MRAM的存储位单元中的垂直各向异性MTJ磁性元件另一个实施例的结构示意图；其中，(a)为磁性元件具有下层固定的垂直各向异性磁自旋阀结构；(b)为磁性元件具有上层固定的垂直各向异性磁自旋阀结构。
图6是本发明第三实施例提供的STT-MRAM的存储位单元中的垂直各向异性MTJ磁性元件的结构示意图。
图7是本发明第三实施例提供的STT-MRAM的存储位单元中的垂直各向异性MTJ磁性元件的结构示意图；其中(a)为磁性元件具有复合垂直各向异性磁固定层的垂直各向异性磁自旋阀结构；(b)为磁性元件具有复合垂直各向异性磁固定层和磁自由层的垂直各向异性磁自旋阀结构。
图8是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)为采用独立源线(source line)的部分存储位单元阵列；(b)为采用源线共享的部分存储位单元阵列。
图9是本发明实施例提供的STT-MRAM存储器的部分内存架构(architecture)。
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。
自旋扭矩传递磁随机存取存储器(STT-MRAM)，按磁性机制可以利用面内或垂直磁各向异性(perpendicular anisotropy)及相应的磁化分布来实现信息的磁记录及存储。
本发明旨在实现具有垂直磁各向异性特性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。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。磁性多层膜的垂直磁各向异性包括内在和外在垂直磁各向异性部分。其中内在垂直磁各向异性来自于磁性多层膜中磁性金属原子及其与合金元素的固有的原子构型排列，及由此而产生的内禀垂直磁各向异性。而外在垂直磁各向异性则来源于其磁化层的局部结构如磁性/非磁性或磁性/磁性界面结构以及局域的超晶格结构或诸如此类的安排。由界面结构所诱起的垂直磁各向异性在多数情况下来自于局域的内在应力效应。它通常与磁性多层膜的磁性/非磁性子膜的厚度成反比例关系。超晶格的垂直磁各向异性则来自于局域的原子构型排列的特殊性而产生的电子能带结构变化和由此而引起的磁结晶各向异性的改变。
在垂直磁各向异性STT-MRAM技术中，垂直磁各向异性磁隧道结(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(conductive channels)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。(低阻态)。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(perpendicular anisotropy)成正比关系。自旋扭矩传递效率的提升和垂直磁各向异性铁磁层的阻尼特性的调控有利于磁性器件的性能改善。在满足特定的热稳定性设计要求的同时，实现写开关电流密度的最小化。垂直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，它通常被量化为热稳定系数KUV/KBT，决定数据信息在STT-MRAM存储器内的保持期(data retention)。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。就基于垂直磁各向异性的新型自旋扭矩传递磁随机存取存储器(STT-MRAM)而言，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。多数的外在垂直磁各向异性取决于磁化层的局部结构和制造及后端工程条件。在外界条件的影响下，具有磁垂直磁各向异性的磁性自旋阀结构的热/磁安定性问题及对策，对于它们在自旋扭矩传递磁随机存取存储器领域的应用构成一定的限制。
本发明利用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，垂直各向异性MTJ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。MTJ为垂直各向异性磁隧道结，PL表示垂直各向异性磁固定层，SP表示隔离层，FL表示垂直各向异性磁自由层，M1和M2分别表示垂直各向异性磁固定层和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分别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-1MTJ配置。每个存储位单元都由一个垂直各向异性磁隧道结，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(bipolar write pulsegenerator)或读偏置发生器(read bias generator)连接。
存储位单元中的垂直各向异性磁隧道结由垂直各向异性磁固定层(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(SP)或薄膜绝缘层组成。垂直各向异性磁固定层的垂直磁化被固定以作为自旋偏振器。垂直各向异性磁自由层的垂直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。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MTJ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；Thermal factor表示热稳定系数。
如图2所示，垂直各向异性MTJ磁隧道结的设计主要取决于垂直各向异性磁自由层的材料物性及磁电特性，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 stability factor)的等值线图显示它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，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MTJ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，Thermal factor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；HP NMOS为高性能半导体晶体管，LPO NMOS为低功率半导体晶体管。图3中的特征线反映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。垂直磁化和垂直磁各向异性场，垂直各向异性MTJ磁隧道结的自旋极化和垂直各向异性磁自由层的阻尼系数决定了特征线的趋势。如图所示，垂直各向异性磁隧道结元件的写操作条件与垂直各向异性磁自由层的阻尼和自旋扭矩传递效率的比例密切相关。在热稳定性系数确定的情况下，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增加使得写操作电流升高，设计工作点(Jsw2，△2)随之移向高位点(Jsw3，△2)，不利于磁性器件的高密度化和大容量化。同时，垂直各向异性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)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。写操作设计工作点位于特征线上的(Jsw1，△1；LOP NMOS)。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(Jsw1，△1；LOP NMOS)转变到(Jsw3，△3；HP NMOS)，其中Jsw1<Jsw3和△3>△1。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MTJ磁性元件实施例。该磁性元件具有下层(图4a)或上层(图4b)固定的垂直各向异性磁自旋阀结构(spin valve)。其中，PL表示垂直各向异性磁固定层，Spacer Layer表示隔离层，FL表示垂直各向异性磁自由层，M1和M2表示垂直各向异性磁固定层和磁自由层的垂直磁化。
如图1和图4所示，本发明提供下述使用在STT-MRAM存储位单元中的垂直各向异性MTJ磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由垂直各向异性磁固定层(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(Non-magnetic spacer)或薄膜绝缘层构成(图4a)。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。薄膜绝缘层或隧穿势垒层(tunneling barrier)位于垂直各向异性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(write current)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。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，调控成膜过程中的复杂性和构建所需的薄膜织构以优化器件性能。垂直各向异性磁自由层或固定层的磁多层膜可以是自身的铁磁性子层(magnetic sublayer)由不同的铁磁性材料介在其间以铁磁性耦合而成的多层结构。它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的多层结构。这里，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，垂直各向异性固定层或两者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。该界面结构所诱起的垂直磁各向异性来自于局域的内在应力效应，其强度与磁性多层膜的周期和磁性子膜的厚度成反比例关系。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。通过控制制膜工艺，调整磁性垂直各向异性多层膜的铁磁性子层和中间层膜厚及其膜厚比，或多层膜的重复周期对其磁性垂直各向异性加以调节，以满足磁性器件性能提升对垂直各向异性磁自由层，固定层的磁性垂直各向异性的不同须求。
此外，垂直各向异性磁自由层，垂直各向异性固定层或两者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，Ta，Ti,Zr,Hf；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。该垂直磁各向异性来自于界面结构所诱起的局域内在应力效应，其强度与磁性多层膜的周期和磁性子膜的厚度成反比例关系。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组成。在具体优选实施磁性垂直各向异性多层膜还包括Co/Ag，Co/Au到Co/Pt，Co/Pd。其磁性垂直各向异性由弱转强并具有可调节性。而且在同样序列的Co/Pt，或Co/Pd强磁性垂直各向异性多层膜中，通过控制制膜工艺，调整磁性垂直各向异性多层膜的铁磁性子层和中间层的膜厚比，或多层膜的重复周期同样可调整其磁性垂直各向异性。非磁性材料应适当选择以满足垂直各向异性磁自由层，固定层对磁性垂直各向异性的不同须求。
此外，垂直各向异性磁自由层，或垂直各向异性固定层或两者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层。并且它们由界面与磁隧道结的隧穿势垒层(的氧化物层)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(薄膜绝缘层或隧穿势垒层位于垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性磁自由层之间)。由于对应于磁自由层或固定层/氧化物层的垂直各向异性的磁性各向异性能反比于磁自由层或固定层的物理膜厚，提升磁垂直各向异性要求该磁性非晶合金层为薄膜状态。在其中一例优选实施例中，MgO薄膜绝缘层与垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性固定层组成MgO/CoFeB(tF)和CoFeB(tF)/MgO结构；其中tF<1.5纳米(nm)。垂直各向异性磁自由层和固定层受益于MgO/CoFeB或CoFeB/MgO界面的高自旋极化率或自旋扭矩传递效率和来自该界面的巨大磁垂直各向异性。在磁性器件的热稳定性获得有限改善的同时，磁自由层的垂直磁化的自旋扭矩传递切换电流密度，或存储位单元的写操作电流密度将进一步减小。但是，在减低和限制磁性非晶合金层CoFeB膜厚的同时，隧道磁阻(TMR)效应将被减低。进而可能限制STT-MRAM存储器的读/写操作余量(operation margin)。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，MgO薄膜绝缘层和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。根据需要该多层膜还可以其单元结构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Ti,Zr,HfTi,Zr,Hf，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。此类型的垂直各向异性磁自由层的设置与上述的，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的垂直各向异性磁自由层具有重要的一致性和相似性。在此情况下，CoFeB，Ta，MgO等各子层或非磁性中间耦合层的膜厚仍为纳米量级或更小。以产生较大的垂直磁各向异性。同时，由于垂直各向异性磁自由层使用该铁磁性耦合的CoFeB多层膜(n>2)结构，使其具有增强的隧道磁阻(TMR)效应和磁性器件的热稳定性的较大的改善。
该垂直各向异性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。取根据器件设计和可靠性要求，该垂直各向异性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。垂直各向异性MTJ磁隧道结元件的电阻面积之积的范围可适当提高，以提升了器件的寿命期间和失效电压阀值，有利于实现STT-MRAM存储器的高可靠性运行。并在垂直各向异性磁固定层/隧穿势垒层以及隧穿势垒层/垂直各向异性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自旋极化和隧道磁阻(TMR)效应以保证STT-MRAM存储器有足够的读/写操作余量(operation margin)。
如图4b所示，若垂直各向异性磁固定层将位于垂直各向异性磁隧道结多层膜的顶部，则垂直各向异性磁自由层则位于该磁隧道结底部的籽晶层(图中未显示)之上，且处于隧穿势垒层之下。在某些情况下，为了形成垂直各向异性磁自由层特定的生长织构，或应对成膜的复杂性，而使用顶部垂直各向异性磁固定层。其中，非磁性籽晶层可以是Ru，Rh，Ta，Ti,Zr,HfTi,Zr,Hf，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Mg，Al，它们之间的二元或多元合金，由超过一种以上的上述非磁性材料构成的多层结构，或它们的氧化物或氮化物。
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MTJ磁性元件另一实施例。该磁性元件仍为具有下层(图5a)或上层(图5b)固定的垂直各向异性磁自旋阀结构(spin valve)。其分别具有铁磁性耦合的复合垂直各向异性磁固定层和磁自由层。其中，PL和PL’表示垂直各向异性磁固定层的两磁性子层，Spacer Layer表示隔离层，FL和FL’表示垂直各向异性磁自由层的两磁性子层，Intermediate Layer 1，2表示其第1，第2中间层，M1和M’1表示垂直各向异性磁固定层的两磁性子层的垂直磁化，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5所示(图5b为顶部垂直各向异性磁固定层的情形)，本发明提供下述使用在STT-MRAM存储位单元中的垂直各向异性MTJ磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由复合垂直各向异性磁固定层(PL，PL’)，复合垂直各向异性磁自由层(FL，FL’)，隔离复合垂直各向异性磁固定层和复合垂直各向异性磁自由层的非磁性隔离层(SP)或薄膜绝缘层，铁磁性耦合垂直各向异性磁固定子层PL，PL’的第一中间层(intermediate layer)，及铁磁性耦合垂直各向异性磁自由子层FL，FL’的第二中间层构成。复合垂直各向异性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大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)位于复合垂直各向异性磁固定层和自由层的之间。两中间层(intermediate layer1，2)各自分别位于复合垂直各向异性磁固定层和自由层的子层之间。同时，该垂直各向异性MTJ磁隧道结的覆盖层邻接此复合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(write current)通过该磁性元件时，它的构造使其复合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，该磁隧道结元件的复合垂直各向异性磁固定层或磁自由层的子层(PL’，FL’,)由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层，或铁磁性Heusler合金层的薄膜或多层膜构成。它们的一侧与薄膜绝缘层的氧化膜连接，另一侧分别与第一或第二层中间层相邻。其磁性材料结构可以相同或相异，但它们都具有与磁隧道结的隧穿势垒层(的氧化物层)的界面产生的铁(Fe)或钴(Co)的3d和氧(O)的2p轨道杂交形成的磁垂直各向异性，以及高自旋极化率或自旋扭矩传递效率。而复合垂直各向异性磁自由层或磁固定层的子层(FL，PL)则可具有3.1节所述之磁性垂直各向异性膜之中的任何一种或组合结构。FL和PL两者的结构或构成不同以满足复合垂直各向异性磁自由层或磁固定层的设计要求。使用于复合垂直各向异性磁固定层和自由层内的中间层可以是Ru，Rh，Ta，Ti,Zr,HfTi,Zr,Hf，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，或它们的多层膜，合金，氧化物，氮化物或氮氧化物。在其中一例优选实施例中，复合垂直各向异性磁隧道结的结构为(Co/Pt)n/Ta(Ru)/CoFeB/CoFe(PL)/MgO(SP)/CoFe/CoFeB/Ta(Ru)/(Co/Ni)n(FL)/覆盖层。复合垂直各向异性磁固定层和自由层内的高自旋极化子层为CoFeB/CoFe。第一及第二中间层为)Ta(Ru)薄膜以保持复合垂直各向异性磁固定层和自由层内的内外层之间的铁磁性耦合并改善不同部位的膜结构及结晶织构，例如实现(001)CoFeB与(011)或(111)(Co/Pt)和(Co/Ni)之间的织构转变。由此构成的垂直各向异性MTJ磁隧道结有利提高隧道磁阻(TMR)效应与降低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。在另一例优化实例中，垂直各向异性磁自由层和固定层分别为MgO/CoFeB/PdCo和FePt/CoFeB/MgO。其中，中间层的膜厚为零。MgO/CoFeB或CoFeB/MgO界面的高自旋极化率或自旋扭矩传递效率和来自垂直各向异性合金PdCo或FePt的巨大磁垂直各向异性，在增加巨大的隧道磁阻(TMR)效应和磁性器件的热稳定性的同时，减小磁自由层的垂直磁化的自旋扭矩传递切换电流密度，或存储位单元的写操作电流密度。
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MTJ磁性元件另一实施例。该磁性元件具有反铁磁性耦合固定层的垂直各向异性磁自旋阀结构(spin valve)。其中，PL和PL’表示垂直各向异性磁固定层的两磁性子层，Spacer Layer表示隔离层，FL表示垂直各向异性磁自由层，Interlayer couple Layer表示层间反铁磁性耦合层，M1和M’1表示垂直各向异性磁固定层的两磁性子层的垂直磁化，M2表示垂直各向异性磁自由层的垂直磁化。如图6所示，本发明提供下述使用在STT-MRAM存储位单元中的垂直各向异性MTJ磁隧道结元件结构。该磁隧道结元件由复合垂直各向异性磁固定层(PL，PL’)，垂直各向异性磁自由层(FL)，隔离复合垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性磁自由层的非磁性隔离层(SP)或薄膜绝缘层，及垂直各向异性磁固定子层PL，PL’的反铁磁性耦合中间层(Interlayer couple Layer)构成。垂直各向异性磁自由层或复合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。薄膜绝缘层或隧穿势垒层(tunneling barrier)位于复合垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性自由层之间。中间层(intermediate layer)各则位于复合垂直各向异性磁固定层的子层之间。同时，该垂直各向异性MTJ磁隧道结的覆盖层邻接此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(write current)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，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所述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。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。一种典型的情况是通过Ru或Cr非磁性薄膜中间层产生的反铁磁性耦合。在其中一例优选实施例中，反铁磁耦合的复合垂直各向异性磁固定层的结构为(Co/Pt)m/Ru/(Co/Pt)n/CoFeB/CoFe(PL)/MgO(SP)。具有该反铁磁耦合作用的复合垂直各向异性磁固定层的采用有利于建立磁单畴的多层膜结构，提高垂直各向异性磁固定层的固定强度，或减低作用于垂直各向异性磁自由层的偏移外场。在具有反铁磁耦合作用的复合垂直各向异性磁固定层的磁隧道结元件的优选实施例中，其结构为磁隧道结的籽晶层(图中未显示)/(Co/Pt)m/Ru/(Co/Pt)n/Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/MgO；亦或磁隧道结的籽晶层/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta/(Co/Pt)m/Ru/(Co/Pt)n/Ta。其垂直各向异性磁固定层的反铁磁耦合结构增强垂直各向异性磁固定层的固定强度和隧道磁阻(TMR)效应。
图7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MTJ磁性元件另一实施例。该磁性元件具有反铁磁性耦合固定层的垂直各向异性磁自旋阀结构(spin valve)。垂直各向异性磁固定层由子层PL，PL’和PL”构成。其中，垂直各向异性磁固定子层PL’和PL”为铁磁耦合的复合结构，该复合层与子层PL由层间反铁磁性耦合层(Interlayercouple Layer)介在构成反铁磁性耦合固定层。垂直各向异性磁自由层为单层FL(图7a)或铁磁耦合的FL和FL’的多层复合结构(图7b)。其中，Spacer Layer表示隔离层，Intermediate Layer及其1，2表示中间层，M1，M’1和M”1表示垂直各向异性磁固定层的磁性子层的垂直磁化，M2和M’2表示垂直各向异性磁自由层或磁性子层的垂直磁化。如图7所示，本发明提供下述使用在STT-MRAM存储位单元中的垂直各向异性MTJ磁隧道结元件结构。如图7a该磁隧道结元件由复合垂直各向异性磁固定层(PL，PL’，PL”)，垂直各向异性磁自由层FL，隔离复合垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性磁自由层的非磁性隔离层(SP)或薄膜绝缘层，及铁磁性耦合垂直各向异性磁固定子层PL’和PL”的中间层(intermediate layer)，及反铁磁性耦合垂直各向异性磁固定子层PL和PL’的层间反铁磁性耦合层(Interlayer couple Layer)构成。垂直各向异性磁自由层或复合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。薄膜绝缘层或隧穿势垒层(tunneling barrier)位于复合垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性自由层之间。同时，该垂直各向异性MTJ磁隧道结的覆盖层邻接此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(write current)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。
如图7b所示，当垂直各向异性磁自由层为复合结构(FL，FL’)时，该磁隧道结元件由复合垂直各向异性磁固定层(PL，PL’，PL”)，复合垂直各向异性磁自由层(FL，FL’)，隔离复合垂直各向异性磁固定层和复合垂直各向异性磁自由层的非磁性隔离层(SP)或薄膜绝缘层，铁磁性耦合垂直各向异性磁固定子层PL’和PL”的第一中间层，铁磁性耦合垂直各向异性磁自由子层FL和FL’的第二中间层，及反铁磁性耦合垂直各向异性磁固定子层PL和PL’的层间反铁磁性耦合层(Interlayer couple Layer)构成。复合垂直各向异性磁自由层或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。薄膜绝缘层或隧穿势垒层(tunnelingbarrier)位于复合垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性自由层之间。同时，该垂直各向异性MTJ磁隧道结的覆盖层邻接此复合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(write current)通过该磁性元件时，它的构造使其复合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，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所述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。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。其中，一种典型的情况是通过Ru或Cr非磁性薄膜中间层产生的反铁磁性耦合。同样，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，Ta，Ti,Zr,Hf，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，或它们的多层膜，合金，氧化物，氮化物或氮氧化物。在其中一例优选实施例中，具有铁磁及反铁磁耦合的复合垂直各向异性磁固定层的结构为(Co/Pt)m/Ru/(Co/Pt)n/Ta(Ru)/CoFeB/CoFe(PL)/MgO(SP)。而铁磁耦合的复合垂直各向异性磁自由层的结构为MgO(SP)/CoFe(FL)/CoFeB/(Co/Ni)m’/Ta(Ru)/(Co/Ni)n’。在具有该类型复合垂直各向异性磁固定层和磁自由层的磁隧道结元件的优选实施例中，其结构为磁隧道结的籽晶层(图中未显示/(Co/Pt)m/Ru/(Co/Pt)n/Ta(Ru)/CoFeB/CoFe/MgO/CoFe/CoFeB/(Co/Ni)m’/Ta(Ru)/(Co/Ni)n’/覆盖层(图中未显示).使用反铁磁耦合作用的复合垂直各向异性磁固定层的采用有利于建立磁单畴的多层膜结构，提高垂直各向异性磁固定层的固定强度，或减低作用于垂直各向异性磁自由层的偏移外场。而使用铁磁耦合结构的复合垂直各向异性磁自由层可增强其隧道磁阻(TMR)效应和STT-MRAM存储位单元的写操作裕度(operation margin)。
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)(图8a)和源线共享(图8b)的排列结构。其中，CMOS为起开关作用的半导体晶体管，MTJ为垂直各向异性磁隧道结，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)。其中，CMOS为起开关作用的半导体晶体管，MTJ为垂直各向异性磁隧道结。它包括用于读操作的参考列(reference column)。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(writedrive)，字线行解码器(word line row decoder)，位线列解码器(bit line columndecoder)和检测放大器(sense amplifier)等外围电路联接并集成建成内存架构。
如图8和9所示，本发明提供垂直各向异性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8a)和源线共享(图8b)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 rowdecoder)位线列解码器(bit line column decoder)，写驱动器(write drive)和传感放大器(sense amplifier)。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)在合适的工艺和磁性器件设计保证器件的热稳定性的情况下，垂直各向异性MTJ磁隧道结元件的写入电流可低至数十微安并保持恒定。随着半导体工业的技术节点(technology node)的减小至20纳米或以下，此情况并无实质变化。因此STT-MRAM存储器具有良好的可扩展性(scalability)，适合在高密度数据存储和记忆中的应用。
(2)由于垂直各向异性MTJ磁隧道结元件的垂直磁化的杂散磁场分布范围窄小，极大的降低了此类磁隧道结元件之间的外场相互作用和干扰，和垂直各向异性MTJ磁隧道结元件的写入电流分布。有利于STT-MRAM存储器的安定性的提高和高密度化。
(3)由于垂直各向异性MTJ磁隧道结元件的热稳定性获得很大的改善，当半导体工业的技术节点(technology node)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存储器具有良好的数据信息保持期(data retention)。在一般待机状况下，记录的数据信息可保持长达10年之久并无须使用电源。属于非挥发性存储器及应用。
(4)由于垂直各向异性MTJ磁隧道结元件的使用阻值范围偏高，因而提升了器件的寿命期间和失效电压阀值，有利于实现STT-MRAM存储器的高可靠性运行。因此，STT-MRAM存储器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。同时，它属于低功耗存储器。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。

Claims (31)

1.一种垂直各向异性磁性元件，与半导体晶体管电路连接，其特征在于，所述垂直各向异性磁性元件包括：
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；
非磁性隔离层，附着于所述磁固定层上；
磁自由层，附着于所述非磁性隔离层上，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；以及
覆盖层，附着于所述磁自由层上，且与半导体晶体管电路连接；
当写电流通过所述垂直各向异性磁性元件时，该磁隧道结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。
2.如权利要求1所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述非磁性隔离层为隧穿势垒层。
3.一种垂直各向异性磁性元件，与半导体晶体管电路连接，其特征在于，所述垂直各向异性磁性元件包括：
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；
磁固定层子层，具有高自旋极化率，且与所述磁固定层铁磁性耦合形成复合型磁固定层；
隧穿势垒层，附着于所述磁固定层子层上，包括MgO结晶层；
磁自由层子层，附着于所述隧穿势垒层上，具有高自旋极化率；
磁自由层，与所述磁自由层子层铁磁性耦合形成复合型磁自由层，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；以及
覆盖层，位于所述磁自由层和外部的半导体晶体管电路之间；
当写电流通过所述垂直各向异性磁性元件时，该磁隧道结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。
4.一种垂直各向异性磁性元件，连接于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，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；
非磁性层间耦合层，附着于所述磁固定层上；
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，通过非磁性层间耦合层与所述磁固定层形成反铁磁耦合结构；
隧穿势垒层，附着于所述磁参照层上；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，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，位于所述磁自由层和外部的半导体晶体管电路之间；
当写电流通过该磁性元件时，该磁隧道结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。
5.一种垂直各向异性磁性元件，连接于半导体晶体管电路的连接部分，其特征在于，所述垂直各向异性磁性元件包括：
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；
非磁性层间耦合层，附着于所述磁固定层上；
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，并通过非磁性层间耦合层与垂直各向异性磁固定层形成反铁磁耦合结构；
磁固定层子层，具有高自旋极化率，且与垂直各向异性磁参照层铁磁性耦合形成复合型磁参照层；
隧穿势垒层，附着于所述磁固定层子层上；包括MgO结晶层；
磁自由层子层，具有高自旋极化率；
磁自由层，与所述磁自由层子层铁磁性耦合形成复合型磁自由层，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；以及
覆盖层，位于所述磁自由层和外部的半导体晶体管电路之间；
当写电流通过该磁性元件时，该磁隧道结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。
6.如权利要求1-5任一项所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，在所述磁自由层、磁自由子层、磁参照层、磁参照子层、磁固定层和磁固定子层中，至少其中之一包含由过渡族金属Co，Fe，Ni或它们的合金之间交互而成的多层膜结构。
7.如权利要求1-5任一项所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，在所述磁自由层、磁自由子层、磁参照层、磁参照子层、磁固定层和磁固定子层中，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或它们的合金交互而成的多层膜结构。
8.如权利要求6或7所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述磁多层膜结构具有(111)及(011)的优先结晶取向及织构。
9.如权利要求3或5所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，在所述磁自由层、磁固定层、磁参照层、磁自由层子层或磁固定层子层与隧穿势垒层的界面上具有结晶学织构和电子能带结构上的匹配，以产生高自旋极化率和并提供高自旋扭矩传递效率。
10.如权利要求1-9任一项所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述磁性元件的非磁性层间耦合层包括非磁性金属Ru，Rh，Ta，Cu，Cr，Au，Pt，Pd，或它们之间的合金Ru(1-x)Tax和Ru(1-x)Crx合金，x<0.5。
11.如权利要求1-10任一项所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述磁性元件还包括非磁性籽晶层，设置在所述磁自由层和所述磁固定层之间，用于促进垂直各向异性磁自由层和磁固定层多层膜的成长。
12.如权利要求11所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述非磁性籽晶层至少包含下列之一：非磁性金属Ru，Rh，Ta，Ti，Zr，hf，Nb，V，W，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Ir，Os，Re，Mg，Al，Si，B，或它们之间的合金，多层膜，氧化物及氮化物。
13.如权利要求12所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述非磁性籽晶层还包括磁性过渡族金属Co，Fe，Ni，它们相互之间形成的合金，或与所述非磁性金属之间相互形成合金，多层膜，氧化物及氮化物。
14.如权利要求1-13任一项所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述覆盖层可优化元件的性能并改善磁性元件在高温条件下的热稳定性，它包括非磁性金属Ru，Rh，Ta，Ti，Zr，hf，Nb，V，W，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Ir，Os，Re，Mg，Al，Si，B，或它们之间的合金，多层膜，氧化物及氮化物。
15.一种垂直各向异性磁性元件，连接于半导体晶体管电路的连接部分；其特征在于，所述垂直各向异性磁性元件包括：
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；
第一磁性中间层或第一非磁性中间层；
磁固定层子层，具有高自旋极化率，与所述第一磁性中间层或第一非磁性中间层和所述磁固定层耦合形成复合型磁固定层；
隧穿势垒层，附着于所述磁固定层子层上，包括MgO结晶层；
磁自由层子层，具有高自旋极化率；
第二磁性中间层或第二非磁性中间层；
磁自由层，与所述第二磁性中间层或第二非磁性中间层和所述磁自由层子层耦合形成复合型磁自由层，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；以及
覆盖层，它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；
当写电流通过所述垂直各向异性磁性元件时，磁隧道结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。
16.一种垂直各向异性磁性元件，连接于半导体晶体管电路的连接部分；其特征在于，所述垂直各向异性磁性元件包括：
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；
非磁性层间耦合层；
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，通过非磁性层间耦合层与所述磁固定层形成反铁磁耦合结构；
磁性中间层或非磁性中间层；
磁参照层子层，具有高自旋极化率；
隧穿势垒层，附着于所述磁参照层子层上，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，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，它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；
当写电流通过该磁性元件时，该磁隧道结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。
17.如权利要求16所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述磁自由层为复合型结构，包括：
磁自由层子层，具有高自旋极化率；
第二磁性中间层或第二非磁性中间层；
磁自由层，通过所述第二磁性中间层或第二非磁性中间层与所述磁自由层子层耦合形成复合型磁自由层，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。
18.如权利要求16或17所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述磁参照层相对于垂直各向异性磁固定层具有非平衡垂直磁化结构；前者相对于后者具有较小的膜厚垂直磁化之积，通过邻近效应以减小作用于垂直各向异性磁自由层的杂散磁场。
19.如权利要求15-17任一项所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，在所述磁自由层、磁自由子层、磁参照层、磁参照子层、磁固定层和磁固定子层中，至少其中之一包含由过渡族金属Co，Fe，Ni或它们的合金之间交互而成的超薄型多层膜结构。
20.如权利要求15-17任一项所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，在所述磁自由层、磁自由子层、磁参照层、磁参照子层、磁固定层、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，或Pd交互而成的超薄型多层膜结构。
21.如权利要求1-17任一项所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述磁自由层或磁自由子层由具有高磁垂直各向异性且具有低自旋轨道相互作用的磁性层构成。
22.如权利要求21所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述磁自由层由MgO/CoFeB/Ta(MgO)/CoFeB/MgO(Ta)结构的多层膜集成。
23.如权利要求21-22所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述磁性自由层在热处理后，膜结构具有(001)的优先结晶取向及织构。
24.如权利要求16或17所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，所述磁参照层相对于垂直各向异性磁固定层具有非平衡垂直磁化结构；前者相对于后者具有较小的膜厚垂直磁化之积，通过邻近效应以减小作用于垂直各向异性磁自由层的杂散磁场；且所述磁参照层由MgO/CoFeB/Ta(MgO)/CoFeB/MgO(Ta)结构的多层膜，以及(001)的优先结晶取向及织构的高自旋极化率的磁性层构成。
25.如权利要求17-19任一项所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，非磁性中间层可按需求调节或分隔多层膜的局部结构或结晶及织构以利于元件的性能优化，包括非磁性金属Ru，Rh，Ta，Ti，Zr，hf，Nb，V，W，Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Cr，Ir，Os，Re，Mg，Al，Si，B，或它们之间的合金，多层膜，氧化物及氮化物。
26.如权利要求15-17任一项所述的垂直各向异性磁性元件，其特征在于，磁性中间层可按需求调节或分隔多层膜的局部结构或结晶及织构以利于元件的性能优化，还包括磁性过渡族金属Co，Fe，Ni，它们相互之间形成的合金，或与非磁性金属之间相互形成合金，多层膜，氧化物及氮化物。
27.一种磁存储器，包括多个磁性存储位单元，多条字线和多条位线；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；其特征在于，每个或至少一个磁性元件由垂直各向异性磁固定层，垂直各向异性磁自由层，垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性自由层之间的非磁性隔离层和覆盖层构成，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，该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔离层位于垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性磁自由层之间，覆盖层邻接自由层和连接半导体晶体管电路的连接部分，当写电流通过该磁性元件时，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。
28.如权利要求27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。
29.如权利要求27所述的磁存储器，其特征在于，构成所述磁性元件的非磁性隔离层包括隧穿势垒层；且所述磁性元件的垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性磁固定层还包括高自旋极化率磁性层子层，与垂直各向异性磁自由层和磁固定层铁磁性耦合形成它们的复合型磁性层；并以此在垂直各向异性磁性层内产生高自旋扭矩传递效率；所述构成所述磁性元件的垂直各向异性磁固定层还包括通过非磁性层间耦合层的介在，垂直各向异性磁参照层与垂直各向异性磁固定层形成反铁磁耦合结构，并以此减低在垂直各向异性磁自由层内产生的杂散磁场，该磁性垂直各向异性能大于垂直于膜平面方向的退磁能。
30.一种制备权利要求1-26任一项所述的垂直各向异性磁性元件的方法，其特征在于，包括下述步骤：
提供垂直各向异性磁固定层，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大于垂直于膜平面方向的退磁能；
提供非磁性隔离层；
提供垂直各向异性磁自由层，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大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔离层位于垂直各向异性磁固定层和垂直各向异性磁自由层之间；和
提供覆盖层，它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；
当写电流通过该磁性元件时，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。
31.一种制备权利要求1-26任一项所述的垂直各向异性磁性元件的方法，其特征在于，包括下述步骤：
提供垂直各向异性磁自由层，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大于垂直于膜平面方向的退磁能；
提供非磁性隔离层；
提供垂直各向异性磁固定层，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大于垂直于膜平面方向的退磁能，非磁性隔离层位于垂直各向异性磁自由层和垂直各向异性磁固定层之间；和
提供覆盖层，它邻接垂直各向异性磁固定层和连接半导体晶体管电路的连接部分；
当写电流通过该磁性元件时，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。
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