CN111864057A - 一种磁性随机存取器及磁隧道结存储单元 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于解决现有磁性随机存取器中磁隧道结存储单元所存在的磁稳定性问题。本发明磁隧道结存储单元，包括磁性自由层、绝缘隧道势垒层、磁性参考层和复合反铁磁层，其中复合反铁磁层设置在磁性参考层远离绝缘隧道势垒层的一侧，复合反铁磁层包括：合成反铁磁耦合增强层、第一铁磁超晶格层、第二铁磁超晶格层、第一反铁磁耦合层以及第二反铁磁耦合层；本发明磁性随机存取器包括磁隧道结存储单元。相对于现有技术，本发明不仅有更优的体心立方结构的磁性参考层和铁磁隧道效应及其稳定性，并且具有更强的漏磁场和写电流调控能力。
Description
技术领域
本发明涉及具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)的磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)，具体涉及一种具有复合反铁磁层的磁性随机存取器及磁隧道结存储单元。
背景技术
近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的MRAM被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性自由层(Free Layer，FL)，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘隧道势垒层(Barrier Layer,BL)；磁性参考层(Reference Layer,RL)，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。
为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。在具有垂直各向异性(PMA)的磁性隧道结(MTJ)中，作为存储信息的自由层(FL)，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”。在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层(FL)的磁化方向保持不变；在写的过程中，如果有与现有不同状态的信号输入的时候，那么自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生180度的翻转。业界把这种空置状态之下，磁性存储器的自由层(FL)保持磁化方向不变的能力叫做数据保存能力(Data Retention)或者热稳定性(Thermal Stability)。在不同的应用场景中要求不一样。对于一个典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)的热稳定性要求是在125℃的条件可以保存数据10年。
更进一步地，数据保存能力(Data Retention)可以用下面的公式进行计算：
其中，τ为在热扰动条件下磁化矢量不变的时间，τ0为尝试时间(一般为1ns)，E为自由层的能量壁垒，kB为玻尔兹曼常数，T为工作温度。
热稳定性因子(Thermal Stability factor)则可以表示为如下的公式：
其中，Keff为自由层(FL)的有效各向能量密度，V为自由层(FL)的体积，KV为体各向异性常数Ms为自由层(FL)饱和磁化率，Nz垂直方向的退磁化常数，t为自由层(FL)的厚度，Ki为界面各向异性常数，CD为磁性随机存储器的关键尺寸(即：自由层的直径)，As为刚度积分交换常数，k为自由层翻转模式从磁畴翻转(即：Magnetization switching processed by“macro-spin”switching)到反向畴成核/长大(即：Magnetization switching processedby nucleation of a reversed domain and propagation of a domain wall)模式转变的临界尺寸。实验表明当自由层的厚度较厚时表现为面内各向异性，较薄时，表现为垂直各向异性，KV一般可以忽略不计，而退磁能对垂直各向异性的贡献为负值，因此垂直各向异性完全来自界面效应(Ki)。
同时，静磁场，特别是来自于磁性参考层的漏磁场(Stray Field)，也会影响磁性随机存储器(MRAM)磁性存储单元的热稳定性因子，根据其施加在自由层(FL)上的磁化方向的不同，既可以起增强作用也可以起减弱作用。如图1所示，为了减小漏磁场对自由层(FL)260的影响，通常会在磁性参考层(RL)240之下增加一层具有强烈垂直各向异性(PMA)超晶格结构的合成反铁磁层(SyAF)220A，在合成反铁磁层(SyAF)220A内部，通常含有两层具有强烈垂直各向异性的超晶格铁磁层，即：第一铁磁超晶格层(the 1st Ferrimagnet Supper-Lattice Layer,1st FM-SL)221和第二铁磁超晶格层(the 2nd Ferrimagnet Supper-Lattice Layer,2nd FM-SL)223，并通过一层Ru来实现两层铁磁超晶格层的反铁磁耦合。进一步地，通过一层晶格隔断层230A来使得磁性参考层240在退火后具有体心立方(BCC(001))结构，并实现具有面心立方(FCC(111))结构的第二铁磁超晶格层和具有体心立方(BCC(001))结构的磁性参考层240的铁磁耦合。如图1所示，磁隧道结存储单元还包括底电极100、种子层210、磁性参考层240、绝缘隧道势垒层250、磁性自由层260、覆盖层270和顶电极300。
其中，第一铁磁超晶格层(1st FM-SL)221一般由(Co/Pt)nCo,(Co/Pd)nCo或(Co/Ni)nCo组成，第二铁磁超晶格层(2nd FM-SL)223一般由Co(Pt/Co)m,Co(Pd/Co)m,或(Co(Ni/Co)m,组成，一般单层Co，Pt，Pd或Ni的厚度为0.1nm～1nm。
由于合成反铁磁层(SyAF)的存在，来自磁性参考层和合成反铁磁层(SyAF)的漏磁场可以部分抵消，定量的，定义来自磁性参考层和合成反铁磁层(SyAF)总的漏磁场为HStray，那么：
其中，Hk eff为垂直有效各向异性场，Hk eff＝2(Keff/(μ0Ms))。进一步地，定义垂直于自由层并且向上的磁化矢量为正，则垂直于自由层向上的漏磁场为正。那么在自由层和磁性参考层的磁化矢量在平行或反平行的情况下，其热稳定性因子可以分别表达为如下的方程式：
此外，随着磁性自由层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。写操作的临界电流Ic0和热稳定性强相关，其关系可以表达如下的公式：
其中，α为阻尼系数(damping constant)，
为约化普朗克常数，η为自旋极化率。
更进一步，在磁化平行和反平行的时候，临界电流可以分别表示为如下的表达式：
在这种情况下，可以通过漏磁场(Stray Field)的调控，来进一步地，对平行状态和反平行状态的MRAM的临界电流进行调控。
另外，作为磁性存储器(MRAM)的核心存储单元的MTJ，还必须和CMOS工艺相兼容，必须能够承受在400℃条件下的长时间退火。
上述现有技术方案的不足在于：面心立方结构的第二铁磁超晶格层和具有体心立方结构的磁性参考层必须要通过一层晶格隔断层实现铁磁耦合。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术所存在的问题，找到一种磁性随机存取器及磁隧道结存储单元。
为了实现所述目的，一种磁隧道结存储单元，包括磁性自由层、绝缘隧道势垒层、磁性参考层和复合反铁磁层，所述绝缘隧道势垒层设置在磁性自由层与磁性参考层之间，所述复合反铁磁层设置在磁性参考层远离绝缘隧道势垒层的一侧，所述复合反铁磁层包括：
反铁磁耦合增强层，所述反铁磁耦合增强层为体心立方结构的铁磁性薄膜，与磁性参考层铁磁耦合；
第一铁磁超晶格层；
第二铁磁超晶格层，设置在第一铁磁超晶格层与反铁磁耦合增强层之间；
第一反铁磁耦合层，设置在第一铁磁超晶格层与第二铁磁超晶格层之间，使得第一铁磁超晶格层与第二铁磁超晶格层反铁磁耦合；以及
第二反铁磁耦合层，设置在反铁磁耦合增强层与第二铁磁超晶格层之间，使得反铁磁耦合增强层与第二铁磁超晶格层反铁磁耦合。
优选的，所述反铁磁耦合增强层包括Co(1-x)Fe(x)，其中0<x≤0.6。
优选的，所述反铁磁耦合增强层与磁性参考层之间设有铁磁耦合层，所述反铁磁耦合增强层通过所述铁磁耦合层与磁性参考层铁磁耦合。
优选地，铁磁耦合层，其总厚度为0.1nm～1.5nm，其组成材料为Ta、W、Mo、Hf、Fe、Co(Ta、W、Mo或Hf)、Fe(Ta、W、Mo或Hf)、FeCo(Ta、W、Mo或Hf)或FeCoB(Ta、W、Mo或Hf)。
反铁磁耦合增强层(SyAF-CEL)也可以直接连接磁性参考层，实现反铁磁耦合增强层(SyAF-CEL)和磁性参考层之间的铁磁耦合。
优选的，所述第二铁磁超晶格层为面心立方结构的铁磁性薄膜层，所述第一铁磁超晶格层为面心立方结构的铁磁性薄膜层。
优选的，第一铁磁超晶格层的磁化矢量和反铁磁耦合增强层/磁性参考层的磁化矢量平行，并垂直于磁性参考层膜平面；第二铁磁超晶格层和第一铁磁超晶格层、反铁磁耦合增强层/磁性参考层的磁化矢量反向平行，并垂直于磁性参考层膜平面。
优选的，所述第一铁磁超晶格层、反铁磁耦合增强层和磁性参考层在垂直方向上的饱和磁矩之和小于或等于所述第二铁磁超晶格层在垂直方向上的饱和磁矩。
优选的，所述反铁磁耦合增强层与磁性参考层之间设有铁磁耦合层，所述第一铁磁超晶格层、反铁磁耦合增强层、铁磁耦合层和磁性参考层在垂直方向上的饱和磁矩之和小于或等于所述第二铁磁超晶格层在垂直方向上的饱和磁矩。
复合反铁磁层和磁性参考层的饱和磁矩满足以下的关系式：
MS1S1t1+MS3S3t3≤MS2S2t2
其中，Ms为饱和磁化率，S为记忆单元的面积，t为厚度，MS1S1t1为第一铁磁超晶格层在垂直方向上的饱和磁矩，MS2S2t2为第二铁磁超晶格层在垂直方向上的饱和磁矩，MS3S3t3为反铁磁耦合增强层，铁磁耦合层和磁性参考层在垂直方向上的饱和磁矩。
一般地，各层的截面积相等，S1＝S2＝S3。
进一步的，MS1S1t1+MS3S3t3＜MS2S2t2
进一步的，MS1S1t1+MS3S3t3＝MS2S2t2
优选的，所述第二反铁磁耦合层包括Ru、Ir或Rh；所述第一反铁磁耦合层包括Ru、Ir或Rh；所述第一铁磁超晶格层包括[Co/Pt]nCo、[Co/Pd]nCo或[Co/Ni]nCo；所述第二铁磁超晶格层包括Co[Pt/Co]m、Co[Pd/Co]m或Co[Ni/Co]m。
为了实现所述目的，本发明一种磁性随机存取器，包括上述任意一种磁隧道结存储单元。
通过实施本发明可以取得以下有益技术效果：相对于传统的简单地具有一层或者两层超晶格铁磁层的合成反铁磁层的磁隧道结存储单元，本发明由于反铁磁耦合增强层为体心立方结构的铁磁性薄膜，所以不必须添加晶格隔断层，可让磁性参考层在退火后成为体心立方结构，从而增加铁磁隧道效应；本发明不仅有更优的体心立方结构的磁性参考层和铁磁隧道效应及其稳定性，并且具有更强的漏磁场和写电流调控能力，非常有利于磁性随机存储器磁学、电学和良率的提升，以及器件的进一步缩微化。
附图说明
图1为现有技术中的具有合成反铁磁层的磁隧道结存储单元的示意图；
图2为本发明的具有复合反铁磁层的磁隧道结存储单元的示意图；
图3为本发明的一个较优实施例中，在不同的漏磁场条件下，磁性自由层在外磁场下的翻转行为(磁场垂直于自由层)。
图中所示：100-底电极，210-种子层,220A-合成反铁磁层，220B-复合反铁磁层，221-第一铁磁超晶格层，222-第一反铁磁耦合层，223-第二铁磁超晶格层，224B-第二反铁磁耦合层，225B-反铁磁耦合增强层，230A-晶格隔断层，230B-铁磁耦合层，240-磁性参考层，250-绝缘隧道势垒层，260-磁性自由层，270-覆盖层和300-顶电极。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：
实施例一：
如图2所示，一种磁隧道结存储单元，包括磁性自由层260、绝缘隧道势垒层250、磁性参考层240和复合反铁磁层220B(C-SyAF，即Combined-SyAF)，绝缘隧道势垒层250设置在磁性自由层260与磁性参考层240之间，复合反铁磁层220B设置在磁性参考层240远离绝缘隧道势垒层250的一侧，复合反铁磁层220B包括：
反铁磁耦合增强层225B(SyAF-Coupling Enhancement Layer，SyAF-CEL)，所述反铁磁耦合增强层225B为体心立方结构的铁磁性薄膜，与磁性参考层240铁磁耦合；
第一铁磁超晶格层221(the 1st Ferrimagnet Supper-Lattice Layer,1st FM-SL)；
第二铁磁超晶格层223(the 2nd Ferrimagnet Supper-Lattice Layer,2nd FM-SL)，设置在第一铁磁超晶格层221与反铁磁耦合增强层225B之间；
第一反铁磁耦合层222(the 1st Anti-Ferrimagnet Coupling Layer,1st ACPL)，设置在第一铁磁超晶格层221与第二铁磁超晶格层223之间，使得第一铁磁超晶格层221与第二铁磁超晶格层223反铁磁耦合；以及
第二反铁磁耦合层224B(the 2nd Anti-Ferrimagnet Coupling Layer,2ndACPL)，设置在反铁磁耦合增强层225B与第二铁磁超晶格层223之间，使得反铁磁耦合增强层225B与第二铁磁超晶格层223反铁磁耦合。
通过实施本发明可以取得以下有益技术效果：
由于反铁磁耦合增强层为体心立方结构的铁磁性薄膜，所以不必须添加晶格隔断层，即可让磁性参考层在退火后成为体心立方结构，并增强了铁磁隧道效应；本发明不仅有更优的体心立方结构的磁性参考层和铁磁隧道效应及其稳定性，并且具有更强的漏磁场和写电流调控能力，非常有利于磁性随机存储器磁学、电学和良率的提升，以及器件的进一步缩微化。
作为上述磁隧道结存储单元的实施方式的可选方案，反铁磁耦合增强层225B包括Co(1-x)Fe(x)，其中0<x≤0.6；Co(1-x)Fe(x)使得第二铁磁超晶格层223和反铁磁耦合增强层225B的反铁层耦合更强，从而提高了磁性参考层240的稳定性。Co(1-x)Fe(x)为钴铁合金，作为优选，0.35≤x≤0.45，即反铁磁耦合增强层225B包括Co0.65-0.55Fe0.35-0.45，使得第二铁磁超晶格层223和反铁磁耦合增强层225B的反铁层耦合最强。
作为上述磁隧道结存储单元的一种实施方式，反铁磁耦合增强层是一层具有体心立方结构(BCC(001))的铁磁性薄膜；所述第二铁磁超晶格层223为面心立方结构(FCC(111))的铁磁性薄膜层，第一铁磁超晶格层221为面心立方结构(FCC(111))的铁磁性薄膜层。通过第二反铁磁耦合层224B实现从具有面心立方结构的第二铁磁超晶格层223和具有体心立方结构的反铁磁耦合增强层225B的反铁磁耦合。通过第一反铁磁耦合层222实现具有面心立方结构的第一铁磁超晶格层221与具有面心立方结构的第二铁磁超晶格层223的反铁磁耦合。
作为上述磁隧道结存储单元的一种实施方式，第一铁磁超晶格层221的磁化矢量和反铁磁耦合增强层225B/磁性参考层240的磁化矢量平行，并垂直于磁性参考层240膜平面；第二铁磁超晶格层223和第一铁磁超晶格层221、反铁磁耦合增强层225B/磁性参考层240的磁化矢量反向平行，并垂直于磁性参考层240膜平面。
作为上述磁隧道结存储单元的一种实施方式：
第一反铁磁耦合层222的材料是Ru、Ir或Rh。
第二反铁磁耦合层224B的材料是Ru、Ir或Rh。
第一铁磁超晶格层221由[Co/Pt]nCo、[Co/Pd]nCo或[Co/Ni]nCo组成，
第二铁磁超晶格层223由Co[Pt/Co]m、Co[Pd/Co]m或Co[Ni/Co]m组成。
其中，n>m≥0。
磁性参考层240为Co、Fe、Ni、CoFe、CoB、FeB、CoFeB或它们的组合。
作为上述磁隧道结存储单元的一种实施方式：
第二反铁磁耦合层224B的总厚度为0.3nm～1.5nm。
第一反铁磁耦合层222的总厚度为0.3nm～1.5nm。
第一铁磁超晶格层221，在垂直方向上的饱和磁化率为MS1，第一铁磁超晶格层221总的厚度为t1,饱和磁矩为MS1S1t1，更进一步地，t1的厚度为0.1nm～2nm。
第二铁磁超晶格层223在垂直方向上的饱和磁化率为MS2，第二铁磁超晶格层223为t2,t2的厚度为0.4nm～4nm。
作为上述磁隧道结存储单元的一种可选实施方式，反铁磁耦合增强层225B与磁性参考层240之间设有铁磁耦合层，反铁磁耦合增强层225B通过所述铁磁耦合层与磁性参考层240铁磁耦合；通过铁磁耦合层实现反铁磁耦合增强层225B和磁性参考层之间的铁磁耦合。
作为上述磁隧道结存储单元的另外一种可选实施方式，反铁磁耦合增强层225B与磁性参考层240之间设有掺杂磁性金属层，反铁磁耦合增强层225B通过所述掺杂磁性金属层与磁性参考层240铁磁耦合；通过非磁性金属层实现反铁磁耦合增强层225B和磁性参考层之间的铁磁耦合。
在这种情况下,MS3S3t3为反铁磁耦合增强层/掺杂磁性金属层/磁性参考层在垂直方向上的饱和磁矩。铁磁耦合层230B，其总厚度为0.1nm～1.5nm，其组成材料为Ta、W、Mo、Hf、Fe、Co(Ta、W、Mo或Hf)、Fe(Ta、W、Mo或Hf)、FeCo(Ta、W、Mo或Hf)或FeCoB(Ta、W、Mo或Hf)等。
更具体地，如果铁磁耦合层230B为非磁性金属，其成分为Ta、W、Mo或Hf等；如果铁磁耦合层230B为掺杂磁性金属，其成分为Co(Ta、W、Mo或Hf)、Fe(Ta、W、Mo或Hf)、FeCo(Ta、W、Mo或Hf)或FeCoB(Ta、W、Mo或Hf)等。
反铁磁耦合增强层(SyAF-CEL)也可以直接连接磁性参考层，实现反铁磁耦合增强层(SyAF-CEL)和磁性参考层之间的铁磁耦合。
反铁磁耦合增强层225B、铁磁耦合层230B和磁性参考层240的总厚度为t3，饱和磁化率MS3，饱和磁矩为MS3S3t3，更进一步地，t3的厚度为0.1nm～2nm。
复合反铁磁层220B和磁性参考层240的饱和磁矩满足以下的关系式：
MS1S1t1+MS3S3t3≤MS2S2t2
其中，Ms为饱和磁化率，S为记忆单元的面积，t为厚度，MS1S1t1为第一铁磁超晶格层221在垂直方向上的饱和磁矩，MS2S2t2为第二铁磁超晶格层223在垂直方向上的饱和磁矩，MS3S3t3为反铁磁耦合增强层225B/铁磁耦合层230B/磁性参考层240在垂直方向上的饱和磁矩。
一般地，各层的截面积相等，S1＝S2＝S3。
通过改变每层材料的饱和磁化率(MS)和厚度(t)，来调控施加在磁性自由层260之上的总的漏磁场，从而达到进一步调控在磁化矢量平行和反平行状态下的热稳定因子，以及临界电流。以获得更好读，写和存储信息的能力。
作为上述磁隧道结存储单元的一种可选实施方式，为了以使得总的漏磁场(HStray)降到最低，复合反铁磁层220B，铁磁耦合层230B和磁性参考层240的饱和磁矩满足以下的关系式：
MS1S1t1+MS3S3t3＝MS2S2t2
作为上述磁隧道结存储单元的一种可选实施方式，为了降低反平行到平行状态的临界电流密度和写操作电流密度，复合反铁磁层220B，铁磁耦合层230B和磁性参考层240的饱和磁矩满足以下的关系式：
MS1S1t1+MS3S3t3＜MS2S2t2
如图2所示，磁隧道结存储单元还包括底电极100、种子层210、覆盖层270和顶电极300；底电极100、种子层210、复合反铁磁层220B、铁磁耦合层230B、磁性参考层240、绝缘隧道势垒层250、磁性自由层260和覆盖层270和顶电极300依次叠加。
其中，底电极100组成材料为Ti、TiN、Ta、TaN、W、WN或者它们的组合，可采用物理气相沉积的方式实现，通常在沉积之后，对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道结的表面平整度。
其中，种子层210组成材料为Ta、Ti、TiN、TaN、W、WN、Ru、Pt、Cr、CrCo、CrNi、CoFeB或它们的组合；更进一步地，可以是Ta/Ru，Ta/Pt或Ta/Pt/Ru多层结构，用以优化后续的复合反铁磁层220B的晶体结构。
其中，绝缘隧道势垒层250为非磁性金属氧化物，优选MgO，MgBO，MgZnO或MgAlO。更进一步可以选择MgO。
其中，磁性自由层260具有可变磁极化，由CoB、FeB、CoFeB、CoFe/CoFeB、Fe/CoFeB、CoFeB/(Ta、W、Mo、Hf、V、Cr)/CoFeB、Fe/CoFeB/(Ta、W、Mo、Hf、V、Cr)/CoFeB或CoFe/CoFeB/(Ta、W、Mo、Hf、V、Cr)/CoFeB组成，更进一步地可以选择CoFeB/(Ta、W、Mo、Hf、V、Cr)/CoFeB、Fe/CoFeB/(Ta、W、Mo、Hf、V、Cr)/CoFeB或CoFe/CoFeB/(Ta、W、Mo、Hf、V、Cr)/CoFeB结构。
通常，在磁性自由层260沉积之后，再次沉积一层覆盖层270，一般为(Mg、MgO、MgBO、MgZnO或MgAlO)/(W、Mo、Mg、Nb、Ru、Hf、V、Cr或Pt它们的组合)双层结构，更优地，可以选择MgO/(W、Mo、Hf)/Ru或MgO/Pt/(W、Mo、Hf)/Ru等结构。选择MgO的较优效果为磁性自由层260提供了一个额外界面各向异性的来源，从而增加了热稳定。
可以选择第一RKKY反铁磁耦合振荡峰：Ru(其厚度为0.35nm～0.50nm)或Ir(其厚度为0.30nm～0.60nm)；也可以选择第二RKKY反铁磁耦合振荡峰：Ru(其厚度为0.7nm～1.0nm)或Ir(其厚度为1.30nm～1.50nm)。
图3为本发明的一个较优的实施案例，在不同的漏磁场条件下，磁性自由层在外磁场下的翻转行为(磁场垂直于磁性自由层)。
通过调控复合反铁磁层220B、铁磁耦合层230B和磁性参考层的厚度，以使得MS1S1t1+MS3S3t3＜MS2S2t2，MS1S1t1+MS3S3t3＝MS2S2t2或MS1S1t1+MS3S3t3＞MS2S2t2，从而使得Hstray＜0，Hstray＝0或Hstray＞0。更进一步地，从而达到调控不同前置状态下(磁化状态平行或者反平行)的写电流目的。
顶电极300可以选择Ta、TaN、TaN/Ta、Ti、TiN、TiN/Ti、W、WN、WN/W或它们的组合。
在所有膜层沉积之后，选择400℃的温度下，90分钟的退火，以使得磁性参考层和磁性自由层从非晶相变为体心立方的晶体结构。
实施例2：
与实施例的区别在于，本实施例中反铁磁耦合增强层225B直接与磁性参考层240连接，实现反铁磁耦合增强层225B与磁性参考层240之间的铁磁耦合；在这种情况下,MS3S3t3为反铁磁耦合增强层/磁性参考层在垂直方向上的饱和磁矩。
实施例3：
本发明还公开了一种磁性随机存取器，磁性随机存取器包含实施例1或实施2中的任意一个磁隧道结存储单元。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (10)
1.一种磁隧道结存储单元，其特征在于，包括磁性自由层、绝缘隧道势垒层、磁性参考层和复合反铁磁层，所述绝缘隧道势垒层设置在磁性自由层与磁性参考层之间，所述复合反铁磁层设置在磁性参考层远离绝缘隧道势垒层的一侧，所述复合反铁磁层包括：
反铁磁耦合增强层，所述反铁磁耦合增强层为体心立方结构的铁磁性薄膜，与磁性参考层铁磁耦合；
第一铁磁超晶格层；
第二铁磁超晶格层，设置在第一铁磁超晶格层与反铁磁耦合增强层之间；
第一反铁磁耦合层，设置在第一铁磁超晶格层与第二铁磁超晶格层之间，使得第一铁磁超晶格层与第二铁磁超晶格层反铁磁耦合；以及
第二反铁磁耦合层，设置在反铁磁耦合增强层与第二铁磁超晶格层之间，使得反铁磁耦合增强层与第二铁磁超晶格层反铁磁耦合。
2.如权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，所述反铁磁耦合增强层包括Co(1-x)Fe(x)，其中0<x≤0.6，作为优选，0.35≤x≤0.45。
3.如权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于：所述反铁磁耦合增强层与磁性参考层之间设有铁磁耦合层，所述反铁磁耦合增强层通过所述铁磁耦合层与磁性参考层铁磁耦合。
4.如权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，所述第二铁磁超晶格层为面心立方结构的铁磁性薄膜层，所述第一铁磁超晶格层为面心立方结构的铁磁性薄膜层。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的磁隧道结存储单元，其特征在于：第一铁磁超晶格层的磁化矢量和反铁磁耦合增强层/磁性参考层的磁化矢量平行，并垂直于磁性参考层膜平面；第二铁磁超晶格层和第一铁磁超晶格层、反铁磁耦合增强层/磁性参考层的磁化矢量反向平行，并垂直于磁性参考层膜平面。
6.如权利要求3所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，所述铁磁耦合层的总厚度为0.1nm～1.5nm，其组成材料为Ta、W、Mo、Hf、Fe、Co(Ta、W、Mo或Hf)、Fe(Ta、W、Mo或Hf)、FeCo(Ta、W、Mo或Hf)或FeCoB(Ta、W、Mo或Hf)。
7.如权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，所述第一铁磁超晶格层、反铁磁耦合增强层和磁性参考层在垂直方向上的饱和磁矩之和小于或等于所述第二铁磁超晶格层在垂直方向上的饱和磁矩。
8.如权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，所述反铁磁耦合增强层与磁性参考层之间设有铁磁耦合层，所述第一铁磁超晶格层、反铁磁耦合增强层、铁磁耦合层和磁性参考层在垂直方向上的饱和磁矩之和小于或等于所述第二铁磁超晶格层在垂直方向上的饱和磁矩。
9.如权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，所述第二反铁磁耦合层包括Ru、Ir或Rh；所述第一反铁磁耦合层包括Ru、Ir或Rh；所述第一铁磁超晶格层包括[Co/Pt]nCo、[Co/Pd]nCo或[Co/Ni]nCo；所述第二铁磁超晶格层包括Co[Pt/Co]m、Co[Pd/Co]m或Co[Ni/Co]m。
10.一种磁性随机存取器，其特征在于，包括权利要求1～9中任意一项权利要求所述的磁隧道结存储单元。
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