CN116250388A - 一种存储器及电子设备 - Google Patents

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CN116250388A CN202080105274.0A CN202080105274A CN116250388A CN 116250388 A CN116250388 A CN 116250388A CN 202080105274 A CN202080105274 A CN 202080105274A CN 116250388 A CN116250388 A CN 116250388A
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秦青
周雪
刘熹
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Abstract

本申请实施例提供一种存储器及电子设备，涉及存储器技术领域，可以提高自由层的翻转速度。该存储器包括设置于存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元以及位线，存储单元包括晶体管以及与晶体管连接的磁隧道结MTJ元件；MTJ元件设置于晶体管的源极或者漏极与位线之间的电流传输路径上；MTJ元件包括依次层叠设置的钉扎层、参考层、隧穿层和自由层；钉扎层的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向；存储器还包括设置于电流传输路径上的第一磁性结构；其中，第一磁性结构在自由层产生的磁场的方向与自由层的磁化方向不平行。

Description

一种存储器及电子设备 技术领域
本申请涉及存储器技术领域，尤其涉及一种存储器及电子设备。
背景技术
磁性随机存取存储器(magnetic random access memory，MRAM)是一种新型非易失性存储器。其中，自旋转移距磁性随机存取存储器(spin transfer torque magnetic random access memory，STT MRAM)因其具有速度快、功耗低、COMS(complementary metal-oxide-semiconductor，互补式金属氧化物半导体)兼容性好等优势，得到了广泛关注。
自旋转移距磁性随机存取存储器的读写功能由自旋转移距磁性随机存取存储器的存储单元来实现。存储单元的主要结构由磁隧道结(magnetic tunneling junction，MTJ)元件和晶体管组成。MTJ的结构主要由存储信息的自由层、隧穿层、固定磁化方向的参考层和钉扎层依次层叠组成。其中，参考层的磁化方向被钉扎层钉扎在某一方向保持不变，自由层的磁化方向可以改变，电流由不同方向流过MTJ(电流由固定层流向自由层或者电流由自由层流向固定层)时，自由层的磁化方向会随之改变，当自由层的磁化方向和参考层的磁化方向平行，即自由层的磁化方向和参考层的磁化方向相同时，存储单元呈现低电阻，即可存储为“0”；当自由层的磁化方向和参考层的磁化方向反平行，即自由层的磁化方向和参考层的磁化方向相反时，存储单元呈现高电阻，即可存储为“1”。磁性随机存取存储器的读取是检测存储单元的电阻。恒定的小电流从位线流经MTJ，在MTJ的两端会产生电位差，根据电位差的大小，可以确定MTJ的电阻，进而可以判断磁性随机存取存储器存储的信息是“0”还是“1”。
目前，由于存储单元在写入数据时，自由层翻转的速度较慢，因而影响了存储单元的写入效率。
发明内容
本申请实施例提供一种存储器及电子设备，可以提高自由层的翻转速度。
为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：
第一方面，提供一种存储器。该存储器包括设置于存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元以及位线，存储单元包括晶体管以及与晶体管连接的磁隧道结MTJ元件；MTJ元件设置于晶体管的源极或者漏极与位线之间的电流传输路径上；MTJ元件包括依次层叠设置的钉扎层、参考层、隧穿层和自由层；钉扎层的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向；存储器还包括设置于电流传输路径上的第一磁性结构；其中，第一磁性结构在自由层产生的磁场的方向与自由层的磁化方向不平行。由于第一磁性结构在自由层产生的磁场的方向与自由层的磁化方向不平行，因而第一磁性结构在自由层产生的磁场可以给自由层施加一个磁场力，有利于自由层的翻转，这样一来，降低了自由层翻转需要的电流，且降低了STT的孵化时间，提高了自由层的翻转速度，缩短了写入时间，提高了写入效率。
在一种可能的实施方式中，第一磁性结构在自由层产生的磁场的方向与自由层的磁化方向垂直。这样一来，第一磁性结构在自由层产生的磁场更大，更有利于自由层的翻转，因而可以进一步降低了STT的孵化时间，更有效地提高自由层的翻转速度。
在一种可能的实施方式中，存储器还包括设置于第一磁性结构和MTJ元件之间的连接层，第一磁性结构通过连接层与MTJ元件电连接；其中，MTJ元件在连接层上的投影和第一磁性结构在连接层上的投影至少部分区域不重叠。可以通过调整第一磁性结构的磁化方向以及MTJ元件与第一磁性结构在垂直于MTJ中各层的堆叠方向上的相对位置，来调整第一磁性结构在自由层产生的磁场的方向，以使第一磁性结构在自由层产生的磁场的方向与自由层的磁化方向不平行。
在一种可能的实施方式中，第一磁性结构连接于MTJ元件与晶体管的源极或漏极之间。
在一种可能的实施方式中，第一磁性结构连接于MTJ元件和位线之间。
在一种可能的实施方式中，MTJ元件还包括第一电极和第二电极；第一电极位于自由层远离钉扎层的一侧，第二电极位于钉扎层远离自由层的一侧；第一电极与位线电连接，第二电极与晶体管的源极或漏极电连接；或者，第一电极与晶体管的源极或漏极电连接，第二电极与位线电连接。此处，第一电极和第二电极上施加的电压大小决定了MTJ元件中电流的流向。
在一种可能的实施方式中，第一磁性结构的材料包括钴单质、铁单质、镍单质以及包含钴、铁、镍中至少一种的合金中的一种或多种。
在一种可能的实施方式中，钉扎层包括依次层叠设置的第一子钉扎层、非磁性层和第二子钉扎层；第一子钉扎层的磁化方向与第二子钉扎层的磁化方向相反。由于钉扎层包括第一子钉扎层和第二子钉扎层，且第一子钉扎层的磁化方向与第二子钉扎层的磁化方向相反，因而第一子钉扎层在自由层产生的杂散场的方向与第二子钉扎层在自由层产生的杂散场的方向相反，因此第一子钉扎层在自由层产生的杂散场和第二子钉扎层在自由层产生的杂散场可以抵消，从而可以降低或消除钉扎层在自由层产生的杂散场对自由层翻转的影响，进而降低自由层翻转需要的电流。
在一种可能的实施方式中，第一子钉扎层和第二子钉扎层均包括沿所述MTJ中各层的堆叠方向交替层叠设置的铁磁层和重金属层。
在一种可能的实施方式中，铁磁层的材料包括钴单质、铁单质、镍单质以及包含钴、铁、镍中至少一种的合金中的一种或多种；重金属层的材料包括铂单质、钽单质、铜单质、铱单质、钌单质、钨单质以及包含铂、钽、铜、铱、钌、钨中至少一种的合金中的一种或多种。
在一种可能的实施方式中，存储器还包括设置于电流传输路径上，且与MTJ元件接触的第二磁性结构；第二磁性结构的磁化方向与钉扎层的磁化方向的夹角为(90°,180°]；其中，第一磁性结构连接于MTJ元件与晶体管的源极或漏极之间，第二磁性结构连接于MTJ元件和位线之间；或者，第一磁性结构连接于MTJ元件和位线之间，第二磁性结构连接于MTJ元件与所述晶体管的源极或漏极之间。由于第二磁性结构的磁化方向与钉扎层的磁化方向的夹角为(90°,180°]，因而第二磁性结构在自由层产生的磁场可以抵消钉扎层在自由层产生的磁场，从而可以降低或消除自由层产生 的补偿场，这样一来，降低了自由层翻转需要的电流，且可以解决MTJ翻转不对称(即，使自由层的磁化方向向相反的两个方向改变时所需的电流大小不一样)的问题。
在一种可能的实施方式中，第二磁性结构的磁化方向与钉扎层的磁化方向相反，且第二磁性结构在自由层产生的磁场与钉扎层在自由层产生的磁场大小相同。这样一来，第二磁性结构在自由层产生的磁场可以抵消钉扎层在自由层产生的磁场，因此自由层受到的磁场为零或趋近于零，自由层因磁场产生的补偿场为零或趋近于零，这样一来，进一步降低了自由层翻转需要的电流，更有效地解决了MTJ翻转不对称的问题。
在一种可能的实施方式中，第二磁性结构的磁化方向与钉扎层的磁化方向相反，且第二磁性结构在自由层产生的磁场与钉扎层和参考层在自由层产生的磁场大小相同。这样一来，钉扎层和参考层在自由层产生的磁场都可以被第二磁性结构在自由层产生的磁场抵消，更进一步地降低了自由层翻转需要的电流。
在一种可能的实施方式中，钉扎层包括沿MTJ中各层的堆叠方向交替层叠设置的铁磁层和重金属层。由于钉扎层只包括沿MTJ中各层的堆叠方向交替层叠设置的铁磁层和重金属层，因而钉扎层的厚度大大减小，结构简化，有利于降低隧穿层和自由层界面的粗糙度，并降低应力累积，且有利于MTJ的微缩。此外，钉扎层的厚度大大减小，即隧穿层下方的导电材料的厚度降低，降低了刻蚀过程中反溅导致短路的概率，提高了工程良率。
在一种可能的实施方式中，钉扎层的材料为垂直磁各向异性材料。由于钉扎层的材料为垂直磁各向异性材料，因而钉扎层的磁化方向容易被磁化成平行于MTJ中各层的堆叠方向，因而钉扎层的厚度可以设置的较小，这样一来，结构简化，有利于降低隧穿层和自由层界面的粗糙度，并降低应力累积，且有利于MTJ的微缩。此外，钉扎层的厚度大大减小，即隧穿层下方的导电材料的厚度降低，降低了刻蚀过程中反溅导致短路的概率，提高了工程良率。
在一种可能的实施方式中，钉扎层的材料包括铁铂合金、钴铂合金中的一种或多种。此处，铁铂合金、钴铂合金都是垂直磁各向异性材料。
在一种可能的实施方式中，参考层和自由层的材料包括钴铁硼CoFeB合金；隧穿层的材料包括氧化镁MgO。
在一种可能的实施方式中，晶体管的栅极通过字线WL连接字线控制电路，晶体管的源极或漏极连接数据线；位线BL连接位线控制电路。
第二方面，提供一种电子设备。该电子设备包括电路板以及与电路板电连接的存储器，存储器为上述的存储器。该电子设备具有与前述实施例相同的技术效果，此处不再赘述。
附图说明
图1a为本申请的实施例提供的一种存储系统的结构示意图；
图1b为本申请的另一实施例提供的一种存储系统的结构示意图；
图1c为本申请的又一实施例提供的一种存储系统的结构示意图；
图2为本申请的实施例提供的一种存储器的结构示意图；
图3a为本申请的实施例提供的一种MTJ元件的结构示意图；
图3b为本申请的另一实施例提供的一种MTJ元件的结构示意图；
图4a为本申请的另一实施例提供的一种存储器的结构示意图；
图4b为本申请的实施例提供的一种MTJ元件、导电结构和第一磁性结构的结构示意图；
图5a为本申请的又一实施例提供的一种存储器的结构示意图；
图5b为本申请的另一实施例提供的一种MTJ元件、导电结构和第一磁性结构的结构示意图；
图6a为本申请的再一实施例提供的一种存储器的结构示意图；
图6b为本申请的实施例提供的一种MTJ元件和第一磁性结构的结构示意图；
图7a为本申请的另一实施例提供的一种存储器的结构示意图；
图7b为本申请的又一实施例提供的一种MTJ元件、导电结构和第一磁性结构的结构示意图；
图8a为本申请实施例提供的一种第一磁性结构或第二磁性结构体内的磁场方向和外部的磁场方向的示意图；
图8b为图8a中的黑色直线B标示的位置的平面的仿真结果图；
图9为MTJ元件的结构示意图；
图10为MTJ元件中第一子钉扎层、第二子钉扎层或钉扎层的结构示意图；
图11a为本申请的又一实施例提供的一种存储器的结构示意图；
图11b为本申请的实施例提供的一种MTJ元件、第一磁性结构和第二磁性结构的结构示意图；
图12a为本申请的再一实施例提供的一种存储器的结构示意图；
图12b为本申请的另一实施例提供的一种MTJ元件、第一磁性结构和第二磁性结构的结构示意图；
图13为图8a中的黑色直线A和黑色直线B标示位置的仿真结果图。
附图标记：
10-存储器；11-存储单元；12-MTJ元件；13-衬底基板；15-导电层；16-第一磁性结构；17-第二磁性结构；18-连接层；121-第一电极；122-第二电极；141-源极；142-漏极；143-有源层；144-栅极；151-第一导电部分；152-第二导电部分；1231-钉扎层；1232-参考层；1233-隧穿层；1234-自由层；1235-种子层；1236-结构转化层；1237-覆盖层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另有定义，否则本文所用的所有科技术语都具有与本领域普通技术人员公知的含义相同的含义。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述方便，而不能理解为指示或暗示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，术语“电连接”可以是直接的电性连接，也可以通过中间媒介间接的电性连接。
需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或 说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本申请提供的技术方案可以应用于采用磁性随机存取存储器的各种存储系统中。例如，本申请提供的技术方案应用于计算机中。又例如，本申请提供的技术方案应用于包括存储器、或者包括处理器和存储器的存储系统中，该处理器可以为中央处理器(central processing unit，CPU)、人工智能(artificial intelligence，AI)处理器、数字信号处理器(digital signal processor)和神经网络处理器等。
图1a为本申请实施例提供的一种存储系统的结构示意图，存储系统可以包括存储装置，该存储装置可以为磁性随机存取存储器。可选的，该存储系统还可以包括CPU、缓存器(cache)和控制器等。
在一种实施例中，如图1a所示，该存储系统包括集成在一起的CPU、缓存器和存储装置。在另一种实施例中，如图1b所示，该存储系统可以为作为独立的存储器，该存储系统包括集成在一起的CPU、缓存器、控制器和存储装置，该存储装置通过该控制器与该缓存器和该CPU相耦合。在又一种实施例中，如图1c所示，该存储系统包括存储装置，以及集成在一起的CPU、缓存器、控制器和动态随机存储器(dynamic random access memory，DRAM)，该存储装置可以作为外部的存储装置与DRAM耦合；其中，该DRAM通过该控制器与该缓存器和该CPU相耦合。图1a、图1b和图1c中所示的各种存储系统中的CPU也可以替换为CPU核(core)。图1a、图1b和图1c中存储装置可以为磁性随机存取存储器。
本申请实施例提供一种磁性随机存取存储器(下文中称为存储器)，可以应用于上述的存储系统中。如图2所示，该存储器10的结构包括设置于存储器10的存储区域内阵列分布的多个存储单元11，存储单元11包括晶体管T以及与晶体管T连接的磁隧道结MTJ元件12。
上述晶体管T可以是薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)，也可以是MOS(metal oxide semiconductor)管等其他类型晶体管。晶体管T包括源极、漏极、有源层、栅绝缘层以及栅极，源极和漏极均与有源层接触，栅绝缘层设置于栅极和有源层之间。
如图2所示，存储器10的结构还包括多条平行排列的字线(word line，WL)和多条平行排列的位线(bit line，BL)，且字线WL与位线BL相互交叉，例如，字线WL与位线BL相互垂直。在一些实施例中，存储器10还包括多条平行排列的数据线，数据线可以与位线BL平行。其中，晶体管T的栅极与字线WL电连接，晶体管T的源极或漏极与数据线电连接。此处，可以是晶体管T的源极与数据线电连接，此时数据线可以也称为源极线(source line，SL)；也可以是晶体管T的漏极与数据线电连接。附图2以晶体管T的源极与源极线电连接为例进行示意。
在一些实施例中，字线WL还与字线控制电路电连接，通过字线控制电路为字线WL提供高电平信号或低电平信号，以使晶体管T处于导通状态或截止状态。在晶体管T为N型晶体管的情况下，高电平信号控制晶体管T导通，低电平信号控制晶体管T截止。在晶体管T为P型晶体管的情况下，低电平信号控制晶体管T导通，高电平信号控制晶体管T截止。
在一些实施例中，位线BL还与位线控制电路电连接，通过位线控制电路为位线BL提供信号。
在一些实施例中，数据线接地。
MTJ元件12设置于晶体管T的源极或者漏极与位线BL之间的电流传输路径上。
如图3a所示，MTJ元件12包括第一电极121、第二电极122和位于第一电极121和第二电极122之间的MTJ，MTJ包括依次层叠设置的钉扎层1231、参考层1232、隧穿层1233和自由层1234；钉扎层1231的磁化方向(也可以称为磁矩方向)平行于MTJ中各层的堆叠方向。第一电极121位于自由层1234远离钉扎层1231的一侧，第二电极122位于钉扎层1231远离自由层1234的一侧。其中，MTJ元件12中的第一电极121与上述位线BL电连接，第二电极122与上述晶体管T的漏极或源极电连接；或者，第一电极121与上述晶体管T的漏极或源极电连接，第二电极122与上述位线BL电连接。下文中是以第一电极121与位线BL电连接，第二电极122与晶体管T的漏极电连接，晶体管T的源极与源极线SL电连接为例进行的说明。
应当理解到，在第二电极122或第一电极121与晶体管T的漏极电连接时，晶体管T的源极与数据线电连接。在第二电极122或第一电极121与晶体管T的源极电连接时，晶体管的漏极与数据线电连接。
需要说明的是，MTJ中各层的堆叠方向可以由钉扎层1231指向自由层1234，也可以由自由层1234指向钉扎层1231。附图3a和图3b钉扎层1231中标示的箭头为钉扎层1231的磁化方向。以MTJ中各层的堆叠方向为由钉扎层1231指向自由层1234的方向为例，在此情况下，图3a和图3b中钉扎层1231标示的箭头也可以表示MTJ中各层的堆叠方向。以MTJ中各层的堆叠方向为由钉扎层1231指向自由层1234的方向为例，钉扎层1231的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向可以是钉扎层1231的磁化方向与MTJ中各层的堆叠方向相同，即钉扎层1231的磁化方向为由钉扎层1231指向自由层1234的方向；也可以是钉扎层1231的磁化方向与MTJ中各层的堆叠方向平行且相反，即钉扎层1231的磁化方向为由自由层1234指向钉扎层1231的方向。
此外，参考层1232是MTJ中具有固定磁化方向的膜层，钉扎层1231和参考层(也可以称为被钉扎层)1232之间具有很强的铁磁耦合作用，参考层1232的磁化方向可以被钉扎层1231钉扎在固定的方向上，参考层1232的磁化方向很难被改变。参考层1232的磁化方向和钉扎层1231的磁化方向相同，因而参考层1232的磁化方向也平行于MTJ中各层的堆叠方向。此外，钉扎层1231用于使参考层1232的磁化方向钉扎在固定的方向上，因而钉扎层1231的磁化方向应不易改变，即钉扎层1231应具有较大的矫顽场。而参考层1232和自由层1234之间由于隧穿层1233的作用，处于退耦合的状态，因此自由层1234的磁化方向很容易在外加磁场的作用下发生改变，自由层1234的磁化方向与参考层1232的磁化方向可以呈平行或反平行状态，即自由层1234的磁化方向与参考层1232的磁化方向可以相同或相反。
基于上述，由于钉扎层1231、参考层1232以及自由层1234的磁化方向均平行于MTJ中各层的堆叠方向，因而本申请实施例中的MTJ为具有垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)的MTJ。
上述参考层1232和自由层1234为磁性层，示例的，参考层1232和自由层1234 的材料包括钴铁硼(CoFeB)合金、钴铁(CoFe)合金或镍铁钴(NiFeCo)合金中的一种或多种。以参考层1232和自由层1234的材料为CoFeB合金为例，具体地，参考层1232和自由层1234的材料可以为(Co xFe 1-x) 1-yB y，其中，x，y均界于0-0.30之间。
上述隧穿层1233为非磁性层，示例的，隧穿层1233的材料包括氧化镁(MgO)或三氧化二铝(Al 2O 3)中的一种或多种。
为了便于生长钉扎层1231，因而在一些实施例中，如图3b所示，MTJ元件12还包括设置在第二电极122和钉扎层1231之间的种子层(seed)1235，可以在种子层1235上生长钉扎层1231。
考虑到参考层1232的材料一般为001晶向，钉扎层1231的材料一般为111晶向，由于参考层1232和钉扎层1231的晶格差异较大，因而在钉扎层1231上生长参考层1232比较困难，会造成粗糙度累积、应力累积等。基于此，在一些实施例中，如图3b所示，MTJ元件12还包括设置在参考层1232和钉扎层1231之间的结构转化层1236，结构转化层1236的材料为非晶材料。
由于设置在参考层1232和钉扎层1231之间的结构转化层1236的材料为非晶材料，而非晶材料没有固定的晶向，因而在结构转化层1236上生长参考层1232可以避免晶格差异导致的生长困难，以及粗糙度累积、应力累积等问题。
示例的，结构转化层1236的材料为钽(Ta)、钽合金、钽钨合金中的一种或多种。其中，钽为非晶材料。
在此基础上，在一些实施例中，如图3b所示，MTJ元件12还包括设置在自由层1234远离隧穿层1233一侧，且与自由层1234接触的覆盖层(capping)1237。此处，增加覆盖层1237后，覆盖层1237和自由层1234的界面有利于增大自由层1234的垂直磁各向异性，从而可以达到增大数据保存时间的目的。
示例的，覆盖层1237的材料包括氧化镁。
应当理解到，隧穿层1233位于参考层1232和自由层1234之间，在读取MTJ元件12存储的数据时，MTJ元件12的隧穿磁电阻(tunneling magneto resistance，TMR)的90％以上源自于隧穿层1233，因而隧穿层1233的电阻应设置的较大，而覆盖层1237位于自由层1234远离隧穿层1233一侧，覆盖层1237在用于起增大自由层1234的垂直磁各向异性的作用的同时，还用于电流的传输，因此覆盖层1237的电阻应设置的较小。也就是说，隧穿层1233的电阻远大于覆盖层1237的电阻。当隧穿层1233的材料和覆盖层1237的材料均选用氧化镁时，由于隧穿层1233的电阻远大于覆盖层1237的电阻，因而可以通过调整覆盖层1237的厚度较小以使得覆盖层1237的电阻的较小。当然还可以采用镁氧化生长的方式形成氧化镁，这样形成的氧化镁的电阻较小。
磁性随机存取存储器实现读写的关键是具有较大的隧穿磁电阻，同时具有高自旋转移效率，而本申请上述的MTJ结构可以获得较大的隧穿磁电阻(150％-250％),同时具有高自旋转移效率(＞0.8)，因此能够确保实现读写功能。
基于上述存储器10的结构，以下以一个存储单元11为例，介绍存储器10的工作过程。
存储单元11在写入时，晶体管T处于导通状态，当电流方向由自由层1234流向 参考层1232，即自旋电子从参考层1232流向自由层1234，自旋电子通过参考层1232时，电流中的电子沿着参考层1232的磁化方向被自旋极化，电子的自旋磁矩与参考层1232的磁化方向平行，电子穿过隧穿层1233到达自由层1234时，自旋电子将自旋矩(也称为自旋角动量，即STT)传递给自由层1234，而受到自旋矩效应的自由层1234，其磁化强度小，因而自由层1234的磁化方向能够根据自旋电流中自旋电子的极化方向自由地发生变化，最终使得自由层1234的磁化方向和参考层1232的磁化方向呈平行状态，即自由层1234的磁化方向与参考层1232的磁化方向相同，可以代表写入信息是“0”。
当电流方向由参考层1232流向自由层1234，即自旋电子从自由层1234流向参考层1232时，自旋电子与参考层1232中的磁矩发生交换耦合作用，使自旋平行于参考层1232的磁化方向的电子通过，而自旋反平行于参考层1232磁化方向的电子被反射，被反射的电子穿过隧穿层1233到达自由层1234，并与自由层1234磁矩发生交换耦合作用，使自由层1234的磁化方向向着参考层1232磁化方向的反方向转动，最终使得自由层1234的磁化方向与参考层1232的磁化方向呈反平行状态，即自由层1234的磁化方向与参考层1232的磁化方向相反，可以代表写入信息是“1”。此处电流方向可以通过位线BL和源极线SL上提供的电压控制，当位线BL提供的电压大于源极线SL提供的电压，电流由自由层1234流向参考层1232；当位线BL提供的电压小于源极线SL提供的电压，电流由参考层1232流向自由层1234。
存储单元11在读取时，恒定的小电流从位线BL经过MTJ到导通的晶体管T的漏极流出，在MTJ的两端会产生电位差。根据电位差的大小，可以确定MTJ的电阻，即，可以得到自由层1234与参考层1232的磁化方向的相对取向关系，进而可以判断存储单元11存储的信息是“0”还是“1”。具体的，MTJ呈现低电阻，自由层1234的磁化方向与参考层1232的磁化方向呈平行状态，存储单元11存储的信息为“0”；MTJ呈现高电阻，自由层1234的磁化方向与参考层1232的磁化方向呈反平行状态，存储单元11存储的信息为“1”。
应当理解到，存储器10在存储信息和读取信息时，字线控制电路逐行给字线提供选通信号，以使多行存储单元11中的晶体管T逐行导通，进而可以逐行写入信息或读取信息。
基于上述存储单元11的工作原理，本申请实施例提供的存储器10也可以称为自旋转移距磁性随机存取存储器。
参考图4a、图5a以及图6a，上述存储器10还可以包括衬底基板13，晶体管T、MTJ元件12以及其它图案等均设置于衬底基板13上。附图4a、图5a以及图6a均以晶体管为MOS管为例进行示意，示意出了晶体管T的源极141、漏极142、有源层143以及栅极144，设置在栅极144和有源层143之间的栅绝缘层未示意出。
应当理解到，在存储器10的制程中，在衬底基板13上制作完晶体管T后，不是直接制作MTJ元件12，通常在制作完晶体管T之后，制作MTJ元件12之前，还会形成其它导电功能图案和绝缘层(附图4a、图5a以及图6a未示意出导电功能图案和绝缘层)。基于此，为了将晶体管T的漏极142与MTJ元件12中的第二电极122电连接在一起，因而如图4a、图5a以及图6a所示，在晶体管T的漏极142和MTJ元件 12之间的电流传输路径上，第二电极122与晶体管T的漏极142之间串联有至少一个导电结构15(也可以称为导电管或金属导电管)，第二电极122通过该至少一个导电结构15与晶体管T的漏极142电连接。同样的，在制作完MTJ元件12之后，制作位线BL之前，也会形成导电功能图案和绝缘层。基于此，为了将第一电极121与位线BL电连接在一起，因而如图4a、图5a以及图6a所示，在MTJ元件12与位线BL之间的电流传输路径上，第一电极121与位线BL之间串联有至少一个导电结构15，第一电极121通过该至少一个导电结构15与位线BL电连接。其中，导电结构15与导电功能图案可以同步形成。
在此基础上，如图4a、图5a以及图6a所示，本申请实施例提供的存储器10还包括设置于电流传输路径上的第一磁性结构16；其中，第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场(该磁场可以称为静磁场或杂散场)的方向与自由层1234的磁化方向不平行。
相对于现有技术，本申请实施例在晶体管T的源极141或漏极142与位线BL之间的电流传输路径上，增加了第一磁性结构16。
应当理解到，由于第一磁性结构16设置于晶体管T的源极141或漏极142与位线BL之间的电流传输路径上，因而第一磁性结构16具有导电性。
以下示例性地提供两种实施方式以实现第一磁性结构16在自由层1234产生磁场的方向与自由层1234的磁化方向不平行。
在第一种实施方式中，如图4a、图5a以及图6a所示，上述存储器还包括设置于第一磁性结构16和MTJ元件12之间的连接层18，第一磁性结构16通过连接层18与MTJ元件12电连接；其中，MTJ元件12在连接层18上的投影和第一磁性结构16在连接层18上的投影至少部分区域不重叠。
在该实施方式中，在一些实施例中，第一磁性结构16的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向。
需要说明的是，为了确保外加磁场去除后，第一磁性结构16的磁化方向能够仍然保持不变，例如第一磁性结构16的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向，也即，为了使第一磁性结构16具有磁形状各向异性，因此该第一磁性结构16沿平行于MTJ中各层的堆叠方向的长度大于或等于其沿垂直于MTJ中各层的堆叠方向的长度。在第一磁性结构16为圆柱体的情况下，第一磁性结构16的高度大于或等于第一磁性结构16的直径。
在此基础上，可以通过调整第一磁性结构16的磁化方向以及MTJ元件12与第一磁性结构16在垂直于MTJ中各层的堆叠方向上的相对位置，来调整第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场的方向。
此外，在一些示例中，MTJ元件12在连接层18上的投影和第一磁性结构16在连接层18上的投影部分区域重叠，部分区域不重叠。在另一些示例中，MTJ元件12在连接层18上的投影和第一磁性结构16在连接层18上的投影不重叠，即MTJ元件12在连接层18上的投影和第一磁性结构16在连接层18上的投影无重叠区域。本申请实施例附图均以MTJ元件12在连接层18上的投影和第一磁性结构16在连接层18上的投影无重叠区域为例进行示意。
在第二种实施方式中，如图7a和图7b所示，第一磁性结构16与MTJ元件12接触，且第一磁性结构16的磁化方向垂直于MTJ中各层的堆叠方向。
此处，以MTJ中各层的堆叠方向为竖直方向为例，第一磁性结构16的磁化方向可以是水平向左，也可以是水平向右。
应当理解到，当第一磁性结构16的磁化方向垂直于MTJ中各层的堆叠方向时，如图7a和图7b所示，第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场的方向与MTJ中各层的堆叠方向垂直。
需要说明的是，为了确保外加磁场去除后，第一磁性结构16的磁化方向能够仍然保持垂直于MTJ中各层的堆叠方向，不发生变化，即为了使第一磁性结构16具有磁形状各向异性，因此该第一磁性结构16沿垂直于MTJ中各层的堆叠方向的长度大于或等于其沿平行于MTJ中各层的堆叠方向的长度。在第一磁性结构16为圆柱体的情况下，第一磁性结构16的直径大于或等于第一磁性结构16的高度。
另外，上述的存储器10可以包括一个第一磁性结构16，在此情况下，可以是如图4a和图4b所示，第一磁性结构16连接于MTJ元件12与晶体管T的源极141或漏极142之间。在存储器10包括连接层18的情况下，第一磁性结构16通过连接层18与MTJ元件12电连接。也可以是如图5a和图5b所示，第一磁性结构16连接于MTJ元件12和位线BL之间。在存储器10包括连接层18的情况下，第一磁性结构16通过连接层18与MTJ元件12电连接。存储器10还可以包括两个第一磁性结构16，在此情况下，如图6a和图6b所示，一个第一磁性结构16连接于MTJ元件12与晶体管T的源极141或漏极142之间，另一个第一磁性结构16连接于MTJ元件12和位线BL之间。在存储器10包括连接层18的情况下，两个第一磁性结构16分别通过两个连接层18与MTJ元件12电连接，这两个第一磁性结构16在连接层18上的投影可以有重叠区域，也可以无重叠区域。图6a和图6b以这两个第一磁性结构16在连接层18上的投影无重叠区域为例进行示意。
在一些实施例中，上述第一磁性结构16的材料包括钴单质、铁单质、镍单质以及包含钴、铁、镍中至少一种的合金中的一种或多种。
其中，包含钴、铁、镍中至少一种的合金例如可以为CoB(钴硼)合金、FeB(铁硼)合金。
示例的，上述连接层16的材料可以为铜(Cu)。
可以理解的是，存储器10中的导电结构15的材料为非磁性材料，例如铜。
需要说明的是，图4a、图4b、图5a、图5b、图6a、图6b、图7a以及图7b中的虚曲线表示第一磁性结构16的磁力线。
在本申请的一些实施例中，可以通过填孔工艺形成第一磁性结构16，具体过程为：先形成一层绝缘层，绝缘层包括过孔(via)；接下来，沉积一层磁性薄膜；接下来，磨平过孔以外的磁性薄膜，以在过孔内形成第一磁性结构16。
此外，图4a、图5a、图6a以及图7a中有的导电层15包括第一导电部分151和第二导电部分152，这是因为在制作导电结构15时，先形成一层绝缘层，绝缘层包括过孔；接下来，形成导电薄膜，将导电薄膜沉积在绝缘层的过孔内的部分称为第一导电部分151，对导电薄膜进行构图，形成上述的导电功能图案，同时将沉积在过孔上 方的导电薄膜经构图后形成的部分称为第二导电部分152。
另外，在存储器10包括连接于MTJ元件12和位线BL之间，且与MTJ元件12接触的导电结构15时，该导电结构15可以如图4a所示，包括第一导电部分151和第二导电部分152，具体制作过程可以参考上述，此处不再赘述。
在存储器10包括连接于MTJ元件12与晶体管T的源极141或漏极142之间，且与MTJ元件12接触的导电结构15时，该导电结构15可以包括第一导电部分151和第二导电部分，具体制作过程可以参考上述，此处不再赘述。该导电结构15也可以如图5a所示，包括第一导电部分151，但不包括第二导电部分152，具体制作过程为：先形成绝缘层，绝缘层包括过孔；接下来，形成导电薄膜；接下来，去除(例如磨平)过孔外的导电薄膜,导电薄膜沉积在绝缘层的过孔内部分形成第一导电部分151，即导电结构15。
如图4a所示，在存储器10包括连接于MTJ元件12与晶体管T的源极141或漏极142之间的第一磁性结构16时，制作完第一磁性结构16后，形成一层导电薄膜，对导电薄膜进行构图，以形成连接层18，之后形成MTJ元件12。
如图5a所示，在存储器10包括连接于MTJ元件12和位线BL之间的第一磁性结构16时，在制作完MTJ元件12之后，形成连接层18，接下来形成第一磁性结构16。形成连接层18的过程可以参考上述，此处不再赘述。在此基础上，形成第一磁性结构16之后，形成导电结构15的过程可以为如图5a和图6a所示，形成导电薄膜，对导电薄膜进行构图，形成导电结构15；也可以为先形成绝缘层，绝缘层包括过孔；接下来，形成导电薄膜，导电薄膜沉积在绝缘层的过孔内的部分形成导电结构15的第一导电部分151，对导电薄膜进行构图，形成上述的导电功能图案，同时沉积在过孔上方的导电薄膜经构图后形成的部分为导电结构15的第二导电部分152。
应当理解到，当第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场的方向与自由层1234的磁化方向垂直时，自由层1234在翻转时，第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场可以给自由层1234施加一个磁场力，有利于自由层1234的翻转；当第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场的方向与自由层1234的磁化方向不平行，且不垂直时，自由层1234在翻转时，第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场在垂直于MTJ中各层的堆叠方向上的磁场分量(也可以称为面内分量)，即第一磁性结构16在自由层1234产生的净面内场，可以给自由层1234施加一个磁场力，有利于自由层1234的翻转。
本申请实施例提供一种存储器10，该存储器10包括多个存储单元11以及位线BL，存储单元11包括晶体管T以及与晶体管T连接的MTJ元件12，MTJ元件12设置于晶体管T的源极141或者漏极142与位线BL之间的电流传输路径上；MTJ元件12包括依次层叠设置的钉扎层1231、参考层1232、隧穿层1233和自由层1234，钉扎层1231的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向；存储器10还包括设置于电流传输路径上的第一磁性结构16；其中，第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场的方向与自由层1234的磁化方向不平行。由于第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场的方向与自由层1234的磁化方向不平行，因而第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场可以给自由层1234施加一个磁场力，有利于自由层1234的翻转，这样一来，降低 了自由层1234翻转需要的电流，且降低了STT的incubation time(孵化时间)，提高了自由层1234的翻转速度，缩短了写入时间，提高了存储单元11的写入效率。
在一些实施例中，第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场的方向与自由层1234的磁化方向垂直。
应当理解到，当第一磁性结构16通过连接层18与MTJ元件12电连接，且第一磁性结构16的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向时，通过调整MTJ元件12与第一磁性结构16在垂直于MTJ中各层的堆叠方向上的相对位置，可以使得第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场的方向与自由层1234的磁化方向垂直。在第一磁性结构16的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向的情况下，第一磁性结构16的磁化方向可以与钉扎层1231的磁化方向相同，也可以与钉扎层1231的磁化方向相反。
由于当第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场的方向与自由层1234的磁化方向垂直时，第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场更大，更有利于自由层1234的翻转，因而可以进一步降低自由层1234翻转需要的电流，且进一步降低了STT的孵化时间，更有效地提高自由层1234的翻转速度。
参考图8a和图8b，图8a为模拟仿真的示意图，图8a中的方框表示第一磁性结构16，第一磁性结构16的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向，图8a示意出了第一磁性结构16体内的磁场方向以及外部产生的杂散场的方向。其中图8a中用箭头表示第一磁性结构16所处空间的磁场方向，第一磁性结构16所处空间的磁场方向包括第一磁性结构16体内的磁场方向以及外部产生的杂散场的方向。图8a中黑色直线A平行于MTJ中各层的堆叠方向。从图8a中黑色直线B所示的位置可以看出，在该黑色直线B所示的位置的平面上，在第一磁性结构16上方的两侧可以产生面内杂散场(即磁场方向垂直于MTJ中各层的堆叠方向的杂散场)。图8b为图8a中黑色直线B所示的位置的平面的仿真结果图，图8b中的虚线圈表示MTJ。根据图8b可知，在图8a中黑色直线B所示的位置的平面上，在第一磁性结构16上方的两侧会产生一个绝对值大小约为3000e-800Oe的面内杂散场，可以利用该杂散场翻转自由层1234。此外，移动MTJ(图8b中的虚线圈)，可以选择MTJ受到的第一磁性结构16产生的面内杂散场的大小，即调节MTJ和第一磁性结构16在垂直于MTJ中各层的堆叠方向(例如水平方向)上的相对位置可以调节MTJ受到的第一磁性结构16产生的面内杂散场的大小。
自由层1234翻转需要的电流J th可以根据以下公式计算：
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其中，H X是第一磁性结构16在自由层1234产生的面内场(即第一磁性结构16在自由层1234产生的磁场方向为垂直于MTJ中各层的堆叠方向的磁场)，H K,eff是有效各向异性场，M S是饱和磁化强度，t F是自由层1234的厚度，e是电子常量，α是磁阻尼系数(magnetic damping)，h是普朗克常数，η是自旋转移效率。
根据上述公式可知，第一磁性结构16在自由层1234产生的面内场能明显减小自由层 1234翻转需要的电流的大小，同时面内场作用于自由层1234的磁化方向的同时，加强了热扰动的效果，降低了STT的孵化时间，加快了自由层1234的翻转，减小了MTJ的写时长，进一步减小了MTJ的动态写功耗。
在此基础上，考虑到钉扎层1231在自由层1234产生的磁场，即钉扎层1231在自由层1234产生的杂散场会导致自由层1234产生较大的补偿场，进而可能导致自由层1234翻转需要的电流增大。基于此，为了避免钉扎层1231产生的杂散场，提高自由层1234翻转需要的电流，以下示例性地提供两种解决方式。
方式一：如图9所示，钉扎层1231包括依次层叠设置的第一子钉扎层1231a、非磁性层1231b和第二子钉扎层1231c；第一子钉扎层1231a的磁化方向与第二子钉扎层1231c的磁化方向相反。
此处，如图10所示，第一子钉扎层1231a和第二子钉扎层1231c均包括沿MTJ中各层的堆叠方向交替层叠设置的铁磁层和重金属层。
需要说明的是，第一子钉扎层1231a中铁磁层和重金属层的层数与第二子钉扎层1231c中铁磁层和重金属层的层数不相同。示例的，第一子钉扎层1231a包括沿MTJ中各层的堆叠方向交替层叠设置的钴层和铂层，表示为[Co/Pt]M，第二子钉扎层1231c包括沿MTJ中各层的堆叠方向交替层叠设置的钴层和铂层，表示为[Co/Pt]N，M,N均为正整数，均表示钴层的层数或铂层的层数，其中，M,N的大小不同。
在一些实施例中，上述铁磁层的材料包括钴单质、铁单质、镍单质以及包含钴、铁、镍中至少一种的合金中的一种或多种。
在一些实施例中，上述重金属层的材料包括铂(Pt)单质、钽单质、铜(Cu)单质、铱(Ir)单质、钌(Ru)单质、钨(W)单质以及包含铂、钽、铜、铱、钌、钨中至少一种的合金中的一种或多种。
在一些实施例中，非磁性层1231b的材料包括铂单质、钽单质、铜单质、铱单质、钌单质、钨单质以及包含铂、钽、铜、铱、钌、钨中至少一种的合金中的一种或多种。
可以理解的是，若第一子钉扎层1231a相对于第二子钉扎层1231c靠近参考层1232，则参考层1232的磁化方向与第一子钉扎层1231a的磁化方向相同；若第二子钉扎层1231c相对于第一子钉扎层1231a靠近参考层1232，则参考层1232的磁化方向与第二子钉扎层1231c的磁化方向相同。
本申请实施例中，由于钉扎层1231包括第一子钉扎层1231a和第二子钉扎层1231c，且第一子钉扎层1231a的磁化方向与第二子钉扎层1231c的磁化方向相反，因而第一子钉扎层1231a在自由层1234产生的杂散场的方向与第二子钉扎层1231c在自由层1234产生的杂散场的方向相反，因而第一子钉扎层1231a在自由层1234产生的杂散场和第二子钉扎层1231c在自由层1234产生的杂散场可以抵消，从而可以降低或消除钉扎层1231在自由层1234产生的杂散场对自由层1234翻转的影响，进而降低自由层1234翻转需要的电流。
在一些实施例中，第一子钉扎层1231a在自由层1234产生的杂散场和第二子钉扎层1231c在自由层1234产生的杂散场大小相同。这样一来，第一子钉扎层1231a在自由层1234产生的杂散场和第二子钉扎层1231c在自由层1234产生的杂散场可以完全抵消，从而可以进一步降低自由层1234翻转需要的电流。
方式二：
在一些实施例中，如图11a和图11b所示，上述存储器10还包括设置于电流传输路径上，且与MTJ元件12接触的第二磁性结构17；第二磁性结构17的磁化方向与钉扎层1231的磁化方向的夹角为(90°,180°]，即第二磁性结构17的磁化方向与钉扎层1231的磁化方向的夹角大于90°，小于等于180°。
其中，如图11a和图11b所示，第一磁性结构16连接于MTJ元件12与晶体管T的源极141或漏极142之间，第二磁性结构17连接于MTJ元件12和位线BL之间；或者，如图12a和图12b所示，第一磁性结构16连接于MTJ元件12和位线BL之间，第二磁性结构17连接于MTJ元件12与晶体管T的源极141或漏极142之间。
此处，形成第二磁性结构17的过程可以与上述形成第一磁性结构16的过程相同，可以参考上述，此处不再赘述。
应当理解到，由于第二磁性结构17设置于晶体管T的源极141或漏极142与位线BL之间的电流传输路径上，因而第二磁性结构17具有导电性。
可以理解的是，由于第二磁性结构17的磁化方向与钉扎层1231的磁化方向的夹角为(90°,180°]，因此第二磁性结构17在自由层1234产生的磁场的方向与钉扎层1231在自由层1234产生的磁场的方向的夹角为(90°,180°]。
此外，当第二磁性结构17在自由层1234产生的磁场的方向与钉扎层1231在自由层1234产生的磁场的方向的夹角为180°，即第二磁性结构17在自由层1234产生的磁场的方向与钉扎层1231在自由层1234产生的磁场的方向相反时，第二磁性结构17在自由层1234产生的磁场可以抵消钉扎层1231在自由层1234产生的磁场，因而可以降低钉扎层1231在自由层1234产生的磁场对自由层1234的影响。当第二磁性结构17在自由层1234产生的磁场的方向与钉扎层1231在自由层1234产生的磁场的方向的夹角为(90°,180°)时，在与钉扎层1231的磁化方向相反的方向上，第二磁性结构17在自由层1234会产生磁场分量，而第二磁性结构17在自由层1234产生的沿与钉扎层1231的磁化方向相反的方向上的磁场分量可以抵消钉扎层1231在自由层1234产生的磁场。
本申请实施例中，由于第二磁性结构17的磁化方向与钉扎层1231的磁化方向的夹角为(90°,180°]，因而第二磁性结构17在自由层1234产生的磁场可以抵消钉扎层1231在自由层1234产生的磁场，从而可以降低或消除自由层1234产生的补偿场，这样一来，降低了自由层1234翻转需要的电流，且可以解决MTJ翻转不对称(即，使自由层1234的磁化方向向相反的两个方向改变时所需的电流大小不一样)的问题。此外，由于钉扎层1231在自由层1234产生的磁场可以被第二磁性结构17在自由层1234产生的磁场抵消，因而无需提高电流来克服杂散场对自由层1234的影响存在的差异，这样一来，便可以利用较小的电流对自由层1234的磁化方向进行翻转，既可以降低功率，又可以提高MTJ的耐久性，提高了MTJ的寿命。
在一些示例中，第二磁性结构17的磁化方向与钉扎层1231的磁化方向相反，且第二磁性结构17在自由层1234产生的磁场与钉扎层1231在自由层1234产生的磁场大小相同。
当第二磁性结构17的磁化方向与钉扎层1231的磁化方向相反，且第二磁性结构 17在自由层1234产生的磁场与钉扎层1231在自由层1234产生的磁场大小相同时，第二磁性结构17在自由层1234产生的磁场可以抵消钉扎层1231在自由层1234产生的磁场，因此自由层1234受到的磁场为零或趋近于零，自由层1234因磁场产生的补偿场为零或趋近于零，这样一来，进一步降低了自由层1234翻转需要的电流，更有效地解决了MTJ翻转不对称的问题。
考虑到参考层1232在自由层1234也可能会产生杂散场，为了避免参考层1232在自由层1234产生的杂散场提高自由层1234翻转需要的电流，因此在一些示例中，第二磁性结构17的磁化方向与钉扎层1231的磁化方向相反，且第二磁性结构17在自由层1234产生的磁场与钉扎层1231和参考层1232在自由层1234产生的磁场大小相同。这样一来，钉扎层1231和参考层1232在自由层1234产生的磁场都可以被第二磁性结构17在自由层1234产生的磁场抵消，更进一步地降低了自由层1234翻转需要的电流。
参考图8a，以图8a中的方框表示第二磁性结构17，第二磁性结构17的磁化方向平行于MTJ中各层的堆叠方向，沿图8a中黑色直线A所示的位置可以看到，第二磁性结构17体内的磁场方向与外部产生的杂散场的方向相反。图13为图8a中的黑色直线A(即Z轴)和黑色直线B(即X轴)所示的位置的仿真结果图，横坐标表示X轴或Z轴的位置，图8a中a点表示Z轴的位置为-5.00E-08，图8a中b点表示X轴的位置为-5.00E-08，图13中纵坐标表示磁场(magnetic field)强度，单位为奥斯特(Oe)。从图13可以看出，沿X轴方向的磁场强度Hx的变化和沿Z轴方向的磁场强度Hz的变化。以MTJ位于第二磁性结构17的上方为例，图8a中的位置P表示自由层1234所在的位置，自由层1234在Z轴的位置为20nm，根据图13提供的仿真结果可知，第二磁性结构17在位置P大约会产生900Oe-2000Oe的杂散场，杂散场的方向与第二磁性结构17体内的磁场方向相反。基于此，可以利用第二磁性结构17产生的杂散场抵消钉扎层1231产生的杂散场。
在此基础上，基于方式二，为了减小钉扎层1231的厚度，降低MTJ的厚度，因此在一些实施例中，如图10所示，钉扎层1231包括沿MTJ中各层的堆叠方向交替层叠设置的铁磁层和重金属层。
示例的，钉扎层1231包括沿MTJ中各层的堆叠方向交替层叠设置的钴层和铂层([Co/Pt]n，n为正整数，表示钴层的层数或铂层的层数)。
需要说明的是，铁磁层和重金属层的材料可以参考上述，此处不再赘述。
由于钉扎层1231只包括沿MTJ中各层的堆叠方向交替层叠设置的铁磁层和重金属层，因而钉扎层1231的厚度大大减小，结构简化，有利于降低隧穿层1233和自由层1234界面的粗糙度，并降低应力累积，且有利于MTJ的微缩。此外，钉扎层1231的厚度大大减小，即隧穿层1233下方的导电材料的厚度降低，降低了刻蚀过程中反溅导致短路的概率，提高了工程良率。
在另一些实施例中，钉扎层1231的材料为垂直磁各向异性材料。
示例的，钉扎层1231的材料包括铁铂(FePt)合金、钴铂(CoPt)合金中的一种或多种。
由于钉扎层1231的材料为垂直磁各向异性材料，因而钉扎层1231的磁化方向容 易被磁化成平行于MTJ中各层的堆叠方向，因而钉扎层1231的厚度可以设置的较小，这样一来，结构简化，有利于降低隧穿层1233和自由层1234界面的粗糙度，并降低应力累积，且有利于MTJ的微缩。此外，钉扎层1231的厚度大大减小，即隧穿层1233下方的导电材料的厚度降低，降低了刻蚀过程中反溅导致短路的概率，提高了工程良率。
需要说明的是，本申请说明书附图4a、图4b、图5a、图5b、图6a、图6b、图7a、图7b、图11a、图11b、图12a以及图12b仅示意出MTJ元件12与第一磁性结构16或第二磁性结构17的连接关系以及位置关系，并不限定MTJ元件12与第一磁性结构16或第二磁性结构17的尺寸关系。沿垂直于MTJ中各层的堆叠方向的方向上，第一磁性结构16或第二磁性结构17的尺寸可以大于、等于或小于MTJ元件12的尺寸。
基于此，本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括电路板以及与电路板连接的存储器，该存储器可以为上文所提供的任一种存储器。其中，该电路板可以为印制电路板(printed circuit board，PCB)，当然电路板还可以为柔性电路板(flexible printed circuit board，FPC)等，本实施例对电路板不作限制。
可选的，该电子设备为计算机、手机、平板电脑、可穿戴设备和车载设备等不同类型的用户设备或者终端设备；该电子设备还可以为基站等网络设备。可选的，该电子设备还包括封装基板，该封装基板通过焊球固定于印刷电路板PCB上，该存储器通过焊球固定于封装基板上。需要说明的是，关于电子设备中存储器的相关描述，具体可以参见上述实施例关于存储器的描述，本申请实施例在此不再赘述。
在此基础上，本申请实施例还提供一种与计算机一起使用的非瞬时性计算机可读存储介质，该计算机具有用于创建集成电路的软件，该计算机可读存储介质上存储有一个或多个计算机可读数据结构，一个或多个计算机可读数据结构具有用于制造上文所提供的任意一个图示所提供的存储器的光掩膜数据。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

  1. 一种存储器，其特征在于，包括设置于所述存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元以及位线，所述存储单元包括晶体管以及与所述晶体管连接的磁隧道结MTJ元件；
    所述MTJ元件设置于所述晶体管的源极或者漏极与所述位线之间的电流传输路径上；所述MTJ元件包括依次层叠设置的钉扎层、参考层、隧穿层和自由层；所述钉扎层的磁化方向平行于所述MTJ中各层的堆叠方向；
    所述存储器还包括设置于所述电流传输路径上的第一磁性结构；
    其中，所述第一磁性结构在所述自由层产生的磁场的方向与所述自由层的磁化方向不平行。
  2. 根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一磁性结构在所述自由层产生的磁场的方向与所述自由层的磁化方向垂直。
  3. 根据权利要求1或2所述的存储器，其特征在于，所述存储器还包括设置于所述第一磁性结构和所述MTJ元件之间的连接层，所述第一磁性结构通过所述连接层与所述MTJ元件电连接；
    其中，所述MTJ元件在所述连接层上的投影和所述第一磁性结构在所述连接层上的投影至少部分区域不重叠。
  4. 根据权利要求1-3任一项所述的存储器，其特征在于，所述第一磁性结构连接于所述MTJ元件与所述晶体管的源极或漏极之间。
  5. 根据权利要求1-4任一项所述的存储器，其特征在于，所述第一磁性结构连接于所述MTJ元件和所述位线之间。
  6. 根据权利要求1-5任一项所述的存储器，其特征在于，所述MTJ元件还包括第一电极和第二电极；
    所述第一电极位于所述自由层远离所述钉扎层的一侧，所述第二电极位于所述钉扎层远离所述自由层的一侧；
    所述第一电极与所述位线电连接，所述第二电极与所述晶体管的源极或漏极电连接；或者，所述第一电极与所述晶体管的源极或漏极电连接，所述第二电极与所述位线电连接。
  7. 根据权利要求1-6任一项所述的存储器，其特征在于，所述第一磁性结构的材料包括钴单质、铁单质、镍单质以及包含钴、铁、镍中至少一种的合金中的一种或多种。
  8. 根据权利要求1-7任一项所述的存储器，其特征在于，所述钉扎层包括依次层叠设置的第一子钉扎层、非磁性层和第二子钉扎层；
    所述第一子钉扎层的磁化方向与所述第二子钉扎层的磁化方向相反。
  9. 根据权利要求8所述的存储器，其特征在于，所述第一子钉扎层和所述第二子钉扎层均包括沿所述MTJ中各层的堆叠方向交替层叠设置的铁磁层和重金属层。
  10. 根据权利要求9所述的存储器，其特征在于，所述铁磁层的材料包括钴单质、铁单质、镍单质以及包含钴、铁、镍中至少一种的合金中的一种或多种；
    所述重金属层的材料包括铂单质、钽单质、铜单质、铱单质、钌单质、钨单质以 及包含铂、钽、铜、铱、钌、钨中至少一种的合金中的一种或多种。
  11. 根据权利要求1-3任一项所述的存储器，其特征在于，所述存储器还包括设置于所述电流传输路径上，且与所述MTJ元件接触的第二磁性结构；所述第二磁性结构的磁化方向与所述钉扎层的磁化方向的夹角为(90°,180°]；
    其中，所述第一磁性结构连接于所述MTJ元件与所述晶体管的源极或漏极之间，所述第二磁性结构连接于所述MTJ元件和所述位线之间；或者，所述第一磁性结构连接于所述MTJ元件和所述位线之间，所述第二磁性结构连接于所述MTJ元件与所述晶体管的源极或漏极之间。
  12. 根据权利要求11所述的存储器，其特征在于，所述第二磁性结构的磁化方向与所述钉扎层的磁化方向相反，且所述第二磁性结构在所述自由层产生的磁场与所述钉扎层在所述自由层产生的磁场大小相同。
  13. 根据权利要求11或12所述的存储器，其特征在于，所述钉扎层包括沿所述MTJ中各层的堆叠方向交替层叠设置的铁磁层和重金属层。
  14. 根据权利要求11或12所述的存储器，其特征在于，所述钉扎层的材料为垂直磁各向异性材料。
  15. 根据权利要求14所述的存储器，其特征在于，所述钉扎层的材料包括铁铂合金、钴铂合金中的一种或多种。
  16. 根据权利要求1-15任一项所述的存储器，其特征在于，所述参考层和所述自由层的材料包括钴铁硼CoFeB合金；
    所述隧穿层的材料包括氧化镁MgO。
  17. 根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述晶体管的栅极通过字线WL连接字线控制电路，所述晶体管的源极或漏极连接数据线；所述位线BL连接位线控制电路。
  18. 一种电子设备，包括电路板以及与所述电路板电连接的存储器，其特征在于，所述存储器为如权利要求1-17任一项所述的存储器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2009054180A1 (ja) * 2007-10-25 2009-04-30 Nec Corporation 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
CN104362165B (zh) * 2014-10-10 2017-06-16 北京航空航天大学 一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件及制造方法
US10134808B2 (en) * 2015-11-02 2018-11-20 Qualcomm Incorporated Magnetic tunnel junction (MTJ) devices with heterogeneous free layer structure, particularly suited for spin-torque-transfer (STT) magnetic random access memory (MRAM) (STT MRAM)
US9590010B1 (en) * 2016-03-24 2017-03-07 Qualcomm Incorporated Perpendicular magnetic tunnel junction (pMTJ) devices employing a thin pinned layer stack and providing a transitioning start to a body-centered cubic (BCC) crystalline / amorphous structure below an upper anti-parallel (AP) layer
US11437567B2 (en) * 2016-12-28 2022-09-06 Intel Corporation Perpendicular spin transfer torque magnetic mechanism
US10700125B2 (en) * 2018-09-28 2020-06-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Integrated system chip with magnetic module

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