TW202215431A

TW202215431A - 垂直和面內混合自旋轉移矩磁性隨機存取存儲器

Info

Publication number: TW202215431A
Application number: TW109135157A
Authority: TW
Inventors: 素國霍
Original assignee: 素國霍
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2022-04-16
Also published as: TWI764313B

Abstract

一種存儲裝置，包括第一磁向異性磁隧道結(ma-MTJ)，該第一磁各向異性磁隧道結的一端具有第一自由層，第二磁向異性ma-MTJ的一端具有第二自由層。第一和第二ma-MTJ彼此堆疊，第一自由層面對第二自由層。隧道勢壘夾在第一和第二自由層之間。第一ma-MTJ的磁向異性方向垂直於第二ma-MTJ的磁向異性方向，並且第一自由層的磁化方向垂直於第二自由層的磁化方向。

Description

垂直和面內混合STT-MRAM

交叉引用

本申請要求2019年10月09日提交的英國專利GB 1914633.1的優先權，其全部內容通過引用合併於此。

本公開涉及數據存儲，並且更具體地，涉及一種存儲器結構。

隨著高性能計算和移動設備的出現，大量信息被生成並且需要被存儲，這需要通過逐漸縮小存儲器中存儲單元的尺寸來滿足，推動了存儲和存儲器技術的快速發展。利用電子電荷性質的常規半導體存儲器已經被很好地利用和開發，但已接近其極限，1998年發現的巨磁阻(GMR)效應斬獲了2004年的諾貝爾物理學獎，並開闢了電子自旋學的新領域，導致了一系列電子自旋技術的應用和發展。在過去的十年中利用和操縱電子自旋性質的自旋電子轉移矩存儲器的新技術已獲得了深入的研究。

使用電子電荷容量的動態隨機存取存儲器(DRAM)在維持顯著生長以滿足數據存儲的需求方面已經接近其極限。隨著DRAM單元尺寸的縮小，電荷洩漏會引起功率消耗及其他問題。與基於電子電荷的DRAM相比，基於電子自旋的磁性隨機存取存儲器(MRAM)是非易失性存儲器，有功耗低等優點，被視為代替基於半導體電荷的存儲器技術的良好候選者。業已開發了兩種MRAM，它們是基於磁場寫入的MRAM和自旋轉移矩(STT)寫入的MRAM(STT-MRAM)。與磁場驅動MRAM相比，STT-MRAM由於其小功率消耗、工藝簡化及單元小型化等優點，並已經在可獲利的市場產品中找到其位置。

A typical典型的STT-MRAM器件基本上是包括由兩個磁性層及夾在它們之間的氧化鎂(MgO)勢壘層組成的磁性隧道結(MTJ)疊層結構，其中一個磁性層被稱為參考層(RL)，其磁化被固定在一個方向上，另一個被稱為自由層(FL)，其磁化可以被旋轉成與RL磁化平行或反平行，這由通過以下操作自旋轉移矩來實現：分別將電流從MTJ的RL通過MgO勢壘層到FL或從MTJ的FL通過MgO勢壘層到RL來完成信息寫入和存儲。存儲在FL層中的信息可以在由電流傳過MTJ堆疊之後基於隧穿磁阻(TMR)效應讀出，在FL磁化與RL磁化反平行或平行存儲時，可分別獲得最大電阻或最小電阻。

現有兩種STT-MRAM器件：面內STT-MRAM，其中FL和RL兩者中的磁化沿膜面方向；以及垂直STT-MRAM，其中FL和RL中的磁化垂直於它們的膜面。類似於任何存儲器，STT-MRAM器件也需要具有寫入、保存和讀取三個功能。在STT-MRAM中，自旋轉移矩被用以在自由層(FL)中位寫入，存儲在自由層中的位需要保存長時間，諸如10年，然後利用TMR效應(類似於TMR讀取器中的那樣)在使電流傳過器件之後讀出存儲於自由層中的位存信息。STT-MRAM器件中的FL不同於TMR讀取器中的FL，因為STT-MRAM中的FL或多或少類似於在磁硬盤存儲中具有強磁向異性的磁記錄介質性質以長時間保存其存儲的信息。因此，STT-MRAM器件中的FL的磁向異性必須具有平衡的性質，需要不太強的磁向異性以便用自旋轉移矩位寫入，又需要不能太弱的磁向異性以能夠維持被寫入的位長時間的存儲。到目前為止，最佳的FL磁性材料仍然是鈷鐵(CoFe)合金，這是因為其具有自旋矩轉移矩寫入和TMR讀取中需要的良好的自旋電子效應。CoFe合金是典型的軟鐵磁性材料，其作為存儲單元的挑戰是位存儲的不穩定性，且限制了存儲器小型化，因為大存儲單元在面內STT-MRAM中較穩定且有較少的邊界效應等典型問題。

後發明的垂直STT-MRAM器件具有較強垂直磁向異性以解決面內STT-MRAM存儲器的穩定性問題。研究發現CoFe合金垂直磁向異性膜亦然是最好的自旋電子材料，並且膜厚小於1.5nm的CoFe合金膜的垂直磁向異性將具有比在厚於1.5nm的膜中的其面內磁向異性要強得多。這可以解決FL位存儲器穩定性問題，並且還允許存儲單元進一步小型化以增加面內存儲密度。然而，上述的垂直STT-MRAM存儲器中FL的強磁向異性將需要大的STT來在FL單元中寫入位信息。有人提出了具有垂直方向稍微傾斜的磁向異性的垂直STT-MRAM器件以減小其對寫入STT的要求。垂直STT-MRAM製作過程及控制比面內STT-MRAM要復雜得多，並且其FL存儲器僅能夠存儲“0”和“1”的兩個信息。近來，具有面內磁向異性的極化磁性層通過設置在該極化磁性層和MTJ自由層之間的非磁間隔可在垂直STT-MRAM的FL上產生一個垂直於正常STT的附加自旋轉移矩來助寫，以提高自由層寫入性能。

通常，基於電子自旋的STST-MRAM是僅能存“0”和“1”兩個信息1位存儲，這與基於半導體電荷的DRAM高位存儲相比是缺點。有人提出的多個自由層的垂直STT-MRAM，其通過從與MgO勢壘相鄰的自由層開始逐漸寫入每個單獨FL來實現高位存儲。然而，該過程非常難以控制並且容易出錯。

提供了混合式STT-MRAM存儲設備。該存儲器件包括具有佈置在其一端的第一自由層的第一磁向異性磁隧道結(ma-MTJ)和具有佈置在其另一端的第二自由層的第二ma-MTJ。第一和第二ma-MTJ彼此堆疊，第一自由層面對第二自由層，隧道勢壘夾在第一和第二自由層之間。第一ma-MTJ的磁向異性方向垂直於第二ma-MTJ的磁各向異性方向，並且第一自由層的磁化方向垂直於第二自由層的磁化方向。

第一自由層和第二自由層可以緊鄰第一隧道阻擋層的兩個相對側。第一隧穿勢壘層可以包括隧穿磁阻材料，例如至少MgO,AlO,TiO或另一種介電材料。在一個實施例中，第一隧穿勢壘層包括Cu層。

在一個實施例中，第一ma-MTJ和第二ma-MTJ中的每一個可以進一步包括從其第一自由層和第二自由層開始依次排列的隧穿勢壘；參考層；反鐵磁耦合層；固定層及反鐵磁固定層。

第一ma-MTJ可以包括第一平面內ma-MTJ(ima-MTJ)，第二ma-MTJ包括第二垂直ma-MTJ(pma-MTJ)。第一ima-MTJ可以進一步包括反鐵磁層和第三自由層，該第三自由層依次佈置在第一自由層和第一隧道勢壘層之間。pma-MTJ的固定層也可以包括永久性垂直磁各向異性(pma)磁性層之一，該永久性垂直磁各向異性(pma)磁性層包括hcp(002)Co合金或L10合金。一種合成反鐵磁疊層，包括兩個通過反鐵磁耦合層彼此分開的永久垂直磁各向異性層；合成反鐵磁疊層也可由反鐵磁固定層垂直固定。第一ima-MTJ，第一隧道勢壘層和第一pma-MTJ以自頂向下的順序排列。替代地，可以以自頂向下的順序佈置pma-MTJ，隧穿勢壘層和ima-MTJ。

該存儲設備可以進一步包括第二ima-MTJ；第二隧穿勢壘層；第二pma MTJ從第一ima-MTJ開始以自頂向下的順序排列。第一ima-MTJ和第二ima-MTJ可以在它們之間共享公共反鐵磁固定層。第二ima-MTJ可以包括第四自由層，反鐵磁耦合層和第五自由層，其以自頂向下的順序佈置在公共反鐵磁固定層和第二pma-MTJ之間。第二pma-MTJ可以包括緊鄰第二隧穿勢壘層的第六自由層。所述存儲裝置可進一步包括在所述存儲裝置的側表面處的第一接觸，所述第一接觸從所述第一ima-MTJ的參考層延伸到所述第二ima-MTJ參考層。

在另一個實施例中，存儲器件可以進一步包括以自上而下的順序佈置在第一pma-MTJ的頂部的第三ima-MTJ，第三隧穿勢壘層和第三pma-MTJ。第三ima-MTJ可以包括在第三隧穿勢壘層的頂部上依次佈置的第七自由層，反鐵磁耦合層和第八自由層。第三pma-MTJ可以包括緊鄰第三隧道勢壘層和第三pma-MTJ的第九自由層，並且第一pma-MTJ共享公共反鐵磁固定層。該存儲器件可以包括在該存儲器件的側表面處的第一觸點，該第一觸點從第一ima-MTJ的參考層延伸到第二ima-MTJ的參考層，以及第二接觸在與第一接觸相對的一側上，第二接觸從第三pma MTJ的參考層延伸到第一pma MTJ的參考層。

在又一個實施例中，存儲器件可以進一步包括在第三ima-MTJ頂部之上以自頂向下的順序佈置的第四pma-MTJ，第四隧穿勢壘層和第四ima-TMJ。第四pma-MTJ包括緊鄰第四隧穿勢壘層的第十自由層。第四ima-MTJ包括在第四隧穿勢壘層下方以自頂向下的順序排列的第十一自由層，反鐵磁耦合層和第十二自由層。第三接觸電極位於存儲器件的第一側，並從第四ima-MTJ的參考層延伸到第三ima-MTJ的參考層，並且第三和第四ima-MTJ共享公共反鐵磁固定層。

詳細說明

當前，STT-MRAM處於製造的批量生產階段，以代替諸如計算機和移動設備之類的產品中的DRAM。然而，STT-MRAM仍然存在存儲單元微型化引起的問題。例如，單元尺寸小於60nm的面內磁向異性STT-MRAM中FL磁化的不穩定性和均勻性問題，這限制了存儲面密度的增加。使其難以與DRAM存儲器競爭。垂直磁向異性STT-MRAM可以克服面內STT-MRAM器件中的存儲器尺寸微型化問題，但是與半導體DRAM相比仍然具有兩個缺點。首先是一個垂直的STT-MRAM存儲單元只是具有兩個電阻狀態“0”和“1”的1位存儲器，而半導體DRAM可以存儲更多位。第二個問題是，如果FL具有長時間存儲的FL磁化所需的強垂直磁各向異性，則電子自旋傳遞轉矩可能不足以反轉FL磁化強度。

為了解決第一個問題，有人提出了一種簡單的垂直STT-MRAM MTJ的堆疊，其條件是MTJ具有不同的磁性，包括不同的TMR以及甚至不同的存儲單元尺寸，這將使影響MTJ的堆疊優化並大大增加過程的複雜性。為了解決第二問題，可加個寫入線，通電後產生一個附加磁場來協助STT寫入，但該方法將增加功率消耗、產生附加熱量並且還具有工藝複雜性等弊病。如果一個非磁層被置於pma-MTJ的垂直磁向異性FL和面內磁向異性磁極化層之間，則具有面內磁向異性的極化磁性層會在pma-MTJ的FL 上產生一個垂直於正常STT的附加STT來助寫。然而，其尚未完全使用極化磁性層，並且仍存有僅1位存儲的第一問題。

在本公開的一個實施例是一種混合STT-MRAM(H-STT-MRAM)，其包括通過非磁性間隔層彼此分開的垂直MTJ堆疊和面內MTJ堆疊的面對面堆疊。非磁性間隔層設置在垂直MTJ的FL與平面內MTJ的FL之間。與當前的面內STT-MRAM或垂直STT-MRAM相比，所提出的H-STT-MRAM器件在垂直MTJ(pma-MTJ)堆疊和面內MTJ(ima-MTJ)堆疊中均具有更好的自由層寫入性能。其任一個FL寫入時，另一FL會通過所述非磁性間隔層在正寫入的FL上同時施加一個垂直於正常STT的附加自旋轉移矩來助寫。所提出的H-SST-MRAM可以通過使用提出的兩步寫入方法，在第一步的飽和寫入完成之後，第二次使用具有小幅度的反向電流和電流脈衝來反轉H-STT-MRAM中的軟MTJ的FL磁化，來實顯(00),(11),(01)和(10)的2位存儲，以增加存儲容量，其中“1”和“0”分別表示兩個MTJ疊層中的最大和最小電阻。還提出了一種(合成反鐵磁)SAF自由層結構來替代ima-MTJ堆疊中的自由層，以增加存儲單元的穩定性並減小單元尺寸。

所提出的H-STT-MRAM設備不同於包括共享一個FL的兩個MJT的雙STT-MRAM(D-STT-MRAM)設備。D-STT-MRAM器件中兩個MTJ中的兩個RL具有反轉固定磁化的一種配置中，FL將在寫入時具有來自底部RL和頂部RL的兩個相同符號自旋轉移矩來增強寫入，然而，在讀取中的總電阻將始終是兩個MTJ中的最大和最小電阻之和。因此即便其兩個MTJ具有不同的電阻，D-STST-MRAM充其量僅僅是個1位存儲器，但這仍不能解決讀取時兩個MTJ TMR抵消的問題。如果設計在兩個RL中具有相同固定磁化的D-STST-MRAM，在其讀取時，兩個MTJ可同時獲得最大或最小電阻狀態，但其寫入時，來自底部MTJ的RL和頂部MTJ的RL的兩個相反的自旋轉移矩將同時作用在FL上，會減弱寫入功能。因此，D-STT-MRAM器件不具有太大應用價值。所公開的H-STT-MRAM設備將是未來高性能計算，移動設備和信息存儲中的良好候選者。

為了解決上述問題，提出了H-STT-MRAM設備的幾個實施例，其包括在兩個MTJ的兩個FL之間通過非磁性間隔物隔開的ima-MTJ堆疊和pma-MTJ堆疊的面對面堆疊。提出了用一種合成的反鐵磁性(SAF)自由層結構，該結構包括兩個被Ru層隔開的磁性層，以在兩個磁性層之間形成強反鐵磁耦合，以替代ima-MTJ中的單個FL，這種SAF FL結構非常穩定甚至對於小型存儲單元而言，具有接近零退磁場效應和均勻磁化分佈的磁性結構。

在H-STT-MRAM器件中，ima-MTJ堆疊中的面內磁各向異性FL和pma-MTJ堆疊中的垂直磁各向異性FL由非磁性間隔層隔開，其任一個MTJ FL寫入時，另一MTJ FL會通過所述非磁性間隔層在正寫入的FL上同時施加一個垂直於正常STT的附加自旋轉移矩來助寫。ima-MTJ和pma-MTJ在其優化時也具有不同的磁性和TMR，從而使H-STT-MRAM設備成為2位存儲設備。基於2位H-STT-MRAM，還提出了高位H-STT-MRAM設備。因此，提出的H-STT-MRAM器件可以解決STT-MRAM器件中的當前問題，並具有STT-MRAM優越的性能，例如非易失性，高位，具有附加STT的更好的寫入性能，與基於半導體電荷的DRAM器件相比，具有更高的面密度，更少的功耗和更快的讀寫速度。

圖1(a)和1(b)分別示出了H-STT-MRAM器件100的截面圖和頂視圖(也是底視圖)。H-STT-MRAM 100包括頂部自由層(T-FL)垂直磁向異性磁隧道結(pma-MTJ)120，其中自由層121是pma-MTJ 120的頂層，底部自由層(B-FL)面內磁向異性磁隧道結(ima-MTJ)110，其中自由層116是ma-MTJ 1110底部的底層，以及在im-MTJ 110之間的非磁性隔離層130MTJ 110和pma-MTJ 120。

T-FL pma-MTJ 120包括參考層堆疊，該參考層堆疊包括底部反鐵磁(AFM)固定層126，垂直磁向異性SAF結構140,MgO隧穿勢壘122和垂直磁向異性自由層(FL)121。垂直磁向異性SAF結構140由Ru層124隔開的固定層(PL)125和參考層(RL)123以在PL 125和RL 123之間形成強反鐵磁性耦合。AFM 126可以垂直固定PL 125中的磁化強度，還可以進一步增强抵抗使PL 125的磁化強度反轉的磁場。

B-FL ima-MTJ 110包括參考層堆疊，該參考層堆疊包括佈置在SAF結構150上的頂部AFM固定層111。如在圖1(a)所示的，設置在AFM固定層111的正下方PL 112。SAF結構150包括反鐵磁耦合Ru層113隔開的PL 112和RL 114，以在PL 112和RL 114之間形成反鐵磁耦合。MgO隧穿勢壘115被夾在FL 116和B-FL ima-MJT 110的SAF 150之間。AFM 111固定的SAF結構150可視作RL堆疊，其具有與AFM 126固定的SAF結構140相似的功能。此外，在PL 112和RL 113磁匹配時，可形成一個完美的零退磁場結構。

在B-FL ima-MTJ 110與T-FL pma-MTJ 120之間，特別是在ima-MTJ 110的FL 116與pma-MTJ 110的FL 121之間的非磁性層130，可包括TMR隧穿勢壘材料，例如MgO或AlO，或GMR中的Cu層，或Ta,Au,W,V,Mo,Ru,Cr或Nb的勢壘材料，以切斷T-FL pma-MTJ 120和B-FL ima-MTJ 110兩自由層的交換耦合，並促進其兩個相鄰自由層之間的極化電子自旋傳輸，以促進FL寫入。

在H-STST MRAM 100中，分別在B-FL ima-MTJ 110中的FL 116和T-FL pma-MTJ 120中的FL 121中所示的雙向箭頭指示磁化強度FL中的磁化強度是不固定的，可以通過自旋傳遞轉矩(STT)或磁場旋轉。所提出的H-STT-MRAM 100可通過以下操作來示例任一個MTJ FL中的自旋轉移矩(STT)寫入時，另一個MTJ自由層通過非磁性間隔130同時在寫入自由層上施加一個垂直於正常自旋轉移矩的附加自旋轉移矩。在100的實施例中通於自頂向下的寫入電流和電流脈衝以將FL 121中的磁化強度旋轉到T-FL pma-MTJ寫入的RL 123中的磁化強度的方向，除如在正常STT-MRAM的情況中那樣由來自RL 123、通過MgO隧穿勢壘122的自旋轉移矩外，具有垂直磁化強度的FL 121還受到來自B-FL ima-MTJ 110的具有面內磁化強度的FL 116通過非磁性間隔130的一個附加自旋轉移矩以協助其寫入。自始至終，來自FL 116的該附加自旋轉移矩垂直於來自RL 123的正常自旋轉移矩，儘管該附加自旋轉移矩的幅度將隨著磁化強度而改變，這類似於來自RL 123的正常自旋轉移矩的幅度的變化。與傳統的來自極化磁性層的輔助自旋傳遞扭矩不同，FL 116不僅用作附加的自旋傳遞扭矩源，而且還用作ima-MTJ疊層110中的存儲單元，並且其還將得益於來自pma-MTJ FL 121的附加自旋轉移矩以協助其寫入。因此，與傳統STT-MRAM中的FL或具有多個MTJ堆疊的傳統STT-MRAM不同，H-STT-MRAM中每一個MTJ的FL都具備兩種功能，由來自其同一MTJ RL的正常STT和另一個MTJ的相鄰FL處有一個額外的STT寫入的存儲單元及作為給另一個MTJ的相鄰FL寫入時施加一個額外STT的極化磁層。在ima-MTJ 110寫入時，如在正常STT-MRAM的情況下那樣，自頂向下通過100的寫入電流和電流脈衝將產生從RL 114通過MgO隧穿勢壘115作用到FL 116上的正常自旋轉移矩使其磁化向RL 114中的磁化反平行方向旋轉。同時，FL 116還受到一個產生其來自FL 121、穿過非磁性間隔130，垂直於正常自旋轉移矩的附加自旋轉移矩以協助其磁化的旋轉。

圖1(b)示出了具有圓盤形狀的H-STT-MRAM裝置100的俯視圖(或仰視圖)。在一個實施例中，H-STT-MRAM器件存儲單元具有圓柱形狀，但是也包括其他形狀，例如橢圓圓柱，方圓柱或矩形圓柱或其他柱狀結構。

pma-MTJ堆疊120中的RL堆疊也可以是垂直各向異性永磁膜，例如hcp(002)Co合金，L10合金，例如FePd,FePt或CoPt，或Co2/Pd9或Co的多層。Co2/Pt9或垂直各向異性SAF，它由Ru層隔開的兩層垂直磁向異性的永磁膜形成。

圖1(c)示出了用具有垂直磁向異性永磁膜作為RL層128代替T-FL pma-MTJ 120中的AFM 126及其固定的SAF 140。

圖1(d)示出了垂直磁向異性永磁體SAF(PM-SAF)結構160，該結構由由Ru層214隔開的兩個垂直各向異性永磁體RL 128和PL 129形成，可代替單個PM RL 120以進一步增加PM RL層128磁化強度的反轉磁場。

pma-MTJ堆疊和ima-MTJ堆疊中的自由層FL可以包括CoFe,CoFeB或其他CoFe合金，pma-MTJ中的FL可以是Au、W、V、Mo、Ru、Cr或Nb的非磁性層隔開的的CoFeB/Ta或CoFe合金層的多層膜，以最大程度的利用CoFeB層中的表面垂直磁向異性來增加TMR效應。

ima-MTJ 110中的AFM 111和pma-MTJ 120中的AFM 126可以是IrMn,NiMn,FeMn,PtMn或IrMn/FeMn多層。對於pma-MTJ堆疊中的永磁體RL，尤其是hcp(002)鈷合金，L10合金(例如FePd,FePt或CoPt)或Co2/Pd9或Co2/Pt9多層的永磁體RL或者垂直各向異性SAF可以僅由被Ru層隔開的兩個垂直各向異性永磁體膜形成。垂直磁各向異性RL和FL將需要在高溫下和垂直磁場下沉積，或者在進行正常溫度沉積後在垂直磁場下的高溫爐內退火。pma-MTJ中的垂直磁各向異性FL和RL也可以是Ta,Au,W,V,Mo,Ru,Cr或Nb的非磁性層為隔層的CoFeB的多層膜，該多層膜可在高溫及垂直磁場下沉積，也可在常溫沉積後在垂直磁場下的高溫爐內退火，以進一步改善其磁性能

圖2圖示了H-STT-MRAM器件的另一實施例200，所述H-STT-MRAM器件200的兩個MTJ與圖1中的100的實施例中的堆疊次序相反，但仍保持如所提出的ima-MTJ與pma-MTJ的面對面堆疊。H-STT-MRAM 200包括B-FL pma-MTJ疊層210，其下方的T-FL ima-MTJ疊層220及處於T-FL ima-MTJ疊層220的FL 221和T B-FL pma-MTJ 210疊層210的FL 216之間的非磁隔層130。B-FL pma-MTJ 210包括一個RL疊層，該疊層包括垂直磁向異性SAF 217，其中PL 212和RL 214被Ru層213隔開，並由頂部AFM 211垂直固定其PL 212磁化強度，位於RL疊層下方的FL 216以及設置在由頂部AFM 211固定的SAF結構217的RL 214和FL 216之間的隧穿勢壘層215(例如MgO)。T-FL ima-MTJ堆疊220包括一個RL堆疊，該RL堆疊包括一個面內磁向異性SAF堆疊227，該堆疊包括一個通過Ru層224隔開並被底部AFM 226固定的PL 225和RL 223，位於RL堆疊上方的FL 221,FL 221和RL 223之間的隧穿勢壘222(例如MgO)。

非磁性隔層130設置在B-FL pma-MTJ 210的FL 216和T-FL ima-MTJ 220的FL 221之間。如在H-STT-MRAM的第一實施例100中所述的一樣，200個中的兩個FL除了它們的存儲功能外，也具有通過非磁性隔層130相互感應附加的自旋傳遞扭矩的新功能，其附加自旋傳遞扭矩與來自其RL堆疊的正常自旋轉傳遞扭矩垂直，進行輔助寫入。圖2還示出了用於信號放大的底部晶體管230。晶體管230，源極線250，字線240和連接到堆疊的頂部電極位線260。

上述H-STT-MRAM 100和200實施例均包括具有單層FL的ima-MTJ，由於其弱的面內磁向異性、邊緣效應和退磁效應會引起面內STT-MRAM器件諸如熱不穩定性和單元磁化分不布均勻性等典型問題，這將限制用於高面存儲密度的器件單元小型化。本發明一個實施例中提出由SAF FL結構來代替ima-MTJ單元中的FL。SAF FL結構是由Ru夾層分開的兩個鐵磁性層形成的強反鐵磁性耦合結構，如果兩個鐵磁性膜具有匹配的磁特性和尺寸，則該結構具有幾乎為零的退磁場。這種強的反鐵磁性耦合SAF自由層結構可突破約60nm的單個FL尺寸的小型化限制，並可能用於存儲單元尺寸低至10nm以下的超高面密度存儲器。

圖3(a)和(b)示出了分別在H-STT-MRAM器件第三實施例300和面內磁向異性STT-MRAM器件的中使用SAF自由層結構來代替在ima-MTJ堆疊中的FL，以突破60nm尺寸限制，並用於10nm以下的存儲器以增加面存儲密度。

圖3(a)圖示了由非磁性間隔130分開的T-FL pma-MTJ堆疊120及上方的具有SAL FL結構320的B-FL ima-MTJ堆疊310構成的H-STT-MRAM器件的第三實施例300。與圖1(a)中所示的實施例100相比，實施例H-STT-MRAM 300用SAF FL結構320代替100中的B-FL ima-MTJ 110中的FL 116，所述SAF FL結構320包括直接設置在MgO隧穿勢壘115下方的自由層321以及自由層322，其由夾在321和322之間的Ru層323在其反鐵磁性峰值厚度處形成強反鐵磁耦合。

圖3(b)示出了具有SAF FL結構的面內STT-MRAM器件，其僅是從圖3(a)中的H_STT-MRAM的第三實施例300截取B-FL ima-MTJ 310以及用非磁性覆蓋層324代替非磁性間隔層130。由於FL 321和FL 322通過SAF FL結構320中的間隔層Ru 323的強反鐵磁耦合，具有SAF FL結構的ima-STT-MRAM中的存儲器單元也可突破60nm的限制，並且可能下降到10nm以下尺寸以用於高性能計算、移動設備和其他存儲器器件中的高面內存儲密度存儲。

圖4示出了H-STT-MRAM器件的第四實施例400.包括由非磁性間隔夾層130隔開的B-FL pma-MTJ疊層210以及具有SAL FL結構320的T-FL ima-MTJ疊層410。與圖2中所示的H-STT-MRAM器件實施例200相比，400的實施例是由SAF FL結構320代替200中的T-FL ima-MTJ 220中的FL 221，所述SAF FL結構320包括直接設置在MgO隧穿勢壘222上的自由層321以及自由層322，其由Ru層323夾在321和322之間通過Ru層323在其反鐵磁性峰值厚度處形成強反鐵磁性耦合。類似地，由於穩定的SAL自由層結構，第四實施例400的存儲器尺寸還可以突破約60nm的單個FL面內MTJ尺寸限制，可以下降到10nm以實現高面密度存儲。

圖5(a)至5(d)示出了ima-MTJ疊層相對較軟(即易於寫入)的H-STT-MRAM 300的寫入和讀取過程。提供了一種兩步寫入方法，以獲得用於2位存儲的四個電阻狀態，以充分利用H-STT-MRAM器件300的能力來進一步提高存儲。在飽和寫入時，無論飽和寫入電流和電流脈衝沿自下而上的方向或自上而下的方向流動，H-STT-MRAM器件都可以分別在ima-MTJ疊層和pma-MTJ疊層中分別寫入最大電阻和最小電阻。在飽和寫入中可獲得(R _ima ^min+R _pma ^max)和(R _ima ^max+R _pma ^min)的兩個電阻狀態。為了使(R _ima ^min+R _pma ^max)和(R _ima ^max+R _pma ^min)代表兩個電阻狀態，H-STT-MRAM器件中的ima-MTJ疊層和pma-MTJ疊層具有不同的TMR效果，而ima-MTJ疊層和pma-MTJ疊層可以自然滿足此要求，因為它們具有不同的磁性能，包括處於最優狀態的TMR。利用提出的兩步寫入方法來可獲得(R _ima ^min+R _pma ^min)和(R _ima ^max+R _pma ^max)的兩個附加電阻狀態，其四個總電阻狀態可以使H-STT-MRAM成為2位存儲器件，以進一步增加存儲能力。

圖5(a)示出了自上向下流過H-STT-MRAM 300圖3(a)堆疊的飽和電流和電流脈沖之後的自旋轉移矩寫入過程。在將寫入電流和電流脈衝從B-FL ima-MTJ 310傳遞到T-FL pma-MTJ 120之後，T-FL pma-MTJ 120的FL 121中的磁化強度將在來自RL 123的正常自旋轉移矩以及還有來自頂部ima-MTJ 310的FL_2 322的，通由非磁隔層130，並垂直於正常自旋轉移矩的附加自旋轉移矩下旋轉到RL 123中的磁化方向，從而在pma-MTJ堆疊中得到最小電阻。同時，FL 322中的磁化也將受到來自FL 121的基於牛頓第三定律的相反的附加自旋矩轉移，並且通過FL 322和FL 321的強反鐵磁耦合將該附加STT傳遞到FL 321，以協助其寫入；而FL 321也受到來自RL 114的正常自旋轉移矩，以將其磁化旋轉到與RL 114中的磁化反平行的方向。因此， FL 321也將通過來自RL 114的正常自旋轉移矩和來自FL 121的通過非磁性間隔130和FL 323的、垂直於正常自旋轉移矩的、附加自旋轉移矩來助其寫入。SAF FL結構320也可以被認為是在來自RL 114的正常自旋轉移矩和來自FL 121的、通過非磁性間隔130的、垂直於正常自旋轉移矩的附加自旋轉移矩下的整個結構以使FL 321磁化旋轉到和RL 114中的磁化反平行的方向。因此，自上向下的寫入電流及電流脈衝將導致T-FL pma-MTJ堆疊中的最小電阻及B-FLima-MTJ堆疊中的最大電阻，並且獲得具有總讀取電阻為(R _pma ^min +R _ima ^max)的(R _ima ^min ,R _ima ^max)電阻狀態。

圖5(b)示出了自下而上的寫入電流流過H-STT-MRAM堆疊300的情況。類似於自上而下的寫入情況，具有相同幅度但相反方向的垂直於其正常自旋傳遞轉矩的附加自旋傳遞扭矩，將分別作用於在B-FL ima-MTJ和T-FL pma-MTJ中的非磁隔層的正上方和正下方兩個自由層上。在頂部ima-MTJ和底部pma-MTJ中分別獲得最小和最大電阻，並獲得具有總讀取電阻為(R _pma ^max +R _ima ^min)的(R _pma ^max ,R _ima ^min)的電阻狀態。

如上所述，由於無法獲得最大或最小電阻，對雙STT-MRAM的關注不多。但在ima-MTJ堆疊及pma-MTJ堆疊中獲得包括不同TMR效應的磁特性，並且(R _pma ^min +R _ima ^max)和(R _pma ^max +R _ima ^min)具有的不同數值可用來表示兩個不同存儲器狀態。此外，使用提出的兩步STT寫入方法可分別獲得在圖5(c)和圖5(d)中的(R _pma ^max +R _ima ^max)和(R _pma ^min +R _ima ^min)的兩個最大和最小電阻狀態。因此，共有(R _pma ^min +R _ima ^max)；(R _pma ^max +R _ima ^min)；(R _pma ^max +R _ima ^max)；(R _pma ^min +R _ima ^min)的四個電阻狀態將使H-STT-MRAM成為2位存儲存儲器器件以進一步增加存儲容量。

兩步自旋轉移矩寫入方法的第二步驟寫入是對其在第一步驟寫入中獲得的飽和寫入狀態施加具有相反方向和相對較小振幅的電流和電流脈衝，以便僅反轉T-FL MTJ和B-FL MTJ中較軟(相對容易寫入)MTJ堆疊中的FL磁化強度。在對圖5(a)中的飽和寫入狀態(R _pma ^min ,R _ima ^max)施加第二步自底向上的小寫入電流和電流脈沖之後，B-FL ima-MTJ中FL 321的磁化強度和FL 322的磁化強度在兩個自旋傳遞轉矩下分別與RL磁化方向平行和反平行；但T-FL pma-MTJ 120中FL 121的磁化保持不變，如圖5(c)所示，以獲得具有總讀取電阻為(R _pma ^max +Ri _ma ^max)的兩個MTJ的最大電阻狀態(R _pma ^max ,R _ima ^max)。類似地，第二步驟自頂向下小寫入電流和電流脈衝可施加在圖5(b)中的飽和寫入狀態(R _pma ^min ,R _ima ^max)上，其B-FL ima-MTJ中FL 321的磁化強度和FL 322的磁化強度在兩個自旋傳遞轉矩的作用下分別旋轉到與RL磁化方向和反平行於RL磁化方向。但是，T-FL pma-MTJ 120中FL 121的磁化仍保持不變，如圖5(d)所示，以獲得具有總讀取電阻為(R _pma ^min +R _ima ^min)的兩個MTJ的最小電阻狀態(R _pma ^min ,R _ima ^min)。因此，在所公開的H-STT-MRAM器件中可實現2位STT存儲，並具有一個垂直於正常自旋轉移矩的附加自旋轉移矩協助寫入的優點。

圖6(a)-(d)示出了使用所提出的兩步寫入方法對具有相對軟(易於寫入)的pma-MTJ堆疊的H-STT-MRAM器件的第三實施例300圖3a上的兩次STT寫入過程。圖6(a)和圖6(b)與圖5(a)和圖5(b)中的情形相似。通以自頂向下飽和寫入電流和電流脈沖之後的STT寫入將ima-MTJ FL的磁化旋轉到與ima-MTJ RL磁化反方向，同時將pma-MTJ FL的磁化旋轉到與pma-MTJ RL磁化平行的方向，得到圖6(a)所示的具有總電阻為(R _pma ^min +R _ima ^max)的(R _pma ^min ,R _ima ^max)狀態。通以自底向上的飽和寫入電流和電流脈沖之後獲得圖6(b)中的具有總電阻為(R _pma ^max +R _ima ^min)的(R _pma ^max ,R _ima ^min)狀態。第二步寫入是要使用反轉且相對較小的振幅以自底向上寫入電流和電流脈衝來剛好反轉圖6(a)(R _pma ^min ,R _ima ^max)狀態中的軟pma-TMJ堆疊中的FL，並且在ima-MTJ中的R _ima ^max狀態保持不變的同時、在兩個自旋轉移矩下、獲得具有圖6(c)中示出的具有總電阻為(R _pma ^max +R _ima ^max)的(R _pma ^max ,R _ima ^max)狀態。類似地，在對圖6(b)中的(R _pma ^max +R _ima ^min)第二步通於自頂向下的相對較小振幅的寫入電流和電流脈衝來保持ima-MTJ的R _ima ^min狀態保持不變的同時、在兩個自旋轉移矩下、反轉處在R _pma ^max狀態的pma-TMJ中FL的磁化之後得到的R _pma ^max，以獲得圖6(d)中示出的具有總電阻為(R _pma ^min +R _ima ^min)的(R _pma ^min ,R _ima ^min)狀態。因此，在具有用於2位存儲的相對軟pma-MTJ堆疊的H-STT-MRAM器件中也可以獲得為{(R _pma ^min +R _ima ^max)；(R _pma ^max +R _ima ^min)；(R _pma ^max +R _ima ^max)；(R _pma ^min +R _ima ^min)}的四個電阻狀態。

可進一步擴展2位H-STT-MRAM器件以用於n位H-STT-MRAM器件以進一步增加面存儲密度。圖7(a)-(c)分別圖示了4位、6位和8位H-STT-MRAM器件設計700。通過將2位H-STT-MRAM器件400堆疊在2位H-STT-MRAM器件300圖3(a)(以下簡稱300)上或以相反次序來形成4位H-STT-MRAM器件，以便由兩個相鄰pma-MTJ或兩個相鄰的ima-MTJ共享相同的AFM固定層。圖7(a)示出了通過將2位H-STT-MRAM 300堆疊在2位H-STT-MRAM 400上而形成的4位H-STT-MRAM器件710，其中400中的B-FL ima-MTJ以及300中的T-FL ima-MTJ共享一個AFM固定層714以及400和300之間的側接觸712點.其側接觸712的最大覆蓋是從H-STT-MRAM 400中的B-FL ima-MTJ的RL疊層到H-STT-MRAM 300中的T-FL ima-MTJ的RL疊層。側接觸712用於STT寫入和TMR讀取以在700中實現4位存儲。為了防止晶體管被通過整個堆疊的大電流和電流脈衝擊穿.可利用側接觸712分別單獨寫入兩個2位H-STT-MRAM。底部電極接觸和側接觸712可用於寫入2位H-STT-MRAM 400且頂部電極接觸和側接觸712可用於寫入2位H-STT-MRAM 300。因為讀取電流比寫入電流和電流脈衝小得多，所以只要讀取電壓小於晶體管擊穿電壓，就不存在太大擊穿晶體管的風險。通過分別在300和400上使用上述的兩步寫入方法，可得到4位存儲的16個電阻狀態為{(00)(00)}；{(11)(11)}；{(00)(01)}；{(00)(10)}；{(01)(00)}；{(10)(00)}；{(00)(11)}；{(11)(00)}；{(10)(10)}；{(01)(10)}；{(01)(01)}；{(10)(01)}；{(01)(11)}；{(10)(11)}；{(10)(01)}；{(11)(10)}，其中“1”和“0”分別表示以{(R ¹ _pma R ¹ _ima)(R ² _ima R ² _pma)}次序中的最大和最小電阻狀態，R ¹表示第i個2位H-STT-MRAM堆疊的電阻狀態。首先通過流經晶體管和第一觸點712的讀取電流，讀出存儲在300中的2位電阻狀態R ¹=(R ¹ _pma+R ¹ _ima)，然後，首先通過流經晶體管和頂部位線的讀取電流讀出由300和400形成的700的實施例中的總電阻R ¹+R ²=(R ¹ _pma+R ¹ _ima)+(R ² _pma+R ² _ima)。400中的存儲電阻R ²可通過在總電阻R ¹+R ²取出300中的R ¹的電阻而獲得，R ²=(R ¹ _pma+R ¹ _ima)+(R ² _pma+R ² _ima)-R ¹=(R ² _pma+R ² _ima)。圖7(b)示出了通過將2位H-STT-MRAM器件300堆疊於4位H-STT-MRAM器件710上而形成的6位H-STT-MRAM器件720，其中300中的T-FL pma-MTJ及710中的B-FL pma-MTJ也共享相同的AFM固定層724。與712類似，側接觸722的最大覆蓋是從710中的B-FL pma-MTJ的RL疊層到300中的T-FL pma-MTJ的RL疊層。類似地，可通過流經器件頂部電極和側接觸722電流寫入頂部的2位H-STT-MRAM 300。可用類似在4位H-STT-MRAM 710器件中讀取方式完成6位H-STT-MRAM 720的讀取。圖7(c)示出了通過堆疊兩個4位H-STT-MRAM 710而形成的1字節H-STT-MRAM器件730，其中低部710中的B-FL pma-MTJ和頂部710中的B-FL pma-MTJ共享相同的AFM固定層，720中的側接觸722可仍用於寫入，並且可用類似於4位H-STT-MRAM 710中那樣寫入和讀出其總共32個電阻狀態。

以類似方式，可通過堆疊n個4位H-STT-MRAM器件而獲得具有一個晶體管的4n位H-STT-MRAM器件。所述4n位H-STT-MRAM器件在兩個相鄰ima-MTJ或兩個相鄰pma-MTJ中的兩個相鄰RL之間具有總共(2n-1)個側接觸。如果需要，可通過從4n位H-STT-MRAM器件取走一個2位H-STT-MRAM堆疊來獲得任何(4n-2)位H-STT-MRAM器件。高位H-STT-MRAM器件的目的之一是要在通過晶體管的電流讀取高位 H-STT-RAM存儲位時不足以擊穿晶體管勢壘的情況下充分利用晶體管。為了準切讀取存儲在4n位H-STT-MRAM堆疊的每個MTJ中的信息，讀取電流需要從晶體管通過到第一側接觸以用於讀出R ¹=(R ¹ _ima+R ¹ _pma)的狀態，然後到第二接觸，以用於讀出R ¹+R ²=(R ¹ _ima+R ¹ _pma+R ² _pma+R ² _ima)的狀態，從而得出R ²=(R ² _ima+R ² _pma)。然後到最高位線以讀出4n位H-STT-MRAM器件的總電阻最高位線，等於

，取已知的從通過晶體管到 (2n-1)側觸點的讀數取已知的

以獲得

R ⁱ=(R ²ⁿ _ima+R ²ⁿ _pma)。如果恆定讀取電流遠低於晶體管勢壘擊穿臨界電流，則恆定讀取電流將是避免擊穿晶體管勢壘的良好選擇。除了寫入底部的第一個2位H-STT-MRAM寫入時電流和電流脈衝需要通過晶體管外，任何中間2位H-STT-MRAM的寫入過程都可以通過穿過兩個相鄰的側面觸點來完成。在兩個相鄰2位H-STT-MRAM器件不能共享相同AFM時，側接觸可進一步包括兩個相鄰器件之間的接觸層，其2位H-STT-MRAM的堆疊可按其他次序佈置，但有規則的堆疊次序是優選的，以在寫入和讀取的同時確定出每個2位H-STT-MRAM中的單獨pma-MTJ電阻狀態及ima-MTJ電阻狀態。

可以製造高位H-STT-MRAM設備的二維(2D)陣列，甚至是三維(3D)陣列，以用於高性能計算，移動設備和信息存儲設備。在2D陣列的情況下，高位H-STT-MRAM單元與其相鄰的H-STT-MRAM單元是隔開的，儘管同一層的側觸點可以共享同一層上的公共電路進行讀寫。3D陣列的情況只是高位H-STT-MRAM器件的2D陣列，包括其每個高位H-STT-MRAM的晶體管，沿高度方向堆疊，以最大成度的利用一個襯底來增加面存儲密度。

上面提到的H-STT-MRAM裝置的實施例僅是為了闡述本公開的特徵和優點，而非限制性的並且可不按比例繪製。本公開旨在包括在不脫離本公開的精神和範圍的情況下、在本公開之後可以被利用和導出的各種實施例的任何和所有後續改編、組合或變型。

圖1(a)和圖1(b)分別是從H-STT-MRAM的第一實施例單元的中間並垂直於器件襯底表面截取的截面圖的示意圖，以及該器件的俯視圖或底視圖。圖1(c)和圖1(d)分別示出了H-STT-MRAM中兩個附加的pma-MTJ結構的兩個示意圖。

圖2是具有晶體管、字線、源極線和位線的H-STST-MRAM器件的第二實施例的橫截面圖的示意圖，其中該橫截面截取自單元的中間並且垂直於器件襯底表面；

圖3(a)和3(b)分別是具有SAF FL結構的面內STT-MRAM和H-STST-MRAM器件的第三實施例的橫截面圖的示意圖，其中該橫截面截取自單元的中間並且垂直於器件襯底表面。

圖4是H-STT-MRAM器件的第四實施例的截面圖的示意圖，其中該截面是從單元的中間截取並垂直於器件襯底表面；

圖5(a)-5(d)示出了，假設ima-MTJ堆疊與pma-MTJ堆疊相比相對容易寫入，2位H-STT-MRAM器件的第三實施例的橫截面圖的示意圖，所述器件使用分別針對(R _pma ^min +R _ima ^max)的電阻狀態、(R _pma ^max +R _ima ^min)的電阻狀態、(R _pma ^min +R _ima ^min)的電阻狀態和(R _pma ^max +R _ima ^max)的電阻狀態提出的兩步寫入方法；

圖6(a)-6(d)示出了，假設pma-MTJ堆疊與ima-MTJ堆疊相比相對容易寫入，2位H-STT-MRAM器件的第三實施例的橫截面圖的示意圖，其中垂直於器件襯底截取橫截面，所述器件使用分別針對(R _pma ^min +R _ima ^max)的電阻狀態、(R _pma ^max +R _ima ^min)的電阻狀態、(R _pma ^max +R _ima ^max)的電阻狀態和(R _pma ^min +R _ima ^min)的電阻狀態提出的兩步寫入方法；

圖7(a)-7(c)分別示出了4位H-STT-MRAM器件、6位H-STT-MRAM器件和1字節H-STT-MRAM器件的橫截面圖的示意圖，其中橫截面垂直於器件襯底截取。

Claims

一種存儲設備，包括：

第一ma-MTJ，其一端具有第一自由層，

第二ma-MTJ，其一端具有第二自由層，所述第一ma-MTJ和第二ma-MTJ彼此堆疊，所述的第一自由層面向所述的第二自由層，

第一隧道勢壘層夾在第一自由層和第二自由層之間，以及

第一ma-MTJ的磁向異性方向垂直於第二ma-MTJ的磁向異性方向，並且第一自由層的磁化方向垂直於第二自由層的磁化方向。
根據權利要求1所述的存儲器裝置，其中所述第一自由層和所述第二自由層緊鄰所述的隧道勢壘層的兩個面對側。
根據權利要求3所述的存儲裝置，其中，所述第一隧穿勢壘層包括Cu層。
根據權利要求1所述的存儲裝置，其中，所述第一隧穿勢壘層至少包括MgO,AlO,TiO或其它電介質材料。
根據權利要求1所述的存儲器裝置，其中所述第一和第二ma-MTJ中的每一個進一步包含：

從第一和第二自由層開始依次排列

隧道層；

參考層；

反鐵磁耦合層；

固定層；和

反鐵磁固定層。
根據權利要求5所述的存儲器裝置，其中所述第二個ma-MTJ的所述固定層還可包含以下其中一個：永久垂直磁各向異性(pma)磁性層，包含hcp(002)Co合金或L10合金；

一種合成反鐵磁疊層，包括兩個通過反鐵磁耦合層彼此分開的永久垂直磁各向異性層；和

由反鐵磁釘扎層垂直釘扎的合成反鐵磁疊層。
根據權利要求1所述的存儲器裝置，其中所述第一ma-MTJ包括第一面內磁向異性ma-MTJ(ima-MTJ)，並且所述第二ma-MTJ包括第一垂直磁向異性ma-MTJ(pma-MTJ)。
根據權利要求7所述的存儲裝置，其中，所述第一ima-MTJ還包括反鐵磁耦合層和依次排列在所述第一自由層和所述第一隧穿勢壘層之間的第三自由層。
根據權利要求8所述的存儲裝置，其中，所述第一ima-MTJ，所述第一隧穿勢壘層和所述第一pma-MTJ以自頂向下的順序佈置。
根據權利要求8所述的存儲裝置中，所述pma-MTJ，所述隧道勢壘層和所述ima-MTJ以自頂向下的順序佈置。
如權利要求10所述的存儲設備，還包括：

第二個ima-MTJ；

第二隧穿勢壘層；和

從第一個ima-MTJ以自頂向下的順序排列的第二個pma-MTJ，

其中第一ima-MTJ和第二ima-MTJ在它們之間共享一個公共反鐵磁固定層。
根據權利要求11所述的存儲器裝置，其中所述第二ima-MTJ包括以自上而下的順序佈置在所述公共反鐵磁固定層與所述第二pma-MTJ之間的第四自由層，反鐵磁耦合層層和第五自由層。
根據權利要求11所述的存儲器裝置，其中所述第二pma-MTJ包括緊鄰所述第二隧穿勢壘層的第六自由層。
根據權利要求11所述的存儲器裝置，其進一步包含在所述存儲器裝置的側表面處且從所述第一ima-MTJ的參考層延伸到所述第二ima-MTJ的參考層的第一觸點。
根據權利要求12所述的存儲器裝置，其進一步包含以自上而下的順序佈置在所述第一pma-MTJ的頂部上的第三ima-MTJ，第三隧穿勢壘層和第三pma-TMJ。
根據權利要求15所述的存儲器裝置，其中所述第三ima-MTJ包括依序排列在所述第三隧穿勢壘層的頂部上的第七自由層，反鐵磁耦合層和第八自由層。
根據權利要求15所述的存儲設備，其中：

第三pma-MTJ包括緊鄰第三隧穿勢壘層的第九自由層；和

第三pma-MTJ和第一pma-MTJ共享公共反鐵磁固定層。
根據權利要求15所述的存儲設備，還包括：

第一接觸在存儲裝置的側表面處，並從第一ima-MTJ的參考層延伸到第二ima-MTJ的參考層。

在與第一接觸相對的一側上的第二接觸，第二接觸從第三pma-MTJ的參考層延伸止第一pma-MTJ的參考層。
根據權利要求18所述的存儲器裝置，其進一步包含其佈置在所述第三ima-MTJ之上的按自上而下的順序的第四pma-MTJ，第四隧穿勢壘層和第四ima-MTJ。
根據權利要求19所述的存儲設備，其中：

第四pma-MTJ包括緊鄰第四隧穿勢壘層的第十自由層；

第四ima-MTJ包括在第四隧穿勢壘層下方以自頂向下的順序排列的第十一自由層，反鐵磁耦合層和第十二自由層。和位於存儲器件的第一側，並且從第四ima-MTJ的參考層延伸到第三ima-MTJ的參考層第三接觸電極，並且第三和第四ima-MTJ共享公共反鐵磁固定層。