磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器
阅读说明：本技术 磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器 (Magnetic tunnel junction reference layer, magnetic tunnel junction and magnetic random access memory ) 是由 赵巍胜 程厚义 曹凯华 王戈飞 于 2020-04-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器,该磁隧道结参考层包括：反铁磁结构层,包括多个堆叠的金属磁性层单元,每个金属磁性层单元包括一间隔层和位于所述间隔层一侧表面上的一磁性层,本发明通过金属的间隔层与磁性层多层堆叠形成合成反铁磁结构来增加垂直磁隧道结参考层的热稳定性,而能够降低膜层的设计复杂性、降低成本,在不需要氧化物的情况下形成了具有强垂直磁各向异性、高热稳定性、膜层简单、成本较低的多层膜结构,能够促进磁存储器的大规模使用。(The invention provides a magnetic tunnel junction reference layer, a magnetic tunnel junction and a magnetic random access memory, wherein the magnetic tunnel junction reference layer comprises: the invention relates to an antiferromagnetic structure layer which comprises a plurality of stacked metal magnetic layer units, wherein each metal magnetic layer unit comprises a spacing layer and a magnetic layer positioned on one side surface of the spacing layer.)
技术领域
本发明涉及磁随机存储器技术领域，更具体的，涉及一种磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器。
背景技术
磁随机存储器具有非易失性、低功耗和无限读写等特点。而基于自旋转移矩的磁随机存储器(STT-MRAM)在速度、面积、写入次数和功耗方面达到了较好的折中，因此被业界认为是构建下一代非易失性缓存的理想器件。磁隧道结(MTJ)是STT-MRAM的核心存储部分，主要由两层磁性层加一层隧穿势垒层组成。两层磁性层包括一层磁化方向固定不变的参考层和磁化方向可以同参考层磁化方向相同或相反的自由层。当自由层磁化方向与参考层平行时，MTJ呈现低阻态，反之MTJ呈现高阻态。这种不同的电阻状态可以用来代表二进制数据的“0”和“1”。磁存储器通过自旋转移矩(STT)来改变自由层磁化方向从而来实现写“0”和写“1”。随着器件尺寸的缩小，面内磁各向异性的磁隧道结会产生严重的边际效应从而影响存储的稳定性，因此具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结被广泛应用于STT-MRAM。此外由于加工工艺(如后道工艺等)的需求，需要磁隧道结承受较高的退火温度(通常为400℃)，因此需要参考层在高的退火温度下保持稳定，否则容易出现读写失败的问题。因此稳定的参考层磁化方向对于STT-MRAM具有重要的意义。目前使用的参考层主要包括两种结构，一种是通过反铁磁材料来钉扎住参考层的磁化方向，另一种方式是通过多层膜形成合成反铁磁结构来钉扎住参考层的磁化方向，但是这两种方式都有他们自身的缺陷。
发明内容
为了解决上述不足，本发明提供一种磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器。
本发明第一方面实施例提供一种磁隧道结参考层，包括：
其核心为反铁磁结构层，包括多个相互层积的金属磁性层单元，每个金属磁性层单元包括一间隔层和位于所述间隔层一侧表面上的一磁性层。
在优选实施例中，还包括：
第一氧化物势垒层，位于所述反铁磁结构层的一侧表面上；
第二氧化物势垒层，位于所述反铁磁结构层背离所述第一氧化物势垒层的一侧表面上；以及
第一缓冲层，位于第二氧化物势垒层背离所述反铁磁结构层的一侧表面上。
在优选实施例中，还包括：
第二缓冲层，位于所述第一缓冲层背离所述第二氧化物势垒层的一侧表面上；和
基底，位于所述第二缓冲层背离所述第一缓冲层的一侧表面上。
在优选实施例中，还包括：
保护层，位于所述第一氧化物势垒层背离所述反铁磁结构层的一侧表面上。
在优选实施例中，所述第一缓冲层和/或所述间隔层包括：钽、钨、钼、铬、铌、钌中的至少一种。
在优选实施例中，所述磁性层包括CoFeB、CoFe、FeB、Co、Fe以及Heusler合金中的至少一种。
在优选实施例中，所述第一氧化物势垒层和所述第二氧化物势垒层包括：镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物以及钽氧化物中的至少一种。
在优选实施例中，所述间隔层的厚度范围为0.1-1nm。
本发明另一方面实施例提供一种磁隧道结，包括上述的磁隧道结参考层。
本发明又一方面实施例提供一种磁随机存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括如上所述的磁隧道结。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器，通过金属的间隔层与磁性层多层堆叠形成合成反铁磁结构来增加垂直磁隧道结参考层的热稳定性，降低膜层的设计复杂性、降低成本，在不需要氧化物的情况下形成了具有强垂直磁各向异性、高热稳定性、膜层简单、成本较低的多层膜结构，能够促进磁存储器的大规模使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有技术中一种磁隧道结的结构示意图。
图2a示出了现有技术中一种磁隧道结参考层的结构示意图之一。
图2b示出了现有技术中一种磁隧道结参考层的结构示意图之二。
图3示出了现有技术中一种磁隧道结参考层的结构示意图之三。
图4示出了本发明实施例中磁隧道结参考层的结构示意图。
图5示出了本发明实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之一。
图6示出了本发明实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之二。
图7示出了本发明实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之三。
图8示出了本发明实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之四。
图9示出了本发明实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之五。
图10示出了本发明实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之六。
图11示出了现有技术中的自旋阀结构示意图。
图12示出了本发明实施例中自旋阀结构示意图。
图13示出了本发明实施例中赛道存储器结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前使用的参考层主要包括两种结构，一种是通过反铁磁材料来钉扎住参考层的磁化方向，另一种方式是通过多层膜形成合成反铁磁结构来钉扎住参考层的磁化方向。但是这两种方式都有他们自身的缺陷。
图1示出了MTJ的典型示意图，其中参考层中单向的向下黑色箭头代表参考层的磁化方向固定向下、垂直于磁存储器单元器件平面，磁性层中双向的黑色箭头代表磁性层的磁化方向可改变成平行于或反平行于参考层磁化方向。当两个磁性层的磁化方向平行时，MTJ呈现低阻态，反之呈现高阻态。
图2a示出了现有技术中磁隧道结参考层的结构示意图之一，图2b示出了现有技术中磁隧道结参考层的结构示意图之二，磁隧道结参考层由合成反铁磁(SAF)层和磁性层组成,磁性层采用CoFeB或CoFe等材料，合成反磁性层通过Pt/Co多层膜实现反铁磁耦合从而钉扎住磁性层保持参考层稳定的磁化方向，为了达到参考层与自由层矫顽力相差较大的目的需要采用多层Pt/Co堆叠的方式增加矫顽场，中间层材料使用Ru等金属实现反铁磁耦合。采用Pt/Co多层膜构建参考层通过Pt/Co多层膜形成反铁磁耦合可以钉扎住参考层磁化方向，通过Pt/Co多层膜构建参考层主要有两种方式：如图2a，在Pt/Co多层膜和磁性层中间***间隔层材料Ru实现两层的反铁磁耦合；或者如图2b，通过两层Pt/Co多层膜构建合成反铁磁结构进一步钉扎住参考层磁化方向。
但是通过Pt/Co多层膜实现反铁磁耦合构建钉扎层的方式虽然可以实现参考层磁化方向的保持，但是此种方式成本较高且增加了系统的复杂性。此外因为该体系中Pt/Co的热稳定性不高因此限制了加工工艺。
图3示出了现有技术中通过反磁性层与合成反磁性层结合的方式固定参考层磁化方向的磁隧道结参考层结构示意图，如图3所示，磁隧道结通过反铁磁材料(如：PtMn)钉扎住合成反磁性层的下层磁性层。而后通过***Ru等材料实现合成反铁磁的两层磁性层耦合，进而可以使靠近势垒的磁性层具有固定的磁化方向。但是准确的数据读写需要参考层和自由层的矫顽力相差较大。而此种实现方式相对而言矫顽力相差较小，因此磁存储器的容错性不强。此外反铁磁钉扎层(如：PtMn)较活泼，在高的退火温度下易扩散从而损伤磁性层且成本较高。
针对目前磁隧道结参考层设计较为复杂，热稳定性不强且成本较高等各种问题，本发明提供了一种兼具高热稳定性及低成本的多层膜结构，克服了现有技术的不足，具有设计简单可靠、高热稳定、成本低廉等优点。
图4示出了本发明一个方面实施例中一种磁隧道结参考层，包括：反铁磁结构层，包括多个相互层积的金属磁性层单元，每个金属磁性层单元包括一间隔层和位于所述间隔层一侧表面上的一磁性层。
需要说明的是，上述的所述间隔层一侧表面指间隔层的上侧表面或者下侧表面，并且本领域技术人员可以理解的是，每个金属磁性层单元在结构上应当完全一致，即所有金属磁性层单元中，磁性层位于间隔层的上侧表面，或者磁性层位于间隔层的下侧表面，在多个金属磁性层单元堆叠时，其宏观结构为间隔层、磁性层、间隔层、磁性层依此类推。
本发明提供的一种磁隧道结参考层，通过间隔层与磁性层形成合成反铁磁结构来增加磁隧道结参考层的热稳定性、降低膜层的设计复杂性、降低成本，在不需要氧化物的情况下形成了具有强垂直磁各向异性、高热稳定性、膜层简单、成本较低的多层膜结构，能够促进磁存储器的大规模使用。
具体的，如图5所示，反铁磁结构层包括多层间隔层和多层磁性层两两交替设置，如图5所示，从下到上依次是间隔层一、磁性层一、间隔层二、磁性层二、…、间隔层N、磁性层N，即为上述的反铁磁结构层，N为大于1的正整数。
请继续结合图5，所述磁性层一、…、磁性层N材料是CoFeB、CoFe、FeB、Co、Fe、Heusler合金等材料中的一种或几种材料组合；磁性层的厚度为0.2-2nm。不同层的厚度和材料可以不一样。
所述间隔层一、…、间隔层N材料为金属，可选自但不限于钼(Mo)、铬(Cr)、铌(Nb)、钒(V)等金属或他们的合金。厚度为0.1-1nm。
所述缓冲层一(第一缓冲层)材料为金属，为金属，可选自但不限于钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、铌(Nb)、钌(Ru)等金属或他们的合金，优选厚度为0.2-5nm。
所述第一氧化物势垒层是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选氧化镁(MgO)，厚度为0.2-5nm。
如图6所示，反铁磁结构层包括多层间隔层和多层磁性层两两交替设置，如图6所示，从下到上依次是磁性层一、间隔层一、磁性层二、…、间隔层N-1、磁性层N，其中磁性层一、间隔层一、磁性层二、…、间隔层N-1、磁性层N即为上述的反铁磁结构层，N为大于1的正整数。
在一些图中未示出的实施例中，本发明中的磁隧道结参考层还包括：第一氧化物势垒层，位于所述反铁磁结构层的一侧表面上；第二氧化物势垒层，位于所述反铁磁结构层背离所述第一氧化物势垒层的一侧表面上；以及第一缓冲层，位于第二氧化物势垒层背离所述反铁磁结构层的一侧表面上。此外，在图中未示出的实施例中，本发明的磁隧道结参考层还包括：第二缓冲层，位于所述第一缓冲层背离所述第二氧化物势垒层的一侧表面上；和基底，位于所述第二缓冲层背离所述第一缓冲层的一侧表面上。
进一步的，在本发明的另一个实施例中，本发明的磁隧道结参考层还包括：保护层，位于所述第一氧化物势垒层背离所述反铁磁结构层的一侧表面上。
请继续结合图6，所述缓冲层一(第一缓冲层)材料为金属，为金属，可选自但不限于钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、铌(Nb)、钌(Ru)等金属或他们的合金，优选厚度为0.2-5nm。
所述磁性层一、…、磁性层N材料是CoFeB、CoFe、FeB、Co、Fe、Heusler合金等材料中的一种或几种材料组合；磁性层的厚度为0.2-2nm。不同层的厚度和材料可以不一样。
所述间隔层一、…、间隔层N-1材料为金属，可选自、但不限于钼(Mo)、铬(Cr)、铌(Nb)、钒(V)等金属或他们的合金。厚度为0.1-1nm。
如图7所示，在上述包括第二氧化物势垒层的实施例中，从下到上依次是氧化物势垒层一、磁性层一、间隔层一、…、间隔层N-1、磁性层N。
所述氧化物势垒层一(即第一氧化物势垒层)和氧化物势垒层二(即第二氧化物势垒层)是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选氧化镁(MgO)，厚度为0.2-5nm。
所述磁性层一、…、磁性层N材料是CoFeB、CoFe、FeB、Co、Fe、Heusler合金等材料中的一种或几种材料组合；磁性层的厚度为0.2-2nm。不同层的厚度和材料可以不一样。
所述间隔层一、…、间隔层N-1材料为金属，可选自、但不限于钼(Mo)、铬(Cr)、铌(Nb)、钒(V)等金属或他们的合金。厚度为0.1-1nm。
所述缓冲层材料为金属，为金属，可选自但不限于钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、铌(Nb)、钌(Ru)等金属或他们的合金，优选厚度为0.2-5nm。
薄膜结构是指层状的薄膜堆叠结构，是采用磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积或原子层沉积等方法将各层的材料按照从下到上的顺序生长在衬底或其他多层膜上，然后进行光刻、刻蚀等纳米器件加工工艺进行制备纳米结。每一薄层的横截面积基本相同，横截面形状一般为圆形、椭圆形、正方形或长方形中的一种。
缓冲层(包括第一缓冲层和第二缓冲层)是指磁性层或者氧化物势垒层下面的一层金属、金属合金或氧化物材料，具有降低表面粗糙度，促进多层膜层结晶，改善多层膜界面状态，调节垂直磁各向异性的效果。
氧化物势垒层是指金属氧化物，用于增强自旋电子极化率，提高隧穿的通道。增加隧穿磁阻效应。通常采用氧化镁(MgO)。
磁性层是指铁磁材料形成的金属薄层，在室温(20到25摄氏度)下该薄层的易磁化轴垂直于薄膜平面方向，可以用做磁隧道结中的自由层和参考层，通常可以采用铁磁材料，当然其他具有磁性能力的金属及合金也可适用，在铁磁材料的情况下称为铁磁层。
间隔层是指两个磁性层中间金属或金属合金材料，通过间隔层可以增加金属与铁磁材料的界面数量，可以在增加磁性层厚度的情况下保持易磁化轴垂直于薄膜平面。通过界面处的自旋轨道耦合作用可以提高界面的垂直磁各向异性，降低磁阻尼系数，降低临界翻转电流。间隔层可以使两层磁性层通过RKKY效应耦合在一起，通过控制间隔层的厚度可以实现铁磁耦合或反铁磁耦合以及控制耦合强度，同时也可以增加矫顽场。
所述基底可以采用硅，玻璃或其他化学性能稳定且表面平整的物质。
保护层可以采用钽(Ta)、钌(Ru)、铂(Pt)、二氧化硅(SiO2)等多种金属材料和非金属材料，保护层的厚度一般为1-100nm。
CoFeB的常用元素配比可以是Co20Fe60B20、Co40Fe40B20或Co60Fe20B20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。
所述的FeB的常用元素配比可以是Fe80B20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。
所述的CoFe的常用元素配比可以是Co50Fe50、Co20Fe80、Co80Fe20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。
所述的Heusler合金可以是钴铁铝(Co2FeAl)、钴锰硅(Co2MnSi)等材料，其中的元素种类和元素配比可以改变。
下面示出具体实例来对本发明的核心构思进行说明。
一实施例中，采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将缓冲层一、间隔层一、磁性层一、间隔层二、磁性层二、…、间隔层N、磁性层N和氧化物势垒层沉积在热氧化的硅基底上，并且在氧化物势垒层一上沉积一层保护层，如图8所示。最后进行光刻、刻蚀等工艺，横截面为圆形。
其中，缓冲层一材料是Ta或Ru，厚度为5nm；磁性层一、…、磁性层N的材料为CoFeB，厚度为1nm，间隔层一、…、间隔层N的材料为Mo或Cr厚度为0.8nm。氧化物势垒层材料是MgO，厚度为1nm；保护层材料为Ta，厚度为5nm。通过该结构，可以实现各层磁性层反铁磁耦合，并且由于Mo(Cr)/CoFeB表面的界面垂直磁各向异性很强，因此可以在不需要MgO的前提下保持较强的垂直磁各向异性。并且通过控制间隔层厚度为0.8nm可以获得较强的反铁磁耦合。通过多层堆叠的方式还可以增强矫顽场，有利于区分参考层与自由层，降低读写错误率。此外，该结构中扩散较少，具有较强的热稳定性，因此可以在一定范围内缩小多层膜的横截面积增加磁存储密度。
一实施例中，采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将缓冲层一、磁性层一、间隔层一、磁性层二、…、间隔层N-1、磁性层N和氧化物势垒层沉积在热氧化的硅基底上，并且在氧化物势垒层一上沉积一层保护层，如图9所示。最后进行光刻、刻蚀等工艺，横截面为圆形。
其中，缓冲层一材料是Ta或Ru，厚度为5nm；磁性层一、…、磁性层N的材料为CoFeB，厚度为1nm，间隔层一、…、间隔层N-1的材料为Mo或Cr厚度为0.8nm。氧化物势垒层材料是MgO，厚度为1nm；保护层材料为Ta，厚度为5nm。通过该结构，可以实现各层磁性层反铁磁耦合，并且由于Mo(Cr)/CoFeB表面的界面垂直磁各向异性很强，因此可以在不需要MgO的前提下保持较强的垂直磁各向异性。并且通过控制间隔层厚度为0.8nm可以获得较强的反铁磁耦合。通过多层堆叠的方式还可以增强矫顽场，有利于区分参考层与自由层，降低读写错误率。同时可以通过控制缓冲层的厚度和材料来调节界面增强垂直磁各向异性。此外，该结构中扩散较少，具有较强的热稳定性，因此可以在一定范围内缩小多层膜的横截面积增加磁存储密度。
一实施例中，采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将缓冲层一、氧化物势垒层一、磁性层一、间隔层一、磁性层二、…、间隔层N、磁性层N和氧化物势垒层二沉积在热氧化的硅基底上，并且在氧化物势垒层一上沉积一层保护层，如图10所示。最后进行光刻、刻蚀等工艺，横截面为圆形。
其中，缓冲层一材料是Ta或Ru，厚度为5nm；磁性层一、…、磁性层N的材料为CoFeB，厚度为1nm，间隔层一、…间隔层N的材料为Mo或Cr，厚度为0.8nm。氧化物势垒层材料是MgO，厚度为1nm；保护层材料为Ta，厚度为5nm。
在上述特定实例中，存在两个CoFeB/MgO界面和若干个CoFeB/Mo(Cr)界面。这些界面可以产生强的自旋轨道耦合效应，可以提供较强的垂直磁各向异性。同时CoFeB/Mo(Cr)界面较为稳定，可以保持较高的热稳定性。通过控制间隔层Mo(Cr)的厚度，可以实现各层磁性层较强的反铁磁耦合，并且通过多层堆叠的方式可以增强矫顽场，有利于增强隧穿磁阻率。此外，由于该结构具有较强的热稳定性，因此可以在一定范围内缩小多层膜的横截面积增加磁存储密度。
基于相同的发明构思，本发明另一方面实施例提供一种磁隧道结，其包括上述实施例中的磁隧道结参考层，本领域技术人员可以理解，在某些实施例中，磁性隧道结还包括自由层，在此不做赘述。
本发明提供的磁隧道结，通过金属的间隔层与磁性层形成合成反铁磁结构来增加磁隧道结参考层的热稳定性、降低膜层的设计复杂性、降低成本，形成了具有强垂直磁各向异性、高热稳定性、膜层简单、成本较低的多层膜结构，能够促进磁存储器的大规模使用。
基于相同的发明构思，本发明又一方面实施例提供一种磁随机存储器，其包括多个存储单元，每个存储单元包括上述磁性隧道结，磁隧道结包括上述实施例中的磁隧道结参考层，本领域技术人员可以理解，在某些实施例中，磁性隧道结还包括自由层，在此不做赘述。
本发明提供的磁随机存储器，通过金属的间隔层与磁性层形成合成反铁磁结构来增加磁隧道结参考层的热稳定性、降低膜层的设计复杂性、降低成本，形成了具有强垂直磁各向异性、高热稳定性、膜层简单、成本较低的多层膜结构，能够促进磁存储器的大规模使用。
基于相同的发明构思，本发明又一方面实施例提供一种自旋阀，包括：第一磁性层，非磁性中间层，第二磁性层和反铁磁结构层，所述包括多个堆叠的金属磁性层单元，每个金属磁性层单元包括一间隔层和位于所述间隔层一侧表面上的一磁性层。
典型自旋阀结构主要有四层结构组成，即磁性层1，非磁性中间层，磁性层2和反铁磁性层，如图11所示。其中反铁磁性层具有很强的单轴磁各向异性，可以将磁性层2钉扎在易磁化方向。磁性层2称之为自由层，通过施加外磁场即可以改变磁性层2的磁化方向，可以使两个磁性层的取向相反或相同，分别对应于高电阻态和低电阻态。
可以理解，本发明提供的自旋阀，通过本专利所述的膜堆结构，如图12所示，可以替代传统自旋阀结构中的反磁性层和磁性层一，通过多个间隔层和磁性层的组合可以保证与非磁性中间层接触的磁性层的磁性取向固定，并且可以通过重复次数来调控矫顽力等性质，同时具有成本较低等特点。
基于相同的发明构思，本发明又一方面实施例提供一种赛道存储器，包括：
反铁磁结构层，包括多个堆叠的金属磁性层单元，每个金属磁性层单元包括一间隔层和位于所述间隔层一侧表面上的一磁性层；
重金属层，位于所述反铁磁结构层的一侧表面。
本专利所述的膜堆结构也可以应用于赛道存储器领域，通过在下层沉积的重金属层中通入电流，可以产生自旋轨道矩驱动膜层中磁畴壁的移动。通过改变间隔层的材料，厚度以及磁性层的厚度。可以实现较强的Dzyaloshinskii–Moriya interaction(DMI)效应。进而可以调控磁畴的大小和磁畴壁的移动速度，下层间隔层一隔离重金属层的扩散，提高热稳定性。从而可以应用于赛道存储领域。如图13所示。
基于相同的发明构思，本发明又一方面实施例提供一种斯格明子器件，包括：反铁磁结构层，包括多个堆叠的金属磁性层单元，每个金属磁性层单元包括一间隔层和位于所述间隔层一侧表面上的一磁性层。
随着大数据的发展，需要更高的存储密度和更快的存取速度。斯格明子由于微小的尺寸，有着拓扑保护的稳定性，并且能被极低功率的自旋极化电流所驱动，被普遍认为可能成为下一代磁存储器件的理想信息存储单元。通过金属间隔层和磁性层多层堆叠的方式可以在膜层中形成斯格明子并且可以通过调控间隔层以及磁性层的厚度和材料来调控斯格明子的大小等特性。因此可以将所述的膜层结构应用于斯格明子器件。
现有技术中还可以将多层膜结构“MgO/CoFeB/Mo/CoFeB/MgO”作为单元形成人工反铁磁结构多层膜，其核心结构即为两层氧化物势垒层和中间的铁磁-非磁-铁磁复合层结构。该结构由“CoFeB/MgO”体系组成的垂直各向异性人工反铁磁结构的多层膜材料，是通过将核心非磁性层***“MgO/CoFeB/MgO”结构的CoFeB层中，得到诸如“MgO/CoFeB/Mo/CoFeB/MgO”的结构，使得位于非磁性层两边的CoFeB形成具有垂直各向异性的反铁磁交换耦合，且该结构的热稳定性较强。但是该结构需要氧化物势垒层来产生该体系的热稳定性、垂直磁各向异性等优点，添加氧化物势垒层之后由于自旋扩散深度的限制不仅会使该结构难以应用与电流驱动的赛道或斯格明子器件中而且还会影响磁隧道结的电阻，影响磁隧道结的性能。
此外，在现有技术中，还通过磁性子层和非磁性空间隔层交错配置成的一层状堆栈层。该结构下层为钽或镁等材料形成的种子层，该结构包含X+1层的磁性子层以及x个与其交错配置的非磁性间隔层。X为1～15。当非磁性间隔层为钌、铑或铱时，磁性子层以钴为佳。但是该结构需要暴露两端的磁性层用于磁隧道结，需要下层种子层形成垂直磁各向异性。限制了结构的使用范围。且该结构中的非磁性空间隔层为钌、铑或铱等材料，热稳定性不强，易扩散而破坏磁性层。同时非磁性层为Co或CoM的合金，多层堆叠对于矫顽力较大，难以应用于电流驱动磁化翻转器件中。
基于本发明的构思，可以知晓本发明可以规避上述现有技术中的问题，一来应用于赛道存储器或斯格明子器件时，不包括氧化物势垒层，本结构能够应用于电流驱动的赛道或斯格明子器件中而且不会影响磁隧道结的电阻，进而不会影响磁隧道结的性能；二来不需要暴露两端的磁性层，不需要下层种子层形成垂直磁各向异性，没有限制了结构的使用范围，同时多层堆叠时矫顽力较小，间隔层能够在不影响自旋扩散的前提下阻挡下层重金属的扩散，可以提高电流驱动磁化翻转器件的翻转效率和热稳定性。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应该说明的是，以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。