具体实施方式

在说明H-STT-MRAM器件的实施例的细节之前，尽管STT-MRAM处于大规模生产，制造阶段以代替计算机及移动设备中的DRAM，先总结下当前STT-MRAM器件中的问题。

面内磁向异性STT-MRAM器件的主要问题是存储器单元小型化限制，因为小于60nm的单元尺寸将遭受存储的FL磁化的不稳定性和均匀性问题，这将限制存储面密度增加并且使其与半导体DRAM器件竞争中不占上风。

垂直磁向异性STT-MRAM器件可克服面内磁向异性STT-MRAM器件中的存储器尺寸小型化问题，但与半导体DRAM相比仍具有的两个缺点。第一个是每个垂直STT-MRAM存储器单元仅具有“0”和“1”的两个电阻状态的单一位存储，而半导体DRAM可以存储更多位。第二个问题是，如果FL具有长时间存储的FL磁化所需的强垂直磁向异性，则电子自旋转移矩可能不足以反转FL的磁化强度来写入。

为了解决第一问题，提出了具有包括不同TMR以及甚至不同存储器单元尺寸的不同磁性性质的MTJ简单堆叠组成的垂直STT-MRAM，这将影响MTJ优化且极大地增加制作过程的复杂性。

为了解决第二问题，可加个写入线，通电后产生一个附加磁场来协助STT写入，但该方法将增加功率消耗、产生附加热量并且还具有工艺复杂性等弊病。如果一个非磁层被置于pma-MTJ的垂直磁向异性FL和面内磁性向异性极化层之间，则具有面内磁性各向异性的极化磁性层会在pma-MTJ中FL上产生一个垂直于正常STT的附加STT来助写。然而，其尚未完全使用极化磁性层，并且仍具有仅得到1位存储的第一问题。

本发明提出了H-STT-MRAM器件的若干实施例，以解决当前STT-MRAM器件中的上述问题，所述器件是由处于两个MTJ的两个FL之间的非磁性间隔分离的pma-MTJ堆叠和ima-MTJ堆叠的面对面堆叠组成的结构。并提出由SAF自由层结构来代替ima-MTJ中的单个FL(所述SAF自由层结构包括由Ru层夹在两个磁性层之间形成强反铁磁性耦合的两个磁性层)，该SAF FL结构是非常稳定的磁性结构，其具有接近零的去磁化效果和均匀的磁化分布，即使对于小的存储器单元也是如此。

在所提出的H-STT-MRAM器件中，在ima-MTJ堆叠中的面内磁性各向异性FL和pma-MTJ堆叠中的垂直磁性各向异性FL由非磁性层隔开，其中的任一个FL自动地是另一FL写入的极化磁性层：通过非磁性间隔层供应附加自旋转移矩(其垂直于来自RL的正常自旋转移矩)来协助写入。此外，优化的ima-MTJ和优化的pma-MTJ具有不同的磁性性质和TMR将使其组成的H-STT-MRAM器件成为优异的2位存储器器件。还提出了基于2位H-STT-MRAM组成的高位H-STT-MRAM器件。因此，所提出的现有技术H-STT-MRAM器件可解决当前STT-MRAM器件中的问题且与基于半导体电荷的DRAM器件相比具备STT-MRAM优越性质，诸如非易失性、较少功率消耗、快速读取和写入，还具有附加STT的较好写入性能、高位、高面内存储密度等优点。

图1(a)及1(b)分别图示了H-STT-MRAM器件第一实施例100的的横截面图和俯视图。100的实施例包括底部垂直磁向异性磁性隧穿结(pma-MTJ)120、及其上方的顶部面内磁向异性磁性隧穿结(ima-MTJ)110和夹在110与120之间的非磁性间隔层130。

底部pma-MTJ 120包括：参考层堆叠，其包括底部反铁磁体(AFM)126固定的垂直磁向异性SAF结构140，由Ru层124隔开的固定层(PL)125和参考层(RL)123以在PL 125和RL123之间形成强反铁磁性耦合；RL 123上方的垂直磁向异性自由层(FL)121；以及FL 121和RL 123之间的MgO隧穿势垒层122。AFM 126用于固定PL 125的磁化强度，并可进一步增强抵抗反转PL 125的磁化强度的磁场。

顶部ima-MTJ 110包括：参考层堆叠，包括置于面内磁向异性SAF结构150之上，并用于固定其PL 112面内磁向异性的顶部AFM 111，SAF 150包括由Ru层113隔开的面内磁向异性PL 112和面内磁向异性RL 114，以在PL 112和RL 114之间形成强反铁磁性耦合；SAF150下方的面内磁向异性FL 116；以及FL 116和RL 114之间的MgO隧穿势垒层115。由AFM111固定的面内磁向异性SAF结构150被用作RL除具有与AFM 126固定的垂直磁向异性SAF结构140类似的功能外，由磁性匹配的PL 112和RL 113组成的面内磁向异性SAF结构150还是个完美的零退磁结构。

非磁性间隔层130处于顶部ima-MTJ 110与底部pma-MTJ 120之间且更确切地讲处在ima-MTJ 110的FL 116与pma-MTJ 110的FL 121之间。非磁性间隔层130可以是MgO或AlO的TMR隧穿势垒层、或GMR中RL和FL间的Cu夹层、或是Ta、Au、W、V、Mo、Ru、Cr或Nb的势垒材料，以切断底部Pma-MTJ 120和顶部Ima-MTJ 110中的两个自由层的交换耦合，并且自动成为另一方的磁极化层通过其两个相邻自由层之间的极化电子自旋输运以促进写入。

100的实施例中，顶部ima-MTJ 110中的FL 116和底部pma-MTJ 120中的FL 121强度示于以双箭头，以表示FL中的磁化强度可以通过磁场或自旋转移矩反转或旋转写入。

所提出的H-STT-MRAM 100可通过以下操作来示例任一个MTJ FL中的自旋转移矩(STT)写入时，另一个MTJ自由层通过非磁性间隔130同时在写入自由层上施加一个垂直于正常自旋转移矩的附加自旋转移矩。在100的实施例中通于自顶向下的写入电流和电流脉冲以将FL 121中的磁化强度旋转到底部pma-MTJ写入的RL 123中的磁化强度的方向，如在正常STT-MRAM的情况中那样，该操作除由来自RL 123、通过MgO隧穿势垒122的自旋转移矩外，具有垂直磁化强度的FL 121还受到来自顶部ima-MTJ 110的具有面内磁化强度的FL116通过非磁性间隔130的一个附加自旋转移矩以协助其写入。自始至终，来自FL 116的该附加自旋转移矩垂直于来自RL 123的正常自旋转移矩，尽管该附加自旋转移矩的幅度将随着磁化强度而改变，这类似于来自RL 123的正常自旋转移矩的幅度的变化。该附加自旋转移矩在先前背景技术中已讨论过，我们的创新是该FL 116不仅用作附加的自旋转移矩源，还用作ima-MTJ 110堆叠中的存储单元，并且其还将得益于来自pma-MTJ FL 121的附加自旋转移矩以协助其写入。在ima-MTJ 110写入时，如在正常STT-MRAM的情况下那样，自顶向下通过100的写入电流和电流脉冲将产生从RL 114通过MgO隧穿势垒115作用到FL116上的正常自旋转移矩使其磁化向RL 114中的磁化反平行方向旋转；同时，FL 116还受到一个产生其来自FL 121、穿过非磁性间隔130，垂直于正常自旋转移矩的附加自旋转移矩以协助其磁化的旋转。

图1b示出了H-STT-MRAM器件100的俯视图111且具有圆盘形状，H-STT-MRAM器件存储器单元为圆柱体形状，但也包括其他形状，诸如椭圆形柱体、正方形柱体或矩形柱体。

pma-MTJ 120中的RL堆叠也可以是垂直磁向异性永久磁性膜，诸如hcp(002)Co合金、L10合金(诸如FePd、FePt或CoPt)、或Co2/Pd9或Co2/Pt9或者由以Ru层分隔的两个垂直磁向异性永久磁膜形成的垂直各向异性SAF。

pma-MTJ堆叠和ima-MTJ堆叠二者中的自由层是CoFe、CoFeB或其他CoFe合金，但pma-MTJ中的FL可以是由包括Au、W、V、Mo、Ru、Cr或Nb的非磁性层隔离的CoFeB/Ta或CoFe合金层的多层膜，以最大程度的利用CoFeB层中的表面垂直磁向异性来增加TMR效应。

ima-MTJ 110中的AFM 111和pma-MTJ 120中的AFM 126最好是具有不同退火块温度的不同AFM材料，它们可以是IrMn、NiMn、FeMn、PtMn或IrMn/FeMn多层。高和低退火块温度AFM分别称为第一AFM和第二AFM。在两次高温炉退火中，强水平和垂直磁场分别需要施加于ima-MTJ 110和pma-MTJ 120退火。两次退火的顺序将是先高温退火，高温升到高于第一AFM的高块温度，同时施加其相应方向的高磁场，以感应其第一AFM固定场及AFM固定的MTJ所需的磁向异性；然后是相对低的温度退火，刚好高于第二AFM的低块温度，也同时施加其相应方向的高磁场，以感应其第二AFM固定场及AFM固定的MTJ的磁向异性。在该顺序中，由于第二次退火温度低于第一AFM的高块温度，第二次退火将不会破坏第一AFM的第一退火时的效果。我们在以下情况中举例，ima-MTJ的AFM 111为具有约300℃的低块温度的IrMn为第二AFM，pma-MTJ的AFM 126是具有约400℃的高块温度NiMn为第一AFM。基于所提出的退火顺序，首先在强垂直磁场下让H-STT-MRAM在超过400℃高温炉里进行高温退火，以使NiMn AFM感应垂直固定PL 125，并且还在pma-MTJ 120的FL 121中感应较好垂直磁向异性。然后，在刚好高于IrMn AFM块温度的300℃，但低于NiMn AFM的块温度400℃的温度下，在强水平磁场下进行低温退火，以使IrMn AFM感应面内固定ima-MTJ的PL 112，但也不会破坏NiMn AFM垂直固定PL 125的效果，因为低温退火的温度低于400℃的NiMn AFM块温度。

对于pma-MTJ堆叠中的永久磁体RL堆叠的情况，特别是对于hcp(002)Co合金、L10合金(诸如FePd、FePt或CoPt)的永久磁体RL、或Co2/Pd9或Co2/Pt9的多层或仅由以Ru为夹层的两个垂直磁向异性永久磁体膜形成的垂直各向异性SAF。垂直磁向异性RL和FL将需要在高温及垂直磁场下沉积，或者在进行正常温度沉积之后在强垂直磁场下在高温炉中退火。pma-MTJ中的垂直磁向异性FL和RL也可以是由Ta、Au、W、V、Mo、Ru、Cr或Nb的非磁性间隔分离的CoFeB的多层薄膜，并且在常温度沉积之后在垂直磁场下的高温炉退火还可进一步改善其磁性性质。在这种情况下，需要ima-MTJ中的AFM的块温度与具有永久磁体RL的pma-MTJ堆叠中所需的退火温度应不同，并且两次退火的退火顺序与在具有不同块温度的两个AFM上所提出的相同，亦然是首先进行高温退火、然后进行低温退火。

图2图示了H-STT-MRAM器件的另一实施例200，所述H-STT-MRAM器件200的两个MTJ与图1中的100的实施例中的堆叠次序相比相反，但仍保持如所提出的ima-MTJ与pma-MTJ的面对面堆叠。200的实施例包括：底部ima-MTJ 220及其上方的顶部pma-MTJ 210，其顶部pma-MTJ 210的FL 216与底部ima-MTJ堆叠220的FL 221之间夹层亦然是非磁性间隔层130。顶部pma-MTJ 210包括：RL堆叠，其包括垂直磁向异性SAF 217，所述垂直磁向异性SAF 217包括由Ru夹层213分开的PL 212和RL 214，PL 212其由顶部AFM 211垂直固定；RL堆叠下方的FL 216；以及设置在FL 216和由顶部AFM 211垂直固定的SAF结构217的RL 214之间的隧穿间隔MgO 215。底部ima-MTJ堆叠220包括：RL堆叠，其包括面内磁向异性SAF堆叠227，所述面内磁向异性SAF堆叠227包括由Ru夹层224分开的PL 225和RL 223，其PL 225由底部AFM226面内固定；RL堆叠上方的FL 221；以及FL 221与RL 223之间的隧穿势垒MgO 222。

非磁性势垒层130设置于顶部pma-MTJ 210的FL 216与底部ima-MTJ 220的FL 221之间。如在H-STT-MRAM器件的第一实施例100中所讨论的，200中的两个FL除了其存储器功能之外，也都具有一个垂直来自相应的RL的正常自旋转移矩的、穿过非磁性间隔130附加自旋转移矩以协助其写入。

H-STT-MRAM器件200还示了出一个完整的堆叠，其包括用于信号放大器的底部晶体管230、晶体管发射极上的字线240、晶体管基础极上的源极线250以及堆叠的顶部电极上的位线260。

100和200中所提出的H-STT-MRAM实施例均包括具有单层FL的ima-MTJ，由于其弱的面内磁向异性、边缘效应和退磁效应会引起面内STT-MRAM器件诸如热不稳定性和单元磁化分不布均匀性等典型问题，这将限制用于高面存储密度的器件单元小型化。本发明提出由SAF FL结构来代替ima-MTJ单元中的FL。SAF FL结构是由Ru夹层分开的两个铁磁性层形成的强反铁磁性耦合结构，如果两个铁磁性膜具有匹配的磁特性和尺寸，则该结构具有几乎为零的退磁场。这种强的反铁磁性耦合SAF自由层结构可突破约60nm的单个FL尺寸的小型化限制，并可能用于存储单元尺寸低至10nm以下的超高面密度存储器。

图3(a)和(b)示出了分别在H-STT-MRAM器件第三实施例300和面内磁性各向异性STT-MRAM器件的中使用SAF自由层结构来代替在ima-MTJ堆叠中的FL，以突破60nm尺寸限制，并用于10nm以下的存储器以增加面存储密度。

图3(a)图示了由非磁性间隔130分开的底部pma-MTJ堆叠120及上方的具有SAL FL结构320的顶部ima-MTJ堆叠310构成的H-STT-MRAM器件的第三实施例300。与图1a中所示的实施例100相比，实施例300用SAF FL结构320代替100中的顶部ima-MTJ 110中的FL 116，所述SAF FL结构320包括直接设置在MgO隧穿势垒115下方的自由层1(FL_1)321以及自由层2(FL_2)322，其由夹在FL_1 321和FL_2 322之间的Ru层323在其反铁磁性峰值厚度处形成强反铁磁耦合。

图3(b)示出了具有SAF FL结构的面内STT-MRAM器件，其仅是从图3(a)中的H_STT-MRAM的第三实施例300截取顶部ima-MTJ 310以及用非磁性覆盖层324代替非磁性间隔层130。由于FL_1 321和FL_2 322通过SAF FL结构320中的间隔层Ru 323的强AFM耦合，具有SAF FL结构的ima-STT-MRAM中的存储器单元也可突破60nm的限制，并且可能下降到10nm以下尺寸以用于高性能计算、移动设备和其他存储器器件中的高面内存储密度存储。具有SAFFL结构的面内STT-MRAM可以被写入并保持为多于最大和最小的两个电阻状态，这是因为FL磁化还可以通过在电流和电流脉冲写入时控制自旋转移矩在例如相对于RL固定磁化方向45°、(±90°)、135°之处写入和存储，以获得除了R_ima ^max和R_ima ^min之外的在R_ima ^π/4、(R_ima ^±π/2)和R_ima ^3π/4处中的读取电阻；并且具有零退磁场的稳定SAF FL将长时间维持那些电阻状态，以使用TMR效应来读出它们。这可以使面内STT-MRAM和H-STT-MRAM分别成为2位(或2.32192809位)存储器器件和3位(或3.32192809位)存储器器件，以进一步增加面存储密度。

图4图示了包括由非磁性间隔夹层130分离的顶部pma-MTJ堆叠210以及具有SALFL结构320的底部ima-MTJ堆叠410的H-STT-MRAM器件的第四实施例400。与图2中所示的实施例200相比，400的实施例仅仅是由SAF FL结构320代替200中的底部ima-MTJ 220中的FL221，所述SAF FL结构320包括直接设置在MgO隧穿势垒222上的自由层1(FL_1)321以及自由层2(FL_2)322，其由Ru层323夹在FL_1 321和FL_2 322之间通过Ru层323在其反铁磁性峰值厚度处形成强反铁磁性耦合。类似地，第四实施例400的存储器尺寸还可以突破约60nm的单个FL面内MTJ尺寸限制，并且由于ima-MTJ堆叠中的稳定的SAL自由层结构，可以下降到10nm以下以用于面内高密度存储。

在对H-STT-MRAM的第三实施例和第四实施例(包括由非磁性间隔夹层分离的具有SAF FL结构的ima-MTJ堆叠和pma-MTJ堆叠的面对面堆叠)中突破尺寸小型化限制进行谈论之后，图5中针对实施例300说明H-STT-MRAM的写入及读取，假定ima-MTJ堆叠相对容易写入且提出两步写入方法以获得用于2位存储的四个电阻状态以充分使用H-STT-MRAM器件容量以用于进一步增加存储容量。

在使ima-MTJ堆叠及pma-MTJ中的两个自由层的磁化都被自旋转移矩饱和写入后，所提出的H-STT-MRAM器件的ima-MTJ堆叠及pma-MTJ堆叠将始终分别具有最大电阻及最小电阻：不管饱和写入电流和电流脉冲如何沿自底向上方向或自顶向下方向流动，总可获得(R_ima ^min+R_pma ^max)和(R_ima ^max+R_pma ^min)两个电阻状态。为了使(R_ima ^min+R_pma ^max)和(R_ima ^max+R_pma ^min)表示出两个电阻状态，H-STT-MRAM器件中的ima-MTJ堆叠及pma-MTJ堆叠必须具有不同TMR效应，ima-MTJ堆叠及pma-MTJ堆叠可自动满足此要求，因为即使在它们都是最佳设计时，也具有包括不同TMR效应的磁特性。提出的两步写入方法的第2步是在饱和电阻状态下施加小的反向电流和电流脉冲写入可获得(R_ima ^min+R_pma ^min)和(R_ima ^max+R_pma ^max)的两个附加电阻状态，然后总共四个电阻状态可使H-STT-MRAM成为用于进一步增加存储容量的2位存储器器件。

图5(a)-(d)图示了在使用所提出的两步写入方法的对具有相对软(易于写入)的ima-MTJ堆叠的H-STT-MRAM器件的第三实施例300的2位自旋转移矩写入过程。

图5(a)示出了在传递自顶向下流过H-STT-MRAM 300图3a堆叠的饱和电流和电流脉冲之后的自旋转移矩写入过程。在将写入电流和电流脉冲从顶部ima-MTJ 310传递到底部pma-MTJ 120之后，底部pma-MTJ 120的FL 121中的磁化强度将在来自RL 123的正常自旋转移矩以及还有来自顶部ima-MTJ 310的FL_2 322的，通由非磁隔层130，并垂直于正常自旋转移矩的附加自旋转移矩下旋转到PL 123中的磁化方向，从而在pma-MTJ堆叠中得到最小电阻。同时，FL_2 322中的磁化也将有来自FL 121的基于牛顿第三定律的相反的附加自旋矩转移，并且通过FL_2 322和FL_1 321的强AFM耦合将该附加STT传递到FL_1 321，以协助FL_1 321写入；而FL_1 321也受到来自RL 114的正常自旋转移矩，以将其磁化旋转到与RL 114中的磁化反平行的方向。因此，FL_1 321的磁化也将通过来自RL 114的正常自旋转移矩和来自FL 121的通过非磁性间隔130和FL_2 323的、垂直于正常自旋转移矩的、附加自旋转移矩来助其写入。SAF FL结构320还可以被认为是在来自RL 114的正常自旋转移矩和来自FL 121的、通过非磁性间隔130的、垂直于正常自旋转移矩的附加自旋转移矩下的整个结构以使FL_1 321磁化旋转到和RL 114中的磁化反平行的方向。因此，自顶向下的写入电流及电流脉冲将导致底部pma-MTJ堆叠中的最小电阻及顶部ima-MTJ堆叠中的最大电阻，并且获得具有总读取电阻为(R_pma ^min+R_ima ^max)的(R_ima ^min，R_ima ^max)电阻状态。

图5(b)示出了流动通过H-STT-MRAM堆叠300的自底向上写入电流的情况。类似于自顶向下写入的情况，具有与其正常自旋转移矩垂直的相同振幅和相反方向的附加自旋转移矩将分别作用于在顶部ima-MTJ和底部pma-MTJ中的非磁性间隔的正上方和正下方两个自由层上。在顶部ima-MTJ和底部pma-MTJ中分别获得最小和最大电阻，并获得具有总读取电阻为(R_pma ^max+R_ima ^min)的(R_pma ^max，R_ima ^min)的电阻状态。

由于在双STT-MRAM器件中不能够获得最大或最小电阻，因此对双STT-MRAM器件不必给以于太多关注。所公开的H-STT-MRAM器件将具有相同的命运吗？回答是“否”。如上文所提及，可在ima-MTJ堆叠及pma-MTJ堆叠中获得包括不同TMR效应的磁特性，并且(R_pma ^min+R_ima ^max)和(R_pma ^max+R_ima ^min)具有的不同数值可用来表示两个不同存储器状态。此外，的确使用本公开中提出的两步STT写入方法可分别获得在图5(c)和图5(d)中的(R_pma ^max+R_ima ^max)和(R_pma ^min+R_ima ^min)的两个最大和最小电阻状态。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)}的四个电阻状态将使H-STT-MRAM成为2位存储存储器器件以进一步增加存储容量。

所提出的两步自旋转移矩写入方法使用对在第一步骤写入中获得的饱和写入状态施加具有相反方向和相对较小振幅的电流和电流脉冲的第二步骤写入，以便仅反转软(相对容易写入)MTJ堆叠中的FL磁化强度，以分别获得顶部MTJ堆叠和底部MTJ堆叠两者中的两个最大或两个最小电阻状态。在对图5(a)中的饱和写入状态(R_pma ^min，R_ima ^max)施加第二步自底向上的小写入电流和电流脉冲之后，可分别将顶部ima-MTJ的FL_1磁化强度和FL_2磁化强度旋转到与其RL磁化方向平行以及反平行的方向(其仍在两个自旋转移矩下，但底部pma-MTJ中的FL的磁化保持不变，如图5(c)中所示)，以获得具有总读取电阻为(R_pma ^max+R_ima ^max)的两个MTJ的最大电阻状态(R_pma ^max，R_ima ^max)。类似地，第二步骤自顶向下小写入电流和电流脉冲可施加在图5(b)中的饱和写入状态(R_pma ^min，R_ima ^max)上，其中顶部ima-MTJ的FL_1磁化和FL_2磁化的分别旋转到与RL磁化方向平行以及反平行的方向(其同样在两个自旋转移矩下，但底部pma-MTJ中的FL的磁化仍保持不变，如图5(d)中所示)，以获得具有总读取电阻为(R_pma ^min+R_ima ^min)的两个MTJ的最小电阻状态(R_pma ^min，R_ima ^min)。因此，在所公开的H-STT-MRAM器件中可实现2位STT存储，并具有一个垂直于正常自旋转移矩的附加自旋转移矩协助写入的优点。

图6(a)-(d)示出了使用所提出的两步写入方法对具有相对软(易于写入)的pma-MTJ堆叠的H-STT-MRAM器件的第三实施例300图3a上的两次STT写入过程。图6(a)和图6(b)与图5(a)和图5(b)中的情形相同：通以自顶向下饱和写入电流和电流脉冲之后的STT写入将ima-MTJ FL的磁化旋转到与ima-MTJ RL磁化反方向，同时将pma-MTJ FL的磁化旋转到与pma-MTJ RL磁化平行的方向，得到图6(a)所示的具有总电阻为(R_pma ^min+R_ima ^max)的(R_pma ^min，R_ima ^max)状态；以及通以自底向上的饱和写入电流和电流脉冲之后获得图6(b)中的具有总电阻为(R_pma ^max+R_ima ^min)的(R_pma ^max，R_ima ^min)状态。第二步写入是要使用反转且相对较小的振幅以自底向上写入电流和电流脉冲来刚好反转软pma-TMJ堆叠中的FL，并且在ima-MTJ中的R_ima ^max状态保持不变的同时、在两个自旋转移矩下、获得具有图6(c)中示出的具有总电阻为(R_pma ^max+R_ima ^max)的(R_pma ^max，R_ima ^max)状态。类似地，在对图6(b)中的(R_pma ^max+R_ima ^min)第二步通于自顶向下的相对较小振幅的写入电流和电流脉冲来保持ima-MTJ的R_ima ^min状态保持不变的同时、在两个自旋转移矩下、反转处在R_pma ^max状态的pma-TMJ中FL的磁化之后得到的R_pma ^max，以获得图6(d)中示出的具有总电阻为(R_pma ^min+R_ima ^min)的(R_pma ^min，R_ima ^min)状态。因此，在具有用于2位存储的相对软pma-MTJ堆叠的H-STT-MRAM器件中也可以获得为{(R_pma ^min+R_ima ^max)；(R_pma ^max+R_ima ^min)；(R_pma ^max+R_ima ^max)；(R_pma ^min+R_ima ^min)}的四个电阻状态。

可进一步扩展2位H-STT-MRAM器件以用于n位H-STT-MRAM器件以用于进一步增加面存储密度。

图7(a)-(c)分别图示了4位、6位和8位H-STT-MRAM器件设计700。通过将2位H-STT-MRAM器件400堆叠在2位H-STT-MRAM器件300图3a(以下简称300)上或以相反次序来形成4位H-STT-MRAM器件，以便由两个相邻pma-MTJ或两个相邻的ima-MTJ共享相同的AFM固定层。图7(a)示出了通过将2位H-STT-MRAM 300堆叠在2位H-STT-MRAM 400上而形成的4位H-STT-MRAM器件710，其中400中的顶部ima-MTJ以及300中的底部ima-MTJ共享一个AFM固定层714以及400和300之间的侧接触712.其侧接触712的最大覆盖是从H-STT-MRAM 400中的顶部ima-MTJ的RL堆叠到H-STT-MRAM 300中的底部ima-MTJ的RL堆叠。侧接触712用于STT写入和TMR读取以在700中实现4位存储。为了防止晶体管被通过整个堆叠的大电流和电流脉冲击穿.可利用侧接触712分别单独写入两个2位H-STT-MRAM：底部电极接触和侧接触712可用于写入2位H-STT-MRAM 400且顶部电极接触和侧接触712可用于写入2位H-STT-MRAM 300。因为读取电流比写入电流和电流脉冲小得多，所以只要读取电压小于晶体管击穿电压，就不存在太多击穿晶体管的风险。通过分别在300和400上使用所提出的两步写入方法，{(R¹ _pmaR¹ _ima)(R² _imaR² _pma)}表示的4位存储的16个电阻状态为{(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”分别表示以{(R¹ _pmaR¹ _ima)(R² _imaR² _pma)}次序中的最大和最小电阻状态，并且Rⁱ表示第i个2位H-STT-MRAM堆叠。在300中存储的2位首先通过从晶体管和第一侧接触712传递通过读取电流而被获得为R¹＝(R¹ _pma+R¹ _ima)，然后，由300和400形成的700的实施例中的总电阻R¹+R²＝(R¹ _pma+R¹ _ima)+(R² _pma+R² _ima)通过从晶体管和顶部位线传递通过读取电流而获得，以通过取出300中的R¹的电阻而算出400中的R²的存储电阻，R²＝(R1_pma+R¹ _ima)+(R² _pma+R² _ima)-R¹＝(R² _pma+R² _ima)。图7(b)示出了通过将2位H-STT-MRAM器件300堆叠于4位H-STT-MRAM器件710上而形成的6位H-STT-MRAM器件720，其中300中的底部pma-MTJ及710中的顶部pma-MTJ也共享相同的AFM固定层724。与712类似，侧接触722的最大覆盖是从710中的顶部pma-MTJ的RL堆叠到300中的底部pma-MTJ的RL堆叠。类似地，可通过将写入电流从器件顶部电极和侧接触722传递来获得对顶部的2位H-STT-MRAM 300的写入。可用类似在4位H-STT-MRAM 710器件中读取方式完成6位H-STT-MRAM 720的读取。图7(c)示出了通过堆叠两个4位H-STT-MRAM710而形成的1字节H-STT-MRAM器件730，其中低部710中的顶部pma-MTJ和顶部710中的底部pma-MTJ共享相同的AFM层，并且720中的侧接触722可仍用于写入，并且可类似于4位H-STT-MRAM 710中那样写入和读出总共32个电阻状态。

以类似方式，具有一个晶体管的4n位H-STT-MRAM器件可通过堆叠总共n个4位H-STT-MRAM器件而获得，所述4n位H-STT-MRAM器件在两个相邻ima-MTJ或两个相邻pma-MTJ中的两个相邻RL之间具有总共(2n-1)个侧接触。如果需要，可通过从4n位H-STT-MRAM器件取走2位H-STT-MRAM堆叠来获得任何(4n-2)位H-STT-MRAM器件。高位H-STT-MRAM器件的目的之一是要在通过晶体管的电流读取高位H-STT-RAM存储位时不足以击穿晶体管势垒的情况下充分利用晶体管。为了确切读出存储在4n位H-STT-MRAM堆叠的每个MTJ中的信息，读取电流需要从晶体管通过到第一侧接触以用于读出R¹＝(R¹ _ima+R¹ _pma)的状态；然后到第二接触，以用于读出R¹+R²＝(R¹ _ima+R¹ _pma+R² _pma+R² _ima)的状态，以在取得已知的(R¹ _ima+R¹ _pma)之后获得R²＝(R² _ima+R² _pma)……接着，到顶部位线，以用于读出4n位H-STT-MRAM器件的总电阻，其等于在取得从读取通过晶体管到(2n-1)个侧接触获得的已知之后获得如果恒定读取电流远低于晶体管势垒击穿临界电流，则恒定读取电流将是避免击穿晶体管势垒的良好选择。写入电流除了通过晶体管之外，还通过穿过两个相邻侧接触来完成任何中间2位H-STT-MRAM上来完成整个写入过程。应避免大写入电流和电流脉冲通过时击穿晶体管。在两个相邻2位H-STT-MRAM器件不能共享相同AFM时，侧接触可进一步包括两个相邻器件之间的接触层，其2位H-STT-MRAM的堆叠可按其他次序布置，但有规则的堆叠次序是优选的，以在写入和读取的同时确定出每个2位H-STT-MRAM中的单独pma-MTJ电阻状态及ima-MTJ电阻状态。高位H-STT-MRAM器件加位的前提是其写入电流不大到击穿晶体管。

至此，是以最大电阻状态或最小电阻状态写入H-STT-MRAM中的每个ima-MTJ堆叠或pma-MTJ堆叠。具有磁垂直各向异性的pma-MTJ堆叠一般仅具有最大和最小的两个稳定的电阻存储状态。如之前所提及，具有SAF FL结构的ima-MTJ堆叠可具有可形成3位(或3.3219280949位)H-STT-MRAM器件的为R_ima ^max、R_ima ^min、R_ima ^π/4、(R_ima ^±π/2)和R_ima ^3π/4的4(或5)个电阻状态，可极大地增加所提出的H-STT-MRAM器件的存储容量。

可针对高性能计算、移动设备及信息存储器件作出高位H-STT-MRAM器件的2D阵列以及甚至3D阵列。高位H-STT-MRAM器件的2D阵列中，其侧接触可连到该平面上侧接触共享的读写电路，但相邻高位H-STT-MRAM之间要绝缘隔离。高位H-STT-MRAM器件的3D阵列是高位H-STT-MRAM器件的2D阵列,包括其每个高位H-STT-MRAM的晶体管，沿高度方向的堆叠，以最大成度利用一个衬底来增加存储容量。

上文所提及的H-STT-MRAM器件的实施例被说明以仅实现本公开的特征和优点，而非限制性的并且可不按比例绘制。本公开旨在包括在不脱离本公开的精神和范围的情况下、在本公开之后可以被利用和导出的各种实施例的任何和所有后续适配、组合或变型。