CN102298962A - 一种复合自由层stt-ram存储单元 - Google Patents

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张树超
焦斌
陈培毅
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    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
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Abstract

本发明公开了数据存储技术领域中的一种复合自由层STT-RAM存储单元。该单元包括上电极、盖帽层、复合自由层、绝缘氧化层、固定层、铂锰种子层、缓冲层、下电极；其中，复合自由层采用复合材料CoFeSiO，绝缘氧化层为Mgo，固定层包括钴铁硼CoFeB层、钌Ru层、钴铁CoFe层。本发明的复合自由层可以降低磁化翻转的临界电流密度、提高自由层的热稳定性，并且降低了制造难度。

Description

一种复合自由层STT-RAM存储单元
技术领域
本发明属于数据存储技术领域，尤其涉及一种复合自由层STT-RAM存储单元。
背景技术
基于自旋转移矩的磁非挥发存储器STT-RAM(Spin Transfer TorqueRandom Access Memory)是纯电流写入方式，在保留了磁性随机存储器MRAM(Magnetic Random Access Memory)全部优点的同时，还克服了尺寸难以缩小的问题，是目前最有希望的通用存储技术。2010年6月更新的国际半导体技术蓝图ITRS中明确将STT-RAM列为22纳米技术节点后重点发展的存储技术。
目前自旋转移矩的磁非挥发存储器STT-RAM技术实用化面临着两大问题：
1.临界电流密度过大，这导致晶体管的尺寸无法缩小，因此无法体现该技术的内在优势，难以真正实现高密度存储。(按照目前107A·cm-2量级计算，每个单元的晶体管的沟道宽度约10微米)；
2.降低临界电流密度和保证存储单元热稳定性之间的矛盾。目前已经探索了多种方法以降低临界电流密度，以期减小晶体管的尺寸。例如，减小磁隧道结MTJ(Magnetic tunnel junction)的尺寸、选用饱和磁化强度较小的铁磁材料作为自由层等。但是，这些方法都是以牺牲存储单元的热稳定性为代价的。
因为存储单元的磁化翻转临界电流密度和翻转势垒都随自由层饱和磁化强度的减小而减小，因此饱和磁化强度小的材料热稳定性也较差。所以，单纯地对已有结构的材料参数进行优化，无法解决临界电流密度和单元热稳定性之间的矛盾。
可以看出，热稳定性和临界电流密度之间是一个折衷选择的关系。如果可以在不增大临界电流密度的条件下提高热稳定性；就等价于在不牺牲热稳定性的条件下，降低临界电流密度，这样就可以根据具体需要选择需要优化的性能参数。
发明内容
针对上述背景技术中提到的现有自旋转移矩存储器临界电流密度过大、热稳定性不佳的不足，本发明提出了一种复合自由层STT-RAM存储单元。
本发明的技术方案是，一种复合自由层STT-RAM存储单元，其特征是该存储单元自上而下包括上电极、盖帽层、复合自由层、绝缘氧化层、固定层、铂锰种子层、缓冲层、下电极；
所述复合自由层为钴铁硅氧CoFeSiO薄膜；
所述复合自由层采用铁磁材料靶和二氧化硅SiO2靶共溅射方法制备；
所述复合自由层完成溅射制备后，在300-350摄氏度下退火。
所述绝缘氧化层为Mgo。
所述固定层包括钴铁硼CoFeB层、钌Ru层、钴铁CoFe层。
所述复合自由层发生翻转的铁磁颗粒的尺度为10纳米。
所述复合自由层中铁磁颗粒的间隔不大于3纳米。
本发明可以提高数据存储时在热扰动下的稳定性，同时，没有提高对存储单元写操作的电流密度。
附图说明
图1为复合自由层存储单元结构和MTJ材料结构。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明提出了一种复合自由层的STT-RAM存储单元结构，可以在降低临界电流密度的同时保持高热稳定性。因此，可以实现高密度的自旋转移矩磁存储器。
图1是本发明所述的复合自由层存储单元的结构，其中给出了复合自由层MTJ的材料结构和其复合自由层构成的示意图。
该结构的主要特征在于采用一种复合材料(如CoFeSiO)作为STT-RAM存储单元的核心(纳米尺寸MTJ)中的复合自由层。这种复合自由层的微观结构是一种高度弥散的相分离态，典型的结构是10纳米左右的铁磁颗粒岛(如CoFe)分散在绝缘介质(如SiO2)中，铁磁岛之间的典型间距为0.5-0.8纳米。铁磁岛之间的间距不大于1纳米以保证岛之间存在交换耦合作用。
这种弥散相的复合自由层可以通过磁控溅射的方法采用铁磁材料靶和SiO2靶共溅射的方法制备，整个MTJ多层膜制备完成后在300摄氏度下退火。
本发明对现有不足的解决：
1.复合自由层存储单元可以从两个方面降低磁化翻转的临界电流密度：
一方面，流过MTJ的电流在自由层中流过的面积小于整个MTJ的面积(约减小10％)，因此，在相同MTJ面积的条件下，流过自由层铁磁颗粒的电流密度比流过连续自由层薄膜的电流密度提高了10％。也就是说，可以在保证通过复合自由层结构中铁磁颗粒的电流密度不变的情况下，降低流过选择晶体管的电流，从而减小选择晶体管的尺寸。
另一方面，在对复合自由层的存储单元进行写操作时，不同铁磁颗粒磁化翻转的磁动力学过程是基本同步的，因此，铁磁颗粒之间的耦合作用不会阻碍铁磁颗粒的磁化翻转。也就是说，铁磁颗粒之间的相互作用不会增大写操作时的电流密度。
2.在数据存储期间，相邻的多个铁磁颗粒的磁化方向在热扰动下同时向一个方向翻转的几率非常小。一般的情况是相邻多个颗粒中的某一个颗粒试图越过能量势垒发生磁化翻转。这时，周围多个铁磁颗粒会通过铁磁颗粒之间的耦合作用会对这一颗粒的翻转起到抑制作用，从而有效提高自由层的热稳定性。因此，可以通过选用饱和磁化强度较小的材料构成复合自由层，从而在较低的临界电流密度下实现存储单元的翻转。
综上所述，本发明提出的这种复合自由层的STT-RAM存储单元能够提高在热扰动下数据存储时的稳定性，同时，没有提高对存储单元写操作的电流密度。
此外，普通的MTJ需要在100纳米尺度下才会表现出显著的自旋转移矩效应STT(Spin Transfer Torque)。而在本发明的结构中，由于复合自由层中实际发生翻转的是尺度为10纳米左右的铁磁颗粒，因此，这种结构允许在较大的自由层尺寸下表现出自旋转移矩的效应，比如，自由层的尺寸可以在500纳米。这极大地降低了STT-RAM存储单元的制造难度，对某些存储密度要求不高的嵌入式应用有重要的意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种复合自由层STT-RAM存储单元，其特征是该存储单元自上而下包括上电极、盖帽层、复合自由层、绝缘氧化层、固定层、铂锰种子层、缓冲层、下电极；
所述复合自由层为钴铁硅氧CoFeSiO薄膜；
所述复合自由层采用铁磁材料靶和二氧化硅SiO2靶共溅射方法制备；
所述复合自由层完成溅射制备后，在300-350摄氏度下退火。
2.根据权利要求1所述一种复合自由层STT-RAM存储单元，其特征是所述绝缘氧化层为Mgo。
3.根据权利要求1所述一种复合自由层STT-RAM存储单元，其特征是所述固定层包括钴铁硼CoFeB层、钌Ru层、钴铁CoFe层。
4.根据权利要求1所述一种复合自由层STT-RAM存储单元，其特征是所述复合自由层发生翻转的铁磁颗粒的尺度为10纳米。
5.根据权利要求1所述一种复合自由层STT-RAM存储单元，其特征是所述复合自由层中铁磁颗粒的间隔不大于3纳米。
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