CN105374934A - 一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器及其制备、使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器及其制备、使用方法，在自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的自由层与电极之间插入一层介电层；制备时，只需将底电极、参比层、势垒层、自由层、介电层和顶电极依次沉积在已经制备好前端工艺的硅片上，得到存储单元；将存储单元层层堆栈在一起得到应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器；在存储器的使用过程中，介电层由反铁电态转变为铁电态，给自由层施加应力降低其垂直各向异性，从而减少了存储器写/擦所需要的电流。本发明的应力工程减少了STT-MRAM翻转过程中电流较大的问题，本发明制备的STT-MRAM具有翻转电流小等优点，可用于低功耗的STT-MRAM。

Description

一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器及其制备、使用方法

技术领域

本发明涉及半导体存储制备领域，尤其涉及一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器及其制备、使用方法。

背景技术

电阻式随机存储器(RRAM)、相变随机存储器(PRAM)和STT-MRAM等后端制程存储器是基于存储单元的电阻状态改变来存储的，具有速度快和非易失等优点，基本存储单元包括顶电极、阻变介质和底电极三部分。用于STT-MRAM的磁性隧道结(MTJ)阻变介质单元包括自由层、钉扎层和夹在中间的势垒层。当自由层的磁化方向与钉扎层磁化方向处于平行/反平行时，MTJ的电阻态处于低/高状态，分别对应于存储的0和1。

为了降低整个器件的功耗和防止势垒层被击穿，STT-MRAM在擦/写工作过程中的电流不能太大。而现有工艺(图1)的STT-MRAM工作电流比较大，为了解决这一问题人们提出了用电场和热等辅助工具降低自由层的各向异性从而减少其工作电流。另有研究表明，应力可以降低磁性层的各向异性，因此可以通过应力工程来降低STT-MRAM的工作电流。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，在自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的自由层与电极之间插入一层反铁介电层，解决了目前STT-MRAM工作电流比较大的问题。

本发明第二目的在于提供一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的制备方法，该制备方法简单，便于广泛使用。

本发明第三目的在于提供一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的使用方法，在存储器的工作过程中，反铁介电层由反铁电态转变为铁电态，给自由层施加应力降低其垂直各向异性，从而减少了存储器写/擦所需要的电流。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，包括多层存储单元，存储单元层层相连，每层存储单元包括顶电极、介电层、自由层、势垒层、参比层、底电极；底电极、参比层、势垒层、自由层、介电层、顶电极自下而上依次堆栈相连。

作为优选，所述存储单元结构的堆栈次序可翻转，还可为底电极、介电层、自由层、势垒层、参比层、顶电极自下而上依次堆栈相连。

作为优选，所述参比层的磁化方向固定；所述自由层的磁化方向可变。

作为优选，所述介电层采用反铁电材料，为锆酸铅、锆钛酸铅、掺杂的锆钛酸铅和铪酸铅中的任意一种。

作为优选，所述锆钛酸铅中的锆原子含量不低于95％。

作为优选，所述参比层和自由层为钴、铁、镍、钴铁镍合金、钴铁硼合金、有垂直磁各向异性多层性膜中的任意一种。

作为优选，所述自由层与介电层之间插入一层MgO，用于增强自由层的垂直磁各向异性。

作为优选，所述参比层的磁化方向可通过增加反铁磁耦合层与固定层进行耦合固定。

一种制备如上所述的应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的方法，步骤如下：

1)将底电极沉积在经前端工艺处理的硅片上；

2)待底电极沉积完成后将参比层沉积在底电极上方；

3)待参比层沉积完成后将势垒层沉积在参比层上方；

4)待势垒层沉积完成后将自由层沉积在势垒层上方；

5)待自由层沉积完成后将介电层沉积在自由层上方；

6)待介电层沉积完成后将顶电极沉积在介电层上方，得到存储单元；

7)将存储单元层层堆栈在一起得到应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器。

一种使用如上所述的应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)在顶电极与底电极之间施加电压，介电层在电场作用下发生从反铁电态到铁电态的转变；

(2)介电层从反铁电态到铁电态的转变使得介电层体积膨胀产生应力并作用在自由层；

(3)自由层受到应力后，自由层垂直磁各向异性降低，从而减小了存储器的工作电流。

本发明的有益效果在于：(1)解决了目前STT-MRAM工作电流比较大的问题；(2)由于反铁电层的应力作用降低了自由层的垂直磁各向异性，减少了STT-MRAM的工作电流，对低功耗STT-MRAM制备生产有着重要意义，有很大的应用前景。

附图说明

图1是本发明的使用方法示意图；

图2是本发明的结构示意图1；

图3是本发明的结构示意图2；

图4是本发明实施例的结构示意图3；

图5是本发明实施例的结构示意图4

图6是本发明实施例的结构示意图5；

图7是本发明实施例的结构示意图6；

图8是本发明实施例的结构示意图7；

图9是本发明实施例的结构示意图8。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1：如图1、图2所示，一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，包括多层存储单元，其中有固定磁化方向的参比层2为垂直于膜面，有可翻转垂直磁化方向的自由层4，在参比层2和自由层4之间有势垒层3，自由层4另外一侧与之相连的介电层5，介电层5的另外一侧与之相接的顶电极6，参比层2另外一侧与之相连的底电极1，在上下电极之间施加电场让自旋转移扭矩磁电阻随机存储器实现功能。

如图3所示，自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的单个层的顺序可以翻转过来，其性质未发生改变。在通电场条件下，介电层5同样可以产生应力降低自由层4的垂直磁各向异性，减少自旋转移扭矩磁电阻随机存储器翻转所需要的驱动电流。

所述自由层4与介电层5之间可插入一层MgO，用于改善自由层4的垂直磁各向异性，如图4、图5所示。

如图6、图7所示，所述参比层2的磁化方向可通过反铁磁耦合层8与固定层9耦合固定。

自由层4与介电层5之间可插入一层MgO7，同时参比层2的磁化方向可通过反铁磁耦合层8与固定层9耦合固定后的存储单元结构如图8、图9所示。

所述的自由层4为钴，铁和镍，也可以是非磁性元素掺杂的合金，也可以是钴，铁和镍的合金。

所述的参比层2为钴，铁和镍，也可以是非磁性元素掺杂的合金，也可以是钴，铁和镍的合金。

所述的的固定层9为钴，铁和镍，也可以是非磁性元素掺杂的合金，也可以是钴，铁和镍的合金。

所述的势垒层3为合适的绝缘层，包括氧化镁，氧化铪，氧化铝等。

所述的的反铁磁耦合层8为合适的金属，包括镁，钽，钛，锰，金和银等。

所述的的介电层5选用反铁电材料，反铁电层选用锆酸铅、锆钛酸铅(锆原子含量超过不低于95％)、掺杂的锆钛酸铅和铪酸铅或者其它替代物。

实施例1所述的应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的制备方法为底电极1、固定层9、反铁磁耦合层8、参比层2、势垒层3、自由层4、MgO7、介电层5和顶电极6依次沉积在已经制备好前端工艺的硅片上，得到存储单元；将存储单元层层堆栈在一起得到应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器。

实施例1所述的应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的使用方法如下：当电压加载在顶电极6和底电极1时，介电层5在电场作用下发生从反铁电态到铁电态的转变，体积膨胀产生应力作用在自由层4上，降低自由层4的垂直磁各向异性，从而降低了自旋转移扭矩磁电阻随机存储器翻转的驱动电流，减少了自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的功耗。

实施例2：一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，包括多层存储单元，存储单元层层相连，其中有固定磁化方向的参比层为垂直于膜面，有可翻转垂直磁化方向的自由层，每层存储单元包括顶电极、介电层、自由层、势垒层、参比层、底电极；底电极、参比层、势垒层、自由层、MgO、介电层、顶电极自下而上依次堆栈相连。

所述的自由层采用钴，铁和镍，所述的参比层采用钴，铁和镍的合金。

所述的势垒层为合适的绝缘层，包括氧化镁，氧化铪，氧化铝等。所述的介电层选用反铁电材料，反铁电层选用锆酸铅(锆原子含量超过不低于95％)。

实施例2所述的应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的制备方法为底电极1、参比层2、势垒层3、自由层4、MgO7、介电层5和顶电极6依次沉积在已经制备好前端工艺的硅片上，得到存储单元；将存储单元层层堆栈在一起得到应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器。

实施例2所述的应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的使用方法如下：当电压加载在顶电极6和底电极1时，介电层5在电场作用下发生从反铁电态到铁电态的转变，体积膨胀产生应力作用在自由层4上，降低自由层4的垂直磁各向异性，从而降低了自旋转移扭矩磁电阻随机存储器翻转的驱动电流，减少了自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的功耗。

实施例3：一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，包括多层存储单元，存储单元层层相连，其中有固定磁化方向的参比层为垂直于膜面，有可翻转垂直磁化方向的自由层，每层存储单元包括顶电极、介电层、自由层、势垒层、参比层、底电极；底电极、介电层、自由层、势垒层、参比层、反铁磁耦合层、固定层、顶电极自下而上依次堆栈相连。

所述参比层的磁化方向可通过反铁磁耦合层与固定层耦合固定。

所述的自由层采用非磁性元素掺杂的合金。所述的参比层采用非磁性元素掺杂的合金。所述的的固定层是非磁性元素掺杂的合金。

所述的势垒层为合适的绝缘层，包括氧化镁，氧化铪，氧化铝等。

所述的的反铁磁耦合层采用钽或钛。

所述的的介电层选用反铁电材料，反铁电层选用掺杂的锆钛酸铅和铪酸铅(锆原子含量超过不低于95％)。

实施例3所述的应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的制备方法为底电极1、介电层5、自由层4、势垒层3、参比层2、反铁磁耦合层8、固定层9、顶电极6依次沉积在已经制备好前端工艺的硅片上，得到存储单元；将存储单元层层堆栈在一起得到应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器。

实施例3所述的应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的使用方法如下：当电压加载在顶电极6和底电极1时，介电层5在电场作用下发生从反铁电态到铁电态的转变，体积膨胀产生应力作用在自由层4上，降低自由层4的垂直磁各向异性，从而降低了自旋转移扭矩磁电阻随机存储器翻转的驱动电流，减少了自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的功耗。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，包括多层存储单元，存储单元层层依次相连，每层存储单元包括顶电极(6)、自由层(4)、势垒层(3)、参比层(2)、底电极(1)，其特征在于，还包括介电层(5)，底电极(1)、参比层(2)、势垒层(3)、自由层(4)、介电层(5)、顶电极(6)自下而上或自上而下依次堆栈相连。

2.根据权利要求1所述的一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，其特征在于：所述参比层(2)的磁化方向固定。

3.根据权利要求1所述的一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，其特征在于：所述自由层(4)的磁化方向可变。

4.根据权利要求1所述的一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，其特征在于：所述介电层(5)采用反铁电材料，为锆酸铅、锆钛酸铅、掺杂的锆钛酸铅和铪酸铅中的任意一种。

5.根据权利要求4所述的一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，其特征在于：所述锆钛酸铅中的锆原子含量不低于95％。

6.根据权利要求1所述的一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，其特征在于：所述参比层(2)和自由层(4)为钴、铁、镍、钴铁镍合金、钴铁硼合金、有垂直磁各向异性多层性膜中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，其特征在于：所述自由层(4)与介电层(5)之间插入一层MgO，用于增强自由层的垂直磁各向异性。

8.根据权利要求2所述的一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器，其特征在于：所述参比层(2)的磁化方向通过增加反铁磁耦合层(8)与固定层(9)进行耦合固定。

9.一种制备如权利要求1所述的应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的方法，其特征在于：制备步骤如下：

1)将底电极(1)沉积在经前端工艺处理的硅片上；

2)待底电极(1)沉积完成后将参比层(2)沉积在底电极(1)上方；

3)待参比层(2)沉积完成后将势垒层(3)沉积在参比层(2)上方；

4)待势垒层(3)沉积完成后将自由层(4)沉积在势垒层(3)上方；

5)待自由层(4)沉积完成后将介电层(5)沉积在自由层(4)上方；

6)待介电层(5)沉积完成后将顶电极(6)沉积在介电层(5)上方，得到存储单元；

7)将存储单元层层堆栈在一起得到应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器。

10.一种使用如权利要求1所述的应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)在顶电极与底电极之间施加电压，介电层在电场作用下发生从反铁电态到铁电态的转变；

(2)介电层从反铁电态到铁电态的转变使得介电层体积膨胀产生应力并作用在自由层；

(3)自由层受到应力后，自由层垂直磁各向异性降低，从而减小了存储器的工作电流。