CN105633275A - 一种垂直型stt-mram记忆单元及其读写方法 - Google Patents

一种垂直型stt-mram记忆单元及其读写方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种垂直型STT-MRAM记忆单元，其堆叠结构包括：磁性参考层、磁性记忆层、隧道势垒层、磁晶优化辅助层、置压层和控制线；磁晶优化辅助层与磁性记忆层相邻并且设置于磁性记忆层远离衬底基片的一面；置压层与磁晶优化辅助层相邻并且设置于磁晶优化辅助层远离衬底基片的一面；控制线与置压层相邻并且设置于置压层远离衬底基片的一面。本发明还提供了上述记忆单元的读写方法包括：写操作时，在控制线与位线之间加正向偏置电压，产生的电场使磁性记忆层的垂直各向异性减小；读操作时，控制线与位线之间不加压，无电场，磁性记忆层的垂直各向异性强；或者读操作时，在控制线与位线之间加负向偏置电压，产生的电场使磁性记忆层的垂直各向异性增强。

Description

一种垂直型STT-MRAM记忆单元及其读写方法
技术领域
本发明涉及存储器件领域，尤其涉及一种垂直型STT-MRAM记忆单元及其读写方法。
背景技术
近年来人们利用磁性隧道结(MTJ，MagneticTunnelJunction)的特性做成的磁性随机存取记忆体，即为MRAM(MagneticRandomAccessMemory)。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；中间层为绝缘层；磁性参考层位于绝缘层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当记忆层与参考层之间的磁化强度矢量方向平行或反平行时，磁记忆元件的电阻态也相应为低阻态或高阻态。这样测量磁电阻元件的电阻态即可得到存储的信息。
已有一种方法可以得到高的磁电阻(MR，MagnetoResistance)率：在非晶结构的磁性膜的表面加速晶化形成一层晶化加速膜。当此层膜形成后，晶化开始从隧道势垒层一侧形成，这样使得隧道势垒层的表面与磁性表面形成匹配，这样就可以得到高MR。
一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型MRAM：在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变磁电阻元件中的记忆层的磁化强度方向。自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM，Spin-transferTorqueMagneticRandomAccessMemory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极化的电子流把它的角动量转移给记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。
在一个简单的面内型STT-MRAM结构中，每个MTJ元件的记忆层都具有稳定的面内磁化强度。面内型器件的易磁化轴由记忆层的面内形状或形状各向异性决定。CMOS晶体管产生的写电流流经磁电阻元件的堆叠结构后，可以改变其电阻态，也即改变了存储的信息。进行写操作时电阻会改变，一般情况下采用恒定电压。在STT-MRAM中，电压主要作用在约厚的氧化物层(即隧道势垒层)上。如果电压过大，隧道势垒层会被击穿。即使隧道势垒层不会立即被击穿，如果重复进行写操作的话，会使得电阻值产生变化，读操作错误增多，磁电阻元件也会失效，无法再记录数据。另外，写操作需要有充分大的电压或自旋电流。所以在隧道势垒层被击穿前也会出现记录不完全的问题。
对于垂直型STT-MRAM有着同样的情况。
因为减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面STT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相合。但是小尺度的MTJ元件的模型制备也会导致MTJ电阻率的高不稳定性，以及需要相对较高的切换电流或记录电压。
STT-MRAM的读操作是把电压作用在MTJ堆叠结构上，再测量此MTJ元件是处于高阻态或是低阻态。为了正确得到电阻态是高或低，需要的电压相对较高。并且写操作和读操作需要的电压值并不相等，在当前的先进技术节点，若各MTJ之间有任何的电子特性波动，都会导致本应进行读操作的电流，却象写电流一样，改变了MTJ记忆层的磁化强度方向。
因为在对此非易失性的MTJ记忆体进行写操作会改变它的电阻值时，使MTJ记忆器件产生损耗，缩短了它的生命周期。为了减小这种负面影响，需要提供一些方法来得到某种结构的STT-MRAM，可以同时具有高精度的读操作，以及高可靠的写操作。
US14/153047中，把介电层与置压层设定于MTJ下方，即沉积时需先沉积介电层与置压层，然后再沉积MTJ，这样会使得MTJ，尤其是其中的隧道势垒层的沉积质量下降。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种垂直型STT-MRAM记忆单元，包括位线和堆叠结构，所述堆叠结构包括：
磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；
还包括：
磁晶优化辅助层，所述磁晶优化辅助层与所述磁性记忆层相邻并且设置于所述磁性记忆层远离衬底基片的一面；
置压层，所述置压层与所述磁晶优化辅助层相邻并且设置于所述磁晶优化辅助层远离所述衬底基片的一面；
控制线，所述控制线与所述置压层相邻并且设置于所述置压层远离所述衬底基片的一面；
所述磁性记忆层与所述位线相连。
进一步地，所述磁晶优化辅助层的材料为NaCl晶格结构的金属氧化物、金属氮化物或金属氯化物，且其(100)晶面平行于所述衬底基片的基面。
进一步地，所述金属氧化物、金属氮化物或金属氯化物中的金属为Na、Li、Mg、Ca、Zn、Cd、In、Sn、Cu、Ag中的至少一种。
进一步地，所述磁晶优化辅助层的材料为自然状态下有稳定NaCl晶格结构的MgO、MgN、CaO、CaN、MgZnO、CdO、CdN、MgCdO、CdZnO中的至少一种。
进一步地，所述磁晶优化辅助层的厚度范围是1～20nm。
进一步地，所述磁晶优化辅助层的电阻至少5倍于所述堆叠结构的电阻。
进一步地，所述磁晶优化辅助层的电阻大于200ohm/μm2。
进一步地，所述置压层的材料为金属或者金属合金，厚度大于10nm。
进一步地，所述隧道势垒层的材料为金属氧化物、金属氮化物或金属氮氧化物。
进一步地，所述隧道势垒层的材料为MgO、ZnO、MgZnO、Mg3N2、MgON中的至少一种。
进一步地，所述磁性记忆层的材料为B合金，其中包含Co、Fe、Ni中的至少一种元素。
进一步地，所述磁性记忆层的材料为CoFeB或CoB，其中B元素至少占10％。
进一步地，所述磁性记忆层为多层结构，包括与隧道势垒层相接的第一Co合金子层和第二Co合金子层。
进一步地，所述第一Co合金子层为CoFe或CoFeB；第二Co合金子层为CoFeB或CoB。
进一步地，在两层Co合金子层中加入一插入层，插入层中至少有一种元素选自Ta、Hf、Zr、Ti、Mg、Nb、W、Mo、Ru、Al、Cu、Si，厚度小于0.5nm。
本发明还提供了一种垂直型STT-MRAM记忆单元的读写方法，包括：
写操作时，在控制线与位线之间加正向偏置电压，产生的电场使磁性记忆层的垂直各向异性减小，从而可减小写电流；
读操作时，控制线与位线之间不加压，无电场，磁性记忆层的垂直各向异性强，电流为读电流；
或者读操作时，在控制线与位线之间加负向偏置电压，产生的电场使磁性记忆层的垂直各向异性增强，从而读操作更加稳定。
进一步地，所述写操作时正向偏置电压为0.5至1.8V之间。
进一步地，所述读操作时负向偏置电压为0至-1.8V之间。
本发明把磁晶优化辅助层、置压层以及控制线设定于MTJ之上，即先制作MTJ再加工上述各层，有效地控制了MTJ的沉积质量。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明垂直型STT-MRAM的一个记忆元件的剖面结构示意图；
图2为本发明垂直型STT-MRAM的一个记忆元件的另一剖面结构示意图；
图3为处于写状态下的磁电阻元件示意图；
图4为处于读状态下的磁电阻元件示意图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1为本实施例提供的一种垂直型STT-MRAM阵列的一个磁电阻记忆单元的剖面示意图。磁电阻元件包括：位线1，磁性参考层11，隧道势垒层12，磁性记忆层13，磁晶优化辅助层15，置压层16，控制线17，通孔VIA14，选择性晶体管。选择性晶体管包括：电介质2，互联层3，源接触区4，漏接触区10，源区5，栅绝缘膜7，栅电极8，漏区9。一组磁电阻记忆单元的磁性参考层11与CMOS相连。位线1通过VIA14与磁性记忆层13一侧相连。一组磁电阻记忆单元的置压层16与控制线17相连。
磁性参考层11的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；磁性记忆层13的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；隧道势垒层12位于磁性参考层11和磁性记忆层13之间且分别与磁性参考层11和磁性记忆层13相邻；磁晶优化辅助层15与磁性记忆层13相邻并且设置于磁性记忆层13远离衬底基片的一面；置压层16与磁晶优化辅助层15相邻并且设置于磁晶优化辅助层15远离衬底基片的一面；控制线17与置压层16相邻并且设置于置压层16远离衬底基片的一面；磁性记忆层13与位线1相连。
图2还提供了另外一种垂直型STT-MRAM阵列的一个磁电阻记忆单元的剖面示意图，VIA14与磁晶优化辅助层15，置压层16，控制线17的位置并非必须固定。
磁性记忆层13与磁性参考层11为铁磁性材料，并且都具有垂直于膜面的单轴磁各向异性。另外，磁性记忆层13与磁性参考层11的易磁化轴也垂直于膜面。隧道势垒层12为一层薄金属氧化物，如MgO，在磁性记忆层13与磁性参考层11之间形成隧道结磁电阻。磁性记忆层13与磁性参考层11的磁化强度方向垂直于膜面。易磁化方向是指无外磁场的情况下，材料的内禀磁能在此方向上具有最小能量值。同时，难磁化方向是指无外磁场的情况下，材料的内禀磁能在此方向上具有最大能量值。
磁性记忆层13具有可变的(可翻转的)磁化强度方向；磁性参考层11具有不变的(固定的)磁化强度方向。磁性参考层11的铁磁性材料，它的垂直磁各向异性要充分大于磁性记忆层13。可以通过适当选择材料、结构以及膜厚来得到相对比较强的垂直磁各向异性。这样可以使极化电流只能翻转磁性记忆层13的磁化矢量方向，而保持磁性参考层11的磁化矢量方向不变。
磁晶优化辅助层15可以提升或改变磁性记忆层13的垂直磁各向异性。磁晶优化辅助层15的材料以MgO为佳，或者为其它的金属氧化物(氮化物，氯化物)。这些材料有着稳定的NaCl晶格结构。
磁性记忆层13中的CoFeB(B含量不小于15％)的沉积态为非晶结构。而隧道势垒层12与磁晶优化辅助层15的MgO为NaCl晶体结构，并且(100)晶面平行于基片平面。NaCl晶格结构中，Mg原子与O原子各自分别形成一套fcc相子晶格，它们之间的位移为[100]晶向晶格常数的一半。它在[110]方向的晶格常数在2.98至3.02埃米之间，此值略大于bcc相CoFe在[100]晶向的晶格常数，两者之间产生的晶格失配在4％至7％之间。经过250摄氏度以上温度的退火，非晶态CoFeB晶化形成bcc相的CoFe晶体颗粒，它的外延生长面(100)晶面平行于NaCl晶格结构层的表面，并且具有面内膨胀，面外收缩的特性，因此磁性记忆层13通过上下两个与MgO的界面作用，在界面上具有垂直各向异性。薄MgO隧道势垒层12具有与电路相匹配的低磁电阻值，厚MgO磁晶优化辅助层15与磁性记忆层13的bcc相CoFe晶粒相交界处具有更优异的NaCl晶格结构。
因为垂直各向异性来源于界面作用，厚CoFeB磁性记忆层13的磁化强度依然位于膜面内，当垂直各向异性增强时，临界自旋转移电流也会随之减小。
本实施例的具体材料：
磁性参考层11为TbCoFe(10nm)/CoFeB(2nm)，隧道势垒层12为MgO(1nm)，磁性记忆层13为CoFeB(1.4nm)，磁晶优化辅助层15为MgO(2nm)，置压层16为Ta(20nm)/Cu(20nm)/Ta(20nm)。“/”指其左边的元素位于右边的元素之上。磁晶优化辅助层15的厚度大于1nm，小于20nm。磁晶优化辅助层15的垂直电阻大于200ohm/μm2。置压层16的厚度大于10nm。
由于MgO层的阻值与厚度呈指数增长关系。堆栈结构MTJ典型的RA值应在3至20ohm/μm2，而磁晶优化辅助层15的RA值大于200ohm/μm2。所以磁晶优化辅助层15有比较好的电介质性，能够使从置压层16流到MTJ的漏电流近乎为零。图3示意处于写状态下的磁电阻元件。控制线17与位线1之间加正向偏压，得向下的电场，磁性记忆层13与磁晶优化辅助层15的界面处，O离子向上位移，减弱了两层之间的界面作用，减小了磁性记忆层13的垂直各向异性，使穿过MTJ的自旋极化电流易于改变磁性记忆层13状态，另外转变的磁化强度方向由写电流的方向决定。写电流经由位线1进入堆栈结构并作用在磁性记忆层13上。写操作完成之后，关闭字线/置压层16的偏置电压，这样磁性记忆层13的垂直各向异性得到恢复，使得记忆单元能保持优良的热稳定性以及数据保持力。
图4示意处于读状态下的磁电阻元件，此时数据路上偏置电压关闭，读电流经由位线沿堆栈方向流入堆栈结构。当字线电压为负时，磁性记忆层13的垂直各向异性得到加强，于是变得更加稳定，避免在读操作时被自旋转移矩无意翻转。于是，读电压、写电压与击穿电容可能相离更远。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种垂直型STT-MRAM记忆单元，包括位线和堆叠结构，所述堆叠结构包括：
磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；
其特征在于，还包括：
磁晶优化辅助层，所述磁晶优化辅助层与所述磁性记忆层相邻并且设置于所述磁性记忆层远离衬底基片的一面；
置压层，所述置压层与所述磁晶优化辅助层相邻并且设置于所述磁晶优化辅助层远离所述衬底基片的一面；
控制线，所述控制线与所述置压层相邻并且设置于所述置压层远离所述衬底基片的一面；
所述磁性记忆层与所述位线相连。
2.如权利要求1所述的垂直型STT-MRAM记忆单元，其特征在于，所述磁晶优化辅助层的材料为NaCl晶格结构的金属氧化物、金属氮化物或金属氯化物，且其(100)晶面平行于所述衬底基片的基面。
3.如权利要求2所述的垂直型STT-MRAM记忆单元，其特征在于，所述金属氧化物、金属氮化物或金属氯化物中的金属为Na、Li、Mg、Ca、Zn、Cd、In、Sn、Cu、Ag中的至少一种。
4.如权利要求1所述的垂直型STT-MRAM记忆单元，其特征在于，所述磁晶优化辅助层的厚度范围是1～20nm。
5.如权利要求1所述的垂直型STT-MRAM记忆单元，其特征在于，所述磁晶优化辅助层的电阻至少5倍于所述堆叠结构的电阻。
6.如权利要求1所述的垂直型STT-MRAM记忆单元，其特征在于，所述磁晶优化辅助层的电阻大于200ohm/μm2。
7.如权利要求1所述的垂直型STT-MRAM记忆单元，其特征在于，所述置压层的材料为金属或者金属合金，厚度大于10nm。
8.如权利要求1所述的垂直型STT-MRAM记忆单元，其特征在于，所述隧道势垒层的材料为金属氧化物、金属氮化物或金属氮氧化物。
9.如权利要求1所述的垂直型STT-MRAM记忆单元，其特征在于，所述磁性记忆层的材料为B合金，其中包含Co、Fe、Ni中的至少一种元素。
10.一种如权利要求1～9任一所述的垂直型STT-MRAM记忆单元的读写方法，其特征在于，
写操作时，在控制线与位线之间加正向偏置电压，产生的电场使磁性记忆层的垂直各向异性减小；
读操作时，控制线与位线之间不加压；
或者读操作时，在控制线与位线之间加负向偏置电压，产生的电场使磁性记忆层的垂直各向异性增强。
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