CN105702853A

CN105702853A - 一种自旋转移矩磁存储单元

Info

Publication number: CN105702853A
Application number: CN201610124480.1A
Authority: CN
Inventors: 王乐知; 张博宇; 赵巍胜
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2036-03-04
Also published as: CN105702853B

Abstract

一种自旋转移矩磁存储单元，其特征是该磁存储单元的磁隧道结基于垂直磁各向异性(PMA)，在经典磁隧道结即自由层、参考层和隧穿势垒层的三层结构基础上，添加了一层缓冲层，一层顶部磁性层及一层顶部非磁性层。该磁存储单元的磁隧道结从下到上由参考层、隧穿势垒层、自由层、缓冲层、顶部磁性层及顶部非磁性层构成。本发明提供的新型磁隧道结将在有效提高数据存储热稳定性的同时保持翻转电流在较低水平。对提高磁存储单元稳定性，降低存储功耗，延长存储单元读写寿命作用明显。

Description

一种自旋转移矩磁存储单元

【技术领域】

本发明涉及一种自旋转移矩磁存储单元，它的核心是一种基于自旋转移矩效应的磁隧道结结构，即STT-MTJ，属于非易失性存储器技术领域。

【背景技术】

磁存储器(MagneticRandomAccessMemory，简称MRAM)的核心存储单元称为磁隧道结MTJ(Magnetictunneljunction)，其经典结构由三层金属薄膜构成。中间的一层称为隧穿势垒层，其上是铁磁材料构成的自由层，磁化方向可以自由翻转；其下是铁磁材料构成的参考层，磁化方向固定。由于自由层的自由翻转，该结构两层铁磁金属会产生平行与反平行两种状态。自由层与参考层平行时，磁隧道结表现低阻状态R_P；自由层与参考层反平行时表现高阻状态R_AP。两种阻态间的差异用(R_AP-R_P)/R_P来表征，称为隧穿磁阻(TunnelMagnetoresistance，简称TMR)。自旋转移矩效应(Spin-Transfer-Torque，简称STT)的发现可以无需外部磁场有效地改变自由层极化方向，出现隧穿磁阻效应，表征二进制数据“0”和“1”。将其与传统集成电路技术结合即可构成自旋转移矩磁存储器(STT-MRAM)，该型存储器与以往磁性存储器比较具有与集成电路工艺集成度高，易于大规模生产，同时具有非易失性、接近无限次读写、高速读写、低功耗等一系列优点。

传统的磁隧道结是基于面内磁各向异性，大容量小尺寸下自由层在翻转时受面内退磁作用，翻转电流增大，翻转时间变长，严重制约该技术进一步发展。近年来随着薄膜工艺的发展，一种基于垂直磁各向异性(PerpendicularMagneticAnisotropy,简称PMA)的磁性隧道结因其不受退磁作用制约，在小尺寸时展现出较低的翻转电流，快速的翻转时间，较高的隧穿磁阻等方面优势，使其在大容量存储单元制造中保持良好性质。2010年日本的研究小组首次使用MgO作为隧穿势垒层[H.Ohno,etal.,NatureMaterials.9,721–724(2010)]，在CoFeB与MgO界面发现较强的垂直磁各向异性，同时在大容量小尺寸(40纳米)实现自旋转移矩翻转，发现该磁隧道结具有较好的热稳定性，较低的翻转电流和较高的隧穿磁阻。

目前该型基于垂直磁各向异性磁隧道结面临的问题是：磁隧道结尺寸进一步降低时无法同时保证高热稳定性与较低翻转电流，磁隧道结性能因此无法保证下尺寸下实现可靠存储。近年一些研究小组已经提出一些新型结构和新型材料解决小尺寸磁隧道结稳定性与翻转电流的矛盾。

【发明内容】

1.发明目的：

针对上述背景中提到的垂直磁各向异性磁隧道结的问题，本发明提出一种自旋转移矩磁存储单元，结合新型材料的使用，克服了现有技术的不足。本发明通过在传统磁隧道结顶部加入一层新的顶部磁性层，同时创新地使用新型材料等使得磁隧道结在小尺寸下拥有较好的热稳定性、较小的翻转电流、较大的隧穿磁阻效应。

2.技术方案：

本发明的技术方案是，一种自旋转移矩磁存储单元，其特征是该磁存储单元的磁隧道结基于垂直磁各向异性(PMA)，在经典磁隧道结即自由层、参考层和隧穿势垒层的三层结构基础上，添加了一层缓冲层，一层顶部磁性层及一层顶部非磁性层。该磁存储单元的磁隧道结从下到上由参考层、隧穿势垒层、自由层、缓冲层、顶部磁性层及顶部非磁性层共六层构成。

所述参考层组成材料包括铁磁材料或半金属磁性材料等，厚度区间为0.1-5纳米；

所述自由层组成材料包括铁磁材料或半金属磁性材料等，厚度区间为0.1-5纳米；

所述顶部磁性层组成材料包括铁磁材料或半金属磁性材料等，厚度区间为0.1-5纳米；

所述铁磁材料包括3d族磁性金属合金或磁性金属单质(钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB、镍铁NiFe、钴Co等)，稀土金属合金或稀土金属单质(钴钆CoGd、钆Gd等)；

所述半金属材料包括各类赫斯勒(Heusler)合金，形式为XYZ或X₂YZ(钴铁铝Co₂FeAl、钴锰硅Co₂MnSi等)，X、Y、Z分别表示一种金属或非金属材料；

所述隧穿势垒层为氧化镁MgO、三氧化二铝Al₂O₃等绝缘氧化物材料，所述隧道势垒层厚度区间为0.1-4纳米；

所述缓冲层材料一般为钽Ta、铪Hf、镁Mg、钛Ti、铱Ir等金属，厚度区间为0.1-2纳米。

特定缓冲层膜厚下，所述缓冲层金属在自由层与顶部磁性层间会产生上下磁性层磁化方向平行的铁磁耦合或上下磁性层磁化方向反平行的反铁磁耦合效应，在特定缓冲层膜厚下，铁磁耦合与反铁磁耦合只会表现其中的一种。

例如金属钽Ta作为介质层，厚度为0.4纳米时表现铁磁耦合；厚度为0.7纳米时表现反铁磁耦合。

所述顶部非磁性层可以为氧化镁MgO、氧化铝Al₂O₃等绝缘氧化物材料或钽Ta、铪Hf、镁Mg、铂Pt等金属单质，所述顶部非磁性层厚度区间为0.1-4纳米；

所述结构自旋转移矩磁隧道结形状可以为椭圆、圆形、正方形、长方形、三角形、多边形等；

本发明提供的自旋转移矩磁隧道结由薄膜制备工艺和相应的微纳加工工艺制备而成。

首先，将样品用薄膜制备工艺进行多层薄膜沉积，按照从下到上的顺序沉积在衬底上，依次为参考层、隧穿势垒层、自由层、缓冲层、顶部磁性层及顶部非磁性层。

其次，在沉积后多层膜上微纳加工工艺，

最后，完成制备。

其中，薄膜制备工艺包括磁控溅射、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、脉冲激光沉积(PLD)、原子力沉积(ALD)及金属化学气相沉积等；

其中，微纳加工工艺包括紫外/极紫外光刻、电子束光刻、离子束刻蚀、化学反应刻蚀、湿法刻蚀及剥离等；

所述自旋转移矩磁隧道结通过后端集成工艺集成在传统半导体器件上，构成自旋转移矩磁存储单元，实现非易失性存储；

其中后端集成工艺包括化学机械磨平(CMP)，后端铜互连等工艺；

所述自旋转移矩磁隧道结构成的非易失性存储单元，通过底电极和顶电极写入的不同方向电流，经过自旋转移矩的作用，实现自由层的翻转，参考层与自由层平行与反平行的转换。自由层翻转后在铁磁耦合效应的作用下，顶部磁性层会随自由层实现翻转；

所述自旋转移矩磁隧道结构成的非易失性存储单元，是通过将流经该隧道结的读取电流Iread与基准参考电流进行比较来判断存储在其中的数据信息。

顶部磁性层与自由层构成记录层，共同记录数据。其中顶部磁性层与顶部非磁性层产生垂直磁各向异性，与自由层结合后成倍提高存储层的垂直磁各向异性。同时铁磁耦合或反铁磁耦合效应使记录层成为一个整体，增大了存储磁性层体积。由热稳定性公式Δ＝[M_S(H_Kp-Ms/μ₀)V]/(2K_BT)发现垂直磁各向异性(H_Kp)与存储磁性层体积(V)的增大提高了记录层稳定性。其中Ms为饱和磁化强度，K_B为玻尔兹曼常数，T为温度。翻转电流只与隧穿势垒层两边磁性层性质有关，且由翻转电流公式I_c0＝[αγeM_S(H_Kp-Ms/μ₀)V]/(μ_Bg)＝[2αγe]/(μ_Bg)E发现隧穿势垒层相邻的参考层自由层能量势垒E不变，翻转电流几乎不变。其中α为磁阻尼系数，γ为旋磁比，g为自旋转移矩效率与铁磁层极化夹角相关。此时由于顶部磁性层的出现，写入电流流经记录层，自旋极化会更加充分，将改善自旋转移矩效应，降低平行(P)到反平行(AP)的写入电流。

3.优点和功效：

本发明提供一种自旋转移矩磁存储单元，其核心是基于垂直磁各向异性的自旋转移矩磁隧道结。自旋转移矩磁存储器具有无需外部磁场，与传统集成电路技术易于集成，非易失性，低功耗，近无限次擦写等传统优势。现有的基于面内或垂直磁各向异性的磁隧道结在大容量小尺寸工艺节点下无法同时满足热稳定性、翻转电流、隧穿磁阻三方面的要求，使得其实际使用受到极大限制。

本发明提供的新型磁隧道结将在有效提高数据存储热稳定性的同时保持翻转电流在较低水平。对提高磁存储单元稳定性，降低存储功耗，延长存储单元读写寿命作用明显。

【附图说明】

图1为本发明一种自旋转移矩磁存储单元中的新型磁隧道结(STT-MTJ)结构示意图。其中参考层中单向的向上黑色箭头代表参考层的磁化方向固定向上垂直于磁隧道结平面，自由层、顶部磁性层中双向的黑色箭头代表自由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。

图2为本发明一种自旋转移矩磁存储单元中的新型磁隧道结(STT-MTJ)构成的存储器件结构示意图。

图3(a)为本发明一种自旋转移矩磁存储单元中的新型磁隧道结(STT-MTJ)写入平行状态(P)的基本操作示意图，其中Vdd表示高电位，一般为电源；Gnd表示低电位，一般为接地；I_write表示流经底电极的写入电流。

图3(b)为本发明一种自旋转移矩磁存储单元中的新型磁隧道结(STT-MTJ)写入反平行状态(AP)的基本操作示意图，其中Vdd表示高电位，一般为电源；Gnd表示低电位，一般为接地；I_write表示流经底电极的写入电流。

图4为本发明一种自旋转移矩磁存储单元中的新型磁隧道结(STT-MTJ)的读取操作示意图，其中Vdd表示高电位，一般为电源；Gnd表示低电位，一般为接地；I_read表示流经STT-MTJ的读取电流。

图5为本发明一种自旋转移矩磁存储单元中的新型磁隧道结(STT-MTJ)实施例1基于钴铁硼(CoFeB)/氧化镁(MgO)材料的结构示意图。

图6为本发明一种自旋转移矩磁存储单元中的新型磁隧道结(STT-MTJ)实施例2基于赫斯勒合金的新型自由层结构示意图。

图7为本发明一种自旋转移矩磁存储单元中的新型磁隧道结(STT-MTJ)实施例3基于赫斯勒合金的新型记录层结构示意图。

【具体实施方式】

参照附图1—7所示，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图。其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸、工作模式中的电阻及电压值也非实际值。

在此公开了详细的示例性的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。

本发明提出了一种自旋转移矩磁存储单元，该结构具有在大容量小尺寸工艺中保持存储单元较高热稳定性，较低翻转电流等主要特点，因此可以采用该磁隧道结结构通过一定的集成方式制造新型磁存储器，满足磁存储器大容量时工作稳定性。

图1为本发明一种自旋转移矩磁存储单元中的新型磁隧道结(STT-MTJ)结构示意图；

本发明其特征是该磁存储器的新型磁隧道结基于垂直磁各向异性(PMA)，在经典磁隧道结即自由层、参考层和隧道势垒层的三层结构基础上，添加了一层缓冲层，一层顶部磁性层及一层顶部非磁性层。该磁存储单元的磁隧道结从下到上由参考层(0.1-5纳米)，隧穿势垒层(0.1-4nm)，自由层(0.1-5纳米)，缓冲层(0.1-2nm)，顶部磁性层(0.1-5纳米)，顶部非磁性层(0.1-4nm)共六层构成；

实施例1，如图5所示磁隧道结结构，其中，

所述参考层由混合金属材料钴铁硼CoFeB构成，与隧穿势垒层产生强垂直磁各向异性(PMA)保持磁化方向，提供对于自由层的参考作用；

所述隧穿势垒层由氧化镁MgO构成，用于产生隧穿效应来传输自旋信号；

所述自由层由混合金属材料钴铁硼CoFeB构成，与隧穿势垒层产生垂直磁各向异性(PMA)，在自旋转移矩作用下实现自由翻转；

所述缓冲层由金属钽Ta构成，当厚度为0.4纳米时，在自由层与顶部磁性层中间表现铁磁耦合；当厚度为0.7纳米时，在自由层与顶部磁性层中间表现反铁磁耦合；

所述顶部磁性层由混合金属材料钴铁硼CoFeB构成，与顶部非磁性层产生垂直磁各向异性(PMA)，在铁磁耦合作用下随自由层CoFeB翻转随后稳定保存数据；

所述顶部非磁性层由氧化镁MgO构成，与顶部磁性层相邻，使顶部磁性层晶格化；

所述混合金属材料钴铁硼(CoFeB)中钴、铁、硼元素所占原子比例在本实例中可以不一样；

该磁隧道结首先通过磁控溅射的薄膜制备工艺将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序沉积在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺进行制备；其形状可以为椭圆、圆形、正方形、长方形、三角形或多边形等。

实施例2，如图6所示磁隧道结结构，其中，

所述自由层由半金属材料赫斯勒(Heusler)合金钴铁铝Co₂FeAl构成，与隧穿势垒层产生垂直磁各向异性(PMA)，由于其较小的磁阻尼，较高的自旋极化率，在自旋转移矩作用下实现自由翻转，且翻转电流较低；

所述顶部磁性层由混合金属材料钴铁硼CoFeB构成，与顶部非磁性层产生垂直磁各向异性(PMA)，铁磁耦合作用下随自由层翻转随后稳定保存数据；

所述顶部非磁性层由氧化镁MgO构成，与顶部磁性层相邻，使其晶格化；

所述混合金属材料钴铁硼(CoFeB)中钴、铁、硼元素所占原子比例在本实例中可以不一样，所述半金属材料赫斯勒(Heusler)合金钴铁铝Co₂FeAl中各元素比保持X₂YZ；

该磁隧道结首先通过磁控溅射的薄膜制备工艺将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序沉积在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺进行制备；其形状可以为椭圆、圆形、正方形、长方形、三角形、多边形等。

实施例3，如图7所示磁隧道结结构与实施例2类似。

所述顶部磁性层由半金属材料赫斯勒(Heusler)合金钴铁铝Co₂FeAl构成，铁磁耦合作用下随自由层翻转随后稳定保存数据，其较高自旋极化率进一步改善流经电流极化，减小翻转电流。由于顶部磁性层使用赫斯勒合金钴铁铝Co₂FeAl，该结构磁隧道结面积电阻进一步降低，平行(P)到反平行(AP)的写入电流进一步降低。

所述顶部非磁性层由金属铂Pt构成，与顶部磁性金属层产生垂直磁各向异性，本身导电率高，有效降低磁隧道结面积电阻，减小存储器件功耗；

所述混合金属材料钴铁硼(CoFeB)中钴、铁、硼元素所占原子比例在本实例中可以不一样；所述半金属材料赫斯勒(Heusler)合金钴铁铝Co₂FeAl中各元素比保持X₂YZ；该磁隧道结首先通过磁控溅射的薄膜制备工艺将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序沉积在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺进行制备；其形状可以为椭圆、圆形、正方形、长方形、三角形、多边形等。

Claims

1.一种自旋转移矩磁存储单元，该磁存储单元的磁隧道结基于垂直磁各向异性PMA，在现有磁隧道结自由层、参考层和隧穿势垒层的三层结构基础上，添加了一层缓冲层，一层顶部磁性层及一层顶部非磁性层，其特征在于：

该磁存储单元的磁隧道结从下到上由参考层、隧穿势垒层、自由层、缓冲层、顶部磁性层及顶部非磁性层构成。

2.根据权利要求1所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述参考层组成材料为铁磁材料或半金属磁性材料，厚度区间为0.1-5纳米。

3.根据权利要求1所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述自由层组成材料为铁磁材料或半金属磁性材料，厚度区间为0.1-5纳米。

4.根据权利要求1所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述顶部磁性层组成材料为铁磁材料或半金属磁性材料，厚度区间为0.1-5纳米。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述铁磁材料包括3d族磁性金属合金、磁性金属单质、稀土金属合金或稀土金属单质。

6.根据权利要求2或3或4所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述半金属材料包括各类赫斯勒Heusler合金，形式为XYZ或X₂YZ。

7.根据权利要求1所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述隧穿势垒层为氧化镁MgO、三氧化二铝Al₂O₃，所述隧道势垒层厚度区间为0.1-4纳米。

8.根据权利要求1所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述缓冲层材料为钽Ta、铪Hf、镁Mg、钛Ti或铱Ir厚度区间为0.1-2纳米。

9.根据权利要求1或8所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述缓冲层金属在自由层与顶部磁性层间会产生上下磁性层磁化方向平行的铁磁耦合或上下磁性层磁化方向反平行的反铁磁耦合效应。

10.根据权利要求9所述的一种自旋转移矩磁存储单元，其特征在于：所述缓冲层材料钽Ta厚度为0.4纳米时表现铁磁耦合；厚度为0.7纳米时表现反铁磁耦合。