CN106297870A - 带斜面切口环形自由层的磁存储器翻转单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于磁随机存储器（MRAM）的新型磁存储器翻转单元的结构模型，包括使用PSV（非钉扎的赝自旋阀）型MTJ（磁性隧道结）和环形带斜面切口的自由层。采用带斜面切口的环形自由层结构，取代传统的通过厚度改变矫顽力的自由层结构，达到在较薄厚度情况下获得较大的矫顽力改变和降低磁性隧道结面积电阻的目的。通过控制自由层切口的数量来控制磁存储器某些翻转单元的写入速度。本发明还包括所需的带斜面切口的工艺实现，利用集成工艺中的曝光或淀积的二次效应，该工艺具有自对准的特点，有较高的可实现性。微磁学计算仿真结果表明该结构模型具有低串扰、抗干扰能力强、有利于提升MRAM集成度等优点，在提高MRAM的可靠性，降低其功耗以及提升运行速度等方面具有积极进步意义。
Description
技术领域
本发明涉及磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)翻转单元的结构改进，尤其涉及基于磁性隧道结(Magnetic Tunneling
Junction, MTJ)的赝自旋阀(Pseudo-Spin-Valve,
PSV)MRAM翻转单元的结构改进，属于MRAM翻转单元结构设计领域。
背景技术
磁存储器被认为是在未来代替传统静态存储器的最佳方案，有着读写速度快，可以无限次写入和断电不丢数据等优点。因为磁体没有漏电之说，MRAM 可以做到与动态随机存储器(Dynamyic Random Access
Memory, DRAM) 类似的高密度，而且还具有读取无破坏性、无需消耗能量来进行刷新等优势。MRAM 与闪存(FLASH)同样是非易失性的，它还具备了写入和读取速度相同的优点，并具有承受无限多次读、写循环的能力(在自由磁体层中来回切换的运动是电子的自旋，而电子本身永远不会磨损)。
基于磁性隧道结(Magnetic Tunneling Junction, MTJ)的磁随机存储器(Magnetoresistive
Random-Access Memory, MRAM)因具有传统半导体存储器所不具备的诸多优势，近几年来一直都是国际学术界关注的焦点，也是产业界投入巨资予以研究开发的重点项目和产品。传统的交换偏置自旋阀(exchange-biased
spin-valve, EB-SV)型MTJs具有铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层/反铁磁层结构，然而存在明显的缺点和不足。在EB-SV型MTJs中，反铁磁钉扎层中的Mn原子在高温退火时向相邻的铁磁电极层和绝缘势垒层扩散，从而导致隧穿磁电阻（Tunnel Magnetoresistance,
TMR）值下降。为了克服反铁磁钉扎层带来的上述不良影响，人们提出了非钉扎的赝自旋阀(Pseudo-Spin-Valve, PSV)型MTJs，PSV型MTJs结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层三明治结构。PSV型MTJs中两铁磁层的矫顽力不同，通过外磁场来实现两铁磁层磁矩的平行与反平行排列，从而导致TMR效应的产生。PSV型MTJs中固定层和自由层一般采用相同的材料，但是厚度不同，矫顽力的差别正是通过厚度的变化来实现的。虽然PSV型MTJs的TMR值很高，热稳定性也很好，但是其面积电阻值较高，很多情况下不能满足需求。此外，目前市场上MRAM集成度低并且抗串扰和外界干扰能力差，需要添加屏蔽层，事实上采用屏蔽层的芯片依然很脆弱。
因此，需要对MRAM的翻转单元结构进行技术改进，本发明提供的改进方法有效降低了面积电阻，带来低功耗和高集成度的优势，而且有利于提升MRAM的抗串扰和外界干扰的能力，在工艺上可实现性强。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于PSV型MTJ的改进型磁存储器翻转单元结构，采用带斜面切口的环形自由层结构，取代传统的通过厚度改变矫顽力的方式，在较薄厚度情况下获得较大的矫顽力改变，降低了磁性隧道结的面积电阻。这是由于环形结构翻转单元中切口处退磁场比其他部位的退磁场大很多，导致切口处的磁场先行翻转并且降低了翻转所需的临界磁场。经过微磁学计算仿真发现环形结构带来了更好的抗干扰性，切口的设置使得在工艺上容易实现的基础上大大增加了自由层和固定层间矫顽力的改变，降低了对MRAM翻转电流进行控制的难度。通过增加自由层切口的数量还可以提高整个自由层的翻转速度，也就是降低磁存储器的写入时间，从而可以通过控制自由层切口的数量来控制磁存储器某些翻转单元的写入速度。
本发明还包括所需的带斜面切口的工艺实现，该切口的斜面采用淀积或者曝光中的二次效应产生的，具有自对准的效果，众所周知，自对准工艺在集成电路实现中有着非常好的成品率。
微磁学计算仿真结果表明该结构具有低串扰、抗干扰能力强、有利于提升MRAM集成度等优点，对于提高MRAM的可靠性，降低其功耗以及提升运行速度等方面，具有积极进步意义。
附图说明
图1为MRAM翻转单元结构
图2为翻转磁层结构
图3为不同厚度时磁环磁化强度与翻转电流的关系曲线
图4为带切口自由层的三维模型
图5为不同厚度时带切口磁环磁化强度与翻转电流的关系曲线
图6为带斜面切口自由层制造的自对准过程，步骤一：淀积绝缘非磁材料；步骤二： 淀积磁性材料；步骤三：抛光，磨平
图7为曝光中的二次效应。
具体实施方式
本发明涉及磁存储器翻转单元结构的改进。在专利申请及其要求的背景下给出以下描述，以使本领域的普通技术人员能够实施并使用本发明。对优选实施例的各种修改对于本领域内的技术人员来说是显而易见的，并且这里的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明并不受限于所示的实施例，而是应被给予在与这里所描述的原理和特征相一致的最宽范围内。下面结合说明书附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明采用的MARA翻转单元结构模型基于图1中的垂直磁随机存储器（vertical magnetic random access memory，VMRAM）结构，但改用非钉扎的PSV型MTJ。翻转单元结构上主要包括翻转电流电源线、由软硬磁层交替叠加形成的用来表示存储状态的磁层以及字线和位线。
翻转磁层的结构如图2，本图为两个圆环形铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层三明治结构的叠加，共有六层环状薄膜，其中与相邻单元的铁磁层有强交互耦合作用，其磁化方向保持不变的铁磁层称为固定层；磁化方向可以受电流磁场影响而翻转的铁磁层称为自由层。在整体结构图中为了清晰只画出了一组三明治结构，在实际使用中可以根据需要进行多组三明治结构的叠加。该模型的翻转磁场来自于通过自由层中心垂直流过的电流。实验证明采用该模型状态改变所需的干扰磁场最大，即受外界干扰的影响最小。在理论上环形磁体的磁场是完全封闭的，其产生的外磁场几乎为零，增加了MTJ之间的抗串扰能力。因此该环形磁层模型具有较强的抗干扰和串扰能力。
图3是不同厚度时磁环磁化强度与翻转电流的关系曲线图，仿真结果显示，当磁环较薄时，磁矩翻转过程发生在薄膜面内，而当磁环较厚时翻转过程变复杂，除膜面内的翻转过程外，还存在着其他方向的翻转过程。此外，厚度增加，电阻也随之增大。由图3可见，当磁环厚度由5nm增加到15nm时，矫顽力改变很小（图中翻转电流改变约为0.1mA)；当厚度超过30nm后矫顽力接近于零。这个结果说明，对于采用通过厚度改变来达到矫顽力改变的方法，若由于工艺原因不能产生较薄器件时，便会由于矫顽力变化太小或者磁膜太厚导致面积电阻过大而无法满足实际使用。
本发明通过设计一种新型的带斜面切口的环形自由层达到在较薄厚度情况下获得较大的矫顽力改变和降低磁性隧道结面积电阻的目的，带切口自由层的三维模型如图4。当磁化电流垂直流过环心时，有切口的铁磁层矫顽力小作为自由层，没有切口的铁磁层矫顽力大作为固定层，两磁层矫顽力有明显的差距，便于控制。当环心电流在一定范围内变化时，通过控制自由层磁畴翻转，而保持固定层磁化强度不变，即可改变整个MTJ结电阻，将高阻和低阻状态分别作为0和1进行存储。本发明中不需要改变磁层厚度，可以使用较薄的磁层，从而大大降低了结面积电阻。图5 是不同厚度时带切口磁环磁化强度与翻转电流的关系曲线图，对比图5和图3可以发现，带切口环形结构自由层与不带切口环形固定层相比，所需翻转电流改变明显（如厚度为5nm的磁环的翻转电流从0.75mA降到0.3mA），其可以取代通过厚度来进行矫顽力改变的PSV型MTJ结。
本发明中的切口不能是普通的光滑平面，必须是带有一定坡度的斜面，因为在实验计算中发现斜面可以降低矫顽力。通过本发明申请者的研究发现，该斜面虽然不能大幅度地加快整个自由层的翻转速度，但由于翻转过程中畴壁的运动类似于匀速，若是在翻转层中多开一个类似的切口便可加快整个自由层的翻转速度。在集成电路工艺中，由于淀积材料和曝光中的二次效应，会很容易产生不平整，可以利用这个效应来生成一个带斜面切口的磁环，具体工艺过程如图6。步骤一：先通过淀积在所需的位置上获得一层绝缘非磁材料，比如二氧化硅，氮化硅；步骤二：淀积所需的磁性材料，该步骤中不需要专门在光刻或者淀积磁环中专门留下缺口，而是直接将所需磁层均匀覆盖在上面；步骤三：抛光，磨平便可得到所需要的结构。由于步骤二中具有自对准工艺的特点，所以该方法保证了带切口磁环实现的准确度和成品率。图7为曝光中的二次效应。
微磁学计算仿真结果表明该结构模型具有低串扰、抗干扰能力强、有利于提升MRAM集成度等优点，在提高MRAM的可靠性，降低其功耗以及提升运行速度等方面具有积极进步意义。
本发明已经公开了一种方法和具体结构用于提供现有的磁存储器。尽管已经依照所示出的实施例描述了本发明，然而本领域内的普通技术人员会很容易地认识到可以对所述实施例进行变化，并且那些变化是在本发明的精神和范围内。因此，本领域内的普通技术人员可以进行很多修改，而不脱离随附的权利要求的精神和范围。
Claims (2)
1.一种基于PSV型MTJ的改进型磁随机存储器(MARA)翻转单元结构，其特征在于，采用带斜面切口的环形自由层结构，取代传统的通过厚度改变矫顽力的自由层结构，在较薄厚度情况下获得较大的矫顽力改变，降低了磁性隧道结的面积电阻。
2.根据权利要求1所述的一种基于PSV型MTJ的改进型磁随机存储器(MARA)翻转单元结构，其特征在于，增加自由层切口的数量，从而提高整个自由层的翻转速度，降低磁存储器的写入时间。
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