CN109473543A - 存储单元与具有其的存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种存储单元与具有其的存储器。该存储单元包括第一MTJ和第二MTJ，第一MTJ包括极化层，在其高度方向上的任意截面具有第一表面积，第二MTJ包括参考层，且第一MTJ和第二MTJ共用自由层，在其高度方向上的任意截面具有第二表面积，第一表面积大于第二表面积。当一定量的电流通过第二MTJ时，自由层的磁化方向通过磁旋转移力矩效应发生翻转，当第参考层和自由层的磁化方向平行或反平行时，该第二MTJ的电阻呈现低、高阻态，且上述极化层和自由层通过第一非磁性层隔离，其磁化方向和自由层的磁化方向相垂直，采用上述新型器件结构能够有效降低磁旋存储器的写入电流以及提高磁旋存储器的写入速度等。
Description
技术领域
本申请涉及数据存储技术领域，具体而言，涉及一种存储单元与具有其的存储器。
背景技术
磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)由于具有读写速度快、寿命长以及非易失等优点，被认为是未来最广泛应用的“通用”处理器。它的核心工作单元是由“磁性参考层/隔离层/磁性自由层”三明治结构组成的磁隧道结(MTJ)。
第一代的MRAM主要是依靠字线和位线产生的奥斯特磁场来实现写入过程，但是它需要通入足够大的电流来产生足够强的磁场，从而实现自由层磁矩的翻转。这个过程将会消耗很大的能量，同时写入信息的错误率很高，对工艺的精度的要求也相当的高。
为了改善MRAM的性能，第二代的MRAM采用自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)效应来实现写入过程。其中一种新型设计---正交自旋转移磁随机存储器(OrthogonalSTT-MRAM)可以提高数据写入速度以及降低写入电流。但是在这种设计中来自于极化层(polarizer)的磁杂散场(stray field)会作用在自由层上，从而对STT-MRAM的性能(例如写对称性、器件均一性以及写入功耗等)造成影响。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种存储单元与具有其的存储器，以解决正交自旋转移磁存储器Orthogonal STT-MRAM的上述设计不足问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种存储单元，包括第一MTJ和第二MTJ，第一MTJ包括：极化层，具有第一固定磁化方向；第一隔离层，设置于极化层的一侧表面；自由层，设置于第一隔离层远离极化层的一侧表面，且自由层的磁化方向与第一固定磁化方向垂直，第二MTJ包括：自由层；第二隔离层，设置于自由层远离第一隔离层的一侧表面；参考层，设置于第二隔离层远离自由层的一侧表面，且自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行，其中，自由层、第二隔离层和参考层的叠置方向为第一方向，与第一方向垂直的方向为第二方向，极化层在第二方向上的任意截面具有第一表面积，自由层在第二方向上的任意截面具有第二表面积，第一表面积大于第二表面积。
进一步地，第一表面积与第二表面积之比为1～10：1。
进一步地，第一隔离层在第二方向上的任意截面具有第三表面积，第三表面积与第一表面积相等，或第三表面积与第二表面积相等。
进一步地，极化层为第一合成反铁磁体结构，第一合成反铁磁体结构包括沿靠近第一隔离层的方向顺序层叠的第一底部铁磁层、第三隔离层和第一顶部铁磁层，且第一底部铁磁层与第一顶部铁磁层的磁化方向反平行。
进一步地，第一隔离层为非磁性材料层，形成第一隔离层的材料选自AlOx、MgO、HfOx、Cu、Mg、CuN、Au、Ag、Cr、Al、Ru、Ta、TaN和Mo中的任一种或多种，优选第一隔离层的厚度t为0＜t≤1.5nm。
进一步地，参考层为第二合成反铁磁体结构，第二合成反铁磁体结构包括沿靠近第二隔离层的方向顺序层叠的第二底部铁磁层、第四间隔层和第二顶部铁磁层，参考层的磁化方向与自由层的磁化方向平行或反平行，第二底部铁磁层和第二顶部铁磁层的磁化方向反平行。
根据本发明的另一方面，提供了一种存储器，包括存储单元，存储单元为上述的存储单元。
应用本发明的技术方案，提供了一种包括顺序层叠的自由层、第一隔离层和极化层的存储单元，上述极化层具有第一固定磁化方向，第一固定磁化方向垂直于自由层的磁化方向，从而使上述三层结构构成第一MTJ，并且由于极化层在其高度方向上的任意截面具有第一表面积，自由层在其高度方向上的任意截面具有第二表面积，第一表面积大于第二表面积，从而通过增大极化层的平面尺寸，降低了其边缘的杂散场对自由层的磁相互作用，因而可以增强极化效率，降低了具有上述存储单元的存储器的写入电流，以及提高存储器的写入速度、写入对称性、器件均一性以及写入功耗等性能。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施方式所提供的一种存储单元的剖面结构示意图；
图2示出了本发明实施方式所提供的一种极化层的磁化方向垂直于薄膜平面，且自由层的磁化方向平行于薄膜平面的第一MTJ的剖面结构示意图；
图3示出了本发明实施方式所提供的一种极化层的磁化方向平行于薄膜平面，且自由层的磁化方向垂直于薄膜平面的第一MTJ的剖面结构示意图；
图4示出了本发明实施方式所提供的一种极化层为第一合成反铁磁体结构的存储单元的剖面结构示意图；
图5示出了本发明实施方式所提供的另一种极化层为第一合成反铁磁体结构的存储单元的剖面结构示意图；
图6示出了本发明实施方式所提供的一种参考层和自由层的磁化方向均平行于薄膜平面的存储单元的剖面结构示意图；
图7示出了本发明实施方式所提供的一种参考层和自由层的磁化方向均垂直于薄膜平面的存储单元的剖面结构示意图；
图8示出了本发明实施方式所提供的一种参考层为第二合成反铁磁体结构的存储单元的剖面结构示意图；
图9示出了本发明实施方式所提供的另一种参考层为第二合成反铁磁体结构的存储单元的剖面结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
20、极化层；210、第一底部铁磁层；220、第三间隔层；230、第一顶部铁磁层；30、第一隔离层；40、自由层；50、第二隔离层；60、参考层；610、第二底部铁磁层；620、第四间隔层；630、第二顶部铁磁层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中来自于极化层polarizer的磁杂散场strayfield会作用在自由层上，从而对STT-MRAM的性能例如写对称性、器件均一性以及写入功耗等造成影响。本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种存储单元，如图1至9所示，包括第一MTJ和第二MTJ，第一MTJ包括：极化层20，具有第一固定磁化方向；第一隔离层30，设置于极化层20的一侧表面；自由层40，设置于第一隔离层30远离极化层20的一侧表面，且自由层40的磁化方向与第一固定磁化方向垂直，第二MTJ包括：自由层40；第二隔离层50，设置于自由层40远离第一隔离层30的一侧表面；参考层60，设置于第二隔离层50远离自由层40的一侧表面，参考层60具有第三固定磁化方向，且自由层40的磁化方向与第三固定磁化方向平行或反平行，其中，自由层40、第二隔离层50和参考层60的叠置方向为第一方向，与第一方向垂直的方向为第二方向，极化层20在第二方向上的任意截面具有第一表面积，自由层40在第二方向上的任意截面具有第二表面积，第一表面积大于第二表面积。
上述存储单元中由于极化层具有第一固定磁化方向，第一固定磁化方向垂直于自由层的磁化方向，从而使上述三层结构构成第一MTJ，并且由于极化层在其高度方向上的任意截面具有第一表面积，自由层在其高度方向上的任意截面具有第二表面积，第一表面积大于第二表面积，从而通过增大极化层的平面尺寸，降低了其边缘的杂散场对自由层的磁相互作用，同时增强了极化效率，进而不仅降低了具有上述存储单元的存储器的写入电流，而且还提高了存储器的写入速度、写入对称性、器件均一性以及写入功耗等性能。
将本发明中的上述第一MTJ放入一个三维坐标系中，极化层20、第一隔离层30和自由层40的长度方向和宽度方向分别对应坐标系的x轴和y轴，上述极化层20、第一隔离层30和自由层40的厚度方向对应坐标系的z轴。此时，上述第一方向是指z轴方向，即极化层20、第一隔离层30和自由层40的厚度方向；上述第二方向是指由x轴与y轴组成的平面内的任意方向，即极化层20、第一隔离层30和自由层40的长度方向或宽度方向。
在本发明中的上述第一MTJ中，自由层40的磁化方向与极化层20的磁化方向始终垂直，当自由层40的磁化方向A平行于薄膜平面时，极化层20磁矩的磁化方向B垂直于薄膜平面，如图2所示；当自由层40的磁矩垂直于薄膜平面A时，极化层20磁矩的磁化方向B平行于薄膜平面，如图3所示。
在本发明的上述随机存储器中，优选地，第一表面积与第二表面积之比为1～10：1。理论计算表明，将极化层20截面的第一表面积与自由层40截面的第二表面积限定在上述优选的参数范围时，自由层40所感受的杂散场就比较小，这对于MRAM存储器的写入速度、写入对称性都有极大的改善作用；此外，还可以通过减少刻蚀中对自由层的损伤，从而极大地提高极化效率。
在本发明的上述随机存储器中，本领域技术人员可以根据现有技术对形成上述极化层20和自由层40的材料进行合理选取，本领域技术人员还可以根据现有技术对极化层20和自由层40的形状进行合理选取，为了提高上述极化层20和自由层40的性能，在一种优选的实施方式中，极化层20在第二方向上的任意截面为尺寸相同的圆形截面或椭圆形截面；并且，自由层40在第二方向上的任意截面为尺寸相同的圆形截面或椭圆形截面。
在上述优选的实施方式中，本领域技术人员还可以根据现有技术对第一隔离层30的结构进行合理选取，更为优选地，上述第一隔离层30在第二方向上的任意截面具有第三表面积，第三表面积与第一表面积相等，或第三表面积与第二表面积相等。当上述第一隔离层30截面的第三表面积与极化层截面的第一表面积相等时，上述第一隔离层30与极化层20在同一方向上的截面可以具有相同的尺寸，当上述第一隔离层30截面的第三表面积与自由层40截面的第二表面积相等时，上述第一隔离层30与自由层40在同一方向上的截面可以具有相同的尺寸，从而优化了存储单元的制备工艺。
上述极化层20可以是如图1至3中所示的单层膜结构，也可以是铁磁材料与非磁材料组成的多层膜结构。优选地，极化层20为第一合成反铁磁体结构，第一合成反铁磁体结构包括沿靠近第一隔离层30的方向顺序层叠的第一底部铁磁层210、第三间隔层220和第一顶部铁磁层230，极化层20还具有与第一固定磁化方向相反的第二固定磁化方向，第一顶部铁磁层230具有第一固定磁化方向，第一底部铁磁层210具有第二固定磁化方向。如当自由层40的磁化方向A平行于薄膜平面时，极化层20的第一固定磁化方向B1和第二固定磁化方向B2均垂直于薄膜平面，且第一固定磁化方向B1与第二固定磁化方向B2相反，如图4所示；当自由层40的磁化方向A垂直于薄膜平面时，极化层20的第一固定磁化方向B1和第二固定磁化方向B2均平行于薄膜平面，且第一固定磁化方向B1与第二固定磁化方向B2相反，如图5所示。上述第一合成反铁磁体结构即人工合成反铁磁体结构(SAF结构)能够减小在极化层20与自由层40之间的磁相互作用，从而使器件更加稳定，减少周围环境对其的影响。
在本发明的上述随机存储器中，存储单元还包括层叠设置的第二隔离层50和参考层60，参考层60设置于自由层40的远离第一隔离层30的表面上，参考层60设置于第二隔离层50的远离自由层40的表面上，且自由层40的磁化方向与参考层60的磁化方向(如第三固定磁化方向)平行或反平行，其中，参考层60、第二隔离层50和自由层40构成存储单元的第二MTJ。通过改变电流的极性，使得自由层40的磁矩与自旋极化电流的极化方向相同，进而实现自由层40与参考层60的磁矩平行或反平行排列，实现低阻态和高阻态的转换，即分别对应于信息存储中的“0”和“1”。
本发明中的上述第二MTJ可以为面内磁化MTJ或垂直磁化MTJ，对于面内磁化MTJ，就是指参考层60的磁化方向与自由层40的磁化方向均位于薄膜平面内，即当自由层40的磁化方向A平行于薄膜平面时，参考层60的磁化方向C也平行于薄膜平面，如图6所示；对于垂直磁化MTJ，就是指参考层60的磁化方向与自由层40的磁化方向均垂直于薄膜平面，即当自由层40的磁化方向A垂直于薄膜平面时，参考层60的磁化方向C也垂直于薄膜平面，如图7所示。领域技术人员可以根据现有技术对形成上述参考层60的材料进行合理选取，具有上述参考层60的第二MTJ的尺寸可以在20～200nm的范围内变化。
上述参考层60可以是如图6和7中所示的单层膜结构，也可以是铁磁材料与非磁材料组成的多层膜结构。优选地，上述参考层60为第二合成反铁磁体结构，第二合成反铁磁体结构包括沿靠近第二隔离层50的方向顺序层叠的第二底部铁磁层610、第四间隔层620和第二顶部铁磁层630，参考层60还具有与第三固定磁化方向相反的第四固定磁化方向，第二顶部铁磁层630具有第三固定磁化方向，第二底部铁磁层610具有第四固定磁化方向。如当自由层40的磁化方向A平行于薄膜平面时，极化层20的第一固定磁化方向B1和第二固定磁化方向B2均垂直于薄膜平面，且第一固定磁化方向B1与第二固定磁化方向B2相反，此时参考层60的第三固定磁化方向C1和第四固定磁化方向C2均平行于薄膜平面，且第三固定磁化方向C1与第四固定磁化方向C2相反，如图8所示；当自由层40的磁化方向A垂直于薄膜平面时，极化层20的第一固定磁化方向B1和第二固定磁化方向B2均平行于薄膜平面，且第一固定磁化方向B1与第二固定磁化方向B2相反，此时参考层60的第三固定磁化方向C1和第四固定磁化方向C2均垂直于薄膜平面，且第三固定磁化方向C1与第四固定磁化方向C2相反，如图9所示。上述第二合成反铁磁体结构即人工合成反铁磁体结构(SAF结构)能够减小在参考层60与自由层40之间的磁相互作用，从而使器件更加稳定，减少周围环境对其的影响。
上述提到的极化层20的第一固定磁化方向、自由层40的可变磁化方向和参考层60的第三固定磁化方向之间可以包括以下几种情况，第一种情况：极化层20的第一固定磁化方向为平行状态，同时，自由层40的可变磁化方向与参考层60的第三固定磁化方向为垂直状态；第二种情况：极化层20的第一固定磁化方向为垂直状态，同时，自由层40的可变磁化方向与参考层60的第三固定磁化方向为平行状态。即自由层40的磁化方向虽然是可变的，但其与参考层60的磁化方向都是共线的，比如它们平行时，对应于“0”，反平行时对应于“1”，而极化层20的磁化方向与它们的磁化方向是垂直的，当极化层20的磁化方向平行于薄膜平面时，自由层40与参考层60的磁化方向均垂直于薄膜平面；当极化层20磁化方向垂直于薄膜平面时，自由层40与参考层60的磁化方向均平行于薄膜平面。
在上述第一种情况时，极化层20可以为上述的第一合成反铁磁体结构，此时第一顶部铁磁层230的第一固定磁化方向为平行方向，第一底部铁磁层210的第二固定磁化方向为反平行方向，或第一顶部铁磁层230的第一固定磁化方向为反平行方向，第一底部铁磁层210的第二固定磁化方向为平行方向；并且，参考层60可以为上述的第二合成反铁磁体结构，此时第二顶部铁磁层630的第三固定磁化方向为垂直方向，第二底部铁磁层610的第四固定磁化方向为反垂直方向，或第二顶部铁磁层630的第三固定磁化方向为反垂直方向，第二底部铁磁层610的第四固定磁化方向为垂直方向。
在上述第二种情况时，极化层20也可以为上述的第一合成反铁磁体结构，此时第一顶部铁磁层230的第一固定磁化方向为垂直方向，第一底部铁磁层210的第二固定磁化方向为反垂直方向，或第一顶部铁磁层230的第一固定磁化方向为反垂直方向，第一底部铁磁层210的第二固定磁化方向为垂直方向；并且，参考层60也可以为上述的第二合成反铁磁体结构，此时第二顶部铁磁层630的第三固定磁化方向为平行方向，第二底部铁磁层610的第四固定磁化方向为反平行方向，或第二顶部铁磁层630的第三固定磁化方向为反平行方向，第二底部铁磁层610的第四固定磁化方向为平行方向。
在本发明的上述随机存储器中，第一隔离层30、第三间隔层220、第二隔离层50和/或第四间隔层620可以是现有技术中的任何用于隔离自由层40与极化层20以及隔离自由层40与参考层60的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料。为了保证第一隔离层30、第三间隔层220、第二隔离层50和第四间隔层620能够具有较好的隔离效果以及达到最佳的器件性能，优选地，形成上述第一隔离层30的材料选自AlOx、MgO、HfOx、Cu、Mg、CuN、Au、Ag、Cr、Al、Ru、Ta、TaN和Mo中的任一种或多种，更为优选地，上述第一隔离层30的厚度t为0＜t≤1.5nm。优选地，上述第二隔离层50独立地选自AlOx层或MgO层或HfOx，更为优选地，上述第二隔离层50的厚度h为0＜h≤1.5nm。优选地，形成上述第三间隔层220与上述第四间隔层620的材料独立地选自Ru、Cr、Cu、Au和Ag等材料中的任一种或多种，更为优选地，上述第三间隔层220与上述第四间隔层620的厚度z为0＜z≤1.5nm。
根据本发明的另一方面，提供了一种存储器，包括上述的存储单元。由于上述存储器包括上述的存储单元，从而不仅降低了具有上述存储单元的存储器的写入电流，而且还提高了存储器的写入速度、写入对称性、器件均一性以及写入功耗等性能。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：由于上述极化层，第一隔离层(设置于极化层的一侧表面)，自由层(设置于所述第一隔离层远离所述极化层的一侧表面，并且自由层的磁化方向与极化层的磁化方向垂直)，从而使上述三层结构构成第一MTJ，并且由于极化层在其高度方向上的任意截面具有第一表面积，自由层在其高度方向上的任意截面具有第二表面积，第一表面积大于第二表面积，从而通过增大极化层的平面尺寸，降低了其边缘的杂散场对自由层的磁相互作用，同时增强了极化效率，进而不仅降低了具有上述存储单元的存储器的写入电流，而且还提高了存储器的写入速度、写入对称性、器件均一性以及写入功耗等性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种存储单元，其特征在于，包括第一MTJ和第二MTJ，所述第一MTJ包括：
极化层(20)，具有第一固定磁化方向；
第一隔离层(30)，设置于所述极化层(20)的一侧表面；
自由层(40)，设置于所述第一隔离层(30)远离所述极化层(20)的一侧表面，且所述自由层(40)的磁化方向与所述第一固定磁化方向垂直，
所述第二MTJ包括：
所述自由层(40)；
第二隔离层(50)，设置于所述自由层(40)远离所述第一隔离层(30)的一侧表面；
参考层(60)，设置于所述第二隔离层(50)远离所述自由层(40)的一侧表面，所述参考层(60)具有第三固定磁化方向，且所述自由层(40)的磁化方向与所述第三固定磁化方向的磁化方向平行或反平行，
其中，所述自由层(40)、所述第二隔离层(50)和所述参考层(60)的叠置方向为第一方向，与所述第一方向垂直的方向为第二方向，所述极化层(20)在所述第二方向上的任意截面具有第一表面积，所述自由层(40)在所述第二方向上的任意截面具有第二表面积，所述第一表面积大于所述第二表面积。
2.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述第一表面积与所述第二表面积之比为1～10：1。
3.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述第一隔离层(30)在所述第二方向上的任意截面具有第三表面积，所述第三表面积与所述第一表面积相等，或所述第三表面积与所述第二表面积相等。
4.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述极化层(20)为第一合成反铁磁体结构，所述第一合成反铁磁体结构包括沿靠近所述第一隔离层(30)的方向顺序层叠的第一底部铁磁层(210)、第三隔离层(220)和第一顶部铁磁层(230)，且所述第一底部铁磁层(210)与所述第一顶部铁磁层(230)的磁化方向反平行。
5.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述第一隔离层(30)为非磁性材料层，形成所述第一隔离层(30)的材料选自AlOx、MgO、HfOx、Cu、Mg、CuN、Au、Ag、Cr、Al、Ru、Ta、TaN和Mo中的任一种或多种，优选所述第一隔离层(30)的厚度t为0＜t≤1.5nm。
6.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述参考层(60)为第二合成反铁磁体结构，所述第二合成反铁磁体结构包括沿靠近所述第二隔离层(50)的方向顺序层叠的第二底部铁磁层(610)、第四间隔层(620)和第二顶部铁磁层(630)，所述参考层(60)的磁化方向与自由层(40)的磁化方向平行或反平行，第二底部铁磁层(610)和第二顶部铁磁层(630)的磁化方向反平行。
7.一种存储器，包括存储单元，其特征在于，所述存储单元为权利要求1至6中任一项所述的存储单元。
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