CN109841645A - 一种用于超导计算机的磁性随机存储器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于超导计算机的存储器存储位元设计方案，所述存储位元基于磁电阻自旋阀元件。所述存储位元在磁电阻自旋阀结构的基础上增设磁性辅助层，形成正交自旋阀结构，有助于在低温环境下实现写操作。上述设计方案包括磁矩平行于面内的磁性记忆层、磁性参考层，磁矩垂直于面内的磁性辅助层，以及插入其间的非磁性金属辅助层。存储位元利用记忆层的二元磁矩取向实现记录0、1数据信息，利用磁矩取向不同时存储位元的磁电阻效应实现对所存数据的读取。

Description

一种用于超导计算机的磁性随机存储器

技术领域

本发明涉及低温超导计算机的存储器芯片设计，特别涉及一种适于低温下工作，具有低功耗、高速性能的存储器位元设计方案。

背景技术

随着材料科学、纳米科学的不断进步,一种新型高性能存储器——磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)正在吸引人们的目光。它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且几乎可以无限次地重复写入。这种高速内存已经被业界看作是下一代通用性存储的主要候选之一。该类型的磁性存储器利用磁介质的磁矩方向来记录信息，而磁矩和磁矩的指向并不需要外加电压来维持(相较于SRAM和DRAM断电后存储数据完全丢失)。这种非挥发性的优点使得磁性存储器在待机状态下功耗几乎为零，极大的提升了存储器芯片的运行能效。

与此同时，伴随着存储器能效的不断提高，信息产业也在不断探索更高能效的逻辑计算电路，其中一种基于约瑟夫森结的超导电路取得了较大的进展。例如高能效的单磁通量子(eSFQ和ERSFQ)逻辑电路可以实现超快信号传输并能大幅度的降低能耗。一种高性能超导计算机的构架方案就是结合超导逻辑电路和磁性存储器的设计，因此需要一种可与超导逻辑器件相兼容的低温磁性随机存储器设计(low temperature MRAM)。这就要求存储期间达到如下几个主要指标：1.能够在超导电路运行的温度区间(<10K)工作。2.超导逻辑电路具有很低的阻抗，因此存储器也需要有较低的阻抗(1-50Ω)。3.和超导逻辑电路相匹配的高速(<1ns)数据传输和低能耗(单次操作能耗低于1fJ)。

现有的磁性随机存储器的关键记忆单元是磁性隧道结(MTJ，Magnetic TunnelingJunction)。磁性隧道结是由绝缘体和磁性材料构成的三明治结构，中间的绝缘层将两层铁磁金属层隔开来，由于有一层隧穿势垒(绝缘层)因此阻抗较高(500-1000Ω)。传统的MTJ磁性存储器设计通常针对室温温区进行优化，并且自旋扭矩效应在初始阶段(～1-5ns)依赖于热激发效应，是一种热辅助翻转过程。热辅助翻转的物理过程在低温下大大受限，尤其在10K以下的温度区将导致存储器的写入数据速度下降以及写入数据的错误率和能耗大大增加。这样一来信号传输速度(10-50ns)和单次操作能耗(>100fJ)就无法达到超导逻辑电路的要求。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种适用于超导计算机的磁性随机存储器，解决传统磁性随机存储器无法与超导逻辑电路兼容的问题。

发明内容

针对现有技术的存储器难以和超导逻辑电路相互兼容的问题，本发明公开了一种用于超导计算机的磁性随机存储器，包括存储位元阵列和超导电路，所述存储位元阵列与所述超导电路电连接，所述存储位元阵列包括若干个存储位元，至少一部分所述存储位元为适于在10K以下环境温度工作的自旋阀元件。

进一步地，所述超导电路包括若干个基于约瑟夫森结的单磁通量子逻辑器件。

进一步地，所述存储位元与所述超导电路间采用金属铌实现互联。

进一步地，所述自旋阀元件包括依次相邻的：

第一磁性层；

第一非磁性层；

记忆层；

第二非磁性层；

参考层；

其中，所述磁性辅助层磁化方向不变且磁各向异性方向与薄膜表面非平行设置，所述第一非磁性层与所述第二非磁性层为氧化物势垒层或金属非磁性层，所述参考层与所述记忆层的磁化方向平行于薄膜表面。

更进一步地，所述参考层包括依次相邻的：

第三磁性层，所述第三磁性层的磁化方向不变，其磁各向异性平行于层表面，并且所述第三磁性层与所述第二非磁性层相邻；

第三非磁性层；所述第三非磁性层用来在第三和第四磁性层间形成合成反铁磁结构，降低参考层总体对记忆层的磁偶极相互作用。

第四磁性层，所述第四铁磁层的磁化方向不变且磁各向异性且平行于层表面；

反铁磁层，用于使所述第四铁磁层的磁化方向固定不变。

优选地，还包括第一金属层和/或第二金属层，所述第一金属层分别与所述第三磁性层和所述第二非磁性层相邻，所述第二金属层分别与所述第二非磁性层和所述记忆层相邻。优选地，采用Co、Fe材料用以进一步提高元件的磁电阻率。

优选地，所述第一磁性层和/或所述第三磁性层采用[[Co|Pt]_n、[Co|Pd]_n、[Co|Ni]_n、[Co|Rh]_n、[Co|Ir]_n、[Fe|Pt]_n、[Fe|Pd]_n、[Fe|Rh]_n、[Fe|Ir]_n、[CoFe|Pt]_n中的一种或多种制得。

优选地，所述参考层还包括辅助层，所述辅助层采用过渡金属制得，设置于所述反磁性层异于所述第四磁性层的一侧。

更进一步地，所述记忆层采用坡莫合金、钴铁合金或含硼钴铁合金。可采用但不限于如下材料：CoFeB、CoFeBTi、CoFeBZr、CoFeBHf、CoFeBV、CoFeBTa、CoFeBCr、CoFeNi、CoFeTi、CoFeZr、CoFeHf、CoFeV、CoFeTa、CoFeNb、CoFeCr、CoFeMo、CoFeW、CoFeAl、CoFeSi、CoFeGe、CoFeP或它们的组合。优选地，所述记忆层采用掺杂有10～30％质量分数Cu的坡莫合金制得。需要说明的是，在本发明的一个较优实施例中，所述记忆层又被称为第二磁性层。

更进一步地，还包括衬底层，所述衬底层与所述第一磁性层邻接设置，所述衬底层采用Pt、Hf、Ta、Cr、Mo、W、Rh、Pd、Cu、Ag、Nb、V、Zr、Ti、TaN、Ru、NiCr中的一种或多种制得。

进一步地，所述存储位元的多层膜均采用金属材料制得。

技术效果

本发明的存储器通过优化元件各层材料满足了磁性随机存储器与超导逻辑电路在低温环境下的适配问题。存储位元在磁电阻自旋阀结构的基础上增设磁性辅助层，形成正交自旋阀结构，有助于在低温环境下实现低功耗、高读写速度。存储位元阵列与单磁通量子超导电路结合形成适用于低温超导计算机的高速、低功耗存储芯片。存储位元利用记忆层的二元磁矩取向实现记录0、1数据信息，利用磁矩取向不同时存储位元的磁电阻效应实现对所存数据的读取，利用超导电流产生的自旋扭矩效应翻转记忆层磁矩取向实现对所存数据的操作。存储位元为金属多层膜结构，具有较低的阻抗，适合与低阻抗的超导电路相匹配。优化后的存储器能够实现在超导电路运行的温度区间(<10K)工作，元件具有较低的总阻抗(1-50Ω)，和超导逻辑电路相兼容的超快写入速度(<1ns)以及低能耗(单次操作能耗<1fJ)。

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是基于本发明的一种存储位元的结构示意图。

图2是基于本发明的一种含有电极的存储位元的结构示意图。

图3是基于本发明的一种优化的含有电极的存储位元结构示意图。

图4是基于本发明的一种优化的含有电极的存储位元制备工艺的流程图。

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是本实施例提供的一种磁性随机存储器中存储位元的结构示意图，包括由下而上依次相邻的衬底层10、第一磁性层9、第一非磁性层8、第二磁性层7、第二非磁性层6和参考层101。而参考层101包括由上而下依次相邻的第三磁性层5、第三非磁性层4、第四磁性层3、反磁性层2和辅助层1。

其中，第一磁性层9磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；第二磁性层7磁化方向可变且磁各向异性平行于层表面；参考层101磁化方向不变且磁各向异性平行于层表面。衬底层10、第一磁性层9、第一非磁性层8、第二磁性层7、第二非磁性层6及参考层101共同构成一个正交自旋阀结构。

衬底层10是由Pt、Hf、Ta、Ru或NiCr等材料的一种或多种的组合使用，总厚度为3-5纳米，这有助于增强第一磁性层的垂直各向异性。第一磁性层9具有垂直磁矩和较高的自旋极化度，可以使用如[Co|Pt]_n、[Co|Pd]_n或者[Co|Ni]_n等多层膜材料其中一种或者两种的组合使用，其中n>1。铁磁层9的磁化方向和铁磁层7的磁化方向相互垂直，这种正交自旋阀中记忆层的磁矩翻转是进动式的翻转。相比传统MTJ或自旋阀中记忆层的热辅助翻转，进动式的翻转速度远快于热辅助式的翻转，具有较低的错误率，而且翻转过程能效更高。第一非磁性层8是Cu，厚度大约5nm。第一非磁层8将第二磁性层7和第一磁性层9分隔开来。第二磁性层7是记忆层，具有磁化强度指向的两度各向异性。其磁化强度的指向可以在自旋扭矩的效应下通过驱动电流来翻转，从而实现0或者1状态的读写。第二磁性层7是坡莫合金(Ni₈₀Fe₂₀)或者CoFeB或者CoFe，厚度约为3纳米。优选地，为了进一步降低翻转电流(写入数据功耗)，在第二磁性层7中掺入非磁金属Cu，稀释记忆层的总磁化强度，但同时也会降低该铁磁层的居里温度。上述磁存储元件在低温下工作，因此对磁化强度和居里温度的下限低于室温下使用的元件，从而实现更低的驱动电流(功耗)。更优选地，使用坡莫合金(Py＝Ni₈₀Fe₂₀)掺入30％的Cu后所得到的磁性合金作为第二磁性层7的材料。掺入Cu的工艺可采用Cu和坡莫合金共同溅射或者它们的多层膜重复，使用后者时每层厚度极小，一般小于0.2纳米。第二非磁性层6是Cu，其厚度为大约4纳米。参考层1、第二磁性层7和第二非磁性层6共同组成了传统的自旋阀元件，两层铁磁层磁化强度方向相反时该自旋阀元件处于高电阻态，磁化强度相同时该自旋阀元件处于低电阻位。第三磁性层5是坡莫合金(Py＝Ni₈₀Fe₂₀)或者CoFeB或者CoFe，其厚度约为3纳米。第三非磁性层4是Ru，厚度约为9纳米。第四磁性层3是坡莫合金(Py＝Ni₈₀Fe₂₀)或者CoFeB或者CoFe，厚度约为3纳米。第四磁性层3通过第三非磁性层4与第三磁性层5之间产生强烈的反铁磁耦合，使得第三磁性层5的磁化方向也一同被固定且平行于面内，与此同时第三磁性层5所产生的磁偶极等效场被铁磁层3所补偿。反磁性层2可以是IrMn或者PtMn，厚度约为10纳米。反磁性层2和第四磁性层3界面所产生的交换偏置效果，使得第四磁性层3的磁化方向固定不变且平行于面内。辅助层1的材料是Pt、Ru、Ta、Cu或者他们的多层膜结构，厚度约为1-5纳米，用以增强反铁磁层的钉扎效果。

图2为基于本发明的一种含有电极的存储位元的结构示意图。电极12与辅助层顶部连接，电极11与衬底层底部连接，电极11与电极12是超导材料Nb。使用超导材料作为电极可以降低或者完全避免磁存储记忆单元和外部电路的接触电阻，避免额外的能量耗散，提高磁电阻率。

图3是基于本发明的一种优化的含有电极的存储位元结构示意图。为了提高磁存储器记忆单元的磁电阻效应，在第三磁性层5与第二非磁性层6之间还添加第一金属层001，其厚度范围是0.1-0.5nm，第一金属层001是Fe或者Co。在第二非磁性层6与第二磁性层7之间添加第二金属层002，其厚度范围是0.1-0.5nm，第二金属层002是Fe或者Co。

制备优化的含有电极的存储位元的工艺流程如下：

在前端逻辑电路制作完成后使用超导材料作为互联金属，本实施例中采用Nb。Nb的化学力学抛光(CMP)工艺的平整度控制在0.1-0.2纳米的范围内，经CMP工艺后wafer转入物理气相沉积真空系统，经过表面预清洁后，按照图4中的顺序逐一沉积。

其中，衬底层10，可以是Pt、Hf、Ta、TaN、Ru、NiCr等单一材料或者两种材料的叠加，总厚度为3-5纳米。第一磁性层9的制作时，先沉积[Co|Pt]n多层膜，优选的n＝3-5，Co和Pt的厚度为0.3-0.5纳米，多层膜以Pt结尾；然后沉积[Co|Ni]n多层膜，优选的n＝3-5，Ni和Co的厚度为0.2-0.6纳米，以Co结尾。沉积的第一非磁性层8是采用4-5纳米厚的Cu。第二磁性层7是约为3纳米厚的Py₇₀Cu₃₀三元合金材料层，采用Py和Cu靶材共同溅射或者两者的重复多层膜反复溅射，当采用Py和Cu重复多层膜反复溅射时Py和Cu每层的厚度应小于单原子层厚度应小于0.2纳米。沉积的第二金属层002是0.1-0.5纳米厚的Co层，而沉积第二非磁性层6是4-5纳米厚的Cu层。沉积的第一金属层001是0.1-0.5纳米厚的Co层。沉积的第三磁性层5是约3纳米厚的CoFeB合金层或者Py合金层。如选用CoFeB合金层，那么B元素的摩尔分数含量优选在10％-30％之间，退火条件为300摄氏度持续时间为半小时。沉积的第三非磁性层4是8-9纳米厚的Ru层。沉积的第四磁性层3是约3纳米厚的CoFeB合金层或者Py合金层。如选用CoFeB合金层，那么B元素的摩尔分数含量优选在10％-30％之间，退火条件为300摄氏度持续时间为半小时。沉积的反磁性层2是IrMn或者PtMn，厚度约为10纳米。沉积的辅助层1是5纳米厚的TaN层和10纳米厚的Ru层。物理气相沉积在一个固定面内磁场(约1000Oe)下完成，有助于产生交换偏置作用，并诱导出钉扎层的单项面内各向异性。经过光刻工艺形成尺寸为90×180纳米的柱状元件，周围由介电氧化物包裹起来。在上述元件顶部刻蚀出一个通道，将Nb超导材料沉积进入通道内形成后端金属层和存储元件的互联。

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)

1.一种用于超导计算机的磁性随机存储器，其特征在于，包括存储位元阵列和超导电路，所述存储位元阵列与所述超导电路电连接，所述存储位元阵列包括若干个存储位元，所述存储位元为适于在10K以下环境温度工作的自旋阀元件。

2.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述超导电路包括若干个基于约瑟夫森结的单磁通量子逻辑器件。

3.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述存储位元与所述超导电路间采用金属铌实现互联。

4.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述自旋阀元件包括依次相邻的：

第一磁性层；

第一非磁性层；

记忆层；

第二非磁性层；

参考层；

其中，所述磁性辅助层磁化方向不变且磁各向异性方向与薄膜表面非平行设置，所述第一非磁性层与所述第二非磁性层为氧化物势垒层或金属非磁性层，所述参考层与所述记忆层的磁化方向平行于薄膜表面。

5.如权利要求4所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述参考层包括依次相邻的：

第三磁性层，所述第三磁性层的磁化方向不变，其磁各向异性平行于层表面，并且所述第三磁性层与所述第二非磁性层相邻；

第三非磁性层；

第四磁性层，所述第四铁磁层的磁化方向不变且磁各向异性且平行于层表面；反铁磁层。

6.如权利要求5所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述第一磁性层和/或所述第三磁性层采用[[Co|Pt]_n、[Co|Pd]_n、[Co|Ni]_n、[Co|Rh]_n、[Co|Ir]_n、[Fe|Pt]_n、[Fe|Pd]n、[Fe|Rh]_n、[Fe|Ir]_n、[CoFe|Pt]_n中的一种或多种制得。

7.如权利要求5所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述参考层还包括辅助层，所述辅助层采用过渡金属制得，设置于所述反磁性层异于所述第四磁性层的一侧。

8.如权利要求4所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述记忆层采用掺杂有10～30％质量分数Cu的坡莫合金制得。

9.如权利要求4所述的磁性随机存储器，其特征在于，还包括衬底层，所述衬底层与所述第一磁性层邻接设置，所述衬底层采用Pt、Hf、Ta、Cr、Mo、W、Rh、Pd、Cu、Ag、Nb、V、Zr、Ti、TaN、Ru、NiCr中的一种或多种制得。

10.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述存储位元的多层膜均采用金属材料制得。