CN110112286A - 磁性随机存储器的磁隧道结器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁性随机存储器的磁隧道结器件，包括自下而上依次堆叠的参考层、隧穿介电层和记忆层，所述记忆层采用物理气相沉积法制作，其包括铁磁材料，以及通过沉积层插入方式和/或共溅射方式来掺入该铁磁材料的非磁材料。本发明的磁性随机存储器，其记忆层相比于现有技术采用更多的叠层和更薄的每层厚度，或者共溅射的方法，或两种结合的方法，以实现非磁材料更均匀的混合进入磁性材料，以此来渐变可控地调节记忆层的磁化强度、各向异性强度和居里温度，因此，通过记忆层的上述设计，可以降低在低温或极低温度下翻转记忆层磁矩的所需的电流和功耗，使得磁性随机存储器能够在室温、低温或极低温下以低功耗工作。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路芯片的存储器领域，尤其涉及一种可在低温和极低温下工作的磁性随机存取存储器。涉及一种降低磁性随机存储器动态功耗的方法。
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。磁性随机存储器采用磁性多层材料构成的纳米柱状器件中的磁矩方向来记录信息，而维持磁矩和磁矩的方向并不需要外加电源(相较于DRAM断电后存储数据完全丢失)，因此这种磁性随机存储器还具有闪存(Flash)的非易失性。上述多重优点使得该类基于磁性存储位元的存储器被业界看作下一代通用性存储的主要候选，广泛适用于各类应用场景。
与此同时，伴随摩尔定理逐渐接近极限，当前基于硅材料场效应管的集成电路功耗、速度等效能接近极限，业界亟待探索其新型的计算架构和元器件。包括基于约瑟夫森结的超导集成电路、通过量子比特操纵的量子计算机等。这些新型的计算机处理器都需要在极低温度下(液氦温度4.2K或更低)工作，而可以与之相兼容的低温存储器一直是实现有效计算功能的瓶颈。另外当前商用存储器一般仅支持至多零下40摄氏度的工作环境，而无法满足其他极端温度工作条件。
如图1A所示，现有的磁性随机存储器芯片由一个或多个存储单元100的阵列组成，其最简单的基本存储单元100如图1B所示，包括一个存储位元器件101和一个开关器件102。其中，开关器件102可以是MOS场效应管、超导器件或其他具有开关功能的三端器件，开关器件2连接到磁性随机存储器芯片的字线Z负责接通或切断这个单元；存储位元器件101和开关器件102串联并连接接至磁性随机存储器的位线W和源线Y。并由此，通过行列周期性重复基本存储单位100形成存储阵列。
如图2A-2B所示，该存储位元器件101，101’一般采用磁性隧道结器件(MTJ，Magnetic Tunneling Junction)。MTJ器件是由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料所构成，包括依次堆叠的记忆层1011，1011’、绝缘层1012，1012’和参考层1013，1013’，图中单箭头代表参考层，箭头方向指磁矩方向，双箭头指磁矩方向可变，单箭头指磁矩方向固定不变。其中参考层1013，1013’为具有固定的磁化方向的一层铁磁材料，记忆层1011，1011’为磁化方向可变的另一层铁磁材料，因此记忆层1011，1011’的磁化方向可以和参考层1013，1013’的磁化方向平行或反平行。记忆层1011，1011’和参考层1013，1013’磁矩的方向可以是平行于面内(如记忆层1011和参考层1013)，或者垂直于面外方向(如记忆层1011’和参考层1013’)。其中，图2A-2B并不定义参考层和记忆层的上下层叠关系，实际情况中记忆层可在参考层上方或下方，绝缘层总是在两层之间。上述MTJ器件是将磁性多层薄膜材料经过刻蚀加工后形成微小尺寸(1-1000纳米直径)的圆柱状器件来实现的。由于量子隧穿效应，电流可以穿过器件中的隧道势垒层，MTJ器件可被视为一个可变电阻，其阻值依赖于可变磁化层的磁化方向。磁化方向平行时电阻低，磁化方向反平行时电阻高。读取磁性随机存储器的过程是对相应地址的存储位元器件MTJ的电阻进行测量。写入磁性随机存储器的过程是在相应地址的存储位元器件MTJ上通过合适的电流，来翻转(操作)记忆层的磁矩。自下而上和自上而下两种不同的电流方向可分别实现磁矩平行至反平行，以及磁矩反平行至平行的翻转。
磁性随机存储器的每个阵列的位线、源线之间施加有一读写电压，以使得磁性随机存储器的读出电路检测存储位元器件101，101’的电阻，进而得到其记忆层1011，1011’的磁化方向。由于存储位元器件101，101’的电阻除了依赖于可变磁化层的磁化方向，还会随着温度和位置等而漂移，一般的方法是使用芯片上的一些已经被写成高阻态或低阻态的存储位元器件作为参考器件。再使用一读出放大器(Sense Amplifier)来比较被检测的存储位元器件101，101’和参考器件的电阻。
对于现有的磁性随机存储器的存储位元器件101，101’，其记忆层1011，1011’包括铁磁材料和非磁材料，现有技术磁性层厚度范围一般是5-1.5nm，非磁材料一般为一层，且每一层的厚度足够厚以至于各自体现本征属性，以最常用的现有技术为例，选用的磁性材料是CoFeB合金，非磁性材料是Cr、Cu、Mo、Ru、Pd、Hf、Ta、W、Tb、Ir中的一种，结构为1-2nmCoFeB/0.3-0.4nmW/0.4-1nm CoFeB。这会导致记忆层1011，1011’的翻转磁矩较高。因此，现有的采用MTJ器件具有以下几方面缺点：
一方面是磁性随机存储器的功耗问题：操作存储单元的方式是通过足够的写入电流来驱动记忆层磁矩的翻转，因此写操作需要相当的功耗。读出存储单元的方式是通过灵敏放大电路感知电阻变化带来的电流变化。写操作所需的电流远大于读操作所需的电流，芯片的动态功耗更多来自于写操作。过大的写电流也会影响存储器的寿命。
另一方面，如图3所示，适用于室温磁性随机存储器的存储单元在低温和极低温环境下将遇到明显的写操作困难。如下图3的仿真结果，从室温300K到低温4.2K，翻转记忆层磁矩所需的电压增加了大约60％。这是因为从室温到低温记忆层的磁矩变大，磁矩的指向性(磁各向异性)变得更强，而且在低温热扰动所产生的翻转初始角变小，这些因素加在一起使得低温下的翻转电压提高，不仅使得功耗增加，耐久度降低，过高的写入电压也使得设计一个可工作的存储器变得难以实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温低功耗的磁性随机存储器的磁隧道结器件，以降低驱动记忆层磁矩翻转的难度，使得磁性随机存储器能够在低温或极低温下以低功耗工作。
为了实现上述目的，本发明提供一种磁性随机存储器的磁隧道结器件，包括自下而上依次堆叠的参考层、隧穿介电层和记忆层，所述记忆层采用物理气相沉积法制作，其包括铁磁材料，以及通过沉积层插入方式和/或溅射方式来掺入该铁磁材料的非磁材料。
记忆层包括铁磁稀释合金，其通过采用铁磁材料和非磁材料的靶材共溅射或采用铁磁稀释合金的靶材溅射的方式沉积而成。
记忆层采用多层沉积，每一沉积层的厚度为0.1-2nm。
所述非铁磁材料的组分优选为20％-80％。
所述记忆层包括N层彼此间隔的第一沉积层，和插设于其中的N-1层彼此间隔的第二沉积层，N至少为3；其中，其中，第一沉积层全部采用铁磁稀释合金、全部采用铁磁层或部分采用铁磁稀释合金部分采用铁磁层，第二沉积层采用稀释辅助层；或第一沉积层采用铁磁稀释合金和铁磁层中的一种，第二沉积层采用铁磁稀释合金和铁磁层中的另一种；所述铁磁稀释合金通过采用铁磁材料和非磁材料的靶材共溅射或采用铁磁稀释合金的靶材溅射的方式沉积而成；所述铁磁层的材料为铁磁材料，所述稀释辅助层的材料为非铁磁材料。
各沉积层的厚度不同，且不同层的第一沉积层和第二沉积层均采用不同的材料。
第一沉积层采用铁磁层，第二沉积层采用稀释辅助层，且所述稀释辅助层的总厚度的厚度占记忆层总厚度的比例不高于80％。
所述铁磁材料为Fe、Co以及组分可变的FeB、CoFeB中的一种或多种；所述非铁磁材料为Ta、TaN、Ti、TiN、NiCr、Pt、W、Ru、Mo和Ir中的一种或多种。
所述参考层包括依次堆叠的参考铁磁层、铁磁辅助层和过渡层，参考铁磁层和铁磁辅助层是组分可变的CoFeB材料，Co组分20-80％，Fe组分20-80％，B组分20-30％，厚度0.5-2nm，过渡层133的材料为Cr、Cu、Mo、Ru、Pd、Hf、Ta、W、Tb和Ir中的一种或多种，厚度0.2-1nm。
所述隧穿介电层的材料为Mg或Al基的氧化物，且其厚度为1-2nm。
所述参考层下方设有依次堆叠的种子层和钉扎层；所述记忆层上方设有依次堆叠的辅助层、保护层和掩膜层。
本发明的磁性随机存储器，其记忆层相比于现有技术采用更多的叠层和更薄的每层厚度，或者共溅射的方法，或两种结合的方法，以实现非磁材料更均匀的混合进入磁性材料，以此来渐变可控地降低记忆层的磁性(包括磁矩、居里温度、各向异性强度)，因此，通过记忆层的上述设计，可以降低在室温、低温或极低温度下翻转记忆层磁矩的所需的电流和功耗，使得磁性随机存储器能够在室温、低温或极低温下以低功耗工作。
附图说明
图1A为现有的磁性随机存储器芯片的阵列结构示意图。
图1B为现有的磁性随机存储器芯片的存储单元的结构示意图。
图2A为现有的磁性随机存储器芯片的存储单元的存储位元器件的一个实施例的结构示意图。
图2B为现有的磁性随机存储器芯片的存储单元的存储位元器件的另一个实施例的结构示意图；
图3为现有的磁性随机存储器的存储单元在低温和极低温下的写入电压随温度变化的示意图；
图4A为根据本发明的一个实施例的磁性随机存储器的磁隧道结器件的结构示意图；
图4B为根据本发明的另一个实施例的磁性随机存储器的磁隧道结器件的结构示意图；
图5A为根据本发明的一个实施例的磁性随机存储器的磁隧道结器件的记忆层的结构示意图；
图5B为根据本发明的另一个实施例的磁性随机存储器的磁隧道结器件的记忆层的结构示意图；
图5C为根据本发明的另一个实施例的磁性随机存储器的磁隧道结器件的记忆层的结构示意图；
图5D为根据本发明的另一个实施例的磁性随机存储器的磁隧道结器件的记忆层的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图4A-4B所示为根据本发明的磁性随机存储器的磁隧道结器件1，其采用刻蚀加工，加工为圆形柱状，其包括自下而上依次堆叠的种子层11、钉扎层12、参考层13、隧穿介电层14、记忆层15、辅助层16、保护层17和掩模层18。
其中，参考层13和记忆层15为具有磁矩的铁磁层，隧穿介电层14为非铁磁绝缘层，用于产生隧道磁阻效应并诱导界面垂直各向异性，由此构成磁隧道结最基本结构，产生隧道磁阻效应以及自旋扭矩翻转效应。
参考层13为磁矩固定不动的铁磁层，其包括依次堆叠的参考铁磁层131、铁磁辅助层132和过渡层133。参考铁磁层131和铁磁辅助层132是组分可变的CoFeB材料，Co组分20-80％，Fe组分20-80％，B组分20-30％，厚度0.5-2nm。过渡层133可以是Cr、Cu、Mo、Ru、Pd、Hf、Ta、W、Tb和Ir中的一种或多种，厚度0.2-1nm。参考铁磁层131同隧穿介电层直接相邻提供隧道磁阻效应和自旋扭矩翻转效应。铁磁辅助层132用于辅助提高隧道结的结晶状况，减少晶界缺陷，提高隧道结的质量和可靠性。过渡层133用于衔接两侧不同的晶格取向结构，优化磁隧道结性能。
隧穿介电层14的材料一般采用Mg或Al基的氧化物，其厚度为1-2nm。
记忆层15的铁磁材料的磁矩可来回翻转，并用磁矩的指向来记忆二进制信息0、1。所述记忆层15采用物理气相沉积法制作，其包括铁磁材料，以及通过沉积层插入方式和/或共溅射方式来掺入该铁磁材料的非磁材料。其中，铁磁材料为Fe、Co以及组分可变的FeB、CoFeB中的一种或多种；非铁磁材料为Ta，TaN，Ti，TiN，NiCr，Pt，W，Ru，Mo和Ir中的一种或多种。此外，物理气相沉积法通过材料沉积在高真空度下溅射相应靶材来实现，且物理气相沉积尽量采用低溅射气压和重原子质量溅射气体，使得每一层沉积的材料在维持平整度质量的前提下尽量薄(1-10埃)，以使得非磁材料更均匀的混入磁性材料。
由此，记忆层15的各向异性能＝磁矩*磁各向异性场，在记忆层15的铁磁材料中掺入非磁材料来进行稀释后，磁矩降低，等效各向异性场和磁矩正相关关系，因此记忆层15的磁各向异性场随之降低也降低。本发明的记忆层15的铁磁材料掺入非磁材料后，磁性被稀释体现为铁磁有序强度(居里温度)降低，记忆层数据非易失性降低，因此本发明适合于SRAM类型的应用场景(低功耗，高速，弱非易失性)，或者低温应用场景，其记忆层的磁性稀释程度的具体范围取决于应用场景所要求的芯片工作温度。此外，由于本发明的记忆层15采用更多的叠层和更薄的每层厚度，或者共溅射的方法，或两种结合的方法，以实现非磁材料更均匀的混合进入磁性材料，因此实现了记忆层的磁性的渐变可控，尤其是其磁性降低的渐变可控。
在本发明的一些实施例中，记忆层15包括铁磁稀释合金151，其通过采用铁磁材料和非磁材料的靶材共溅射或采用铁磁稀释合金的靶材溅射的方式沉积而成。由此，实现非磁材料更均匀的混合进入磁性材料，以此来渐变可控的降低记忆层的磁性(包括：磁矩、居里温度、各向异性能)。在一个实施例中，如图5A所示，记忆层15采用多层沉积，每一所述沉积层的厚度为0.1-2nm，而不单独插入非磁材料层来进行稀释，每一层沉积时选用一定的铁磁材料和非磁材料的溅射速率，用以调控每一层中铁磁稀释的程度，以制得铁磁稀释合金。不同沉积层的铁磁材料和非磁材料的溅射速率比可以不同，不同沉积层的厚度可以不同，且不同沉积层选用的铁磁稀释合金可以不同，任意组合。其中，非铁磁材料的组分优选为20％-80％，以在达到本发明的低温低功耗的目的的同时，保证居里温度仍高于芯片工作温度。
在本发明的另一些实施例中，记忆层15包括N层彼此间隔的第一沉积层，和插设于其中的N-1层彼此间隔的第二沉积层，N至少为3。
其中，第一沉积层全部采用铁磁稀释合金151、全部采用铁磁层152或部分采用铁磁稀释合金151部分采用铁磁层152，第二沉积层采用稀释辅助层153；或第一沉积层采用铁磁稀释合金151和铁磁层152中的一种，第二沉积层采用铁磁稀释合金151和铁磁层152中的另一种；所述铁磁稀释合金151通过采用铁磁材料和非磁材料的靶材共溅射或采用铁磁稀释合金的靶材溅射的方式沉积而成；所述铁磁层152的材料为铁磁材料，所述稀释辅助层153的材料为非铁磁材料。
具体地，根据本发明的一个实施例，如图5B所示，记忆层15包括N层彼此间隔的铁磁层152和插设于其中的N-1层彼此间隔的稀释辅助层153。根据本发明的另一个实施例，如图5C所示，记忆层15包括N层彼此间隔的铁磁稀释合金151和插设于其中的N-1层彼此间隔的稀释辅助层153。根据本发明的再一个实施例，如图5D所示，记忆层15包括N层彼此间隔的第一沉积层和插设于其中的N-1层稀释辅助层153，其中第一沉积层同时采用了铁磁稀释合金151和铁磁层152。
其中，每一沉积层的厚度为0.1-2nm，各沉积层的厚度可以不同。所述铁磁层152的材料为铁磁材料，所述稀释辅助层153的材料为非铁磁材料。不同层的第一沉积层和第二沉积层均可采用相同的材料，也可以采用不同的材料。所述铁磁稀释合金151和/或非磁材料层152各自的总厚度占记忆层15总厚度的比例根据芯片工作温度来确定，芯片工作温度取决应用场景的要求，不同温度要求对应不同的比例范围，一般而言，当记忆层15的第一沉积层采用铁磁层152，第二沉积层采用稀释辅助层153时，稀释辅助层153的总厚度的厚度占记忆层总厚度的比例至多为80％。
此外，再请参见图4A-图4B，种子层11提供合适的平整度、结晶取向、足够的热稳定性和化学稳定性，使得磁性隧道结器件在退火后获得良好的性能。种子层11的材料为Ta，TaN，Ti，TiN，NiCr，Pt，W，Ru中的一种或至少两种的层叠。种子层11的厚度1-20nm。
钉扎层12用于将参考层13的磁矩钉扎在固定方向，使得参考层13的磁矩在读写过程中稳固不动。钉扎层12的厚度范围为1-10nm。
如图4A所示，在一个实施例中，若参考层13的磁矩垂直于其表面，则钉扎层12为三部分组成的合成反铁磁，包括两个磁性超晶格121和设于两个铁磁超晶格之间的一个反铁磁耦合层122。超晶格材料121是[Co|Pt]n，[Co|Pd]n，[Co|Ni]n等多层膜材料其中一种或者两种的混合使用，其重复次数n＝1-10；反铁磁耦合层122的材料是非磁金属Ru。由此，两部分磁性超晶格121经过反铁磁耦合层122形成强反铁磁耦合，并且磁性超晶格121具有强垂直各向异性，因此保证了整个钉扎层12的磁矩稳定性。
如图4B所示，在另一个实施例中，若参考层13的磁矩在其面内方向，则钉扎层12’包括和参考层13相邻的钉扎铁磁层121’、反铁磁层122’以及位于钉扎铁磁层121’和反铁磁层122’的界面上的合成反铁磁层123’。反铁磁层122’可以是IrMn，PtMn等反铁磁合金，厚度约为10纳米。合成反铁磁层123’包括紧邻反铁磁层122’的铁磁金属和紧邻钉扎铁磁层121’的耦合层Ru。由此，钉扎层12’利用反铁磁层122’和钉扎铁磁层121’界面所产生的交换偏置效果，使得钉扎铁磁层121’的磁化方向固定不变且平行于面内。
辅助层16用于提高垂直磁各向异性以及帮助磁隧道结多层膜材料在退火后形成合适的结晶结构。辅助层16的材料为Mg、MgO或两者的层叠，以诱导磁性层的垂直磁各向异性。辅助层16的厚度为0-2nm。
保护层17用于抵抗刻蚀，保护本发明的低温低功耗磁性随机存储器的磁隧道结器件1在顶上开通孔时，阻止开孔刻蚀的工艺侵蚀。其材料为Ru，其厚度为1-10nm。
掩膜层18用于在光刻工艺刻蚀MTJ圆柱时保护一部分具有掩模层18的磁隧道结器件1，并将其余部分都刻蚀掉。掩膜层18的材料包括包括Ta，TaN，硅氧化物中的一种，或至少两种的层叠。掩膜层18的厚度在100-500nm范围。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (11)
1.一种磁性随机存储器的磁隧道结器件，包括自下而上依次堆叠的参考层(13)、隧穿介电层(14)和记忆层(15)，其特征在于，所述记忆层(15)采用物理气相沉积法制作，其包括铁磁材料，以及通过沉积层插入方式和/或溅射方式来掺入该铁磁材料的非磁材料。
2.根据权利要求1所述的磁性随机存储器的磁隧道结器件，其特征在于，记忆层(15)包括铁磁稀释合金(151)，其通过采用铁磁材料和非磁材料的靶材共溅射或采用铁磁稀释合金的靶材溅射的方式沉积而成。
3.根据权利要求2所述的磁性随机存储器的磁隧道结器件，其特征在于，记忆层(15)采用多层沉积，每一沉积层的厚度为0.1-2nm。
4.根据权利要求2所述的磁性随机存储器的磁隧道结器件，其特征在于，所述非铁磁材料的组分优选为20％-80％。
5.根据权利要求1所述的磁性随机存储器的磁隧道结器件，其特征在于，所述记忆层(15)包括N层彼此间隔的第一沉积层，和插设于其中的N-1层彼此间隔的第二沉积层，N至少为3；
其中，第一沉积层全部采用铁磁稀释合金(151)、全部采用铁磁层(152)或部分采用铁磁稀释合金(151)部分采用铁磁层(152)，第二沉积层采用稀释辅助层(153)；或第一沉积层采用铁磁稀释合金(151)和铁磁层(152)中的一种，第二沉积层采用铁磁稀释合金(151)和铁磁层(152)中的另一种；
所述铁磁稀释合金(151)通过采用铁磁材料和非磁材料的靶材共溅射或采用铁磁稀释合金的靶材溅射的方式沉积而成；所述铁磁层(152)的材料为铁磁材料，所述稀释辅助层(153)的材料为非铁磁材料。
6.根据权利要求5所述的磁性随机存储器的磁隧道结器件，其特征在于，各沉积层的厚度不同，且不同层的第一沉积层和第二沉积层均采用不同的材料。
7.根据权利要求5所述的磁性随机存储器的磁隧道结器件，其特征在于，第一沉积层采用铁磁层(152)，第二沉积层采用稀释辅助层(153)，且所述稀释辅助层(153)的总厚度的厚度占记忆层总厚度的比例至多为80％。
8.根据权利要求1所述的磁性随机存储器的磁隧道结器件，其特征在于，所述铁磁材料为Fe、Co以及组分可变的FeB、CoFeB中的一种或多种；所述非铁磁材料为Ta、TaN、Ti、TiN、NiCr、Pt、W、Ru、Mo和Ir中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的磁性随机存储器的磁隧道结器件，其特征在于，所述参考层(13)包括依次堆叠的参考铁磁层(131)、铁磁辅助层(132)和过渡层(133)，参考铁磁层(131)和铁磁辅助层(132)是组分可变的CoFeB材料，Co组分20-80％，Fe组分20-80％，B组分20-30％，厚度0.5-2nm，过渡层133的材料为Cr、Cu、Mo、Ru、Pd、Hf、Ta、W、Tb和Ir中的一种或多种，厚度0.2-1nm。
10.根据权利要求1所述的磁性随机存储器的磁隧道结器件，其特征在于，所述隧穿介电层(14)的材料为Mg或Al基的氧化物，且其厚度为1-2nm。
11.根据权利要求1所述的磁性随机存储器的磁隧道结器件，其特征在于，所述参考层(13)下方设有依次堆叠的种子层(11)和钉扎层(12)；所述记忆层上方设有依次堆叠的辅助层(16)、保护层(17)和掩膜层(18)。
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