CN110246961A - 存储单元与存储器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种存储单元与存储器。该存储单元包括：由下至上依次叠置设置的第一电极、合成反铁磁结构、参考层、绝缘势垒层、自由层以及第二电极，参考层与自由层的磁化方向均与存储单元的厚度方向平行，合成反铁磁结构包括由下至上依次叠置设置的第一磁性层、间隔层以及第二磁性层，第一磁性层和第二磁性层通过间隔层发生反铁磁耦合，间隔层为二维材料层。该存储单元中，在第一电极与参考层之间设置合成反铁磁结构，该结构采用二维材料层作为间隔层，这样的间隔层使得两侧的磁性层磁矩因发生层间反铁磁交换作用而反平行排列。该合成反铁磁结构中间隔层两侧的磁性层无需是多个薄层，使得存储单元的制作工艺较简单且容易控制。
Description
技术领域
本申请涉及存储领域，具体而言，涉及一种存储单元与存储器。
背景技术
磁随机存储器(MRAM)由磁隧道结(MTJ)阵列构成，每个MTJ主要包括自由层、势垒层和参考层。其中，自由层和参考层为磁性层，自由层磁化方向可由外加磁场或输入电流改变(翻转)。最新一代的自旋转移力矩磁随机存储器(STT-MRAM)采用电流翻转，自由层和参考层磁化方向为薄膜平面的垂直方向。与具有面内磁各向异性的MTJ相比，在同样的数据保持能力下，这一设计具有能耗低、可微缩化的优势。然而，垂直磁化需要足够强的界面垂直各向异性(PMA)以克服退磁场，因为后者会让薄膜沿着平面内磁化。
为了减小杂散场对自由层磁化翻转的影响，STT-MRAM采用合成反铁磁(SAF)结构来固定参考层的磁化方向，合成反铁磁结构包括两个磁性层与二者之间的间隔层，两个磁性层通过间隔层发生反铁磁耦合。在垂直磁化的隧道结中，合成反铁磁结构也必须具有垂直各向异性。目前，具有垂直各向异性的合成反铁磁结构主要基于Co/Pt或Co/Pd多层膜，间隔层为Ru或Ir或其他非磁性金属。这给工艺带来两个挑战：首先，Pt或Pd等金属活泼性差，不易刻蚀；其次，在交替排列的Co/Pt或Co/Pd多层膜结构中，Co和Pd(或Pt)薄膜的厚度都小于1nm，工艺上精确控制厚度的难度较大，扩大了MTJ器件之间的特性差异，不利于大容量MRAM的研发。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种存储单元与存储器，以解决现有技术中难以精确制作合成反铁磁结构中Co/Pt(或Co/Pd)多层膜的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种存储单元，该存储单元包括：由下至上依次叠置设置的第一电极、合成反铁磁结构、参考层、绝缘势垒层、自由层以及第二电极，其中，上述参考层与上述自由层的磁化方向均与上述存储单元的厚度方向平行，上述合成反铁磁结构包括由下至上依次叠置设置的第一磁性层、间隔层以及第二磁性层，上述第一磁性层和上述第二磁性层通过上述间隔层发生反铁磁耦合，上述间隔层为二维材料层。
进一步地，上述二维材料层的材料选自石墨烯、硅烯、锗烯与二硫化钼中的一种。
进一步地，上述二维材料层的厚度在1到10个原子层之间。
进一步地，上述参考层的磁化方向、上述自由层的磁化方向以及上述合成反铁磁结构的磁化方向均与上述合成反铁磁结构的厚度方向平行。
进一步地，上述第一磁性层与上述第二磁性层的材料独立地选自Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe与CoFeB中的至少一种。
进一步地，上述第一磁性层的厚度小于3nm，上述第二磁性层的厚度小于3nm。
进一步地，上述存储单元还包括籽晶层，上述籽晶层设置在上述第一电极与上述第一磁性层之间。
进一步地，上述存储单元还包括非磁金属层，上述非磁金属层设置在上述籽晶层与上述第一磁性层之间。
进一步地，上述存储单元还包括覆盖层，上述覆盖层设置在上述自由层与上述第二电极之间，上述覆盖层用于增强上述自由层的垂直磁各向异性。
进一步地，上述覆盖层的材料包括MgO，或者上述覆盖层的材料还包括Zn、Al、Cu与Ti中的一种或多种，优选上述覆盖层的厚度在0.4～2nm之间。
进一步地，上述自由层包括依次叠置的第一自由磁性层、插层与第二自由磁性层，上述第一自由磁性层与上述第二自由磁性层通过上述插层发生层间铁磁耦合。
进一步地，上述第一自由磁性层与上述第二自由磁性层的材料独立地选自Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB、NiFeB、CoNiB与CoFeNiB中的一种或多种，上述插层的材料选自Mo、Ir、Ru、W、Al、Ta、Nd、B与C中的一种或多种。
进一步地，上述第一自由磁性层的厚度小于2nm，上述第二自由磁性层的厚度小于2nm，上述插层的厚度小于1nm。
根据本申请的另一方面，提供了一种存储器，该存储器包括存储单元，该存储单元为上述的任一种存储单元。
应用本申请的技术方案，该存储单元中，在第一电极与参考层之间设置合成反铁磁结构，该结构可以固定参考层的磁化方向，在该合成反铁磁结构中，采用二维材料层作为间隔层，这样的间隔层使得两侧的磁性层磁矩因发生层间反铁磁交换作用而反平行排列。因体系中的交换作用足够强，可以替代现有技术中基于Co/Pt(或Co/Pd)多层膜的合成反铁磁结构，该合成反铁磁结构中的间隔层两侧的磁性层无需是多个薄层，进而避免了难以精确制作多个薄层的问题，使得存储单元的制作工艺较简单且容易控制。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请的存储单元的实施例的结构示意图；以及
图2至图4示出本申请的三个实施例提供的存储单元的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、第一电极；20、籽晶层；30、非磁金属层；40、合成反铁磁结构；41、第一磁性层；42、间隔层；43、第二磁性层；50、参考层；60、绝缘势垒层；70、自由层；71、第一自由磁性层；72、插层；73、第二自由磁性层；80、覆盖层；90、第二电极。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及下面的权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“电连接”至该另一元件。
正如背景技术所介绍的，现有技术中难以精确制作合成反铁磁结构中的多个叠置磁性层，制作得到的器件与设计的器件在结构上存在差异，进而使得器件性能的一致性较差，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种具有以二维材料为间隔层的合成反铁磁结构的存储单元。
本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种存储单元，如图1所示，该存储单元包括由下至上依次叠置设置的第一电极10、合成反铁磁结构40、参考层50、绝缘势垒层60、自由层70以及第二电极90，其中，上述参考层50与上述自由层70的磁化方向均与上述存储单元的厚度方向平行，上述合成反铁磁结构40包括由下至上依次叠置设置的第一磁性层41、间隔层42以及第二磁性层43，上述第一磁性层41和上述第二磁性层43通过上述间隔层42发生反铁磁耦合，上述间隔层42为二维材料层。
上述的存储单元中，在第一电极与参考层之间设置合成反铁磁结构，该结构可以固定参考层的磁化方向，并且，在该合成反铁磁结构中，采用二维材料层作为间隔层，这样的间隔层使得两侧的磁性层磁矩因发生层间反铁磁交换作用而反平行排列。因体系中的交换作用足够强，可以替代现有技术中基于Co/Pt(或Co/Pd)多层膜的合成反铁磁结构，该合成反铁磁结构中间隔层两侧的磁性层无需是多个薄层，进而避免了难以精确制作多个薄层的问题，使得存储单元的制作工艺较简单且容易控制，从而进一步保证了制作得到的器件与最初设计的存储单元的结构上的一致，进一步保证了存储单元具有良好的性能。
本申请的二维材料层的材料可以选自现有技术中任何合适的二维材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的二维材料形成本申请的二维材料层。
本申请的一种实施例中，上述二维材料层的材料选自石墨烯、硅烯、锗烯与二硫化钼中的一种。这些材料的性能较好，且沉积工艺成熟，这样能够进一步简化该存储单元的制作工艺，且同时进一步保证该存储单元具有良好的性能。
为了进一步保证第一磁性层41和上述第二磁性层43通过该二维材料层能够发生强烈的反铁磁耦合，本申请的一种实施例中，上述二维材料层的厚度为1到10个原子层。若二维材料层较厚，则第一和第二磁性层的交换作用较弱，因而两磁性层之间的反铁磁耦合强度较低，合成反铁磁结构固定参考层磁化方向的能力减弱。
本申请的一种实施例中，上述参考层50的磁化方向、上述自由层70的磁化方向以及上述合成反铁磁结构40的磁化方向均与上述合成反铁磁结构40的厚度方向平行，即，参考层的磁化方向、自由层的磁化方向垂直于薄膜的平面，且合成反铁磁结构40的磁化方向垂直于薄膜的平面，即该存储结构为垂直磁化MTJ。
本申请的上述第一磁性层41与上述第二磁性层43的材料独立地选自Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe与CoFeB中的至少一种。即上述第一磁性层41的材料可以是Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe或CoFeB，也可以是Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe与CoFeB中的任意几种的组合；即上述第二磁性层43的材料可以是Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe或CoFeB，也可以是Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe与CoFeB中的任意几种的组合。并且，上述第一磁性层41与上述第二磁性层43的材料可以是相同的，也可以是不同的，本领域技术人员可以根据实际情况将二者的材料设置为相同的或者不同的。
当然，本申请的第一磁性层41与上述第二磁性层43的材料并不限于上述提到的材料，还可以是其他的可用的铁磁材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本申请的第一磁性层41与上述第二磁性层43。
本申请的另一种实施例中，上述第一磁性层41的厚度为小于3nm，上述第二磁性层43的厚度小于3nm。将二者的厚度设置在对应的范围内，是因为该合成反铁磁结构的垂直各向异性来源于界面作用，这样的厚度可以保证界面导致的有效场能够克服退磁场的影响，使得有效的各向异性场保持面外。
为了进一步简化制作工艺，本申请的一种实施例中，如图2所示，上述存储单元还包括籽晶层20，上述籽晶层20设置在上述第一电极10与上述第一磁性层41之间，籽晶层的设置可以使得合成反铁磁结构的设置更加容易，从而简化了该存储单元的制作工艺。
本申请的再一种实施例中，如图2所示，上述存储单元还包括非磁金属层30，上述非磁金属层30设置在上述籽晶层20与上述第一磁性层41之间，该非磁金属层30有利于制备高质量的第一磁性层41，能够使得合成反铁磁结构的设置更容易，进一步降低了该存储单元的制作难度。
非磁金属层的材料可以选自Cu、Ta和Ir中的一种或者多种，还可以选择其他的利于制备第一磁性层41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形成本申请的上述非磁金属层。
为了进一步调整自由层的磁各向异性，如图3所示，上述存储单元还包括覆盖层80，上述覆盖层80设置在上述自由层70与上述第二电极90之间，上述覆盖层80与自由层70形成另一个界面，该界面可提供额外的界面各向异性能，有利于增强自由层的垂直各向异性。
本申请的一种优选的实施例中，上述存储单元为垂直磁化MTJ，所以该覆盖层调整自由层的垂直磁各向异性，增强自由层的垂直各向异性进而保证了自由层的磁化方向不会因为热扰动而改变，从而增强了存储单元的热稳定性，使得该器件具有高可靠性。
为了进一步保证该覆盖层能够较好地调整自由层的磁各向异性，本申请的一种实施例中，上述覆盖层的材料包括MgO，这样覆盖层与自由层形成的界面可贡献额外的界面各向异性能，进而增强自由层的垂直各向异性。
本申请的另一种实施例中，上述覆盖层的材料不仅包括MgO，还可以包括Zn、Al、Cu与Ti等中的一种或多种，这样可以减小覆盖层对隧道结磁电阻的影响。
为了更好地调整自由层的磁各向异性并且不对器件的磁电阻等特性产生较大的影响，本申请的一种实施例中，上述覆盖层的厚度在0.4～2nm之间。
当然，本申请的覆盖层的材料并不限于上述提到的材料，还可以是现有技术中能够调整自由层的磁各向异性的其他材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本申请的覆盖层。
本申请的又一种实施例中，如图4所示，上述自由层70包括依次叠置的第一自由磁性层71、插层72与第二自由磁性层73，上述第一自由磁性层71与上述第二自由磁性层73通过上述插层72发生层间铁磁耦合。一方面，这种自由层的结构因存在多个界面而增强了自由层的界面垂直各向异性能；另一方面，随着自由层厚度的增加，磁化翻转效率得到了提升，存储单元的热稳定性也得到了提高。
一种具体的实施例中，上述自由层第一自由磁性层71的材料与第二自由磁性层73的材料可采用CoFeB，插层的材料可以用Ta，其中插层Ta可以替换为Mo、Ir、Ru、W、Al、Nd、B与C中的至少一种，或者替换为其他合适的非磁金属或非金属材料，CoFeB也可以替换为Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeNi、NiFeB、CoNiB与CoFeNiB中的一种或多种。并且，第一自由磁性层71的材料与第二自由磁性层73的材料可以相同，也可以不同。
当然，本申请的第一自由磁性层与第二自由磁性层以及插层的材料并不限于上述提到的种类，还可以是现有技术中的任何合适的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本申请的上述第一自由磁性层、第二自由磁性层和插层。
为了进一步保证第一自由磁性层71与第二自由磁性层73之间发生强烈的层间铁磁耦合，进而保证第一自由磁性层71与第二自由磁性层73的磁矩可同步翻转，本申请的一种实施例中，上述插层72的厚度小于1nm。
本申请的上述参考层50的材料选自Co、Ni、Fe、CoFe、CoNi、NiFe、CoFeNi、CoB、FeB、CoFeB、NiFeB与FePt中的一种或多种。即可以是单独的一种，也可以是几种的合金。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本申请的参考层。
本申请的绝缘势垒层60的材料选自镁氧化合物、硅氧化合物、硅氮化合物、铝氧化合物、镁铝氧化合物、钛氧化合物层、钽氧化合物、钙氧化合物与铁氧化合物中的一种或多种。即可以是单独的一种，也可以是几种的混合物。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本申请的绝缘势垒层。
本申请的自由层70的材料选自Co、Fe、NiCoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB、NiFeB、CoNiB与CoFeNiB中的一种或多种。即可以是单独的一种，也可以是几种的组合。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本申请的自由层。
本申请中的设置各个层的方法可以是现有技术中的任何一种方法，比如磁控溅射，物理气相沉积或分子束外延沉积，本领域技术人员可以根据实际情况分别选择合适的方法设置各个膜层。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种存储器，包括存储单元，该存储单元为上述的任一种的存储单元。
该存储器由于具有上述的存储单元，其性能较好，且制作工艺较容易控制。
为了使得本领域技术更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术方案。
实施例1
该存储单元为垂直磁化MTJ，如图2所示，该存储单元包括依次设置的第一电极10、籽晶层20、非磁金属层30、合成反铁磁结构40、参考层50、绝缘势垒层60、自由层70以及第二电极90，其中，上述合成反铁磁结构40包括由下至上依次叠置设置的第一磁性层41、间隔层42以及第二磁性层43。上述参考层50的磁化方向、上述自由层70的磁化方向以及上述合成反铁磁结构40的磁化方向均与上述合成反铁磁结构40的厚度方向平行。
具体地，第一电极10是Ta层，厚度是5nm；籽晶层20为Ru，厚度为10nm；非磁金属层30为Ta层，且其厚度为10nm；第一磁性层41与第二磁性层43均为CoFeB层，厚度均为0.8nm，间隔层为石墨烯层，且厚度为单个原子层；参考层50为CoFe层，且厚度为1nm；绝缘势垒层60为MgO层，厚度为0.8nm；自由层70为CoFeB层，厚度为0.8nm；第二电极90是Ta层，厚度是5nm。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，如图3所示，该存储单元还包括覆盖层，其具体位置见图3，该覆盖层为MgO层，并且，该层的厚度为0.4nm，第一磁性层41为CoFe层，第二磁性层43为NiFe层，间隔层为硅烯层，且厚度为6个原子层。
实施例3
与实施例2的区别在于，如图4所示，自由层包括依次叠置的第一自由磁性层71、插层72与第二自由磁性层73，其中，第一自由磁性层71与第二自由磁性层73均为CoFeB层，第一自由磁性层71的厚度为1.2nm，第二自由磁性层73的厚度为0.9nm，插层为Ta层，且厚度为0.4nm。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1)、本申请的存储单元中，在第一电极与参考层之间设置合成反铁磁结构，该结构可以固定参考层的磁化方向，并且，在该合成反铁磁结构中，采用二维材料层作为间隔层，这样的间隔层使得两侧的磁性层磁矩因发生层间反铁磁交换作用而反平行排列。因体系中的交换作用足够强，可以替代现有技术中基于Co/Pt(或Co/Pd)多层膜的合成反铁磁结构，该合成反铁磁结构中的间隔层两侧的磁性层无需是多个薄层，进而避免了难以精确制作多个薄层的问题，使得存储单元的制作工艺较简单且容易控制，从而进一步保证了制作得到的器件与最初设计的存储单元的结构上的一致，进一步保证了大量存储单元性能的一致性，有利于制备大容量的存储器。
2)、本申请的存储器，由于具有上述的存储单元，其性能较好，且制作工艺较容易控制。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种存储单元，其特征在于，所述存储单元包括由下至上依次叠置设置的第一电极(10)、合成反铁磁结构(40)、参考层(50)、绝缘势垒层(60)、自由层(70)以及第二电极(90)，其中，所述参考层(50)与所述自由层(70)的磁化方向均与所述存储单元的厚度方向平行，所述合成反铁磁结构(40)包括由下至上依次叠置设置的第一磁性层(41)、间隔层(42)以及第二磁性层(43)，所述第一磁性层(41)和所述第二磁性层(43)通过所述间隔层(42)发生反铁磁耦合，所述间隔层(42)为二维材料层。
2.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述二维材料层的材料选自石墨烯、硅烯、锗烯与二硫化钼中的一种。
3.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述二维材料层的厚度在1到10个原子层之间。
4.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述参考层(50)的磁化方向、所述自由层(70)的磁化方向以及所述合成反铁磁结构(40)的磁化方向均与所述合成反铁磁结构(40)的厚度方向平行。
5.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述第一磁性层(41)与所述第二磁性层(43)的材料独立地选自Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe与CoFeB中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述第一磁性层(41)的厚度小于3nm，所述第二磁性层(43)的厚度小于3nm。
7.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述存储单元还包括籽晶层(20)，所述籽晶层(20)设置在所述第一电极(10)与所述第一磁性层(41)之间。
8.根据权利要求7所述的存储单元，其特征在于，所述存储单元还包括非磁金属层(30)，所述非磁金属层(30)设置在所述籽晶层(20)与所述第一磁性层(41)之间。
9.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述存储单元还包括覆盖层(80)，所述覆盖层(80)设置在所述自由层(70)与所述第二电极(90)之间，所述覆盖层(80)用于增强所述自由层(70)的垂直磁各向异性。
10.根据权利要求9所述的存储单元，其特征在于，所述覆盖层(80)的材料包括MgO，或者所述覆盖层(80)的材料还包括Zn、Al、Cu与Ti中的一种或多种，优选所述覆盖层(80)的厚度在0.4～2nm之间。
11.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述自由层(70)包括依次叠置的第一自由磁性层(71)、插层(72)与第二自由磁性层(73)，所述第一自由磁性层(71)与所述第二自由磁性层(73)通过所述插层(72)发生层间铁磁耦合。
12.根据权利要求11所述的存储单元，其特征在于，所述第一自由磁性层(71)与所述第二自由磁性层(73)的材料独立地选自Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB、NiFeB、CoNiB与CoFeNiB中的一种或多种，所述插层(72)的材料选自Mo、Ir、Ru、W、Al、Ta、Nd、B与C中的一种或多种。
13.根据权利要求11所述的存储单元，其特征在于，所述第一自由磁性层(71)的厚度小于2nm，所述第二自由磁性层(73)的厚度小于2nm，所述插层(72)的厚度小于1nm。
14.一种存储器，包括存储单元，其特征在于，所述存储单元为权利要求1至13中任一项所述的存储单元。
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