CN110491990A - 磁存储器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁存储器领域，尤其涉及一种磁存储器件，固定层、通道隔离层、自由层；所述通道隔离层位于所述固定层和所述自由层之间；还包括非磁性结构，所述非磁性结构位于所述自由层中，所述非磁性结构与所述自由层的材料不同。本发明能够有效降低改变MTJ自由层磁化方向的临界电流，减小磁存储器件体积。
Description
技术领域
本发明涉及磁存储器件领域，尤其涉及一种MTJ磁存储器件。
背景技术
相比市面上现有存储器，磁存储器因更快的写入速度、更长时间的信息保存能力以及潜在低功耗的性能而备受关注。
磁存储器件的核心器件是磁隧道结（MTJ），MTJ由自由层、固定层以及它们之间的通道隔离层所组成，自由层和固定层是两层磁性材料，他们磁化方向是否相同决定了MTJ的电阻大小，当自由层和固定层磁化方向平行相反时，MTJ电阻较大，当自由层和固定层磁化方向平行同向时，MTJ电阻较小。通过判断MTJ电阻大小，磁存储器件可用于读写数据。
无论工业级还是消费级的磁存储器，都要求越来越小的结构。对于MTJ来讲，结构越小，要求自由层临界电流（又叫最低翻转磁化方向电流）就越小；在自由层磁性材料不变的或者改进不大的情况下，如何降低临界电流密度成为了MTJ结构优化的关键。
发明内容
本发明通过改善现有STT-MRAM中的MTJ结构，通过特异结构在自由层中激发非平行原子磁矩辅助改变自由层磁化方向，从而明显降低临界电流。
本发明提供一种磁存储器件，包括固定层、通道隔离层、自由层；所述通道隔离层位于所述固定层和所述自由层之间；其特征在于，所述自由层具有相对的第一面和第二面，所述第二面较所述第一面远离所述通道隔离层，所述第一面与所述第二面不平行。
优选地，所述第一面是非中心对称面结构。
优选地，其特征在于，所述第一面是曲面结构
优选地，所述第一面是平面结构。
优选地，所述第一面与所述通道隔离层相接触。
优选地，在所述第一面与所述通道隔离层中间有非磁性薄膜层。
优选地，所述固定层和所述自由层为CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeCr、CoFePt、CoFePd、CoFeTb、CoFeGd或CoFeNi中的至少一种。
优选地，还包括第一电极和第二电极；所述第一电极位于所述固定层下方，所述第二电极位于所述自由层上方。
优选地，还包括半导体器件，所述半导体器件与所述固定层电连接。
优选地，还包括衬底，所述衬底位于所述固定层下方。
优选地，还包括非磁性结构，所述非磁性结构位于所述自由层中，所述非磁性结构与所述自由层的材料不同。
优选地，所述自由层具有相对的第一面和第二面，所述第一面与所述通道隔离层相对，所述非磁性结构位于所述第二面表面。
优选地，所述非磁性结构为非中心对称结构。
优选地，所述非磁性结构为环状或带状。
优选地，所述非磁性结构贯穿所述自由层。
优选地，所述非磁性结构至少有2个。
优选地，所述非磁性结构材料为镁、钛、铬、铜氧/氮化物中的至少一种。
优选地，所述自由层具有相对的第一面和第二面，所述第一面与所述通道隔离层相对，在所述第一面与所述通道隔离层中间有非磁性薄膜层。
优选地，还包括非磁性层，所述非磁性结构位于所述自由层上。
本发明提供的磁存储器件，通过采用自由层曲面、在自由层内添加非磁性结构以及在自由层上添加非磁性层的结构改善，激发自由层内产生非平行的原子磁矩，辅助自由层磁化方向翻转，从而可明显降低临界电流，具有减小MTJ的结构的优良效果。
附图说明
附图1是本发明磁存储器件一个具体实施方式结构的截面示意图；
附图2是自由层曲面附近激发原子磁矩的截面示意图；
附图3是本发明磁存储器件另一个具体实施方式结构的截面示意图；；
附图4是非磁性带在自由层内激发原子磁矩的截面示意图；。
附图5A-5C是图3中A-A’截面的非磁性带俯视图。
附图6是本发明磁存储器件另一个具体实施方式结构的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的磁存储器件的具体实施方式做详细说明。
在附图中，为了描述方便，层和区域的尺寸比例并非实际比例。当层（或膜）被称为在另一层或衬底“上”时，它可以直接在另一层或衬底上，或者也可以存在中间层。此外，当一层被称为在另一层“下”时，它可以直接在下面，并且也可以存在一个或多个中间层。另外，当层被称为在两个层之间时，它可以是两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。相同的附图标记始终表示相同的元件。
本具体实施方式提供了一磁存储器件，如图1所示，核心器件MTJ包括固定层41、通道隔离层42、自由层43；所述通道隔离层42位于所述固定层41和所述自由层43之间；所述自由层43具有相对的第一面（下表面）和第二面（上表面），所述第二面（上表面）较所述第一面（下表面）远离所述通道隔离层42，即所述第一面（下表面）与所述通道隔离层42相对，所述第一面（下表面）与所述第二面（上表面）不平行。
现有STT-MRAM（自由层上下表面平行结构）中，在通道隔离层42上形成自由层43时，由于时间间隔，通道隔离层42冷却带来的应力、自由层43温度带来的张力以及通道隔离层42与自由层43材料不相同等原因，会在界面上局部形成上下交融的结构，申请人发现，在读写过程中，该种上下交融的结构有益于在自由层43中激发与自由层43上下表面不平行的微量原子磁矩（如图2所示AMM），可辅助自由层43改变磁化方向，降低自由层43改变磁化方向所需的临界电流；但与此同时，该上下交融的结构破坏了通道隔离层42的均匀性，使得通道隔离层42的使用寿命降低。因此，如何在自由层中激发形成更多不平行的原子磁矩并兼顾通道隔离层的使用寿命，成为了本发明主要研究的方向。
由此，本实施例采取自由层43具有不平行的第一面（下表面）和第二面（上表面），通道隔离层42厚度均匀，读写过程中，有助于在自由层43的第一面（下表面）内附近激发更多的原子磁矩辅助自由层43改变磁化方向，从而降低改变自由层43磁化方向所需的临界电流。
在另外一个实施例中，自由层43的第一面（下表面）是非中心对称面结构。如图1所示，第一面（下表面）是曲面结构。该种结构在读写时易于在自由层43内形成如图2所示的原子磁矩AMM（所示磁矩方向仅为示意，负电子流向不同，会激发形成不同方向的原子磁矩），其中少量为水平平行的原子磁矩AMM0，较多的为非水平的AMM1和AMM2，而采取非中心对称面结构，将有助于AMM1和AMM2数量的不均衡，从而综合原子磁矩向量和为非平行，辅助改变自由层43磁化方向，从而降低改变自由层43磁化方向所需的临界电流。
在另外一个实施例中，所述第一面（下表面）可以是平面结构（未示出），即自由层43的截面是楔形结构，有助于在自由层43的第一面（下表面）内附近激发更多的原子磁矩辅助自由层43改变磁化方向，从而降低改变自由层43磁化方向所需的临界电流。
在本实施例中，如图1、图2所示，自由层43的第一面（下表面）与所述通道隔离层42相接触，借助于自由层43所述通道隔离层42不同材料，在自由层43的第一面（下表面）内激发形成原子磁矩辅助改变自由层43磁化方向。
在另外一个实施例中，为了根据材料不同激发原子磁矩，申请人在所述自由层43的第一面（下表面）与所述通道隔离层42中间设置非磁性薄膜层（未示出），从而在自由层43的第一面（下表面）内激发形成更多的原子磁矩辅助改变自由层43磁化方向。
优选地，所示非磁性薄膜层（未示出）为非连续结构，并且为了兼顾通道隔离层42的使用寿命，该非连续的非磁性薄膜层为镶嵌在自由层43第一面（下表面）内。
优选地，所示非磁性薄膜层（未示出）为非连续结构，该非连续的非磁性薄膜层是通道隔离层42的上表面内的一部分，并且为了兼顾通道隔离层42的使用寿命，该非磁性薄膜层是通过处理通道隔离层42的上表面而形成的。
在本实施例中，所述固定层41和所述自由层43为CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeCr、CoFePt、CoFePd、CoFeTb、CoFeGd或CoFeNi中的至少一种，应当说明的是，所述固定层41的厚度用大于所述自由层43。
在本实施例中，如图1所示，还包括第一电极3和第二电极5；所述第一电极3位于所述固定层41下方，所述第二电极5位于所述自由层43上方。
在本实施例中，如图1所示，还包括半导体器件（未示出），所述半导体器件（未示出）设置于衬底1中，衬底1位于所述固定层41下方，半导体器件与所述固定层41电连接。该电连接是通过第一层间介电层20中的第一导电体200所形成。
优选地，第一导电体200为金属，如钛，钽，铜，铝或钨中的至少一种；或者为导电金属氮化物，如氮化钛，氮化钽中的至少一种。
在本实施例中，如图1所示，在第二层间电介质层21中的第二导电体210与第二电极5相连接，从而将位线（未示出）与MTJ电连接。
优选地，第二导电体210与第一导电体的材料相同，在此不再赘述。
在另外一个实施例中，如图3所示，包括固定层41、通道隔离层42、自由层43；所述通道隔离层42位于所述固定层41和所述自由层43之间；还包括非磁性结构61和62，所述非磁性结构61和62位于所述自由层43中，所述非磁性结构61和62与所述自由层43的材料不同，从而在自由层43第二面（上表面）内激发形成如图4所示（所示磁矩方向仅为示意，负电子流向不同，会激发形成不同方向的原子磁矩）的较多的非平行原子磁矩AMM，辅助改变自由层43的磁化方向。
需要说明的是，图3中非磁性结构61和62仅为示意图，在现有工艺下，在自由层43第二面（上表面）形成非磁性结构61和62较为容易，因蚀刻自由层43等原因，非磁性结构61和62也较易形成坑状，但并不是说排除了在自由层中间（即自由层完全包含非磁性结构61和62的实施例）。
还需要说明的是，在自由层43中设置非磁性结构61和62的情况下，自由层、固定层和通道隔离层可采用现有STT-MRAM技术中的条形堆叠结构，而无需使用如图3所示的自由层43第一面（下表面）与第二面（上表面）不平行、或第一面（下表面）采用曲面的形式。
在本实施例中，如图3、图4所示，所述非磁性结构61和62位于所述第二面内。
在本实施例中，如图4所示，为在第二面（上表面）内形成较多的非平行原子磁矩，在侧截面上，所述非磁性结构61和62各自为非中心对称结构。
在本实施例中，如图5A~5C所示，因MTJ整体或者磁存储单元的俯视结构，所述非磁性结构61和62的俯视结构为环状或带状；当然，在圆形MTJ或者磁存储单元俯视结构内可以形成带状非磁性结构61和62，也可以在方形MTJ或者磁存储单元俯视结构内形成环形非磁性结构61和62。
在另外一个实施例中，所述非磁性结构61和62贯穿（未示出）所述自由层43，即非磁性结构61和62的上下表面分别与第二电极5和通道隔离层42相连接，在此种结构不但在自由层43上下表面内激发形成原子磁矩，也会在自由层43中间形成原子磁矩，辅助改变自由层43的磁化方向，将大大降低改变自由层43磁化方向所需的临界电流。
在本实施例中，所述非磁性结构至少有2个。本实施例在此不做约束，在非磁性结构61和62贯穿所述自由层43的情况下，可只有一个非磁性结构。
在本实施例中，所述非磁性结构材料61和62为镁、钛、铬、铜氧/氮化物中的至少一种。
同样地，在本实施例中，为了根据材料不同激发原子磁矩，申请人在所述自由层43的第一面（下表面）与所述通道隔离层42中间设置非磁性薄膜层（未示出），从而在自由层43的第一面（下表面）内激发形成更多的原子磁矩辅助改变自由层43磁化方向。
优选地，所示非磁性薄膜层（未示出）为非连续结构，并且为了兼顾通道隔离层42的使用寿命，该非连续的非磁性薄膜层为镶嵌在自由层43第一面（下表面）内。
优选地，所示非磁性薄膜层（未示出）为非连续结构，该非连续的非磁性薄膜层是通道隔离层42的上表面内的一部分，并且为了兼顾通道隔离层42的使用寿命，该非磁性薄膜层是通过处理通道隔离层42的上表面而形成的。
如图3所示，半导体器件（未示出）、衬底1、第一导电体200、第一层间介电层20、第一电极20、第二电极5、第二层间介电层21、第二电极210以及位线（未示出）及其连接关系与图1相同，申请人在此不再赘述。
在另外一个实施例中，如图6所示，磁存储器件包括固定层41、通道隔离层42、自由层43；所述通道隔离层42位于所述固定层41和所述自由层43之间；还包括非磁性层6，所述非磁性层6位于所述自由层43上，所述非磁性层6与自由层43材料不同，从而在自由层43的第二面（上表面）内激发形成原子磁矩辅助改变自由层43磁化方向，降低改变自由层43磁化方向的临界电流。
需要说明的是，在自由层43上设置非磁性层6的情况下，自由层、固定层和通道隔离层可采用现有STT-MRAM技术中的条形堆叠结构，而无需使用如图6所示的自由层43第一面（下表面）与第二面（上表面）不平行、或第一面（下表面）采用曲面的形式。当然，使用图6所示的自由层43第一面（下表面）与第二面（上表面）不平行、或第一面（下表面）采用曲面的形式，更能降低改变自由层43磁化方向的临界电流。
还需要说明的是，在自由层43上设置非磁性层6的情况下，无需在自由层中设置如图3所示的非磁性结构61和62，当然，使用如图3所示的非磁性结构61和62的效果更为明显。
同样，在本实施例中，为了根据材料不同激发原子磁矩，申请人在所述自由层43的第一面（下表面）与所述通道隔离层42中间设置非磁性薄膜层（未示出），从而在自由层43的第一面（下表面）内激发形成更多的原子磁矩辅助改变自由层43磁化方向。
优选地，所示非磁性薄膜层（未示出）为非连续结构，并且为了兼顾通道隔离层42的使用寿命，该非连续的非磁性薄膜层为镶嵌在自由层43第一面（下表面）内。
优选地，所示非磁性薄膜层（未示出）为非连续结构，该非连续的非磁性薄膜层是通道隔离层42的上表面内的一部分，并且为了兼顾通道隔离层42的使用寿命，该非磁性薄膜层是通过处理通道隔离层42的上表面而形成的。
在本实施例中，如图6所示中非磁性层6、图3中非磁性结构61和62以及非磁性薄膜层（未示出）的材料可相同，均为镁、钛、铬、铜氧/氮化物中的至少一种。
在本实施例中，如图6所示，半导体器件（未示出）、衬底1、第一导电体200、第一层间介电层20、第一电极20、第二电极5、第二层间介电层21、第二电极210以及位线（未示出）及其连接关系与图1相同，申请人在此不再赘述。
本发明提供的磁存储器件，通过采用自由层曲面、在自由层内添加非磁性结构以及在自由层上添加非磁性层的结构改善，激发自由层内产生非平行的原子磁矩，辅助改变自由层磁化方向，明显降低临界电流，具有减小MTJ的结构的优良效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种磁存储器件，包括
固定层、通道隔离层、自由层；
所述通道隔离层位于所述固定层和所述自由层之间；
其特征在于，
还包括非磁性结构，所述非磁性结构位于所述自由层中，所述非磁性结构与所述自由层的材料不同。
2.根据权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述自由层具有相对的第一面和第二面，所述第二面较所述第一面远离所述通道隔离层，所述非磁性结构位于所述第二面表面。
3.根据权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述非磁性结构为非中心对称结构。
4.根据权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述非磁性结构为环状或带状。
5.根据权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述非磁性结构贯穿所述自由层。
6.根据权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述非磁性结构至少有2个。
7.根据权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述非磁性结构材料为镁、钛、铬、铜氧/氮化物中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，所述自由层具有相对的第一面和第二面，所述第二面较所述第一面远离所述通道隔离层，在所述第一面与所述通道隔离层中间有非磁性薄膜层。
9.根据权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，还包括第一电极和第二电极；所述第一电极位于所述固定层下方，所述第二电极位于所述自由层上方。
10.根据权利要求1所述的磁存储器件，其特征在于，还包括半导体器件，所述半导体器件与所述固定层电连接。
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