CN111725394B - 一种磁性存储单元的加工方法、磁性随机存储器及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁性随机存储器领域，特别涉及一种磁性存储单元的加工方法、磁性随机存储器及设备，包括：在基底上依次淀积固定层、势垒层和自由层得到基础磁性存储单元；对所述基础磁性存储单元进行处理得到目标磁性存储单元；其中，对所述基础磁性存储单元进行处理包括对所述基础磁性存储单元进行缺陷化处理和/或对所述基础磁性存储单元进行杂质化处理。本申请实施例所述的加工方法可降低磁隧道结写入电压脉冲的幅值和宽度，提高磁隧道结写入速度，并且与现有的磁隧道结制程相融合，具有广泛的应用前景。

Description

一种磁性存储单元的加工方法、磁性随机存储器及设备
技术领域
本发明涉及磁性随机存储器领域，特别涉及一种磁性存储单元的加工方法、磁性随机存储器及设备。
背景技术
磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)是一种非易失性的磁性随机存储器。由于其拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读写速度和动态随机存储器(DRAM)的高集成度，以及良好的数据保持性，这一系列优点使MRAM有着广阔的应用领域，例如消费电子、人工智能、工业自动化和航空航天。MRAM的基本存储单元为磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)，其基本结构由固定层、势垒层和自由层组成。固定层通常采用合成反铁磁结构，由于被隔层隔开的相邻铁磁层之间强烈的反铁磁耦合作用，固定层的磁化方向保持在某一方向上很难被改变。势垒层是厚度小于2nm的非磁性绝缘材料。自由层是存储信息的磁性薄膜，它的磁化有两个稳定的取向，分别与固定层平行或反平行，这将使磁隧道结处于低阻态或高阻态，该现象被称为隧穿磁阻效应。两个阻态可分别代表二进制数据“0”和“1”，是MRAM存储的基本原理。
磁性随机存储器写入操作通过磁隧道结中自由层的磁化翻转来实现。磁隧道结的自由层和固定层薄膜属于单磁畴结构，在自由层磁矩翻转过程中，伴随着与原来磁化方向相反的磁畴成核、移动和扩张的过程。现有的磁性随机存储器写入速度受磁隧道结结构，以及写入电流等条件的限制，磁隧道结磁矩翻转速度慢，从而限制了磁性随机存储器写入速度，限制了磁性随机存储器的应用前景。因而，需要提出一种辅助磁隧道结形成磁畴的方法，提高磁隧道结磁矩翻转速度，从而提高磁隧道结写入速度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的磁隧道结结构磁矩翻转速度慢的问题。
为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种磁性存储单元的加工方法，
在基底上依次淀积固定层、势垒层和自由层得到基础磁性存储单元；
对所述基础磁性存储单元进行处理得到目标磁性存储单元；
其中，对所述基础磁性存储单元进行处理包括对所述基础磁性存储单元进行缺陷化处理和/或对所述基础磁性存储单元进行杂质化处理。
作为一种实施方式，对所述基础磁性存储单元进行缺陷化处理包括，刻蚀所述自由层、势垒层和固定层，在所述自由层、势垒层和固定层上形成缺陷；和/或；
刻蚀所述自由层，在所述自由层上形成缺陷。
进一步的，所述缺陷包括至少一个凹陷和/或至少一个凸起。
进一步的，所述凹陷或凸起的形状为圆弧形或异形。
作为一种实施方式，对所述基础磁性存储单元进行杂质化处理包括，在所述自由层的表面设置至少一个磁畴区域，所述磁畴区域具有单向磁矩，所述单向磁矩垂直于所述自由层表面。
进一步的，所述磁畴区域的数目为2，两个所述磁畴区域的磁矩方向相反。
作为一种实施方式，对所述自由层的表面进行杂质化处理包括，在所述自由层的表面沉积磁性粒子。
进一步的，所述磁性粒子在所述自由层的表面随机分布。
第二方面，本申请实施例公开了一种磁性随机存储器，包括多个磁性存储单元，其中所述磁性存储单元是采用如上所述的磁性存储单元的加工方法制得。
第三方面，本申请实施例公开了一种设备，包括如上所述的磁性随机存储器。
采用上述技术方案，本申请实施例所述的磁性存储单元的加工方法、磁性随机存储器及设备具有如下有益效果：
本申请实施例所述的磁性存储单元的加工方法，通过人为诱导的缺陷、应力、磁场等方法，应用磁性材料局域缺陷效应、局域磁场效应，辅助磁隧道结形成磁畴，加快磁畴成核速度，提高磁隧道结磁矩翻转速度，从而提高磁隧道结写入速度。本申请实施例所述的加工方法可降低磁隧道结写入电压脉冲的幅值和宽度，提高磁隧道结写入速度，并且与现有的磁隧道结制程相融合，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例的磁隧道结结构示意图；
图2为本申请一个实施例的磁矩翻转原理示意图；
图3为本申请一个实施例的自由层结构示意图；
图4为本申请一个实施例的磁矩翻转过程示意图；
图5为本申请一个实施例的自由层结构示意图；
图6为本申请一个实施例的磁矩翻转过程示意图；
图7为本申请一个实施例的自由层结构示意图；
图8为本申请一个实施例的磁矩翻转过程示意图；
以下对附图作补充说明：
10-固定层；20-势垒层；30-自由层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，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，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
如图1所示，磁隧道结的自由层30和固定层10薄膜属于单磁畴结构，在自由层30磁矩翻转过程中，伴随着与原来磁化方向相反的磁畴成核、移动和扩张的过程。因而辅助磁隧道结形成磁畴的方法是提高磁隧道结磁矩翻转速度的一个有效途径。在铁磁晶体中，整个晶体磁化的结果是在两端产生磁极，磁极产生的退磁场增加退磁场能，减少退磁场能是晶体产生磁畴的主要原因。此外，在应力急剧变化的地方，磁化矢量的方向也随之变化，产生磁畴，因而晶体中应力分布不均匀也是磁畴形成的一个原因。
如图2所示，自由层30磁矩翻转时，与原来磁化方向相反的磁畴在圆盘中心优先成核，畴壁从圆盘中心向圆盘边沿移动，最终整个圆盘转变为与原来磁化方向相反的磁畴，在这一过程当中自由层30磁化矢量发生旋进运动。
如图3至图8所示，基于上述原理，本申请实施例公开了一种磁性存储单元的加工方法，在基底上依次淀积固定层10、势垒层20和自由层30得到基础磁性存储单元；对所述基础磁性存储单元进行处理得到目标磁性存储单元；其中，对所述基础磁性存储单元进行处理包括对所述基础磁性存储单元进行缺陷化处理和/或对所述基础磁性存储单元进行杂质化处理。
本申请实施例中，通过对自由层30进行处理，在自由层30上添加易于磁畴成核的结构或粒子，在磁隧道结磁矩翻转过程中，加快磁畴成核，提高磁矩翻转速度。本申请实施例所述的加工方法可降低磁隧道结写入电压脉冲的幅值和宽度，提高磁隧道结写入速度，并且与现有的磁隧道结制程相融合，具有通用性。
如图3和图4所示，对所述基础磁性存储单元进行缺陷化处理包括，刻蚀所述自由层30、势垒层20和固定层10，在所述自由层30、势垒层20和固定层10上形成缺陷；和/或；刻蚀所述自由层30，在所述自由层30上形成缺陷。
缺陷包括至少一个凹陷和/或至少一个凸起。
凹陷或凸起的形状为圆弧形或异形。
如图3所示，本申请实施例中，通过改变自由层30薄膜的形状，在薄膜上刻蚀形成缺陷，利用应力集中效应使磁畴成核更加容易。可选的，在自由层30薄膜上任意位置刻蚀出任意形状的缺陷，如圆弧形、三角形、阶梯状等。在一些实施例中，还可以在磁隧道结沉积完成后，对磁隧道结整体进行刻蚀。需要说明的是，上述缺陷并不是设置在特定的位置，以及设置固定数目的缺陷，上述缺陷是由直接刻蚀磁隧道结或刻蚀自由层30形成。如图3a和图3b所示，缺陷可以为任意形状的凸起；如图3c和图3d所示，缺陷也可以为任意形状的凹陷。在缺陷的尖端部分，由于应力急剧变化，以及不规则形状本身均会导致磁畴优先在这些位置成核。如图4所示，在边沿存在缺陷的自由层30结构中，磁畴选择性地在缺陷位置优先成核，然后畴壁由薄膜两边向其中心移动、扩张，直至整个自由层30的磁化方向发生翻转。在磁矩的翻转过程中，磁畴在不规则形状的缺陷处优先成核，大大缩短了成核时间，此外应力也加快了畴壁的移动速度，从而加快了磁矩翻转速度，提高磁隧道结的写入速度。
如图5和图6所示，对所述基础磁性存储单元进行杂质化处理包括，在所述自由层30的表面设置至少一个磁畴区域，所述磁畴区域具有单向磁矩，所述单向磁矩垂直于所述自由层30表面。
所述磁畴区域的数目为2，两个所述磁畴区域的磁矩方向相反。
本申请实施例中，设置磁畴区域后的自由层30结构的俯视图和横向侧视图如图5a和图5b所示。通过在自由层30薄膜的任意位置设置磁畴区域，磁畴区域应远小于自由层的面积，且磁畴区域具有稳固的单向磁矩。可选的，在自由层的两端添加磁畴区域，且两个磁畴区域的磁矩方向相反。由于设置磁畴区域的体积较小，并且磁畴区域具有稳固的单向磁矩，单向磁矩垂直于自由层表面，因而它们的磁矩在磁隧道结的读写过程中保持不变。在一些实施例中，还可以在自由层30上设置多个磁畴区域。在磁隧道结的两端外加电压脉冲时，绝大部分电流流经自由层30会使自由层30的磁矩发生翻转，预设的磁畴区域由于其具有固定的方向的磁矩，在磁畴成核过程中磁畴区域可充当核心的作用，诱导周围自由层30材料快速形成磁畴。此外，磁畴区域和自由层30之间存在应力，应力可以加快磁畴成核速度，使畴壁加速移动、扩张。如图6所示，磁畴先在一边的磁极周围快速形成，然后畴壁从自由层30薄膜的一端扫过整个平面直到另一端。在磁矩翻转过程中，磁畴核心预先存在，完全消除磁畴成核所需时间，此外磁畴区域和自由层30之间的应力也加快了畴壁的移动速度，加速磁隧道结的磁矩完成翻转。
如图7和图8所示，对自由层30的表面进行杂质化处理包括，在自由层30的表面沉积磁性粒子。
磁性粒子在自由层30的表面随机分布。
本申请实施例中，添加磁性粒子后的自由层30结构的俯视图和横向侧视图如图7a和图7b所示。在自由层30表面吸附或溅射强磁性粒子可以辅助磁隧道结快速形成磁畴。可选的，将磁性粒子包裹在有机分子的大分子，例如酞菁钴(Cobalt phthalocyaninemolecule)，可以吸附在自由层30表面。把磁隧道结器件浸入有机溶液后蒸发水蒸气，会在自由层30表面残留酞菁钴分子。由于酞菁钴分子和自由层30表面的强相互作用，酞菁钴分子被吸附在自由层30表面上。在一些实施例中，还可以利用背面溅射的方法也可以实现磁性粒子在自由层30表面的非均匀分布。在正常磁控溅射过程中，电离产生的Ar离子轰击靶材表面，使靶材产生溅射，溅射粒子沉积在基片上形成薄膜。在背面溅射时，由于自由层30表面背对靶材，仅会有少量磁性粒子可以从基片四周沉积在自由层30表面。通过控制溅射速度，可以调节磁性微粒在自由层30表面的分布密度。如图8所示，磁性杂质粒子可以诱导自由层30材料形成磁畴，因而磁性粒子在磁畴生长过程中可以作为成核核心，帮助周围自由层30材料快速形成磁畴，加速磁隧道结磁矩完成翻转。
本申请实施例还公开了一种磁性随机存储器，包括多个磁性存储单元，其中磁性存储单元是采用如上的磁性存储单元的加工方法制得。
本申请实施例中，磁性随机存储器包括多个磁性存储单元，关于磁性存储单元的结构及处理方法，请参见上文描述磁性存储单元的所有方式。
本申请实施例公开了一种设备，包括如上的磁性随机存储器。
本申请实施例中，无论使用何种物理机制的MTJ在磁矩翻转过程中，都有磁畴成核、移动和扩张的过程。因此，通过辅助MTJ形成磁畴，加快磁矩翻转速度，从而提高磁性随机存储器的读写速度。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，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 (9)

1.一种磁性存储单元的加工方法，其特征在于，包括：
在基底上依次淀积固定层(10)、势垒层(20)和自由层(30)得到基础磁性存储单元；
对所述基础磁性存储单元进行处理得到目标磁性存储单元；
其中，对所述基础磁性存储单元进行处理包括对所述基础磁性存储单元进行杂质化处理；
对所述基础磁性存储单元进行杂质化处理包括：在自由层(30)表面吸附或溅射强磁性粒子，所述强磁性粒子在磁畴生长过程中作为成核核心，诱导所述强磁性粒子周围的自由层(30)材料快速形成磁畴；
所述磁性粒子在所述自由层(30)的表面随机分布。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：对所述基础磁性存储单元进行处理还包括对所述基础磁性存储单元进行缺陷化处理；对所述基础磁性存储单元进行缺陷化处理包括：在所述自由层(30)上任意位置刻蚀出任意形状的缺陷，所述缺陷用于在所述自由层(30)内形成应力急剧变化区域。
3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于：对所述基础磁性存储单元进行缺陷化处理还包括，刻蚀所述自由层(30)、势垒层(20)和固定层(10)，在所述自由层(30)、势垒层(20)和固定层(10)上形成缺陷。
4.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于：所述缺陷包括至少一个凹陷和/或至少一个凸起。
5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：所述凹陷或凸起的形状为圆弧形或异形。
6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：对所述基础磁性存储单元进行杂质化处理包括，在所述自由层(30)的表面设置至少一个磁畴区域，所述磁畴区域具有单向磁矩，所述单向磁矩垂直于所述自由层(30)表面。
7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于：所述磁畴区域的数目为2，两个所述磁畴区域的磁矩方向相反。
8.一种磁性随机存储器，其特征在于，包括多个磁性存储单元，其中所述磁性存储单元是采用权利要求1-7任意一项所述的磁性存储单元的加工方法制得。
9.一种设备，其特征在于，包括权利要求8所述的磁性随机存储器。
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