CN111833930B - 磁随机存取存储器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁随机存取存储器及其制备方法，包括：磁隧道结结构；字线，与磁隧道结结构的顶部相连接；读取位线，与磁隧道结结构的底部相接触；写入位线，位于读取位线一侧；U型变磁体连接结构，包括底边部、侧壁部及延伸部；底边部位于读取位线的下方，一端与写入位线相连接，另一端沿第一方向横跨读取位线；侧壁部分别位于磁隧道结结构相对的两侧，位于磁隧道结结构远离延伸部一侧的侧壁部的顶部与字线相连接，侧壁部的底部与底边部相连接；延伸部的一端与侧壁部相连接，另一端自侧壁部沿第一方向向远离位于磁隧道结结构的方向延伸。本发明的磁随机存取存储器降低了磁隧道结结构翻转所需的电流，进而降低了所需的写入电流及写入功耗。

Description

磁随机存取存储器及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体存储结构技术领域，特别是涉及一种磁随机存取存储器及其制备方法。

背景技术

现有的磁随机存取存储器包括若干个磁隧道结结构(MTJ)作为存储单元，所述磁隧道结结构中自由铁磁层的磁状态可以取决于与其相连接的字线和位线的电流引起的磁场。现有的磁随机存取存储器存在所述磁隧道结结构翻转所需电流较大，从而导致所需写入功耗较高的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁随机存取存储器及其制备方法，用于解决现有技术中磁随机存取存储器存在的磁隧道结结构翻转所需的电流较大，从而导致写入功耗较大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种磁随机存取存储器，所述磁随机存取存储器包括：

磁隧道结结构；

字线，与所述磁隧道结结构的顶部相连接，且沿第一方向延伸，所述第一方向与所述磁隧道结结构的高度方向相垂直；

读取位线，与所述磁隧道结结构的底部相接触，且沿第二方向延伸，所述第二方向与所述磁隧道结结构的高度方向及所述第一方向均相垂直；

写入位线，位于所述读取位线一侧，与所述读取位线具有间距；所述写入位线沿所述第二方向延伸；

U型变磁体连接结构，包括底边部、侧壁部及延伸部；所述底边部位于所述读取位线的下方，所述底边部的一端与所述写入位线相连接，另一端沿所述第一方向横跨所述读取位线；所述侧壁部分别位于所述磁隧道结结构相对的两侧，位于所述磁隧道结结构远离所述延伸部一侧的所述侧壁部的顶部与所述字线相连接，所述侧壁部的底部与所述底边部相连接；所述延伸部的一端与所述侧壁部的顶部相连接，另一端自所述侧壁部沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构的方向延伸；所述延伸部的上表面与所述字线的下表面之间具有间距。

可选地，所述磁隧道结结构的数量为多个，多个所述磁隧道结结构沿所述第一方向及所述第二方向呈多行多列间隔排布；

所述字线的数量为多个，各所述字线分别将各行沿所述第一方向间隔排布的所述磁隧道结结构依次串接；

所述读取位线的数量为多个，各所述读取位线将各列沿所述第二方向间隔排布的所述磁隧道结结构依次串接；

所述U型变磁体连接结构的数量为多个，各所述U型变磁体连接结构与各所述磁隧道结结构一一对应设置；各所述U型变磁体连接结构的所述侧壁部位于所述磁隧道结结构沿所述第一方向相对的两侧；

所述写入位线的数量为多个，多个所述写入位线与多个所述读取位线沿所述第一方向依次交替间隔排布，且各所述写入位线分别位于各列沿所述第二方向间隔排布的所述磁隧道结结构的同一侧。

可选地，所述磁随机存取存储器还包括绝缘保护层，所述绝缘保护层填充于相邻所述字线之间、相邻所述U型变磁体连接结构之间、相邻所述磁隧道结结构之间、所述读取位线与所述写入位线之间及所述底边部与所述读取位线之间。

可选地，所述底边部与所述读取位线的底部具有间距。

可选地，所述磁随机存取存储器还包括绝缘介质层，所述绝缘介质层至少位于所述所述底边部与所述读取位线之间。

可选地，所述侧壁部与所述磁隧道结结构的侧壁相接触。

可选地，所述磁隧道结结构包括：

钉扎铁磁层；

反铁磁层，位于所述钉扎铁磁层的表面；

自由铁磁层，位于所述钉扎铁磁层远离所述反铁磁层的一侧；

绝缘隧道势垒层，位于所述钉扎铁磁层与所述自由铁磁层之间。

可选地，所述延伸部包括：

横向延伸部，一端与所述侧壁部的顶部相连接，另一端沿所述第一方向向远离所述磁隧道结结构的方向延伸；

纵向延伸部，一端与所述横向延伸部远离所述侧壁部的一端相连接。另一端自所述横向延伸部向下延伸。

本发明还提供一种磁随机存取存储器的制备方法，所述磁随机存取存储器的制备方法包括步骤：

提供衬底；

于所述衬底的上表面形成写入位线及U型变磁体连接结构的底边部，所述底边部一端与所述写入位线相连接，且所述底边部沿第一方向延伸，所述写入位线沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向相垂直；

于所述衬底的上表面、所述写入位线的表面及所述底边部的表面形成绝缘介质层，所述绝缘介质层覆盖所述衬底的上表面、所述写入位线的表面及所述底边部的表面；

于所述绝缘介质层的上表面形成读取位线，所述读取位线沿所述第二方向延伸；所述读取位线位于所述写入位线的一侧，与所述写入位线具有间距，且所述读取位线横跨所述底边部；

于所述读取位线对应于所述底边部部分的上表面形成磁隧道结结构；

于所述绝缘介质层的上表面形成绝缘保护层，所述绝缘保护层覆盖所述绝缘介质层的上表面、所述读取位线及所述磁隧道结结构，且所述绝缘保护层的上表面与所述磁隧道结结构的上表面相平齐；

于所述绝缘保护层及所述绝缘介质层内形成通孔，所述通孔包括侧壁通孔及延伸通孔；所述侧壁通孔位于所述磁隧道结结构相对的两侧，且沿所述绝缘保护层及所述绝缘介质层的厚度方向贯穿所述绝缘保护层及所述绝缘介质层，以暴露出所述底边部；所述延伸通孔的一端与所述侧壁通孔相连接，另一端自所述侧壁通孔沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构的方向延伸；

于所述侧壁通孔内形成所述U型变磁体连接结构的侧壁部，并于所述延伸通孔内形成延伸部；所述侧壁部的底部与所述底边部相连接；所述延伸部的一端与所述侧壁部相连接，另一端自所述侧壁部沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构的方向延伸；

于所述绝缘保护层的上表面形成字线，所述字线沿所述第一方向延伸，所述字线与所述磁隧道结结构的上表面及位于所述磁隧道结结构远离所述延伸部一侧的所述侧壁部的上表面相连接。

可选地，于所述读取位线对应于所述底边部部分的上表面形成磁隧道结结构包括如下步骤：

于所述读取位线对应于所述底边部部分的上表面依次形成由下至上依次贴置的反铁磁层、钉扎铁磁层、绝缘隧道势垒层及自由铁磁层。

可选地，所述延伸部包括：

横向延伸部，一端与所述侧壁部的顶部相连接，另一端沿所述第一方向向远离所述磁隧道结结构的方向延伸；

纵向延伸部，一端与所述横向延伸部远离所述侧壁部的一端相连接，另一端自所述横向延伸部向下延伸。

如上所述，本发明的磁随机存取存储器及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明磁随机存取存储器通过设置U型变磁体连接结构，U型变磁体连接结构中流过的电流产生的磁场辅助磁隧道结结构的翻转，从而降低了磁隧道结结构翻转所需的电流，进而降低了所需的写入电流，降低写入功耗；同时，U型变磁体连接结构的侧壁部位于磁隧道结结构相对的两侧，所述U型变磁体连接结构中通一次电流可以在磁隧道结结构上产生双倍同向磁场，进一步降低了磁隧道结结构翻转所需的电流，进而进一步降低了所需的写入电流；通过设置延伸部，可以进一步增强临近翻转磁场，从而进一步降低磁隧道结结构翻转所需的电流，进而进一步降低了所需的写入电流，降低写入功耗；本发明的磁随机存取存储器的尺寸相较于现有的磁随机存取存储器的尺寸更小，相较于现有的磁随机存取存储器尺寸可以显著缩小至7nm～10nm。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的磁随机存取存储器的制备方法的流程图。

图2至图11显示为本发明实施例一中提供的磁随机存取存储器的制备方法中各步骤所得结构的局部立体结构示意图。

图12显示为本发明实施例二中提供的磁随机存取存储器的局部立体结构示意图。

图13显示为本发明实施例二中提供的磁随机存取存储器的工作原理图。

元件标号说明

10 衬底

11 写入位线

12 U型变磁体连接结构

121 底边部

122 侧壁部

123 延伸部

1231 横向延伸部

1232 纵向延伸部

13 绝缘介质层

14 读取位线

15 磁隧道结结构

151 反铁磁层

152 钉扎铁磁体

153 绝缘隧道势垒层

154 自由铁磁层

16 绝缘保护层

17 通孔

171 侧壁通孔

172 延伸通孔

1721 横向延伸通孔

1722 纵向延伸通孔

18 字线

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种磁随机存取存储器的制备方法，所述磁随机存取存储器的制备方法包括步骤：

1)提供衬底；

2)于所述衬底的上表面形成写入位线及U型变磁体连接结构的底边部，所述底边部一端与所述写入位线相连接，且所述底边部沿第一方向延伸，所述写入位线沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向相垂直；

3)于所述衬底的上表面、所述写入位线的表面及所述底边部的表面形成绝缘介质层，所述绝缘介质层覆盖所述衬底的上表面、所述写入位线的表面及所述底边部的表面；

4)于所述绝缘介质层的上表面形成读取位线，所述读取位线沿所述第二方向延伸；所述读取位线位于所述写入位线的一侧，与所述写入位线具有间距，且所述读取位线横跨所述底边部；

5)于所述读取位线对应于所述底边部部分的上表面形成磁隧道结结构；

6)于所述绝缘介质层的上表面形成绝缘保护层，所述绝缘保护层覆盖所述绝缘介质层的上表面、所述读取位线及所述磁隧道结结构，且所述绝缘保护层的上表面与所述磁隧道结结构的上表面相平齐；

7)于所述绝缘保护层及所述绝缘介质层内形成通孔，所述通孔包括侧壁通孔及延伸通孔；所述侧壁通孔位于所述磁隧道结结构相对的两侧，且沿所述绝缘保护层及所述绝缘介质层的厚度方向贯穿所述绝缘保护层及所述绝缘介质层，以暴露出所述底边部；所述延伸通孔的一端与所述侧壁通孔相连接，另一端自所述侧壁通孔沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构的方向延伸；

8)于所述侧壁通孔内形成所述U型变磁体连接结构的侧壁部，并于所述延伸通孔内形成延伸部；所述侧壁部的底部与所述底边部相连接；所述延伸部的一端与所述侧壁部相连接，另一端自所述侧壁部沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构的方向延伸；

9)于所述绝缘保护层的上表面形成字线，所述字线沿所述第一方向延伸，所述字线与所述磁隧道结结构的上表面及位于所述磁隧道结结构远离所述延伸部一侧的所述侧壁部的上表面相连接。

在步骤1)中，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供衬底10。

作为示例，所述衬底10可以根据器件的实际需求进行选择，所述衬底10可以包括任意一种可以起到支撑作用的衬底，所述衬底10可以包括硅衬底、锗(Ge)衬底、锗化硅(SiGe)衬底、SOI(Silicon-on-insulator，绝缘体上硅)衬底或GOI(Germanium-on-Insulator，绝缘体上锗)衬底等等；优选地，本实施例中，所述衬底10包括硅衬底。

在步骤2)中，请参阅图1中的S2步骤及图3，于所述衬底10的上表面形成写入位线11及U型变磁体连接结构的底边部121，所述底边部121一端与所述写入位线11相连接，且所述底边部121沿第一方向延伸，所述写入位线11沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向相垂直。

作为示例，步骤2)中，于所述衬底10的上表面形成所述写入位线11及所述U型变磁体连接结构的底边部121可以包括如下步骤：

2-1)于所述衬底10的上表面形成导电材料层(未示出)；

2-2)采用光刻刻蚀工艺对所述导电材料层进行图形化以得到所述写入位线11及所述U型变磁体连接结构的底边部121。

作为示例，所述导电材料层的材料可以包括但不仅限于金属，即所述写入位线11的材料及所述U型变磁体连接结构的底边部121的材料可以包括但不仅限于金属。

作为示例，步骤2)中于所述衬底10的上表面形成的所述写入位线11的数量及所述底边部121的数量可以根据实际需要进行设定，此处不做限定，图3中仅以一根所述写入位线11及一个所述底边部121作为示例。需要说明的是，所述写入位线11的数量与所述底边部121的数量相同，且所述底边部121一一对应连接于不同的所述写入位线11上；所述写入位线11的数量为多根时，多个所述写入位线11沿所述第一方向间隔排布，各所述底边部121位于各所述写入位线11的同一侧，且所述底边部121远离与其相连接的所述写入位线11的一端与与其相临近的另一所述写入位线11之间具有间距。

在步骤3)中，请参阅图1中的S3步骤及图4，于所述衬底10的上表面、所述写入位线11的表面及所述底边部121的表面形成绝缘介质层23，所述绝缘介质层13覆盖所述衬底10的上表面、所述写入位线11的表面及所述底边部121的表面。

作为示例，可以采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)工艺、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)工艺或原子层沉积(Atomic LayerDeposition，ALD)工艺于所述衬底10的上表面、所述写入位线11的表面及所述底边部121的表面形成所述绝缘介质层23。

作为示例，所述绝缘介质层13的材料可以包括氧化物层、氮化物层或氮氧化物层，譬如，所述绝缘介质层13可以包括氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层等等。

在步骤4)中，请参阅图1中的S4步骤及图5，于所述绝缘介质层13的上表面形成读取位线14，所述读取位线14沿所述第二方向延伸；所述读取位线14位于所述写入位线13的一侧，所述读取位线14与所述写入位线11具有间距，且所述读取位线14横跨所述底边部121。

作为示例，于所述绝缘介质层13的上表面形成所述读取位线14可以包括如下步骤：

4-1)于所述绝缘介质层13的上表面形成导电材料层(未示出)；

4-2)采用光刻刻蚀工艺对所述导电材料层进行图形化以得到所述读取位线14。

作为示例，步骤4)中的所述导电材料层的材料可以包括但不仅限于金属，即所述读取位线14的材料可以包括但不仅限于金属。

作为示例，所述读取位线14的数量可以根据实际需要进行设定，图5中仅以一根所述读取位线14作为示例。所述读取位线14的数量为多根时，多根所述读取位线14沿所述第一方向间隔排布；且所述读取位线14的数量与所述底边部121的数量及所述写入位线11的数量均相同，各所述读取位线14分别横跨不同的一个所述底边部121，且各所述读取位线14分别位于各所述写入位线11的同一侧。

在步骤5)中，请参阅图1中的S5步骤及图6，于所述读取位线14对应于所述底边部121部分的上表面形成磁隧道结结构15。

作为示例，所述磁隧道结结构15的数量与所述读取位线14的数量相同，且所述磁隧道结结构15与所述读取位线14一一对应设置。

作为示例，于所述读取位线14对应于所述底边部121部分的上表面形成磁隧道结结构15包括如下步骤：

于所述读取位线14对应于所述底边部121部分的上表面依次形成由下至上依次贴置的反铁磁层151、钉扎铁磁层152、绝缘隧道势垒层153及自由铁磁层154。

作为示例，所述磁隧道结结构15可以包括一个由所述反铁磁层151、所述钉扎铁磁层152、所述绝缘隧道势垒层153及所述自由铁磁层154由下至上依次叠置的叠层结构，如图7所示，也可以包括多个依次上下叠置所述叠层结构；即形成的所述磁隧道结结构15可以包括一个由所述反铁磁层151、所述钉扎铁磁层152、所述绝缘隧道势垒层153及所述自由铁磁层154由下至上依次叠置的叠层结构，也可以包括多个由所述反铁磁层151、所述钉扎铁磁层152、所述绝缘隧道势垒层153及所述自由铁磁层154由下至上依次叠置的叠层结构，多个所述叠层结构依次上下叠置。

作为示例，所述钉扎铁磁层152的磁化方向是固定的，所述反铁磁层151通过反铁磁效应与所述钉扎铁磁层152耦合，所述自由铁磁层154的磁化方向可以在与所述钉扎铁磁层152的磁化方向相同或相反之间自由转换。

在步骤6)中，请参阅图1中的S6步骤及图8，于所述绝缘介质层13的上表面形成绝缘保护层16，所述绝缘保护层16覆盖所述绝缘介质层13的上表面、所述读取位线14及所述磁隧道结结构15，且所述绝缘保护层16的上表面与所述磁隧道结结构15的上表面相平齐。

作为示例，可以采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)工艺、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)工艺或原子层沉积(Atomic LayerDeposition，ALD)工艺于所述绝缘介质层13的上表面形成所述绝缘保护层16。

作为示例，所述绝缘保护层16的材料可以包括氧化物层、氮化物层或氮氧化物层，譬如，所述绝缘保护层16可以包括氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层等等。

在步骤7)中，请参阅图1中的S7步骤及图9，于所述绝缘保护层16及所述绝缘介质层13内形成通孔17，所述通孔17包括侧壁通孔171及延伸通孔172；所述侧壁通孔17位于所述磁隧道结结构15相对的两侧，且沿所述绝缘保护层16及所述绝缘介质层13的厚度方向贯穿所述绝缘保护层16及所述绝缘介质层13，以暴露出所述底边部121；所述延伸通孔172的一端与所述侧壁通孔171相连接，另一端自所述侧壁通孔171沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构15的方向延伸。

作为示例，可以采用光刻刻蚀工艺形成所述通孔17。

作为示例，各所述磁隧道结结构15相对的两侧均形成有所述通孔17；所述通孔17定义出后续要形成的所述U型变磁体连接结构的侧壁部及延伸部。

作为示例，所述侧壁通孔171位于所述磁隧道结结构15沿所述第一方向上相对的两侧。

作为示例，所述延伸通孔172包括横向延伸通孔1721及纵向延伸通孔1722，所述横向延伸通孔1721一端与一所述侧壁通孔171的顶部相连通，另一端沿所述第一方向向远离所述磁隧道结结构15的方向延伸，即所述横向延伸通孔1721远离所述侧壁通孔171的一端沿所述第一方向向远离位于与所述侧壁通孔171相连接的所述底边部121上方的所述磁隧道结结构15的方向延伸；所述纵向延伸通孔1722的一端与所述横向延伸通孔1721远离所述侧壁通孔171的一端相连接，另一端自所述横向延伸通孔1721向下延伸。

在步骤8)中，请参阅图1中的S8步骤及图10，于所述侧壁通孔171内形成所述U型变磁体连接结构12的侧壁部122，并于所述延伸通孔172内形成所述U型磁体连接结构12的延伸部123，所述侧壁部122的底部与所述底边部121相连接；所述延伸部123的一端与所述侧壁部122相连接，所述延伸部123的另一端自所述侧壁部122沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构15的方向延伸。

作为示例，采用沉积工艺于所述通孔17内沉积导电材料以形成所述侧壁部122及所述延伸部123，位于所述磁隧道结结构15相对两侧的所述侧壁部122与与其底部相连接的所述底边部121及与其相连接的所述延伸部123共同构成所述U型变磁体连接结构12。

作为示例，可以于所述通孔17内沉积金属以形成所述侧壁部122。

作为示例，所述侧壁部122的上表面及所述延伸部123的上表面均可以与所述磁隧道结结构15的上表面相平齐，即所述侧壁部122的上表面、所述延伸部123的上表面、所述磁隧道结结构15的上表面及所述绝缘保护层16的上表面均相平齐。

作为示例，所述延伸部123包括：横向延伸部1231，所述横向延伸部1231的一端与所述侧壁部122的顶部相连接，所述横向延伸部1232的另一端沿所述第一方向向远离所述磁隧道结结构15的方向延伸，即所述横向延伸部1232远离所述侧壁部122的一端沿所述第一方向向远离位于与所述侧壁部122相连接的所述底边部121上方的所述磁隧道结结构15的方向延伸；纵向延伸部1232，所述纵向延伸部1232的一端与所述横向延伸部1231远离所述侧壁部122的一端相连接，所述纵向延伸部1232的另一端自所述横向延伸部1231向下延伸。

作为示例，步骤9)中，请参阅图1中的S9步骤及图11，于所述绝缘保护层16的上表面形成字线18，所述字线18沿所述第一方向延伸，所述字线15与所述磁隧道结结构15的上表面及位于所述磁隧道结结构15远离所述延伸部123一侧的所述侧壁部122的上表面相连接。

作为示例，于所述绝缘保护层16的上表面形成所述字线18可以包括如下步骤：

9-1)于所述绝缘保护层16的上表面形成导电材料层(未示出)；

9-2)采用光刻刻蚀工艺对所述导电材料层进行图形化以得到所述字线18。

作为示例，步骤9)中的所述导电材料层的材料可以包括但不仅限于金属，即所述字线18的材料可以包括但不仅限于金属。

作为示例，所述字线18的数量可以根据实际需要进行设定，所述字线18可以为一根，如图11所示，也可以为多根。所述字线18为多根时，各所述字线18分别将各行沿所述第一方向间隔排布的所述磁隧道结结构15依次串接。

作为示例，位于所述磁隧道结结构15远离所述延伸部123一侧的所述侧壁部122的顶部与所述字线18相连接；所述延伸部123的一端与位于所述磁隧道结结构15另一侧的所述侧壁部122的顶部相连接，所述延伸部123的上表面与所述字线18的下表面之间具有间距。

本实施例制备的所述磁随机存取存储器通过设置所述U型变磁体连接结构12，所述U型变磁体连接结构12中流过的电流产生的磁场辅助所述磁隧道结结构15的翻转，从而降低了所述磁隧道结结构15翻转所需的电流，进而降低了所需的写入电流，降低写入功耗；同时，所述U型变磁体连接结构12的侧壁部122位于所述磁隧道结结构15相对的两侧，所述U型变磁体连接结构12中通一次电流可以在所述磁隧道结结构15上产生双倍同向磁场，进一步降低了所述磁隧道结结构15翻转所需的电流，进而进一步降低了所需的写入电流；本发明的磁随机存取存储器的制备方法制备的所述磁随机存取存储器通过设置所述延伸部123，使得相邻两所述U型变磁体连接结构12的距离较小，可以进一步增强临近翻转磁场，从而进一步降低所述磁隧道结结构15翻转所需的电流，进一步降低了所需的写入电流，降低写入功耗；本发明的磁随机存取存储器制备方法制备的所述磁随机存取存储器的尺寸相较于现有的磁随机存取存储器的尺寸更小，相较于现有的磁随机存取存储器尺寸可以显著缩小至7nm～10nm。

实施例二

请结合图2至图11参阅图12，本发明还提供一种磁随机存取存储器，所述磁随机存取存储器包括：磁隧道结结构15；字线18，所述字线18与所述磁隧道结结构15的顶部相连接，且所述字线沿第一方向延伸，所述第一方向与所述磁隧道结结构15的高度方向相垂直；读取位线14，所述读取位线14与所述磁隧道结结构15的底部相接触，且所述读取位线14沿第二方向延伸，所述第二方向与所述磁隧道结结构15的高度方向及所述第一方向均相垂直；写入位线11，所述写入字线11位于所述读取位线14一侧，所述写入字线11与所述读取位线14具有间距；所述写入位线11沿所述第二方向延伸；U型变磁体连接结构12，所述U型变磁体连接结构12包括底边部121、侧壁部122及延伸部123；所述底边部121位于所述读取位线14的下方，所述底边部121的一端与所述写入位线11相连接，另一端沿所述第一方向横跨所述读取位线14；所述侧壁部122分别位于所述磁隧道结结构15相对的两侧，位于所述磁隧道结结构15远离所述延伸部123一侧的所述侧壁部122的顶部与所述字线18相连接，所述侧壁部122的底部与所述底边部121相连接；所述延伸部123的一端与所述侧壁部122的顶部相连接，所述延伸部123的另一端自所述侧壁部122沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构15的方向延伸；所述延伸部123的上表面与所述字线18的下表面之间具有间距。

作为示例，所述磁隧道结结构15的数量为多个，多个所述磁隧道结结构15沿所述第一方向及所述第二方向呈多行多列间隔排布；所述字线18的数量为多个，各所述字线18分别将各行沿所述第一方向间隔排布的所述磁隧道结结构15依次串接；所述读取位线14的数量为多个，各所述读取位线14将各列沿所述第二方向间隔排布的所述磁隧道结结构15依次串接；所述U型变磁体连接结构12的数量为多个，各所述U型变磁体连接结构12与各所述磁隧道结结构15一一对应设置；各所述U型变磁体连接结构12的所述侧壁部122位于所述磁隧道结结构15沿所述第一方向相对的两侧；所述写入位线11的数量为多个，多个所述写入位线11与多个所述读取位线14沿所述第一方向依次交替间隔排布，且各所述写入位线11分别位于各列沿所述第二方向间隔排布的所述磁隧道结结构15的同一侧。

作为示例，所述写入字线11、所述U型磁体连接结构12及所述读取位线14的材料均包括导电材料，具体的，所述写入字线11、所述U型磁体连接结构12及所述读取位线14的材料均可以包括但不仅限于金属。

作为示例，所述侧壁部122可以与所述磁隧道结结构15的侧壁相接触。

作为示例，所述底边部122与所述读取位线14的底部之间具有间距。

作为示例，所述延伸部123包括：横向延伸部1231，所述横向延伸部1231的一端与所述侧壁部122的顶部相连接，所述横向延伸部1232的另一端沿所述第一方向向远离所述磁隧道结结构15的方向延伸，即所述横向延伸部1232远离所述侧壁部122的一端沿所述第一方向向远离位于与所述侧壁部122相连接的所述底边部121上方的所述磁隧道结结构15的方向延伸；纵向延伸部1232，所述纵向延伸部1232的一端与所述横向延伸部1231远离所述侧壁部122的一端相连接，所述纵向延伸部1232的另一端自所述横向延伸部1231向下延伸。

作为示例，所述磁随机存取存储器还包括绝缘介质层(图12未示出，即实施例一中的所述绝缘介质层13)，所述绝缘介质层至少位于所述底边部122与所述读取位线14之间。具体的，所述绝缘介质层还可以位于所述写入位线11的上表面。

作为示例，所述磁随机存取存储器还包括绝缘保护层(图12未示出，即实施例一中的所述绝缘保护层16)，所述绝缘保护层填充于相邻所述字线18之间、相邻所述U型变磁体连接结构12之间、相邻所述磁隧道结结构15之间及所述读取位线14与所述写入位线11之间。

作为示例，所述绝缘介质层及所述绝缘保护层均可以包括氧化物层、氮化物层或氮氧化物层，譬如，所述绝缘介质层及所述绝缘保护层均可以包括氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层等等。

作为示例，如图7所示，所述磁隧道结结构15包括：钉扎铁磁层152；反铁磁151，所述钉扎铁磁层152位于所述钉扎铁磁层152的表面；自由铁磁层154，所述自由铁磁层154位于所述钉扎铁磁层152远离所述反铁磁层151的一侧；绝缘隧道势垒层153，所述绝缘隧道势垒层153位于所述钉扎铁磁层152与所述自由铁磁层154之间。

作为示例，所述钉扎铁磁层152的磁化方向是固定的，所述反铁磁层151通过反铁磁效应与所述钉扎铁磁层152耦合，所述自由铁磁层154的磁化方向可以在与所述钉扎铁磁层152的磁化方向相同或相反之间自由转换。

作为示例，所述磁隧道结结构15可以包括一个由所述反铁磁层151、所述钉扎铁磁层152、所述绝缘隧道势垒层153及所述自由铁磁层154由下至上依次叠置的叠层结构，如图7所示，也可以包括多个依次上下叠置所述叠层结构；即所述磁隧道结结构15可以包括一个由所述反铁磁层151、所述钉扎铁磁层152、所述绝缘隧道势垒层153及所述自由铁磁层154由下至上依次叠置的叠层结构，也可以包括多个由所述反铁磁层151、所述钉扎铁磁层152、所述绝缘隧道势垒层153及所述自由铁磁层154由下至上依次叠置的叠层结构，多个所述叠层结构依次上下叠置。

本发明所述的磁随机存取存储器工作时的原理图如图13所示，其中，最左侧的所述侧壁部122及所述写入位线11上的箭头表示写“1”操作时电流的流向，最左侧所述磁隧道结结构15上的符号表示磁场方向；左侧第二个的所述侧壁部122、所述写入位线11及所述字线18上的箭头表示写“0”操作时电流的流向，最侧第二个所述磁隧道结结构15上的符号表示磁场方向；右侧第二个的所述磁隧道结结构15及所述读取位线14上的箭头表示读“1”操作时电流的流向；最右侧的所述磁隧道结结构15及所述读取位线14上的箭头表示读“0”操作时电流的流向。

本发明的磁随机存取存储器通过设置所述U型变磁体连接结构12，所述U型变磁体连接结构12中流过的电流产生的磁场辅助所述磁隧道结结构15的翻转，从而降低了所述磁隧道结结构15翻转所需的电流，进而降低了所需的写入电流，降低写入功耗；同时，所述U型变磁体连接结构12的侧壁部122位于所述磁隧道结结构15相对的两侧，所述U型变磁体连接结构12中通一次电流可以在所述磁隧道结结构158上产生双倍同向磁场，进一步降低了所述磁隧道结结构15翻转所需的电流，进而进一步降低了所需的写入电流，降低写入功耗；本发明所述的磁随机存取存储器通过设置所述延伸部123，使得相邻两所述U型变磁体连接结构12的距离较小，可以进一步增强临近翻转磁场，从而进一步降低所述磁隧道结结构15翻转所需的电流，进一步降低了所需的写入电流；本发明的磁随机存取存储器的尺寸相较于现有的磁随机存取存储器的尺寸更小，相较于现有的磁随机存取存储器尺寸可以显著缩小至7nm～10nm。

如上所述，本发明的磁随机存取存储器及其制备方法，所述磁随机存取存储器包括：所述磁随机存取存储器包括：磁隧道结结构；字线，与所述磁隧道结结构的顶部相连接，且沿第一方向延伸，所述第一方向与所述磁隧道结结构的高度方向相垂直；读取位线，与所述磁隧道结结构的底部相接触，且沿第二方向延伸，所述第二方向与所述磁隧道结结构的高度方向及所述第一方向均相垂直；写入位线，位于所述读取位线一侧，与所述读取位线具有间距；所述写入位线沿所述第二方向延伸；U型变磁体连接结构，包括底边部、侧壁部及延伸部；所述底边部位于所述读取位线的下方，所述底边部的一端与所述写入位线相连接，另一端沿所述第一方向横跨所述读取位线；所述侧壁部分别位于所述磁隧道结结构相对的两侧，位于所述磁隧道结结构远离所述延伸部一侧的所述侧壁部的顶部与所述字线相连接，所述侧壁部的底部与所述底边部相连接；所述延伸部的一端与所述侧壁部的顶部相连接，另一端自所述侧壁部沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构的方向延伸；所述延伸部的上表面与所述字线的下表面之间具有间距。本发明磁随机存取存储器通过设置U型变磁体连接结构，U型变磁体连接结构中流过的电流产生的磁场辅助磁隧道结结构的翻转，从而降低了磁隧道结结构翻转所需的电流，进而降低了所需的写入电流，降低写入功耗；同时，U型变磁体连接结构的侧壁部位于磁隧道结结构相对的两侧，所述U型变磁体连接结构中通一次电流可以在磁隧道结结构上产生双倍同向磁场，进一步降低了磁隧道结结构翻转所需的电流，进而进一步降低了所需的写入电流；通过设置延伸部，可以进一步增强临近翻转磁场，从而进一步降低磁隧道结结构翻转所需的电流，进而进一步降低了所需的写入电流，降低写入功耗；本发明的磁随机存取存储器的尺寸相较于现有的磁随机存取存储器的尺寸更小，相较于现有的磁随机存取存储器尺寸可以显著缩小至7nm～10nm。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种磁随机存取存储器，其特征在于，包括：

磁隧道结结构；

字线，与所述磁隧道结结构的顶部相连接，且沿第一方向延伸，所述第一方向与所述磁隧道结结构的高度方向相垂直；

读取位线，与所述磁隧道结结构的底部相接触，且沿第二方向延伸，所述第二方向与所述磁隧道结结构的高度方向及所述第一方向均相垂直；

写入位线，位于所述读取位线一侧，与所述读取位线具有间距；所述写入位线沿所述第二方向延伸；

U型变磁体连接结构，包括底边部、侧壁部及延伸部；所述底边部位于所述读取位线的下方，所述底边部的一端与所述写入位线相连接，另一端沿所述第一方向横跨所述读取位线；所述侧壁部分别位于所述磁隧道结结构相对的两侧，位于所述磁隧道结结构远离所述延伸部一侧的所述侧壁部的顶部与所述字线相连接，所述侧壁部的底部与所述底边部相连接；所述延伸部的一端与所述侧壁部的顶部相连接，另一端自所述侧壁部沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构的方向延伸；所述延伸部的上表面与所述字线的下表面之间具有间距，所述延伸部增强临近所述磁隧道结结构的翻转磁场。

2.根据权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于：

所述磁隧道结结构的数量为多个，多个所述磁隧道结结构沿所述第一方向及所述第二方向呈多行多列间隔排布；

所述字线的数量为多个，各所述字线分别将各行沿所述第一方向间隔排布的所述磁隧道结结构依次串接；

所述读取位线的数量为多个，各所述读取位线将各列沿所述第二方向间隔排布的所述磁隧道结结构依次串接；

所述U型变磁体连接结构的数量为多个，各所述U型变磁体连接结构与各所述磁隧道结结构一一对应设置；各所述U型变磁体连接结构的所述侧壁部位于所述磁隧道结结构沿所述第一方向相对的两侧；

所述写入位线的数量为多个，多个所述写入位线与多个所述读取位线沿所述第一方向依次交替间隔排布，且各所述写入位线分别位于各列沿所述第二方向间隔排布的所述磁隧道结结构的同一侧。

3.根据权利要求2所述的磁随机存取存储器，其特征在于，所述磁随机存取存储器还包括绝缘保护层，所述绝缘保护层填充于相邻所述字线之间、相邻所述U型变磁体连接结构之间、相邻所述磁隧道结结构之间、所述读取位线与所述写入位线之间及所述底边部与所述读取位线之间。

4.根据权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于，所述底边部与所述读取位线的底部具有间距。

5.根据权利要求4所述的磁随机存取存储器，其特征在于：所述磁随机存取存储器还包括绝缘介质层，所述绝缘介质层至少位于所述底边部与所述读取位线之间。

6.根据权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于：所述侧壁部与所述磁隧道结结构的侧壁相接触。

7.根据权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于：所述磁隧道结结构包括：

钉扎铁磁层；

反铁磁层，位于所述钉扎铁磁层的表面；

自由铁磁层，位于所述钉扎铁磁层远离所述反铁磁层的一侧；

绝缘隧道势垒层，位于所述钉扎铁磁层与所述自由铁磁层之间。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的磁随机存取存储器，其特征在于：所述延伸部包括：

横向延伸部，一端与所述侧壁部的顶部相连接，另一端沿所述第一方向向远离所述磁隧道结结构的方向延伸；

纵向延伸部，一端与所述横向延伸部远离所述侧壁部的一端相连接， 另一端自所述横向延伸部向下延伸。

9.一种磁随机存取存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供衬底；

于所述衬底的上表面形成写入位线及U型变磁体连接结构的底边部，所述底边部一端与所述写入位线相连接，且所述底边部沿第一方向延伸，所述写入位线沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向相垂直；

于所述衬底的上表面、所述写入位线的表面及所述底边部的表面形成绝缘介质层，所述绝缘介质层覆盖所述衬底的上表面、所述写入位线的表面及所述底边部的表面；

于所述绝缘介质层的上表面形成读取位线，所述读取位线沿所述第二方向延伸；所述读取位线位于所述写入位线的一侧，与所述写入位线具有间距，且所述读取位线横跨所述底边部；

于所述读取位线对应于所述底边部部分的上表面形成磁隧道结结构；

于所述绝缘介质层的上表面形成绝缘保护层，所述绝缘保护层覆盖所述绝缘介质层的上表面、所述读取位线及所述磁隧道结结构，且所述绝缘保护层的上表面与所述磁隧道结结构的上表面相平齐；

于所述绝缘保护层及所述绝缘介质层内形成通孔，所述通孔包括侧壁通孔及延伸通孔；所述侧壁通孔位于所述磁隧道结结构相对的两侧，且沿所述绝缘保护层及所述绝缘介质层的厚度方向贯穿所述绝缘保护层及所述绝缘介质层，以暴露出所述底边部；所述延伸通孔的一端与所述侧壁通孔相连接，另一端自所述侧壁通孔沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构的方向延伸；

于所述侧壁通孔内形成所述U型变磁体连接结构的侧壁部，并于所述延伸通孔内形成延伸部；所述侧壁部的底部与所述底边部相连接；所述延伸部的一端与所述侧壁部相连接，另一端自所述侧壁部沿所述第一方向向远离位于所述磁隧道结结构的方向延伸，所述延伸部增强临近所述磁隧道结结构的翻转磁场；

于所述绝缘保护层的上表面形成字线，所述字线沿所述第一方向延伸，所述字线与所述磁隧道结结构的上表面及位于所述磁隧道结结构远离所述延伸部一侧的所述侧壁部的上表面相连接。

10.根据权利要求9所述的磁随机存取存储器的制备方法，其特征在于，于所述读取位线对应于所述底边部部分的上表面形成磁隧道结结构包括如下步骤：

于所述读取位线对应于所述底边部部分的上表面依次形成由下至上依次贴置的反铁磁层、钉扎铁磁层、绝缘隧道势垒层及自由铁磁层。

11.根据权利要求9或10所述的磁随机存取存储器的制备方法，其特征在于：所述延伸部包括：

横向延伸部，一端与所述侧壁部的顶部相连接，另一端沿所述第一方向向远离所述磁隧道结结构的方向延伸；

纵向延伸部，一端与所述横向延伸部远离所述侧壁部的一端相连接，另一端自所述横向延伸部向下延伸。

Images