CN111933792A - 磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备 - Google Patents

磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备，磁随机存储器包括多个呈阵列排布的磁隧道结单元，磁隧道结单元包括衬底层及设于衬底层上的缓冲层、磁自由层、隧穿绝缘层、铁磁层及钉扎层，缓冲层设于衬底层与磁自由层之间，以提高磁自由层的外延结晶质量；磁自由层包括第一化合物，第一化合物包括Cr元素和S元素，第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构；隧穿绝缘层设于磁自由层与铁磁层之间，以形成异质结结构；钉扎层设于铁磁层上，用于固定铁磁层的磁化方向。本申请提供了一种能与现有工艺兼容又不需要大电流翻转磁矩的磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备。

Description

磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备
技术领域
本申请涉及存储芯片技术领域，具体涉及一种磁随机存储器及其制备方法、存储芯片。
背景技术
随着信息社会的高速发展，人们对于信息处理速度和存储的要求越来越高，现有的静态和动态随机存取存储器的发展，可以预见的不能满足高速计算的需求，对于新型存取存储器件的开发和应用已经成为学术界和工业界的研究趋势。
作为非易失性存储器件的一种，磁随机存储可能是目前非常希望替代传统随机存取存储器且能与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容的技术。
相关技术中，自旋轨道矩-磁随机存储器通过磁自由层磁矩的翻转产生自旋流，导致磁阻的改变，通过磁阻的大小变化来写入和读取数据。由于自旋轨道矩-磁随机存储器是利用自旋轨道转矩（STT）效应才能改变自由层磁化的方向，而这需要很大的电流密度。所以这一技术需要大电流来翻转磁自由层的磁矩，如此，导致存储器的能耗过大，同时也会损耗存储器的使用寿命。在另一些相关技术中，由于铁磁材料能提供自旋极化载流子，所以相关技术人员为了减少存储器的能耗，采用铁磁材料作为自由层，然而这通常需要引入比较厚的铁磁材料，且铁磁材料很难与现有工艺兼容，例如，直接在半导体上生长铁磁材料需要在360℃下进行退火工艺，从而让金属在界面处外延结晶，但是退火过程中，结晶的速度很难得到控制，这经常导致期待的外延结晶被破坏，不利于器件的集成。
因此，如何设计一款能与现有工艺兼容又不需要大电流翻转磁矩的磁随机存储器是实现非易失性存储的迫切需要。
发明内容
本申请提供一种能与现有工艺兼容又不需要大电流翻转磁矩的磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备。
第一方面，本申请实施例提供的一种磁随机存储器，包括衬底层及设于所述衬底层上的缓冲层、磁自由层、隧穿绝缘层、铁磁层及钉扎层，所述缓冲层设于所述衬底层与所述磁自由层之间，以提高所述磁自由层的外延结晶质量；所述磁自由层包括第一化合物，所述第一化合物包括Cr元素和S元素，所述第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构；所述隧穿绝缘层设于所述磁自由层与所述铁磁层之间，以形成异质结结构；所述钉扎层设于所述铁磁层上，用于固定所述铁磁层的磁化方向。
在一种可能的实施方式中，所述缓冲层包括硒化锌层、硫化锌层中的至少一者，所述硒化锌层的厚度小于或等于60nm。
在一种可能的实施方式中，所述第一化合物包括Mn1-xCrxS，所述x的取值为0~1，所述磁自由层的厚度小于或等于50nm。
在一种可能的实施方式中，所述铁磁层包括第二化合物，所述第二化合物包括Cr元素和S元素，所述第二化合物的晶体结构为闪锌矿型结构。
在一种可能的实施方式中，所述第二化合物包括Mn1-xCrxS，所述x的取值为0~1，所述铁磁层的厚度小于或等于50nm。
在一种可能的实施方式中，所述隧穿绝缘层包括硒化锌层，所述硒化锌层的厚度为1~5nm。
在一种可能的实施方式中，所述衬底层包括砷化镓层。
在一种可能的实施方式中，所述钉扎层包括反铁磁材料层、拓扑绝缘体层或者外尔半导体层中的至少一者。
第二方面，本申请实施例提供了一种磁随机存储器的制备方法，包括：
成型衬底层；
采用化学气相沉积法在所述衬底层上成型缓冲层；
在所述缓冲层上成型磁自由层，所述磁自由层包括第一化合物，所述第一化合物包括Cr元素和S元素，所述第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构；
在所述磁自由层上成型隧穿绝缘层和铁磁层，使所述隧穿绝缘层设于所述磁自由层与所述铁磁层之间，以形成异质结结构；
在所述铁磁层上成型钉扎层，以固定所述铁磁层的磁化方向。
在一种可能的实施方式中，所述衬底层为砷化镓层；所述成型衬底层之后，包括：
制备腐蚀液，所述腐蚀液包括体积比分别为1:1:1的硫酸、双氧水和水；
将所述衬底层设于所述腐蚀液中，加热至第一温度以去除表面氧化物，再冷却至第二温度，所述第一温度为600℃，所述第二温度为270℃；
所述采用化学气相沉积法在所述衬底层上成型缓冲层，包括：
在所述第二温度下采用化学气相沉积法在所述衬底层上生长硒化锌层，以成型缓冲层，使所述缓冲层的厚度小于或等于60nm；
所述在所述缓冲层上成型磁自由层，包括：
将硫化锌和含铬、锰元素的化合物作为原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述缓冲层上成型Mn1-xCrxS层，以形成磁自由层，所述x的取值为0~1，所述磁自由层的厚度小于或等于50nm；
所述在所述磁自由层上成型隧穿绝缘层和铁磁层，包括：
在所述第二温度下在所述磁自由层上生长硒化锌层，以成型隧穿绝缘层，使所述隧穿绝缘层的厚度为1~5nm；
将硫化锌和含铬、锰元素的化合物作为原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述隧穿绝缘层上成型Mn1-xCrxS层，以形成铁磁层，所述x的取值为0~1，所述铁磁层的厚度小于或等于50nm；
所述在所述铁磁层上成型钉扎层，包括：
采用磁控溅射方式在所述铁磁层上生长钉扎层，使所述钉扎层的材质包括反铁磁材料、拓扑绝缘体、或者外尔半导体中的至少一者。
在一种可能的实施方式中，所述将硫化锌和含铬、锰元素的化合物作为原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述隧穿绝缘层上成型Mn1-xCrxS层，以形成铁磁层，包括：
将二氧化铬、硫化锰、硫化锌以质量百分比为3:1:3的配比形成原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述隧穿绝缘层上成型Mn1-xCrxS层，以形成铁磁层。
在一种可能的实施方式中，在采用化学气相沉积法在所述衬底层上成型缓冲层之后，还包括：对缓冲层进行表面光滑处理。
第三方面，本申请提供了一种存储芯片，包括所述的磁随机存储器。
第四方面，本申请提供了一种电子设备，包括所述的存储芯片。
本申请实施例通过在衬底层上形成缓冲层，并在缓冲层上形成磁自由层，相较于直接在衬底层上生成磁自由层，本实施例中磁自由层的生长工艺能够与现有工艺兼容，磁自由层的结晶的速度更加容易控制，以利于生长出期待的外延结晶，解决了铁磁材料难以生长的问题，同时，磁自由层包括具有为闪锌矿型结构的CrS系列化合物，闪锌矿型结构的CrS系列化合物能够提供较多的自旋极化载流子，由于磁自由层能够提供较多的自旋极化载流子，所以不需要大电流驱动磁自由层磁化方向翻转，以减小能耗和增加使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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是本申请实施例提供的一种磁随机存储器的结构示意图；
图2是图1提供的磁隧道结单元的膜层结构示意图；
图3是图2提供的磁随机存储器中磁隧道结单元集成阵列的结构示意图；
图4是图3提供的磁随机存储器的局部结构示意图；
图5是本申请实施例提供的一种磁随机存储器的制备方法的流程图。
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。本申请所列举的实施例之间可以适当的相互结合。
相关技术中，自旋轨道矩-磁随机存储器通过磁自由层磁矩的翻转产生自旋流，导致磁阻的改变，由于自旋轨道矩-磁随机存储器是利用自旋轨道转矩（STT）效应才能改变自由层磁化的方向，而这需要很大的电流密度。所以这一技术需要大电流来翻转磁自由层的磁矩，如此，导致存储器的能耗过大，同时也会损耗存储器的使用寿命。在另一些相关技术中，由于铁磁材料能提供自旋极化载流子，所以相关技术人员为了减少存储器的能耗，采用铁磁材料作为自由层，然而这通常需要引入比较厚的铁磁材料，且铁磁材料很难与现有工艺兼容，例如，直接在半导体上生长铁磁材料需要在360℃下进行退火工艺，从而让金属在界面处外延结晶，但是退火过程中，结晶的速度很难得到控制，这经常导致期待的外延结晶被破坏，不利于器件的集成。
基于上述的问题，本申请提供了一种能与现有工艺兼容又不需要大电流翻转磁矩的磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备。
请参阅图1，本申请实施例提供的一种磁随机存储器100，磁随机存储器100包括多个呈阵列排布的磁隧道结单元200。至少一个磁隧道结单元200包括衬底层1及设于所述衬底层1上的缓冲层2、磁自由层3、隧穿绝缘层4、铁磁层5及钉扎层6。
请参阅图2，所述缓冲层2设于所述衬底层1与所述磁自由层3之间，以提高所述磁自由层3的外延结晶质量。具体的，衬底层1为半导体层。假设直接在半导体衬底层1上生长磁自由层3需要在360℃下进行退火工艺，从而让金属在界面处外延结晶，但是退火过程中，结晶的速度很难得到控制，这经常导致期待的外延结晶被破坏。本实施通过在衬底层1上先生长缓冲层2，该缓冲层2可在较低的温度下（例如270℃）下在半导体衬底层1上生长。举例而言，衬底层1为半导体层，例如砷化镓层。缓冲层2为ZnSe层。磁自由层3为Mn1-xCrxS化合物层。
从原理上说，由于铬原子和硫原子、硒原子的电负性差异较大，半金属Mn1-xCrxS很容易通分子束外延的方法在锌化非金属化合物(例如，ZnSe或 ZnS）上生长，形成没有缺陷的异质结结构，并且整个过程中的生长速度是可控的。而铬原子和Ga原子、As原子的电负性差异较小，从原理上就决定了直接在衬底层1生长磁自由层3的效率不如在缓冲层2。如此，本申请通过在衬底层1上先生长缓冲层2，可规避直接在衬底层1生长磁自由层3需要退火工艺。
从另一方面来说，如果直接在衬底层1直接生长磁自由层3，一方面因为加入退火工艺导致磁自由层3的良率太低，另一方面现有的成熟技术只限定Co/ CoFe 等磁自由层材料，和MgO/ Al2O3 半导体层，极大地限制了磁自由层3的可选择性。
电负性差异导致磁自由层3更容易与缓冲层2形成异质结构，同时在衬底层1上生长缓冲层2用的是化学气相淀积工艺，成本较小，且缓冲层2与半导体衬底1 的晶格常数，晶格类型匹配度高，产品良率也相应的提高。
磁自由层3的磁化方向可以随外场方向变化。所述磁自由层3包括第一化合物。所述第一化合物包括Cr元素和S元素，所述第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构。闪锌矿型结构是维持磁自由层3半金属性的关键，闪锌矿型结构以使CrS系列化合物产生自旋极化的电子并参与导电。磁自由层3为具有半金属性的Mn1-xCrxS三元化合物层，由于其能带劈裂，能产生完全自旋极化的电子参与导电，从而达到提高自旋注入效率的目的。其中，所述第一化合物可以为包括Cr元素和S元素的二元、三元、四元、五元等多元化合物。
请参阅图2，所述隧穿绝缘层4为非磁性绝缘材料，所述隧穿绝缘层4设于所述磁自由层3与所述铁磁层5之间，以形成异质结结构。所述磁自由层3、所述隧穿绝缘层4与所述铁磁层5形成磁隧道结。所述钉扎层6设于所述铁磁层5上，用于固定所述铁磁层5的磁化方向，以使铁磁层5的磁化方向不能改变。
本申请实施例通过在衬底层1上形成缓冲层2，并在缓冲层2上形成磁自由层3，相较于直接在衬底层1上生成磁自由层3，本实施例中磁自由层3的生长工艺能够与现有工艺兼容，磁自由层3的结晶的速度更加容易控制，以利于生长出期待的外延结晶，解决了铁磁材料难以生长的问题，同时，磁自由层3包括具有为闪锌矿型结构的CrS系列化合物，闪锌矿型结构的CrS系列化合物能够提供较多的自旋极化载流子，由于磁自由层3能够提供较多的自旋极化载流子，所以不需要大电流驱动磁自由层3磁化方向翻转，以减小能耗和增加使用寿命。
在一种可能的实施方式中，所述衬底层1包括半导体层，例如，砷化镓层。
在一种可能的实施方式中，所述缓冲层2包括硒化锌层、硫化锌层或ZnSe 与ZnS的复合结构。在其他实施方式中，所述缓冲层2可以选用ZnFeO3、CoFePtO4、Co20Fe80等。本申请以缓冲层2为硒化锌层进行举例说明。具体的，可使用硫酸、双氧水及水体积比例为1:1:1的溶液作为腐蚀液，将衬底层1放入腐蚀液中加热到600℃以去除表面氧化物，随后冷却到270℃，采用化学气相沉积在衬底层1上生长硒化锌层。
冷却到270℃生长硒化锌层的原因在于，下一步分子束外延中，控制缓冲层2为270℃的温度，使处于高温Mn1-xCrxS束能够靠着合适的温度差在缓冲层2上生长。温度过高影响硒化锌层的生长速度，温度过低会破坏硒化锌层的外延质量。
硒化锌层除了有助于磁自由层3生长的原因在于，从原理上说，由于铬原子和硫原子、硒原子的电负性差异较大，半金属Mn1-xCrxS很容易通分子束外延的方法在锌化非金属化合物(例如，ZnSe或 ZnS）上生长，形成没有缺陷的异质结结构，并且整个过程中的生长速度是可控的。
所述硒化锌层的厚度小于或等于60nm，进一步地，硒化锌层的厚度可为40-60nm。当硒化锌层的厚度小于40nm时，无法有效保证最外层硒化锌层是闪锌矿型结构。当硒化锌层的厚度大于60nm时会增加磁随机存储器100的实际面积，不利于提高磁随机存储器100集成度。在保持最外层硒化锌层是闪锌矿型结构后，分子束外延工艺就能使磁自由层3也是闪锌矿型结构。
在一种可能的实施方式中，所述第一化合物包括Mn1-xCrxS，所述x的取值为0~1。Mn在Mn1-xCrxS中起到稳定晶格结构的作用，单独的Cr与S不能形成稳定的闪锌矿型结构，会转而形成没有半金属性的六方密堆积结构，所以这里要引入Mn原子来代替一部分Cr原子的位置，抑制它的转变。还因为Mn原子与Cr原子的大小相近，不会因为替代了部分Cr原子的位置而导致不希望出现的替位式缺陷。在实际生产中，可尽可能的控制生长温度和用料比例，使Mn1-xCrxS三元化合物层中的锰的含量降低以保持材料的稳定性。在实验中发现，仅仅只需x=0.9就能保持晶格结构稳定，如果继续加大Mn的含量，反而出现了各种原因未知的缺陷，所以使用本文所给的参数能够最大限度地保持良率。
本实施例中，可通过分子束外延工艺在缓冲层2成型Mn1-xCrxS层。具体的，可使用ZnS和其他含铬、锰元素的化合物作为原材料，采用分子束外延工艺，控制生长温度在780℃到840℃之间，以在缓冲层2上成型Mn1-xCrxS层。温度高于780摄氏度，Mn1-xCrxS才会变成可控制的原子级别从而可被操纵外延生长，温度高于840摄氏度时，蒸发速度过快Mn1-xCrxS没来得及沉在缓冲层2上就被蒸发了。
所述磁自由层3的厚度等于50nm，保证磁自由层3已经按照缓冲层2的晶格结构和晶向生长了40层以上，以保持晶格结构稳定。
在其他实施方式中，第一化合物还可以包括Mn1-xCrxTeO、Co10Mn10Pt20、CoFeGaSi或Mn1-xCrxS 与Mn1-xCrxO的混合物，以使第一化合物产生高度极化的自旋流。
在一种可能的实施方式中，所述隧穿绝缘层4包括硒化锌层。所述硒化锌层的厚度为1~5nm。具体的，所述隧穿绝缘层4中硒化锌层的厚度可控制在5nm以内。隧穿绝缘层4厚度小于1nm不能有效阻挡电子在磁自由层3和铁磁层5之间的隧穿，将导致存储单元永远不能表达出高阻态。隧穿绝缘层4层厚度大于5nm会导致阻挡作用太强，会在自由层3和铁磁层5之间产生一个绝缘区域，会导致磁自由层3和铁磁层5磁化方向相同时，磁存储单元依然表现出高阻态，不能正确存取数据以至于器件失效。由于存储器的读写过程中伴随着存储单元的电阻高低变化，隧穿绝缘层的作用就是阻挡电子的隧穿，不至于让存储单元在电阻较低的情况下有大电流通过，从而让器件失效。
选用硒化锌层作为隧穿绝缘层4的原因包括，第一、硒化锌层能与半金属材料通过分子束外延工艺形成实用的异质结，而常见的硅锗则不行。第一、硒化锌层是一种带隙高达1.2电子伏特的半导体，仅仅需要数层原子就能阻挡电子的隧穿，而更薄的层数就意味着更小的器件面积，更大的器件集成度，如果用常规半导体，带隙不够大，那么该层厚度可能远超5nm, 在造成额外的成本的同时降低存储器性能。
缓冲层2和隧穿绝缘层4的材质相同，容易与磁自由层3形成完美的异质结构，减少了原料种类，减少了材料成本。
在一种可能的实施方式中，所述铁磁层5包括第二化合物。所述第二化合物包括Cr元素和S元素。所述第二化合物的晶体结构为闪锌矿型结构。
可选的，铁磁层5的材质可与磁自由层3的材质相同或不同。本实施例中，铁磁层5的材质可与磁自由层3的材质相同，那么铁磁层5的生长工艺与磁自由层3的生长工艺相同，在制备铁磁层5时可重复磁自由层3的生长工艺，如此，使得铁磁层5与磁自由层3的外延结晶结构更加优良，且整个磁随机存储器100的制备工艺更加简单。
在一种可能的实施方式中，所述第二化合物包括Mn1-xCrxS，所述x的取值为0~1，所述铁磁层5的厚度小于或等于50nm，以保持晶格结构稳定。具体的，可使用ZnS和其他含铬、锰元素的化合物作为原材料，采用分子束外延工艺，控制生长温度在780℃到840℃之间，以在隧穿绝缘层4上成型Mn1-xCrxS层。
Mn在Mn1-xCrxS中起到稳定晶格结构的作用，单独的Cr与S不能形成稳定的闪锌矿型结构，会转而形成没有半金属性的六方密堆积结构，所以这里要引入Mn原子来代替一部分Cr原子的位置，抑制它的转变。还因为Mn原子与Cr原子的大小相近，不会因为替代了部分Cr原子的位置而导致不希望出现的替位式缺陷。在实际生产中，可尽可能的控制生长温度和用料比例，使Mn1-xCrxS三元化合物层中的锰的含量降低以保持材料的稳定性。在实验中发现，仅仅只需x=0.9就能保持晶格结构稳定，如果继续加大Mn的含量，反而出现了各种原因未知的缺陷，所以使用本文所给的参数能够最大限度地保持良率。
本实施例中，可通过分子束外延工艺在隧穿绝缘层4成型Mn1-xCrxS层。具体的，可使用ZnS和其他含铬、锰元素的化合物作为原材料，采用分子束外延工艺，控制生长温度在780℃到840℃之间，以在隧穿绝缘层4上成型Mn1-xCrxS层。温度高于780摄氏度，Mn1-xCrxS才会变成可控制的原子级别从而可被操纵外延生长，温度高于840摄氏度时，蒸发速度过快Mn1-xCrxS没来得及沉在隧穿绝缘层4上就被蒸发了。
所述铁磁层5的厚度等于50nm，保证铁磁层5已经按照隧穿绝缘层4的晶格结构和晶向生长了40层以上，以保持晶格结构稳定。
在其他实施方式中，第二化合物还可以包括Mn1-xCrxTeO、Co10Mn10Pt20、CoFeGaSi或Mn1-xCrxS 与Mn1-xCrxO的混合物，以使第二化合物产生高度极化的自旋流。
在一种可能的实施方式中，所述钉扎层6包括反铁磁材料层、拓扑绝缘体层或者外尔半导体层中的至少一者。所述钉扎层6用来钉铁磁层5的扎磁矩，让与其连接的铁磁层5的磁化方向无法改变。拓扑绝缘体层包括但不限于MnBi2Te4单晶等。外尔半导体层的材质包括但不限于Te等。所述钉扎层6的厚度为100nm~130nm。
本申请实施例提供的磁隧道结单元200，在制备磁自由层3前，在衬底层1上生成缓冲层2，该缓冲层2可避免磁自由层3直接生长在衬底层1上，在缓冲层2上生长磁自由层3的生长，能够生成更加良好的外延结晶；而且，通过使磁自由层3和铁磁层5均为具有半金属性且为闪锌矿型结构的Mn1-xCrxS化合物层，以提高自旋注入效率，通过缓冲层2和隧穿绝缘层4皆为硒化锌层，形成GaAs/ZnSe /Mn1-xCrxS/ZnSe /Mn1-xCrxS的异质结结构，采用化学气相沉积法制备，能够与半导体制造工艺兼容，有利于大规模集成；磁自由层3和铁磁层5的材质相同，及缓冲层2和隧穿绝缘层4的材质相同，可重复部分工艺，简化了磁隧道结单元200的制备工艺，还提高磁隧道结单元200的稳定性。
换言之，本申请提供的基于闪锌矿Mn1-xCrxS的多层膜结构，磁自由层3为基于闪锌矿的Mn1-xCrxS层、硒化锌的磁隧道结，形成的多层膜结构作为磁随机存储器100的基本单元，不需要大电流驱动自由层磁化方向翻转从而减少芯片的能耗，解决现有技术中铁磁材料难以生长的问题，能够与半导体制造工艺兼容，能大批量制造节省成本，有利于大规模集成，减少芯片能耗。
请参阅图3，磁随机存储器100还包括位线10和写字线11。磁随机存储器100的磁隧道结单元200按功能需求分为选中单元7、半选中单元8和未选中单元9，在层状结构中，选中单元7、半选中单元8和未选中单元9的上侧（参考图3的视角）分别与位线10电连接，选中单元7、半选中单元8和未选中单元9的下侧（参考图3的视角）分别与写字线11电连接，位线10与写字线11相互垂直设置。需要说明的是，随机存储器的读写需要靠地址选中对应的单元进行读写操作。先通过地址线寻址找到对应单元，再进行读写操作，这种阵列上集成的单元数量以亿记，选中单元7指通过寻址，正在进行读写的单元。未选中单元9，就是不选中。半选中单元8指已经通过寻址锁定位置，还未进行读写操作（即将进行读写操作）。
请参阅图3及图4，由于磁随机存储器100的磁隧道结单元200是外加场型的磁隧道结，通过写字线11诱导对应单元磁自由层3的磁矩发生翻转来实现信息的写入。在数据写入过程中，晶体管关断，写字线11的电信号随着电流的变化影响磁场，在两根线（位线10与写字线11相互垂直交叉，磁隧道结单元200位于交叉点，且磁隧道结单元200位上侧为位线10、磁隧道结单元200位下侧为写字线11）的交叉处，就会产生磁场强度的峰值，如果该值大于磁隧道结自由层磁化方向转变的阀值，就会导致自由层磁化方向发生反转，磁随机存储器100的阻值随之变化，信息就被存储完毕。读出操作时，晶体管导通，读电流由位线10流经磁隧道结和外接晶体管，在位线10在数据写入和读操作的过程中保持读电流大小一致的情况下，输出电压取决于器件电阻的大小，当铁磁层55磁化方向平行时，电阻较小，输出电压较低，即输出信号‘0’，反之，对应单元铁磁层55磁化方向反平行时，电阻较大，输出电压较高，输出信号‘1’。这样，不需要大电流驱动自由层磁化方向翻转从而减少能耗。
本申请提供了一种存储芯片，包括所述的磁随机存储器100。
本申请提供了一种电子设备，包括所述的存储芯片。所述电子设备可以为电话、电视、平板电脑、手机、照相机、个人计算机、笔记本电脑、车载设备、可穿戴设备、基站、服务器等具有存储芯片的设备。存储芯片用于解决包括计算机或手机启动慢、数据丢失、数据装载缓慢、电池寿命短等问题，明显改变消费者使用电子没备的方式。
请参阅图5，本申请实施例提供了一种磁随机存储器100的制备方法，用于制备上述任意一项所述的磁随机存储器100，包括以下的步骤。以下步骤结合参考图1至图4。
步骤110：成型衬底层1。
具体的，所述衬底层1为砷化镓层。在步骤110，所述成型衬底层1之后，还包括：制备腐蚀液，所述腐蚀液包括硫酸、双氧水和水，其中，所述硫酸、所述双氧水和所述水的配比为1:1:1；将所述衬底层1设于所述腐蚀液中，加热至第一温度以去除表面氧化物，再冷却至第二温度，所述第一温度为600℃，所述第二温度为270℃。
步骤120：采用化学气相沉积法在所述衬底层1上成型缓冲层2。
在所述第二温度下采用化学气相沉积法在所述衬底层1上生长硒化锌层，以成型缓冲层2，控制生长的时间，使所述缓冲层2的厚度小于或等于60nm。进一步地，硒化锌层的厚度可为40-60nm。
在一种可能的实施方式中，在采用化学气相沉积法在所述衬底层1上成型缓冲层2之后，还包括：对缓冲层2进行表面光滑处理，以使磁自由层3按晶体排列一层层地生长形成薄膜。具体的，用去离子水对缓冲层2冲洗10分钟。
步骤130：在所述缓冲层2上成型磁自由层3，所述磁自由层3包括第一化合物，所述第一化合物包括Cr元素和S元素，所述第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构。
可通过分子束外延工艺的方式在缓冲层2成型Mn1-xCrxS层。将硫化锌和含铬、锰元素的化合物作为原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述缓冲层2上成型Mn1-xCrxS层，以形成磁自由层3，所述x的取值为0~1，所述磁自由层3的厚度小于或等于50nm。磁自由层3为具有半金属性的Mn1-xCrxS化合物层，从而达到提高自旋注入效率的目的。
在实际生产中，可尽可能的控制生长温度和用料比例，使Mn1-xCrxS三元化合物层中的锰的含量降低以保持材料的稳定性。
具体的，将二氧化铬、硫化锰、硫化锌以3:1:3的配比形成原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述缓冲层2上成型Mn1-xCrxS层，以形成磁自由层3。
所述磁自由层3的厚度小于或等于50nm，以保持晶格结构稳定。
步骤140：在所述磁自由层3上成型隧穿绝缘层4和铁磁层5，使所述隧穿绝缘层4设于所述磁自由层3与所述铁磁层5之间，以形成异质结结构。
该磁自由层3和铁磁层5均为具有半金属性的Mn1-xCrxS化合物层，且Mn1-xCrxS化合物层均为闪锌矿型结构，从而达到提高自旋注入效率的目的。
在所述第二温度下在所述磁自由层3上生长硒化锌层，以成型隧穿绝缘层4，使所述隧穿绝缘层4的厚度为5nm以内以保持晶格结构稳定。
可通过分子束外延工艺的方式在隧穿绝缘层4成型Mn1-xCrxS层。将硫化锌和含铬、锰元素的化合物作为原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述隧穿绝缘层4上成型Mn1-xCrxS层，以形成铁磁层5，所述x的取值为0~1，所述铁磁层5的厚度小于或等于50nm。
具体的，将二氧化铬、硫化锰、硫化锌以3:1:3的配比形成原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述隧穿绝缘层4上成型Mn1-xCrxS层，以形成铁磁层5。
磁自由层3和铁磁层5中Mn1-xCrxS化合物层均可采用化学气相沉积法方式制备。
可选的，铁磁层5的材质可与磁自由层3的材质相同或不同。本实施例中，铁磁层5的材质可与磁自由层3的材质相同，那么铁磁层5的生长工艺与磁自由层3的生长工艺相同，在制备铁磁层5时可重复磁自由层3的生长工艺，如此，使得铁磁层5与磁自由层3的外延结晶结构更加优良，且整个磁随机存储器100的制备工艺更加简单。
步骤150：在所述铁磁层5上成型钉扎层6，以固定所述铁磁层5的磁化方向。
采用磁控溅射方式在所述铁磁层5上生长钉扎层6，使所述钉扎层6的材质包括反铁磁材料、拓扑绝缘体、或者外尔半导体中的至少一者。所述钉扎层6用来钉扎铁磁层5的钉扎，让与其连接的铁磁层5的磁化方向无法改变。拓扑绝缘体层包括但不限于MnBi2Te4单晶等。外尔半导体层的材质包括但不限于Te等。所述钉扎层6的厚度为100nm~130nm。
本申请实施例提供的磁随机存储器100的制备方法，在制备磁自由层3前，在衬底层1上生成缓冲层2，该缓冲层2可避免磁自由层3直接生长在衬底层1上，在缓冲层2上生长磁自由层3的生长，能够生成更加良好的外延结晶；而且，通过使磁自由层3和铁磁层5均为具有半金属性且为闪锌矿型结构的Mn1-xCrxS化合物层，以提高自旋注入效率，通过缓冲层2和隧穿绝缘层4皆为硒化锌层，形成GaAs/ZnSe /Mn1-xCrxS /ZnSe /Mn1-xCrxS的异质结结构，采用化学气相沉积法方式联合制备，能够与半导体制造工艺兼容，有利于大规模集成；磁自由层3和铁磁层5的材质相同，及缓冲层2和隧穿绝缘层4的材质相同，可重复部分工艺，简化了磁隧道结单元200的制备工艺，还提高磁隧道结单元200的稳定性。
以上所述是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

Claims (14)

1.一种磁随机存储器，其特征在于，包括多个呈阵列排布的磁隧道结单元，所述磁隧道结单元包括衬底层及设于所述衬底层上的缓冲层、磁自由层、隧穿绝缘层、铁磁层及钉扎层，所述缓冲层设于所述衬底层与所述磁自由层之间，以提高所述磁自由层的外延结晶质量；所述磁自由层包括第一化合物，所述第一化合物包括Cr元素和S元素，所述第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构；所述隧穿绝缘层设于所述磁自由层与所述铁磁层之间，以形成异质结结构；所述钉扎层设于所述铁磁层上，用于固定所述铁磁层的磁化方向。
2.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述缓冲层包括硒化锌层、硫化锌层中的至少一者，所述缓冲层的厚度小于或等于60nm。
3.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述第一化合物包括Mn1-xCrxS，所述x的取值为0~1，所述磁自由层的厚度小于或等于50nm。
4.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述铁磁层包括第二化合物，所述第二化合物包括Cr元素和S元素，所述第二化合物的晶体结构为闪锌矿型结构。
5.根据权利要求4所述的磁随机存储器，其特征在于，所述第二化合物包括Mn1-xCrxS，所述x的取值为0~1，所述铁磁层的厚度小于或等于50nm。
6.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述隧穿绝缘层包括硒化锌层，所述硒化锌层的厚度为1~5nm。
7.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述衬底层包括砷化镓层。
8.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述钉扎层包括反铁磁材料层、拓扑绝缘体层或者外尔半导体层中的至少一者。
9.一种磁随机存储器的制备方法，其特征在于，包括：
成型衬底层；
采用化学气相沉积法在所述衬底层上成型缓冲层；
在所述缓冲层上成型磁自由层，所述磁自由层包括第一化合物，所述第一化合物包括Cr元素和S元素，所述第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构；
在所述磁自由层上成型隧穿绝缘层和铁磁层，使所述隧穿绝缘层设于所述磁自由层与所述铁磁层之间，以形成异质结结构；
在所述铁磁层上成型钉扎层，以固定所述铁磁层的磁化方向。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述衬底层为砷化镓层；所述成型衬底层之后，包括：
制备腐蚀液，所述腐蚀液包括体积比分别为1:1:1的硫酸、双氧水和水；
将所述衬底层设于所述腐蚀液中，加热至第一温度以去除表面氧化物，再冷却至第二温度，所述第一温度为600℃，所述第二温度为270℃；
所述采用化学气相沉积法在所述衬底层上成型缓冲层，包括：
在所述第二温度下采用化学气相沉积法在所述衬底层上生长硒化锌层，以成型缓冲层，使所述缓冲层的厚度小于或等于60nm；
所述在所述缓冲层上成型磁自由层，包括：
将硫化锌和含铬、锰元素的化合物作为原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述缓冲层上成型Mn1-xCrxS层，以形成磁自由层，所述x的取值为0~1，所述磁自由层的厚度小于或等于50nm；
所述在所述磁自由层上成型隧穿绝缘层和铁磁层，包括：
在所述第二温度下在所述磁自由层上生长硒化锌层，以成型隧穿绝缘层，使所述隧穿绝缘层的厚度为1~5nm；
将硫化锌和含铬、锰元素的化合物作为原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述隧穿绝缘层上成型Mn1-xCrxS层，以形成铁磁层，所述x的取值为0~1，所述铁磁层的厚度小于或等于50nm；
所述在所述铁磁层上成型钉扎层，包括：
采用磁控溅射方式在所述铁磁层上生长钉扎层，使所述钉扎层的材质包括反铁磁材料、拓扑绝缘体、或者外尔半导体中的至少一者。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述将硫化锌和含铬、锰元素的化合物作为原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述隧穿绝缘层上成型Mn1-xCrxS层，以形成铁磁层，包括：
将二氧化铬、硫化锰、硫化锌以质量百分比为3:1:3的的配比形成原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述隧穿绝缘层上成型Mn1-xCrxS层，以形成铁磁层。
12.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在采用化学气相沉积法在所述衬底层上成型缓冲层之后，还包括：对所述缓冲层进行表面光滑处理。
13.一种存储芯片，包括如权利要求1~8任意一项所述的磁随机存储器。
14.一种电子设备，包括如权利要求13所述的存储芯片。
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