CN114694705A - 一种磁性存储单元及磁性存储器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本发明所提供的磁性存储单元，从下至上依次包括磁性参考层、隧道层、磁性自由层及盖帽层；所述磁性自由层包括多个存储结构单元；所述存储结构单元从下至上依次包括第一铁磁性层、非磁性金属间隔层、第二铁磁性层及氧化物界面层；所述磁性自由层侧壁覆盖有高导电层，所述高导电层的上边缘与所述盖帽层导电接触设置，所述高导电层的下边缘不低于第一存储结构单元的氧化物界面层；所述高导电层的下边缘与所述第一存储结构单元的第二铁磁性层不接触。本发明使多层存储结构单元间短路连接，降低层叠产生的串联电阻占磁性隧道结的总电阻的比值，降低磁性隧道结的总电阻，提升数据存储时长。本发明同时还提供了一种磁性存储器。

Description

一种磁性存储单元及磁性存储器

技术领域

本发明涉及存储技术领域，特别是涉及一种磁性存储单元及磁性存储器。

背景技术

电流读写的磁性随机存储器(STT-MRAM)是一种极具潜力的新型存储器。与现有的其它类型存储器不同，磁性随机存储器的存储容量和读写速度都十分可观，然而要取代或部分取代现有的主流存储器，其还面临一个传统存储器不曾面对的问题，即磁存储器的数据保存时间有限，出于数据安全性的考虑，如果要将磁性随机存储器真正投入使用，需要进一步拉长所述存储器的存储时间。

现有技术中为了提升数据保存时间，可以提升存储位元尺寸，增大磁存储器的物理直径以降低存储密度，进而提升存储时间，当然，这么做不利于器件小型化，与当下存储器发展趋势不符，而另一方面，部分技术中采用多层界面叠加的方式来提升位元厚度，增大数据保存时间，但多层会带来新的界面电阻问题，使存储器性能下降。

因此，如何在不影响存储器读写性能，同时不增加存储器体积的前提下，延长数据保存时间，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁性存储单元及磁性存储器，以解决现有技术中读写性能、器件体积及数据保存时长不可兼得的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁性存储单元，从下至上依次包括磁性参考层、隧道层、磁性自由层及盖帽层；

所述磁性自由层包括多个存储结构单元；

所述存储结构单元从下至上依次包括第一铁磁性层、非磁性金属间隔层、第二铁磁性层及氧化物界面层；

所述磁性自由层侧壁覆盖有高导电层，所述高导电层的上边缘与所述盖帽层导电接触设置，所述高导电层的下边缘不低于第一存储结构单元的氧化物界面层；其中，所述第一存储结构单元为距离所述隧道层最近的存储结构单元；

所述高导电层的下边缘与所述第一存储结构单元的第二铁磁性层不接触。

优选地，在所述的磁性存储单元中，所述高导电层的下边缘不高于第二存储结构单元的氧化物界面层；其中，所述第二存储结构单元为距离所述隧道层第二近的存储结构单元。

优选地，在所述的磁性存储单元中，所述存储结构单元的数量范围为2至5个，包括端点值。

优选地，在所述的磁性存储单元中，所述氧化物界面层的厚度范围为0.5纳米至1纳米，包括端点值。

优选地，在所述的磁性存储单元中，所述高导电层包括金属铜层、金属钽层、金属钌层、金属钨层、金属钛层、金属铝层、金属钼层、金属镁层、金属铂层、金属金层或氮化金属导电层中至少一种。

优选地，在所述的磁性存储单元中，所述非磁性金属间隔层的厚度范围为0.1纳米至0.5纳米，包括端点值。

优选地，在所述的磁性存储单元中，所述磁性存储单元的制备方法包括：

在预设的基板上依次设置所述磁性参考层、所述隧道层、所述磁性自由层及所述盖帽层，并按预设图案刻蚀，得到柱状基体；

在所述柱状基体侧壁设置绝缘保护层；

通过顶层通孔刻蚀技术刻蚀所述绝缘保护层，形成通孔；其中，所述通孔的停留面不低于第一存储结构单元的氧化物界面层；

向通孔内沉积高导电材料，形成所述高导电层，得到所述磁性存储单元。

优选地，在所述的磁性存储单元中，所述磁性存储单元的制备方法包括：

在预设的基板上依次设置所述磁性参考层、所述隧道层、所述磁性自由层及所述盖帽层，并刻蚀至预设停留面，得到一次刻蚀体；其中，所述停留面不低于第一存储结构单元的氧化物界面层；

对所述一次刻蚀体进行表面沉积，得到设置于所述一次刻蚀体上的高导电层；

对沉积过所述高导电层的一次刻蚀体进行二次刻蚀，得到所述磁性存储单元。

优选地，在所述的磁性存储单元中，所述第一存储结构单元的氧化物界面层的电阻率低于所述磁性自由层中的其他氧化物界面层的电阻率。

一种磁性存储器，所述磁性存储器包括如上述任一种所述的磁性存储单元。

本发明所提供的磁性存储单元，从下至上依次包括磁性参考层、隧道层、磁性自由层及盖帽层；所述磁性自由层包括多个存储结构单元；所述存储结构单元从下至上依次包括第一铁磁性层、非磁性金属间隔层、第二铁磁性层及氧化物界面层；所述磁性自由层侧壁覆盖有高导电层，所述高导电层的上边缘与所述盖帽层导电接触设置，所述高导电层的下边缘不低于第一存储结构单元的氧化物界面层；其中，所述第一存储结构单元为距离所述隧道层最近的存储结构单元；所述高导电层的下边缘与所述第一存储结构单元的第二铁磁性层不接触。

本发明提出一种利用多个存储结构单元重复排列以延长数据存储时间的结构，通过多层界面的各向异性能使所述磁性自由层维持垂直各向异性，多层铁磁性层的铁磁耦合叠加提升了所述磁性自由层的厚度，但没有明显增加存储位元的尺寸，此外，还在现有的多层界面叠加磁性存储单元的基础上，在所述磁性自由层外围接触设置了所述高导电层，使多层存储结构单元间形成电短路连接，降低层叠产生的串联电阻占磁性隧道结的总电阻的比值，降低磁性隧道结的总电阻，保持磁性隧道结的高隧道磁阻变化率，大大提升数据存储时长。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的磁性存储器。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明提供的磁性存储单元的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明提供的磁性存储单元的制备方法的一种具体实施方式的流程示意图；

图3为本发明提供的磁性存储单元的制备方法的另一种具体实施方式的流程示意图；

图4至图5为本发明提供的磁性存储单元的制备方法的工艺流程图；

图6为本发明提供的磁性存储单元的制备方法的又一种具体实施方式的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种磁性存储单元，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，从下至上依次包括磁性参考层100、隧道层200、磁性自由层300及盖帽层400；

所述磁性自由层300包括多个存储结构单元310；

所述存储结构单元310从下至上依次包括第一铁磁性层314、非磁性金属间隔层313、第二铁磁性层312及氧化物界面层311；

所述磁性自由层300侧壁覆盖有高导电层500，所述高导电层500的上边缘与所述盖帽层400导电接触设置，所述高导电层500的下边缘不低于第一存储结构单元310的氧化物界面层311；其中，所述第一存储结构单元310为距离所述隧道层200最近的存储结构单元310；

所述高导电层500的下边缘与所述第一存储结构单元310的第二铁磁性层312不接触。

需要注意的是，本发明中的从下至上指从所述存储单元的固定基体向外，且在实际生产中，为了获得完整的磁性存储单元，通常还会在所述磁性参考层100下方设置过渡层、钉扎层及种子层等外延结构，本发明中的各个外延层为通过沉积设置的层。

另外，本发明中所述的高导电层500的下边缘可以与所述第一存储结构单元310的氧化物界面层311接触，但不可以低于所述第一存储结构单元310的氧化物界面层311。

作为一种优选实施方式，所述高导电层500的下边缘不高于第二存储结构单元310的氧化物界面层311；其中，所述第二存储结构单元310为距离所述隧道层200第二近的存储结构单元310。当然，所述高导电层500的下边缘越靠下，也就意味着所述高导电层500覆盖的所述磁性自由层300结构越多，所述磁性自由层300的总电阻越低，提升存储器性能。

具体地，所述存储结构单元310的数量范围为2至5个，包括端点值，如2.0个、3.0个或5.0个中任一个，当然，也可根据实际情况做相应选择。

另外，所述氧化物界面层311的厚度范围为0.5纳米至1纳米，包括端点值，如0.50纳米、0.79纳米或1.00纳米中任一个；所述氧化物界面的厚度足够薄，使上下2个所述存储结构单元310形成强的铁磁耦合。更进一步地，所述氧化物界面层311为氧化镁层，当然可以根据实际需要更改为其他氧化物层，如氧化铝、氧化硅、氧化钛、铝酸镁、氧化钽、氧化锆、水合氧化铁等。

具体地，所述高导电层500为金属铜层或氮化钽层，当然，也可根据实际情况做相应选择。

所述非磁性金属间隔层313的厚度范围为0.1纳米至0.5纳米，包括端点值，如0.10纳米、0.30纳米或0.50纳米中任一个。所述非磁性金属间隔层313为吸收硼的薄金属层。还有，所述非磁性金属间隔层313为金属钼层或金属钽层或金属镁层或金属钨层或金属铱层或金属钌层中任一种。

所述非磁性金属间隔层313的典型材料为Mo、Ta、W、Mg、Ir、Ru中任一种。

作为一种优选实施方式，所述磁性存储单元的侧壁还设置有绝缘保护层700，所述绝缘保护层700为氧化硅层和/或氮化硅层。

本发明所提供的磁性存储单元，从下至上依次包括磁性参考层100、隧道层200、磁性自由层300及盖帽层400；所述磁性自由层300包括多个存储结构单元310；所述存储结构单元310从下至上依次包括第一铁磁性层314、非磁性金属间隔层313、第二铁磁性层312及氧化物界面层311；所述磁性自由层300侧壁覆盖有高导电层500，所述高导电层500的上边缘与所述盖帽层400导电接触设置，所述高导电层500的下边缘不低于第一存储结构单元310的氧化物界面层311；其中，所述第一存储结构单元310为距离所述隧道层200最近的存储结构单元310；所述高导电层500的下边缘与所述第一存储结构单元310的第二铁磁性层312不接触。本发明提出一种利用多个存储结构单元310重复排列以延长数据存储时间的结构，通过多层界面的各向异性能使所述磁性自由层300维持垂直各向异性，多层铁磁性层的铁磁耦合叠加提升了所述磁性自由层300的厚度，但没有明显增加存储位元的尺寸，此外，还在现有的多层界面叠加磁性存储单元的基础上，在所述磁性自由层300外围接触设置了所述高导电层500，使多层存储结构单元310间形成电短路连接，降低层叠产生的串联电阻占磁性隧道结的总电阻的比值，降低磁性隧道结的总电阻，保持磁性隧道结的高隧道磁阻变化率，大大提升数据存储时长。

本发明同时还提供了一种磁性存储单元的制备方法，称其为具体实施方式二，其流程示意图如图2所示，包括：

S101：在预设的基板上依次设置所述磁性参考层100、所述隧道层200、所述磁性自由层300及所述盖帽层400，并按预设图案刻蚀，得到柱状基体。

S102：在所述柱状基体侧壁设置绝缘保护层700。

所述绝缘保护层700为氧化硅层和/或氮化硅层。

S103：通过顶层通孔600刻蚀技术刻蚀所述绝缘保护层700，形成通孔600；其中，所述通孔600的停留面710不低于第一存储结构单元310的氧化物界面层311。

由图4可知，所述通孔600为在所述绝缘保护层700内形成的通孔600。

S104：向通孔600内沉积高导电材料，形成所述高导电层500，得到所述磁性存储单元。

本具体实施方式中通过顶层通孔600刻蚀后的结构示意图如图4所示，本具体实施方式中将所述磁性存储的单元的全部结构通过单次刻蚀完成(即所述柱状基体)，再添加所述绝缘保护层700及所述高导电层500，流程简单，生产效率高。

本发明同时还提供了另一种磁性存储单元的制备方法，称其为具体实施方式三，其流程示意图如图3所示，包括：

S201：在预设的基板上依次设置所述磁性参考层100、所述隧道层200、所述磁性自由层300及所述盖帽层400，并刻蚀至预设停留面710，得到一次刻蚀体；其中，所述停留面710不低于第一存储结构单元310的氧化物界面层311。

S202：对所述一次刻蚀体进行表面沉积，得到设置于所述一次刻蚀体上的高导电层500。

沉积后的结构示意图如图5所示，所述一次刻蚀体以所述停留面710为分界，所述停留面710上方为进过刻蚀的柱状结构，下方为未经刻蚀的平整表面，在本步骤中，对所述一次刻蚀体整体进行高导电层500沉积，所述高导电层500覆盖所述柱状结构的顶部、上表面及停留面710所在的平整表面。

S203：对沉积过所述高导电层500的一次刻蚀体进行二次刻蚀，得到所述磁性存储单元。

由于刻蚀一般为垂直向下的刻蚀，因此在二次刻蚀中，位于所述柱状结构顶部及停留面710所在的平整表面的高导电层500会被刻蚀，而所述柱状结构侧壁的高导电层500将会留下，刻蚀后的所述磁性存储单元结构示意图如图6所示，二次刻蚀中由于有了所述柱状结构侧壁的高导电层500遮挡，下方的刻蚀层直径会略大于上方，但这对使用无影响，相比于其他技术，本具体实施方式制备的磁性存储单元体积更小，更有利于器件小型化。

需要特别注意的是，前文中各种具体实施方式中的磁性存储单元，作为一种优选实施方式，所述第一存储结构单元310的氧化物界面层311的电阻率低于所述磁性自由层中的其他氧化物界面层的电阻率。

而设置所述第一存储结构单元310的氧化物界面层311的方法包括：

设置金属单质层；

对所述金属单质层进行氧掺杂，得到所述第一存储结构单元310的氧化物界面层311。

或

设置金属氧化物层；

对所述金属氧化物层进行金属单质掺杂，得到所述第一存储结构单元310的氧化物界面层311。

上述两种方法得到的所述氧化物界面层311氧含量低，导电率高，大大提高了设置所述高导电层500时的工艺窗口，即提高了工艺容错性，保证所述磁性自由层300的整体低电阻。当然，也可根据实际需要选用其它工艺，使所述得到所述第一存储结构单元310的氧化物界面层311的电阻率低于其他氧化物界面层311，在此不做赘述。

本发明同时还提供一种磁性存储器，所述磁性存储器包括如上述任一种所述的磁性存储单元。本发明所提供的磁性存储单元，从下至上依次包括磁性参考层100、隧道层200、磁性自由层300及盖帽层400；所述磁性自由层300包括多个存储结构单元310；所述存储结构单元310从下至上依次包括第一铁磁性层314、非磁性金属间隔层313、第二铁磁性层312及氧化物界面层311；所述磁性自由层300侧壁覆盖有高导电层500，所述高导电层500的上边缘与所述盖帽层400导电接触设置，所述高导电层500的下边缘不低于第一存储结构单元310的氧化物界面层311；其中，所述第一存储结构单元310为距离所述隧道层200最近的存储结构单元310；所述高导电层500的下边缘与所述第一存储结构单元310的第二铁磁性层312不接触。本发明提出一种利用多个存储结构单元310重复排列以延长数据存储时间的结构，通过多层界面的各向异性能使所述磁性自由层维持垂直各向异性，多层铁磁性层的铁磁耦合叠加提升了所述磁性自由层的厚度，但没有明显增加存储位元的尺寸，此外，还在现有的多层界面叠加磁性存储单元的基础上，在所述磁性自由层外围接触设置了所述高导电层，使多层存储结构单元间形成电短路连接，降低层叠产生的串联电阻占磁性隧道结的总电阻的比值，降低磁性隧道结的总电阻，保持磁性隧道结的高隧道磁阻变化率，大大提升数据存储时长。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者器件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者器件所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者器件中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的磁性存储单元及磁性存储器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁性存储单元，其特征在于，从下至上依次包括磁性参考层、隧道层、磁性自由层及盖帽层；

所述磁性自由层包括多个存储结构单元；

所述存储结构单元从下至上依次包括第一铁磁性层、非磁性金属间隔层、第二铁磁性层及氧化物界面层；

所述磁性自由层侧壁覆盖有高导电层，所述高导电层的上边缘与所述盖帽层导电接触设置，所述高导电层的下边缘不低于第一存储结构单元的氧化物界面层；其中，所述第一存储结构单元为距离所述隧道层最近的存储结构单元；

所述高导电层的下边缘与所述第一存储结构单元的第二铁磁性层不接触。

2.如权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述高导电层的下边缘不高于第二存储结构单元的氧化物界面层；其中，所述第二存储结构单元为距离所述隧道层第二近的存储结构单元。

3.如权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述存储结构单元的数量范围为2至5个，包括端点值。

4.如权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述氧化物界面层的厚度范围为0.5纳米至1纳米，包括端点值。

5.如权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述高导电层包括金属铜层、金属钽层、金属钌层、金属钨层、金属钛层、金属铝层、金属钼层、金属镁层、金属铂层、金属金层或氮化金属导电层中至少一种。

6.如权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述非磁性金属间隔层的厚度范围为0.1纳米至0.5纳米，包括端点值。

7.如权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述磁性存储单元的制备方法包括：

在预设的基板上依次设置所述磁性参考层、所述隧道层、所述磁性自由层及所述盖帽层，并按预设图案刻蚀，得到柱状基体；

在所述柱状基体侧壁设置绝缘保护层；

通过顶层通孔刻蚀技术刻蚀所述绝缘保护层，形成通孔；其中，所述通孔的停留面不低于第一存储结构单元的氧化物界面层；

向通孔内沉积高导电材料，形成所述高导电层，得到所述磁性存储单元。

8.如权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述磁性存储单元的制备方法包括：

在预设的基板上依次设置所述磁性参考层、所述隧道层、所述磁性自由层及所述盖帽层，并刻蚀至预设停留面，得到一次刻蚀体；其中，所述停留面不低于第一存储结构单元的氧化物界面层；

对所述一次刻蚀体进行表面沉积，得到设置于所述一次刻蚀体上的高导电层；

对沉积过所述高导电层的一次刻蚀体进行二次刻蚀，得到所述磁性存储单元。

9.如权利要求1至9任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一存储结构单元的氧化物界面层的电阻率低于所述磁性自由层中的其他氧化物界面层的电阻率。

10.一种磁性存储器，其特征在于，所述磁性存储器包括如权利要求1至9任一项所述的磁性存储单元。

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