CN115662482A - 磁存储器及其退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁存储器及其退火方法，涉及磁存储器技术领域。本发明通过在退火过程中，对磁隧道结单元进行单点操作，改变单个或多个磁隧道结单元的固定层的磁化方向，实现单点或多点精确退火，同时，改变磁化方向后的固定层的磁化方向，在磁场复杂环境下，固定层的磁化方向稳定，不易发生改变，提高了磁存储器的可靠性及有效性。

Description

磁存储器及其退火方法

技术领域

本发明涉及磁存储器技术领域，具体涉及一种磁存储器及其退火方法。

背景技术

磁性随机存储器（MRAM）是一种基于自旋电子学的新型信息存储器件，其核心结构是磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）。MTJ呈现“三明治”结构，两层磁性固定层（钉扎层）和自由层之间夹着一层隧穿层。固定层的磁化方向是不变的，而自由层的磁化方向可以被改变。当固定层和自由层磁化方向一致时，称为“平行状态”，MTJ的隧道磁阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)为低；当磁化方向不一致时，称为“反平行状态”，TMR为高。MTJ因为其非易失、低功耗和可与CMOS兼容等特性得到半导体行业内的广泛关注。

MRAM芯片组件通常在半导体晶圆厂的后端工艺生产，其中关于MRAM的工艺步骤主要包括底部电极形成、MTJ堆栈沉积、磁高温退火、MTJ柱图案化和顶部电极的形成。其中，MTJ在高温下在磁场中退火，确定了磁化方向并改善材料和界面的质量，为了进行工艺控制需要对MTJ的电和磁特性进行监控，磁退火是制造MRAM芯片的关键步骤。

在传统的磁退火技术中，采用的是温度升高到临界点，退火磁层通过个统一的磁场，磁随机存储器中所有的磁隧道结单元的固定层的磁化方向都固定到一个方向，进行统一退火，无法实现精准退火。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种磁存储器及其退火方法，解决了现有的磁存储器无法实现精准退火的技术问题。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供一种磁存储器，包括：多个磁存储单元，所述磁存储单元中包括至少一个磁隧道结单元；所述磁隧道结单元包括自由层、势垒层和固定层；

其中，所述磁隧道结单元被配置为：在整个磁存储器退火过程中，当对磁隧道结单元进行单点操作时，磁隧道结单元的固定层的磁化方向能发生翻转。

优选的，所述单点操作包括：对单个磁隧道结单元施加场操作，在外磁场的辅助下，改变单个磁隧道结单元的固定层的磁化方向。

优选的，所述场操作包括声场、光场、热场、电场、磁场中的至少一种。

优选的，通过电场对单个磁隧道结单元施加场操作的方式包括：通入电流穿过单个磁隧道结单元的势垒层和势垒层周围电极，使得单个磁隧道结单元升温。

优选的，所述磁存储器通过改变指定的单个或多个磁隧道结单元的固定层的磁化方向，写入预置数据。

优选的，所述磁隧道结单元之间设置有隔热材料。

第二方面，本发明提供一种磁存储器的退火方法，所述磁存储器包括多个磁存储单元，所述磁存储单元中包括至少一个磁隧道结单元；所述磁隧道结单元包括自由层、势垒层和固定层，所述退火方法包括：

在退火过程中，对单个或多个磁隧道结单元进行单点操作，使磁隧道结单元的固定层的磁化方向发生翻转，与其他磁隧道结单元的固定层的磁化方向相反。

优选的，所述单点操作包括：对单个磁隧道结单元进行施加场操作，在外磁场的辅助下，改变单个磁隧道结单元的固定层的磁化方向。

优选的，所述场操作包括声场、光场、热场、电场、磁场中的至少一种；

其中，通过电场对单个磁隧道结单元施加场操作的方式包括：通入电流穿过单个磁隧道结单元的势垒层和势垒层周围电极，使得单个磁隧道结单元升温。

优选的，通过对指定的单个或多个磁隧道结单元进行单点操作，改变指定的单个或多个磁隧道结单元的固定层的磁化方向，写入预置数据。

（三）有益效果

本发明提供了一种磁存储器及其退火方法。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明通过在退火过程中，对磁隧道结单元进行单点操作，改变单个或多个磁隧道结单元的固定层的磁化方向，实现单点或多点精确退火，同时，改变磁化方向后的固定层的磁化方向，在磁场复杂环境下，固定层的磁化方向稳定，不易发生改变，提高了磁存储器的可靠性及有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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为本发明实施例中一种磁存储器中多个磁隧道结单元精准退火的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明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作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。

本申请实施例通过提供一种磁存储器及其退火方法，解决了现有的磁存储器无法实现精准退火的技术问题，实现单点或多点精确退火。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

在传统的磁退火技术中，采用的是温度升高到临界点，退火磁层通过个统一的磁场，所有磁随机存储器中磁隧道结单元的固定层的磁化方向都固定到一个方向。这种退火方法主要存在以下问题：

1、无法精准退火；

2、在退火之后，磁隧道结单元的固定层的磁化方向保持一致，后续通过改变部分磁随机存储器中磁隧道结单元中的自由层的磁化方向，写入预置数据，完成磁随机存储器的出厂设置。然而，这种芯片在恢复出厂设置时，会变成就是全P（平行）或者全AP（反平行）态，无法恢复预置数据。

为解决上述问题，本发明实施例提出一种磁存储器及其退火方法，通过改变单个或多个磁隧道结单元的固定层的磁化方向，实现单点或多点精确退火。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明实施例提供一种磁存储器，包括：多个磁存储单元，所述多个磁存储单元中的每个包括至少一个磁隧道结单元，所述磁隧道结单元包括自由层、势垒层、固定层和自旋耦合层等，其中，所述磁隧道结单元被配置为：在退火过程中，当对磁隧道结单元进行单点操作时，磁隧道结单元的固定层的磁化方向能发生翻转。本发明实施例中的磁存储器可实现单点或多点精确退火。

需要说明的是，在具体实施过程中，退火方式有多种，高温退火是常见的退火方式，退火是包括用其他声光磁电等其他条件达到相似的退火条件。在具体实施过程中，对单点施加一种更强场操作，如声场、光场、热场、电场、磁场等，实现精准退火。

需要说明的是，在本发明实例中，退火只是指编辑固定层的一种手段，以其他本发明实施例未列举的相似手段达到同样的效果的操作，都可以归类为退火。同时，本发明实施例不局限于一次或多次退火完成。

以高温退火为例，可以通过热、电流、激光、电磁等方式对单个磁隧道结单元进行升温。在实际操作过程中，电流的控制精度会比激光和直接加热等方式更能实现局部的精准升温，有助于实现精确退火。通入电流穿过指定磁隧道结单元的势垒层和势垒层周围电极，使得指定磁隧道结单元的固定层升温，并在一个外磁场的辅助下，可以将单个或多个指定磁隧道结单元的固定层磁化方向设置为与其他磁隧道结单元相反。在具体实施过程中，电流通过位线输入到指定磁隧道结单元的势垒层和势垒层周围电极。

在具体实施过程中，通过改变磁存储器中某些磁隧道结单元的固定层的磁化方向，完成退火后，改变后的固定层的磁化方向和退火前保持一致，相当于写入了一组预置数据。因自由层的磁化方向容易改变，固定层的磁化方向稳定性好的这种特性，本发明实施例的这种磁存储器相对于现有的通过改变自由层的磁化方向写入预置数据的磁存储器更加稳定可靠。同时，现有的磁性存储器，恢复出厂设置时，是通过施加磁场将磁存储器中的所有磁隧道结单元置于全P或者全AP态了，然后通过控制线控制复位层或通过其他方式，改变自由层的磁化方向，重新写入预置数据。而本发明实施例的磁存储器，在恢复出厂设置时，施加的磁场只能改变自由层的磁化方向，固定层的磁化方向和原来的保持一致，仍然是原来的预置数据，无需重新写入。

在具体实施过程中，磁隧道结单元之间设置有隔热材料。

本发明实施例还提供一种磁存储器的退火方法，所述磁存储器包括多个磁存储单元，所述多个磁存储单元中的每个包括至少一个磁隧道结单元，所述磁隧道结单元包括自由层、势垒层、固定层和自旋耦合层等，所述退火方法包括：

在退火过程中，对单个或多个磁隧道结单元进行单点操作，使磁隧道结单元的固定层的磁化方向发生翻转，与其他磁隧道结单元的固定层的磁化方向相反，多个磁隧道结单元精准退火的示意图如图1所示。

以高温退火为例，对单个或多个指定的磁隧道结单元升温的方法包括通过热、电流、激光、电磁等方式对指定的磁隧道结单元升温。其中，通过电流升温的方式为：同时通入电流穿过势垒层和势垒层周围电极，使得单个或多个指定的磁隧道结单元升温至500K以上。相对于激光和直接加热等升温方法来说，电流的控制精度更容易实现局部的精准升温。

可理解的是，本发明实施例提供的磁存储器的退火方法与上述文本磁存储器相对应，其有关内容的解释、举例、有益效果等部分可以参考磁存储器的相应内容，此处不再赘述。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、本发明通过在退火过程中，对磁隧道结单元进行单点操作，改变单个或多个磁隧道结单元的固定层的磁化方向，实现单点或多点精确退火。

2、改变磁化方向后的固定层的磁化方向，在磁场复杂环境下，固定层的磁化方向稳定，不易发生改变，提高了磁存储器的可靠性及有效性。

3、本发明实施例的磁存储器，在恢复出厂设置时，施加的磁场只能改变自由层的磁化方向，固定层的磁化方向和原来的保持一致，仍然是原来的预置数据，无需重新写入。

需要说明的是，在本文中，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种磁存储器，其特征在于，包括：多个磁存储单元，所述磁存储单元中包括至少一个磁隧道结单元；所述磁隧道结单元包括自由层、势垒层和固定层；

其中，所述磁隧道结单元被配置为：在整个磁存储器退火过程中，当对磁隧道结单元进行单点操作时，磁隧道结单元的固定层的磁化方向能发生翻转。

2.如权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述单点操作包括：对单个磁隧道结单元施加场操作，在外磁场的辅助下，改变单个磁隧道结单元的固定层的磁化方向。

3.如权利要求2所述的磁存储器，其特征在于，所述场操作包括声场、光场、热场、电场、磁场中的至少一种。

4.如权利要求3所述的磁存储器，其特征在于，通过电场对单个磁隧道结单元施加场操作的方式包括：通入电流穿过单个磁隧道结单元的势垒层和势垒层周围电极，使得单个磁隧道结单元升温。

5.如权利要求1~4任一所述的磁存储器，其特征在于，所述磁存储器通过改变指定的单个或多个磁隧道结单元的固定层的磁化方向，写入预置数据。

6.如权利要求1~4任一所述的磁存储器，其特征在于，所述磁隧道结单元之间设置有隔热材料。

7.一种磁存储器的退火方法，其特征在于，所述磁存储器包括多个磁存储单元，所述磁存储单元中包括至少一个磁隧道结单元；所述磁隧道结单元包括自由层、势垒层和固定层，所述退火方法包括：

在退火过程中，对单个或多个磁隧道结单元进行单点操作，使磁隧道结单元的固定层的磁化方向发生翻转，与其他磁隧道结单元的固定层的磁化方向相反。

8.如权利要求7所述的磁存储器的退火方法，其特征在于，所述单点操作包括：对单个磁隧道结单元进行施加场操作，在外磁场的辅助下，改变单个磁隧道结单元的固定层的磁化方向。

9.如权利要求8所述的磁存储器的退火方法，其特征在于，所述场操作包括声场、光场、热场、电场、磁场中的至少一种；

其中，通过电场对单个磁隧道结单元施加场操作的方式包括：通入电流穿过单个磁隧道结单元的势垒层和势垒层周围电极，使得单个磁隧道结单元升温。

10.如权利要求7~9任一所述的磁存储器的退火方法，其特征在于，通过对指定的单个或多个磁隧道结单元进行单点操作，改变指定的单个或多个磁隧道结单元的固定层的磁化方向，写入预置数据。

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