CN116056549A - 磁性存储单元及其制备方法、磁性存储阵列、存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁性存储单元及其制备方法、磁性存储阵列、存储器，涉及磁性存储器技术领域。本发明的一种磁性存储单元，包括依次堆叠的底电极、第一自由层、第二自由层、隧穿层和参考层，其中，所述第一自由层通过至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料多靶共溅射形成；第二自由层通过磁性材料溅射形成。本发明的磁性存储单元，共溅射形成第一自由层，能有效降低自由层总饱和磁化强度Ms且不降低器件的隧穿磁阻MR。因翻转电流Ic和Ms正相关，从而有效降低翻转电流，降低功耗。
Description
技术领域
本发明涉及磁性存储器技术领域，具体涉及一种磁性存储单元及其制备方法、磁性存储阵列、存储器。
背景技术
半导体工业背后的驱动力就是对器件的缩放。功能单元被缩放的越小，在有限基板上的排布密度越大。例如，缩小晶体管尺寸并集成在基板上，从而制造出具有更大存储容量的产品。优化每一个器件的性能都将带来巨大的价值。
基于隧穿磁电阻(TMR)的随机磁性存储器(MRAM)，尤其是自旋轨道矩-随机存储器(SOT-MRAM)，由于其自身非易失性，存储密度大，可重复擦写等优势，成为最有潜力的自旋电子学器件之一。然而，SOT-MRAM的翻转电流大、功耗过高一直制约着其微型化的进程。因此，降低MRAM的翻转电流十分必要。
目前降低翻转电流的方法主要有三种：调整自由层厚度；在底电极和自由层之间插入异质结构；场辅助翻转。调整自由层厚度会降低器件TMR；在底电极和自由层之间插入异质结构会引入杂质离子破坏SOTtrack；不论是磁场辅助还是电场辅助翻转都会使器件更复杂，不利于集成。通过上述描述可知，现有的磁性存储单元降低翻转电流后，性能较差，即现有的磁性存储单元不能在不改变性能的条件下降低翻转电流。
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性存储单元及其制备方法、磁性存储阵列、存储器，解决了现有的磁性存储单元不能在不改变性能的条件下降低翻转电流的技术问题。
(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，本发明提供一种磁性存储单元，包括依次堆叠的底电极、第一自由层、第二自由层、隧穿层和参考层，其中，所述第一自由层通过至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料多靶共溅射形成；第二自由层通过磁性材料溅射形成。
优选的，所述非磁性材料包括：与底电极相同的非磁性金属或者不易扩散的非磁性金属。
优选的，所述磁性材料包括磁性金属或磁性合金。
优选的，所述磁性存储单元还包括人工反铁磁层、反铁磁层和保护层，其中，反铁磁层位于人工反铁磁层和保护层之间，人工反铁磁层位于参考层之上。
优选的，所述底电极材料为有SOT效应的金属，包括W、Ta和Cr；所述磁性材料包括CoFe、CoFeB、Fe和Co；所述非磁性材料包括W、Ta、Cr、Cu和Mg。
第二方面，本发明提供一种磁性存储阵列，包括多个如上述所述的磁性存储单元。
第三方面，本发明提供一种存储器，包括至少一个如上述所述的磁性存储阵列。
第四方面，本发明提供一种磁性存储单元的制备方法，包括：
通过DC低速溅射，在晶圆表面形成底电极；
通过至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料多靶共溅射，在底电极上形成第一自由层；
通过磁性材料溅射，在第一自由层上形成第二自由层；
通过PVD技术依次形成磁性存储单元其他膜层，所述其他膜层包括隧穿层和参考层；
高温退火。
优选的，在执行通过DC低速溅射，在晶圆表面形成底电极之前，所述制备方法还包括：
通过氩离子清洗晶圆表面。
优选的，在执行通过磁性材料溅射，在第一自由层上形成第二自由层之前，所述制备方法还包括：
通过磁控溅射在第一自由层上形成插入层，所述插入层的材料为非磁性金属。
(三)有益效果
本发明提供了一种磁性存储单元及其制备方法、磁性存储阵列、存储器。与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明的一种磁性存储单元，包括依次堆叠的底电极、第一自由层、第二自由层、隧穿层和参考层，其中，所述第一自由层通过至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料多靶共溅射形成；第二自由层通过磁性材料溅射形成。本发明的磁性存储单元，共溅射形成第一自由层，能有效降低自由层总饱和磁化强度Ms且不降低器件的隧穿磁阻MR。因翻转电流Ic和Ms正相关，从而有效降低翻转电流，降低功耗。
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为实施例1中磁性存储单元的结构示意图；
图2为实施例2中磁性存储单元的结构示意图；
图3为实施例3中磁性存储单元的结构示意图；
图4为实施例4中磁性存储单元的结构示意图；
图5为实施例7中一种磁性存储单元的制备方法的流程框图；
图6为通过实施例7制备的磁性存储单元和现有的磁性存储单元的翻转电流Ic和隧穿磁阻MR的对比图。
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性存储单元及其制备方法、磁性存储阵列、存储器，解决了现有的磁性存储单元不能在不改变性能的条件下降低翻转电流的技术问题，实现不改变器件的隧穿磁阻，降低翻转电流。
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：
SOT-MRAM，具有写入速度快，稳定性高等优良性能，在磁存储器件领域展现出巨大的前景，但是，目前SOT-MRAM反转电流大，功耗高，难以集成。本发明实施例通过共溅射的第一自由层，可以实现翻转电流的降低，降低器件功耗。
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性存储单元，包括依次堆叠的底电极、第一自由层、第二自由层、隧穿层和参考层，其中，所述第一自由层通过至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料多靶共溅射形成；第二自由层通过磁性材料溅射形成。
本发明实施例的磁性存储单元，共溅射形成第一自由层，总饱和磁化强度Ms与磁性物质的种类和磁性物质的原子数有关，用非磁材料和铁磁材料共溅射，会降低铁磁物质的原子数，能有效降低自由层总饱和磁化强度Ms，而隧穿磁阻MR主要受CoFeB/MgO/CoFeB结构的晶格排列以及CoFeB/MgO界面的影响，共溅射的第一自由层对这两个因素均无影响或影响极小。所以本发明实施例能有效降低自由层总饱和磁化强度Ms且不降低器件的隧穿磁阻MR。因翻转电流Ic和Ms正相关，从而有效降低翻转电流，降低功耗。
实施例1：
在具体实施过程中，磁性存储单元还包括其他的层结构，如图1所示，磁性存储单元从下至上依次包括：底电极(SOTtrack)、第一自由层、第二自由层、隧穿层、参考层、人工反铁磁层、反铁磁层和保护层。
其中，底电极材料可选W/Ta/Cr等有SOT效应的金属。
第一自由层通过至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料多靶共溅射形成。共溅射产生的第一自由层由Co/Fe/Ni/W/Ta/Cr/Cu/Mg等两种或以上材料共溅射形成。磁性材料包括CoFe/CoFeB/Fe/Co等金属或合金。非磁性材料包括W/Ta/Cr/Cu/Mg等与底电极相同或不易扩散的金属。
第二自由层一般选用CoFeB。
实施例2：
如图2所示，该实施例提供的是一种面内磁性存储单元，其中，底电极(SOTtrack)由W通过DC低速溅射而成；第一自由层由CoFe和W共溅射而成；第二自由层由CoFeB通过DC溅射形成。其他层结构均由PVD技术形成层次膜，其材料或结构如下：隧穿层的材料是MgO，参考层的材料是CoFeB，人工反铁磁为CoFe/Ru/CoFe结构，反铁磁层的材料是PtMn，保护层的材料是Ta。
实施例3：
如图3所示，该实施例提供的是一种面内磁性存储单元，其中，底电极(SOTtrack)由W通过DC低速溅射而成；第一自由层由CoFe和W共溅射而成；插入层是由Ta、Ru等非磁性金属通过磁控溅射形成，使第一自由层与第二自由层形成铁磁耦合或反铁磁耦合，形成反铁磁耦合时，可以进一步降低总Ms；第二自由层由CoFeB通过DC溅射形成。其他层结构均由PVD技术形成层次膜，其材料或结构如下：隧穿层的材料是MgO，参考层的材料是CoFeB，人工反铁磁为CoFe/Ru/CoFe结构，反铁磁层的材料是PtMn，保护层的材料是Ta。
实施例4：
如图4所示，该实施例提供的是一种面外磁性存储单元，其中，底电极(SOTtrack)由Ta通过DC低速溅射而成；第一自由层由Co和Ta共溅射而成；第二自由层由CoFeB通过DC溅射形成。其他层结构均由PVD技术形成层次膜，其材料或结构如下：隧穿层的材料是MgO，参考层的材料是CoFeB，反铁磁层是CoPt超晶格结构，保护层的材料是Ta。
实施例5：
本发明实施例还提供一种磁性存储阵列，包括多个如上述所述的磁性存储单元。
实施例6：
本发明实施例还提供一种存储器，包括至少一个如上述所述的磁性存储阵列。
实施例7：
如图5所示，本发明实施例提供一种磁性存储单元的制备方法，包括：
S1、通过氩离子清洗晶圆表面；
S2、通过DC低速溅射，在晶圆表面形成底电极；
S3、由至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料通过多靶共溅射，在底电极上形成第一自由层；
S4、由磁性材料通过DC溅射，在第一自由层上形成第二自由层；
S5、通过PVD技术依次形成磁性存储单元其他膜层；
S6、高温退火。
如图6所示，对比现有技术，本发明实施例制备的磁性存储单元有效降低自由层总Ms且不降低器件的MR，实现存储单元翻转电流的降低，降低功耗。同时，在具体实施例过程中，第一自由层的非磁性材料选用与底电极相同的非磁性金属或者不易扩散的非磁性金属，通过合理选择第一自由层的元素配比可以降低退火时原子扩散对SOT层的破坏。例如，底电极选用W，用W和CoFe共溅射形成第一自由层。在退火时，相比单纯的用CoFeB做第一自由层，扩散进入W层的异种原子(Co、Fe、B)会减少，从而降低退火时原子扩散对SOT层的破坏。
可理解的是，本发明实施例提供的磁性存储单元的制备方法与上述实施例中磁性存储单元相对应，其有关内容的解释、举例、具体材料、层次结构等部分可以参考磁性存储单元中的相应内容，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、本发明实施例的磁性存储单元，共溅射形成第一自由层，能有效降低自由层总饱和磁化强度Ms且不降低器件的隧穿磁阻MR。因翻转电流Ic和Ms正相关，从而有效降低翻转电流，降低功耗。
2、第一自由层的非磁性材料选用与底电极相同的非磁性金属或者不易扩散的非磁性金属，可以降低退火时原子扩散对SOT层的破坏。例如，底电极选用W，用W和CoFe共溅射形成第一自由层。在退火时，相比单纯的用CoFeB做第一自由层，扩散进入W层的异种原子(Co、Fe、B)会减少，从而降低退火时原子扩散对SOT层的破坏。
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)
1.一种磁性存储单元，其特征在于，包括依次堆叠的底电极、第一自由层、第二自由层、隧穿层和参考层，其中，所述第一自由层通过至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料多靶共溅射形成；第二自由层通过磁性材料溅射形成。
2.如权利要求如权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述非磁性材料包括：与底电极相同的非磁性金属或者不易扩散的非磁性金属。
3.如权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述磁性材料包括磁性金属或磁性合金。
4.如权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述磁性存储单元还包括人工反铁磁层、反铁磁层和保护层，其中，反铁磁层位于人工反铁磁层和保护层之间，人工反铁磁层位于参考层之上。
5.如权利要求1～4任一所述的磁性存储单元，其特征在于，所述底电极材料为有SOT效应的金属，包括W、Ta和Cr；所述磁性材料包括CoFe、CoFeB、Fe和Co；所述非磁性材料包括W、Ta、Cr、Cu和Mg。
6.一种磁性存储阵列，其特征在于，包括多个如权利要求1～5任一所述的磁性存储单元。
7.一种存储器，其特征在于，包括至少一个如权利要求6所述的磁性存储阵列。
8.一种磁性存储单元的制备方法，其特征在于，包括：
通过DC低速溅射，在晶圆表面形成底电极；
通过至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料多靶共溅射，在底电极上形成第一自由层；
通过磁性材料溅射，在第一自由层上形成第二自由层；
通过PVD技术依次形成磁性存储单元其他膜层，所述其他膜层包括隧穿层和参考层；
高温退火。
9.如权利要求8所述的磁性存储单元的制备方法，其特征在于，在执行通过DC低速溅射，在晶圆表面形成底电极之前，所述制备方法还包括：
通过氩离子清洗晶圆表面。
10.如权利要求8所述的磁性存储单元的制备方法，其特征在于，在执行通过磁性材料溅射，在第一自由层上形成第二自由层之前，所述制备方法还包括：
通过磁控溅射在第一自由层上形成插入层，所述插入层的材料为非磁性金属。
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