CN116096210A - 一种磁性多层膜及磁性存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁性多层膜及磁性存储器，其中，一种磁性多层膜包括第一磁性层和磁性存储器件，磁性存储器件包括第二磁性层和磁性存储单元，第二磁性层与第一磁性层叠层设置，磁性存储单元与第二磁性层背离第一磁性层的一侧的界面叠层设置，第一磁性层的尺寸分别大于第二磁性层的尺寸和磁性存储单元的尺寸。第一磁性层的形状为长条形，由于形状各向异性，第一磁性层磁矩沿长边方向排列。第一磁性层的磁矩与第二磁性层的磁矩相互耦合。由于耦合作用，第二磁性层的磁矩同样倾向于第一磁性层的长边方向排列。因此第二磁性层可以引入稳定的面内磁场，且磁性存储器件设置为多个，从而增加磁性存储器的存储密度。
Description
技术领域
本发明涉及磁性存储技术领域，特别涉及一种磁性多层膜及磁性存储器。
背景技术
磁性多层膜，特别是磁性隧道结(MTJ)结构已经被广泛应用于磁性传感器和磁性随机存储器(MRAM)。对于自旋轨道矩磁性随机存储器(SOT-MRAM)而言，必须施加额外面内磁场打破其对称性才能实现自由层的确定性翻转，对于电压控制磁性随机存储器(VC-MRAM)而言，也需要施加一个额外的面内磁场作为自由层进动的有效场，诱导自由层进行超快进动，进而实现自由层的翻转。
设置磁性硬掩膜层是目前内置面内磁场的主要方法之一。磁性硬掩膜层由一层较厚的磁性材料组成，磁性材料散磁场提供某一特定方向的面内磁场。但现有技术中的磁性硬掩膜层的制备只能用于单个磁性存储器件，其磁性硬掩膜层的面积较大，极大地减小磁性储存器件的存储密度。
发明内容
基于此，有必要提供一种磁性多层膜及磁性存储器，以解决现有技术中磁性存储器件的存储密度小的技术问题。
本发明提供的一种磁性多层膜，包括：
第一磁性层，所述第一磁性层的形状为长条形；及
磁性存储器件，所述磁性存储器件设置为多个，所述磁性存储器件包括第二磁性层和磁性存储单元，所述第二磁性层与所述第一磁性层叠层设置，所述磁性存储单元与所述第二磁性层背离所述第一磁性层一侧的界面叠层设置，所述第一磁性层的磁矩与所述第二磁性层的磁矩相互耦合，所述第一磁性层的尺寸分别大于所述第二磁性层的尺寸和所述磁性存储单元的尺寸。
进一步地，所述第二磁性层的形状大小与所述磁性存储单元的形状大小相同。
进一步地，所述第二磁性层与磁性存储单元的形状为圆柱体或椭圆柱体。
进一步地，所述第一磁性层的材料包括CoFeB、CoFe、Co、Ni、FeB、CoFeSi的一种或多种组合。
进一步地，所述磁性存储器件还包括第一非磁性层，所述第一非磁性层叠层设置于所述第二磁性层与所述磁性存储单元之间。
进一步地，所述第一非磁性层的材料包括Ta、TiN、Cu、W的一种或多种组合。
进一步地，所述磁性存储器件还包括第二非磁性层，所述第二非磁性层叠层设置于所述磁性存储单元背离所述第一磁性层一侧的界面。
进一步地，所述磁性存储器件还包括第三非磁性层，所述第三非磁性层叠层设置于所述第一磁性层与所述第二磁性层之间。
进一步地，所述第一磁性层作为或者部分作为CMOS后段工艺中的互联层。
本发明还提供另一个磁性多层膜，包括：
第三磁性层，所述第三磁性层的形状为长条形；
第四非磁性层，所述第四非磁性层与所述第三磁性层叠层设置；及
磁性存储单元，所述磁性存储单元与所述第四非磁性层背离所述第三磁性一侧的界面叠层设置，且所述第三磁性层的尺寸和所述第四非磁性层的尺寸均大于所述磁性存储单元的尺寸。
本发明还提供一种磁性存储器，所述磁性存储器包括上述磁性多层膜。
本发明提供的一种磁性多层膜，包括第一磁性层和磁性存储器件，第一磁性层的形状为长条形，以使第一磁性层的磁矩方向倾向于长边方向，第一磁性层的磁矩与第二磁性层的磁矩相互耦合，第二磁性层的磁矩也倾向于第一磁性层的长边方向排列，以引入面内磁场，第二磁性层与磁性存储单元构成磁性存储器件，且磁性存储器件设置为多个，从而增加磁性存储器的存储密度。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种磁性多层膜的示意图。
图2为本发明实施例中一种磁性多层膜的立体图
图3为本发明实施例中具有第三非磁性层的磁性多层膜的示意图。
图4为本发明实施例中从底部引入面内磁场的磁性多层膜的示意图。
图5为本发明实施例具有第三非磁性层的从底部引入面内磁场的磁性多层膜的示意图。
图6为本发明另一个实施例中磁性多层膜的示意图。
图7为本发明另一个实施例中磁性多层膜的示意图。
其中：
100、第一磁性层；210、第二磁性层；220、磁性存储单元；300、第一非磁性层；400、第二非磁性层；500、第三非磁性层；600、第三磁性层；700、第四非磁性层；800、第五非磁性层。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1和图2所示，在一些实施例中，一种磁性多层膜包括第一磁性层100和磁性存储器件，第一磁性层100的形状为长条形，磁性存储器件设置为多个，磁性存储器件包括第二磁性层210和磁性存储单元220(磁性存储单元220是指包括SOT-MRAM或者VC-MRAM在内的磁性存储器件单元，即有隧道结、缓冲层和盖帽层等构成的多层膜体系)，第二磁性层210与第一磁性层100叠层设置，磁性存储单元220与第二磁性层210背离第一磁性层100一侧的界面(即是第一磁性层100与第二磁性层210接触的面相对的界面)叠层设置，第一磁性层100的磁矩与第二磁性层210的磁矩相互耦合，第一磁性层100的尺寸分别大于第二磁性层210的尺寸和磁性存储单元220的尺寸。
第二磁性层210提供面内磁场，第一磁性层100的形状为长条形，以使第一磁性层100的磁矩方向倾向于长边方向，第一磁性层100的磁矩与第二磁性层210的磁矩相互耦合，第二磁性层210的磁矩也倾向于第一磁性层100的长边方向排列，以引入面内磁场(图1中示出第二磁性层210的磁感线方向，对磁性存储单元220的散磁场沿着面内方向)，第二磁性层210与磁性存储单元220构成磁性存储器件，且磁性存储器件设置为多个，从而增加磁性存储器的存储密度。
目前内置面内磁场的方法还有反铁磁钉扎面内磁性层，反铁磁钉扎面内磁性层主要由一层反铁磁材料(如IrMn、PtMn等)和一层面内磁化的铁磁材料(如CoFe、NiFe等)组成。反铁磁材料提供界面钉扎效应并产生交换偏置，使铁磁材料的磁矩倾向于面内预设方向，并提供面内散磁场。但由于反铁磁材料晶粒大小存在一定分布范围，将薄膜材料刻蚀成小器件，特别是当尺寸小于100nm时，反铁磁交换偏置场大幅度减小，进而影响面内磁场的稳定性。此外，温度升高也能减弱面内钉扎场的强度，进而影响磁场的稳定性。本发明中的第一磁性层100设置为长条形，第一磁性层100设置与多个磁性存储器件集成，且第一磁性层100与第二磁性层210进行耦合，从而增强第二磁性层210磁场的稳定性。
具体地，如图2所示，a为第一磁性层100的长度，b为第一磁性层100的宽度，c为第一磁性层100的厚度，且a>b。b大于第二磁性层210和磁性存储单元220的尺寸。关于第一磁性层100、第二磁性层210和磁性存储单元220的具体尺寸需要根据引入的磁场大小和CMOS后段工艺参数决定的。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片。
更具体地，第二磁性层210的形状大小与磁性存储单元220的形状大小相同，以使第二磁性层210和磁性存储单元220叠层设置的时候可以节省占用空间。第二磁性层210可以为圆柱体或椭圆柱体，单独的第二磁性层210无法提供稳定的、固定方向的面内散磁场。第一磁性层100为长条形，第一磁性层100因为形状各向异性，使其磁矩方向沿长边方向，同时通过调节第一磁性层100与第二磁性层210之间的距离，以使两者形成较强的耦合作用，使得第二磁性层210的磁矩也具有各向异性，进而增强第二磁性层210的稳定性。
进一步地，第一磁性层100的材料包括CoFeB、CoFe、Co、Ni、FeB、CoFeSi的一种或多种组合。更进一步地，第二磁性层210的材料包括CoFeB、CoFe、Co、Ni、FeB、CoFeSi的一种或多种组合。
在本实施例中，磁性存储器件还包括第一非磁性层300，第一非磁性层300叠层设置于第二磁性层210与磁性存储单元220之间，通过调节第一非磁性层300的厚度调节散磁场的强度大小。第一非磁性层300可以使用CMOS工艺兼容的金属材料构成，也可以是磁隧道结的金属掩膜材料(如Ta,TiN等)，也可以是半导体后段工艺导电材料(如Cu、W、TiN等组合形成)。需要说明的是，第一磁性层100的下方设置有多个第二磁性层210和多个磁性存储单元220，第一磁性层100可以作为或者部分作为CMOS后段工艺中的互联层(如90nm的铝互联工艺、28nm的Cu互联工艺等)。在实际操作中，可以不设置第一非磁性层300，即是第二磁性层210可以直接沉积在磁性存储单元220上。
进一步地，磁性存储器件还包括第二非磁性层400，第二非磁性层400叠层设置于磁性存储单元220背离第一磁性层100一侧的界面。第二非磁性层400具体为非磁性金属层，第二非磁性层400可以是半导体后段工艺导电材料(如Cu、W、TiN等组合形成)，也可以是形成SOT-MRAM中产生自旋流的重金属材料(包括但不限于Ta、W、Pt、Cr等金属或者其合金)。
更进一步地，如图3所示，磁性存储器件还包括第三非磁性层500，第三非磁性层500叠层设置于第一磁性层100与第二磁性层210之间。通过调节第三非磁性层500的厚度调节第一磁性层100和第二磁性层210相互耦合强度以及配合CMOS后段工艺整合参数的需求。第三非磁性层500可以使用CMOS工艺兼容的金属材料构成，可以是磁隧道结的金属掩膜材料(如Ta、TiN等)，也可以是半导体后段工艺导电材料(如Cu、W、TiN等组合形成)。
图4示出本发明实施例中从底部引入面内磁场的磁性多层膜的示意图(没有设置第三非磁性层500)。
图5为本发明实施例中具有第三非磁性层500的从底部引入面内磁场的磁性多层膜的示意图。
图6示出另一个实施例的磁性多层膜包括第三磁性层600、第四非磁性层700和磁性存储单元220，第三磁性层600的形状为长条形，第四非磁性层700与第三磁性层600叠层设置，磁性存储单元220与第四非磁性层700背离第三磁性一侧的界面叠层设置，且第三磁性层600的尺寸和第四非磁性层700的尺寸均大于磁性存储单元220的尺寸。由于第四磁性层是长条形(横截面可以长方形)，第四磁性层具有形状各异性，以使第四磁性层的磁矩沿长边排列。具体地，第四磁性层的厚度为2nm～100nm，通过调节第四非磁性层700的厚度可以调节第三磁性层600与磁性存储单元220之间的距离，进而调节面内散磁场的大小。具体地，第四非磁性层700作为隔离层，第四非磁性层700与磁性存储单元220的形状大小可以一致。需要说明的是，对于SOT-MRAM器件，可由至少一层第四非磁性层700提供SOT源(一般由重金属Pt、W、Ta及其合金构成)。此时第四非磁性层700的尺寸可以大于磁性存储单元220尺寸，甚至大于第三磁性层600的尺寸。其作为SOT电流通道，其上方可以同时集成多个磁性存储单元220。
如图7所示，为了获得更大的静磁场，可以不设置第四非磁性层700，即是第三磁性层600与磁性存储单元220叠层设置。磁性多层膜还包括第五非磁性层800，第五非磁性层800设置于磁性存储单元220背离第三磁性层600一侧的界面。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (11)
1.一种磁性多层膜，其特征在于，包括：
第一磁性层，所述第一磁性层的形状为长条形；及
磁性存储器件，所述磁性存储器件设置为多个，所述磁性存储器件包括第二磁性层和磁性存储单元，所述第二磁性层与所述第一磁性层叠层设置，所述磁性存储单元与所述第二磁性层背离所述第一磁性层一侧的界面叠层设置，所述第一磁性层的磁矩与所述第二磁性层的磁矩相互耦合，所述第一磁性层的尺寸分别大于所述第二磁性层的尺寸和所述磁性存储单元的尺寸。
2.根据权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述第二磁性层的形状大小与所述磁性存储单元的形状大小相同。
3.根据权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述第二磁性层与磁性存储单元的形状为圆柱体或椭圆柱体。
4.根据权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述第一磁性层的材料包括CoFeB、CoFe、Co、Ni、FeB、CoFeSi的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性存储器件还包括第一非磁性层，所述第一非磁性层叠层设置于所述第二磁性层与所述磁性存储单元之间。
6.根据权利要求5所述的磁性多层膜，其特征在于，所述第一非磁性层的材料包括Ta、TiN、Cu、W的一种或多种组合。
7.根据权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性存储器件还包括第二非磁性层，所述第二非磁性层叠层设置于所述磁性存储单元背离所述第一磁性层一侧的界面。
8.根据权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性存储器件还包括第三非磁性层，所述第三非磁性层叠层设置于所述第一磁性层与所述第二磁性层之间。
9.根据权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述第一磁性层作为或者部分作为CMOS后段工艺中的互联层。
10.一种磁性多层膜，其特征在于，包括：
第三磁性层，所述第三磁性层的形状为长条形；
第四非磁性层，所述第四非磁性层与所述第三磁性层叠层设置；及
磁性存储单元，所述磁性存储单元与所述第四非磁性层背离所述第三磁性一侧的界面叠层设置，且所述第三磁性层的尺寸和所述第四非磁性层的尺寸均大于所述磁性存储单元的尺寸。
11.一种磁性存储器，其特征在于，所述磁性存储器包括权利要求1至9任意一项所述的磁性多层膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |