CN117202667A - 存储器及其制造方法和电子设备 - Google Patents

存储器及其制造方法和电子设备 Download PDF

Info

Publication number
CN117202667A
CN117202667A CN202210583094.4A CN202210583094A CN117202667A CN 117202667 A CN117202667 A CN 117202667A CN 202210583094 A CN202210583094 A CN 202210583094A CN 117202667 A CN117202667 A CN 117202667A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
magnetic
reference layer
free layer
memory
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210583094.4A
Other languages
English (en)
Inventor
秦青
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huawei Technologies Co Ltd
Original Assignee
Huawei Technologies Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huawei Technologies Co Ltd filed Critical Huawei Technologies Co Ltd
Priority to CN202210583094.4A priority Critical patent/CN117202667A/zh
Publication of CN117202667A publication Critical patent/CN117202667A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

本申请的实施例提供一种存储器及其制造方法和电子设备，涉及存储器技术领域，可以改善磁性隧道结MTJ的翻转电流大的问题。该存储器包括设置于存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元，存储单元包括晶体管和与晶体管连接的磁性结，磁性结包括依次层叠设置的第一参考层、第一隧穿层、自由层、非磁性金属层与第二参考层；其中第一参考层、第一隧穿层与自由层形成磁性隧道结，第二参考层、非磁性金属层与自由层形成自旋阀，在磁性隧道结和自旋阀双重力矩作用下，自由层的磁化方向可以更容易翻转，其中，非磁性金属层在垂直于层叠方向的截面面积小于自由层在垂直于层叠方向的截面面积。

Description

存储器及其制造方法和电子设备
技术领域
本申请的实施例涉及存储器技术领域，尤其涉及一种存储器及其制造方法和电子设备。
背景技术
磁性随机存取存储器(magnetic random access memory，MRAM)是一种新型非易失性存储器。其中，自旋移距磁性随机存取存储器(spin transfer torque magneticrandom access memory，STT MRAM)因其具有速度快、功耗低、COMS(complementary metal-oxide-semiconductor，互补式金属氧化物半导体)兼容性好等优势，得到了广泛关注。
自旋移距磁性随机存取存储器的存储单元的主要结构由磁性隧道结(magnetictunneling junction，MTJ)和晶体管组成。MTJ的结构主要由存储信息的自由层、隧穿层、固定磁化方向的参考层和钉扎层依次层叠组成，其中，参考层的磁化方向被钉扎层钉扎在固定的方向，二者也被统一称为参考层。
其中，参考层的磁化方向被钉扎层钉扎在某一磁化方向保持不变，自由层的磁化方向随电流或者其他磁性翻转机制改变而改变，例如电流由不同方向流过MTJ(电流由参考层流向自由层或者电流由自由层流向参考层)时，自由层的磁化方向会随之改变，当自由层的磁化方向和参考层的磁化方向平行时，MTJ呈现低电阻，通常被视为存储为“0”；当自由层的磁化方向和参考层的磁化方向反平行时，MTJ呈现高电阻，通常被视为存储为“1”。
在实际操作中，恒定的小电流从位线流经MTJ，在MTJ的两端会产生电位差，根据电位差的大小，可以确定MTJ的电阻，进而可以判断磁性随机存取存储器存储的信息是“0”还是“1”。
对于STT MRAM而言，由于STT MRAM可以反复写入数据，在写入数据时需要较大的写入电流使自由层的磁化方向发生翻转，此外每次写入数据时写入电流都会流过MTJ，较大的写入电流可能会造成MTJ被击穿造成永久性破坏。
发明内容
本申请实施例提供一种存储器及其制造方法和电子设备，用于改善MTJ的翻转电流过大，容易造成MTJ被击穿等问题。
第一方面，本申请实施例提供一种存储器，包括设置于存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元，存储单元包括晶体管和与晶体管连接的磁性结，磁性结包括依次层叠设置的第一参考层、第一隧穿层、自由层、非磁性金属层与第二参考层；其中第一参考层、第一隧穿层与自由层形成磁性隧道结，第二参考层、非磁性金属层与自由层形成自旋阀，磁性隧道结与自旋阀共用同一个自由层，这样自由层可以同时受到磁性隧道结中第一参考层的力矩作用和自旋阀中第二参考层的力矩作用，在双重力矩作用下，自由层的磁化方向可以更容易翻转，这样可以降低自由层的磁化方向翻转所需的翻转电流或者写入电流的大小；非磁性金属层在垂直于层叠方向的截面面积小于自由层在垂直于层叠方向的截面面积，由于自旋阀和磁性隧道结需要的电流密度不匹配，若要发挥相当的自旋转移矩效应，自旋阀所需的电流密度大于磁性隧道结所需的电流密度，而在磁性结中自旋阀与磁性隧道结是串联关系，流过二者的电流大小是相同的，若通过磁性结整体的电流密度与磁性隧道结所需的电流密度匹配，会导致自旋阀无法完全发挥其自旋转移矩效应，而若通过磁性结整体的电流密度与自旋阀所需的电流密度匹配，又会导致磁性隧道结因为电流密度过大被击穿，因此在这样的结构中，通过磁性结整体的电流密度一般以磁性隧道结所需的电流密度为准，本申请实施例将磁性隧道结与自旋阀的尺寸进行调整，使非磁性金属层的尺寸面积小于自由层的面积，这样自旋阀的电流密度便大于磁性隧道结的电流密度，在利用自旋阀与磁性隧道结相结合的方式降低翻转电流或写入电流的同时，还能够避免磁性隧道结因为电流密度过大被击穿，也能够改善自旋阀因为电流密度较低而无法发挥相应的自旋转移矩效应的问题。
在一种可能的实施方式中，非磁性金属层在垂直于层叠方向的截面面积为自由层在垂直于层叠方向的截面面积的1/6～1/2，即自由层的面积截面面积为非磁性金属层的截面面积的2～6倍，在流过相同大小电流的情况下，自旋阀的电流密度约磁性隧道结的电流密度的2～6倍，在保障磁性隧道结的电流密度较小的情况下，可以使自旋阀发挥较好的自旋转移矩效应。
在一种可能的实施方式中，非磁性金属层在自由层面内的投影位于自由层之内，这样非磁性金属层的截面面积小于自由层的截面面积，以非磁性金属层在上、自由层在下为例，非磁性金属层与自由层可以形成下大上小的颈缩区域，这样面积的不匹配可以使磁矩和电流在通过非磁性金属层与自由层时可以产生面内分量，这样的面内分量可以使自由层的磁化方向更容易翻转，缩短翻转孵育时间。
在一种可能的实施方式中，自旋阀中除自由层之外，各个层结构的截面面积相同，这样第二参考层在垂直于层叠方向的截面面积小于自由层在垂直于层叠方向的截面面积。
在一种可能的实施方式中，第一参考层与第二参考层的磁化方向相反，而自由层位于第一参考层与第二参考层之间，在向磁性结写入数据时，以自由层为基准，第一参考层与自由层之间的电流流向与第二参考层与自由层之间的电流流向是相反的，分别为由第一参考层流向自由层和由自由层流向第二参考层，或者，由第二参考层流向自由层和由自由层流向第一参考层，而参考层对于自由层的力矩作用与电流方向与参考层的磁化方向相关，因此本申请实施例中第一参考层与第二参考层的磁化方向相反，这样能够确保第一参考层与第二参考层对自由层的力矩作用的方向是相同的，在双重力矩的作用下，使自由层的磁化方向更容易发生翻转，这样能够降低翻转电流或者写入电流。
在一种可能的实施方式中，非磁性金属层的材料包括：铬、钼或者钌中的至少一种。
在一种可能的实施方式中，第一参考层、第二参考层和自由层的材料包括钴铁硼、钴铁、钴硼、铁硼中的至少一种；隧穿层的材料包括氧化镁、氧化镁镓、氧化镁钆、氧化钛、氧化钽、氧化铝、氧化镁钛中的至少一种。
在一种可能的实施方式中，磁性结还包括第一钉扎层与第二钉扎层；第一钉扎层位于第一参考层远离自由层的一侧，用于将第一参考层的磁化方向钉扎在固定的方向；第二钉扎层位于第二参考层远离自由层的一侧，英语将第二参考层的磁化方向钉扎在固定的方向，第一钉扎层与第二钉扎层的磁化方向相反。
在一种可能的实施方式中，存储单元还包括第一电极和第二电极；第一电极位于第一钉扎层远离第一参考层的一侧，第二电极位于第二钉扎层远离第二参考层的一侧，磁性结可以通过第一电极或者第二电极与晶体管连接。
在一种可能的实施方式中，第一钉扎层、第二钉扎层包括沿磁性结中各层的堆叠方向交替层叠设置的铁磁层和非磁性层。
第二方面，本申请的实施例还提供一种制造存储器的方法，存储器包括阵列分布的多个存储单元，存储单元包括磁性结；磁性结包括依次层叠设置的第一参考层、隧穿层、自由层、非磁性金属层与第二参考层；非磁性金属层和第二参考层在自由层面内的投影位于自由层之内，制造方法包括：形成层叠设置的第一参考层、隧穿层、自由层、非磁性金属层与第二参考层；刻蚀非磁性金属层与第二参考层，以使非磁性金属层在垂直于层叠方向的截面面积小于自由层在垂直于层叠方向的截面面积。
第三方面，本申请的实施例还提供一种电子设备，电子设备包括电路板以及设置于电路板上的存储器，存储器为上述第一方面任一实施方式提供的存储器。
附图说明
图1a为本申请实施例提供的磁性结的示意图；
图1b为本申请实施例提供的自旋阀的示意图；
图1c为本申请实施例提供的磁性隧道结的示意图；
图2a为本申请实施例提供的一种存储系统的结构示意图；
图2b为本申请的另一实施例提供的一种存储系统的结构示意图；
图2c为本申请的又一实施例提供的一种存储系统的结构示意图；
图3a为本申请实施例提供的存储器的结构示意图；
图3b为本申请实施例提供的存储单元的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种MTJ的结构示意图；
图5为本申请另一实施例提供的一种磁性结的结构示意图；
图6为本申请另一实施例提供的一种磁性结的结构示意图；
图7为本申请另一实施例提供的一种磁性结的结构示意图；
图8为本申请另一实施例提供的一种磁性结的结构示意图；
图9为本申请另一实施例提供的一种磁性结的结构示意图；
图10为本申请另一实施例提供的一种磁性结的结构示意图；
图11为本申请另一实施例提供的一种磁性结的结构示意图；
图12为本申请另一实施例提供的一种磁性结的结构示意图；
图13为本申请另一实施例提供的磁性结的第一参考层产生的磁场示意图；
图14为本申请另一实施例提供的磁性结的电流流向示意图；
图15为本申请实施例提供的一种存储器的制造方法的流程框图；
图15a～图15g为本申请实施例提供的一种存储器的制造方法中各步骤完成后对应的工艺结构剖面图。
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。除非另有定义，否则本文所用的所有科技术语都具有与本领域普通技术人员公知的含义相同的含义。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述方便，而不能理解为指示或暗示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，术语“电连接”可以是直接的电性连接，也可以通过中间媒介间接的电性连接。
需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
磁性随机存取存储器(magnetic random access memory，MRAM)是一种非易失性的磁性随机存储器，以磁电阻性质来存储数据，采用磁化方向不同所导致的磁电阻不同来记录“0”和“1”，只要外部磁场不改变，磁化方向就不会改变。磁性随机存取存储器具备静态随机存储器的高速读写能力，同时还具备非易失性，应用场景较为广泛。
MRAM的核心存储单元是磁性结(magnetic junction，MJ)。参阅图1a，基础的MJ由参考层(reference layer,RL)、非磁性间隔层(spacer layer，SL)和自由层(free layer，FL)组成，参考层和自由层一般为铁磁材料，例如钴铁硼(CoFeB)，非磁性间隔层位于参考层和自由层中间。参考层的磁化方向不变，自由层的磁化方向可以改变。数据以磁化状态的形式写入MJ：当自由层与参考层的磁化方向平行时MJ呈现低阻态，可以用于指示存储的数据为“1”，当自由层与参考层的磁化方向反平行时MJ呈现高阻态，可以用于指示存储的数据为“0”。
参阅图1b，如果上述的非磁性间隔层是金属或者导体，这样的MJ又称为(磁性)自旋阀(spin valve，SV)；参阅图1c，如果非磁性间隔层是绝缘体，电子主要以隧穿形式通过，非磁性间隔层又称为隧穿层(tunnel barrier)，此时的MJ又称为磁性隧道结(magnetictunnel junction，MTJ)。除了上述的MTJ、SV之外，MJ还可以存在各种不同的变种，以提高实用性和存储数据的稳定性。
本申请提供的技术方案可以应用于采用磁性随机存取存储器的各种存储系统中。例如，本申请提供的技术方案应用于计算机中。又例如，本申请提供的技术方案应用于包括存储器、或者包括处理器和存储器的存储系统中，该处理器可以为中央处理器(centralprocessing unit，CPU)、人工智能(artificial intelligence，AI)处理器、数字信号处理器(digital signal processor)和神经网络处理器等。
图2a为本申请实施例提供的一种存储系统的结构示意图，存储系统可以包括存储装置，该存储装置可以为磁性随机存取存储器。可选的，该存储系统还可以包括CPU、缓存器(cache)和控制器等。
在一种实施例中，如图2a所示，该存储系统包括集成在一起的CPU、缓存器和存储装置。在另一种实施例中，如图2b所示，该存储系统可以为作为独立的存储器，该存储系统包括集成在一起的CPU、缓存器、控制器和存储装置，该存储装置通过该控制器与该缓存器和该CPU相耦合。在又一种实施例中，如图2c所示，该存储系统包括存储装置，以及集成在一起的CPU、缓存器、控制器和动态随机存储器(dynamic random access memory，DRAM)，该存储装置可以作为外部的存储装置与DRAM耦合；其中，该DRAM通过该控制器与该缓存器和该CPU相耦合。图2a、图2b和图2c中所示的各种存储系统中的CPU也可以替换为CPU核(core)。图2a、图2b和图2c中存储装置可以为磁性随机存取存储器(magnetic random accessmemory，MRAM)。
本申请实施例提供一种磁性随机存取存储器，例如基于自旋转移矩的磁性随机存储器(spin transfer torque magnetic random access memory，STT-MRAM)，MRAM，尤其是STT MRAM的存储单元的主要利用磁性隧道结(magnetic tunneling junction，MTJ)存储信息。参阅图1c，示出了磁性隧道结的简易模型，原始的磁性隧道结包含三层薄膜结构：两层铁磁性金属薄膜层(简称为铁磁层)和位于铁磁性金属薄膜之间的隧穿层(tunnelbarrier)，其中一层铁磁层为参考层(reference layer，RL)，具有较大的矫顽力以维持磁化方向不变，图中的粗箭头表示磁化方向；另一层铁磁层为自由层(free layer，FL)，其矫顽力较小、饱和磁化强度高，例如可以是钴铁硼(CoFeB)、镍铁(NiFe)等材料，自由层的磁化方向可以改变；隧穿层为绝缘层，一般为氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)等材料，隧穿层的厚度较小，这样其中一个铁磁层的自由电子可以隧穿至另一个铁磁层。MTJ根据磁晶各向异性(magneto crystalline anisotropy，MCA)不同，可以分为面内磁各向异性的MTJ(i-MTJ)和垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)的MTJ(p-MTJ)，本申请的实施例主要以p-MTJ进行举例说明。
如图3a所示，该存储器10的结构包括设置于存储器10的存储区域内阵列分布的多个存储单元11，存储单元11包括晶体管T和与晶体管T连接的磁性结12。
存储器10还包括多条平行排列的字线(word line，WL)，例如图2a中WL1，WL2…WLn，以及多条平行排列的位线(bit line，BL)，例如图3a中，BL1、BL2…BLn，且字线WL与位线BL相互交叉，例如，字线WL与位线BL相互垂直。在一些实施例中，存储器10还包括多条平行排列的源极线(source line，SL)，例如图3a中，SL1，SL2…SLn，且源极线SL与位线BL平行。其中，晶体管T的栅电极与字线WL电连接，晶体管T的源电极与源极线SL电连接。
在一些实施例中，字线WL还与字线控制电路电连接，通过字线控制电路为字线WL提供高电平信号或低电平信号，以使晶体管T处于导通状态或截止状态。在晶体管T为N型晶体管的情况下，高电平信号控制晶体管T导通，低电平信号控制晶体管T截止。在晶体管T为P型晶体管的情况下，低电平信号控制晶体管T导通，高电平信号控制晶体管T截止。在一些实施例中，源极线SL接地。
图3b示出了本申请实施例提供的存储单元11的结构示意图，其中磁性结12分别连接位线BL与晶体管T的漏电极。示例性的，磁性结12通过第一电极与位线BL连接，磁性结12通过第二电极与晶体管T的漏电极连接。晶体管T的源电极连接源极线SL，晶体管T的栅电极连接字线WL。在一些实施例中，位线BL还与位线控制电路电连接，通过位线控制电路为位线BL提供信号。
如图4所示，磁性结12包括依次层叠设置的种子层123、钉扎层124、参考层125、隧穿层126、自由层127与覆盖层128，这里参考层125与自由层127之间为隧穿层126，因此，这里的磁性结也可以称为磁性隧道结(magnetic tunneling junction，MTJ)。
种子层123可以为钉扎层124提供较为平整的生长平面，种子层123的材料可以为以下材料中的一种或多种：镍铬(NiCr)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、铂(Pt)、钯(Pd)、钌(Ru)、铱(Ir)、氮化铜(CuN)中的一种或几种的组合。
钉扎层124用于将参考层125的磁化方向钉扎在固定的方向，钉扎层124具有固定的磁化方向，且钉扎层124与参考层125之间具有较强的磁性耦合，因此参考层125的磁化方向也具有固定的磁化方向，钉扎层124与参考层125有时也被统一称为参考层或者固定层。
其中钉扎层124可以为人工反铁磁结构，具有垂直磁各向异性的膜层(例如，钴铂多层膜)之间用非磁性金属层间隔，具有反铁磁耦合，这种结构可以降低钉扎层124产生的杂散场，参考层125可以采用钴铁硼(CoFeB)。
隧穿层126为非磁性层，隧穿层126用于提供一个势垒(因此隧穿层也可能被称为势垒层)，将位于隧穿层126两侧的参考层125与自由层127这两个铁磁层隔开，位于隧穿层126两侧的参考层125与自由层127之间不存电磁耦合。隧穿层126呈高阻态，是MTJ中电阻的主要来源，隧穿层126的材料可以为氧化物，例如氧化镁(MgO)。
自由层127的磁化方向可以随电流或者其他磁性翻转机制改变而改变，例如电流由不同方向流过MTJ(例如电流由参考层125流向自由层127或者电流由自由层127流向参考层125)时，自由层127的磁化方向会随之改变，这两种不同流向的电流会使MTJ呈现出两种状态：低阻态或高阻态，这种现象被称为隧穿磁阻(tunneling magneto-resistance，TMR)效应，TMR的定义为：
RAP是指MTJ的自由层与参考层的磁化方向反平行时，MTJ表现为高阻态的电阻；RP指MTJ的自由层与参考层的磁化方向平行时，MTJ表现为低阻态的电阻，高阻态电阻与低阻态电阻的相对比值定义为TMR。利用MTJ具备TMR这一特性存储信息，例如在低阻态时存储“0”，在高阻态时存储“1”。
自由层127的材料包括钴铁硼(CoFeB)，这样，参考层125、隧穿层126与自由层127可以形成钴铁硼(CoFeB)/氧化镁(MgO)/钴铁硼(CoFeB)三明治结构，这样的结构具备优异的垂直磁各向异性，可以提高MTJ存储的数据或者信息的稳定性。
覆盖层128用于增加垂直磁各向异性，以增强数据存储的稳定性，例如，可以采用与隧穿层126相同的材料，此外覆盖层128与电极(第一电极或第二电极)连接，还需要将电流传输至自由层或者1234或者将流过自由层127的电流传输至电极，因此覆盖层128的电阻小于隧穿层126的电阻。
其中，当电流方向为从自由层127流向参考层125时，即自由电子由参考层125流向自由层127，由于参考层125的磁化方向被钉扎层124钉扎在固定的方向，与电流中的自由电子相互作用，形成自旋极化流(由于参考层具有这样的效应，因此参考层也会被称为自旋极化层)，自旋极化流的方向与参考层125磁化方向一致，当自旋极化流通过隧穿层126注入到自由层127，继续对自由层127的磁矩产生力矩作用，这个力矩作用称为自旋转移距(spin-transfer torque，STT)，自旋极化流的自旋转移距与自由层127的磁矩之间产生散射，使自由层127的磁矩发生进动，可导致自由层127的磁化方向趋向与参考层125的磁化方向相同，从而使得MTJ中自由层127与参考层125的磁化状态转变为平行态，假设参考层125、隧穿层126与自由层127呈纵向设置，此时隧穿层126两侧的电子自旋向上与自旋向下的能态密度各自相等，在这种情况下，其中一个磁性层中能态密度大的自旋电子将会进入另一个磁性层中能态密度大的电子空态，能态密度小的自旋电子也会进入另一磁性层中能态密度小的电子空态，电子隧穿机率较高，总的隧穿电流较大，对应磁性隧道结呈现的电阻较小，可以用于存储“0”。
当电流方向为由参考层125流向自由层127时，即自由电子由自由层127流向参考层125，自由电子被转换为与自由层127磁化方向一致的自旋极化流，自旋极化流隧穿到参考层125时，自旋极化流的自旋转移距与参考层125的磁矩之间产生散射，由于参考层125的磁化状态固定难翻转，STT作用不能改变参考层125的磁化状态，然而这种散射会造成大量的反向自旋载流子积累在自由层127，这部分自旋积累与自由层127磁矩发生散射，而导致自由层127磁化状态改变，与参考层125磁化状态相反，这种情况下电子的转移情况恰好与前述磁化状态平行的情况相反，此时一个磁性层中能态密度大的自旋电子将会进入另一磁性层中能态密度小的电子空态，而能态密度小的自旋电子将会进入另一磁性层中能态密度大的电子空态，而由于这种能态密度之间的不匹配，造成了电子隧穿机率较低，总的隧穿电流较小，相应地，磁性隧道结呈现的电阻较大，可以用于存储“1”。
自由层127所受自旋转移距的方向与通过参考层125产生的自旋极化流有关，流过MTJ的电流越大，自旋极化流的电流密度越大，相应的，自由层127所受的自旋转移矩越强，自由层127在自旋转移矩的作用下是否能够发生磁性翻转，还与阻尼矩有关，如果自旋转移矩小于阻尼矩，这种情况下自由层127不会发生磁性翻转，如果自旋转移矩等于阻尼矩，那么自由层127的磁化方向可能会发生翻转；如果自旋转移矩大于阻尼矩，那么自由层127的磁化方向会发生翻转，理论上电流越大，翻转的时间越短。因此，对于本申请实施例提供的存储器10而言，一般采用恒定的小电流进行数据的读取，而写入电流，则大于读取电流。示例性的，定义临界翻转电流为STT诱导自由层127磁性翻转的概率为50％的电流，那么读取电流小于临界翻转电流，避免在读取数据的时候导致自由层127磁化状态翻转；而写入电流大于临界翻转电流，确保自由层127的磁化状态能够翻转。
基于上述实施例中提供的存储器10的结构，以下以一个存储单元11为例，介绍存储器10写入与读取的工作过程。
在向存储单元11写入数据时，晶体管T处于导通状态，当电流方向由自由层127流向参考层125，即自旋电子从参考层125流向自由层127，自旋电子通过参考层125时，电流中的电子沿着参考层125的磁化方向被自旋极化，电子的自旋磁矩与参考层125的磁化方向平行，电子穿过隧穿层126到达自由层127时，自旋电子将自旋转移距传递给自由层127，而受到自旋转移距效应的自由层127，其磁化强度小，因而自由层127的磁化方向能够根据自旋极化流中自旋电子的极化方向自由地发生变化，最终使得自由层127的磁化方向和参考层125的磁化方向呈平行状态(即自由层127的磁化方向与参考层125的磁化方向相同)，可以代表写入信息是“0”。
当电流方向由参考层125流向自由层127，即自旋电子从自由层127流向参考层125时，自旋电子与参考层125中的磁矩发生交换耦合作用，使自旋平行于参考层125的磁化方向的电子通过，而自旋反平行于参考层125磁化方向的电子被散射或反射，被反射的电子穿过隧穿层126到达自由层127，并与自由层127磁矩发生交换耦合作用，使自由层127的磁化方向向着参考层125磁化方向的反方向转动，最终使得自由层127的磁化方向与参考层125的磁化方向呈反平行状态(即自由层127的磁化方向与参考层125的磁化方向相反)，可以代表写入信息是“1”。此处电流方向可以通过位线BL和源极线SL上提供的电压控制，当位线BL提供的电压大于源极线SL提供的电压，电流由自由层127流向参考层125；当位线BL提供的电压小于源极线SL提供的电压，电流由参考层125流向自由层127。
在读取存储单元11存储的数据或信息时，恒定的小电流从位线BL经过MTJ到导通的晶体管T的漏极流出，在MTJ的两端会产生电位差。根据电位差的大小，可以确定MTJ的电阻，即，可以得到自由层127与参考层125的磁化方向的相对取向关系，进而可以判断存储单元11存储的信息是“0”还是“1”。具体的，MTJ呈现低电阻，自由层127的磁化方向与参考层125的磁化方向呈平行状态，存储单元11存储的信息为“0”；MTJ呈现高电阻，自由层127的磁化方向与参考层125的磁化方向呈反平行状态，存储单元11存储的信息为“1”。
应当理解到，存储器10在存储信息和读取信息时，字线控制电路逐行给字线提供选通信号，以使多行存储单元11中的晶体管T逐行导通，进而可以逐行写入信息或读取信息。
基于上述存储单元11的工作原理，本申请实施例提供的存储器10也可以称为自旋移距磁性随机存取存储器。
在自旋移距磁性随机存取存储器的存储应用中，自由层127的磁性方向可以仅随写入电流方向改变而改变，例如在写入信息与原存储信息相同时，自由层127的磁性方向不发生变化，在写入信息与原存储信息不同时，自由层127的磁性方向发生翻转，而在读取和无操作时，自由层127的磁性方向不发生改变。
要使得自旋移距磁性随机存取存储器的自由层完成翻转，写入电流需要大于临界翻转电流，对于MTJ而言，STT诱导自由层动态磁性翻转(dynamic reversal)所需的临界翻转电流可以通过式(2)表示：
其中Ic为临界翻转电流，α为磁阻尼系数(damping)，e为单位电荷量，E为自由层磁性翻转的能量势垒，h为普朗克常数，g(θm)为STT极化率。自旋移距磁性随机存取存储器10的写入与读取都需要向MTJ施加电流，临界翻转电流指能够使MTJ的自由层127的磁化方向发生翻转的概率达到50％的写入电流。
对于STT MRAM而言，写入电流一般大于临界翻转电流，但写入电流大，也会导致MTJ的功耗较高，更有甚者会导致MTJ被击穿，自由层的磁化方向不再随着电流方向变化而变化，造成永久性破坏。
为了降低写入电流，本申请的实施例提供了另一种存储器，该存储器的结构包括设置于存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元，存储单元包括晶体管T和与晶体管T连接的磁性结。存储器还包括多条平行排列的字线WL，以及多条平行排列的位线BL，且字线WL与位线BL相互交叉，例如，字线WL与位线BL相互垂直。在一些实施例中，存储器10还包括多条平行排列的源极线(source line，SL)，且源极线SL与位线BL平行。其中，晶体管T的栅电极与字线WL电连接，晶体管T的源电极与源极线SL电连接。
在一些实施例中，字线WL还与字线控制电路电连接，通过字线控制电路为字线WL提供高电平信号或低电平信号，以使晶体管T处于导通状态或截止状态。在晶体管T为N型晶体管的情况下，高电平信号控制晶体管T导通，低电平信号控制晶体管T截止。在晶体管T为P型晶体管的情况下，低电平信号控制晶体管T导通，高电平信号控制晶体管T截止。在一些实施例中，源极线SL接地。
图5示出了本申请实施例提供的存储单元11的结构示意图，其中磁性结12分别连接位线BL与晶体管T的漏电极。示例性的，磁性结12通过第一电极121与位线BL连接，磁性结12通过第二电极122与晶体管T的漏电极连接。晶体管T的源电极连接源极线SL，晶体管T的栅电极连接字线WL。
磁性结12包括依次层叠设置的第一钉扎层1241、第一参考层1251、第一隧穿层1261、自由层127、第二隧穿层1262、第二参考层1252与第二钉扎层1242。
本申请实施例提供的存储器，其基础的存储单元的采用双隧道结结构的磁性结，其中第一钉扎层1241、第一参考层1251、第一隧穿层1261与自由层127形成第一级磁性隧道结，以下简称为第一级隧道结，自由层127、第二隧穿层1262、第二参考层1252与第二钉扎层1242形成第二级磁性隧道结，以下简称为第二级隧道结，第一级隧道结与第二级隧道结共用同一层自由层127，这里的每一级隧道结的原理与前述实施方式中MTJ的原理相似，因此不做过多介绍。
这种结构的特点是具有两个磁化方向相反的参考层为自由层127提供同向力矩。其中，第一参考层1251与第二参考层1252的磁化方向相反，(图中的粗箭头用于表示磁化方向)例如第一参考层1251的与第二参考层1252的磁化方向为朝向自由层127的方向，或者第一参考层1251与第二参考层1252的磁化方向为远离自由层127的方向。
在磁性隧道结中，参考层的磁化方向固定不变，磁性较强，可以完成电流的自旋极化，例如当电流从第一参考层1251流向第二参考层1252时，首先，电流由第一参考层1251流向自由层127，即自旋电子由自由层127流向第一参考层1251，此时自旋方向平行于第一参考层1251磁化方向的电子更容易遂穿到第一参考层1251中，而自旋极化方向反平行的电子则被阻滞，被散射或反射，被反射的电子穿过第一隧穿层1261到达自由层127，并与自由层127磁矩发生交换耦合作用，使自由层127的磁化方向向着第一参考层1251磁化方向的反方向转动，最终使得自由层127的磁化方向与第一参考层1251的磁化方向呈反平行状态(即自由层127的磁化方向与第一参考层1251的磁化方向相反)，也即是说，当电流从第一参考层1251流向自由层127时，第一参考层1251对自由层127的作用，使得自由层127的磁化方向朝着与第一参考层1251的磁化方向相反的方向转变。
而当电流从自由层127流向第二参考层1252时，即自旋电子从第二参考层1252流向自由层127，自旋电子通过第二参考层1252时，电流中的电子沿着第二参考层1252的磁化方向被自旋极化，电子的自旋磁矩与第二参考层1252的磁化方向平行，自旋电子穿过第二隧穿层1262到达自由层127时，自旋电子将自旋转移距传递给自由层127，而受到自旋转移距效应的自由层127，其磁化强度小，因而自由层127的磁化方向能够根据自旋极化流中自旋电子的极化方向自由地发生变化，最终使得自由层127的磁化方向和第二参考层1252的磁化方向呈平行状态(即自由层127的磁化方向与第二参考层1252的磁化方向相同)，也即是说，当电流从自由层127流向第二参考层1252时，第二参考层1252对自由层127的作用，使得自由层127的磁化方向朝着与第二参考层1252的磁化方向相同的方向转变。
这样，在电流由第一参考层1251流向第二参考层1252时，自由层127同时会受到第一参考层1251与第二参考层1252的作用，其中第一参考层1251的作用使自由层127的磁化方向与第一参考层1251的磁化方向相反，第二参考层1252的作用时自由层127的磁化方向与第二参考层1252的磁化方向相同，而第二参考层1252与第一参考层1251的磁化方向是相反的，也就是说第一参考层1251与第二参考层1252对自由层127的作用，都会使自由层127的磁化方向与第一参考层1251的磁化方向相反，这样在两个参考层的同时作用下，自由层127会更容易发生翻转，可以降低翻转所需的电流密度，可以降低写入电流的大小。
同理，当电流由第二参考层1252流向第一参考层1251时，自由层127的磁化方向同时受到两个参考层的作用，使自由层127的磁化方向朝着与第二参考层1252磁化方向相反的方向转变。
基于上述实施例提供的双隧道结结构的磁性结12，当电流流过磁性结12时，例如当电流由第一参考层1251流向第二参考层1252时，自由层127会同时受到电流经过第一参考层1251形成的力矩、电流经过第二参考层1252形成的力矩的作用，当电流由第二参考层1252流向第一参考层1251时亦是如此，这样两个参考层提供双重力矩使自由层127翻越势垒，可以降低写入电流的大小。
这种双隧道结结构的MTJ可以降低写入电流，但与此同时，MTJ的整体电阻为第一隧穿层1261与第二隧穿层1262的电阻之和，而MTJ整体的TMR为：
其中，TMRALL为双隧道结结构的磁性结整体的TMR，TMR1为第一级隧道结的TMR，RL1为第一级隧道结在低阻态时的电阻，TMR2为第二级隧道结的TMR，RL2为第二级隧道结在低阻态时的电阻，RH2为第二级隧道结在高阻态时的电阻。这里的第一级隧道结是指第一钉扎层1241、第一参考层1251、第一隧穿层1261、自由层127形成的磁性隧道结，第二级隧道结指的是自由层127、第二隧穿层1262、第二参考层1252与第二钉扎层1242形成的磁性隧道结。一般而言，第一隧穿层1261与第二隧穿层1262的电阻不同，因此第一级隧道结的TMR与第二级隧道结的TMR也不同。
这种双隧道结结构的磁性结，虽然可以降低写入电流，但整体的电阻更大，在磁性隧道结中，隧穿层是电阻的主要来源，图5所示的双隧道结结构的磁性结，其整体电阻为第一隧穿层1261与第二隧穿层1262的电阻之和，电阻过大不利于MTJ尺寸的微缩，会导致存储器占用面积过大，同时功耗也会更高。由式(3)可知，双隧道结结构的MTJ的TMR更低，TMR低会导致读取窗口更小，会需要更复杂的读取电路，导致双隧道结结构的MTJ应用场景更加局限。
双隧道结结构的磁性结12具有第一隧穿层1261与第二隧穿层1262，而隧穿层一般采用电阻较大的氧化镁(MgO)，这也是导致双隧道结结构的磁性结电阻更大的原因，为了进一步降低写入电流，本申请实施例提供了另一种磁性结，将第二隧穿层1262替换为非磁性金属层，这样可以降低改善图5所示的结构中两个隧穿层叠加导致的电阻过大以及TMR损失的问题。
本申请的实施例还提供了一种存储器，该存储器的结构包括设置于存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元，存储单元包括晶体管T和与晶体管T连接的磁性结。存储器还包括多条平行排列的字线WL，以及多条平行排列的位线BL，且字线WL与位线BL相互交叉，例如，字线WL与位线BL相互垂直。在一些实施例中，存储器10还包括多条平行排列的源极线(source line，SL)，且源极线SL与位线BL平行。其中，晶体管T的栅电极与字线WL电连接，晶体管T的源电极与源极线SL电连接。
在一些实施例中，字线WL还与字线控制电路电连接，通过字线控制电路为字线WL提供高电平信号或低电平信号，以使晶体管T处于导通状态或截止状态。在晶体管T为N型晶体管的情况下，高电平信号控制晶体管T导通，低电平信号控制晶体管T截止。在晶体管T为P型晶体管的情况下，低电平信号控制晶体管T导通，高电平信号控制晶体管T截止。在一些实施例中，源极线SL接地。
图6示出了本申请实施例提供的存储单元11的结构示意图，其中磁性结12分别连接位线BL与晶体管T的漏电极。示例性的，磁性结12通过第一电极121与位线BL连接，磁性结12通过第二电极122与晶体管T的漏电极连接。晶体管T的源电极连接源极线SL，晶体管T的栅电极连接字线WL。
本申请实施例提供的存储器采用另一种结构的磁性结：共用同一个自由层的磁性隧道结与自旋阀(spin valve，SV)的结构，或者称为1MTJ1SV结构。参阅图6，磁性结12包括：依次层叠设置的第一钉扎层1241、第一参考层1251、第一隧穿层1261、自由层127、非金属磁性层128、第二参考层1252与第二钉扎层1242。其中第一钉扎层1241、第一参考层1251、第一隧穿层1261与自由层127构成一个MTJ，自由层127、非金属磁性层128、第二参考层1252与第二钉扎层1242构成一个SV。
自旋阀与磁性隧道结是磁存储领域的两个基本应用结构，自旋阀与磁性隧道结的结构不同，磁性隧道结的基础模型为两个铁磁层以及位于两个铁磁层之间的绝缘的隧穿层，基于这种结构，磁性隧道结存储信息是基于隧穿磁阻效应实现的；而若将两个铁磁层之间的绝缘隧穿层替换为非磁性金属层，例如，铬、钼、钌、铜等材料，即形成了自旋阀的基础模型，非磁性金属层可以阻止两侧铁磁层之间的耦合作用。自旋阀具有巨磁电阻(giantmagnetoresistance，GMR)效应，它指的是磁性材料的电阻率取值在外加磁场有、无的不同条件下变化巨大的效应，GMR通常定义为：
RAP是指两铁磁层材料磁化方向相反情况下的电阻值，RP指两铁磁层材料磁化方向相同情况下的电阻值。
巨磁电阻效应的产生可以通过电子的自旋散射过程来进行解释。由于不同自旋方向的电子在铁磁层中运动时受到的散射程度不同。当电子的自旋方向与铁磁层磁矩方向一致时，电子所受到的散射作用较小，为低阻态；反之，如果电子的自旋方向与铁磁层磁矩方向相反，电子所受到的散射作用较大，为高阻态。
自旋阀与磁性隧道结共用同一个自由层127，磁性隧道结的自由层127的磁化方向会随着写入电流的方向改变而改变，这样相当于对自旋阀施加了外加磁场，自旋阀也会对自由层127的磁化方向的翻转产生力矩作用。
与双隧道结结构的磁性结类似，1MTJ1SV中自由层翻转时同样可以受到双重力矩的作用，在第一参考层1251与第二参考层1252的磁化方向相反的情况下，自由层127的磁化状态翻转也会因为第一参考层1251与第二参考层1252的双重力矩作用而变得更容易，这样可以降低自由层127磁化状态翻转所需的写入电流的大小。
1MTJ1SV这种结构可以有效降低整体的电阻，将第二隧穿层替换为非磁性金属层后，即用自旋阀替换第二级隧道结，由于自旋阀中没有隧穿层，而在自由层与参考层之间设置的是金属导体，因此自旋阀的电阻很低，结合式(3)，这样第二级隧道结(此时第二级隧道结实际为自旋阀)的TMR2*RL2变得很低，因此可以避免TMR损失，但对于自旋阀而言，不存在隧穿层，也就没有了遂穿效应，其STT效率只有MTJ的STT效率的三分之一到六分之一，甚至更小，因此在1MTJ1SV这种结构中，主要起到作用的是MTJ，如果要SV与MTJ产生相同的力矩，SV所需的电流密度是MTJ所需的电流密度的3～5倍，甚至更多，这样在1MTJ1SV这样的结构中，SV与MTJ所需的电流密度不匹配，虽然SV与MTJ这两个结构整体为串联的关系，但SV所需的电流密度是大于MTJ所需的电流密度的，例如MTJ的所需电流密度为1，而SV所需的电流密度为3，这样就会导致流过磁性结的电流密度只能为1，SV仅仅能够发挥部分的效率，效率低，若磁性结通过的电流密度为3，这样虽然SV能完全发挥其效率，但通过MTJ的电流密度增大，有可能导致MTJ中的隧穿层被击穿，造成永久性的损坏。
为了降低写入电流，同时改善SV与MTJ的所需电流密度大小不匹配的问题，本申请实施例提供了一种存储器，包括设置于存储器的存储区域内阵列分布的多个存储单元，存储单元包括晶体管T和与晶体管T连接的磁性结。存储器还包括多条平行排列的字线WL，以及多条平行排列的位线BL，且字线WL与位线BL相互交叉，例如，字线WL与位线BL相互垂直。在一些实施例中，存储器还包括多条平行排列的源极线(source line，SL)，且源极线SL与位线BL平行。其中，晶体管T的栅电极与字线WL电连接，晶体管T的源电极与源极线SL电连接，磁性结通过第一电极与位线BL连接，磁性结通过第二电极与晶体管T的漏极连接。
在一些实施例中，字线WL还与字线控制电路电连接，通过字线控制电路为字线WL提供高电平信号或低电平信号，以使晶体管T处于导通状态或截止状态。在晶体管T为N型晶体管的情况下，高电平信号控制晶体管T导通，低电平信号控制晶体管T截止。在晶体管T为P型晶体管的情况下，低电平信号控制晶体管T导通，高电平信号控制晶体管T截止。在一些实施例中，源极线SL接地。
参阅图7，磁性结12为1MTJ1SV的结构，包括依次层叠设置的第一参考层1251、第一隧穿层1261、自由层127、非磁性金属层128与第二参考层1252。此处，可以是第一参考层1251靠近第二电极122，第二参考层1252靠近第一电极121；也可以是第一参考层1251靠近第一电极121，第二参考层1252靠近第二电极122。本申请实施例以第一种情况为例进行说明。
第一参考层1251、第一隧穿层1261与自由层127可以形成磁性隧道结，第二参考层1252、非磁性金属层128与自由层127可以形成自旋阀。自旋阀中，除自由层127之外的各层尺寸小于磁性隧道结的各层的尺寸。
由于同等尺寸下，SV与MTJ产生相同力矩所需的电流密度不匹配，而电流密度与器件的尺寸大小呈平方反比关系，器件的尺寸越大，相同电流下的电流密度越小，因此本申请的实施例提供的磁性结采用SV与MTJ组合的方式来减小自由层磁化方向翻转的难度，使自由层的磁化方向翻转同时受到SV与MTJ的双重力矩作用，以此来降低自由层磁化方向翻转的难度，降低写入电流，为了解决SV与MTJ需求的电流密度不匹配的问题，对SV与MTJ的尺寸进行调整，其中，非磁性金属层128和第二参考层1252在垂直于层叠方向的截面面积小于自由层127在垂直于层叠方向的截面面积，这里的层叠方向是指第一参考层1251、第一隧穿层1261、自由层127、非磁性金属层128与第二参考层1252依次层叠的方向。
在电流相同的情况下，使SV的尺寸小于MTJ的尺寸，这样SV的电流密度大于MTJ的电流密度，可以对二者不同电流密度的需求进行匹配，一方面能够减小写入电流，避免MTJ被击穿，另一方面，可以提高SV的电流密度，使其发挥较高的STT效率。
非磁性金属层128与第二参考层1252在自由层127面内的投影位于自由层127内。即对于自旋阀而言，除了与MTJ共用的自由层127之外，其各个层结构的尺寸均小于MTJ各层结构的尺寸，即非磁性金属层128与第二参考层1252的半径小于自由层127的半径，这样SV的面积小于MTJ的面积，在流过相同大小电流的情况下，SV的电流密度大于MTJ的电流密度，能够确保在降低写入电流的情况下，SV也能发挥较高的效率。
由于SV产生的STT效率只有MTJ的三分之一到六分之一甚至更小，而在获得同等STT大小的条件下，SV结构所需的电流密度通常为MTJ结构所需电流密度的3～5倍左右，为了降低自由层127的翻转电流，提高SV与MTJ的效率，本申请实施例中，磁性结12为圆柱形，其内部各层结构的截面形状为圆形，SV的非磁性金属层128与第二参考层1252的半径约为MTJ与SV共用的自由层127的半径的2/5～2/3，换言之，MTJ与SV共用的自由层127的半径为非磁性金属层128与第二参考层1252的半径的1.5倍～2.5倍；在一些其他的实施方式中，磁性结12还可以为椭圆柱形，此时非磁性金属层128、第二参考层1252、自由层127在垂直与层叠方向的截面形状为椭圆形，这样的情况下，非磁性金属层128的短轴小于自由层128的短轴，这样仍然能够使MTJ的面积约为SV的面积的2～6倍，SV的电流密度为2倍～6倍，能够确保在电流较小的情况下，SV能够发挥与MTJ相当的STT效率，或者上述的各个膜层结构的截面形状还可以是其他的形状，但需要保障非磁性金属层1252的截面面积小于自由层127的截面面积。
为了使本申请的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式进行详细说明。
参阅图8，在一种可能的实现方式中，磁性结12包括依次层叠设置的第一钉扎层1241、第一参考层1251、第一隧穿层1261、自由层127、非磁性金属层128、第二参考层1252与第二钉扎层1242。其中，非磁性金属层128、第二参考层1252与第二钉扎层1242在自由层127面内的投影位于自由层127内，这样第二钉扎层1242、第二参考层1252、非磁性金属层128的面积小于第一钉扎层1241、第一参考层1251、第一隧穿层1261的面积，即SV的尺寸小于MTJ的尺寸，在流过相同大小电流的情况下，SV的电流密度大于MTJ的电流密度，对于需要不同的电流密度的SV与MTJ而言，为了确保MTJ不会被击穿，会选取较小的电流密度作为基准，即以MTJ所需的电流密度作为基准，而若要发挥等同的STT效率，SV需求的电流密度是MTJ所需的电流密度的3～5倍，以MTJ所需的电流密度为基准的话无法保障SV完全发挥其STT效率，本申请的实施例对SV于MTJ的尺寸进行调整，使SV的面积小于MTJ的面积，这样在流过相同大小电流的情况下，SV的电流密度会大于MTJ的电流密度，这样在以MTJ为基准选取较小电流密度的情况下，SV的电流密度会因为尺寸减小而增大，这样在降低写入电流的同时，能够提高MTJ与SV的效率。
SV需求的电流密度是MTJ所需的电流密度的3～5倍，在一些可能的实施方式中，SV的非磁性金属层128与第二参考层1252的半径约为MTJ与SV共用的自由层127的半径的2/5～2/3，或者，MTJ与SV共用的自由层127的半径为非磁性金属层128与第二参考层1252的半径的1.5倍～2.5倍，这样MTJ的面积约为SV的面积的2.25～6.25倍，在流过相同大小电流的情况下，SV的电流密度为MTJ的电流密度的2.25～6.25倍，这样能够确保在MTJ以小电流密度工作的情况下，SV能够发挥更高的STT效率。
本申请实施例中，第一钉扎层1241、第一参考层1251、第一隧穿层1261与自由层127形成磁性隧道结。
作为一种可能的实现方式，第一钉扎层1241可以为人工反铁磁结构，包括依次层叠的第一磁性层、第一非磁性层和第二磁性层，其中第一磁性层与第二磁性层具有垂直磁各向异性，第一磁性层与第二磁性层之间具有反铁磁耦合，这种结构可以降低第一钉扎层1241产生的杂散场。这里的第一磁性层与第二磁性层可以采用钴铂(Co/Pt)多层膜、钴钯(Co/Pd)多层膜、钴镍(Co/Ni)多层膜、铁铂(FePt)、钴铂(CoPt)、铁钯(FePd)、铁钯硼(FePdB)、钴钯(CoPd)等，第一非磁性层可以采用非磁性金属材料，例如铱(Ir)、钌(Ru)、钼(Mo)、铬(Cr)等材料。
示例性的，参阅图9，第一钉扎层1241可以包括第一钴铂多层膜12411、第一非磁性层12412以及第二钴铂多层膜12423，其中第一钴铂多层膜12411的膜层结构数量与第二钴铂多层膜12413的膜层结构数量不同，第一非磁性层12412的材料可以为铱(Ir)、钌(Ru)、钼(Mo)、铬(Cr)等材料。
第一钉扎层1241具有较大的矫顽场，且与第一参考层1251之间有较强的铁磁耦合作用，可以将第一参考层1251的磁化方向钉扎在固定的磁化方向，第一参考层1251的磁化方向与第一钉扎层1241的磁化方向相同，因此在一些情况下，也会将参考层与钉扎层统一称为参考层、钉扎层或者固定层。
第一参考层1251可以具有垂直磁各向异性，其磁化方向可以为垂直第一参考层1251的表面纵向向上或纵向向下，例如可以是朝向自由层127的方向，也可以是远离自由层127的方向。当然，其磁化方向也可以与纵向方向之间存在呈一定角度，例如第一参考层1251的磁化方向为斜向上或斜向下。
第一参考层1251可以为(CoxFe1-x)1-yBy结构，其中x、y的取值界于0～0.5之间，示例性的，第一参考层1251的材料可以为钴铁硼(CoFeB)、铁硼(FeB)、钴铁(CoFe)或钴硼(CoB)等，第一参考层1251的厚度过大的情况下，会导致垂直磁各向异性能倒向膜平面内，因此一般而言，第一参考层1251的厚度不大于5nm，第一参考层1251可以为单层膜结构，或者，第一参考层1251也可以为多层膜结构。
第一隧穿层1261为位于第一参考层1251与自由层127之间的非磁性绝缘层，其呈现高电阻状态，是磁性隧道结中电阻的主要来源，也被称为绝缘隧穿层，第一隧穿层1261可以提供一个势垒，将两侧的第一参考层1251与自由层127隔开，使第一隧穿层1261两侧的第一参考层1251和自由层127之间没有磁性耦合，因此隧穿层也会被称为势垒层。第一参考层1251和自由层127之间由于第一隧穿层1261的作用处于退耦合的状态，因此自由层127的磁化方向很容易在外加磁场的作用下发生改变，自由层127的磁化方向与第一参考层1251的磁化方向可以呈平行或反平行状态，即自由层127的磁化方向与第一参考层1251的磁化方向可以相同或相反。第一隧穿层1261可以为单层膜结构，也可以为多层膜结构，其材料可以包括氧化镁(MgO)、氧化镁镓(MgGaO)、氧化镁钆(MgGdO)、氧化钛(TiOx)、氧化钽(TaOx)、氧化铝(AlOx)、氧化镁钛(MgTiOx)中的一种或者他们的组合。
自由层127具有垂直磁各向异性能，自由层127的磁化方向能够随着写入电流的方向改变而改变，因此自由层127也被称为自由磁性层，例如当写入电流的方向为由第一参考层1251流向自由层127时，自由层127的磁化方向与第一参考层1251相同，当写入电流的方向为由自由层127流向第一参考层1251时，自由层127的磁化方向与第一参考层1251相反。
与第一参考层1251相似，自由层127也可以采用(CoxFe1-x)1-yBy结构，其中x、y的取值界于0～0.5之间，示例性的，自由层127的材料可以为钴铁硼(CoFeB)、铁硼(FeB)、钴铁(CoFe)或钴硼(CoB)等。自由层127的厚度小于第一参考层1251与第一钉扎层1241的厚度，例如，自由层127的厚度不大于3nm，不小于0.1nm，自由层127可以为单层膜结构，当然，自由层127也可以为多层膜结构，当自由层127为多层膜结构时，其多层膜之间具有磁性耦合。
本申请实施例提供的MTJ的第一参考层1251和自由层127均可以采用(CoxFe1-x)1- yBy结构，优选的，x、y界于0.15～0.30之间。这样的体系结构可以获得较大的TMR，大约为150％～250％，同时具有高自旋转移效率(>0.8)，是实现MRAM读写的关键。第一参考层1251中各种元素的比例可以与自由层127中各元素的比例相同，也可以不同，其中x和y的取值决定其中的钴和铁的含量，一般而言，自由层与隧穿层之间、以及参考层与隧穿层之间的界面垂直磁各向异性主要由钴(Co)、铁(Fe)与氧化镁(MgO)产生，因此可以通过适当降低x的值来提高第一参考层1251、自由层127中铁(Fe)的比例，从而提高各层的垂直磁各向异性能。
本申请实施例中，自由层127、非磁性金属层128、第二参考层1252与第二钉扎层1242形成自旋阀。自旋阀与磁性隧道结共用自由层127，这样自由层127可以同时受到磁性隧道结与自旋阀的双重力矩作用，自由层127的磁化方向更容易发生翻转，可以降低写入电流。
自旋阀与磁性隧道结的结构相似，区别在于将磁性隧道结中由绝缘材料构成的隧穿层替换为了金属导体材料形成的非磁性层，这样在自旋阀中就不存在遂穿效应。自旋阀的STT效率低于磁性隧道结的STT效率，一般情况自旋阀的STT效率只有磁性隧道结的STT效率的三分之一到六分之一甚至更小，而在获得同等STT大小的条件下，SV结构所需的电流密度通常为MTJ结构所需电流密度的3～5倍左右，为了降低自由层的翻转电流，提高SV与MTJ的效率，本申请实施例中，自旋阀中除自由层127之外的各层结构的半径为自由层127的半径的2/5～2/3，在这样的情况下，自旋阀中的电流密度可以达到磁性隧道结的电流密度的2.25～6.25倍，能够匹配磁性隧道结与自旋阀不同的电流密度需求。
其中第二钉扎层1242可以为人工反铁磁结构，包括依次层叠的第三磁性层、第二非磁性层和第四磁性层，其中第三磁性层与第四磁性层具有垂直磁各向异性，第三磁性层与第四磁性层之间具有反铁磁耦合，这种结构可以降低第二钉扎层1242产生的杂散场。这里的第三磁性层与第四磁性层可以采用钴铂(Co/Pt)多层膜、钴钯(Co/Pd)多层膜、钴镍(Co/Ni)多层膜、铁铂(FePt)、钴铂(CoPt)、铁钯(FePd)、铁钯硼(FePdB)、钴钯(CoPd)等，第二非磁性层可以采用非磁性金属材料，例如铱(Ir)、钌(Ru)、钼(Mo)、铬(Cr)等材料。
示例性的，参阅图10，第二钉扎层1242可以包括第三钴铂多层膜12421、第二非磁性层12422以及第三钴铂多层膜12423，其中第三钴铂多层膜12421的膜层结构数量与第四钴铂多层膜12423的膜层结构数量不同，第二非磁性层12422的材料可以为铱(Ir)、钌(Ru)、钼(Mo)、铬(Cr)等材料
第二钉扎层1242可以将第二参考层1252的磁化方向钉扎在固定的磁化方向，第二参考层1252的磁化方向与第二钉扎层1242的磁化方向相同。
第二参考层1252可以为(CoxFe1-x)1-yBy结构，其中x、y的取值界于0～0.5之间，示例性的，第二参考层1252的材料可以为钴铁硼(CoFeB)、铁硼(FeB)、钴铁(CoFe)或钴硼(CoB)等，第二参考层1252的厚度过大的情况下，会导致垂直磁各向异性能倒向膜平面内，因此一般而言，第二参考层1252的厚度不大于5nm，第二参考层1252可以为单层膜结构，或者，第二参考层1252也可以为多层膜结构。
前述实施例已经提及，自由层127可以同时受到磁性隧道结与自旋阀的双重力矩作用，因此自由层127的磁化方向更容易发生翻转，这样可以降低写入电流。而对于自由层127而言，同时受到磁性隧道结与自旋阀的力矩作用，在这里，定义第一参考层1251指向第二参考层1252的方向为正向，反之，第二参考层1252指向第一参考层1251的方向为负向，那么要使得自由层127的磁化方向更容易翻转，就需要磁性隧道结对自由层127作用的自旋转移矩的方向与自旋阀对自由层127的自旋转移矩的方向是平行的。即，当磁性隧道结作用于自由层127的力矩方向为正向时，自旋阀作用于自由层127的力矩方向也为正向；反之亦然，当磁性隧道结作用于自由层127的力矩方向为负向时，自旋阀作用于204的力矩方向也为负向，如此自由层127在双重方向相同的力矩作用下，二者互相叠加，自由层127受到的力矩增大，自由层127的磁化方向更容易发生翻转。否则，若磁性隧道结与自旋阀作用于自由层127的力矩方向是相反的情况下，那么二者互相抵消，自由层127受到的力矩减小，自由层127的磁化方向会更难发生翻转。
当电流从第一参考层1251流向第二参考层1252时，第一参考层1251对自由层127的力矩作用使自由层127的磁化方向与第一参考层1251的磁化方向相反的方向转变，第二参考层1252对自由层127的力矩作用使自由层的磁化方向朝着与第二参考层的磁化方向相同的方向转变，因此，第一参考层1251与第二参考层1252的磁化方向应该是相反的，这样，位于第一参考层1251与第二参考层1252之间的自由层127才能够受到第一参考层1251、第二参考层1252相同方向的力矩的作用。
那么，相应的，第一钉扎层1241与第二钉扎层1242的磁化方向亦是相反的。例如，可以是，第一钉扎层1241、第一参考层1251的磁化方向为第一参考层1251朝向第二参考层1252的方向，或者有一定的倾斜；第二钉扎层1242、第二参考层1252的磁化方向为第二参考层1252朝向第一参考层1251的方向，或者有一定的倾斜；即第一钉扎层1241、第一参考层1251的磁化方向朝向自由层127或者有一定的倾斜，第二钉扎层1242、第二参考层1252的磁化方向朝向自由层127，或者有一定的倾斜。
或者，还可以是第一钉扎层1241、第一参考层1251的磁化方向为第二参考层1252朝向第一参考层1251的方向，或者有一定的倾斜；第二钉扎层1242、第二参考层1252的磁化方向为第一参考层1251朝向第二参考层1252的方向，或者有一定的倾斜；即第一钉扎层1241、第一参考层1251的磁化方向背离自由层127或者有一定的倾斜，第二钉扎层1242、第二参考层1252的磁化方向背离自由层127，或者有一定的倾斜。
在另一种可能的实现方式中，第二参考层207的磁化方向也可以为与第二参考层207所在的平面平行，这样第二参考层207可以对自由层127的作用，向自由层127施加与自由层127的磁化方向垂直的力矩，这样电流产生的自旋移力矩可以更轻松地使自由层207的磁化方向发生翻转，能够减小写入电流，降低存储器的功耗。
非磁性金属层128用于阻隔第二参考层1252与自由层127这两个铁磁层，使二者之间不具备磁性耦合。非磁性金属层128为金属导体，这样电子可以从其中一个铁磁层经过导体到达另一个铁磁层。非磁性金属层128的材料包括铬(Cr)、钌(Ru)、钼(Mo)中的任意一种或者他们的合金。
磁性结12通过第一电极121与位线BL连接，磁性结12通过第二电极122与晶体管T的漏电极电连接。例如可以是第一钉扎层1241靠近第一电极121，第二钉扎层1242靠近第二电极，122，也可以是第二钉扎层1242靠近第一电极121，第一钉扎层1241靠近第一电极。
为了便于区分，将与晶体管T连接的电极称为底电极，另一个电极称为顶电极。以上述的第一种情况为例，第二电极122为底电极，第一电极121为顶电极，第一钉扎层1241生长在底电极上。
为了便于在底电极生长第一钉扎层1241，提供一个平整的平面，因而在一些实现方式中，如图11所示，磁性结12还包括设置在底电极和第一钉扎层1241之间的种子层129，可以在种子层129上生长第一钉扎层1241。种子层129的材料可以为以下材料中的一种或多种：镍铬(NiCr)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、铂(Pt)、钯(Pd)、钌(Ru)、铱(Ir)、氮化铜(CuN)中的一种或几种的组合。
此外，在另一些实现方式中，磁性结12还包括设置在第一钉扎层1241与第一参考层1251之间的结构转化层1253，第一参考层1251的材料一般为001晶向，第一钉扎层1241的材料一般为111晶向，由于第一参考层1251和第一钉扎层1241的晶格差异较大，因而在第一钉扎层1241上生长第一参考层1251比较困难，会造成粗糙度累积、应力累积等，设置结构转化层1253可以为生长于其上的膜层结构提供良好的生长平面，实现第一参考层1251与第一钉扎层1241之间的晶格匹配，释放应力，提高成膜质量。
结构转化层1253的材料为非晶材料，而非晶材料没有固定的晶向，因而在结构转化层1253上生长第一参考层1251可以实现晶格匹配，避免晶格差异导致的生长困难，以及粗糙度累积、应力累积等问题。
示例性的，结构转换层1253的材料可以包括钽(Ta)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、铝(Al)、镁(Mg)、钛镁(TiMg)、钨(W)、钼(Mo)或者他们的合金，优选的，结构转化层的厚度一般不大于5nm。
本申请实施例提供的存储器，其存储单元采用的磁性结的结构包括一个自旋阀与一个磁性隧道结，要发挥相同STT效率的情况下，自旋阀所需的电流密度大于磁性隧道结所需的电流密度，因此本申请实施例提供的存储器，其存储单元采用的磁性结中，自旋阀的面积小于磁性隧道结的面积，这样在流过相同大小的电流的情形下，自旋阀的电流密度大于磁性隧道结的密度，可以匹配二者需求不同大小的电流密度；此外，由于磁性隧道结需求的电流密度小于自旋阀需求的电流密度，为了保护器件不被击穿，磁性结中能够通过的电流密度应以磁性隧道结所需的电流密度为基准，而要发挥相同STT效率的情况下自旋阀所需的电流密度约为磁性隧道结所需的电流密度的3～5倍，本申请实施例提供的存储器，磁性隧道结的半径与自旋阀的半径的比值约为1.5～2.5，这样磁性隧道结的面积与自旋阀的面积的比值约为2.25～6.25，在流过相同的大小的电流时，自旋阀的电流密度与磁性隧道结的电流密度之比约为2.25～6.25，利用二者尺寸的差异，匹配二者对不同电流密度的需求，确保磁性隧道结与自旋阀都能发挥较好的STT效率，以此来降低写入电流，降低磁性结的功耗。
此外，参阅图13，由于自旋阀的第二参考层1252、非金属磁性层128的半径小于自由层127的半径，形成了一个颈缩区域，这样磁性隧道结的第一参考层1251与自由层127处产生的局域漏磁场会由于尺寸不匹配产生横向分量，这样可以对部分自由层127中的磁矩产生面内方向的转矩，面内方向的转矩与自由层的磁化方向垂直，在自由层127受到第一参考层1251、第二参考层1252的作用时，上述的面内方向的转矩可以降低自由层的磁化方向翻转孵育时间(incubation delay)，而通过颈缩区域的电流会产生一定的横向分量，非磁性金属层128可以使该部分电流的自旋极化方向产生面内分量，如图14所示，同样可以减少自由层128的翻转孵育时间，使得自由层128的磁化方向更容易发生翻转，降低写入电流。
图15为本申请实施例提供的存储器的一种制造方法的流程框图，具体包括如下：
S21、形成层叠设置的第一参考层、第一隧穿层、自由层、非磁性金属层与第二参考层。
其中第一参考层、第一隧穿层与自由层可以形成磁性隧道结，第二参考层、非磁性金属层与自由层可以形成自旋阀，图15a～图15g仅示出了部分层叠结构，在形成磁性隧道结与自旋阀时，还可以一并形成其他的层结构，例如图12所示的包括第一电极、第二电极、第一钉扎层、第二钉扎层、种子层、结构转化层等的层叠结构。
S22、刻蚀非磁性金属层与第二参考层，使得非磁性金属层和第二参考层在自由层面内的投影位于所述自由层之内。
下面结合附图，对上述的S11与S12涉及的具体工艺流程进行介绍。
如图15a，在具备底电极的平面上沉积形成第一参考层、第一隧穿层、自由层、非磁性金属层与第二参考层，并在第二参考层的顶面形成硬掩膜，硬掩膜用于在后续加工的过程中对形成的各个膜层结构形成保护，硬掩膜可以为金属材料。
如图15b，在硬掩膜上沉积光阻、光刻，然后刻蚀形成自旋阀，这里的刻蚀停止在自由层上方，使第二参考层与非磁性金属层在自由层面内的投影位于自由层内，第二参考层与非磁性金属层在层叠方向的截面面积小于自由层在层叠方向的截面面积，例如，在一种可能的实现方式中，磁性结为圆柱形，此处的各个膜层结构在垂直与层叠方向上的截面形状均为圆形，第二参考层、非磁性金属层的半径小于自由层的半径。
如图15c，对第二参考层与非磁性金属层进行绝缘包覆，即沉积形成绝缘包覆层，这里的绝缘包覆层可以是单层的，也可以是多层的，绝缘包覆层的材料包括氮化硅(SiNx)或者氧化硅(SiOx)。
如图15d，以绝缘包覆层作为基准(self-align)，利用绝缘包覆层的厚度控制，刻蚀剩余的结构，使自由层、第一隧穿层、第一参考层等层结构的半径为第二参考层、非磁性金属层的半径的1.5～2.5倍。
如图15e，对刻蚀完的圆柱再次进行绝缘包覆。
绝缘包覆完成后，可以将顶部的绝缘包覆层去除，显露出来的(金属材料的)硬掩膜可以作为顶电极，如图15f所示。这里的顶电极可以是前述实施例中的第一电极或第二电极，相应的，底电极为第二电极或第一电极。
在另一种可能的实现方式中，如图15g，对第二参考层与非磁性金属层进行绝缘包覆，利用绝缘包覆层的厚度控制，采用氧离子钝化下层薄膜，使其绝缘形成绝缘层，然后将顶部的绝缘包覆层去除，显露出来的(金属材料的)硬掩膜可以作为顶电极，这里的顶电极可以是前述实施例中的第一电极或第二电极，相应的，底电极为第二电极或第一电极。
基于此，本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括电路板、以及与电路板连接的存储器，该存储器可以为上文所提供的任一种存储器。其中，该电路板可以为印制电路板(printed circuit board，PCB)，当然电路板还可以为柔性电路板(flexibleprinted circuit board，FPC)等，本实施例对电路板不作限制。
可选的，该电子设备为计算机、手机、平板电脑、可穿戴设备和车载设备等不同类型的用户设备或者终端设备；该电子设备还可以为基站等网络设备。可选的，该电子设备还包括封装基板，该封装基板通过焊球固定于印刷电路板PCB上，该存储器通过焊球固定于封装基板上。需要说明的是，关于电子设备中存储器的相关描述，具体可以参见上述实施例关于存储器的描述，本申请实施例在此不再赘述。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种存储器，其特征在于，包括阵列分布的多个存储单元，所述存储单元包括磁性结；
所述磁性结包括依次层叠设置的第一参考层、第一隧穿层、自由层、非磁性金属层与第二参考层；
所述非磁性金属层在垂直于层叠方向的截面面积小于所述自由层在垂直于所述层叠方向的截面面积。
2.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述非磁性金属层在垂直于所述层叠方向的截面面积为所述自由层在垂直于所述层叠方向的截面面积的1/6～1/2。
3.根据权利要求1或2所述的存储器，其特征在于，所述非磁性金属层在所述自由层面内的投影位于所述自由层之内。
4.根据权利要求1～3任一项所述的存储器，其特征在于，所述第二参考层在垂直于层叠方向的截面面积小于所述自由层在垂直于所述层叠方向的截面面积。
5.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一参考层与所述第二参考层的磁化方向相反。
6.根据权利要求1～5任一项所述的存储器，其特征在于，所述非磁性金属层的材料包括：铬、钼或者钌中的至少一种。
7.根据权利要求1～6任一项所述的存储器，其特征在于，所述第一参考层、所述第二参考层和所述自由层的材料包括钴铁硼、钴铁、钴硼、铁硼中的至少一种；
所述隧穿层的材料包括氧化镁、氧化镁镓、氧化镁钆、氧化钛、氧化钽、氧化铝、氧化镁钛中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述磁性结还包括第一钉扎层与第二钉扎层；
所述第一钉扎层位于所述第一参考层远离所述自由层的一侧；
所述第二钉扎层位于所述第二参考层远离所述自由层的一侧。
9.根据权利要求8所述的存储器，其特征在于，所述存储单元还包括第一电极和第二电极；
所述第一电极位于所述第一钉扎层远离所述第一参考层的一侧，所述第二电极位于所述第二钉扎层远离所述第二参考层的一侧。
10.根据权利要求8所述的存储器，其特征在于，所述第一钉扎层、所述第二钉扎层包括沿所述磁性结中各层的堆叠方向交替层叠设置的铁磁层和非磁性层。
11.一种制造存储器的方法，所述存储器包括阵列分布的多个存储单元，所述存储单元包括磁性结；所述磁性结包括依次层叠设置的第一参考层、隧穿层、自由层、非磁性金属层与第二参考层；所述非磁性金属层和所述第二参考层在所述自由层面内的投影位于所述自由层之内，其特征在于，所述方法包括：
形成层叠设置的第一参考层、隧穿层、自由层、非磁性金属层与第二参考层；
刻蚀所述非磁性金属层与所述第二参考层，以使所述非磁性金属层在垂直于层叠方向的截面面积小于所述自由层在垂直于所述层叠方向的截面面积。
12.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括电路板以及设置于所述电路板上的存储器，所述存储器为如权利要求1～10任一项所述的存储器。
CN202210583094.4A 2022-05-26 2022-05-26 存储器及其制造方法和电子设备 Pending CN117202667A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210583094.4A CN117202667A (zh) 2022-05-26 2022-05-26 存储器及其制造方法和电子设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210583094.4A CN117202667A (zh) 2022-05-26 2022-05-26 存储器及其制造方法和电子设备

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117202667A true CN117202667A (zh) 2023-12-08

Family

ID=88982340

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210583094.4A Pending CN117202667A (zh) 2022-05-26 2022-05-26 存储器及其制造方法和电子设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117202667A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102353406B1 (ko) 스핀 궤도 토크를 이용하여 강화된 감쇠 프로그램 및 경사진 자화 용이축을 갖는 자기 접합부를 포함하는 자기 소자
US9666793B2 (en) Method of manufacturing magnetoresistive element(s)
US10953319B2 (en) Spin transfer MRAM element having a voltage bias control
US8508004B2 (en) Magnetic element having reduced current density
JP6090800B2 (ja) 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
US6970376B1 (en) Magnetic random access memory and method of writing data in magnetic random access memory
US6909633B2 (en) MRAM architecture with a flux closed data storage layer
US8884389B2 (en) Magnetoresistive element and method of manufacturing the same
US7606063B2 (en) Magnetic memory device
US20130059168A1 (en) Magnetoresistance Device
CN106887247B (zh) 信息存储元件和存储装置
KR20080089189A (ko) 자기저항 효과 소자 및 이를 이용한 자기저항 랜덤 액세스메모리
JP2007305882A (ja) 記憶素子及びメモリ
US11631804B2 (en) Magnetoresistive effect element and magnetic memory
EP2887410A1 (en) Magnetic multilayer stack
JP4187021B2 (ja) 記憶素子及びメモリ
JP2010232447A (ja) 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
US8786038B2 (en) Semiconductor storage device and method of manufacturing the same
US20110291209A1 (en) Magnetic memory device
CN117202667A (zh) 存储器及其制造方法和电子设备
WO2023207700A1 (zh) 存储器及电子设备
WO2022110187A1 (zh) 一种存储器及电子设备
EP4243099A1 (en) Memory and electronic device
WO2022077499A1 (zh) 一种存储器及电子设备
WO2009122992A1 (ja) 磁気抵抗記憶装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication