CN117529214A - 可高密度集成的磁隧道结、磁随机存储器及其写入方法 - Google Patents

可高密度集成的磁隧道结、磁随机存储器及其写入方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可高密度集成的磁隧道结、磁随机存储器及其写入方法，磁隧道结由下至上分别包括：自旋轨道矩产生层、自由层、势垒层、参考层和钉扎层，所述自由层包括反铁磁层和人工合成反铁磁层，所述反铁磁层设置在所述自旋轨道矩产生层之上，所述人工合成反铁磁层包括依次设置的铁磁层、间隔层和铁磁层。本发明反铁磁层与自由层之间的交换偏置场可控制自由层的磁矩方向，从而使得反铁磁层磁序与铁磁层磁序相关联，由于反铁磁层的高稳定性，使得自由层磁矩的稳定性大大提高；调控人工合成反铁磁层的膜层材料及厚度，可以实现几乎为零的杂散场，降低器件之间的相互影响，从而缩近器件间距，提高存储密度。

Description

可高密度集成的磁隧道结、磁随机存储器及其写入方法
技术领域
本发明涉及存储器技术领域，尤其涉及一种可高密度集成的磁隧道结、磁随机存储器及其写入方法。
背景技术
磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)具有高速、非易失、与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容等特点，在存储领域具有重要应用前景。其基本单元磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)是由自由层(铁磁层)/绝缘层(隧穿层，势垒层)/参考层(铁磁层)三明治结构组成的隧穿磁阻(Tunneling Magnetoresistance,TMR)器件，自由层磁矩与参考层磁矩平行(反平行)使得器件具备低阻态(高阻态)，成为信息存储的基础。为了追求磁随机存储器的容量，需要尽可能微缩磁隧道结的尺寸，然而当器件尺寸微缩到百纳米以内时，依靠形状各向异性的面内磁隧道结难以保持足够的热稳定性。随后，垂直磁各向异性的引入使得磁隧道结的热稳定性不再依靠形状各向异性，而可通过垂直磁各向异性维持(专利公开号：CN114038992A)。然而随着磁隧道结尺寸进一步微缩，界面垂直磁各向异性强度也难以维持足够高的热稳定性，为解决该问题，交换偏置场被引入到磁隧道结中，依靠反铁磁与铁磁界面产生的交换偏置场使自由层稳定在一个方向上，自由层的热稳定性不再单纯依靠形状各向异性及界面垂直磁各向异性，而是取决于反铁磁/铁磁界面的交换偏置场。正是由于反铁磁具有高度稳定性，使得这种基于交换偏置的磁隧道结具有器件进一步微缩的潜力(专利公开号：CN112186094A，CN111244266A)。然而这种基于交换偏置的磁隧道结虽然能够提高器件的微缩能力，但自由层中的铁磁层依然会产生杂散场，影响临近的其他磁隧道结器件的存储稳定性，尤其是在写入时的存储稳定性，因为这个原因会导致此类芯片的器件间距较大，影响存储密度。
而最近工作表明，有铁磁层/非磁金属/铁磁层组成的人工合成反铁磁层能够有效避免杂散场对临近器件的影响，从而可以大幅度提高器件间距(专利公开号：CN109300495A)，但是该方案自由层仅由人工合成反铁磁组成，器件的热稳定性依靠铁磁层维持，因此难以提高器件的可微缩性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可高密度集成的磁隧道结、磁随机存储器及其写入方法，以解决上述提及的至少一个问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下方案：
根据本发明的第一方面，提供一种可高密度集成的磁隧道结，所述磁隧道结由下至上分别包括：自旋轨道矩产生层、自由层、势垒层、参考层和钉扎层，其中自由层又包括反铁磁层和人工合成反铁磁层，其中反铁磁层设置在所述自旋轨道矩产生层之上，所述人工合成反铁磁层包括依次设置的铁磁层、间隔层和铁磁层。
作为本发明的一个实施例，上述自由层还包括一插入层，所述插入层设置在反铁磁层和铁磁层之间，所述插入层材料包括重金属材料及其合金、或金属氧化物。
作为本发明的一个实施例，上述自旋轨道矩产生层材料包括Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、Bi、Ti的至少一种原子的单质、合金和化合物的其中一种。
作为本发明的一个实施例，上述反铁磁层的材料为PtMn、IrMn、PdMn、FeMn的其中之一或任意组合，厚度为1nm-10nm，其中PtMn的元素配比为Pt50Mn50、Pt20Mn80、Pt25Mn75或Pt75Mn25；IrMn的元素配比为Ir50Mn50、Ir20Mn80或Ir25Mn75；PdMn的元素配比是Pd50Mn50、Pd90Mn10或Pd75Mn25；FeMn的元素配比是Fe50Mn50或Fe80Mn20。
作为本发明的一个实施例，上述反铁磁层的材料为NiO、Cr2O3、YMnO3、BiFeO3的其中之一或任意组合，厚度为3-100nm。
作为本发明的一个实施例，上述人工合成反铁磁层中的铁磁层材料为Cr、Mn、Co、Fe及Ni的金属及含有这些金属1种以上且呈现铁磁性的合金，另外也包含使用含有这些金属和B、C及N的至少1种以上的元素的合金。
作为本发明的一个实施例，上述间隔层材料为Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
作为本发明的一个实施例，上述势垒层材料选为MgO、Al2O3、TaO中的一种或多种，其厚度为0.6-2nm。
作为本发明的一个实施例，上述参考层为单层铁磁层或所述人工合成反铁磁层。
作为本发明的一个实施例，上述钉扎层为单层反铁磁层或所述人工合成反铁磁层。
根据本发明的第二方面，提供一种磁随机存储器，所述磁随机存储器由如上所述的磁隧道结高密度排布而构成，且构成所述磁随机存储器的多个所述磁隧道结共用一个自旋轨道矩产生层。
根据本发明的第三方面，提供一种磁隧道结的写入方法，所述写入方法应用于如上所述的磁隧道结，所述写入方法包括：从自旋轨道矩产生层的两端通入写入电流，利用自旋轨道矩实现数据写入；或从自旋轨道矩产生层的一端及钉扎层通入写入电流，利用自旋转移矩实现数据写入；或从自旋轨道矩产生层的两端及钉扎层同时或以一定时序通入纵向和横向写入电流，利用自旋转移矩与自旋轨道矩的协同效应，实现数据写入；或从自旋轨道矩产生层的两端及钉扎层同时或者以一定时序通入纵向电压以及横向电流，利用电压调控磁各向异性效应及自旋轨道矩的协同实现数据写入。
由上述技术方案可知，本发明提供的可高密度集成的磁隧道结、磁随机存储器及其写入方法，其磁隧道结的参考层、势垒层和自由层可通过优化材料及工艺实现高隧穿磁阻率，以保证应用中读取正确率；反铁磁层与自由层之间的交换偏置场可控制自由层的磁矩方向，从而使得反铁磁层磁序与铁磁层磁序相关联，由于反铁磁层的高稳定性，使得自由层磁矩的稳定性大大提高；调控人工合成反铁磁层的膜层材料及厚度，可以实现几乎为零的杂散场，降低器件之间的相互影响，从而缩近器件间距，提高存储密度。
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获得其他的附图。在附图中：
图1是本申请实施例提供的一种可高密度集成的磁隧道结的结构示意图；
图2是本申请另一实施例提供的一种可高密度集成的磁隧道结的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的自由层的磁矩方向的示意图；
图4是本申请实施例提供的利用自旋轨道矩实现数据写入的示意图；
图5是本申请实施例提供的利用自旋转移矩实现数据写入的示意图；
图6是本申请实施例提供的利用自旋转移矩与自旋轨道矩的协同效应的示意图；
图7是本申请实施例提供的用电压调控磁各向异性效应及自旋轨道矩的协同实现数据写入的示意图；
图8是本申请实施例提供的磁随机存储器的结构示意图；
图9是本申请实施例提供的磁随机存储器利用电压调控磁各向异性效应及自旋轨道矩的协同实现数据写入的示意图；
图10是本申请实施例提供的磁随机存储器利用自旋转移矩与自旋轨道矩的协同效应实现数据写入的示意图。
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明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
由于目前现有技术中自由层的铁磁场为产生杂散场，导致无法微缩器件之间的间距，或者由于自由层仅由人工合成反铁磁组成，器件的热稳定性依靠铁磁层维持，从而也难以提高器件的可微缩性。本申请的目的在于提供一种可高密度集成的磁隧道结、磁随机存储器及其写入方法，来进一步提高存储器件的可微缩性。
如图1所示为本申请实施例提供的一种可高密度集成的磁隧道结的结构示意图，由图1可见，该磁隧道结下至上分别包括：自旋轨道矩产生层、自由层、势垒层和钉扎层，其中自由层又包括反铁磁层和人工合成反铁磁层，且反铁磁层设置在自旋轨道矩产生层之上，即自由层通过反铁磁层与自旋轨道矩产生层相接触。在本实施例中人工合成反铁磁层包括依次设置的铁磁层、间隔层和铁磁层，最下方的铁磁层和上述反铁磁层接触设置。
优选的，如图2所示，本实施例的磁隧道结中的自由层还可以包括一插入层，该插入层设置在反铁磁层和铁磁层之间，其既可以提高铁磁层及交换偏置场的翻转效率；2、避免反铁磁层的元素热扩散到铁磁层影响器件稳定性，可提高退火温度，还可以提升自旋轨道矩产生和穿透效率。该插入层厚度在0.1-1nm之间，材料包括但不仅限于Pt、Ta、W、Ru等重金属材料及其合金，MgO、RuO等金属氧化物等。
在本实施例中，上述自由层的磁矩方向可以是面内方向，也可以是垂直于样品表面的方向，具体可以如图3所示。
优选的，上述的自旋轨道矩产生层材料可以包括Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、Bi、Ti的至少一种原子的单质、合金和化合物的其中一种，其具有较高的自旋轨道耦合效应，从而高效地产生自旋流，作用于上层的反铁磁层。
优选的，上述的反铁磁层的材料为铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、钯锰(PdMn)、铁锰(FeMn)的其中之一或任意组合，厚度为1nm-10nm，其中PtMn的元素配比为Pt50Mn50、Pt20Mn80、Pt25Mn75或Pt75Mn25；IrMn的元素配比为Ir50Mn50、Ir20Mn80或Ir25Mn75；PdMn的元素配比是Pd50Mn50、Pd90Mn10或Pd75Mn25；FeMn的元素配比是Fe50Mn50或Fe80Mn20，上述材料中下标数字代办元素的百分比。
进一步优选的，上述反铁磁层的材料可以为氧化镍(NiO)、三氧化二铬(Cr2O3)、铱锰氧(YMnO3)、铋铁氧(BiFeO3)的其中之一或任意组合，厚度为3-100nm。
上述材料及厚度所构成的反铁磁层具备较高的热稳定性和抗外磁特性，具有较为一致的磁矩取向，并且能够为近邻的铁磁层提供较大的交换偏置场。
优选的，上述人工合成反铁磁层中的铁磁层材料可以为公知的铁磁层材料，其磁化方向可被翻转，并且矫顽场小于交换偏置场。比如可以为Cr、Mn、Co、Fe及Ni的金属及含有这些金属1种以上且呈现铁磁性的合金，或包含使用含有这些金属和B、C及N的至少1种以上的元素的合金。具体而言，例如Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、CoNi、CoPt等。
优选的，上述间隔层材料包括但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
优选的，上述势垒层材料选包括但不限于MgO、Al2O3、TaO中的一种或多种，其厚度为0.6-2nm。
优选的，上述参考层可以为单层铁磁层，也可以为如前所述的人工合成反铁磁层，即由依次设置的铁磁层、间隔层和铁磁层所组成的复合层。单层铁磁层或人工合成反铁磁层中的铁磁层的材料可以为Cr、Mn、Co、Fe及Ni的金属及含有这些金属1种以上且呈现铁磁性的合金，或包含使用含有这些金属和B、C及N的至少1种以上的元素的合金。具体而言，例如Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、CoNi、CoPt等，而间隔层的材料包括但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
优选的，上述钉扎层可以为单层反铁磁层，也可以为如前所述的人工合成反铁磁层，即由依次设置的铁磁层、间隔层和铁磁层所组成的复合层。反铁磁层的材料为铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、钯锰(PdMn)、铁锰(FeMn)的其中之一或任意组合，厚度为1nm-10nm，其中PtMn的元素配比为Pt50Mn50、Pt20Mn80、Pt25Mn75或Pt75Mn25；IrMn的元素配比为Ir50Mn50、Ir20Mn80或Ir25Mn75；PdMn的元素配比是Pd50Mn50、Pd90Mn10或Pd75Mn25；FeMn的元素配比是Fe50Mn50或Fe80Mn20。另外反铁磁层的材料还可以为氧化镍(NiO)、三氧化二铬(Cr2O3)、铱锰氧(YMnO3)、铋铁氧(BiFeO3)的其中之一或任意组合，厚度为3-100nm。当钉扎层为人工合成反铁磁层时，其中的铁磁层的材料可以为Cr、Mn、Co、Fe及Ni的金属及含有这些金属1种以上且呈现铁磁性的合金，或包含使用含有这些金属和B、C及N的至少1种以上的元素的合金，而间隔层的材料包括但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
由上述技术方案可知，本发明提供的可高密度集成的磁隧道结，其参考层、势垒层和自由层可通过优化材料及工艺实现高隧穿磁阻率，以保证应用中读取正确率；反铁磁层与自由层之间的交换偏置场可控制自由层的磁矩方向，从而使得反铁磁层磁序与铁磁层磁序相关联，由于反铁磁层的高稳定性，使得自由层磁矩的稳定性大大提高；调控人工合成反铁磁层的膜层材料及厚度，可以实现几乎为零的杂散场，降低器件之间的相互影响，从而缩近器件间距，提高存储密度。
基于上述磁隧道结的结构，本申请还提供一种磁隧道结的写入方法，下面对该磁隧道结的数据写入方式进行说明，本实施例所提供的上述磁隧道结可以提供如下四种写入方式：
第一种：从自旋轨道矩产生层的两端通入写入电流，利用自旋轨道矩实现数据写入，这种写入方式可以如图4所示。
第二种：或从自旋轨道矩产生层的一端及钉扎层通入写入电流，利用自旋转移矩实现数据写入，这种写入方式可以如图5所示。
第三种：从自旋轨道矩产生层的两端及钉扎层同时或以一定时序通入纵向和横向写入电流，利用自旋转移矩与自旋轨道矩的协同效应，实现数据写入，这种写入方式可以如图6所示。
第四种：从自旋轨道矩产生层的两端及钉扎层同时或者以一定时序通入纵向电压以及横向电流，利用电压调控磁各向异性效应及自旋轨道矩的协同实现数据写入，这种写入方式可以如图7所示。
基于上述磁隧道结的结构的写入方法各有其优势，具体来说第一种写入方式的优势是：读写分离，不存在读写串扰；第二种写入方式的优势是：两端口写入，可进一步简化器件结构，在形成存储阵列时，只需要1T1MTJ(1transistor+1MTJ)的结构，存储容量可进一步提高；第三种写入方式的优势是：速度更快，两股电流的大小可根据实际设计调节，灵活度更高；第四种写入方式的优势是：功耗更低。
基于上述磁隧道结的结构，本申请还提供一种磁随机存储器，如图8所示，该磁随机存储器是由上述的磁隧道结高密度排布而构成，且构成所述磁随机存储器的多个所述磁隧道结共用一个自旋轨道矩产生层。该磁随机存储器中每个器件的选择写入可通过同时施加或者以一定时序施加纵向电压与横向电流实现，如图9所示；也可以通过同时施加或者以一定时序施加纵向与横向电流实现，如图10所示。
本发明中应用了具体实施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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种可高密度集成的磁隧道结，其特征在于，所述磁隧道结由下至上分别包括：自旋轨道矩产生层、自由层、势垒层、参考层和钉扎层，所述自由层包括反铁磁层和人工合成反铁磁层，所述反铁磁层设置在所述自旋轨道矩产生层之上，所述人工合成反铁磁层包括依次设置的铁磁层、间隔层和铁磁层。
2.如权利要求1所述的可高密度集成的磁隧道结，其特征在于，所述自由层还包括一插入层，所述插入层设置在反铁磁层和铁磁层之间，所述插入层的材料包括重金属材料及其合金、或金属氧化物。
3.如权利要求1所述的可高密度集成的磁隧道结，其特征在于，所述自旋轨道矩产生层材料包括Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、Bi、Ti的至少一种原子的单质、合金和化合物的其中一种。
4.如权利要求1所述的可高密度集成的磁隧道结，其特征在于，所述反铁磁层的材料为PtMn、IrMn、PdMn、FeMn的其中之一或任意组合，厚度为1nm-10nm，其中PtMn的元素配比为Pt50Mn50、Pt20Mn80、Pt25Mn75或Pt75Mn25；IrMn的元素配比为Ir50Mn50、Ir20Mn80或Ir25Mn75；PdMn的元素配比是Pd50Mn50、Pd90Mn10或Pd75Mn25；FeMn的元素配比是Fe50Mn50或Fe80Mn20，或为NiO、Cr2O3、YMnO3、BiFeO3的其中之一或任意组合，厚度为3-100nm。
5.如权利要求1所述的可高密度集成的磁隧道结，其特征在于，所述间隔层的材料为Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的可高密度集成的磁隧道结，其特征在于，所述势垒层材料选为MgO、Al2O3、TaO中的一种或多种，其厚度为0.6-2nm。
7.如权利要求1所述的可高密度集成的磁隧道结，其特征在于，所述参考层为单层铁磁层或所述人工合成反铁磁层。
8.如权利要求1所述的可高密度集成的磁隧道结，其特征在于，所述钉扎层为单层反铁磁层或所述人工合成反铁磁层。
9.一种磁随机存储器，其特征在于，所述磁随机存储器由如权利要求1至8任一所述的磁隧道结高密度排布而构成，且构成所述磁随机存储器的多个所述磁隧道结共用一个自旋轨道矩产生层。
10.一种磁隧道结的写入方法，其特征在于，所述写入方法应用于如1至8任一所述的磁隧道结，所述写入方法包括：
从自旋轨道矩产生层的两端通入写入电流，利用自旋轨道矩实现数据写入；
或从自旋轨道矩产生层的一端及钉扎层通入写入电流，利用自旋转移矩实现数据写入；
或从自旋轨道矩产生层的两端及钉扎层同时或以一定时序通入纵向和横向写入电流，利用自旋转移矩与自旋轨道矩的协同效应，实现数据写入；
或从自旋轨道矩产生层的两端及钉扎层同时或者以一定时序通入纵向电压以及横向电流，利用电压调控磁各向异性效应及自旋轨道矩的协同实现数据写入。
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