磁存储单元结构及存储器的制作方法

1.本发明涉及磁性电子器件技术领域，特别是涉及一种磁存储单元结构及存储器。


背景技术：

2.随着半导体技术的发展，对信息存储的要求不断增加，信息存储技术面临着日益严峻的挑战。磁存储器(magneticrandomaccessmemory，mram)是存储技术的主要选择之一。
3.利用反铁磁和铁磁的本征交换偏置作用进行信息存储的磁存储器(eb-mram)的基本存储单元结构为“重金属、反铁磁层、自由层、氧化物势垒层与参考层”多层膜结构。反铁磁与自由层之间存在交换偏置作用，交换偏置的翻转主要依靠反铁磁磁化方向的翻转，而反铁磁翻转的主要过程包括重金属中自旋流以及焦耳热效应对反铁磁磁矩的扰动。由于反铁磁磁矩的各向异性较强，具有较强的稳定性，从而翻转反铁磁所需的电流较大，造成较高的数据写入功耗。因此，如何降低翻转反铁磁所需的电流对于降低eb-mram的数据写入功耗尤为关键。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低数据写入功耗的磁存储单元结构及存储器。
5.本发明提供的一种磁存储单元结构，包括复合底电极，以及设置于所述复合底电极上的磁隧道结，所述磁隧道结包括层叠的反铁磁层、自由层、势垒层与参考层，所述复合底电极包括：
6.第一重金属层；
7.第一铁磁层，层叠于所述第一重金属层上；
8.第二重金属层，层叠于所述第一铁磁层背向所述第一重金属层的一侧；
9.其中，所述第一重金属层与第二重金属层的自旋霍尔角符号相反。：
10.在其中一个实施例中，所述磁隧道结还包括第二铁磁层，所述第二铁磁层层叠于所述反铁磁层背向所述自由层的一侧。
11.在其中一个实施例中，所述第二铁磁层采用的材料为铁磁金属或铁磁合金。
12.在其中一个实施例中，所述复合底电极还包括第三重金属层与第三铁磁层，所述第三重金属层层叠于所述第一重金属层背向所述第一铁磁层的一侧，所述第三铁磁层层叠于所述第三重金属层背向所述第一重金属层的一侧。
13.在其中一个实施例中，所述第三重金属层与第二重金属层的材料相同，所述第三铁磁层与第一铁磁层的材料相同。
14.在其中一个实施例中，所述第一重金属层采用具有正自旋霍尔角的重金属材料，所述第二重金属层采用具有负自旋霍尔角的重金属材料。
15.在其中一个实施例中，所述第一重金属层选用的材料为pt、pd、irmn和ptmn中的一种或多种的组合，所述第二重金属层选用的材料为ta、w和cr中一种或多种的组合。
16.在其中一个实施例中，所述第一铁磁层采用的材料为铁磁金属或铁磁合金。
17.本发明还提供了一种磁存储单元结构，包括复合底电极，以及设置于所述复合底电极上的磁隧道结，所述磁隧道结包括依次层叠的第二铁磁层、反铁磁层、自由层、势垒层与参考层，所述复合底电极包括：
18.第四重金属层；
19.第四铁磁层，层叠于所述第四重金属层上；
20.第五重金属层，层叠于所述第四铁磁层背向所述第四重金属层的一侧；
21.第六重金属层，层叠于所述第五重金属层背向所述第四铁磁层的一侧；
22.其中，所述第四重金属层与第六重金属层的自旋霍尔角符号相同，所述第五重金属层与第六重金属层的自旋霍尔角符号相反。
23.本发明还提供了一种存储器，包括上述所述的磁存储单元结构，所述复合底电极上设置有多个所述磁隧道结。
24.上述磁存储单元结构及存储器，第一重金属层与第二重金属层的自旋霍尔角方向相反，具有较高的自旋流转换效率，能够较高效的翻转第一铁磁层的磁矩，随后通过与自由层之间的耦合带动自由层的翻转，从而以较低的功耗完成数据的写入。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
26.图1为本发明的一个实施例的磁存储单元的结构示意图；
27.图2为本发明的另一个实施例的磁存储单元的结构示意图；
28.图3为本发明的再一个实施例的磁存储单元的结构示意图；
29.图4为本发明的又一个实施例的磁存储单元的结构示意图；
30.图5为本发明的其中一个实施例的磁存储单元的结构示意图。
31.附图标记：
32.110、复合底电极；111、第一重金属层；112、第三重金属层；113、第一铁磁层；114、第四重金属层；115、第二重金属层；116、第四铁磁层；117、第五重金属层；118、第六重金属层；119、第三铁磁层；120、磁隧道结；121、第二铁磁层；122、反铁磁层；124、自由层；126、势垒层；128、参考层。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，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做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。
34.需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以
是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本发明的说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”、“下”可以是第一特征直接和第二特征接触，或第一特征和第二特征间接地通过中间媒介接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
37.除非另有定义，本发明的说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本发明的说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
38.磁存储器(magneticrandomaccessmemory，mram)是下一代存储器技术的主要候选者之一。磁存储器具有与易失性静态随机存储器(static randomaccessmemory，sram)相当的性能和与易失性动态随机存储器(dynamicrandomaccessmemory，dram)相当的密度和更低的功耗。而与非易失性闪存(flashmemory)相比，mram具有更快的数据访问速度和更高的数据稳定性。
39.mram的基本存储单元为磁隧道结(magnetictunneljunction，mtj)。mtj核心结构为由两个铁磁层夹着一个氧化物势垒层而形成的三明治结构。其中一个铁磁层磁化方向不变，被称为参考层。另一个铁磁层的磁化方向可以被外界激励改变，被称为自由层。当自由层的磁化方向与参考层平行或反平行时，mtj分别处于低电阻或高电阻态。两个阻态可分别代表二进制数据“0”和“1”。
40.根据数据写入机理的不同，mram的发展共经历了三代变革。其中，第三代磁存储器—自旋轨道矩磁存储器(spin-orbittorquemram，sot-mram)具有非易失性、高速低功耗数据写入(《1ns，《～0.1pj/bit)和高器件耐久性等优点，是有望突破后摩尔时代集成电路功耗瓶颈的关键技术。sot-mram基本存储单元结构为在mtj自由层的相邻位置添加一层重金属层，形成“重金属、自由层、氧化物势垒层与参考层”的多层膜结构。电流流经重金属层能够产生自旋流，该自旋流能够翻转自由层的磁化方向，从而实现数据写入。通常用自旋霍尔角来表示重金属层产生自旋流的效率，重金属层的自旋霍尔角越大，表明产生自旋流的效率越高，数据写入的功耗越低。然而，由于其自身机制限制，sot-mram仍无法满足更小工艺节点上的数据存储可靠性和高速读写的需求。
41.利用反铁磁和铁磁的本征交换偏置作用进行信息存储的磁存储器(eb-mram)，被人们认为有望成为第四代磁存储器。eb-mram的基本存储单元为“重金属、反铁磁、自由层、氧化物势垒层与参考层”多层膜结构，它在sot-mram存储单元的基础上插入了一层反铁磁层。反铁磁与自由层之间存在交换偏置作用，反铁磁能够钉扎住自由层磁化方向，从而能够
提高自由层的数据存储稳定性。eb-mram通过翻转交换偏置的方向，也就是翻转反铁磁对自由层的钉扎方向来翻转自由层磁化方向，来实现数据写入。交换偏置的翻转则主要依靠反铁磁磁化方向的翻转，而反铁磁翻转的主要过程包括重金属中自旋流以及焦耳热效应对反铁磁磁矩的扰动。由于反铁磁磁矩的各向异性非常强，具有强稳定性，从而翻转反铁磁所需的电流非常大，造成非常高的数据写入功耗。因此，降低翻转反铁磁所需的电流对于降低eb-mram的数据写入功耗尤为关键。
42.针对上述问题，本发明提供了一种磁存储器单元结构及存储器，用以解决磁存储器的数据写入功耗较大的问题。
43.下面结合图1-图5描述本发明的磁存储单元结构及存储器。
44.如图1所示，在一个实施例中，一种磁存储单元结构，包括复合底电极110与磁隧道结120。磁隧道结120设置于复合底电极110上。其中，磁隧道结120包括依次层叠的反铁磁层122、自由层124、势垒层126与参考层128。
45.其中，自由层124与参考层128采用cofeb合金，比如co20fe60b20或co40fe40b20等。参考层128背向势垒层126的一侧形成有合成反铁磁或反铁磁材料，以固定参考层128的磁矩方向，反铁磁材料包括但不限于irmn、femn、ptmn、cotb、gdfeco等。势垒层126为金属氧化物，包括氧化镁和氧化铝。
46.复合底电极包括第一重金属层111、第一铁磁层113与第二重金属层115。第一铁磁层113层叠于第一重金属层111上，第二重金属层115层叠于第一铁磁层113背向第一重金属层111的一侧。
47.其中，第一重金属层111与第二重金属层115的自旋霍尔角符号相反。
48.具体的，第一重金属层111采用具有正自旋霍尔角的重金属材料，第二重金属层115采用具有负自旋霍尔角的重金属材料。也可以将第一重金属层111与第二重金属层115所采用的材料进行互换。其中，具有正自旋霍尔角的重金属材料可以为pt、pd、irmn、ptmn等，具有负自旋霍尔角的重金属材料可以为ta、w、cr等。第一重金属层111的材料可以选用pt、pd、irmn和ptmn中的一种或多种组合，第二重金属层115的材料可以选用ta、w和cr中一种或多种的组合。第一铁磁层113采用的材料为铁磁金属或铁磁合金，可以是fe、co、ni、cofe、nife、cofeb等。
49.本实施例的磁存储单元结构，第一重金属层111与第二重金属层115的自旋霍尔角方向相反，具有较高的自旋流转换效率，能够较高效的翻转第一铁磁层113的磁矩，随后通过与自由层124之间的耦合带动自由层124的翻转，从而以较低的功耗完成数据的写入。
50.如图2所示，在一个实施例中，磁隧道结120还包括第二铁磁层121，第二铁磁层121层叠于反铁磁层122背向自由层124的一侧，第二铁磁层121设置于复合底电极110的第二重金属层115上。
51.其中，第二铁磁层121采用的材料为铁磁金属或铁磁合金，可以是fe、co、ni、cofe、nife、cofeb等。
52.本实施例中，第一重金属层111与第二重金属层115可以翻转第二铁磁层121，并通过交换偏置作用带动反铁磁层122的翻转，避免直接翻转反铁磁层122，从而降低直接翻转反铁磁层122所需的电流，进一步降低了数据写入的电流和功耗。
53.如图3所示，在一个实施例中，磁存储单元结构的磁隧道结为图1或图2中实施例的
结构，复合电极层110包括由第一重金属层111、第一铁磁层113与第二重金属层115依次层叠而成的多个复合层，该多个复合层依次叠加构成复合电极层。叠加后的多个复合层，具有更强的自旋流转换效率，从而以更低的功耗完成数据的写入。
54.如图4所示，在一个实施例中，复合底电极110还包括第三重金属层112与第三铁磁层119，第三重金属层112层叠于第一重金属层111背向第一铁磁层113的一侧，第三铁磁层119层叠于第三重金属层112背向第一重金属层111的一侧。
55.其中，第三重金属层112与第二重金属层115的材料相同，第三铁磁层119与第一铁磁层113的材料相同。
56.如图5所示，在一个实施例中，磁存储单元结构包括复合底电极110与磁隧道结120，磁隧道结120设置于复合底电极110上。磁隧道结120包括依次层叠的第二铁磁层121、反铁磁层122、自由层124、势垒层126与参考层128。
57.复合底电极110还包括第四重金属层114、第四铁磁层116、第五重金属层117与第六重金属层118，第四铁磁层116层叠于第四重金属层114上，第五重金属层117层叠于第四铁磁层116背向第四重金属层114的一侧，第六重金属层118层叠于第五重金属层117背向第四铁磁层116的一侧。
58.其中，第四重金属层114与第六重金属层118的自旋霍尔角符号相同，第五重金属层117与第六重金属层118的自旋霍尔角符号相反。具体的，第四重金属层114与第六重金属层118的材料可以选用ta、w和cr中一种或多种的组合。第五重金属层117的材料可以选用pt、pd、irmn和ptmn中的一种或多种组合，第四铁磁层116采用的材料为铁磁金属或铁磁合金，可以是fe、co、ni、cofe、nife、cofeb等。
59.此外，本发明还提供了一种存储器。
60.在一个实施例中，该存储器包括上述图1、图2、图3、图4或图5中的磁存储单元结构，复合底电极110上设置有多个磁隧道结120。由于反铁磁层122与自由层124之间交换偏置场的存在，磁隧道结可以做成圆形，从而能够支持磁隧道结的进一步微缩，提高存储密度。
61.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
62.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种磁存储单元结构，其特征在于，包括复合底电极，以及设置于所述复合底电极上的磁隧道结，所述磁隧道结包括层叠的反铁磁层、自由层、势垒层与参考层，所述复合底电极包括：第一重金属层；第一铁磁层，层叠于所述第一重金属层上；第二重金属层，层叠于所述第一铁磁层背向所述第一重金属层的一侧；其中，所述第一重金属层与第二重金属层的自旋霍尔角符号相反。2.根据权利要求1所述的磁存储单元结构，其特征在于，所述磁隧道结还包括第二铁磁层，所述第二铁磁层层叠于所述反铁磁层背向所述自由层的一侧。3.根据权利要求2所述的磁存储单元结构，其特征在于，所述第二铁磁层采用的材料为铁磁金属或铁磁合金。4.根据权利要求1所述的磁存储单元结构，其特征在于，所述复合底电极还包括第三重金属层与第三铁磁层，所述第三重金属层层叠于所述第一重金属层背向所述第一铁磁层的一侧，所述第三铁磁层层叠于所述第三重金属层背向所述第一重金属层的一侧。5.根据权利要求4所述的磁存储单元结构，其特征在于，所述第三重金属层与第二重金属层的材料相同，所述第三铁磁层与第一铁磁层的材料相同。6.根据权利要求1至5中任意一项所述的磁存储单元结构，其特征在于，所述第一重金属层采用具有正自旋霍尔角的重金属材料，所述第二重金属层采用具有负自旋霍尔角的重金属材料。7.根据权利要求6所述的磁存储单元结构，其特征在于，所述第一重金属层选用的材料为pt、pd、irmn和ptmn中的一种或多种的组合，所述第二重金属层选用的材料为ta、w和cr中一种或多种的组合。8.根据权利要求6所述的磁存储单元结构，其特征在于，所述第一铁磁层采用的材料为铁磁金属或铁磁合金。9.一种磁存储单元结构，其特征在于，包括复合底电极，以及设置于所述复合底电极上的磁隧道结，所述磁隧道结包括依次层叠的第二铁磁层、反铁磁层、自由层、势垒层与参考层，所述复合底电极包括：第四重金属层；第四铁磁层，层叠于所述第四重金属层上；第五重金属层，层叠于所述第四铁磁层背向所述第四重金属层的一侧；第六重金属层，层叠于所述第五重金属层背向所述第四铁磁层的一侧；其中，所述第四重金属层与第六重金属层的自旋霍尔角符号相同，所述第五重金属层与第六重金属层的自旋霍尔角符号相反。10.一种存储器，其特征在于，包括权利要求1至8中任意一项或权利要求9所述的磁存储单元结构，所述复合底电极上设置有多个所述磁隧道结。

技术总结
本发明涉及一种磁存储单元结构及存储器，该磁存储单元结构包括复合底电极，以及设置于复合底电极上的磁隧道结，磁隧道结包括层叠的反铁磁层、自由层、势垒层与参考层。复合底电极包括：第一重金属层；第一铁磁层，层叠于第一重金属层上；第二重金属层，层叠于第一铁磁层背向第一重金属层的一侧；其中，第一重金属层与第二重金属层的自旋霍尔角符号相反。上述磁存储单元结构及存储器，第一重金属层与第二重金属层的自旋霍尔角方向相反，具有较高的自旋流转换效率，能够较高效的翻转第一铁磁层的磁矩，随后通过与自由层之间的耦合带动自由层的翻转，从而以较低的功耗完成数据的写入。从而以较低的功耗完成数据的写入。从而以较低的功耗完成数据的写入。


技术研发人员：熊丹荣 刘宏喜 曹凯华 王戈飞
受保护的技术使用者：致真存储（北京）科技有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/6