CN107611255B - 一种高密度磁性存储器件 - Google Patents
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Abstract
本发明一种高密度磁性存储器件，在一条厚度为0～20nm的重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜上制造多个磁隧道结，每个磁隧道结代表一个存储位元。磁隧道结从下到上由厚度为0～3nm的第一铁磁金属，厚度为0～2nm的第一氧化物，厚度为0～3nm的第二铁磁金属，厚度为0～20nm的第一合成反铁磁层和厚度为10～200nm的第X顶端电极构成，其中X的值为磁隧道结代表的位元编号；重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极。本发明可应用于高密度存储器和逻辑电路；采用单向电流写入数据，提高电路集成度，降低写入功耗和写入电压，减小读取干扰，有利于减少工艺复杂度和制造成本。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种高密度磁性存储器件，属于非易失性存储和逻辑技术领域。
【背景技术】
随着互补金属氧化物半导体(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)工艺尺寸的持续缩小，晶体管的漏电流不断增加，静态功耗逐渐成为传统存储器和逻辑电路总能耗的主要来源。新兴的非易失性存储技术能够使存储数据掉电不丢失，有望解决上述静态功耗问题。其中，基于磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)因其具有高读写速度、良好的工艺兼容性、无限制写入次数等优势而被证明是最具潜力的非易失性存储器。目前，MRAM的主流写入方式是自旋转移矩(Spin Transfer Torque,STT)，然而，STT-MRAM存储位元的两个写入方向之间存在严重的非对称性，一方面源于访问控制晶体管的源极退化(Sourcedegeneration)，另一方面源于自旋转移矩固有的效率非对称性。为满足存储器的性能要求，位元的访问控制晶体管的尺寸必须按照性能较差的写入方向的要求进行设计，从而导致另一个写入方向的写入电流过大，写入功耗和写入电压都过高，引起存储器性能的恶化。
近期，自旋轨道矩(Spin orbit torque,SOT)被提出作为一种新型的MRAM写入方式。为产生自旋轨道矩，可在磁隧道结的铁磁存储层下方增加一层具有强自旋轨道耦合效应的重金属或反铁磁条状薄膜，流经该层薄膜的电流可通过自旋霍尔效应(Spin Halleffect)或拉什巴效应(Rashba effect)产生自旋轨道矩以实现相邻铁磁存储层的磁化翻转，进而完成磁隧道结的数据写入。与自旋转移矩相比，自旋轨道矩能够实现更快的写入速度和更低的写入功耗，而且，写入电流不经过磁隧道结，极大降低了势垒击穿的风险。但是，自旋轨道矩磁隧道结SOT-MTJ是三端口器件，所以SOT-MRAM的存储位元必须配备两个访问控制晶体管，降低了存储密度。此外，在SOT-MRAM中，由晶体管源极退化引起的写入操作非对称性也未能得到解决。
【发明内容】
一、发明目的：
针对上述背景中提到的磁性随机存取存储器写入操作的非对称性，以及由此引发的低存储密度、高写入功耗和高写入电压等问题，本发明提出了一种高密度磁性存储器件。它采用两条单向电流完成数据写入，解决了访问控制晶体管的源极退化问题，减小了存储位元的面积。
二、技术方案：
本发明的技术方案是，一种高密度磁性存储器件，其特征是，该存储器件包括一条重金属条状薄膜(厚度为0～20nm)或反铁磁条状薄膜(厚度为0～20nm)及在其上制造的多个磁隧道结。每个磁隧道结代表一个存储位元。每个磁隧道结从下到上由第一铁磁金属(厚度为0～3nm)，第一氧化物(厚度为0～2nm)，第二铁磁金属(厚度为0～3nm)，第一合成反铁磁层(厚度为0～20nm)和第X顶端电极(厚度为10～200nm)共五层构成，其中X的值为磁隧道结所代表的存储位元编号。重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极；
本发明所述的存储器件是通过采用传统的分子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺制备而成；
本发明所述的存储器件中，磁隧道结的形状为正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值)；
本发明所述的存储器件中，重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜为长方形，其顶面积大于全部磁隧道结的底面积，磁隧道结的底面形状完全内嵌于重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的顶面形状之中；
本发明所述的存储器件制造流程通过传统的半导体生产后端工艺集成；
所述重金属条状薄膜是指铂Pt、钽Ta或钨W中的一种；
所述反铁磁条状薄膜是指化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn中的一种，这些化合物中各个元素的配比含量可以不同；
所述第X顶端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
所述第一底端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
所述第二底端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
所述第一铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同；
所述第一氧化物是指氧化镁MgO或氧化铝Al2O3中的一种，用于产生隧穿磁阻效应；
所述第二铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同；
所述第一合成反铁磁层，是指如下混合层中的一种：由钽Ta/钴铂多层膜[Co/Pt]n/钌Ru/钴铂多层膜[Co/Pt]m构成的混合层，或者由钽Ta/钴钯多层膜[Co/Pd]n/钌Ru/钴钯多层膜[Co/Pd]m构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铱锰IrMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铱锰IrMn构成的混合层；即Ta/[Co/Pt]n/Ru/[Co/Pt]m，或Ta/[Co/Pd]n/Ru/[Co/Pd]m，或Ru/CoFe/PtMn，或Ru/CoFeB/PtMn，或Ru/CoFe/IrMn，或Ru/CoFeB/IrMn，其中混合金属材料或化合物中各个元素的配比含量可以不同，层数m和n的值可以不同；
本发明所述的存储器件的数据状态通过磁隧道结的电阻值来体现；
本发明所述的存储器件的数据写入过程分两步进行：第一步将所有磁隧道结写为高电阻状态，第二步根据待写入的数据值将部分或全部磁隧道结写为低电阻状态。其中第一步通过在第一底端电极和第二底端电极之间施加单向电流实现，第二步通过在第一底端电极和第X顶端电极之间或者第二底端电极和第X顶端电极之间施加单向电流实现。
三、优点及功效:
本发明提出了一种高密度磁性存储器件，相比于标准的基于双向写入电流的自旋转移矩磁性存储器和自旋轨道矩磁性存储器，有以下优势：
本发明采用单向电流写入数据，解决了存储位元中访问控制晶体管的源极退化问题，晶体管尺寸可以按照性能较好的写入方向的要求进行设计，有利于减小位元面积，降低写入功耗和写入电压；
本发明将多个磁隧道结制造于同一条重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜之上，与采用三端口磁隧道结的自旋轨道矩磁性存储器相比，减小了访问控制晶体管的数量，有利于提高集成度；
本发明在磁隧道结施加单向写入电流，基于此，可将读取电流的方向设为与写入电流相反，有利于降低读取干扰。
【附图说明】
图1-1为一种高密度磁性存储器件结构示意图。
图1-2为一种高密度磁性存储器件结构实施例示意图(以圆形磁隧道结为例)。
图2为一种高密度磁性存储器件的数据写入方式示意图。
图3-1为一种高密度磁性存储器件的写入操作实施例示意图。
图3-2为一种高密度磁性存储器件的存储模式实施例示意图。
图中的参数定义为：
1 重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜
2 第一底端电极
3 第二底端电极
4 第一铁磁金属
5 第一氧化物
6 第二铁磁金属
7 第一合成反铁磁层
8 第一顶端电极
9 第二顶端电极
X 第X顶端电极
W1 在第一底端电极和第二底端电极之间的写入支路
W2 在第一底端电极和第二顶端电极之间的写入支路
W3 在第二底端电极和第二顶端电极之间的写入支路
I1 从第一底端电极到第二底端电极的写入电流
I2 从第一底端电极到第二顶端电极的写入电流
I3 从第一底端电极到第一顶端电极的写入电流
B1 第一磁隧道结
B2 第二磁隧道结
BX 第X磁隧道结
RB1 第一磁隧道结的电阻
RB2 第二磁隧道结的电阻
RBX 第X磁隧道结的电阻
t 时间
RH 磁隧道结的最大电阻值
RL 磁隧道结的最小电阻值
IH_L 磁隧道结从高阻态向低阻态转变时需要的写入电流
IL_H 磁隧道结从低阻态向高阻态转变时需要的写入电流
DH_L 磁隧道结从高阻态向低阻态转变时的写入延迟
DL_H 磁隧道结从低阻态向高阻态转变时的写入延迟
【具体实施方式】
参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸，工作模式中的电阻和电流值也非实际值。
在此公开了详细的示例性的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。
本发明提出了一种高密度磁性存储器件，既可以用于构建磁性随机存取存储器，也可以用于设计磁性逻辑电路。
图1-1为本发明一种高密度磁性存储器件结构示意图。
本发明一种高密度磁性存储器件包括多个磁隧道结和一个配备双端电极(第一底端电极2和第二底端电极3)的重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1。磁隧道结被制造于重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的上方。每个磁隧道结代表一个存储位元。每个磁隧道结由五层物质构成，包括第一铁磁金属4，第一氧化物5，第二铁磁金属6，第一合成反铁磁层7及顶端电极8、9或X；通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将存储器件的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备该存储器件；其结构特点是由磁隧道结和条状薄膜堆叠而成；重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1的两端分别镀有第一底端电极2和第二底端电极3。其中，位于重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜上方的五层物质构成磁隧道结。
图1-2为一种高密度磁性存储器件结构实施例示意图；
在该例中，磁隧道结被制成圆形，磁隧道结形状还可以制成正方形、长方形(长宽比可以是任意值)或椭圆形(长宽比可以是任意值)，重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜制成长方形，其顶面积大于全部磁隧道结的底面积，磁隧道结的底面形状完全内嵌于重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的顶面形状；
其中，所述重金属条状薄膜是指铂Pt、钽Ta或钨W中的一种；
其中，所述反铁磁条状薄膜是指化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn中的一种，这些化合物中各个元素的配比含量可以不同；
其中，所述第X顶端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
其中，所述第一底端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
其中，所述第二底端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
其中，所述第一铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同；
其中，所述第一氧化物是指氧化镁MgO或氧化铝Al2O3中的一种，用于产生隧穿磁阻效应；
其中，所述第二铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同；
其中，所述第一合成反铁磁层，是指如下混合层中的一种：由钽Ta/钴铂多层膜[Co/Pt]n/钌Ru/钴铂多层膜[Co/Pt]m构成的混合层，或者由钽Ta/钴钯多层膜[Co/Pd]n/钌Ru/钴钯多层膜[Co/Pd]m构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铱锰IrMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铱锰IrMn构成的混合层；即Ta/[Co/Pt]n/Ru/[Co/Pt]m，或Ta/[Co/Pd]n/Ru/[Co/Pd]m，或Ru/CoFe/PtMn，或Ru/CoFeB/PtMn，或Ru/CoFe/IrMn，或Ru/CoFeB/IrMn，其中混合金属材料或化合物中各个元素的配比含量可以不同，层数m和n的值可以不同；
图2为本发明一种高密度磁性存储器件数据写入方式示意图；
写入操作分两步进行：第一步将所有磁隧道结写为高电阻状态，第二步根据待写入的数据值将部分或全部磁隧道结写为低电阻状态。这两步操作分别通过在两条不同支路通入电流来实现，其中第一步采用在第一底端电极和第二底端电极之间的写入支路W1，第二步采用在第一底端电极和第二顶端电极之间的写入支路W2或在第二底端电极和第二顶端电极之间的写入支路W3。支路W1的电流方向有两种选择，取决于材料的性质。支路W2或W3的电流从磁隧道结的第一铁磁金属4流向第二铁磁金属6。对于特定的器件，两条写入支路的电流方向固定不变，即，写入电流均是单向的。
图3-1、3-2为本发明一种高密度磁性存储器件的实施例示意图，具体如下：
在该例中，首先执行写入操作的第一步，在第一底端电极2和第二底端电极3之间施加幅值足够大、时间足够长的单向写入电流I1，在重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜1上的所有磁隧道结(包括B1、B2和BX)的电阻逐渐达到最大值，此时即使减小写入电流，磁隧道结的电阻值也不会改变。
然后执行写入操作的第二步，撤除第一底端电极2和第二底端电极3之间的电流I1，在第一底端电极2和第二顶端电极9之间施加幅值足够大、时间足够长的单向写入电流I2，第二磁隧道结B2的电阻将逐渐达到最低值，此时即使减小写入电流，磁隧道结的电阻值也不会改变。相同的操作可应用于其他磁隧道结，在该例中，第一磁隧道结B1的电阻通过相同的操作达到最低值。
Claims (9)
1.一种高密度磁性存储器件，其特征是：该存储器件包括一条厚度为0～20nm的重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜及在其上制造的多个磁隧道结，每个磁隧道结代表一个存储位元，每个磁隧道结从下到上由厚度为0～3nm的第一铁磁金属，厚度为0～2nm的第一氧化物，厚度为0～3nm的第二铁磁金属，厚度为0～20nm的第一合成反铁磁层和厚度为10～200nm的第X顶端电极共五层构成，其中X的值为磁隧道结所代表的存储位元编号；重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极；
其数据写入过程分两步进行：第一步将所有磁隧道结写为高电阻状态，第二步根据待写入的数据值将部分或全部磁隧道结写为低电阻状态；其中第一步通过在第一底端电极和第二底端电极之间施加单向电流实现，第二步通过在第一底端电极和第X顶端电极之间或者第二底端电极和第X顶端电极之间施加单向电流实现。
2.根据权利要求1所述的一种高密度磁性存储器件，其特征是：所述的存储器件中，磁隧道结的形状为正方形、长方形、圆形或椭圆形。
3.根据权利要求1所述的一种高密度磁性存储器件，其特征是：所述的存储器件中，重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜为长方形，其顶面积大于全部磁隧道结的底面积，磁隧道结的底面形状完全内嵌于重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的顶面形状之中。
4.根据权利要求1所述的一种高密度磁性存储器件，其特征是：所述重金属条状薄膜是指铂Pt、钽Ta或钨W中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种高密度磁性存储器件，其特征是：所述反铁磁条状薄膜是指化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn中的一种，其中化合物中各个元素的配比含量不同。
6.根据权利要求1所述的一种高密度磁性存储器件，其特征是：所述第X顶端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；所述第一底端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；所述第二底端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种高密度磁性存储器件，其特征是：所述第一铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种；所述第二铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，其中混合金属材料中各个元素的配比含量不同。
8.根据权利要求1所述的一种高密度磁性存储器件，其特征是：所述第一氧化物是指氧化镁MgO或氧化铝Al2O3中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种高密度磁性存储器件，其特征是：所述第一合成反铁磁层，是指如下混合层中的一种：由钽Ta/钴铂多层膜[Co/Pt]n/钌Ru/钴铂多层膜[Co/Pt]m构成的混合层，或者由钽Ta/钴钯多层膜[Co/Pd]n/钌Ru/钴钯多层膜[Co/Pd]m构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铱锰IrMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铱锰IrMn构成的混合层；即Ta/[Co/Pt]n/Ru/[Co/Pt]m，或Ta/[Co/Pd]n/Ru/[Co/Pd]m，或Ru/CoFe/PtMn，或Ru/CoFeB/PtMn，或Ru/CoFe/IrMn，或Ru/CoFeB/IrMn，其中混合金属材料或化合物中各个元素的配比含量不同，层数m和n的值不同。
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