一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器的製造方法
2024-01-28 16:26:15
一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器的製造方法
【專利摘要】一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器，該存儲器SOT-MTJ基於垂直磁各向異性，除了包含有傳統MTJ結構中的自由層、隧穿勢壘層、參考層和反鐵磁金屬層，還額外添加了一層非鐵磁金屬層，並且優化了反鐵磁金屬層的材料，以及改進了隧穿勢壘層的形狀；該SOT-MTJ結構從下到上依次為底電極，非鐵磁金屬層，鐵磁金屬層一即自由層，楔形隧穿勢壘層，鐵磁金屬層二即參考層，反鐵磁金屬層及頂電極共七層。本發明無需外部磁場即可進行寫入操作，因而較之前的SOT-MRAM能耗更低，隨工藝節點降低的等比微縮性也更優秀。
【專利說明】一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩(Spin-Orbit Torque,簡稱SOT)磁存儲器，它包含一種基於SOT改變存儲器件電阻狀態的新型磁隧道結(Magnetic TunnelJunct1n，簡稱MTJ)結構，即S0T-MTJ，屬於非易失性存儲器【技術領域】。
【背景技術】
[0002]傳統磁存儲器(Magnetic Random Access Memory,簡稱MRAM)的核心存儲部分是磁隧道結MTJ，它是一個由多層膜組成的兩埠結構器件。其核心部分主要由三層薄膜組成，兩個鐵磁層被一個隧穿勢壘層分隔開。其中一個鐵磁層的磁化方向是固定不變的，被稱為參考層；另一個鐵磁層的磁化方向可以改變成同參考層平行(Parallel，簡稱P)或反平行(Ant1-Parallel，簡稱AP)，被稱為自由層。當兩個鐵磁層的磁化方向平行時，MTJ呈現低電阻狀態RP (平行磁化方向時的電阻)；反之，當兩個鐵磁層的磁化方向反平行時，MT J呈現高電阻狀態RAP(反平行磁化方向時的電阻)。這兩種截然不同的電阻狀態在信息存儲的時候可以分別用來表徵二進位數據「0」和「1」。MTJ的高低兩種電阻狀態之間的差異度用隧穿磁電阻(Tunnel Magnetoresistance,簡稱 TMR)來描述，TMR = (RAP-RP)/RP。
[0003]基於自旋軌道動量矩磁存儲器(Spin-Orbit Torque MRAM，簡稱S0T-MRAM)的核心存儲部分S0T-MTJ具有非易失性、高速讀寫、低功耗、接近無限次的反覆擦寫次數等諸多優點。然而，目前S0T-MRAM的寫入需要外部磁場來決定其自由層的磁化翻轉極性，同時寫入電流相對過高，從而影響了其納米加工工藝，且阻礙了其繼續小型化的發展。
【發明內容】
[0004]1.發明目的:
[0005]針對上述背景中提到的目前S0T-MRAM存在的問題，本發明提供了一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器，它是一種新型的S0T-MRAM，其核心存儲部分是不同於傳統MTJ的新型三埠結構的器件，也即S0T-MTJ。本發明提出的基於新型S0T-MTJ的S0T-MRAM無需外部磁場即可進行寫入操作，因而較之前的S0T-MRAM能耗更低，隨工藝節點降低的等比微縮性也更優秀。
[0006]2.技術方案:
[0007]本發明一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器，其核心存儲器件S0T-MTJ基於垂直磁各向異性(Perpendicular Magnetic Anisotropy,簡稱 PMA)。該 S0T-MTJ 結構除了包含有傳統MTJ結構中的自由層、隧穿勢壘層、參考層和反鐵磁金屬層，還額外添加了一層非鐵磁金屬層，並且優化了反鐵磁金屬層的材料，以及改進了隧穿勢壘層的形狀。如圖1所示，該S0T-MTJ結構從下到上依次為底電極，非鐵磁金屬層，鐵磁金屬層一(自由層)，楔形隧穿勢壘層，鐵磁金屬層二(參考層)，反鐵磁金屬層及頂電極共七層:
[0008]所述底電極材料是鉭Ta、鉬Pt、鎢W或銅Cu中的一種；
[0009]所述非鐵磁金屬層材料是銅Cu,金Au,釕Ru,鉭Ta,鉿Hf中的一種，目的是增強自旋極化電流的傳遞，降低寫入功耗；
[0010]所述鐵磁金屬層一(自由層)材料是混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe中的一種，這些混合金屬材料中各個元素組成可以不一樣，用於存儲數據；
[0011 ] 所述楔形隧穿勢壘層材料是氧化鎂MgO或三氧化二鋁Al2O3中的一種，用於產生隧穿效應來傳輸自旋信號，上界面為楔形，用於代替外部偏置磁場的作用；
[0012]所述鐵磁金屬層二(參考層)材料是混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe中的一種，這些混合金屬材料中各個元素組成可以不一樣；
[0013]所述反鐵磁金屬層材料是混合金屬材料鈷鈀CoPd，用於提供對於參考層的扎釘作用，並有助於自由層完成磁化翻轉；
[0014]所述頂電極材料是鉭Ta、鋁Al或銅Cu中的一種。
[0015]其中，該SOT-MTJ底電極的厚度為10-200nm，非鐵磁金屬層的厚度為Ο-lnm，鐵磁金屬層一(自由層)的厚度為0-3nm，楔形隧穿勢壘層是厚度為I至2nm的楔形物，鐵磁金屬層二(參考層)是厚度為2至3nm的反楔形物，反鐵磁金屬層的厚度為0-20nm，頂電極的厚度為10-200nm。
[0016]其中，該SOT-MTJ是通過採用傳統的離子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將其各層物質按照從下到上的順序鍍在襯底上，然後進行光刻、刻蝕等傳統納米器件加工工藝來製備的。
[0017]其中，該SOT-MTJ的形狀為正方形、長方形、圓形或橢圓形中的一種。
[0018]其中，該SOT-MTJ是通過特殊的後端工藝集成在傳統的半導體器件之上。
[0019]其中，該SOT-MTJ的數據寫入操作，是通過向底電極分別注入正負雙向電流Imite來完成對自由層磁化狀態的改變，從而實現數據「O」或「 I 」的寫入。
[0020]其中，該SOT-MTJ的數據讀取操作，是通過將流經該SOT-MTJ的讀取電流I,ead與基準參考電流進行比較來判斷存儲在其中的數據信息。
[0021]3.優點和功效:
[0022]本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器，其核心存儲器件是基於新型的三埠結構S0T-MTJ，具有高速讀寫、低功耗數據寫入及高可靠性等特點，可應用於非易失性高速緩存等場景。由於其通過結構的反演不對稱性，利用電流產生S0T，來實現自由層磁化翻轉，從而改變存儲器件的磁化狀態，因此翻轉時間短，寫入速度快。此外，通過兩條相互獨立的電流路徑分別完成數據的寫入和讀取操作，可以解決傳統MRAM的可靠性問題，從而保證了其可具有的接近無限次的反覆擦寫能力。
[0023]本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器在傳統SOT-MRAM中的SOT-MTJ結構基礎上，添加了一層非鐵磁金屬層，用以提高SOT效率，增強垂直磁各向異性，從而降低寫入電流。此外，通過優化反鐵磁金屬層材料，可獲得高矯頑力，減少雜散磁場。通過改進隧穿勢壘層的形狀，實現了無需外部磁場即可完成對自由層的磁化翻轉，因此在保證高速讀寫的同時，還實現了低功耗、高能量利用率的數據寫入以及高密度存儲。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型SOT-MTJ結構示意圖。其中參考層中單向的向上黑色箭頭代表參考層的磁化方向固定向上垂直於SOT-MTJ器件平面，自由層中雙向的黑色箭頭代表自由層的磁化方向可改變成平行於或反平行於參考層磁化方向。
[0025]圖2為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型S0T-MTJ的一種特定實例的結構示意圖。
[0026]圖3(a)為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型S0T-MTJ寫入平行狀態(P)的基本操作示意圖，其中Vdd表示高電位，一般為電源；Gnd表示低電位，一般為接地；I?ito表示流經底電極的寫入電流。
[0027]圖3(b)為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型S0T-MTJ寫入反平行狀態(AP)的基本操作示意圖，其中Vdd表示高電位，一般為電源；Gnd表示低電位，一般為接地；I?ito表示流經底電極的寫入電流。
[0028]圖4為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型S0T-MTJ的讀取操作示意圖，其中Vdd表示高電位，一般為電源；Gnd表示低電位，一般為接地；I,ead表示流經S0T-MTJ的讀取電流。
[0029]圖5為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器的存儲單元結構示意圖，該存儲單元為一個新型S0T-MTJ和一個NM0S電晶體相串聯的結構。其中WL表示連接NM0S電晶體柵極的字線(Word Line)，RL表示連接S0T-MTJ頂電極的讀取線(ReadLine)，BL表示連接NM0S電晶體源極/漏極的位線(Bit Line)，SL表示連接S0T-MTJ底電極另一埠(非連接NM0S電晶體漏極/源極的埠)的源線(Source Line)。
[0030]圖6為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器的陣列結構示意圖。
【具體實施方式】
[0031]參照附圖，進一步說明本發明的實質性特點。附圖均為示意圖。其中涉及的各功能層或區域的厚度非實際尺寸、工作模式中的電阻及電壓值也非實際值。
[0032]在此公開了詳細的示例性的實施例，其特定的結構細節和功能細節僅是表示描述示例實施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實施本發明，且本發明不應該被理解為僅僅局限於在此提出的示例實施例，而是應該覆蓋落入本發明範圍內的所有變化、等價物和可替換物。
[0033]本發明提出了一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型S0T-MTJ結構，具有高速讀寫、低功耗數據寫入、高存儲密度及高可靠性等特點，因此可以採用該S0T-MTJ結構通過一定的集成方式建立新型磁存儲器。
[0034]圖1為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型S0T-MTJ結構示意圖。其中，隧穿勢壘層為厚度是1至2nm的楔形物，上界面為楔形，用於代替外部偏置磁場的作用；參考層是厚度為2至3nm的反楔形物。
[0035]本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器，其核心存儲器件S0T-MTJ基於PMA。該S0T-MTJ除了包含有傳統MTJ結構中的自由層、隧穿勢壘層、參考層和反鐵磁金屬層，還額外添加了一層非鐵磁金屬層，並且優化了反鐵磁金屬層的材料，以及改進了隧穿勢壘層的形狀。該S0T-MTJ結構從下到上依次為底電極(10-200nm)，非鐵磁金屬層(0-lnm)，鐵磁金屬一(自由層，0-3nm)，楔形隧穿勢壘層(l_2nm)，鐵磁金屬二(參考層，反楔形，2-3nm),反鐵磁金屬層(0_20nm)及頂電極(10_200nm)共七層構成；
[0036]圖2為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型SOT-MTJ的一種特定實例的結構示意圖。
[0037]在該特定實例中，所述底電極材料是鉬Pt ;所述非鐵磁金屬層材料是鉭Ta，增強自旋極化電流的傳遞，從而降低寫入功耗；所述鐵磁金屬一(自由層)材料是混合金屬材料鈷鐵硼CoFeB，該混合金屬材料中各個元素組成可以不一樣，用於存儲數據；所述楔形隧穿勢壘層材料是氧化鎂MgO，用於產生隧穿效應來傳輸自旋信號，上界面為楔形，用於代替外部偏置磁場的作用；所述鐵磁金屬二(參考層)材料是混合金屬材料鈷鐵硼CoFeB，該混合金屬材料中各個元素組成可以不一樣；所述反鐵磁金屬層材料是混合金屬材料鈷鈀CoPd，該混合金屬材料中各個元素組成可以不一樣，用於提供對於參考層的扎釘作用，並有助於自由層完成磁化翻轉；所述頂電極材料是鉭Ta ;通過採用磁控濺射的方法將存儲單元的各層物質按照從下到上的順序鍍在襯底上，然後進行光刻、刻蝕等傳統納米器件加工工藝來製備的；其形狀為圓形。
[0038]在上述特定實例中，通過底電極Pt/自由層CoFeB/楔形隧穿勢魚層MgO結構的反演不對稱性，當底電極Pt注入電流時，自旋軌道耦合根據傳導電子的自旋方向引發其向上或向下的偏差，從而導致垂直方向的自旋極化電流，產生S0T，來實現自由層CoFeB的磁化翻轉，從而改變存儲器件的磁化狀態。在自由層CoFeB與底電極Pt之間添加的一層非鐵磁金屬層鉭Ta，減少底電極Pt界面自旋極化電流的去極化，產生界面自旋電子散射，增強自旋極化電流的傳遞，提高了自旋霍爾角，從而向自由層CoFeB施加更強的S0T，增強PMA，提高TMR值，從而降低寫入功耗。反鐵磁金屬層鈷鈀CoPd的材料優化，在提供對於參考層的扎釘作用的基礎上，有助於輔助自旋極化電流完成自由層的磁化翻轉，並獲得高矯頑力，減少雜散磁場。隧穿勢壘層MgO為厚度是I至2nm的楔形物，由於其橫向結構不對稱性，表現為氧的密度梯度，增強自由層的磁各向異性，導致電流密度的變化來產生磁場，來決定磁化翻轉極性，代替外部偏置磁場的作用。
[0039]圖3 (a) (b)和圖4分別為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型SOT-MTJ寫入平行狀態(P)、寫入反平行狀態(AP)和讀取的基本操作示意圖。其中，數據的寫入是通過向底電極分別注入正負雙向電流Imito來完成對自由層磁化狀態的改變，從而實現數據「O」或「I」的寫入，數據的讀取是通過將流經該SOT-MTJ的讀取電流IMad與基準參考電流進行比較來判斷存儲在其中的數據信息；隧穿勢壘層氧化物的橫向結構不對稱性代替沿電流方向施加的外部偏置磁場，來決定磁化翻轉極性。與傳統的MTJ的主要區別是，本發明通過兩條相互獨立的電流路徑分別完成數據的寫入和讀取操作，因而可以使用相對較厚的隧穿勢壘層，從而避免漏電流的產生，增加TMR值，達到更低的功耗。
[0040]圖3(a)為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型SOT-MTJ寫入平行狀態(P)的基本操作示意圖。對於平行狀態(P)的寫入，通過向底電極兩端施加高電位(Vdd)和低電位(Gnd)，產生負電流Imite，來完成對自由層磁化狀態的改變，從而實現數據「O」的寫入。圖3(b)為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型SOT-MTJ寫入反平行狀態(AP)的基本操作示意圖。對於反平行狀態(AP)的寫入，通過向底電極兩端施加低電位(Gnd)和高電位(Vdd)，產生正電流Imite，來完成對自由層磁化狀態的改變，從而實現數據「 I 」的寫入。
[0041]圖4為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型S0T-MTJ的讀取操作示意圖。通過向頂電極和底電極施加高電位(Vdd)和低電位(Gnd)，產生讀取電流IMad，與基準參考電流進行比較，來判斷存儲在其中的數據信息。
[0042]圖5為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器的存儲單元結構示意圖。當對該存儲單元進行讀取操作的時候，給WL施加高電壓使NM0S電晶體導通，同時給RL施加高電壓，給BL施加低電壓，SL斷開。如此，讀取電流IMad從RL自上而下依次流經S0T-MTJ和NM0S電晶體，至BL，後通過讀出放大器同基準參考電流進行比較來判斷存儲在其中的數據信息。當對該存儲單元進行寫入操作的時候，給WL施加高電壓使NM0S電晶體導通，RL斷開，同時根據要寫入的數據分別給BL和SL施加高電壓或低電壓。比如在寫入數據「0」的時候，給SL施加高電壓，BL施加低電壓，如此，寫入電流I?ite從SL開始依次流經S0T-MTJ的底電極和NM0S電晶體，至BL ;相反的，在寫入數據「 1」的時候，給SL施加低電壓，BL施加高電壓，如此，寫入電流I?ite從BL開始依次流經S0T-MTJ的底電極和NM0S電晶體，至SL。
[0043]圖6為本發明一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器的存儲陣列結構示意圖。在對陣列中的目標單元進行讀取或寫入操作時，要根據如上所述要求對目標單元的WL、BL、SL和RL進行適當的配置，同時要對陣列中其它所有的非目標單元的WL、BL、SL和RL進行相應配置，以確保只對目標單元進行讀或寫操作而不影響其它非目標單元。比如，如果對目標單元S0T-MTJ0(圖6左上角的單元)進行讀操作，則給WL0施加高電壓使電晶體NM0S0導通，給RL0施加高電壓，給BL0施加低電壓，SL0斷開，同時WL1、WL2、BL1、SL1、RL1、BL2、SL2、RL2斷開(或接地)，以確保只有被選擇的目標單元可以通過讀取電流Iread。如果對目標單元S0T-MTJ0 (圖6左上角的單元)進行寫操作，則給WL0施加高電壓使電晶體NM0S0導通，RL0斷開，並根據要寫入的數據分別給BL0和SL0施加高電壓或低電壓，同時WL1、WL2、BL1、SL1、RL1、BL2、SL2、RL2斷開(或接地)，以確保只有被選擇的目標單元的底電極可以通過相應的寫電流I?ite。本發明提出的一種無需外部磁場的新型自旋軌道動量矩磁存儲器中的新型S0T-MTJ結構，可以廣泛的應用於磁隨機存儲器的電路設計之中，並可以作為一個獨立的IP核，方便使用者以及電路設計工作者自由調用。
【權利要求】
1.一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器，其特徵在於:該存儲器SOT-MTJ基於垂直磁各向異性，除了包含有傳統MTJ結構中的自由層、隧穿勢壘層、參考層和反鐵磁金屬層，還額外添加了一層非鐵磁金屬層，並且優化了反鐵磁金屬層的材料，以及改進了隧穿勢壘層的形狀；該SOT-MTJ結構從下到上依次為底電極，非鐵磁金屬層，鐵磁金屬層一即自由層，楔形隧穿勢壘層，鐵磁金屬層二即參考層，反鐵磁金屬層及頂電極共七層: 所述底電極材料是鉭Ta、鉬Pt、鎢W或銅Cu中的一種； 所述非鐵磁金屬層材料是銅Cu，金Au，釕Ru，鉭Ta，鉿Hf中的一種，目的是增強自旋極化電流的傳遞，降低寫入功耗； 所述鐵磁金屬層一即自由層材料是混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe中的一種，這些混合金屬材料中各個元素組成不一樣，用於存儲數據； 所述楔形隧穿勢壘層材料是氧化鎂MgO或三氧化二鋁Al2O3中的一種，用於產生隧穿效應來傳輸自旋信號，上界面為楔形，用於代替外部偏置磁場的作用； 所述鐵磁金屬層二即參考層材料是混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe中的一種，這些混合金屬材料中各個元素組成不一樣； 所述反鐵磁金屬層材料是混合金屬材料鈷鈀CoPd，用於提供對於參考層的扎釘作用，並有助於自由層完成磁化翻轉； 所述頂電極材料是鉭Ta、鋁Al或銅Cu中的一種。
2.根據權利要求1所述的一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器，其特徵在於:該SOT-MTJ結構的底電極的厚度為10-200nm，非鐵磁金屬層的厚度為Ο-lnm，鐵磁金屬層一即自由層的厚度為0-3nm，楔形隧穿勢壘層是厚度為I至2nm的楔形物，鐵磁金屬層二即參考層是厚度為2至3nm的反楔形物，反鐵磁金屬層的厚度為0_20nm，頂電極的厚度為10_200nm。
3.根據權利要求1所述的一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器，其特徵在於:該SOT-MTJ結構是通過採用傳統的離子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將其各層物質按照從下到上的順序鍍在襯底上，然後進行光刻、刻蝕等傳統納米器件加工工藝來製備的。
4.根據權利要求1所述的一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器，其特徵在於:該SOT-MTJ結構的形狀為正方形、長方形、圓形或橢圓形中的一種。
5.根據權利要求1所述的一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器，其特徵在於:該SOT-MTJ結構是通過特殊的後端工藝集成在傳統的半導體器件之上。
6.根據權利要求1所述的一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器，其特徵在於:該SOT-MTJ結構的數據寫入操作，是通過向底電極分別注入正負雙向電流Imite來完成對自由層磁化狀態的改變，從而實現數據「O」或「 I 」的寫入。
7.根據權利要求1所述的一種無需外部磁場的自旋軌道動量矩磁存儲器，其特徵在於:該SOT-MTJ結構的數據讀取操作，是通過將流經該SOT-MTJ的讀取電流I,ead與基準參考電流進行比較來判斷存儲在其中的數據信息。
【文檔編號】H01L43/10GK104393169SQ201410531733
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】張博宇, 郭瑋, 張雨, 趙巍勝 申請人:北京航空航天大學