磁存储器及其制造方法与流程

1.本发明涉及磁存储器技术领域，特别是涉及一种磁存储器及其制造方法。


背景技术：

2.随着物联网、人工智能、元宇宙等新兴产业的不断涌现，人们对信息的要求也不断增加，因此信息存储技术面临着日益严峻的挑战。然而，随着工艺节点的不断推进、线性的存储技术难以在极小尺寸下提高可靠性，因此，亟须探索一种兼顾高密度、高可靠和高速的新型存储器机制。磁存储芯片具有高速、低功耗、非易失性及抗辐照等特点，在“后摩尔时代”有望进一步突破传统硅基电子器件工作瓶颈。
3.磁存储器的发展经历了三代变革、目前国际众多龙头企业已开始布局最新的第三代磁存储器，即自旋轨道磁存储器，相较于前两代磁存储器产品，第三代磁存储器在功耗、使用寿命、工作速度等方面均有了大幅提升。虽然第三代磁存储芯片获得了一个数量级的性能提升，但由于其自身机制限制，仍无法满足更小工艺节点的数据存储可靠性和高速读写的需求。因此，磁存储器仍需颠覆性的技术突破。
4.综上所述，现有的磁存储器较难满足更小工艺节点的数据存储可靠性和高速读写的需求。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够满足更小工艺节点的数据存储可靠性和高速读写需求的磁存储器及其制造方法。
6.本发明提供一种磁存储器，包括：第一电极；第二电极；mtj层，设置于所述第一电极底部；加热器，设置于所述第二电极顶部；afm层，设置于所述mtj层与加热器之间；绝缘层，设置于所述加热器两侧；其中，所述加热器通入电流后产生焦耳热以使afm发生翻转。
7.在其中一个实施例中，所述绝缘层包括第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层位于所述第二绝缘层与加热器之间。
8.在其中一个实施例中，所述加热器采用高电阻材料，且至少包括tan和tin；所述afm层采用共线反铁磁材料和非共线反铁磁材料，且至少包括irmn、ptmn、irmn3以及mn3sn；所述绝缘层采用绝缘材料，且至少包括sio、teos以及sin。
9.本发明还提供一种磁存储器，包括：第一电极；
第二电极；加热器，设置于所述第一电极底部；afm层，设置于所述加热器底部；mtj层，设置于所述afm层与所述第二电极之间；第三绝缘层，设置于所述加热器两侧；其中，所述加热器通入电流后产生焦耳热以使afm发生翻转。
10.在其中一个实施例中，所述加热器采用高电阻材料，且至少包括tan和tin；所述afm层采用共线反铁磁材料和非共线反铁磁材料，且至少包括irmn、ptmn、irmn3以及mn3sn；所述第三绝缘层采用绝缘材料，且至少包括sio、teos以及sin。
11.本发明还提供一种磁存储器的制造方法，用于制造权利上述任一种所述的磁存储器，所述方法包括：在第一电极与第二电极之间设置mtj层；当所述mtj层与所述第一电极相连时，在所述mtj层远离所述第一电极的一侧设置afm层，并在所述afm层与第二电极之间设置加热器；当所述mtj层与所述第二电极相连时，在所述mtj层远离所述第二电极的一侧设置afm层，并在所述afm层与第一电极之间设置加热器；在所述加热器两侧设置绝缘层，以减少所述加热器的热量损失；其中，所述加热器通入电流后产生焦耳热以使afm发生翻转。
12.上述磁存储器及其制造方法，通过在磁隧道结构底部或顶部设置加热器，产生焦耳热，对afm层进行热退磁，afm层退磁后，重新磁化方向由mtj内自旋转移矩效应规定，实现afm翻转，进而翻转铁磁/反铁磁界面交换偏置，最终实现自由层磁矩翻转，实现信息写入。另外，加热器两侧设置了绝缘层，在一定程度上减少了加热器的热量损失，保证了写入磁存储器的电流的焦耳热，对afm层内的交换偏置翻转起到了促进作用。这种利用交换偏置固定afm层磁矩方向的方式，有利于器件微缩至更小尺寸，磁存储器的尺寸越小，其存储密度就越高，存储密度变高的同时增加了磁存储器的数据保持度，因此，该磁存储器能够满足更小工艺节点的数据存储可靠性和高速读写需求。
附图说明
13.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。
14.图1为本发明提供的磁存储器结构示意图之一；图2为本发明提供的磁存储器结构示意图之二；图3为本发明提供的磁存储器的制造方法流程示意图；图4为本发明提供的具体实施例中的磁存储器的制造方法流程图之一；图5为本发明提供的具体实施例中的磁存储器的制造方法流程图之二。
15.附图标记：
100、第一电极；200、第二电极；300、mtj层；400、afm层；500、加热器；510、第一绝缘层；520、第二绝缘层；530、第三绝缘层。
具体实施方式
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.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。
21.下面结合图1-图5描述本发明的磁存储器及其制造方法。
22.如图1所示，在一个实施例中，一种磁存储器，包括第一电极100、第二电极200、mtj层300、afm层400、加热器500以及绝缘层，mtj层300、afm层400、加热器500以及绝缘层均设置于第一电极100与第二电极200之间。其中，mtj层300的一侧与第一电极100的一侧相连，mtj层300的另一侧与afm层400的一侧相连，afm层400的另一侧与加热器500的一端相连，绝缘层位于加热器500的两侧，加热器500的另一端与第二电极200的一侧相连。加热器500的尺寸较小，约十几到几十纳米，通入小电流即可产生大量的焦耳热，以对afm层400进行退磁，afm层400退磁后磁化方向由自旋转移矩规定，进而翻转afm与自由层间的交换偏置，实现自由层磁矩翻转。
23.需要说明的是，mtj层300即为mtj膜堆，mtj即为磁性隧道结器件，mtj膜堆主要由钉扎层、参考层、隧穿势垒层以及自由层组成。afm层400即为反铁磁层，主要采用共线反铁磁材料和非共线反铁磁材料，包括但不仅限于irmn、ptmn、irmn3、mn3sn。加热器由高电阻率材料组成，可以是拥有较高电阻率的金属材料，包括但不仅限于tan、tin。
24.在本实施例中，绝缘层分为第一绝缘层510和第二绝缘层520，其中，第一绝缘层530固定设置于加热器500的两侧，用于降低加热器的热量扩散，第二绝缘层520固定设置于第一绝缘层510远离加热器500的一侧，提供用于mtj层300或afm层400制备的高平整度界面，同时进行绝缘点隔离。
25.需要说明的是，绝缘层材料主要采用绝缘材料，包括但不仅限于sio、teos、sin。
26.工作原理：将相变存储器（pcm）中的加热器500引入mram中，防止在afm层400的下方或上方对afm层400直接加热，由于加热器500的尺寸较小，产热较高，因此通入小电流即可对afm层400进行完全退磁，退磁后afm层400的磁化方向可以由自旋转移矩方式规定，以翻转afm层400与自由层间的交换偏置，实现自由层磁矩翻转。另外，由于加热器500两侧设置有绝缘层，有效减小了加热器500的热损耗，能够保持加热器500的热量，增加电流的热效率，在afm层400退磁中起到了一定的促进作用，降低了写入电流。在自由层下方或上方引入afm材料，利用交换偏置固定自由层磁矩方向，使其避免受到形状各向异性等因素的影响，该结构更有利于器件向更小尺寸（十纳米级别以下）微缩，以提高磁存储器的存储密度。
27.如图2所示，在一个实施例中，一种磁存储器，包括第一电极100、第二电极200、mtj层300、afm层400、第三绝缘层530以及加热器500，mtj层300、afm层400、第三绝缘层530以及加热器500均固定设置于第一电极100与第二电极200之间。其中，mtj层300的一侧与第二电极200的一侧相连，mtj层300的另一侧与afm层400的一侧相连，afm层400的另一侧与加热器500的一端相连，加热器500的另一端与第一电极100的一侧相连，第三绝缘层530固定设置于加热器500的两侧。加热器500的尺寸较小，约十几到几十纳米，通入小电流即可产生大量的焦耳热，以对afm层400进行退磁，afm层400退磁后磁化方向由自旋转移矩规定，进而翻转afm与自由层间的交换偏置，实现自由层磁矩翻转。
28.需要说明的是，mtj层300即为mtj膜堆，mtj即为磁性隧道结器件，mtj膜堆主要由钉扎层、参考层、隧穿势垒层以及自由层组成，钉扎层位于mtj层的底部，能够增强钉扎场，进而增强器件的稳定性。afm层400即为反铁磁层，主要采用共线反铁磁材料和非共线反铁磁材料，包括但不仅限于irmn、ptmn、irmn3、mn3sn。加热器500由高电阻率材料组成，可以是拥有较高电阻率的金属材料，包括但不仅限于tan、tin。第三绝缘层530材料主要采用绝缘材料，包括但不仅限于sio、teos、sin。
29.工作原理：写入电流由第一电极100和第二电极200通入，加热器500产生大量焦耳热使得afm层400退磁，进而使得afm磁矩方向由mtj内自旋转移矩效应（stt）规定进行确定性翻转，最终实现mtj自由层磁矩的翻转。
30.上述任一种所述的磁存储器，通过在磁隧道结构底部设置加热器，产生焦耳热，对afm层进行热退磁，afm层退磁后，重新磁化方向由mtj内自旋转移矩效应规定，实现afm翻转，进而翻转铁磁/反铁磁界面交换偏置，最终实现自由层磁矩翻转，实现信息写入。另外，加热器两侧设置了绝缘层，在一定程度上减少了加热器的热量损失，保证了写入磁存储器的电流的焦耳热，对afm层内的交换偏置翻转起到了促进作用。这种利用交换偏置固定afm层磁矩方向的方式，有利于器件微缩至更小尺寸，磁存储器的尺寸越小，其存储密度就越高，存储密度变高的同时增加了磁存储器的数据保持度，因此，该磁存储器能够满足更小工艺节点的数据存储可靠性和高速读写需求。
31.如图3所示，在一个实施例中，一种磁存储器的制造方法，用于制造上述磁存储器，
包括以下步骤：步骤s310，在第一电极与第二电极之间设置mtj层。
32.其中，mtj层即为mtj膜堆，mtj即为磁性隧道结器件，mtj膜堆主要由钉扎层、参考层、隧穿势垒层以及自由层组成。
33.步骤s320，当mtj层与第一电极相连时，在mtj层远离第一电极的一侧设置afm层，并在afm层与第二电极之间设置加热器。
34.其中，afm层即为反铁磁层，主要采用共线反铁磁材料和非共线反铁磁材料，包括但不仅限于irmn、ptmn、irmn3、mn3sn。加热器由高电阻率材料组成，可以是拥有较高电阻率的金属材料，包括但不仅限于tan、tin。
35.具体的，参见图4所示，首先在第一电极衬底上沉积介质层（绝缘层），并对介质层进行光刻图形化出通孔图形，随后对通孔图形进行刻蚀形成加热器通孔，通孔刻蚀并去胶后，沉积其他介质层（绝缘层）和加热器金属层，随后利用化学机械研磨（cmp）对介质层界面进行平坦处理，以露出加热器金属通孔。最后，沉积afm和mtj膜堆，并利用光刻、刻蚀制备mtj器件，最终沉积第一电极形成器件，并使得第一电极和第二电极互连。
36.步骤s330，当mtj层与第二电极相连时，在mtj层远离第二电极的一侧设置afm层，并在afm层与第一电极之间设置加热器。
37.具体的，结合图5所示，首先在第二电极衬底上沉积mtj层和afm膜堆，随后利用光刻、刻蚀、介质沉积等工艺制备mtj器件，接下来在mtj层与加热器相连的一侧利用光刻、刻蚀、金属沉积并去胶的方法制备加热器金属圆柱，并通过干法刻蚀，在加热器金属外围形成介质侧墙，以便加热器产生的焦耳热传输至mtj层。
38.步骤s340，在加热器两侧设置绝缘层，以减少加热器的热量损失。
39.其中，绝缘层材料主要采用绝缘材料，包括但不仅限于sio、teos、sin。
40.具体的，通过沉积加热器外围隔热层介质，即绝缘层，并利用干法刻蚀在加热器金属外围形成侧墙，最后通过第一电极或第二电极互连，以完成磁存储器的制造。
41.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。
42.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：
1.一种磁存储器，其特征在于，包括：第一电极；第二电极；mtj层，设置于所述第一电极底部；加热器，设置于所述第二电极顶部；afm层，设置于所述mtj层与加热器之间；绝缘层，设置于所述加热器两侧；其中，所述加热器通入电流后产生焦耳热以使afm发生翻转。2.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述绝缘层包括第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层位于所述第二绝缘层与加热器之间。3.根据权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述加热器采用高电阻材料，且至少包括tan和tin；所述afm层采用共线反铁磁材料和非共线反铁磁材料，且至少包括irmn、ptmn、irmn3以及mn3sn；所述绝缘层采用绝缘材料，且至少包括sio、teos以及sin。4.一种磁存储器，其特征在于，包括：第一电极；第二电极；加热器，设置于所述第一电极底部；afm层，设置于所述加热器底部；mtj层，设置于所述afm层与所述第二电极之间；第三绝缘层，设置于所述加热器两侧；其中，所述加热器通入电流后产生焦耳热以使afm发生翻转。5.根据权利要求4所述的磁存储器，其特征在于，所述加热器采用高电阻材料，且至少包括tan和tin；所述afm层采用共线反铁磁材料和非共线反铁磁材料，且至少包括irmn、ptmn、irmn3以及mn3sn；所述第三绝缘层采用绝缘材料，且至少包括sio、teos以及sin。6.一种磁存储器的制造方法，用于制造权利要求1至3或4至5任一项所述的磁存储器，其特征在于，所述方法包括：在第一电极与第二电极之间设置mtj层；当所述mtj层与所述第一电极相连时，在所述mtj层远离所述第一电极的一侧设置afm层，并在所述afm层与第二电极之间设置加热器；当所述mtj层与所述第二电极相连时，在所述mtj层远离所述第二电极的一侧设置afm层，并在所述afm层与第一电极之间设置加热器；在所述加热器两侧设置绝缘层，以减少所述加热器的热量损失；其中，所述加热器通入电流后产生焦耳热以使afm发生翻转。

技术总结
本发明涉及一种磁存储器及其制造方法，包括：第一电极。第二电极。MTJ层，设置于第一电极底部。加热器，设置于第二电极顶部。AFM层，设置于MTJ层与加热器之间。绝缘层，设置于加热器两侧。其中，加热器通入电流后产生焦耳热以使AFM发生翻转。该磁存储器通过在磁隧道结构底部或顶部设置加热器，产生焦耳热，对AFM层进行热退磁，AFM层退磁后，重新磁化方向由MTJ内自旋转移矩效应规定，实现AFM翻转，进而翻转铁磁/反铁磁界面交换偏置，最终实现自由层磁矩翻转，实现信息写入，能够满足更小工艺节点的数据存储可靠性和高速读写需求。储可靠性和高速读写需求。储可靠性和高速读写需求。


技术研发人员：范晓飞 郭宗夏 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：2023.06.12
技术公布日：2023/8/24