一种磁存储单元结构的制作方法

1.本发明涉及磁存储领域，具体为一种磁存储单元结构，涉及利用面内及面外共存的交换偏置结构实现磁存储。


背景技术：

2.基于自旋轨道转矩的磁性随机存储器(spin-orbit torque magnetic random access memory，sot-mram)是利用具有强自旋轨道耦合效应的材料(如pt、w、ta等)作为存储写线，在其中注入电荷流来调控磁性隧道结自由层(信息存储层)磁矩取向的。其结构如图2所示。其中自由层磁矩会随注入的电荷流在写线中输运时由自旋霍尔效应(spin hall effect，she)产生的横向自旋流而翻转；而固定层(信息存储参考层)一般采用[铁磁/非磁性层]n多层耦合结构，或铁磁层/反铁磁层直接交换偏置结构；其磁矩在写入电流作用下一直保持不变。通过自由层与固定层相对取向的平行或反平行所获得的高低电阻态，从而实现隧道结二进制信息“0”和“1”的写入与存储。
[0003]
在sot-mram中，垂直磁各向异性隧道结由于具有更高的热稳定性及存储密度等优势而被广泛使用，但是基于自旋轨道转矩驱动垂直磁矩翻转时需要施加一个面内横向磁场作为辅助以打破磁性薄膜翻转的对称性，从而实现自由层垂直磁矩的确定性翻转。目前该面内横向磁场一般以靠近磁性隧道结自由层一侧导线电流产生磁场引入，这不但提升了整个存储单元的结构复杂度，也由于电流所产生的面内横向磁场使得整个器件的能耗增加，不利于器件存储密度的提升与降低器件功耗。
[0004]
因此，实现无需面内横向磁场的sot-mram是该类存储器发展的主要方向之一。


技术实现要素：

[0005]
针对上述存在的问题或不足，本发明提供了一种磁存储单元结构(如图1所示)，在现有垂直各向异性隧道结存储单元中以插层交换偏置结构替代常用的多层耦合存储固定层或直接交换偏置结构，该结构为无需面内横向磁场即可实现的sot-mram结构，通过插层交换偏置结构中面内与面外交换偏置的共存，以面外交换偏置场保证存储单元固定层的稳定，以面内交换偏置场作为所需面内横向磁场的替代，可在不增加横向磁场提供电路的基础上，实现存储单元的低功耗翻转。
[0006]
一种磁存储单元结构，为sot-mram结构，所述sot-mram结构自下往上依次为：写入轨道层1、垂直磁各向异性隧道结2和保护层3。
[0007]
所述写入轨道层1：由具有自旋霍尔角大于0.1的重金属材料组成，同时作为磁存储单元信息读出时的底电极。
[0008]
所述垂直磁各向异性隧道结2包括自下往上依次层叠的信息存储层201、隧穿层202和信息存储参考层203。
[0009]
信息存储层201选用磁性材料；信息存储参考层203又由自下往上依次层叠的铁磁层/超薄金属插层/反铁磁层构成，由超薄金属插层的插入调整铁磁层与反铁磁层界面磁矩
的取向，实现面内与面外交换偏置场的共存。
[0010]
其中信息存储层201以及信息存储参考层203中的铁磁层厚度选择为0.8-1.5nm，以实现该层磁矩沿面外取向；超薄金属插层厚度为0.2-1.0nm，通过其材料种类及厚度的调整以调控面内及面外交换偏置场的大小，满足不同应用的需求。
[0011]
所述保护层3完全覆盖信息存储参考层203，用以保护核心的垂直磁各向异性隧道结2，并用做磁存储信息读出时的顶电极。
[0012]
优选地，所述写入轨道层1的材料为pt、w或ta。
[0013]
优选地，所述信息存储层201的材料为cofeb、fe或co。
[0014]
优选地，所述隧穿层202的材料为mgo或al2o3。
[0015]
优选地，所述信息存储参考层203中：铁磁层材料与信息存储层201一致；超薄金属插层的材料为pt、ta或cu；反铁磁层材料为irmn或ptmn。
[0016]
优选地，所述保护层3的材料为ta。
[0017]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0018]
本发明以交换偏置插层结构铁磁层/超薄金属插层/反铁磁层结构替代目前sot-mram核心存储单元常用的[铁磁/非磁性层]n多层耦合结构，或铁磁层/反铁磁层结构；通过超薄金属插层的加入，可以通过所选用的插层金属材料及其厚度的变化，调控铁磁、反铁磁界面磁矩，达到在交换偏置结构中实现面内与面外交换偏置的共存；同时，针对存储，以面外交换偏置场保证存储单元固定层的稳定，以面内交换偏置场作为所需面内横向场的替代，可以在不增加横向磁场提供电路的基础上，实现信息存储层的翻转，达到降低整体结构复杂度的目的。
附图说明
[0019]
图1是本发明sot-mram磁存储单元结构的结构示意图。
[0020]
图2是对比例磁存储单元的结构示意图。
[0021]
图3是实施例中磁存储单元阻值随电流密度大小变化的示意图。
[0022]
图4是对比例磁存储单元阻值随电流密度大小变化的示意图。
[0023]
附图标记：1-写入轨道层，2-垂直磁各向异性隧道结，201-信息存储层，202-隧穿层，203-信息存储参考层，203(1)-铁磁层，203(2)-超薄金属插层，203(3)-反铁磁层；3-保护层。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图、实施例和对比例，详述本发明的技术方案。
[0025]
实施例
[0026]
在si/sio2基底上沉积磁存储单元结构，pt(3nm)/cofeb(1.2nm)/mgo(1.5nm)/cofeb(1.2nm)/pt(0.5nm)/irmn(5nm)/ta(10nm)。其中写入轨道层宽10μm，长为150μm；整个磁存储单元为宽10μm长15μm的矩形存储单元，其结构示意如图1所示。制备完成后，沿写入轨道层1的a端注入从零开始先逐渐递增而后降低，然后反方向增大最后降低为零的测试电流，同时测试磁存储单元顶电极(即保护层)和底电极(即轨道层1的b端)之间的电阻大小。所得测试结果如图3所示，当正向写入电流达到18ma左右时，磁存储单元电阻从约780ω降
低至约540ω，而当写入电流反向达到18ma左右时，磁存储单元电阻从约540ω上升回780ω，该测试是在没有外加面内辅助磁场的条件下完成的，即实现了无磁场的驱动翻转。
[0027]
对比例
[0028]
为做参考对照，在si/sio2基底上沉积磁存储单元结构(仅取消超薄金属插层的磁存储单元)，pt(3nm)/cofeb(1.2nm)/mgo(1.5nm)/cofeb(1.2nm)/irmn(5nm)/ta(10nm)，其结构如图2中所示，信息存储参考层203包括铁磁层203(1)和反铁磁层203(3)。测试方法与实施例一致，其测试结果如图4中所示，图4是对比例(现有无超薄金属插层的sot-mram磁存储单元)阻值随电流密度大小变化的示意图。从测试图中可见，对于无超薄金属插层的磁存储单元在不外加横向磁场的情况下，不能以写入轨道层的驱动电流实现对其磁矩的翻转，即不能完成对磁存储单元0、1信号的写入。而当我们沿写入轨道层方向施加500oe的横向场时，如测试图所示，此时才能以18ma左右的写入电流对信息存储层磁矩进行驱动，实现信息0、1信号的写入。
[0029]
通过以上实施例和对比例可见，本发明以交换偏置插层结构铁磁层/超薄金属插层/反铁磁层结构替代目前sot-mram核心存储单元常用的[铁磁/非磁性层]n多层耦合结构，或铁磁层/反铁磁层结构；通过超薄金属插层的加入，可以通过所选用的插层金属材料及其厚度的变化，调控铁磁、反铁磁界面磁矩，达到在交换偏置结构中实现面内与面外交换偏置的共存；同时，针对存储，以面外交换偏置场保证存储单元固定层的稳定，以面内交换偏置场作为所需面内横向场的替代，可以在不增加横向磁场提供电路的基础上，实现信息存储层的低功耗翻转，达到降低整体结构复杂度的目的。

技术特征：
1.一种磁存储单元结构，为sot-mram结构，自下往上依次为写入轨道层1、垂直磁各向异性隧道结2和保护层3，其特征在于：所述写入轨道层1：由具有自旋霍尔角大于0.1的重金属材料组成，同时作为磁存储单元信息读出时的底电极；所述垂直磁各向异性隧道结2包括自下往上依次层叠的信息存储层201、隧穿层202和信息存储参考层203；信息存储层201选用磁性材料；信息存储参考层203又由自下往上依次层叠的铁磁层/超薄金属插层/反铁磁层构成，由超薄金属插层的插入调整铁磁层与反铁磁层界面磁矩的取向，实现面内与面外交换偏置场的共存；其中信息存储层201以及信息存储参考层203中的铁磁层厚度选择为0.8-1.5nm，以实现该层磁矩沿面外取向；超薄金属插层厚度为0.2-1.0nm；所述保护层3完全覆盖信息存储参考层203，用以保护垂直磁各向异性隧道结2，并用做磁存储信息读出时的顶电极。2.如权利要求1所述磁存储单元结构，其特征在于：所述写入轨道层1的材料为pt、w或ta。3.如权利要求1所述磁存储单元结构，其特征在于：所述信息存储层201的材料为cofeb、fe或co。4.如权利要求1所述磁存储单元结构，其特征在于：所述隧穿层202的材料为mgo或al2o3。5.如权利要求1所述磁存储单元结构，其特征在于：所述信息存储参考层203中：铁磁层材料与信息存储层201一致；超薄金属插层的材料为pt、ta或cu，通过其材料种类及厚度的调整以调控面内及面外交换偏置场的大小，满足不同应用的需求；反铁磁层材料为irmn或ptmn。6.如权利要求1所述磁存储单元结构，其特征在于：所述保护层3的材料为ta。

技术总结
本发明涉及磁存储领域，具体为一种磁存储单元结构。本发明以交换偏置插层结构铁磁层/超薄金属插层/反铁磁层结构替代目前SOT-MRAM核心存储单元常用的[铁磁/非磁性层]n多层耦合结构，或铁磁层/反铁磁层结构；通过超薄金属插层的加入，可以通过所选用的插层金属材料及其厚度的变化，调控铁磁、反铁磁界面磁矩，达到在交换偏置结构中实现面内与面外交换偏置的共存；同时，针对存储，以面外交换偏置场保证存储单元固定层的稳定，以面内交换偏置场作为所需面内横向场的替代，可以在不增加横向磁场提供电路的基础上，实现信息存储层的低功耗翻转，达到降低整体结构复杂度的目的。达到降低整体结构复杂度的目的。达到降低整体结构复杂度的目的。


技术研发人员：唐晓莉 孙林 姜杰
受保护的技术使用者：上海麦歌恩微电子股份有限公司
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/7