一種低功耗磁性存儲單元制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提出了一種低功耗磁性存儲單元，該存儲單元從下到上由厚度為0～20nm的重金屬條狀薄膜，厚度為0～3nm的第一鐵磁金屬，厚度為0～2nm的第一氧化物，厚度為0～3nm的第二鐵磁金屬，厚度為0～20nm的第一合成反鐵磁層和厚度為10～200nm的第一電極共六層構(gòu)成；重金屬條狀薄膜的兩端分別鍍有第二電極和第三電極；其中，位于重金屬條狀薄膜上方的五層物質(zhì)構(gòu)成磁性隧道結(jié)。本發(fā)明專利技術(shù)采用單向電流寫入數(shù)據(jù)，簡化了存儲器和邏輯電路設(shè)計，提高了電路集成度，降低了存儲單元的功耗，有利于減少工藝的復(fù)雜度和制造成本；本發(fā)明專利技術(shù)采用不同的支路寫入數(shù)據(jù)，便于對不同數(shù)據(jù)的寫入操作進(jìn)行獨(dú)立的優(yōu)化和設(shè)計。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種低功耗磁性存儲單元，屬于非易失性存儲和邏輯

技術(shù)介紹
新興的非易失性存儲技術(shù)能夠使存儲數(shù)據(jù)掉電不丟失，因而有望解決傳統(tǒng)的基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementarymetal-oxidesemiconductor,CMOS)工藝的存儲器和邏輯電路所面臨的日益嚴(yán)峻的靜態(tài)功耗問題。其中，基于磁性隧道結(jié)(MagneticTunnelJunction,MTJ)的磁性隨機(jī)存儲器(Magneticrandomaccessmemory,MRAM)因具有高密度、高讀寫速度、低讀寫電壓和無限制寫入次數(shù)等優(yōu)勢而被證明是最具潛力的通用存儲器。它不僅有望取代傳統(tǒng)的靜態(tài)隨機(jī)存儲器(Staticrandomaccessmemory,SRAM)和動態(tài)隨機(jī)存儲器(Dynamicrandomaccessmemory,DRAM)，還可以應(yīng)用于非易失性邏輯電路的設(shè)計。目前，磁性隧道結(jié)普遍采用自旋轉(zhuǎn)移矩(SpinTransferTorque，STT)實(shí)現(xiàn)寫入操作，自旋轉(zhuǎn)移矩由流經(jīng)磁性隧道結(jié)的電流產(chǎn)生，被寫入的數(shù)據(jù)狀態(tài)取決于電流的方向。但是，自旋轉(zhuǎn)移矩需要較長的初始延遲(Incubationdelay)，雖然提高寫入電流能夠減小初始延遲，但同時增加了隧道結(jié)勢壘擊穿的概率。近期，自旋軌道矩(Spinorbittorque,SOT)被提出以解決自旋轉(zhuǎn)移矩固有的寫入速度瓶頸和勢壘擊穿問題。為產(chǎn)生自旋軌道矩，可在磁性隧道結(jié)的鐵磁存儲層下方增加一層重金屬條狀薄膜。流經(jīng)重金屬的電流可通過自旋霍爾效應(yīng)(SpinHalleffect,SHE)或拉什巴效應(yīng)(Rashbaeffect)產(chǎn)生自旋軌道矩。如果磁性隧道結(jié)具有面內(nèi)磁各向異性(In-planeMagneticAnisotropy,IMA)，則僅靠該自旋軌道矩即可實(shí)現(xiàn)鐵磁存儲層的磁化翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而完成磁性隧道結(jié)的數(shù)據(jù)寫入。因此，自旋軌道矩可實(shí)現(xiàn)低功耗的寫入操作。但是，無論采用自旋轉(zhuǎn)移矩或者自旋軌道矩實(shí)現(xiàn)磁性隧道結(jié)的數(shù)據(jù)寫入，均需要產(chǎn)生雙向電流，寫入電路的設(shè)計和控制較為復(fù)雜，芯片的面積較大，制造工藝和成本較高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
一、專利技術(shù)目的：針對上述背景中提到的磁性隧道結(jié)寫入技術(shù)所面臨的電路設(shè)計難度、控制復(fù)雜度、芯片面積、制造工藝和成本等問題，本專利技術(shù)提出了一種低功耗磁性存儲單元，它采用單向電流寫入數(shù)據(jù)，簡化了寫入電路的設(shè)計和控制，提高了電路集成度并降低工藝制造成本。二、技術(shù)方案：本專利技術(shù)的技術(shù)方案是，一種低功耗磁性存儲單元，其特征是，該存儲單元從下到上由重金屬條狀薄膜(厚度為0～20nm)，第一鐵磁金屬(厚度為0～3nm)，第一氧化物(厚度為0～2nm)，第二鐵磁金屬(厚度為0～3nm)，第一合成反鐵磁層(厚度為0～20nm)和第一電極(厚度為10～200nm)共六層構(gòu)成。重金屬條狀薄膜的兩端分別鍍有第二電極和第三電極。其中，位于重金屬條狀薄膜上方的五層物質(zhì)構(gòu)成磁性隧道結(jié)；本專利技術(shù)所述的存儲單元是通過采用傳統(tǒng)的分子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍在襯底上，然后進(jìn)行光刻、刻蝕等傳統(tǒng)納米器件加工工藝制備而成；本專利技術(shù)所述的存儲單元中，磁性隧道結(jié)的形狀為長方形(長寬比可以是任意值)或橢圓形(長寬比可以是任意值)；本專利技術(shù)所述的存儲單元中，重金屬條狀薄膜為長方形，其頂面積大于磁性隧道結(jié)的底面積，磁性隧道結(jié)的底面形狀完全內(nèi)嵌于重金屬條狀薄膜的頂面形狀之中；本專利技術(shù)所述的存儲單元制造流程通過傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生產(chǎn)后端工藝集成；所述重金屬條狀薄膜是指鉑Pt、鉭Ta或鎢W中的一種；所述第一電極是指鉭Ta、鋁Al或銅Cu中的一種；所述第二電極是指鉭Ta、鋁Al或銅Cu中的一種；所述第三電極是指鉭Ta、鋁Al或銅Cu中的一種；所述第一鐵磁金屬是指混合金屬材料鈷鐵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的配比含量可以不同；所述第一氧化物是指氧化鎂MgO或氧化鋁Al2O3，用于產(chǎn)生隧穿磁阻效應(yīng)；所述第二鐵磁金屬是指混合金屬材料鈷鐵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的配比含量可以不同；所述第一合成反鐵磁層是指如下混合層中的一種：釕Ru、鈷鐵CoFe、鉑錳PtMn混合層或者釕Ru、鈷鐵硼CoFeB、鉑錳PtMn混合層或者釕Ru、鈷鐵CoFe、銥錳IrMn混合層或者釕Ru、鈷鐵硼CoFeB、銥錳IrMn混合層；其中混合金屬材料中各個元素的配比含量可以不同；本專利技術(shù)所述的存儲單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)通過磁性隧道結(jié)的電阻值來體現(xiàn)；本專利技術(shù)所述的存儲單元的數(shù)據(jù)寫入過程包括兩種情形：第一種情形是磁性隧道結(jié)的電阻由低變高，第二種情形是磁性隧道結(jié)的電阻由高變低。其中第一種情形通過在第二電極和第三電極之間施加單向電流實(shí)現(xiàn)，第二種情形通過在第一電極和第二電極之間或者第一電極和第三電極之間施加單向電流實(shí)現(xiàn)。三、優(yōu)點(diǎn)及功效:本專利技術(shù)提出了一種低功耗磁性存儲單元，相比于傳統(tǒng)的基于雙向?qū)懭腚娏鞯拇判源鎯卧?，有以下?yōu)勢：本專利技術(shù)采用單向電流寫入數(shù)據(jù)，簡化了存儲器和邏輯電路設(shè)計，提高了電路集成度，降低了存儲單元的功耗，有利于減少工藝的復(fù)雜度和制造成本；本專利技術(shù)采用不同的支路寫入數(shù)據(jù)，便于對不同數(shù)據(jù)的寫入操作進(jìn)行獨(dú)立的優(yōu)化和設(shè)計。【附圖說明】圖1-1為一種低功耗磁性存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖1-2為一種低功耗磁性存儲單元結(jié)構(gòu)實(shí)施例示意圖(以橢圓形磁性隧道結(jié)為例)。圖2為一種低功耗磁性存儲單元的數(shù)據(jù)寫入方式示意圖。圖3-1為一種低功耗磁性存儲單元的寫入操作第一實(shí)施例示意圖。圖3-2為一種低功耗磁性存儲單元的存儲模式第一實(shí)施例示意圖。圖4-1為一種低功耗磁性存儲單元的寫入操作第二實(shí)施例示意圖。圖4-2為一種低功耗磁性存儲單元的存儲模式第二實(shí)施例示意圖。圖1-1、1-2、2、3-1、3-2、4-1、4-2中的參數(shù)定義為：1重金屬條狀薄膜2第二電極3第三電極4第一鐵磁金屬5第一氧化物6第二鐵磁金屬7第一合成反鐵磁層8第一電極W1在第一電極和第二電極之間的寫入支路W2在第一電極和第三電極之間的寫入支路W3在第二電極和第三電極之間的寫入支路I1從第二電極到第一電極的寫入電流(第一實(shí)施例)I2從第二電極到第三電極的寫入電流(第一實(shí)施例)R磁性隧道結(jié)的電阻(第一實(shí)施例)t時間RH磁性隧道結(jié)的最大電阻值RL磁性隧道結(jié)的最小電阻值IH_L磁性隧道結(jié)從高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時需要的寫入電流(第一實(shí)施例)IL_H磁性隧道結(jié)從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變時需要的寫入電流(第一實(shí)施例)DH_L磁性隧道結(jié)從高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時的寫入延遲(第一實(shí)施例)DL_H磁性隧道結(jié)從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變時的寫入延遲(第一實(shí)施例)S4第三鐵磁金屬S5第二氧化物S6第四鐵磁金屬S7第二合成反鐵磁層S8第四電極I3從第四電極到第一電極的寫入電流(第二實(shí)施例)I4從第二電極到第三電極的寫入電流(第二實(shí)施例)M1第一磁性隧道結(jié)M2第二磁性隧道結(jié)RM1第一磁性隧道結(jié)的電阻RM2第二磁性隧道結(jié)的電阻IC1第一磁性隧道結(jié)從高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變，且第二磁性隧道結(jié)從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變時需要的寫入電流(第二實(shí)施例)IC2第一磁性隧道結(jié)從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變，且第二磁性隧道結(jié)從高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時需要的寫入電流(第二實(shí)施例)DH_L_本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種低功耗磁性存儲單元，其特征是：該存儲單元從下到上由厚度為0～20nm的重金屬條狀薄膜，厚度為0～3nm的第一鐵磁金屬，厚度為0～2nm的第一氧化物，厚度為0～3nm的第二鐵磁金屬，厚度為0～20nm的第一合成反鐵磁層和厚度為10～200nm的第一電極共六層構(gòu)成；重金屬條狀薄膜的兩端分別鍍有第二電極和第三電極；其中，位于重金屬條狀薄膜上方的五層物質(zhì)構(gòu)成磁性隧道結(jié)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種低功耗磁性存儲單元，其特征是：該存儲單元從下到上由厚度為0～20nm的重金屬條狀薄膜，厚度為0～3nm的第一鐵磁金屬，厚度為0～2nm的第一氧化物，厚度為0～3nm的第二鐵磁金屬，厚度為0～20nm的第一合成反鐵磁層和厚度為10～200nm的第一電極共六層構(gòu)成；重金屬條狀薄膜的兩端分別鍍有第二電極和第三電極；其中，位于重金屬條狀薄膜上方的五層物質(zhì)構(gòu)成磁性隧道結(jié)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗磁性存儲單元，其特征在于：該存儲單元是通過采用傳統(tǒng)的分子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍在襯底上，然后進(jìn)行光刻、刻蝕等傳統(tǒng)納米器件加工工藝制備而成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗磁性存儲單元，其特征在于：所述的磁性隧道結(jié)的形狀為長方形或橢圓形。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗磁性存儲單元，其特征在于：所述的重金屬條狀薄膜為長方形，其頂面積大于磁性隧道結(jié)的底面積，磁性隧道結(jié)的底面形狀完全內(nèi)嵌于重金屬條狀薄膜的頂面形狀之中。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗磁性存儲單元，其特征在于：所述的重金屬條狀薄膜是指鉑Pt、鉭Ta或鎢W中的一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗磁性存儲單元，其特征在于：所述的第一電極是指鉭Ta、鋁A...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王昭昊，趙巍勝，林曉陽，粟傈，張磊，
申請(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11