一种基于电压控制的磁存储器制造技术

一种基于电压控制的磁存储器，该磁存储器的MTJ结构基于垂直磁各向异性即PMA，在经典MTJ结构即自由层、参考层和隧道势垒层的三层结构基础上，添加了一层隧穿势垒层；该磁存储器的MTJ结构从下到上由底电极，反铁磁金属混合层，铁磁金属一，氧化物一，铁磁金属二，氧化物二及顶电极共七层构成。本发明专利技术具有稳定的非易失性、高读写速度和无限读写次数等特点，由于其基于电压控制改变储存单元的磁化状态，改变存储单元的状态所需的电流较低，在保持高读写速度的同时，实现了低功耗以及高的功耗利用率。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种基于电压控制的磁存储器，该磁存储器的MTJ结构基于垂直磁各向异性即PMA，在经典MTJ结构即自由层、参考层和隧道势垒层的三层结构基础上，添加了一层隧穿势垒层；该磁存储器的MTJ结构从下到上由底电极，反铁磁金属混合层，铁磁金属一，氧化物一，铁磁金属二，氧化物二及顶电极共七层构成。本专利技术具有稳定的非易失性、高读写速度和无限读写次数等特点，由于其基于电压控制改变储存单元的磁化状态，改变存储单元的状态所需的电流较低，在保持高读写速度的同时，实现了低功耗以及高的功耗利用率。【专利说明】—种基于电压控制的磁存储器
本专利技术涉及一种基于电压控制的磁存储器，它包含一种基于电压控制改变存储单元状态的新型MTJ (磁隧道结)结构，即VMTJ，属于非挥发性存储器
。
技术介绍
磁随机存储器(MRAM)因其稳定的非易失性、高读写速度以及无限读写次数等特点，学术界和产业界自2000年以来对其广泛关注，并进行了大量的研究。第一款MRAM芯片采用电场诱导磁极翻转(FIMS)的方式，在2006年首次进行了商业化；由于其具有抗辐射特性，现今主要应用于航空航天领域。然而MRAM的进一步发展受到了来自FMS方式的制约，其主要表现在:一、因为改变存储单元的状态所需的电流过高(例如一 H) S安)，从而导致功耗过高以及功耗利用率过低。二、微缩性较差。新的切换方法，如热辅助方式以及自旋转移力矩(STT)方式，学术界和产业界正在对于进行紧锣密鼓的研发。STT由于其较高的功耗利用率和较快的写入速度，被认为是最有前途的改变存储单元的状态的技术之一。当MTJ(磁隧道结)纳米柱或MRAM存储单元的尺寸小于IOOnm时，存储单元的状态可由一个较低的自旋极化电流进行改变。MTJ纳米柱大致由三层薄膜组成:一个很薄的氧化栅(barrier)层和两个铁磁(FM)层。在典型应用中，一个铁磁层的磁化方向被钉扎住，另一个铁磁层的磁化方向则可以自由地选取两个不同方向，平行(P)或反平行(AP)，分别对应于电阻R1^PRr表征磁电阻变化的幅度的TMR= (Rap-Rp)/Rp，当采用MgO作为氧化栅(barrier)层时，TMR可以达到200%。目前STT方法面临的问题是:其消耗的功率仍然高于由低电压驱动的晶体管。基于电压驱动存储单元状态改变的新方式已成为磁存储器的最终解决方案。在过去的两年中，一些研究小组已经提出了由电压控制自由层(free layer)的磁化状态改变的解决方案。
技术实现思路
1.专利技术目的:针对上述背景中提到的采用STT方式改变存储单元状态的问题，本专利技术提供了一种基于电压控制的磁存储器，它克服了现有技术的不足，它包含一种基于电压控制改变存储单元状态的新型MTJ (磁隧道结)结构，即VMTJ。2.技术方案:本专利技术的技术方案是，一种基于电压控制的磁存储器，其特征是该磁存储器的MTJ结构基于垂直磁各向异性(PMA)，在经典MTJ结构即自由层、参考层和隧道势垒层的三层结构基础上，添加了一层隧穿势垒层。该磁存储器的MTJ结构从下到上由底电极，反铁磁金属混合层，铁磁金属一，氧化物一，铁磁金属二，氧化物二及顶电极共七层构成；所述氧化物一是指氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3中的一种，用于产生隧穿效应来传输自旋信号；所述氧化物二是指二氧化铪HfO2、二氧化钛TiO2、五氧化二钽Ta2O5、氧化亚铜Cu2O或氧化镍NiO中的一种，用于存储数据；所述铁磁金属一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组成可以不一样；所述铁磁金属二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组成可以不一样；所述反铁磁金属混合层是指由混合金属材料钴铁硼CoFeB/镍铁NiFe/猛钼PtMn或钴铁硼CoFeB/钴铁CoFe/锰钼PtMn构成的混合层中的一种；所述底电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；所述顶电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；其中，该底电极的厚度为10-200nm,反铁磁金属混合层的厚度为0-20nm,铁磁金属一的厚度为0-3nm，氧化物一的厚度为0-2nm，铁磁金属二的厚度为0_3nm，氧化物二的厚度为O-lOOnm，及顶电极的厚度为10_200nm。其中，该磁存储器是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其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的；其中，该磁存储器的形状为正方形、长方形、圆形及椭圆形中的一种；其中，该磁存储器的生产流程是通过传统的半导体生产后端工艺集成；其中，该磁存储器的数据写入，是通过在自由层和顶电极两端加正负写入电压Vw从而在自由层中写入磁状态的；其中，该磁存储器的数据读取，是通过在自由层和底电极两端加正负读取电压Vr从而在参考层中读取磁状态的。3.优点和功效:本专利技术提供一种基于电压控制改变存储单兀状态的磁存储器，它包含一种基于电压控制改变存储单元状态的新型MTJ (磁隧道结)结构，即VMTJ。该结构具有稳定的非易失性、高读写速度和无限读写次数等特点，由于其基于电压控制改变储存单元的磁化状态，改变存储单元的状态所需的电流较低，在保持高读写速度的同时，实现了低功耗以及高的功耗利用率。本专利技术分别通过自由层和顶电极之间的电压Vw，以及自由层和底电极之间的电压Vr来进行信息的写入和读取操作。其电压控制特性使得可以使用超低功耗进行存储单元的状态转变；而新添加的一层隧穿势垒层较厚，从而可以避免漏电流的产生。因为我们不用使用STT方式进行磁化状态翻转，所以可以使用相对较厚的隧道势垒层，进而对于读操作可以达到更低的功耗。对于铁磁层(自由层和参考层)可以基于面内或垂直结构，后者拥有高可靠性和较快的磁化状态翻转速度。【专利附图】【附图说明】图1为一种基于电压控制改变存储单元状态的磁存储器的新型MTJ (磁隧道结)结构，即VMTJ的示意图。图2为一种基于电压控制改变存储单元状态的磁存储器的新型MTJ (磁隧道结)结构，即VMTJ的基本操作示意图。与传统的磁隧道结的主要区别是进行数据编程和数据读取的电流相互独立。其存储单元的数据写入，是通过在自由层和顶电极两端加正负写入电压Vw从而在自由层中写入磁状态的；其存储单元的数据读取，是通过在自由层和底电极两端加正负读取电压Vr从而在参考层中读取磁状态的。图3 Ca)为本专利技术平行状态时的翻转方法与写入平行状态的切换方法；图3 (b)为本专利技术反平行状态时的翻转方法与写入反平行状态的切换方法。图4为VMTJ的读取检测方式。图5为使用阵列VMTJ进行数据存储的一种实现方式的示意图。其中多个储存单元共用一个中间电极。图6为VMTJ存储器阵列结构示意图。与传统的存储器阵列的不同，VMTJ存储器阵列用于数据读出和写入的两位线相对独立。图7 (a) 1VMTJ+1晶体管的体系结构；图7 (b)基于一个晶体管由每个位线共享的Cross-Point架构。其中，图2、图3 (a)、图3 (b)、图4、图5、图6、图7中的参数定义为:Vw:表示在自由层中写入磁状态时，在自由层和顶电极两端所加的写入电压；Vr:表示在参考层中读取磁状态时，在在自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电压控制的磁存储器，其特征在于：该磁存储器的MTJ结构基于垂直磁各向异性即PMA，在经典MTJ结构即自由层、参考层和隧道势垒层的三层结构基础上，添加了一层隧穿势垒层；该磁存储器的MTJ结构从下到上由底电极，反铁磁金属混合层，铁磁金属一，氧化物一，铁磁金属二，氧化物二及顶电极共七层构成；所述氧化物一是指氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3中的一种，用于产生隧穿效应来传输自旋信号；所述氧化物二是指二氧化铪HfO2、二氧化钛TiO2、五氧化二钽Ta2O5、氧化亚铜Cu2O或氧化镍NiO中的一种，用于存储数据；所述铁磁金属一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组成可以不一样；所述铁磁金属二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组成可以不一样；所述反铁磁金属混合层是指由混合金属材料钴铁硼CoFeB/镍铁NiFe/锰铂PtMn或钴铁硼CoFeB/钴铁CoFe/锰铂PtMn构成的混合层中的一种；所述底电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；所述顶电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张雨，赵巍胜，张博宇，张有光，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11