一种通过缓冲层调控的多比特单元磁存储器件，它是形成多个截面尺寸相同的磁隧道结层叠，通过调节缓冲层的材料、厚度，改变其中一个磁隧道结的性能参数，从而产生实现多比特单元磁存储器件的多组电阻状态；该多比特单元磁存储器件由基于垂直磁各向异性的两个磁隧道结串联而成，各个磁隧道结包含参考层、势垒层和自由层；其中，参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向根据注入电流的大小及方向在两种状态之间转换，即自旋转移力矩效应；当两个磁化方向相同时，磁隧道结呈现低电阻状态，表示数据“0”；当参考层与自由层的磁化方向相反时，磁隧道结呈现高电阻状态，表示数据“1”。本发明专利技术在非易失性磁存储器技术领域里具有十用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种通过缓冲层调控的多比特单元磁存储器件，它包含一种由多个磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)组成的存储结构，属于非易失性磁存储器
技术介绍
近年来，磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)因其非易失性、耐久力强、功耗低、读写速度快等优点受到学术界与工业界的广泛关注。更进一步，基于自旋转移力矩(Spin Transfer Torque，STT)效应的磁随机存储器(STT-MRAM)无需外界磁场作用，通过注入较小的电流即可改变磁隧道结自由层的磁化方向，实现数据存储。因此，在进一步突破功耗、稳定性、读写速度、存储容量等瓶颈方面，STT-MRAM体现出巨大的研究及应用价值。磁隧道结主要分为基于垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)与基于面内磁各向异性(In-Plane Magnetic Anisotropy，IMA)两类，而前者在尺寸及功耗等方面更具优势。磁隧道结的有效结构一般包括由铁磁金属构成的参考层、由金属氧化物构成的势垒层和由铁磁金属构成的自由层。对于基于面内磁各向异性的磁隧道结而言，参考层需要连接由反铁磁金属构成的钉扎层，从而固定其磁化方向。在制备上述磁性隧道结的有效结构前，需要在衬底上沉积一定厚度的缓冲层降低表面粗糙度，同时促进超薄多层膜的生长晶向形成。缓冲层一般为非铁磁金属，较为典型的如钽/钌/钽(Ta/Ru/Ta)。对应地，在有效结构上方也需要沉积类似结构，起到防氧化及保护作用。此外，利用钨(W)、铪(Hf)、钼(Mo)和铌(Nb)等材料作为缓冲层可以更有效地调节垂直磁各向异性，例如，利用Mo作为缓冲层，能够将垂直磁各向异性提高20％(与Ta相比)，从而进一步优化临界电流、热稳定性等参数。通过改变外加磁场或电流的大小与方向，磁隧道结能够呈现不同的电阻状态。当参考层与自由层的磁化方向相同时，磁隧道结呈现低电阻状态(Low Resistance，RL)，表示数据“0”；反之，当参考层与自由层的磁化方向相反时，磁隧道结呈现高电阻状态(High Resistance，RH)，表示数据“1”。用来衡量高低电阻差值的参数为隧穿磁阻比率(Tunnel Magneto Resistance ratio＝(RH-RL)/RL，TMR)，同一种组成的磁隧道结具有相同的TMR，其值越高，数据读取的可靠性越强。此外，同一种组成的磁隧道结也具有相同的电阻面积矢量积(Resistance Area Product，RA)。STT-MRAM一般采用一个晶体管(Transistor)和一个磁隧道结串联的方式构成一个存储单元，用来存储1比特数据(“0”或“1”)。而通过叠加多个磁隧道结，可在一个单元中存储两比特或以上的数据，构成多比特存储单元(Multi-Level Cell，MLC)，扩大存储容量。实现多比特单元的一种常用方法是使用截面尺寸不同的磁隧道结，由于TMR及RA为确定值，能够产生三组或以上的电阻状态。然而，这种器件制造工艺十分繁琐，由于磁隧道结的截面尺寸相异，需要进行至少两次纳米级刻蚀，且会造成器件性能下降。另一种方法是保持磁隧道结的截面尺寸相同，通过调整各个磁隧道结的组成产生不同的TMR。这种方法的优势是降低了刻蚀的难度，但由于组成磁隧道结的超薄多层膜材料、厚度过于多样，对磁控溅射的可控性、精确性要求极高。
技术实现思路
1.专利技术目的：本专利技术的目的为提供一种通过缓冲层调控的多比特单元磁存储器件，具体机制为调节缓冲层获得不同电阻状态及写入电流。与以往的多比特单元磁存储器件相比，该器件在提升存储密度的同时，不引入额外的工艺难度与生产成本。另一方面，由于该器件通过一次纳米级刻蚀即可完成制备，其性能将不会受到影响。2.技术方案：本专利技术为一种通过缓冲层调控的多比特单元磁存储器件，其特征是形成多个截面尺寸相同的磁隧道结层叠，通过调节缓冲层的材料、厚度，改变其中一个磁隧道结的性能参数，从而产生可实现多比特单元磁存储器件的多组电阻状态。见图1，该多比特单元磁存储器件由基于垂直磁各向异性的两个磁隧道结串联而成，各个磁隧道结包含参考层、势垒层和自由层。其中，参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向根据注入电流的大小及方向在两种状态之间转换，即自旋转移力矩效应。当两个磁化方向相同时，磁隧道结呈现低电阻状态，表示数据“0”；当参考层与自由层的磁化方向相反时，磁隧道结呈现高电阻状态，表示数据“1”。其中，磁隧道结MTJ2的上下方沉积有传统材料构成的缓冲层，可选自、但不限于Ta/Ru；磁隧道结MTJ1下方沉积有不同材料构成缓冲层，可选自、但不限于W、Hf、Mo或Nb，在该材料的作用下，磁隧道结MTJ1的垂直磁各向异性将发生变化，从而产生与磁隧道结MTJ2相异的性能参数。通过选择适合的缓冲层材料、厚度，两个磁隧道结可以产生4组电阻状态及间隔明显的临界电流，并利用自旋转移力矩效应在不同电阻状态之间进行切换；相应地，可写入2位数据00、01、10、11。其中，本专利技术可以叠加两个以上的磁隧道结，将不同缓冲层设置为不同的材料、厚度，或者将磁隧道结的有效结构倒置。磁隧道结的截面一般为纳米级圆形，可据实际情况做出调整。自由层的磁化方向也可以利用磁场、电压等方式进行控制。3.优点和功效：相比于传统的磁随机存储器器件，本专利技术提出的一种通过缓冲层调控的多比特单元磁存储器件具有以下优势：(1)本专利技术为多比特单元磁存储器件，即可在一个磁随机存储器单元中存储多于1位的数据。因此，本专利技术可显著提高存储密度，同时降低功耗和成本。(2)传统多比特单元磁存储器件串联的磁隧道结串联截面不同，因此，在制造过程中需要进行至少两次纳米级刻蚀。由于刻蚀将导致二次沉积、阴影效应等不利影响，经历多次刻蚀后器件的性能将进一步下降。另一种方法使用截面尺寸相同的磁隧道结，然而各个磁隧道结的超薄多层膜材料、厚度有所差异，提高了磁控溅射的难度，同样不易实现。本专利技术通过调整有效结构以外的缓冲层使各个磁隧道结获得不同的隧穿磁阻比率，这种方法几乎没有增加磁控溅射及纳米级刻蚀的难度，多比特单元磁存储器件的性能由此也得以保证。附图说明附图揭示出本专利技术的相关实施例及工作流程。图1为基于一部分实施例的通过缓冲层调控的多比特单元磁存储器件100及其关键的超薄多层膜结构。图2(a)为器件100初始状态“00”的示意图。图2(b)为向器件100本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种通过缓冲层调控的多比特单元磁存储器件，其特征在于：它是形成多个截面尺寸相同的磁隧道结层叠，通过调节缓冲层的材料、厚度，改变其中一个磁隧道结的性能参数，从而产生实现多比特单元磁存储器件的多组电阻状态；该多比特单元磁存储器件由基于垂直磁各向异性的两个磁隧道结串联而成，各个磁隧道结包含参考层、势垒层和自由层；其中，参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向根据注入电流的大小及方向在两种状态之间转换，即自旋转移力矩效应；当两个磁化方向相同时，磁隧道结呈现低电阻状态，表示数据“0”；当参考层与自由层的磁化方向相反时，磁隧道结呈现高电阻状态，表示数据“1”。
【技术特征摘要】
1.一种通过缓冲层调控的多比特单元磁存储器件，其特征在于：它是形成多个截面尺寸
相同的磁隧道结层叠，通过调节缓冲层的材料、厚度，改变其中一个磁隧道结的性能参数，
从而产生实现多比特单元磁存储器件的多组电阻状态；
该多比特单元磁存储器件由基于垂直磁各向异性的两个磁隧道结串联而成，各个磁隧道
结包含参考层、势垒层和自由层；其中，参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向根据注
入电流的大小及方向在两种状态之间转换，即自旋转移力矩效应；当两个磁化方向相同时，
磁隧道结呈现低电阻状态，表示数据“0”；当参考层与自由层的磁化方向相反时，磁隧道结
呈现高电阻状态，表示数据“1”。
2.根据权利要求1所述的一种通过缓冲层调控的多比特单元磁存储器件，其特征在于：
磁隧道结MTJ2的上下方沉积有传统材料构成的缓冲层，可选自、但...
【专利技术属性】
技术研发人员：王梦醒，赵巍胜，郭玮，史前，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
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