一种垂直型STT-MRAM记忆单元及其读写方法技术

本发明专利技术提供一种垂直型STT-MRAM记忆单元，其堆叠结构包括：磁性参考层、磁性记忆层、隧道势垒层、磁晶优化辅助层、置压层和控制线；磁晶优化辅助层与磁性记忆层相邻并且设置于磁性记忆层远离衬底基片的一面；置压层与磁晶优化辅助层相邻并且设置于磁晶优化辅助层远离衬底基片的一面；控制线与置压层相邻并且设置于置压层远离衬底基片的一面。本发明专利技术还提供了上述记忆单元的读写方法包括：写操作时，在控制线与位线之间加正向偏置电压，产生的电场使磁性记忆层的垂直各向异性减小；读操作时，控制线与位线之间不加压，无电场，磁性记忆层的垂直各向异性强；或者读操作时，在控制线与位线之间加负向偏置电压，产生的电场使磁性记忆层的垂直各向异性增强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及存储器件领域，尤其涉及一种垂直型STT-MRAM记忆单元及其读写方法。
技术介绍
近年来人们利用磁性隧道结(MTJ，MagneticTunnelJunction)的特性做成的磁性随机存取记忆体，即为MRAM(MagneticRandomAccessMemory)。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；中间层为绝缘层；磁性参考层位于绝缘层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当记忆层与参考层之间的磁化强度矢量方向平行或反平行时，磁记忆元件的电阻态也相应为低阻态或高阻态。这样测量磁电阻元件的电阻态即可得到存储的信息。已有一种方法可以得到高的磁电阻(MR，MagnetoResistance)率：在非晶结构的磁性膜的表面加速晶化形成一层晶化加速膜。当此层膜形成后，晶化开始从隧道势垒层一侧形成，这样使得隧道势垒层的表面与磁性表面形成匹配，这样就可以得到高MR。一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型MRAM：在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变磁电阻元件中的记忆层的磁化强度方向。自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM，Spin-transferTorqueMagneticRandomAccessMemory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极化的电子流把它的角动量转移给记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。在一个简单的面内型STT-MRAM结构中，每个MTJ元件的记忆层都具有稳定的面内磁化强度。面内型器件的易磁化轴由记忆层的面内形状或形状各向异性决定。CMOS晶体管产生的写电流流经磁电阻元件的堆叠结构后，可以改变其电阻态，也即改变了存储的信息。进行写操作时电阻会改变，一般情况下采用恒定电压。在STT-MRAM中，电压主要作用在约厚的氧化物层(即隧道势垒层)上。如果电压过大，隧道势垒层会被击穿。即使隧道势垒层不会立即被击穿，如果重复进行写操作的话，会使得电阻值产生变化，读操作错误增多，磁电阻元件也会失效，无法再记录数据。另外，写操作需要有充分大的电压或自旋电流。所以在隧道势垒层被击穿前也会出现记录不完全的问题。对于垂直型STT-MRAM有着同样的情况。因为减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面STT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相合。但是小尺度的MTJ元件的模型制备也会导致MTJ电阻率的高不稳定性，以及需要相对较高的切换电流或记录电压。STT-MRAM的读操作是把电压作用在MTJ堆叠结构上，再测量此MTJ元件是处于高阻态或是低阻态。为了正确得到电阻态是高或低，需要的电压相对较高。并且写操作和读操作需要的电压值并不相等，在当前的先进技术节点，若各MTJ之间有任何的电子特性波动，都会导致本应进行读操作的电流，却象写电流一样，改变了MTJ记忆层的磁化强度方向。因为在对此非易失性的MTJ记忆体进行写操作会改变它的电阻值时，使MTJ记忆器件产生损耗，缩短了它的生命周期。为了减小这种负面影响，需要提供一些方法来得到某种结构的STT-MRAM，可以同时具有高精度的读操作，以及高可靠的写操作。US14/153047中，把介电层与置压层设定于MTJ下方，即沉积时需先沉积介电层与置压层，然后再沉积MTJ，这样会使得MTJ，尤其是其中的隧道势垒层的沉积质量下降。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术提供了一种垂直型STT-MRAM记忆单元，包括位线和堆叠结构，所述堆叠结构包括：磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；还包括：磁晶优化辅助层，所述磁晶优化辅助层与所述磁性记忆层相邻并且设置于所述磁性记忆层远离衬底基片的一面；置压层，所述置压层与所述磁晶优化辅助层相邻并且设置于所述磁晶优化辅助层远离所述衬底基片的一面；控制线，所述控制线与所述置压层相邻并且设置于所述置压层远离所述衬底基片的一面；所述磁性记忆层与所述位线相连。进一步地，所述磁晶优化辅助层的材料为NaCl晶格结构的金属氧化物、金属氮化物或金属氯化物，且其(100)晶面平行于所述衬底基片的基面。进一步地，所述金属氧化物、金属氮化物或金属氯化物中的金属为Na、Li、Mg、Ca、Zn、Cd、In、Sn、Cu、Ag中的至少一种。进一步地，所述磁晶优化辅助层的材料为自然状态下有稳定NaCl晶格结构的MgO、MgN、CaO、CaN、MgZnO、CdO、CdN、MgCdO、CdZnO中的至少一种。进一步地，所述磁晶优化辅助层的厚度范围是1～20nm。进一步地，所述磁晶优化辅助层的电阻至少5倍于所述堆叠结构的电阻。进一步地，所述磁晶优化辅助层的电阻大于200ohm/μm2。进一步地，所述置压层的材料为金属或者金属合金，厚度大于10nm。进一步地，所述隧道势垒层的材料为金属氧化物、金属氮化物或金属氮氧化物。进一步地，所述隧道势垒层的材料为MgO、ZnO、MgZnO、Mg3N2、MgON中的至少一种。进一步地，所述磁性记忆层的材料为B合金，其中包含Co、Fe、Ni中的至少一种元素。进一步地，所述磁性记忆层的材料为CoFeB或CoB，其中B元素至少占10％。进一步地，所述磁性记忆层为多层结构，包括与隧道势垒层相接的第一Co合金子层和第二Co合金子层。进一步地，所述第一Co合金子层为CoFe或CoFeB；第二Co合金子层为CoFeB或CoB。进一步地，在两层Co合金子层中加入一插入层，插入层中至少有一种元素选自Ta、Hf、Zr、Ti、Mg、Nb、W、Mo、Ru、Al、Cu、Si，厚度小于0.5nm。本专利技术还提供了一种垂直型STT-MRAM记忆单元的读写方法，包括：写操作时，在控制线与位线之间加正向偏置电压，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直型STT‑MRAM记忆单元，包括位线和堆叠结构，所述堆叠结构包括：磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；其特征在于，还包括：磁晶优化辅助层，所述磁晶优化辅助层与所述磁性记忆层相邻并且设置于所述磁性记忆层远离衬底基片的一面；置压层，所述置压层与所述磁晶优化辅助层相邻并且设置于所述磁晶优化辅助层远离所述衬底基片的一面；控制线，所述控制线与所述置压层相邻并且设置于所述置压层远离所述衬底基片的一面；所述磁性记忆层与所述位线相连。

【技术特征摘要】
1.一种垂直型STT-MRAM记忆单元，包括位线和堆叠结构，所述堆叠结构包括：
磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表
面；
磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表
面；
隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间
且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；
其特征在于，还包括：
磁晶优化辅助层，所述磁晶优化辅助层与所述磁性记忆层相邻并且设置于
所述磁性记忆层远离衬底基片的一面；
置压层，所述置压层与所述磁晶优化辅助层相邻并且设置于所述磁晶优化
辅助层远离所述衬底基片的一面；
控制线，所述控制线与所述置压层相邻并且设置于所述置压层远离所述衬
底基片的一面；
所述磁性记忆层与所述位线相连。
2.如权利要求1所述的垂直型STT-MRAM记忆单元，其特征在于，所述磁晶优
化辅助层的材料为NaCl晶格结构的金属氧化物、金属氮化物或金属氯化物，且其
(100)晶面平行于所述衬底基片的基面。
3.如权利要求2所述的垂直型STT-MRAM记忆单元，其特征在于，所述金属氧
化物、金属氮化物或金属氯化物中的金属为Na、Li、Mg、Ca、Zn、Cd、In、Sn、
Cu、Ag中的至少一种。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏文斌，郭一民，陈峻，肖荣福，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31