磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备技术

本申请提供了一种磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备，磁随机存储器包括多个呈阵列排布的磁隧道结单元，磁隧道结单元包括衬底层及设于衬底层上的缓冲层、磁自由层、隧穿绝缘层、铁磁层及钉扎层，缓冲层设于衬底层与磁自由层之间，以提高磁自由层的外延结晶质量；磁自由层包括第一化合物，第一化合物包括Cr元素和S元素，第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构；隧穿绝缘层设于磁自由层与铁磁层之间，以形成异质结结构；钉扎层设于铁磁层上，用于固定铁磁层的磁化方向。本申请提供了一种能与现有工艺兼容又不需要大电流翻转磁矩的磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备。

【技术实现步骤摘要】
磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备
本申请涉及存储芯片
，具体涉及一种磁随机存储器及其制备方法、存储芯片。
技术介绍
随着信息社会的高速发展，人们对于信息处理速度和存储的要求越来越高，现有的静态和动态随机存取存储器的发展，可以预见的不能满足高速计算的需求，对于新型存取存储器件的开发和应用已经成为学术界和工业界的研究趋势。作为非易失性存储器件的一种，磁随机存储可能是目前非常希望替代传统随机存取存储器且能与互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)工艺兼容的技术。相关技术中，自旋轨道矩-磁随机存储器通过磁自由层磁矩的翻转产生自旋流，导致磁阻的改变，通过磁阻的大小变化来写入和读取数据。由于自旋轨道矩-磁随机存储器是利用自旋轨道转矩（STT）效应才能改变自由层磁化的方向，而这需要很大的电流密度。所以这一技术需要大电流来翻转磁自由层的磁矩，如此，导致存储器的能耗过大，同时也会损耗存储器的使用寿命。在另一些相关技术中，由于铁磁材料能提供自旋极化载流子，所以相关技术人员为了减少存储器的能耗，采用铁磁材料作为自由层，然而这通常需要引入比较厚的铁磁材料，且铁磁材料很难与现有工艺兼容，例如，直接在半导体上生长铁磁材料需要在360℃下进行退火工艺，从而让金属在界面处外延结晶，但是退火过程中，结晶的速度很难得到控制，这经常导致期待的外延结晶被破坏，不利于器件的集成。因此，如何设计一款能与现有工艺兼容又不需要大电流翻转磁矩的磁随机存储器是实现非易失性存储的迫切需要。
技术实现思路
本申请提供一种能与现有工艺兼容又不需要大电流翻转磁矩的磁随机存储器及其制备方法、存储芯片、电子设备。第一方面，本申请实施例提供的一种磁随机存储器，包括衬底层及设于所述衬底层上的缓冲层、磁自由层、隧穿绝缘层、铁磁层及钉扎层，所述缓冲层设于所述衬底层与所述磁自由层之间，以提高所述磁自由层的外延结晶质量；所述磁自由层包括第一化合物，所述第一化合物包括Cr元素和S元素，所述第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构；所述隧穿绝缘层设于所述磁自由层与所述铁磁层之间，以形成异质结结构；所述钉扎层设于所述铁磁层上，用于固定所述铁磁层的磁化方向。在一种可能的实施方式中，所述缓冲层包括硒化锌层、硫化锌层中的至少一者，所述硒化锌层的厚度小于或等于60nm。在一种可能的实施方式中，所述第一化合物包括Mn1-xCrxS，所述x的取值为0~1，所述磁自由层的厚度小于或等于50nm。在一种可能的实施方式中，所述铁磁层包括第二化合物，所述第二化合物包括Cr元素和S元素，所述第二化合物的晶体结构为闪锌矿型结构。在一种可能的实施方式中，所述第二化合物包括Mn1-xCrxS，所述x的取值为0~1，所述铁磁层的厚度小于或等于50nm。在一种可能的实施方式中，所述隧穿绝缘层包括硒化锌层，所述硒化锌层的厚度为1~5nm。在一种可能的实施方式中，所述衬底层包括砷化镓层。在一种可能的实施方式中，所述钉扎层包括反铁磁材料层、拓扑绝缘体层或者外尔半导体层中的至少一者。第二方面，本申请实施例提供了一种磁随机存储器的制备方法，包括：成型衬底层；采用化学气相沉积法在所述衬底层上成型缓冲层；在所述缓冲层上成型磁自由层，所述磁自由层包括第一化合物，所述第一化合物包括Cr元素和S元素，所述第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构；在所述磁自由层上成型隧穿绝缘层和铁磁层，使所述隧穿绝缘层设于所述磁自由层与所述铁磁层之间，以形成异质结结构；在所述铁磁层上成型钉扎层，以固定所述铁磁层的磁化方向。在一种可能的实施方式中，所述衬底层为砷化镓层；所述成型衬底层之后，包括：制备腐蚀液，所述腐蚀液包括体积比分别为1:1:1的硫酸、双氧水和水；将所述衬底层设于所述腐蚀液中，加热至第一温度以去除表面氧化物，再冷却至第二温度，所述第一温度为600℃，所述第二温度为270℃；所述采用化学气相沉积法在所述衬底层上成型缓冲层，包括：在所述第二温度下采用化学气相沉积法在所述衬底层上生长硒化锌层，以成型缓冲层，使所述缓冲层的厚度小于或等于60nm；所述在所述缓冲层上成型磁自由层，包括：将硫化锌和含铬、锰元素的化合物作为原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述缓冲层上成型Mn1-xCrxS层，以形成磁自由层，所述x的取值为0~1，所述磁自由层的厚度小于或等于50nm；所述在所述磁自由层上成型隧穿绝缘层和铁磁层，包括：在所述第二温度下在所述磁自由层上生长硒化锌层，以成型隧穿绝缘层，使所述隧穿绝缘层的厚度为1~5nm；将硫化锌和含铬、锰元素的化合物作为原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述隧穿绝缘层上成型Mn1-xCrxS层，以形成铁磁层，所述x的取值为0~1，所述铁磁层的厚度小于或等于50nm；所述在所述铁磁层上成型钉扎层，包括：采用磁控溅射方式在所述铁磁层上生长钉扎层，使所述钉扎层的材质包括反铁磁材料、拓扑绝缘体、或者外尔半导体中的至少一者。在一种可能的实施方式中，所述将硫化锌和含铬、锰元素的化合物作为原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述隧穿绝缘层上成型Mn1-xCrxS层，以形成铁磁层，包括：将二氧化铬、硫化锰、硫化锌以质量百分比为3:1:3的配比形成原材料，控制温度为780℃到840℃之间，以在所述隧穿绝缘层上成型Mn1-xCrxS层，以形成铁磁层。在一种可能的实施方式中，在采用化学气相沉积法在所述衬底层上成型缓冲层之后，还包括：对缓冲层进行表面光滑处理。第三方面，本申请提供了一种存储芯片，包括所述的磁随机存储器。第四方面，本申请提供了一种电子设备，包括所述的存储芯片。本申请实施例通过在衬底层上形成缓冲层，并在缓冲层上形成磁自由层，相较于直接在衬底层上生成磁自由层，本实施例中磁自由层的生长工艺能够与现有工艺兼容，磁自由层的结晶的速度更加容易控制，以利于生长出期待的外延结晶，解决了铁磁材料难以生长的问题，同时，磁自由层包括具有为闪锌矿型结构的CrS系列化合物，闪锌矿型结构的CrS系列化合物能够提供较多的自旋极化载流子，由于磁自由层能够提供较多的自旋极化载流子，所以不需要大电流驱动磁自由层磁化方向翻转，以减小能耗和增加使用寿命。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本申请实施例提供的一种磁随机存储器的结构示意图；图2是图1提供的磁隧道结单元的膜层结构示意图；图3是图2提供的磁随机存储器中磁隧道结单元集成阵列的结构示意图；图4是图3提供的磁随机存储器的局部结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁随机存储器，其特征在于，包括多个呈阵列排布的磁隧道结单元，所述磁隧道结单元包括衬底层及设于所述衬底层上的缓冲层、磁自由层、隧穿绝缘层、铁磁层及钉扎层，所述缓冲层设于所述衬底层与所述磁自由层之间，以提高所述磁自由层的外延结晶质量；所述磁自由层包括第一化合物，所述第一化合物包括Cr元素和S元素，所述第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构；所述隧穿绝缘层设于所述磁自由层与所述铁磁层之间，以形成异质结结构；所述钉扎层设于所述铁磁层上，用于固定所述铁磁层的磁化方向。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁随机存储器，其特征在于，包括多个呈阵列排布的磁隧道结单元，所述磁隧道结单元包括衬底层及设于所述衬底层上的缓冲层、磁自由层、隧穿绝缘层、铁磁层及钉扎层，所述缓冲层设于所述衬底层与所述磁自由层之间，以提高所述磁自由层的外延结晶质量；所述磁自由层包括第一化合物，所述第一化合物包括Cr元素和S元素，所述第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构；所述隧穿绝缘层设于所述磁自由层与所述铁磁层之间，以形成异质结结构；所述钉扎层设于所述铁磁层上，用于固定所述铁磁层的磁化方向。


2.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述缓冲层包括硒化锌层、硫化锌层中的至少一者，所述缓冲层的厚度小于或等于60nm。


3.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述第一化合物包括Mn1-xCrxS，所述x的取值为0~1，所述磁自由层的厚度小于或等于50nm。


4.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述铁磁层包括第二化合物，所述第二化合物包括Cr元素和S元素，所述第二化合物的晶体结构为闪锌矿型结构。


5.根据权利要求4所述的磁随机存储器，其特征在于，所述第二化合物包括Mn1-xCrxS，所述x的取值为0~1，所述铁磁层的厚度小于或等于50nm。


6.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述隧穿绝缘层包括硒化锌层，所述硒化锌层的厚度为1~5nm。


7.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述衬底层包括砷化镓层。


8.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述钉扎层包括反铁磁材料层、拓扑绝缘体层或者外尔半导体层中的至少一者。


9.一种磁随机存储器的制备方法，其特征在于，包括：
成型衬底层；
采用化学气相沉积法在所述衬底层上成型缓冲层；
在所述缓冲层上成型磁自由层，所述磁自由层包括第一化合物，所述第一化合物包括Cr元素和S元素，所述第一化合物的晶体结构为闪锌矿型结构；
在所述磁自由层上成型隧穿绝缘层和铁磁层，使所述隧穿绝缘层设于所述磁自由层与所述铁磁层之间，以形成异质结结构；
在所述铁磁层上成型钉扎层，以固定所述铁磁层的磁化方向。

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鑫，
申请(专利权)人：深圳英集芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44