一種低功耗磁性多阻態存儲單元的制作方法

本發明涉及一種低功耗磁性多阻態存儲單元，屬于非易失性存儲和邏輯技術領域。

背景技術：

新興的非易失性存儲技術能夠使存儲數據掉電不丟失，因而有望解決傳統的基于互補金屬氧化物半導體(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)工藝的存儲器和邏輯電路所面臨的日益嚴峻的靜態功耗問題。其中，基于磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性隨機存儲器(Magnetic random access memory,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等優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的靜態隨機存儲器(Static random access memory,SRAM)和動態隨機存儲器(Dynamic random access memory,DRAM)，還可以應用于非易失性邏輯電路的設計。目前，磁性隧道結普遍采用自旋轉移矩(Spin Transfer Torque，STT)實現寫入操作，自旋轉移矩由流經磁性隧道結的電流產生，被寫入的數據狀態取決于電流的方向。但是，自旋轉移矩需要較長的初始延遲(Incubation delay)，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勢壘擊穿的概率。近期，自旋軌道矩(Spin orbit torque,SOT)被提出以解決自旋轉移矩固有的寫入速度瓶頸和勢壘擊穿問題。

為產生自旋軌道矩，可在磁性隧道結的鐵磁存儲層下方增加一層重金屬條狀薄膜，流經該層薄膜的電流可通過自旋霍爾效應(Spin Hall effect,SHE)或拉什巴效應(Rashba effect)產生自旋軌道矩以實現相鄰鐵磁存儲層的磁化翻轉，進而完成磁性隧道結的數據寫入。如果磁性隧道結具有垂直磁各向異性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)，則磁化翻轉的延遲可降至幾百皮秒，寫入速度大幅提高，但是需要沿電流方向額外施加一個磁場。實驗證實，該磁場可由反鐵磁交換偏置場(Exchange bias)提供，為此，需要將重金屬薄膜替換為具有強自旋軌道耦合作用的反鐵磁材料，而且，利用反鐵磁材料提供自旋軌道矩，還可以使磁性隧道結在寫入過程中呈現多阻態特征，有望被應用于類腦計算領域。

但是，無論采用自旋轉移矩或者自旋軌道矩完成磁性隧道結的數據寫入，均需要產生雙向電流，寫入電路的設計和控制較為復雜，芯片的面積較大，制造工藝和成本較高。

技術實現要素：

一、發明目的：

針對上述背景中提到的磁性隧道結寫入技術所面臨的電路設計難度、控制復雜度、芯片面積、制造工藝和成本等問題，本發明提出了一種低功耗磁性多阻態存儲單元。它的存儲阻態可以連續調節，并采用單向電流寫入數據，簡化了磁性存儲單元寫入電路的設計和控制，提高了電路集成度并降低工藝制造成本。

二、技術方案：

本發明的技術方案是，一種低功耗磁性多阻態存儲單元，其特征是，該存儲單元從下到上由反鐵磁條狀薄膜(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)共六層構成。反鐵磁條狀薄膜的兩端分別鍍有第二電極和第三電極。其中，位于反鐵磁條狀薄膜上方的五層物質構成磁性隧道結；

本發明所述的存儲單元是通過采用傳統的分子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將各層物質按照從下到上的順序鍍在襯底上，然后進行光刻、刻蝕等傳統納米器件加工工藝制備而成；

本發明所述的存儲單元中，磁性隧道結的形狀為正方形、長方形(長寬比可以是任意值)、圓形或橢圓形(長寬比可以是任意值)；

本發明所述的存儲單元中，反鐵磁條狀薄膜為長方形，其頂面積大于磁性隧道結的底面積，磁性隧道結的底面形狀完全內嵌于反鐵磁條狀薄膜的頂面形狀之中；

本發明所述的存儲單元制造流程通過傳統的半導體生產后端工藝集成；

所述反鐵磁條狀薄膜是指銥錳IrMn或鉑錳PtMn；

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中的一種，用于產生隧穿磁阻效應；

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：是指由鉭Ta/鈷鉑多層膜[Co/Pt]_n/釕Ru/鈷鉑多層膜[Co/Pt]_m構成的混合層，或者由鉭Ta/鈷鈀多層膜[Co/Pd]_n/釕Ru/鈷鈀多層膜[Co/Pd]_m構成的混合層；即Ta/[Co/Pt]_n/Ru/[Co/Pt]_m或Ta/[Co/Pd]_n/Ru/[Co/Pd]_m，其中層數m和n的值可以不同；

本發明所述的存儲單元的數據狀態通過磁性隧道結的電阻值來體現；

本發明所述的存儲單元的數據寫入過程包括兩種情形：第一種情形是磁性隧道結的電阻由低變高，第二種情形是磁性隧道結的電阻由高變低。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現，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現。

三、優點及功效:

本發明提出了一種低功耗磁性多阻態存儲單元，相比于傳統的基于雙向寫入電流的磁性存儲單元，有以下優勢：

本發明可實現多阻態存儲，其應用不再僅限于單比特存儲和邏輯運算領域，可推廣至類腦計算等領域；

本發明采用單向電流寫入數據，簡化了存儲器和邏輯電路設計，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雜度和制造成本；

本發明采用不同的支路寫入數據，便于對不同數據的寫入操作進行獨立的優化和設計。

【附圖說明】

圖1-1為一種低功耗磁性多阻態存儲單元結構示意圖。

圖1-2為一種低功耗磁性多阻態存儲單元結構實施例示意圖(以圓形磁性隧道結為例)。

圖2為一種低功耗磁性多阻態存儲單元的數據寫入方式示意圖。

圖3-1為一種低功耗磁性多阻態存儲單元的寫入操作第一實施例示意圖。

圖3-2為一種低功耗磁性多阻態存儲單元的存儲模式第一實施例示意圖。

圖4-1為一種低功耗磁性多阻態存儲單元的寫入操作第二實施例示意圖。

圖4-2為一種低功耗磁性多阻態存儲單元的存儲模式第二實施例示意圖。

圖1-1、1-2、2、3-1、3-2、4-1、4-2中的參數定義為：

1 反鐵磁條狀薄膜

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 在第二電極和第一電極之間的寫入支路

W2 在第三電極和第一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(第一實施例)

I₂ 從第二電極到第三電極的寫入電流(第一實施例)

R 磁性隧道結的電阻(第一實施例)

t 時間

R_H 磁性隧道結的最大電阻值

R_L 磁性隧道結的最小電阻值

I_{H_L} 磁性隧道結從高阻態向低阻態轉變時需要的寫入電流(第一實施例)

D_{H_L} 磁性隧道結從高阻態向低阻態轉變時的寫入延遲(第一實施例)

D_{L_H} 磁性隧道結從低阻態向高阻態轉變時的寫入延遲(第一實施例)

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(第二實施例)

I₄ 從第二電極到第三電極的寫入電流(第二實施例)

I_C 第一磁性隧道結從高阻態向低阻態轉變，且第二磁性隧道結從低阻態向高阻態轉變時所需的寫入電流(第二實施例)

M1 第一磁性隧道結

M2 第二磁性隧道結

R_M1 第一磁性隧道結的電阻

R_M2 第二磁性隧道結的電阻

D_{L_H_M1} 當寫入電流從第二電極流向第三電極時，第一磁性隧道結從低阻態向高阻態轉變時的寫入延遲(第二實施例)

D_{H_L_M1} 當寫入電流從第四電極流向第一電極時，第一磁性隧道結從高阻態向低阻態轉變時的寫 入延遲(第二實施例)

D_{H_L_M2} 當寫入電流從第二電極流向第三電極時，第二磁性隧道結從高阻態向低阻態轉變時的寫入延遲(第二實施例)

D_{L_H_M2} 當寫入電流從第四電極流向第一電極時，第二磁性隧道結從低阻態向高阻態轉變時的寫入延遲(第二實施例)

【具體實施方式】

參照附圖，進一步說明本發明的實質性特點。附圖均為示意圖，其中涉及的各功能層或區域的厚度非實際尺寸，工作模式中的電阻和電流值也非實際值。

在此公開了詳細的示例性的實施例，其特定的結構細節和功能細節僅是表示描述示例實施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實施本發明，且本發明不應該被理解為僅僅局限于在此提出的示例實施例，而是應該覆蓋落入本發明范圍內的所有變化、等價物和可替換物。

本發明提出了一種低功耗磁性多阻態存儲單元，既可以用于構建磁性隨機存儲器，也可以用于設計磁性邏輯電路。

圖1-1為本發明一種低功耗磁性多阻態存儲單元結構示意圖。

本發明一種低功耗磁性多阻態存儲單元從下到上由六層物質構成，包括配備雙端電極的反鐵磁條狀薄膜1，第一鐵磁金屬4，第一氧化物5，第二鐵磁金屬6，第一合成反鐵磁層7及第一電極8；通過采用傳統的離子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將存儲單元的各層物質按照從下到上的順序鍍在襯底上，然后進行光刻、刻蝕等傳統納米器件加工工藝來制備該存儲單元；其結構特點是由磁性隧道結和反鐵磁條狀薄膜堆疊而成；反鐵磁條狀薄膜1的兩端分別鍍有第二電極2和第三電極3。其中，位于反鐵磁條狀薄膜上方的五層物質構成磁性隧道結。

圖1-2為一種低功耗磁性多阻態存儲單元結構實施例示意圖；

在該例中，磁性隧道結被制成圓形，磁性隧道結形狀還可以制成正方形、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)，反鐵磁條狀薄膜制成長方形，其頂面積大于磁性隧道結的底面積，磁性隧道結的底面形狀完全內嵌于反鐵磁條狀薄膜的頂面形狀；

圖2為本發明一種低功耗磁性多阻態存儲單元數據寫入方式示意圖；

寫入操作有兩種情形：第一種是磁性隧道結的電阻由低變高，第二種是磁性隧道結的電阻由高變低。這兩種情形分別通過在兩條不同支路通入電流來實現，其中一條支路是W1或W2，另一條支路是W3。每一條支路的電流方向有兩種選擇，完整的寫入方式應該保證兩條支路能夠分別實現寫入操作的兩種情形，為此需要為每一條支路選擇固定不變的寫入電流方向，即，兩條支路的寫入電流均是單向的；

圖3-1、3-2為本發明一種低功耗磁性多阻態存儲單元的第一實施例示意圖，具體如下：

在該例中，如果第二電極和第三電極之間施加足夠大的正向寫入電流時，磁性隧道結的電阻逐漸向高阻態轉變，在這種情形下，如果寫入電流被撤除，磁性隧道結的電阻將穩定在最高值、最低值或二者之間，具體的阻值與寫入電流的大小和持續時間有關；

如果第二電極和第一電極之間施加足夠的正向寫入電流時，磁性隧道結的電阻向低阻態轉變，如果電流持續時間足夠長，磁性隧道結的電阻將達到并穩定在最低值，此時即使減小寫入電流，磁性隧道結的電阻值也不會改變。

圖4-1、4-2為本發明一種低功耗磁性多阻態存儲單元的第二實施例示意圖，具體如下：

在該例中，第一磁性隧道結M1和第二磁性隧道結M2的結構關于反鐵磁條狀薄膜1完全對稱，二者基于相同的工藝制備，具有完全相同的參數。即該存儲單元關于反鐵磁條狀薄膜1對稱，一側從下到上依次為：第一鐵磁金屬4，第一氧化物5，第二鐵磁金屬6，第一合成反鐵磁層7及第一電極8；另一側從上到下依次為：第三鐵磁金屬S4，第二氧化物S5，第四鐵磁金屬S6，第二合成反鐵磁層S7及第四電極S8。

如果第二電極和第三電極之間施加足夠大的正向寫入電流時，第一磁性隧道結和第二磁性隧道結的電阻分別逐漸向高阻態和低阻態轉變，在這種情形下，如果寫入電流被撤除，第一磁性隧道結和第二磁性隧道結的電阻將穩定在最高值、最低值或二者之間，具體的阻值與寫入電流的大小和持續時間有關；

如果第四電極和第一電極之間施加足夠的正向寫入電流時，第一磁性隧道結和第二磁性隧道結的電阻分別向低阻態和高阻態轉變，如果電流持續時間足夠長，第一磁性隧道結和第二磁性隧道結的電阻將分別達到并穩定在最低值和最高值，此時即使減小寫入電流，第一磁性隧道結和第二磁性隧道結的電阻值也不會改變。