一種應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器及其制備、使用方法
【專利說明】一種應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器及其制備、
使用方法
技術領域
[0001]本發明涉及半導體存儲制備領域，尤其涉及一種應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器及其制備、使用方法。
【背景技術】
[0002]電阻式隨機存儲器（RRAM)、相變隨機存儲器（PRAM)和STT-MRAM等后端制程存儲器是基于存儲單元的電阻狀態改變來存儲的，具有速度快和非易失等優點，基本存儲單元包括頂電極、阻變介質和底電極三部分。用于STT-MRAM的磁性隧道結（MTJ)阻變介質單元包括自由層、釘扎層和夾在中間的勢皇層。當自由層的磁化方向與釘扎層磁化方向處于平行/反平行時，MTJ的電阻態處于低/高狀態，分別對應于存儲的0和1。
[0003]為了降低整個器件的功耗和防止勢皇層被擊穿，STT-MRAM在擦/寫工作過程中的電流不能太大。而現有工藝（圖1)的STT-MRAM工作電流比較大，為了解決這一問題人們提出了用電場和熱等輔助工具降低自由層的各向異性從而減少其工作電流。另有研究表明，應力可以降低磁性層的各向異性，因此可以通過應力工程來降低STT-MRAM的工作電流。
【發明內容】
[0004]本發明為克服上述的不足之處，目的在于提供一種應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器，在自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器的自由層與電極之間插入一層反鐵介電層，解決了目前STT-MRAM工作電流比較大的問題。
[0005]本發明第二目的在于提供一種應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器的制備方法，該制備方法簡單，便于廣泛使用。
[0006]本發明第三目的在于提供一種應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器的使用方法，在存儲器的工作過程中，反鐵介電層由反鐵電態轉變為鐵電態，給自由層施加應力降低其垂直各向異性，從而減少了存儲器寫/擦所需要的電流。
[0007]本發明是通過以下技術方案達到上述目的：一種應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器，包括多層存儲單元，存儲單元層層相連，每層存儲單元包括頂電極、介電層、自由層、勢皇層、參比層、底電極；底電極、參比層、勢皇層、自由層、介電層、頂電極自下而上依次堆棧相連。
[0008]作為優選，所述存儲單元結構的堆棧次序可翻轉，還可為底電極、介電層、自由層、勢皇層、參比層、頂電極自下而上依次堆棧相連。
[0009]作為優選，所述參比層的磁化方向固定；所述自由層的磁化方向可變。
[0010]作為優選，所述介電層采用反鐵電材料，為鋯酸鉛、鋯鈦酸鉛、摻雜的鋯鈦酸鉛和鉿酸鉛中的任意一種。
[〇〇11]作為優選，所述鋯鈦酸鉛中的鋯原子含量不低于95%。
[0012]作為優選，所述參比層和自由層為鈷、鐵、鎳、鈷鐵鎳合金、鈷鐵硼合金、有垂直磁各向異性多層性膜中的任意一種。
[0013]作為優選，所述自由層與介電層之間插入一層MgO，用于增強自由層的垂直磁各向異性。
[0014]作為優選，所述參比層的磁化方向可通過增加反鐵磁耦合層與固定層進行耦合固定。
[0015]—種制備如上所述的應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器的方法，步驟如下:
[0016]1)將底電極沉積在經前端工藝處理的硅片上；
[0017]2)待底電極沉積完成后將參比層沉積在底電極上方；
[0018]3)待參比層沉積完成后將勢皇層沉積在參比層上方；
[0019]4)待勢皇層沉積完成后將自由層沉積在勢皇層上方；
[0020]5)待自由層沉積完成后將介電層沉積在自由層上方；
[0021]6)待介電層沉積完成后將頂電極沉積在介電層上方，得到存儲單元；
[0022]7)將存儲單元層層堆棧在一起得到應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器。
[0023]—種使用如上所述的應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器的方法，其特征在于，步驟如下:
[0024](1)在頂電極與底電極之間施加電壓，介電層在電場作用下發生從反鐵電態到鐵電態的轉變；
[0025](2)介電層從反鐵電態到鐵電態的轉變使得介電層體積膨脹產生應力并作用在自由層;
[0026](3)自由層受到應力后，自由層垂直磁各向異性降低，從而減小了存儲器的工作電流。
[0027]本發明的有益效果在于:⑴解決了目前STT-MRAM工作電流比較大的問題；(2)由于反鐵電層的應力作用降低了自由層的垂直磁各向異性，減少了 STT-MRAM的工作電流，對低功耗STT-MRAM制備生產有著重要意義，有很大的應用前景。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明的使用方法示意圖；
[0029]圖2是本發明的結構示意圖1 ;
[0030]圖3是本發明的結構示意圖2 ；
[0031]圖4是本發明實施例的結構示意圖3 ；
[0032]圖5是本發明實施例的結構示意圖4
[0033]圖6是本發明實施例的結構示意圖5 ；
[0034]圖7是本發明實施例的結構示意圖6 ；
[0035]圖8是本發明實施例的結構示意圖7 ；
[0036]圖9是本發明實施例的結構示意圖8。
【具體實施方式】
[0037]下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述，但本發明的保護范圍并不僅限于此:
[0038]實施例1:如圖1、圖2所示，一種應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器，包括多層存儲單元，其中有固定磁化方向的參比層2為垂直于膜面，有可翻轉垂直磁化方向的自由層4，在參比層2和自由層4之間有勢皇層3，自由層4另外一側與之相連的介電層5，介電層5的另外一側與之相接的頂電極6，參比層2另外一側與之相連的底電極1，在上下電極之間施加電場讓自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器實現功能。
[0039]如圖3所示，自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器的單個層的順序可以翻轉過來，其性質未發生改變。在通電場條件下，介電層5同樣可以產生應力降低自由層4的垂直磁各向異性，減少自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器翻轉所需要的驅動電流。
[0040]所述自由層4與介電層5之間可插入一層MgO，用于改善自由層4的垂直磁各向異性，如圖4、圖5所示。
[0041]如圖6、圖7所示，所述參比層2的磁化方向可通過反鐵磁親合層8與固定層9親合固定。
[0042]自由層4與介電層5之間可插入一層MgO7，同時參比層2的磁化方向可通過反鐵磁親合層8與固定層9親合固定后的存儲單元結構如圖8、圖9所示。
[0043]所述的自由層4為鈷，鐵和鎳，也可以是非磁性元素摻雜的合金，也可以是鈷，鐵和鎳的合金。
[0044]所述的參比層2為鈷，鐵和鎳，也可以是非磁性元素摻雜的合金，也可以是鈷，鐵和鎳的合金。
[0045]所述的的固定層9為鈷，鐵和鎳，也可以是非磁性元素摻雜的合金，也可以是鈷，鐵和鎳的合金。
[0046]所述的勢皇層3為合適的絕緣層，包括氧化鎂，氧化鉿，氧化鋁等。
[0047]所述的的反鐵磁耦合層8為合適的金屬，包括鎂，鉭，鈦，錳，金和銀等。
[0048]所述的的介電層5選用反鐵電材料，反鐵電層選用鋯酸鉛、鋯鈦酸鉛(鋯原子含量超過不低于95% )、摻雜的鋯鈦酸鉛和鉿酸鉛或者其它替代物。
[0049]實施例1所述的應力輔助自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器的制備方法為底電極1、固定層9、反鐵磁親合層8、參比層2、勢皇層3、自由層4、MgO 7、介電層5和頂電極