[发明专利]一种高密度磁性存储器件

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种高密度磁性存储器件，属于非易失性存储和逻辑技术领域。

【背景技术】

随着互补金属氧化物半导体(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)工艺尺寸的持续缩小，晶体管的漏电流不断增加，静态功耗逐渐成为传统存储器和逻辑电路总能耗的主要来源。新兴的非易失性存储技术能够使存储数据掉电不丢失，有望解决上述静态功耗问题。其中，基于磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)因其具有高读写速度、良好的工艺兼容性、无限制写入次数等优势而被证明是最具潜力的非易失性存储器。目前，MRAM的主流写入方式是自旋转移矩(Spin Transfer Torque,STT)，然而，STT-MRAM存储位元的两个写入方向之间存在严重的非对称性，一方面源于访问控制晶体管的源极退化(Source degeneration)，另一方面源于自旋转移矩固有的效率非对称性。为满足存储器的性能要求，位元的访问控制晶体管的尺寸必须按照性能较差的写入方向的要求进行设计，从而导致另一个写入方向的写入电流过大，写入功耗和写入电压都过高，引起存储器性能的恶化。

近期，自旋轨道矩(Spin orbit torque,SOT)被提出作为一种新型的MRAM写入方式。为产生自旋轨道矩，可在磁隧道结的铁磁存储层下方增加一层具有强自旋轨道耦合效应的重金属或反铁磁条状薄膜，流经该层薄膜的电流可通过自旋霍尔效应(Spin Hall effect)或拉什巴效应(Rashba effect)产生自旋轨道矩以实现相邻铁磁存储层的磁化翻转，进而完成磁隧道结的数据写入。与自旋转移矩相比，自旋轨道矩能够实现更快的写入速度和更低的写入功耗，而且，写入电流不经过磁隧道结，极大降低了势垒击穿的风险。但是，自旋轨道矩磁隧道结SOT-MTJ是三端口器件，所以SOT-MRAM的存储位元必须配备两个访问控制晶体管，降低了存储密度。此外，在SOT-MRAM中，由晶体管源极退化引起的写入操作非对称性也未能得到解决。

【发明内容】

一、发明目的：

针对上述背景中提到的磁性随机存取存储器写入操作的非对称性，以及由此引发的低存储密度、高写入功耗和高写入电压等问题，本发明提出了一种高密度磁性存储器件。它采用两条单向电流完成数据写入，解决了访问控制晶体管的源极退化问题，减小了存储位元的面积。

二、技术方案：

本发明的技术方案是，一种高密度磁性存储器件，其特征是，该存储器件包括一条重金属条状薄膜(厚度为0～20nm)或反铁磁条状薄膜(厚度为0～20nm)及在其上制造的多个磁隧道结。每个磁隧道结代表一个存储位元。每个磁隧道结从下到上由第一铁磁金属(厚度为0～3nm)，第一氧化物(厚度为0～2nm)，第二铁磁金属(厚度为0～3nm)，第一合成反铁磁层(厚度为0～20nm)和第X顶端电极(厚度为10～200nm)共五层构成，其中X的值为磁隧道结所代表的存储位元编号。重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极；

本发明所述的存储器件是通过采用传统的分子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺制备而成；

本发明所述的存储器件中，磁隧道结的形状为正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值)；

本发明所述的存储器件中，重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜为长方形，其顶面积大于全部磁隧道结的底面积，磁隧道结的底面形状完全内嵌于重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的顶面形状之中；

本发明所述的存储器件制造流程通过传统的半导体生产后端工艺集成；

所述重金属条状薄膜是指铂Pt、钽Ta或钨W中的一种；

所述反铁磁条状薄膜是指化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn中的一种，这些化合物中各个元素的配比含量可以不同；

所述第X顶端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；

所述第一底端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；

所述第二底端电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；

所述第一铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同；