[发明专利]磁性存储单元及其制备方法、磁性存储阵列、存储器

说明书

本发明提供一种磁性存储单元及其制备方法、磁性存储阵列、存储器，涉及磁性存储器技术领域。本发明的一种磁性存储单元，包括依次堆叠的底电极、第一自由层、第二自由层、隧穿层和参考层，其中，所述第一自由层通过至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料多靶共溅射形成；第二自由层通过磁性材料溅射形成。本发明的磁性存储单元，共溅射形成第一自由层，能有效降低自由层总饱和磁化强度Ms且不降低器件的隧穿磁阻MR。因翻转电流Ic和Ms正相关，从而有效降低翻转电流，降低功耗。

技术领域

本发明涉及磁性存储器技术领域，具体涉及一种磁性存储单元及其制备方法、磁性存储阵列、存储器。

背景技术

半导体工业背后的驱动力就是对器件的缩放。功能单元被缩放的越小，在有限基板上的排布密度越大。例如，缩小晶体管尺寸并集成在基板上，从而制造出具有更大存储容量的产品。优化每一个器件的性能都将带来巨大的价值。

基于隧穿磁电阻(TMR)的随机磁性存储器(MRAM)，尤其是自旋轨道矩-随机存储器(SOT-MRAM)，由于其自身非易失性，存储密度大，可重复擦写等优势，成为最有潜力的自旋电子学器件之一。然而，SOT-MRAM的翻转电流大、功耗过高一直制约着其微型化的进程。因此，降低MRAM的翻转电流十分必要。

目前降低翻转电流的方法主要有三种：调整自由层厚度；在底电极和自由层之间插入异质结构；场辅助翻转。调整自由层厚度会降低器件TMR；在底电极和自由层之间插入异质结构会引入杂质离子破坏SOTtrack；不论是磁场辅助还是电场辅助翻转都会使器件更复杂，不利于集成。通过上述描述可知，现有的磁性存储单元降低翻转电流后，性能较差，即现有的磁性存储单元不能在不改变性能的条件下降低翻转电流。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种磁性存储单元及其制备方法、磁性存储阵列、存储器，解决了现有的磁性存储单元不能在不改变性能的条件下降低翻转电流的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供一种磁性存储单元，包括依次堆叠的底电极、第一自由层、第二自由层、隧穿层和参考层，其中，所述第一自由层通过至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料多靶共溅射形成；第二自由层通过磁性材料溅射形成。

优选的，所述非磁性材料包括：与底电极相同的非磁性金属或者不易扩散的非磁性金属。

优选的，所述磁性材料包括磁性金属或磁性合金。

优选的，所述磁性存储单元还包括人工反铁磁层、反铁磁层和保护层，其中，反铁磁层位于人工反铁磁层和保护层之间，人工反铁磁层位于参考层之上。

优选的，所述底电极材料为有SOT效应的金属，包括W、Ta和Cr；所述磁性材料包括CoFe、CoFeB、Fe和Co；所述非磁性材料包括W、Ta、Cr、Cu和Mg。

第二方面，本发明提供一种磁性存储阵列，包括多个如上述所述的磁性存储单元。

第三方面，本发明提供一种存储器，包括至少一个如上述所述的磁性存储阵列。

第四方面，本发明提供一种磁性存储单元的制备方法，包括：

通过DC低速溅射，在晶圆表面形成底电极；

通过至少一种磁性材料与至少一种非磁性材料多靶共溅射，在底电极上形成第一自由层；

通过磁性材料溅射，在第一自由层上形成第二自由层；

通过PVD技术依次形成磁性存储单元其他膜层，所述其他膜层包括隧穿层和参考层；

高温退火。