存储单元和存储器的制作方法

本申请涉及存储器，具体而言，涉及一种存储单元和存储器。

背景技术：

1、磁阻随机存取存储器(magnetoresistive random access memory，mram)是一种非易失性存储器技术，利用磁性材料的电阻变化来存储数据。其核心原理是基于磁性隧道结(mtj,magnetic tunnel junction)的电阻随磁性状态变化的特性。其中，磁性隧道结主要由自由层、固定层和隧穿势垒层构成。自由层的磁性材料的磁化方向可被外部磁场或电流改变；固定层的磁性材料的磁化方向固定不变，作为参考层；隧穿势垒层的材料通常为绝缘材料，电子可通过量子隧穿效应穿过。

2、磁阻随机存取存储器根据磁化方向的不同划分为两种结构：面内磁化磁阻随机存取存储器(in-plane mram，i-mram)和垂直磁化磁阻随机存取存储器(perpendicularmram,p-mram)。其中，面内磁化磁阻随机存取存储器中磁性隧道结的自由层和固定层的磁化方向平行于薄膜平面；垂直磁化磁阻随机存取存储器中磁性隧道结的自由层和固定层的磁化方向垂直于薄膜平面。

3、磁性隧道结根据固定层的位置划分为两种结构：底部钉扎和顶部钉扎。其中，固定层相比自由层更靠近衬底的磁性隧道结为底部钉扎磁性隧道结；自由层相比固定层更靠近衬底的磁性隧道结为顶部钉扎磁性隧道结。

4、目前，在传统的顶部钉扎p-mram中，由于顶部钉扎结构的特殊性，顶部钉扎p-mram中磁性隧道结的自由层的矫顽力(hc)与参考层的翻转场无法有效分离，容易导致磁性隧道结出现回跳现象，从而严重制约磁性隧道结步入产品级开发应用。

技术实现思路

1、本申请的主要目的在于提供一种存储单元和存储器，以解决现有技术中磁性隧道结的自由层的矫顽力与参考层的翻转场无法有效分离的问题。

2、为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种存储单元，存储单元包括沿远离衬底的方向层叠设置的自由层、隧穿势垒层和固定层，自由层和固定层的磁化方向垂直于薄膜平面，且固定层的材料包括具有四方晶系结构的三元合金。

3、可选地，固定层为多层薄膜结构，多层薄膜结构包括层叠设置的第一铁磁层、第一间隔层和第二铁磁层，第一铁磁层位于隧穿势垒层和第一间隔层之间，第一铁磁层和/或第二铁磁层的材料包括具有四方晶系结构的三元合金。

4、可选地，多层薄膜结构还包括第一参考层，第一参考层位于隧穿势垒层和第一铁磁层之间。

5、可选地，固定层为多层薄膜结构，多层薄膜结构包括层叠设置的第二参考层、第三铁磁层、第二间隔层和第四铁磁层，第二参考层位于隧穿势垒层和第三铁磁层之间，第二参考层的材料包括具有四方晶系结构的三元合金。

6、可选地，存储单元还包括晶格匹配层，晶格匹配层位于固定层远离隧穿势垒层的一侧。

7、可选地，晶格匹配层的材料选自铬、钼、钨、镁氟化物、氧化镁、氧化锌、氧化钛、镁钛氧化物、镁铝氧化物、镁铁氧化物、氮化锆和氮化锰中的一种或多种。

8、可选地，三元合金为锰基合金。

9、可选地，锰基合金的化学式为mnxy，其中，mn为锰元素，x和y为不同元素，且x和y独立地选自镁、铝、铍、硅、钙、钪、锶、镓、锗、铟、锡和锑中的任一种。

10、可选地，存储单元还包括自旋轨道力矩层，自旋轨道力矩层位于衬底和自由层之间。

11、根据本申请的另一方面，提供了一种存储器，包括上述任一种存储单元。

12、应用本申请的技术方案，一种存储单元包括自由层、隧穿势垒层和固定层，且自由层、隧穿势垒层和固定层沿着远离衬底的方向顺序层叠设置。即，本申请提供的一种存储单元具有顶部钉扎结构。并且，上述存储单元的自由层和固定层的磁化方向垂直于薄膜平面，这也意味着自由层和固定层具有垂直磁化方向。可以理解的是，隧穿势垒层和固定层的界面处可以产生界面垂直磁各向异性(界面pma)，这种界面pma有助于固定顶保持稳定的磁化方向。在此基础上，本申请的固定层的材料包括具有四方晶系结构的三元合金，由于四方晶系结构的晶胞在垂直方向上的晶格常数c与晶胞在水平方向上的晶格常数a不同，即a≠c，因此，具有四方晶系结构的三元合金材料可以破坏固定层的材料在三维空间中的中心对称性，这特别有利于垂直方向上的自旋轨道耦合效应，表现为垂直磁各向异性的增强，可以提供更高的磁各向异性能量(ku)。这也意味着固定层抵抗磁化方向改变的能力更强，可以使得固定层的磁矩在垂直方向上更稳定，需要更大的磁场或电流才能发生翻转，而自由层的矫顽力保持相对较低，从而有效地拉开了固定层的翻转场与自由层的矫顽力的差距。因此，通过本申请解决了现有技术中磁性隧道结的自由层的矫顽力与参考层的翻转场无法有效分离的问题，进而确保了在整个存储单元的生命周期内，固定层的磁化状态保持不变，提高了存储单元的可靠性。此外，三元合金可以形成有序相，能够更好地匹配存储单元中的其他材料(如隧穿势垒层和自由层)，从而可以优化存储单元的整体性能。并且，三元合金的有序相转变温度与cmos的制造工艺的温度范围相吻合，这意味着三元合金可以与存储单元的整个制造流程(如高温退火和刻蚀)兼容，无需额外的低温或高温工艺步骤，从而确保了存储单元的制造工艺兼容性和产品的一致性。

1.一种存储单元，其特征在于，所述存储单元包括沿远离衬底的方向层叠设置的自由层、隧穿势垒层和固定层，所述自由层和所述固定层的磁化方向垂直于薄膜平面，且所述固定层的材料包括具有四方晶系结构的三元合金。

2.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述固定层为多层薄膜结构，所述多层薄膜结构包括层叠设置的第一铁磁层、第一间隔层和第二铁磁层，所述第一铁磁层位于所述隧穿势垒层和所述第一间隔层之间，所述第一铁磁层和/或所述第二铁磁层的材料包括具有四方晶系结构的三元合金。

3.根据权利要求2所述的存储单元，其特征在于，所述多层薄膜结构还包括第一参考层，所述第一参考层位于所述隧穿势垒层和所述第一铁磁层之间。

4.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述固定层为多层薄膜结构，所述多层薄膜结构包括层叠设置的第二参考层、第三铁磁层、第二间隔层和第四铁磁层，所述第二参考层位于所述隧穿势垒层和所述第三铁磁层之间，所述第二参考层的材料包括具有四方晶系结构的三元合金。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的存储单元，其特征在于，所述存储单元还包括晶格匹配层，所述晶格匹配层位于所述固定层远离所述隧穿势垒层的一侧。

6.根据权利要求5所述的存储单元，其特征在于，所述晶格匹配层的材料选自铬、钼、钨、镁氟化物、氧化镁、氧化锌、氧化钛、镁钛氧化物、镁铝氧化物、镁铁氧化物、氮化锆和氮化锰中的一种或多种。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的存储单元，其特征在于，所述三元合金为锰基合金。

8.根据权利要求7所述的存储单元，其特征在于，所述锰基合金的化学式为mnxy，其中，所述mn为锰元素，所述x和所述y为不同元素，且所述x和所述y独立地选自镁、铝、铍、硅、钙、钪、锶、镓、锗、铟、锡和锑中的任一种。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的存储单元，其特征在于，所述存储单元还包括自旋轨道力矩层，所述自旋轨道力矩层位于所述衬底和所述自由层之间。

10.一种存储器，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的存储单元。