一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的制作方法

1.本发明涉及存储器技术领域，尤指一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器。


背景技术：

2.目前主流的集成电路芯片产品大多采用冯
·
诺伊曼架构，即产品中包含处理器和存储器两个部分，芯片产品工作时，数据需要在处理器和存储器之间来回传输。在集成电路的发展过程中，处理器技术的发展速度快于存储器技术，从而导致存储器的性能与处理器的性能之间存在较大的差距，限制了芯片产品整体性能的提升。这就是所谓的“存储墙”（memory wall）问题。为了解决存储墙问题，更好地改善芯片产品的性能，需要一种高速度，大容量，性能优异的存储器。
3.磁性随机存储器（mram）是近年来发展起来的一种新型非易失存储器。mram中的核心器件是磁性隧道结（mtj）。如图1所示，磁性隧道结10中包含两个磁性材料组成的薄膜电极。其中一个磁性电极的磁化方向保持不变，称为固定层110。另一个磁性电极的磁化方向可以在磁场或电流的作用下发生改变，称为自由层130。固定层和自由层之间由绝缘的隧穿势垒层120分开。磁性隧道结10的电阻取决于固定层110和自由层130的磁化方向的相对排列。当自由层130的磁化方向与固定层110的磁化方向为同向时，磁性隧道结10的电阻值较低，当自由层130的磁化方向与固定层110的磁化方向为反向时，磁性隧道结10的电阻值较高。磁性隧道结10利用其自由层130的磁化方向来存储信息，对应的高低阻态分别代表所存储的信息为“0”或“1”。
4.在最新一代mram技术中，自由层和固定层的磁化方向均为垂直于mtj薄膜的表面。垂直磁化的自由层和固定层具有较强的磁性各向异性能，能够增强mram的非易失性，提高数据写入效率及可靠性。mram的数据保持时间与mtj的磁性自由层的翻转能量势垒（eb）呈指数关系。翻转能量势垒越高，数据保持能力越强。对于尺寸较小的mtj，自由层中的磁性薄膜可以用单磁畴模型描述，其翻转能量势垒e
b = h
k m
s v/2，其中hk是自由层的垂直各向异性磁场，ms是自由层的磁矩，v是自由层的体积。
5.作为一种新型存储技术，mram具有读写速度快，耐擦写次数高，数据保持能力强，易于集成等优点。但在mram产品的实际应用中，环境里存在的干扰磁场，例如环境中的永磁铁或环境中的电流所产生的磁场，可能造成磁性隧道结自由层翻转能量势垒的改变。如图2（a）所示，磁性隧道结10包含磁性固定层110，隧穿势垒层120，以及磁性自由层130。磁性自由层130的磁矩方向指向z轴的正向，而干扰磁场20的方向指向z轴的负向，与自由层130的磁矩方向相反。自由层130在干扰磁场20作用下的翻转能量势垒可利用单磁畴模型进行计算。由计算结果可见，自由层130的翻转能量势垒随着干扰磁场强度的增加迅速下降。图中e
b0
代表干扰磁场为零时自由层130的翻转能量势垒，用于对自由层130的翻转能量势垒进行归一化处理，而自由层的垂直各向异性磁场hk用于对干扰磁场进行归一化处理。类似的，如图2（b）所示，磁性隧道结 10包含磁性固定层110，隧穿势垒层120，以及磁性自由层130。磁
性自由层130的磁矩方向指向z轴的正向，而干扰磁场21的方向指向x轴的正向, 与自由层130的磁矩方向垂直。自由层130在干扰磁场21作用下的翻转能量势垒可利用单磁畴模型进行计算。由计算结果可见，自由层130的翻转能量势垒随着干扰磁场强度的增加迅速下降。在图2（a）和图2（b）中显示的两种情况下，当干扰磁场的强度达到自由层垂直各向异性磁场大小的一半时，自由层翻转能量势垒减少了75%，mram的非易失性受到了严重的削弱。当干扰磁场强度与自由层各向异性磁场大小相等时，翻转能量势垒完全消失，mram的非易失性不再存在。
6.由上可见，在存在干扰磁场的情况下，mram的非易失性会有显著的下降，对mram的应用场景带来较大的限制。解决这个问题的一个方案是在芯片制备或封装的过程中加入磁屏蔽结构，对干扰磁场进行屏蔽。但这一方式会增加芯片的体积，制造的复杂性，以及制造的成本。因此需要一种新的技术，能够更有效地解决mram抗磁场干扰能力不足的问题。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明的主要目的在于提供一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器，其能够提高其在干扰磁场下的数据保持能力，扩大其应用场景。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器，至少包括若干个存储单元，各个存储单元之间通过互连导线结构连接，形成存储单元阵列；所述存储单元包括存取晶体管和垂直磁化的磁性隧道结，磁性隧道结的高低电阻态代表所存储的数据，存取晶体管用于控制对所述磁性隧道结的访问和读写；所述磁性隧道结包括垂直磁化的磁性固定层，垂直磁化的磁性自由层，以及位于所述磁性固定层和磁性自由层之间的隧穿势垒层；所述磁性自由层由垂直磁化的人工反铁磁结构组成，包含垂直磁化的第一磁性自由层，垂直磁化的第二磁性自由层，以及位于第一磁性自由层和第二磁性自由层之间的耦合层；其中，所述第一磁性自由层依次包括第一非晶态磁性自由层，第一体心结构磁性自由层和第一界面磁性自由层；所述第二磁性自由层依次包括第二界面磁性自由层和第二体心结构磁性自由层；所述第一界面磁性自由层和第二界面磁性自由层具有与所述耦合层相似或一致的晶体结构；所述磁性随机存储器的数据写入通过电流驱动的自旋转移扭矩效应，或自旋轨道扭矩效应，或两个效应的结合来实现。
9.上述的磁性隧道结的电阻取决于固定层和第一磁性自由层的磁化方向的相对排列，当第一磁性自由层的磁化方向与固定层的磁化方向为同向时，磁性隧道结的电阻值较低，当第一磁性自由层的磁化方向与固定层的磁化方向为反向时，磁性隧道结的电阻值较高。磁性隧道结利用其自由层的磁化方向来存储信息，对应的高低阻态分别代表所存储的信息为“0”或“1”。
10.从而，上述磁性随机存储器的数据读取通过测量所述磁性隧道结的电阻值来实现。
11.进一步的，构成所述第一界面磁性自由层和第二界面磁性自由层的材料为co或含有co的合金材料，其中co元素在材料中的原子数占比为80%
ꢀ‑ꢀ
100%。
12.更进一步的，构成所述耦合层的材料为非磁性金属材料，包括ru、rh、re、ir、os、cr中的一种或多种；所述耦合层的厚度为0.1-1.8nm；所述第一磁性自由层和第二磁性自由层通过反铁磁层间耦合作用及磁偶极相互作用形成人工反铁磁结构。
13.更进一步的，构成所述耦合层的材料为非磁性金属材料，包括mo、w、nb、ta、ti、v、zr、hf中的一种或多种；所述耦合层的厚度为0.5-1.5nm；所述第一磁性自由层和第二磁性自由层通过磁偶极相互作用形成人工反铁磁结构。
14.更进一步的，构成所述耦合层的材料为非磁性介质材料，包括al2o3、aln、zno2、zro2、hfo2、y2o3、ta2o5、 tio2、mgo、mgal2o4、sio2、srtio3、la2o3、bn、si3n4中的一种或多种，所述耦合层的厚度为0.3-1.5nm；所述第一磁性自由层和第二磁性自由层通过磁偶极相互作用形成人工反铁磁结构。
15.更进一步的，构成所述第一磁性自由层和第二磁性自由层的材料包括co、fe、ni、cofe、coni、nife、cofeb、feb、nib、cob、cosi、coal、fesi、feal、cofesi、cofeal、fept、fepd、cofept、cofepd、mnga、b、hf、zr、mn中的一种或多种材料，或由上述元素或材料组成的合金材料，所述第一磁性自由层和第二磁性自由层的厚度为0.5-2.5nm。
16.更进一步的，构成所述隧穿势垒层的材料包括mgo、al2o3、zno2、zro2、hfo2、ta2o5、 tio2、mgal2o4、bn中的一种或多种，所述隧穿势垒层的厚度为0.5-2nm。
17.更进一步的，构成所述存取晶体管的半导体材料为二维半导体材料，包括mos2、mose2、mote2、ws2、wse2、wte2、sns2、snse2、snte2、sic、石墨烯或黑磷材料中的一种或多种。
18.更进一步的，所述磁性隧道结的固定层包含人工反铁磁结构。
19.更进一步的，该磁性随机存储器还包括读写电路、控制电路、自检电路、纠错电路、接口电路和其他电路，用于实现对存储单元的读写、寻址、控制、自检、纠错，以及数据的输入输出功能；所述互连导线结构包括若干字线、位线及其他导线和通孔，用于连接存储单元中的磁性隧道结和存取晶体管，以及将存储单元与存储器中的其他电路相连接。
20.更进一步的，所述存储单元阵列在垂直于衬底的方向上堆叠设置，以提高磁性随机存储器的密度。
21.本发明的有益效果在于：能够在不增加工艺复杂性和制造成本的前提下，有效加强磁性随机存储器的抗磁场干扰能力，提高其在干扰磁场下的可靠性，扩大其应用场景。
附图说明
22.图1 是现有的垂直式mram技术中磁性隧道结的示意图。
23.图2（a）是干扰磁场对磁性隧道结自由层翻转能量势垒影响第一种情况的示意图。图2（b）是干扰磁场对磁性隧道结自由层翻转能量势垒影响第二种情况的示意图。
24.图3 （a）是本发明中一种具备高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的存储单元示意图。
25.图3 （b）是本发明中一种具备高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的存储单元中磁性自由层示意图。
26.图3 （c）是本发明中一种具备高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的示意图。
27.图4 （a）是干扰磁场对本发明中的磁性隧道结自由层翻转能量势垒影响第一种情况的示意图。
28.图4 （b）是干扰磁场对本发明中的磁性隧道结自由层翻转能量势垒影响第二种情况的示意图。
29.图5 是本发明中一种具备高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的示意图。
30.图6是本发明中一种具备高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的原理结构示意图。
31.其中，图１至图6中包括：10-磁性隧道结；110-磁性固定层；120-隧穿势垒层；130-磁性自由层；131-第一磁性自由层；132-耦合层；133-第二磁性自由层；131a-第一非晶态磁性自由层；131b-第一体心结构磁性自由层；131c-第一界面磁性自由层；133a-第二界面磁性自由层；133b-第二体心结构磁性自由层；20-沿负z轴方向的干扰磁场；21-沿x轴方向的干扰磁场；30-存取晶体管；40
ꢀ–ꢀ
49：存储单元；51
ꢀ–ꢀ
53：字线；61
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63：位线；71
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73：垂直堆叠的存储单元阵列；81
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86：连接垂直堆叠的不同存储单元阵列的层间互连导线结构。
具体实施方式
32.为清晰地阐明本发明的目的、技术方案和优点，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.实施例1：如图3(a)所示，本发明中的一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的存储单元40包含垂直磁化的磁性隧道结10和存取晶体管30。其中磁性隧道结10包含磁性固定层110，隧穿势垒层120，以及磁性自由层130。磁性自由层130进一步包含第一磁性自由层131、耦合层132、以及第二磁性自由层133。耦合层132将第一磁性自由层131和第二磁性自由层133分隔开，成为两个独立的磁性层。磁性固定层110、第一磁性自由层131和第二磁性自由层133均具有垂直磁性各向异性，其磁矩方向指向垂直于薄膜表面的方向。第一磁性自由层131和第二磁性自由层133之间存在磁偶极相互作用，使得两者的磁矩反向排列。此外，第一磁性自由层131和第二磁性自由层133可通过耦合层132发生层间反铁磁相互作用，可进一步增强两者磁矩的反铁磁排列效应。磁性隧道结10的电阻与固定层110和第一磁性自由层131的磁化方向有关。当第一磁性自由层131的磁矩方向与固定层110的磁矩方向为同向时，磁性隧道结10为低阻态。当第一磁性自由层131的磁矩方向与固定层110的磁矩方向为反向时，磁性隧道结10为高阻态。磁性隧道结10的高低阻态分别代表所存储的信息为“0”或“1”。磁性隧道结10与存取晶体管30连接，通过控制存取晶体管30的开关来控制对磁性隧道结10的访问和读写。
34.如图3(b)所示,本实施例中，第一磁性自由层131进一步包含第一非晶态磁性自由层131a，第一体心结构磁性自由层131b，第一界面磁性自由层131c。第二磁性自由层133进一步包含第二界面磁性自由层133a和第二体心结构磁性自由层133b。所述第一非晶态磁性自由层131a能够促进磁性自由层材料的晶相形成，提升材料的品质。第一体心结构磁性自由层131b和第二体心结构磁性自由层133b具有立方体心晶体结构，有助于提高所述磁性隧道结10的隧穿磁阻效应，改善所述磁性随机存储器的数据读取能力。所述第一界面磁性自
由层131c和第二界面磁性自由层133a与耦合层132的晶体结构相似或一致（例如，晶体结构均为面心立方结构，且晶格常数的不匹配度《10%），有助于提高第一磁性自由层131和第二磁性自由层133之间的耦合强度。
35.如图3(c)所示，所述磁性随机存储器包含若干存储单元41-49 ，所述存储单元排列成若干行和若干列，通过字线51-53和位线61-63相互连接。其中字线控制所述存储单元41-49中存取晶体管的开关，而位线则与所述存储单元41-49中的磁性隧道结相连。通过选择特定的字线和位线可以对位于字线和位线交叉位置的存储单元进行访问和读写。
36.由于所述磁性隧道结的自由层中的第一磁性自由层和第二磁性自由层形成人工反铁磁结构，两者的磁矩相互抵消，自由层对干扰磁场的敏感性降低，提高了磁性隧道结的抗磁场干扰能力。不失普遍性，假设磁性自由层中第一磁性自由层和第二磁性自由层的垂直各向异性磁场相同，均为hk，mtj的尺寸为60nm的圆形，第一磁性自由层和第二磁性自由层的磁矩均为1000emu/cm3,厚度分别为1.6nm和1.5nm，第一磁性自由层和第二磁性自由层的层间反铁磁耦合能量密度为-0.75erg/cm2。进一步假设第一磁性自由层的磁矩方向指向z轴的正向，第二磁性自由层的磁矩方向指向z轴的负向，而干扰磁场的方向指向z轴的负向，与第一磁性自由层的磁矩方向相反。自由层在干扰磁场下的翻转能量势垒可利用单磁畴模型进行计算，计算结果如图4(a)所示。当干扰磁场的强度达到hk的一半时，自由层翻转能量势垒仅减少了2.5%。当干扰磁场的强度与hk相等时，自由层翻转能量势垒仅减少了8%。当干扰磁场的强度达到hk的两倍时，自由层翻转能量势垒减少了29%，磁性隧道结仍然具有一定的数据保持能力。
37.类似的，不失普遍性，假设磁性自由层中第一磁性自由层和第二磁性自由层的垂直各向异性磁场相同，均为hk，其余参数与图4(a)中的参数相同。进一步假设第一磁性自由层的磁矩方向指向z轴的正向，第二磁性自由层的磁矩方向指向z轴的负向，而干扰磁场的方向指向x轴的正向，与第一磁性自由层和第二磁性自由层的磁矩方向垂直。自由层在干扰磁场下的翻转能量势垒可利用单磁畴模型进行计算，计算结果如图4(b)所示。当干扰磁场的强度达到hk的一半时，自由层的翻转能量势垒基本不变。当干扰磁场的强度与hk相等时，由于自由层在垂直干扰磁场作用下的最小能量翻转路径发生改变，自由层翻转能量势垒不但没有减少，反而增加了2.5%。当磁场强度达到hk的两倍时，自由层翻转能量势垒减少了17%，磁性隧道结仍然具有一定的数据保持能力。由图4（a）、图4（b）和图2（a）、图2（b）的对比可以看出，本发明通过使用包含人工反铁磁结构的垂直磁化的自由层，可极大地提高mram的抗磁干扰能力。
38.实施例2：本发明中的一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的实施方法之一，本实施例的主要技术方案与实施例1相似，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例的主要特征在于：所述磁性隧道结自由层中包含垂直磁化的第一磁性自由层、垂直磁化的第二磁性自由层、以及耦合层。构成耦合层的材料为非磁性金属材料，包含但不限于ru，rh，re，ir，os，cr中的一种或多种。所述耦合层的厚度为0.1-1.8nm。所述第一磁性自由层和第二磁性自由层通过耦合层形成人工反铁磁层间耦合。同时，所述第一磁性自由层和第二磁性自由层通过磁偶极相互作用形成反铁磁耦合。这两种反铁磁耦合效应共同作用，使得所述第一
磁性自由层和第二磁性自由层的磁矩方向反向排列。
39.实施例3：本发明中的一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的实施方法之一，本实施例的主要技术方案与实施例1相似，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例的主要特征在于：所述磁性隧道结自由层中包含垂直磁化的第一磁性自由层、垂直磁化的第二磁性自由层、以及耦合层。构成耦合层的材料为非磁性金属材料，包含但不限于mo，w，nb，ta，ti，v，zr，hf中的一种或多种。所述耦合层的厚度为0.5-1.5nm。所述第一磁性自由层和第二磁性自由层通过磁偶极相互作用形成反铁磁耦合，使得所述第一磁性自由层和第二磁性自由层的磁矩方向反向排列。
40.实施例4：本发明中的一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的实施方法之一，本实施例的主要技术方案与实施例1相似，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例的主要特征在于：所述磁性隧道结自由层中包含垂直磁化的第一磁性自由层、垂直磁化的第二磁性自由层、以及耦合层。构成耦合层的材料为非磁性介质材料，包含但不限于al2o3，aln，zno2，zro2，hfo2，y2o3，ta2o5, tio2，mgo，mgal2o4，sio2，srtio3，la2o3，bn，si3n4中的一种或多种。所述耦合层的厚度为0.3-1.5nm。所述第一磁性自由层和第二磁性自由层通过磁偶极相互作用形成反铁磁耦合，使得所述第一磁性自由层和第二磁性自由层的磁矩方向反向排列。
41.实施例5：本发明中的一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的实施方法之一，本实施例的主要技术方案与实施例1相似，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例的主要特征在于：所述磁性隧道结自由层中包含垂直磁化的第一磁性自由层、垂直磁化的第二磁性自由层、以及耦合层。构成所述第一磁性自由层和第二磁性自由层的材料包含但不限于co，fe，ni，cofe，coni，nife，cofeb，feb，nib，cob，cosi，coal，fesi，feal，cofesi，cofeal，fept，fepd，cofept，cofepd，mnga，b，hf，zr，mn中的一种或多种材料，或由上述元素或材料组成的合金材料，所述第一磁性自由层和第二磁性自由层的厚度为0.5-2.5nm。
42.实施例6：本发明中的一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的实施方法之一，本实施例的主要技术方案与实施例1相似，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例的主要特征在于：构成所述垂直磁化的磁性隧道结的隧穿势垒层的材料包含但不限于mgo，al2o3，zno2，zro2，hfo2，ta2o5, tio2，mgal2o4，bn中的一种或多种，所述隧穿势垒层的厚度为0.5-2nm。
43.实施例7：本发明中的一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的实施方法之一，本实施例的主要技术方案与实施例1相似，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例的主要特征在于：
所述垂直磁化的磁性隧道结的固定层中包含有人工反铁磁结构，有助于提高所述固定层的稳定性和可靠性。
44.实施例8：本发明中的一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的实施方法之一，本实施例的主要技术方案与实施例1相似，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例的主要特征在于：构成所述存取晶体管的半导体材料为二维半导体材料，包含但不限于mos2，mose2，mote2，ws2，wse2，wte2，sns2，snse2，snte2，sic，石墨烯，黑磷等材料中的一种或多种。
45.实施例9：本发明中的一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的实施方法之一，本实施例的主要技术方案与实施例8相似，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例8中的解释，在此不再进行赘述。本实施例的主要特征在于：如图5所示，所述磁性随机存储器的存储单元阵列71、72、73可在垂直于衬底的方向上进行堆叠，并通过层间互连导线结构81-86相互连接，通过这一方式提高磁性随机存储器的密度。
46.实施例9：本发明中的一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器的实施方法之一，本实施例的主要技术方案与实施例1相似，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例的主要特征在于：如图6所示，所述磁性随机存储器包含读写电路、控制电路、自检电路、纠错电路、接口电路，以实现对存储单元阵列的读写、寻址、控制、自检、纠错，以及数据的输入输出功能。
47.在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
48.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
49.本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
50.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。