[發明專利]一種STT-MRAM存儲單元

有效

• 申請號: 201611201099.7
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106783862B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 王真;何岳巍;胡少杰;閔泰
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L27/22
• 分類號: H01L27/22
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

本發明公開一種STT?MRAM存儲單元，包括晶體管和MTJ單元；晶體管建立在基底上，晶體管的漏極與MTJ單元通過金屬線達到漏接觸；MTJ單元包括內電極和包裹在內電極外周的種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢壘層、鐵磁性自由層和外電極；金屬線與內電極連接；種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢壘層、鐵磁性自由層和外電極均與基底所在平面不平行；種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢壘層、鐵磁性自由層和外電極與金屬線間隔設置。本發明中MTJ單元的設置形式將熱穩定系數Δ隨原本的平面結構尺寸的平方變化關系減弱為線性變化，可以用高度補償，有利于MTJ小型化。本發明可有效的利用空間，保證良好的熱穩定性，提高存儲密度，提供多種存儲模式，對20nm技術節點以下的存儲器具有應用前景。

技術領域

本發明涉及STT-MRAM(Spin Transfer Torque-Magnetic Random AccessMemory，自旋轉移矩-磁隨機存儲器)存儲器件技術領域，尤其涉及一種磁隧道結(MagneticTunnel Junction，MTJ)結構和STT-MRAM器件的制備方法。

背景技術

磁隨機存儲器(MRAM)是一種可取代傳統存儲器的先進存儲技術。具有良好的非揮發性，即斷電后數據不丟失，良好的熱穩定性，存儲信息可保存超過十年，以及良好的讀寫穩定性，讀寫次數可達10¹⁶次。早期的MRAM是利用電流產生外磁場來改變自由層的磁性狀態，由于所需寫入電流大，能耗高而限制了小型化。而通過自旋電流來控制磁性狀態的自旋轉移矩磁隨機存儲器(STT-MRAM)，可有效避免這種狀況，對存儲器件的小型化具有重要意義。

STT-MRAM存儲器件的讀寫功能由其存儲單元和自旋極化電流來控制，典型的STT-MRAM存儲器件由MTJ存儲單元和選擇性晶體管組成。而MTJ存儲單元又包括鐵磁性釘扎層，絕緣隧穿層，鐵磁性自由層。隨著半導體技術的進步，當前已有MTJ的結構是平面結構，即MTJ各層平面平行于圓晶襯底表面，電流沿垂直膜面方向流動。隨著納米技術節點不斷的按比例縮小，MTJ單元各部分的尺寸在不斷減小，其熱穩定性受到巨大挑戰。MTJ的熱穩定性可由公式Δ＝KAt/kT表征。其中，Δ表示熱穩定性因子，K表示各向異性常數，A表示磁自由層的面積，t表示自由層的厚度，k為玻爾茲曼常量，T為溫度[A.V.Khvalkovskiy.J.Phys.D:Appl.Phys.2013]。一般要求存儲單元對信息的存儲具有10年以上的熱穩定性，即要求熱穩定性因子Δ必須保持在60-70左右。隨著器件尺寸的減小，即MTJ面積A在縮小，要保持熱穩定性Δ的值，需要通過增大各向異性常數K或/和薄膜的厚度t來保持。根據上述熱穩定性公式，當器件尺寸減小時，自由層面積A將隨器件尺寸以平方形式減小，此時為了保證熱穩定性，Kt必須隨器件尺寸以平方關系增加。一方面，各向異性常數K通常由磁性薄膜自由層和氧化物勢壘層的界面工藝和材料類型決定，在MTJ中很難調節各向異性常數K，要使K按照MTJ尺寸的減小而增加去補償，在技術上非常困難。另一方面，通過增加自由層的厚度t來增加Δ同樣低效，因為Δ隨t變化是線性的比MTJ尺寸的平方變化要緩慢很多，而且翻轉電流密度與薄膜厚度t成正比，增加t使寫入能量急劇升高[A.Goyal.Appl.Phys.Lett.1996]，所以通過調節t來補償也不可行。因此，在小尺寸10nm技術節點以下，MTJ要保持好的熱穩定性，就需要對MTJ結構進行新的設計。

發明內容

本發明目的在于提供一種STT-MRAM存儲單元，以解決上述技術問題。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種STT-MRAM存儲單元，包括晶體管和MTJ單元；晶體管建立在基底上，晶體管的漏極與MTJ單元通過金屬線達到漏接觸；MTJ單元包括內電極和包裹在內電極外周的種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢壘層、鐵磁性自由層和外電極；金屬線與內電極連接；種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢壘層、鐵磁性自由層和外電極均與基底所在平面不平行；種子層、鐵磁性釘扎層、非磁性勢壘層、鐵磁性自由層和外電極與金屬線間隔設置。