[發明專利]磁性隨機存儲器的磁隧道結器件

有效

• 申請號: 201910330210.X
• 申請日: 2019-04-23
• 公開（公告）號: CN110112286B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 葉力
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/02;H01L43/10;H01L43/12
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪

本發明提供一種磁性隨機存儲器的磁隧道結器件，包括自下而上依次堆疊的參考層、隧穿介電層和記憶層，所述記憶層采用物理氣相沉積法制作，其包括鐵磁材料，以及通過沉積層插入方式和/或共濺射方式來摻入該鐵磁材料的非磁材料。本發明的磁性隨機存儲器，其記憶層相比于現有技術采用更多的疊層和更薄的每層厚度，或者共濺射的方法，或兩種結合的方法，以實現非磁材料更均勻的混合進入磁性材料，以此來漸變可控地調節記憶層的磁化強度、各向異性強度和居里溫度，因此，通過記憶層的上述設計，可以降低在低溫或極低溫度下翻轉記憶層磁矩的所需的電流和功耗，使得磁性隨機存儲器能夠在室溫、低溫或極低溫下以低功耗工作。

技術領域

本發明涉及集成電路芯片的存儲器領域，尤其涉及一種可在低溫和極低溫下工作的磁性隨機存取存儲器。涉及一種降低磁性隨機存儲器動態功耗的方法。

背景技術

隨著材料科學、納米科學的不斷進步, 一種新型高性能存儲器磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)正在吸引人們的目光。它擁有靜態隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動態隨機存儲器（DRAM）的高集成度，而且幾乎可以無限次地重復寫入。磁性隨機存儲器采用磁性多層材料構成的納米柱狀器件中的磁矩方向來記錄信息，而維持磁矩和磁矩的方向并不需要外加電源（相較于DRAM斷電后存儲數據完全丟失），因此這種磁性隨機存儲器還具有閃存（Flash）的非易失性。上述多重優點使得該類基于磁性存儲位元的存儲器被業界看作下一代通用性存儲的主要候選，廣泛適用于各類應用場景。

與此同時，伴隨摩爾定理逐漸接近極限，當前基于硅材料場效應管的集成電路功耗、速度等效能接近極限，業界亟待探索其新型的計算架構和元器件。包括基于約瑟夫森結的超導集成電路、通過量子比特操縱的量子計算機等。這些新型的計算機處理器都需要在極低溫度下（液氦溫度4.2K或更低）工作，而可以與之相兼容的低溫存儲器一直是實現有效計算功能的瓶頸。另外當前商用存儲器一般僅支持至多零下40攝氏度的工作環境，而無法滿足其他極端溫度工作條件。

如圖1A所示，現有的磁性隨機存儲器芯片由一個或多個存儲單元100的陣列組成，其最簡單的基本存儲單元100如圖1B所示，包括一個存儲位元器件101和一個開關器件102。其中，開關器件102可以是MOS場效應管、超導器件或其他具有開關功能的三端器件，開關器件2連接到磁性隨機存儲器芯片的字線Z負責接通或切斷這個單元；存儲位元器件101和開關器件102串聯并連接接至磁性隨機存儲器的位線W和源線Y。并由此，通過行列周期性重復基本存儲單位100形成存儲陣列。

如圖2A-2B所示，該存儲位元器件101，101’一般采用磁性隧道結器件（MTJ，Magnetic Tunneling Junction）。MTJ器件是由兩層鐵磁性材料夾著一層非常薄的非鐵磁絕緣材料所構成，包括依次堆疊的記憶層1011，1011’、絕緣層1012，1012’和參考層1013，1013’，圖中單箭頭代表參考層，箭頭方向指磁矩方向，雙箭頭指磁矩方向可變，單箭頭指磁矩方向固定不變。其中參考層1013，1013’為具有固定的磁化方向的一層鐵磁材料，記憶層1011，1011’為磁化方向可變的另一層鐵磁材料，因此記憶層1011，1011’的磁化方向可以和參考層1013，1013’的磁化方向平行或反平行。記憶層1011，1011’和參考層1013，1013’磁矩的方向可以是平行于面內（如記憶層1011和參考層1013），或者垂直于面外方向（如記憶層1011’和參考層1013’）。其中，圖2A-2B并不定義參考層和記憶層的上下層疊關系，實際情況中記憶層可在參考層上方或下方，絕緣層總是在兩層之間。上述MTJ器件是將磁性多層薄膜材料經過刻蝕加工后形成微小尺寸（1-1000納米直徑）的圓柱狀器件來實現的。由于量子隧穿效應，電流可以穿過器件中的隧道勢壘層， MTJ器件可被視為一個可變電阻，其阻值依賴于可變磁化層的磁化方向。磁化方向平行時電阻低，磁化方向反平行時電阻高。讀取磁性隨機存儲器的過程是對相應地址的存儲位元器件MTJ的電阻進行測量。寫入磁性隨機存儲器的過程是在相應地址的存儲位元器件MTJ上通過合適的電流，來翻轉（操作）記憶層的磁矩。自下而上和自上而下兩種不同的電流方向可分別實現磁矩平行至反平行，以及磁矩反平行至平行的翻轉。