[發明專利]一種具有高抗磁場干擾能力的磁性隨機存儲器

有效

• 申請號: 202210257216.0
• 申請日: 2022-03-16
• 公開（公告）號: CN114335329B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 蔣信;劉瑞盛;喻濤;簡紅
• 申請（專利權）人: 波平方科技（杭州）有限公司
• 主分類號: H01L43/10
• 分類號: H01L43/10;H01L43/08;H01L27/22
• 代理公司: 杭州宇信聯合知識產權代理有限公司 33401
• 代理人: 王健

本發明涉及存儲器技術領域，尤指一種具有高抗磁場干擾能力的磁性隨機存儲器，至少包括半導體存取晶體管、垂直磁化的磁性隧道結和互連導線結構，所述磁性隧道結包括垂直磁化的磁性固定層，垂直磁化的磁性自由層，以及位于磁性固定層和磁性自由層之間的隧穿勢壘層；所述磁性自由層由垂直磁化的人工反鐵磁結構組成，包含垂直磁化的第一磁性自由層，垂直磁化的第二磁性自由層，以及位于第一磁性自由層和第二磁性自由層之間的耦合層；所述半導體存取晶體管和磁性隧道結組成存儲單元，磁性隧道結的高低電阻態代表所存儲的數據；磁性隧道結的自由層包含垂直磁化的人工反鐵磁結構。本發明能夠增強磁性隨機存儲器的抗磁場干擾能力，提高產品的可靠性。

技術領域

本發明涉及存儲器技術領域，尤指一種具有高抗磁場干擾能力的磁性隨機存儲器。

背景技術

目前主流的集成電路芯片產品大多采用馮·諾伊曼架構，即產品中包含處理器和存儲器兩個部分，芯片產品工作時，數據需要在處理器和存儲器之間來回傳輸。在集成電路的發展過程中，處理器技術的發展速度快于存儲器技術，從而導致存儲器的性能與處理器的性能之間存在較大的差距，限制了芯片產品整體性能的提升。這就是所謂的“存儲墻”（memory wall）問題。為了解決存儲墻問題，更好地改善芯片產品的性能，需要一種高速度，大容量，性能優異的存儲器。

磁性隨機存儲器（MRAM）是近年來發展起來的一種新型非易失存儲器。MRAM中的核心器件是磁性隧道結（MTJ）。如圖1所示，磁性隧道結10中包含兩個磁性材料組成的薄膜電極。其中一個磁性電極的磁化方向保持不變，稱為固定層110。另一個磁性電極的磁化方向可以在磁場或電流的作用下發生改變，稱為自由層130。固定層和自由層之間由絕緣的隧穿勢壘層120分開。磁性隧道結10的電阻取決于固定層110和自由層130的磁化方向的相對排列。當自由層130的磁化方向與固定層110的磁化方向為同向時，磁性隧道結10的電阻值較低，當自由層130的磁化方向與固定層110的磁化方向為反向時，磁性隧道結10的電阻值較高。磁性隧道結10利用其自由層130的磁化方向來存儲信息，對應的高低阻態分別代表所存儲的信息為“0”或“1”。

在最新一代MRAM技術中，自由層和固定層的磁化方向均為垂直于MTJ薄膜的表面。垂直磁化的自由層和固定層具有較強的磁性各向異性能，能夠增強MRAM的非易失性，提高數據寫入效率及可靠性。MRAM的數據保持時間與MTJ的磁性自由層的翻轉能量勢壘（E_B）呈指數關系。翻轉能量勢壘越高，數據保持能力越強。對于尺寸較小的MTJ，自由層中的磁性薄膜可以用單磁疇模型描述，其翻轉能量勢壘E_B = H_K M_S V/2，其中H_K是自由層的垂直各向異性磁場，M_S是自由層的磁矩，V是自由層的體積。