一种基于磁性合金复合薄膜的存储单元及其制备方法和磁存储装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数据存储技术领域，特别是涉及一种基于磁性合金复合薄膜的磁存储 单元及其制备方法和磁存储装置。
【背景技术】
[0002] STT-MRAM(Spin Transfer Torque-Ma即etic Random Access Memory)是一种基于 自旋转移矩的磁非挥发存储器，具有高密度、高速度、低功耗、寿命长和非易失等优点，被认 为是最有希望的"通用"存储器之一。STT-MRAM存储技术利用电流产生的STT效应作用于 自由层（存储层），并改变自由层的磁化方向，从而在存储单元中产生高、低两个阻态，实现 数据的存取。
[0003] 尽管STT-MRAM存储技术在许多方面优于其他存储技术，但如何进一步提高存储 单元的读写速度仍然是目前应用STT-MRAM技术需要解决的问题。一方面，提高写电流有助 于提高电流密度，在一定范围内有利于磁化翻转，从而提高读写速度；然而另一方面，写电 流过大会导致金属互连线寿命降低（互连线电流密度应当小于l〇 7A/cm2)，难W真正实现可 靠的高密度存储，此外，写电流大功耗也大。
[0004] 因此，在STT-MRAM技术应用中，有必要提供一种能兼顾存储密度，并实现高速、低 功耗存储的磁存储单元及其制备方法和磁存储装置。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例提供了一种基于磁性合金复合薄膜的磁存储单元及其制备方法和 磁存储装置，能兼顾存储密度，并实现高速、低功耗存储，用W解决现有技术中STT-MRAM存 储不能兼顾存储密度、高速、低功耗的问题。
[0006] 在第一方面，本发明实施例提供了一种基于磁性合金复合薄膜的磁存储单元，包 括：
[0007] 第一电极层、形成在所述第一电极层上的第一磁性层、形成在所述第一磁性层上 的绝缘隧穿层、形成在所述绝缘隧穿层上的第二磁性层W及形成在所述第二磁性层上的第 二电极层；
[0008] 其中，所述第二磁性层为磁性合金复合薄膜，所述磁性合金复合薄膜包括磁性颗 粒和绝缘隔离物，其中，所述磁性颗粒包括磁性合金，所述磁性合金包括化、Co、Ni和Pt元 素中的至少一种，所述绝缘隔离物包括金属氧化物、金属氮化物和金属氮氧化物中的至少 一种，所述磁性颗粒分散在所述绝缘隔离物中。
[0009] 结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实施方式中，所述磁性颗粒与邻近于 所述磁性合金复合薄膜的上、下膜层接触。
[0010] 结合第一方面和第一方面的第一种可能的实施方式，在第一方面的第二种可能的 实施方式中，所述绝缘隔离物的含有率为所述磁性合金复合薄膜总体积的20%~75% ;所 述磁性颗粒的平均粒径为5~40nm。
[0011] 结合第一方面和第一方面的第二种可能的实施方式，在第一方面的第H种可能的 实施方式中，所述磁性合金复合薄膜的厚度为3~20nm。
[0012] 结合第一方面和第一方面的第二种可能的实施方式，在第一方面的第四种可能的 实施方式中，所述磁性合金还包括NcU Pd和B元素中的一种。
[0013] 结合第一方面，在第一方面的第五种可能的实施方式中，所述金属氧化物为Ti、 Ta、Cu、A1、Si、Cr、Zr、Y、Ce、Mn、化或 W 的氧化物；所述金属氮化物为 Ti、Ta、Cu、A1、Si、 化、2'、￥、〔6、111、化或￥的氮化物；所述金属氮氧化物为1'1、1曰、〇1、41、51、化、2'、￥、〔6、 Mn、化或W的氮氧化物。
[0014] 结合第一方面，在第一方面的第六种可能的实施方式中，所述基于磁性合金复合 薄膜的磁存储单元还包括形成于所述第二磁性层与所述第二电极层之间的Pt层或Pd层。
[0015] 在第二方面，本发明实施例提供了一种基于磁性合金复合薄膜的磁存储单元的制 备方法，包括W下步骤：
[0016] 提供衬底，在所述衬底上依次制备；第一电极层，第一磁性层，绝缘隧穿层，第二磁 性层，W及第二电极层，得到磁存储介质；
[0017] 将所述磁存储介质在300~60(TC下退火处理，得到所述基于磁性合金复合薄膜 的磁存储单元，
[0018] 其中，所述第二磁性层为磁性合金复合薄膜，所述磁性合金复合薄膜包括磁性颗 粒和绝缘隔离物，其中，所述磁性颗粒包括磁性合金，所述磁性合金包括化、Co、Ni和Pt元 素中的至少一种，所述绝缘隔离物包括金属氧化物、金属氮化物和金属氮氧化物中的至少 一种，所述磁性颗粒分散在所述绝缘隔离物中。
[0019] 结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实施方式中，所述磁性颗粒与邻近于 所述磁性合金复合薄膜的上、下膜层接触。
[0020] 结合第二方面和第二方面的第一种可能的实施方式中，在第二方面的第二种可能 的实施方式中，所述绝缘隔离物的含有率为所述磁性合金复合薄膜总体积的20%~75% ; 所述磁性颗粒的平均粒径为5~40nm。
[0021] 结合第二方面和第二方面的第二种可能的实施方式，在第二方面的第H种可能的 实施方式中，所述磁性合金复合薄膜的厚度为3~20nm。
[0022] 结合第二方面和第二方面的第二种可能的实施方式，在第二方面的第四种可能的 实施方式中，所述磁性合金还包括NcU Pd和B元素中的一种。
[0023] 结合第二方面，在第二方面的第五种可能的实施方式中，所述金属氧化物为Ti、 Ta、Cu、A1、Si、Cr、Zr、Y、Ce、Mn、化或 W 的氧化物；所述金属氮化物为 Ti、Ta、Cu、A1、Si、 化、2'、￥、〔6、111、化或￥的氮化物；所述金属氮氧化物为1'1、1曰、〇1、41、51、化、2'、￥、〔6、 Mn、化或W的氮氧化物。
[0024] 结合第二方面，在第二方面的第六种可能的实施方式中，所述基于磁性合金复合 薄膜的磁存储单元还包括形成于所述第二磁性层与所述第二电极层之间的Pt层或Pd层。 [00巧]在第H方面，本发明实施例提供了一种磁存储装置，包括基于磁性合金复合薄膜 的磁存储单元、为所述磁存储单元提供读写电压的读写电路、W及选通晶体管，所述基于磁 性合金复合薄膜的磁存储单元包括：
[0026] 第一电极层、形成在所述第一电极层上的第一磁性层、形成在所述第一磁性层上 的绝缘隧穿层、形成在所述绝缘隧穿层上的第二磁性层W及形成在所述第二磁性层上的第 二电极层；
[0027] 其中，所述第二磁性层为磁性合金复合薄膜，所述磁性合金复合薄膜包括磁性颗 粒和绝缘隔离物，其中，所述磁性颗粒包括磁性合金，所述磁性合金包括化、Co、Ni和Pt元 素中的至少一种，所述绝缘隔离物包括金属氧化物、金属氮化物和金属氮氧化物中的至少 一种，所述磁性颗粒分散在所述绝缘隔离物中。
[0028] 本发明实施例提供了 一种基于磁性合金复合薄膜的磁存储单元，能兼顾存储密 度，并实现高速、低功耗存储。该磁存储单元中的磁性合金复合薄膜与传统的自由层（对 应本发明实施例中的第二磁性层）采用的磁性薄膜不同，传统的磁性薄膜采用连续的、纯 磁性薄膜，不含绝缘材料，而本发明采用的磁性合金复合薄膜具有绝缘隔离物，磁性合金W 磁性颗粒的形式分散在绝缘隔离物中，由于绝缘隔离物采用的是导电性极差或不导电的材 料，磁性颗粒才是有效的导电区域；因此，电流在磁性合金复合薄膜中流过的实际面积小于 整个磁性合金复合薄膜的面积，即小于整个磁存储单元（即磁隧道结，MTJ)的面积；相对 地，在相同MTJ面积的条件下，流过磁性合金复合薄膜中磁性合金纳米颗的电流密度比流 过连续纯磁性薄膜的电流密度更高。
【附图说明】
[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明实施例提供的部分附图。
[0030] 图1是本发明实施例提供的基于磁性合金复合薄膜的存储单元20的结构示意 图；
[0031] 图2是本发明实施例提供的基于磁性合金复合薄膜的存储单元20的第二磁性层 204的结构示意图；
[0032] 图3是本发明实施例提供的制备基于磁性合金复合薄膜的STT-MRAM存储单元的 流程图；
[0033] 图4是本发明实施例提供的基于磁性合金复合薄膜的存储单元与现有普通存储 单元写入性能对比结果；
[0034] 图5是本发明实施例提供的磁性合金复合薄膜的透射电子显微镜图；
[0035] 图6是本发明实施例STT-MRAM装置001的详细图示。
【具体实施方式】
[0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0037] 实施例1
[0038] 结合图1，本发明实施例提供了一种基于磁性合金复合薄膜的存储单元20,包括 依次叠层设置的第一电极层201/第一磁性层202/绝缘隧穿层203/第二磁性层204/第二 电极层205。如本发明所述的，符号"/"均表示各层之间为依次叠层设置结构。
[0039] 其中，所述第二磁性层204为磁性合金复合薄膜，所述磁性合金复合薄膜包括磁 性颗粒和绝缘隔离物，其中，所述磁性颗粒包括磁性合金，所述磁性合金包括化、Co、Ni和 Pt元素中的至少一种，所述绝缘隔离物包括金属氧化物、金属氮化物和金属氮氧化物中的 至少一种，所述磁性颗粒分