基于MTJ的模拟存储器器件的制作方法

背景技术：

1、本申请涉及磁存储器，并且更具体地涉及包括位于导电写入线上的磁隧道结(mtj)柱的磁畴(magnetic domain)器件。

2、作为闪存的下一代非易失性存储器替代物，通过使用电阻可变元件(例如，磁阻随机存取存储器(mram)、电阻随机存取存储器(reram)以及相变随机存取存储器(pcram))存储数据的电阻变化存储器已经引起关注。

3、磁壁驱动型(或磁壁移位型)是最近开发的mram的一种类型。磁壁驱动型mram允许电流在磁壁驱动层(即，无磁性层)的面内方向上流动，通过自旋极化电子的自旋转移效应使磁壁偏移，并且根据写入电流和写入数据的方向反转铁磁膜的磁化方向。

4、目前正在寻找可用于模拟存储器的改进的mram器件。

技术实现思路

1、在本发明的实施例中，提供了一种磁畴器件，其中，磁隧道结(mtj)柱的无磁性层(即，存储层)紧密接近设置在mtj柱下方的导电写入线。该磁畴器件进一步包括位于所述导电写入线下方的一对间隔开的底部电极，以及位于所述mtj柱上的顶部电极。该磁畴器件可用于模拟存储器，包括多比特存储、用于人工智能(ai)应用的模拟存储器。

2、本申请的方面涉及包括位于导电写入线上的磁隧道结(mtj)柱的磁畴器件。

3、在一些实施例中，磁畴器件的mtj柱是顶部钉扎mtj柱，所述顶部钉扎mtj柱从底部到顶部包括无磁性层、隧道势垒层和磁性参考层。在使用顶部钉扎mtj柱的这样的实施例中，顶部钉扎mtj柱的无磁性层可形成与导电写入线的直接接口。同样，以及在使用顶部钉扎mtj柱的这样的实施例中，顶部钉扎mtj柱的无磁性层可以与导电写入线间隔开一个或多个材料层的厚度。在一些实施例中，一个或多个材料层包括电流限制层、导电过孔结构、或电流限制层与导电过孔结构的组合。

4、在一些实施例中，磁畴器件的mtj柱是底部钉扎mtj柱，所述底部钉扎mtj柱从底部到顶部包括磁性参考层、隧道势垒层和无磁性层。在使用底部钉扎mtj柱的这样的实施例中，底部钉扎mtj柱的无磁性层与导电写入线间隔开至少磁性参考层和隧道势垒层的组合厚度。在一些情况下，组合厚度可以进一步包括一个或多个材料层的厚度。在一些实施例中，一个或多个材料层包括电流限制层、导电过孔结构、或电流限制层与导电过孔结构的组合。

5、磁畴器件可进一步包含一对间隔开的底部电极，所述一对间隔开的底部电极位于所述导电写入线下方且与所述导电写入线接触。所述一对间隔开的底部电极中的每个底部电极位于第一导电结构的表面上。每个第一导电结构连接到诸如场效应晶体管的存取器件。

6、磁畴器件可进一步包括位于mtj柱上的顶部电极。在一些实施例中，顶部电极具有与mtj柱和导电写入层的每一个的最外侧壁垂直对准的最外侧壁。电介质衬垫可位于顶部电极的最顶部表面上，并且沿着顶部电极、mtj柱和导电写入层的每一个的最外侧壁。可以存在接触顶部电极的最顶部表面的一部分的导电结构。

7、在本申请的另一方面中，提供一种编程(即，写入操作)上文所揭示的本发明磁畴器件的方法。在一个实施例中，该方法包括提供磁畴器件，该磁畴器件包括位于导电写入线上的磁隧道结(mtj)柱，并且此后使电流通过导电写入线，其中导电写入线中的电流产生使mtj柱的无磁性层中的磁畴成核(nucleate)的磁场。

8、在编程的一些实施例中，除了无磁性层之外，mtj柱还包括隧道势垒层和磁性参考层，并且导电写入线与无磁性层间隔开从1nm到100nm的距离。在一些实施例中，由电流产生的磁场具有i/d的幅值，其中i是导电写入线中的电流的强度，并且d是导电写入线与无磁性层间隔开的距离。

9、在本申请的另一方面中，提供一种读取上文所揭示的本发明磁畴器件的电阻状态的方法。在一个实施例中，所述方法包括：提供磁畴器件，所述磁畴器件包括位于导电写入线上的磁隧道结(mtj)柱，其中，一对间隔开的底部电极位于所述导电写入线下方，并且顶部电极位于所述mtj柱上。接下来，将读取电压施加至底部电极和顶部电极中的至少一个，并且此后测量由读取电压提供的器件电阻。在本申请中，器件电阻与沿着/反抗mtj柱的磁性参考层的磁化对准的磁畴的面积成比例。在一些实施例中，可在该对底部电极与该顶部电极之间施加电压。

技术特征：

1.一种磁畴器件，包括：

2.根据权利要求1所述的磁畴器件，其中，所述mtj柱是顶部钉扎mtj柱，所述顶部钉扎mtj柱从底部到顶部包括无磁性层、隧道势垒层和磁性参考层。

3.根据权利要求2所述的磁畴器件，其中，所述mtj柱的所述无磁性层与所述导电写入线形成直接接口。

4.根据权利要求2所述的磁畴器件，其中，所述mtj柱的所述无磁性层与所述导电写入线间隔开一个或多个材料层的厚度。

5.根据权利要求4所述的磁畴器件，其中，所述一个或多个材料层包括电流限制层、导电过孔结构、或电流限制层与导电过孔结构的组合。

6.根据权利要求1所述的磁畴器件，其中，所述mtj柱是底部钉扎mtj柱，所述底部钉扎mtj柱从底部到顶部包括磁性参考层、隧道势垒层和无磁性层。

7.根据权利要求6所述的磁畴器件，其中，所述mtj柱的所述无磁性层与所述导电写入线间隔开至少所述磁性参考层和所述隧道势垒层的组合厚度。

8.根据权利要求7所述的磁畴器件，其中，所述组合厚度进一步包括一个或多个材料层的厚度。

9.根据权利要求8所述的磁畴器件，其中，所述一个或多个材料层包括电流限制层、导电过孔结构、或电流限制层与导电过孔结构的组合。

10.根据前述权利要求中任一项所述的磁畴器件，进一步包括位于所述导电写入线下方并与所述导电写入线接触的一对间隔开的底部电极。

11.根据权利要求10所述的磁畴器件，其中，所述一对间隔开的底部电极中的每个底部电极位于第一导电结构的表面上。

12.根据权利要求11所述的磁畴器件，其中，每个第一导电结构连接至存取器件。

13.根据权利要求10所述的磁畴器件，进一步包括位于所述mtj柱上的顶部电极。

14.根据权利要求13所述的磁畴器件，其中，所述顶部电极具有垂直对准所述mtj柱和所述导电写入层中的每一个的最外侧壁的最外侧壁。

15.根据权利要求13所述的磁畴器件，进一步包括电介质衬垫，所述电介质衬垫位于顶部电极的最顶部表面上并且沿着所述顶部电极、所述mtj柱和所述导电写入层中的每一个的最外侧壁。

16.根据权利要求13所述的磁畴器件，进一步包括与所述顶部电极的最顶部表面的一部分接触的导电结构。

17.一种磁畴器件，包括：

18.一种磁畴器件的编程方法，所述方法包括：

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述mtj柱进一步包括隧道势垒层和磁性参考层，其中，所述隧道势垒层位于所述无磁性层与所述磁性参考层之间，并且所述导电写入线与所述无磁性层间隔开从1nm到100nm的距离。

20.一种读取磁畴器件的电阻状态的方法，所述方法包括：

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述器件电阻与沿着/反抗所述mtj柱的磁性参考层的磁化对准的磁畴的面积成比例。

技术总结
提供了一种磁畴器件，其中磁隧道结(MTJ)柱的无磁性层(66，即存储层)紧密接近设置在MTJ柱下方的导电写入线(62)。该磁畴器件进一步包括位于导电写入线下方的一对间隔开的底部电极(58)，以及位于MTJ柱上的顶部电极(72)。该磁畴器件可用于模拟存储器，包括多比特存储、用于人工智能(AI)应用的模拟存储器。

技术研发人员：D·豪萨米丁,J·弗劳吉尔,程慷果,谢瑞龙
受保护的技术使用者：国际商业机器公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13