一种低功耗磁性多阻态存储单元的制作方法

本发明涉及一种低功耗磁性多阻态存储单元，属于非易失性存储和逻辑技术领域。

背景技术：

新兴的非易失性存储技术能够使存储数据掉电不丢失，因而有望解决传统的基于互补金属氧化物半导体(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)工艺的存储器和逻辑电路所面临的日益严峻的静态功耗问题。其中，基于磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic random access memory,MRAM)因具有高密度、高读写速度、低读写电压和无限制写入次数等优势而被证明是最具潜力的通用存储器。它不仅有望取代传统的静态随机存储器(Static random access memory,SRAM)和动态随机存储器(Dynamic random access memory,DRAM)，还可以应用于非易失性逻辑电路的设计。目前，磁性隧道结普遍采用自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)实现写入操作，自旋转移矩由流经磁性隧道结的电流产生，被写入的数据状态取决于电流的方向。但是，自旋转移矩需要较长的初始延迟(Incubation delay)，虽然提高写入电流能够减小初始延迟，但同时增加了隧道结势垒击穿的概率。近期，自旋轨道矩(Spin orbit torque,SOT)被提出以解决自旋转移矩固有的写入速度瓶颈和势垒击穿问题。

为产生自旋轨道矩，可在磁性隧道结的铁磁存储层下方增加一层重金属条状薄膜，流经该层薄膜的电流可通过自旋霍尔效应(Spin Hall effect,SHE)或拉什巴效应(Rashba effect)产生自旋轨道矩以实现相邻铁磁存储层的磁化翻转，进而完成磁性隧道结的数据写入。如果磁性隧道结具有垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)，则磁化翻转的延迟可降至几百皮秒，写入速度大幅提高，但是需要沿电流方向额外施加一个磁场。实验证实，该磁场可由反铁磁交换偏置场(Exchange bias)提供，为此，需要将重金属薄膜替换为具有强自旋轨道耦合作用的反铁磁材料，而且，利用反铁磁材料提供自旋轨道矩，还可以使磁性隧道结在写入过程中呈现多阻态特征，有望被应用于类脑计算领域。

但是，无论采用自旋转移矩或者自旋轨道矩完成磁性隧道结的数据写入，均需要产生双向电流，写入电路的设计和控制较为复杂，芯片的面积较大，制造工艺和成本较高。

技术实现要素：

一、发明目的：

针对上述背景中提到的磁性隧道结写入技术所面临的电路设计难度、控制复杂度、芯片面积、制造工艺和成本等问题，本发明提出了一种低功耗磁性多阻态存储单元。它的存储阻态可以连续调节，并采用单向电流写入数据，简化了磁性存储单元写入电路的设计和控制，提高了电路集成度并降低工艺制造成本。

二、技术方案：

本发明的技术方案是，一种低功耗磁性多阻态存储单元，其特征是，该存储单元从下到上由反铁磁条状薄膜(厚度为0～20nm)，第一铁磁金属(厚度为0～3nm)，第一氧化物(厚度为0～2nm)，第二铁磁金属(厚度为0～3nm)，第一合成反铁磁层(厚度为0～20nm)和第一电极(厚度为10～200nm)共六层构成。反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第二电极和第三电极。其中，位于反铁磁条状薄膜上方的五层物质构成磁性隧道结；

本发明所述的存储单元是通过采用传统的分子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺制备而成；

本发明所述的存储单元中，磁性隧道结的形状为正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值)；

本发明所述的存储单元中，反铁磁条状薄膜为长方形，其顶面积大于磁性隧道结的底面积，磁性隧道结的底面形状完全内嵌于反铁磁条状薄膜的顶面形状之中；

本发明所述的存储单元制造流程通过传统的半导体生产后端工艺集成；

所述反铁磁条状薄膜是指铱锰IrMn或铂锰PtMn；

所述第一电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；

所述第二电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；

所述第三电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；

所述第一铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同；

所述第一氧化物是指氧化镁MgO或氧化铝Al₂O₃中的一种，用于产生隧穿磁阻效应；

所述第二铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同；

所述第一合成反铁磁层，是指如下混合层中的一种：是指由钽Ta/钴铂多层膜[Co/Pt]_n/钌Ru/钴铂多层膜[Co/Pt]_m构成的混合层，或者由钽Ta/钴钯多层膜[Co/Pd]_n/钌Ru/钴钯多层膜[Co/Pd]_m构成的混合层；即Ta/[Co/Pt]_n/Ru/[Co/Pt]_m或Ta/[Co/Pd]_n/Ru/[Co/Pd]_m，其中层数m和n的值可以不同；

本发明所述的存储单元的数据状态通过磁性隧道结的电阻值来体现；

本发明所述的存储单元的数据写入过程包括两种情形：第一种情形是磁性隧道结的电阻由低变高，第二种情形是磁性隧道结的电阻由高变低。其中第一种情形通过在第二电极和第三电极之间施加单向电流实现，第二种情形通过在第一电极和第二电极之间或者第一电极和第三电极之间施加单向电流实现。

三、优点及功效:

本发明提出了一种低功耗磁性多阻态存储单元，相比于传统的基于双向写入电流的磁性存储单元，有以下优势：

本发明可实现多阻态存储，其应用不再仅限于单比特存储和逻辑运算领域，可推广至类脑计算等领域；

本发明采用单向电流写入数据，简化了存储器和逻辑电路设计，提高了电路集成度，降低了存储单元的功耗，有利于减少工艺的复杂度和制造成本；

本发明采用不同的支路写入数据，便于对不同数据的写入操作进行独立的优化和设计。

【附图说明】

图1-1为一种低功耗磁性多阻态存储单元结构示意图。

图1-2为一种低功耗磁性多阻态存储单元结构实施例示意图(以圆形磁性隧道结为例)。

图2为一种低功耗磁性多阻态存储单元的数据写入方式示意图。

图3-1为一种低功耗磁性多阻态存储单元的写入操作第一实施例示意图。

图3-2为一种低功耗磁性多阻态存储单元的存储模式第一实施例示意图。

图4-1为一种低功耗磁性多阻态存储单元的写入操作第二实施例示意图。

图4-2为一种低功耗磁性多阻态存储单元的存储模式第二实施例示意图。

图1-1、1-2、2、3-1、3-2、4-1、4-2中的参数定义为：

1 反铁磁条状薄膜

2 第二电极

3 第三电极

4 第一铁磁金属

5 第一氧化物

6 第二铁磁金属

7 第一合成反铁磁层

8 第一电极

W1 在第二电极和第一电极之间的写入支路

W2 在第三电极和第一电极之间的写入支路

W3 在第二电极和第三电极之间的写入支路

I₁ 从第二电极到第一电极的写入电流(第一实施例)

I₂ 从第二电极到第三电极的写入电流(第一实施例)

R 磁性隧道结的电阻(第一实施例)

t 时间

R_H 磁性隧道结的最大电阻值

R_L 磁性隧道结的最小电阻值

I_{H_L} 磁性隧道结从高阻态向低阻态转变时需要的写入电流(第一实施例)

D_{H_L} 磁性隧道结从高阻态向低阻态转变时的写入延迟(第一实施例)

D_{L_H} 磁性隧道结从低阻态向高阻态转变时的写入延迟(第一实施例)

S4 第三铁磁金属

S5 第二氧化物

S6 第四铁磁金属

S7 第二反铁磁层

S8 第四电极

I₃ 从第四电极到第一电极的写入电流(第二实施例)

I₄ 从第二电极到第三电极的写入电流(第二实施例)

I_C 第一磁性隧道结从高阻态向低阻态转变，且第二磁性隧道结从低阻态向高阻态转变时所需的写入电流(第二实施例)

M1 第一磁性隧道结

M2 第二磁性隧道结

R_M1 第一磁性隧道结的电阻

R_M2 第二磁性隧道结的电阻

D_{L_H_M1} 当写入电流从第二电极流向第三电极时，第一磁性隧道结从低阻态向高阻态转变时的写入延迟(第二实施例)

D_{H_L_M1} 当写入电流从第四电极流向第一电极时，第一磁性隧道结从高阻态向低阻态转变时的写 入延迟(第二实施例)

D_{H_L_M2} 当写入电流从第二电极流向第三电极时，第二磁性隧道结从高阻态向低阻态转变时的写入延迟(第二实施例)

D_{L_H_M2} 当写入电流从第四电极流向第一电极时，第二磁性隧道结从低阻态向高阻态转变时的写入延迟(第二实施例)

【具体实施方式】

参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸，工作模式中的电阻和电流值也非实际值。

在此公开了详细的示例性的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。

本发明提出了一种低功耗磁性多阻态存储单元，既可以用于构建磁性随机存储器，也可以用于设计磁性逻辑电路。

图1-1为本发明一种低功耗磁性多阻态存储单元结构示意图。

本发明一种低功耗磁性多阻态存储单元从下到上由六层物质构成，包括配备双端电极的反铁磁条状薄膜1，第一铁磁金属4，第一氧化物5，第二铁磁金属6，第一合成反铁磁层7及第一电极8；通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备该存储单元；其结构特点是由磁性隧道结和反铁磁条状薄膜堆叠而成；反铁磁条状薄膜1的两端分别镀有第二电极2和第三电极3。其中，位于反铁磁条状薄膜上方的五层物质构成磁性隧道结。

图1-2为一种低功耗磁性多阻态存储单元结构实施例示意图；

在该例中，磁性隧道结被制成圆形，磁性隧道结形状还可以制成正方形、长方形(长宽比可以是任意值)或椭圆形(长宽比可以是任意值)，反铁磁条状薄膜制成长方形，其顶面积大于磁性隧道结的底面积，磁性隧道结的底面形状完全内嵌于反铁磁条状薄膜的顶面形状；

图2为本发明一种低功耗磁性多阻态存储单元数据写入方式示意图；

写入操作有两种情形：第一种是磁性隧道结的电阻由低变高，第二种是磁性隧道结的电阻由高变低。这两种情形分别通过在两条不同支路通入电流来实现，其中一条支路是W1或W2，另一条支路是W3。每一条支路的电流方向有两种选择，完整的写入方式应该保证两条支路能够分别实现写入操作的两种情形，为此需要为每一条支路选择固定不变的写入电流方向，即，两条支路的写入电流均是单向的；

图3-1、3-2为本发明一种低功耗磁性多阻态存储单元的第一实施例示意图，具体如下：

在该例中，如果第二电极和第三电极之间施加足够大的正向写入电流时，磁性隧道结的电阻逐渐向高阻态转变，在这种情形下，如果写入电流被撤除，磁性隧道结的电阻将稳定在最高值、最低值或二者之间，具体的阻值与写入电流的大小和持续时间有关；

如果第二电极和第一电极之间施加足够的正向写入电流时，磁性隧道结的电阻向低阻态转变，如果电流持续时间足够长，磁性隧道结的电阻将达到并稳定在最低值，此时即使减小写入电流，磁性隧道结的电阻值也不会改变。

图4-1、4-2为本发明一种低功耗磁性多阻态存储单元的第二实施例示意图，具体如下：

在该例中，第一磁性隧道结M1和第二磁性隧道结M2的结构关于反铁磁条状薄膜1完全对称，二者基于相同的工艺制备，具有完全相同的参数。即该存储单元关于反铁磁条状薄膜1对称，一侧从下到上依次为：第一铁磁金属4，第一氧化物5，第二铁磁金属6，第一合成反铁磁层7及第一电极8；另一侧从上到下依次为：第三铁磁金属S4，第二氧化物S5，第四铁磁金属S6，第二合成反铁磁层S7及第四电极S8。

如果第二电极和第三电极之间施加足够大的正向写入电流时，第一磁性隧道结和第二磁性隧道结的电阻分别逐渐向高阻态和低阻态转变，在这种情形下，如果写入电流被撤除，第一磁性隧道结和第二磁性隧道结的电阻将稳定在最高值、最低值或二者之间，具体的阻值与写入电流的大小和持续时间有关；

如果第四电极和第一电极之间施加足够的正向写入电流时，第一磁性隧道结和第二磁性隧道结的电阻分别向低阻态和高阻态转变，如果电流持续时间足够长，第一磁性隧道结和第二磁性隧道结的电阻将分别达到并稳定在最低值和最高值，此时即使减小写入电流，第一磁性隧道结和第二磁性隧道结的电阻值也不会改变。