热辅助磁存储器的制作方法

本发明涉及自旋电子器件，具体地涉及一种热辅助磁存储器。

背景技术：

1、随着物联网、人工智能、元宇宙等新兴产业的不断涌现，人们对信息的要求也不断增加，因此信息存储技术面临着日益严峻的挑战。然而，随着工艺节点不断推进，现行的存储技术难以在极小尺寸下提高可靠性，因此，急需探索一种兼顾高密度、高可靠和高速的新型存储器机制。磁存储芯片具有高速、低功耗、非易失性及抗辐照等特点，在“后摩尔时代”有望进一步突破传统硅基电子器件工作瓶颈。自旋轨道矩磁存储器(spinorbit torque-magneticrandomaccessmemory，sot-mram)作为第三代磁存储器在功耗、使用寿命、工作速度等方面均有了大幅提升。虽然sot-mram获得了一个数量级的性能提升，但由于其自身机制限制，仍无法满足更小工艺节点的数据存储可靠性和高速读写的需求，因此，磁存储器仍需颠覆性的技术突破。

2、利用反铁磁和铁磁的本征交换偏置(exchangebias，eb)作用，进行信息存储的磁存储器，被认为有望成为第四代磁存储器，它借助交换偏置方向的改变，对铁磁自由层进行磁矩翻转，进而完成数据由“0”到“1”的写入，该存储机制可在几个原子尺度保持稳定，有望大幅度提高芯片容量、速度和可靠性。翻转反铁磁层磁矩的主要手段是靠热效应，因此，需要增加反铁磁层热量吸收效率。现有的热辅助磁存储器(thermalassisted-mram，tr-mram)是使热电流直接流经磁隧道结(magnetictunneljunction，mtj)，对反铁磁层进行加热使其退磁，虽然该方式增加了电流产热效率，但写入热电流经过mtj中的势垒层，会极大降低器件寿命。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种热辅助磁存储器，该热辅助磁存储器可以提升器件寿命。

2、为了实现上述目的，本发明实施例提供一种热辅助磁存储器，所述热辅助磁存储器包括磁隧道结mtj和被布置在所述磁隧道结mtj下方的热磁辅助层，所述热磁辅助层被配置为：通过施加在所述热磁辅助层的写入电流，将信息写入所述磁隧道结mtj。

3、可选的，所述热辅助磁存储器还包括被布置在所述磁隧道结mtj上方的顶电极层，所述顶电极层被配置为：通过施加在所述顶电极层的读取电流，读取所述磁隧道结mtj的信息。

4、可选的，所述磁隧道结mtj的膜层结构至上而下包括覆盖层、参考层、隧穿势垒层、自由层和反铁磁层。

5、可选的，所述热磁辅助层包括在所述反铁磁层下方布置的热辅助层和在所述热辅助层下方布置的磁化辅助层，所述热磁辅助层被配置为：通过施加在所述热辅助层的写入热电流，对所述反铁磁层直接加热，使所述反铁磁层退磁；通过施加在所述磁化辅助层的写入磁电流，使所述磁化辅助层产生预设方向的磁场；以及通过所述预设方向的磁场辅助退磁后的反铁磁层实现磁序的反转，以实现所述自由层的阻态反转，将信息写入所述自由层。

6、可选的，在所述热辅助层和所述磁化辅助层之间布置有阻挡层，用于阻挡施加在所述热辅助层的写入热电流流入所述磁化辅助层。

7、可选的，所述热辅助层为金属材料，包括ta、tan、tin材料中的一种。

8、可选的，所述磁化辅助层的材料包括co、nife材料中的一种。

9、可选的，所述磁隧道结mtj的膜层结构还包括种子层，被布置在所述反铁磁层和所述热辅助层之间，用于改善所述反铁磁层的结晶度，所述种子层的材料包括ta、pt、w、nife材料中的一种。

10、可选的，所述热辅助磁存储器的膜层结构还包括包裹在所述磁隧道结mtj外层的隔热层，用于降低所述磁隧道结mtj的热损耗，所述隔热层为单层或多层结构，材料包括sio、sin、sio/sin材料中的一种。

11、本发明实施例还提供一种热辅助磁存储器，所述热辅助磁存储器包括由多个磁隧道结mtj组成的磁隧道结mtj阵列和被布置在所述磁隧道结mtj阵列下方的热磁辅助层，所述热磁辅助层被配置为：通过施加在所述热磁辅助层的写入电流，将相同或不同比特位信息对应写入所述磁隧道结mtj阵列。

12、可选的，所述热辅助磁存储器还包括被对应布置在所述磁隧道结mtj阵列的每个磁隧道结mtj上方的顶电极层，所述顶电极层被配置为：通过施加在所述顶电极层的读取电流，读取对应磁隧道结mtj的信息。

13、可选的，所述磁隧道结mtj阵列的每个磁隧道结mtj的膜层结构至上而下包括覆盖层、参考层、隧穿势垒层、自由层和反铁磁层。

14、可选的，所述热磁辅助层包括在所述磁隧道结mtj阵列下方布置的热辅助层和在所述热辅助层下方布置的多个磁化辅助层，所述多个磁化辅助层中的每个磁化辅助层与所述每个磁隧道结mtj一一对应，所述热磁辅助层被配置为：通过施加在所述热辅助层的写入热电流，对所述每个磁隧道结mtj的反铁磁层直接加热，使所述反铁磁层退磁；通过施加在所述每个磁化辅助层的写入磁电流，使所述每个磁化辅助层对应产生预设方向的磁场；以及针对所述每个磁隧道结mtj，通过对应的所述预设方向的磁场，辅助退磁后的反铁磁层实现磁序的反转，以实现所述自由层的阻态反转，将对应的比特位信息写入所述自由层。

15、可选的，在所述每个磁化辅助层和所述热辅助层和之间对应布置有阻挡层，用于阻挡施加在所述热辅助层的写入热电流流入所述每个磁化辅助层。

16、所述热辅助磁存储器的膜层结构还包括包裹在所述每个磁隧道结mtj外层的隔热层，用于降低所述每个磁隧道结mtj的热损耗，所述隔热层为单层或多层结构，材料包括sio、sin、sio/sin材料中的一种。

17、通过上述技术方案，本发明实施例提供的热辅助磁存储器tr-mram，通过施加在热磁辅助层的写入电流将信息写入所述磁隧道结mtj，写入电流不经由磁隧道结mtj，极大提高了tr-mram器件寿命。其中，将产热效率更高的热辅助层直接布置于磁隧道结mtj的反铁磁层下方，对反铁磁层直接加热，使其快速退磁；在热辅助层下方布置磁化辅助层，通入降低的写入磁电流产生磁场，辅助退磁后的反铁磁层进行磁序的重新排布，最终达到反铁磁层的磁序翻转的效果，极大地提高了产热效率，降低了功耗，同时写入电流不经过磁隧道结mtj，极大地提高了tr-mram器件寿命。

18、本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种热辅助磁存储器，其特征在于，所述热辅助磁存储器包括磁隧道结mtj和被布置在所述磁隧道结mtj下方的热磁辅助层，

2.根据权利要求1所述的热辅助磁存储器，其特征在于，所述热辅助磁存储器还包括被布置在所述磁隧道结mtj上方的顶电极层，所述顶电极层被配置为：

3.根据权利要求1所述的热辅助磁存储器，其特征在于，所述磁隧道结mtj的膜层结构至上而下包括覆盖层、参考层、隧穿势垒层、自由层和反铁磁层。

4.根据权利要求3所述的热辅助磁存储器，其特征在于，所述热磁辅助层包括在所述反铁磁层下方布置的热辅助层和在所述热辅助层下方布置的磁化辅助层，所述热磁辅助层被配置为：

5.根据权利要求4所述的热辅助磁存储器，其特征在于，在所述热辅助层和所述磁化辅助层之间布置有阻挡层，用于阻挡施加在所述热辅助层的写入热电流流入所述磁化辅助层。

6.根据权利要求4所述的热辅助磁存储器，其特征在于，所述热辅助层为金属材料，包括ta、tan、tin材料中的一种。

7.根据权利要求4所述的热辅助磁存储器，其特征在于，所述磁化辅助层的材料包括co、nife材料中的一种。

8.根据权利要求3所述的热辅助磁存储器，其特征在于，所述磁隧道结mtj的膜层结构还包括种子层，被布置在所述反铁磁层和所述热辅助层之间，用于改善所述反铁磁层的结晶度，

9.根据权利要求1、3和8中任意一项所述的热辅助磁存储器，其特征在于，所述热辅助磁存储器的膜层结构还包括包裹在所述磁隧道结mtj外层的隔热层，用于降低所述磁隧道结mtj的热损耗，

10.一种热辅助磁存储器，其特征在于，所述热辅助磁存储器包括由多个磁隧道结mtj组成的磁隧道结mtj阵列和被布置在所述磁隧道结mtj阵列下方的热磁辅助层，

11.根据权利要求10所述的热辅助磁存储器，其特征在于，所述热辅助磁存储器还包括被对应布置在所述磁隧道结mtj阵列的每个磁隧道结mtj上方的顶电极层，所述顶电极层被配置为：

12.根据权利要求10所述的热辅助磁存储器，其特征在于，所述磁隧道结mtj阵列的每个磁隧道结mtj的膜层结构至上而下包括覆盖层、参考层、隧穿势垒层、自由层和反铁磁层。

13.根据权利要求12所述的热辅助磁存储器，其特征在于，所述热磁辅助层包括在所述磁隧道结mtj阵列下方布置的热辅助层和在所述热辅助层下方布置的多个磁化辅助层，所述多个磁化辅助层中的每个磁化辅助层与所述每个磁隧道结mtj一一对应，

14.根据权利要求13所述的热辅助磁存储器，其特征在于，在所述每个磁化辅助层和所述热辅助层和之间对应布置有阻挡层，用于阻挡施加在所述热辅助层的写入热电流流入所述每个磁化辅助层。

15.根据权利要求10或12所述的热辅助磁存储器，其特征在于，所述热辅助磁存储器的膜层结构还包括包裹在所述每个磁隧道结mtj外层的隔热层，用于降低所述每个磁隧道结mtj的热损耗，

技术总结
本发明实施例提供一种热辅助磁存储器，属于自旋电子器件技术领域。所述热辅助磁存储器包括磁隧道结MTJ和被布置在所述磁隧道结MTJ下方的热磁辅助层，所述热磁辅助层被配置为：通过施加在所述热磁辅助层的写入电流，将信息写入所述磁隧道结MTJ。本发明实施例提供的热辅助磁存储器TR‑MRAM，通过施加在热磁辅助层的写入电流将信息直接写入所述磁隧道结MTJ，写入电流不经由磁隧道结MTJ，极大提高了TR‑MRAM器件寿命。

技术研发人员：范晓飞,郭宗夏,刘宏喜,曹凯华,王戈飞
受保护的技术使用者：致真存储（北京）科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13