磁隧道結(jié)以及磁存儲(chǔ)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開一種磁隧道結(jié)MTJ以及磁存儲(chǔ)器，該MTJ從上到下依次包括第一鐵磁層、勢(shì)壘層、第二鐵磁層、緩沖層、第三鐵磁層和重金屬層，其中：第一鐵磁層、第二鐵磁層和第三鐵磁層均包括混合金屬材料，勢(shì)壘層包括金屬氧化物材料，緩沖層包括非鐵磁材料；第一鐵磁層的磁化方向?yàn)楣潭ǚ较颍诙F磁層與第三鐵磁層形成鐵磁耦合或反鐵磁耦合。實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例，可以提高磁隧道結(jié)中的第三鐵磁層的磁化方向的翻轉(zhuǎn)速度，提高M(jìn)TJ的可靠性，并可以降低寫入電流，從而降低功耗。
【專利說(shuō)明】
磁隧道結(jié)以及磁存儲(chǔ)器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種磁隧道結(jié)以及磁存儲(chǔ)器。
【背景技術(shù)】
[0002]磁存儲(chǔ)器，是通過(guò)磁電阻性質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存的存儲(chǔ)器，由于磁存儲(chǔ)器具有穩(wěn)定的非易失性、無(wú)限讀取次數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，目前得到廣泛的研究。磁存儲(chǔ)器的核心存儲(chǔ)部分是磁隧道結(jié)(英文:Magnetic Tunnel Junct1n，簡(jiǎn)稱MTJ)，如圖1所示，MTJ包括第一鐵磁層和第二鐵磁層，第一鐵磁層的磁化方向固定不變，為參考層，第二鐵磁層的磁化方向可以同參考層平行或者反平行，為存儲(chǔ)層。當(dāng)存儲(chǔ)層和參考層的磁化方向平行時(shí)，MTJ呈現(xiàn)低阻態(tài)；當(dāng)存儲(chǔ)層和參考層的磁化方向反平行時(shí)，MTJ呈現(xiàn)高阻態(tài)，在信息存儲(chǔ)時(shí)，當(dāng)MTJ呈現(xiàn)低阻態(tài)時(shí)，表征二進(jìn)制數(shù)據(jù)“O”，當(dāng)MTJ呈現(xiàn)高阻態(tài)時(shí)，表征二進(jìn)制數(shù)據(jù)“I”。磁存儲(chǔ)器通過(guò)自旋轉(zhuǎn)移矩(英文:Spin-Transfer Torque，簡(jiǎn)稱STT)改變存儲(chǔ)層的磁化方向，當(dāng)電流通過(guò)MTJ時(shí)，STT與存儲(chǔ)層的磁化方向共線，需要擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致存儲(chǔ)層的磁化方向翻轉(zhuǎn)速度較慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明實(shí)施例公開了一種磁隧道結(jié)以及磁存儲(chǔ)器，可以提高磁隧道結(jié)中的存儲(chǔ)層的磁化方向的翻轉(zhuǎn)速度，提高M(jìn)TJ的可靠性，并可以降低寫入電流，從而降低功耗。
[0004]本發(fā)明實(shí)施例第一方面，提供了一種磁隧道結(jié)MTJ，從上到下依次包括第一鐵磁層、勢(shì)皇層、第二鐵磁層、緩沖層、第三鐵磁層和重金屬層，其中:
[0005]所述第一鐵磁層、所述第二鐵磁層和所述第三鐵磁層均包括混合金屬材料，所述勢(shì)皇層包括金屬氧化物材料，所述緩沖層包括非鐵磁材料；
[0006]所述第一鐵磁層的磁化方向?yàn)楣潭ǚ较?，所述第二鐵磁層與所述第三鐵磁層形成鐵磁耦合或反鐵磁耦合。
[0007]其中，采用三層鐵磁層，增加了鐵磁層的體積，MTJ的熱穩(wěn)定性提高，采用SOT實(shí)現(xiàn)第三鐵磁層的磁化方向的翻轉(zhuǎn)，由于SOT與第三鐵磁層的磁化方向不共線，翻轉(zhuǎn)速度快，在寫數(shù)據(jù)時(shí)，寫入電流無(wú)需通過(guò)MTJ，降低了勢(shì)皇層老化或擊穿的可能，從而提高了 MTJ的可靠性，同時(shí)由于寫入電流無(wú)需通過(guò)MTJ，可以降低寫入電流，從而降低功耗。
[0008]其中，所述MTJ包括讀取端、寫入端和公共端，所述讀取端位于所述第一鐵磁層上，所述寫入端位于所述重金屬層的一端，所述公共端位于所述重金屬層的另一端；
[0009]當(dāng)所述公共端與所述寫入端中一個(gè)加高電壓，另一個(gè)加低電壓，且所述讀取端斷開連接時(shí)，往所述MTJ中寫入數(shù)據(jù)；
[0010]當(dāng)所述公共端與所述讀取端中一個(gè)加高電壓，另一個(gè)加低電壓，且所述寫入端斷開連接時(shí)，從所述MTJ中讀取數(shù)據(jù)。
[0011]結(jié)合本發(fā)明實(shí)施第一方面，在本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述第二鐵磁層的界面垂直磁各向異性PMA大于所述第三鐵磁層的界面PMA。
[0012]其中，由于第二鐵磁層的矯頑場(chǎng)較大，第二鐵磁層存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，可以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的穩(wěn)定性。
[0013]結(jié)合本發(fā)明實(shí)施第一方面或本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第二種實(shí)現(xiàn)方式中，所述混合金屬材料包括鈷鐵、鈷鐵硼、鈷鉑、鎳鐵、鈷鈀中的一種或多種組合。
[0014]結(jié)合本本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第二種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第三種實(shí)現(xiàn)方式中，所述MTJ還包括非鐵磁層，所述非鐵磁層位于所述重金屬層和所述第三鐵磁層之間，所述非鐵磁層為所述金屬氧化物材料，所述非鐵磁層的厚度為0.1?lnm。
[0015]其中，在重金屬層和第三鐵磁層之間加入一層非鐵磁層，相當(dāng)于勢(shì)皇層的作用，可以使第三鐵磁層產(chǎn)生晶格結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)第三鐵磁層的PMA，降低寫入電流。
[0016]結(jié)合本發(fā)明實(shí)施第一方面或本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第四種實(shí)現(xiàn)方式中，所述混合金屬材料包括赫斯勒合金。
[0017]其中，采用Heusler合金，無(wú)需重金屬層與第三鐵磁層間的非鐵磁層，即可產(chǎn)生晶格結(jié)構(gòu)，可以減少勢(shì)皇層老化或擊穿、提高器件可靠性，提高讀取速度，降低勢(shì)皇隧穿電流、提高熱穩(wěn)定性和集成度。
[0018]結(jié)合本本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第四種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第五種實(shí)現(xiàn)方式中，所述MTJ還包括非鐵磁層，所述非鐵磁層位于所述重金屬層和所述第三鐵磁層之間，所述非鐵磁層為所述第一金屬材料，所述第一金屬材料包括銅、金、釕、鉭、鉿中的任一種，所述非鐵磁層的厚度為0.1?2nm。
[0019]其中，MTJ中加入非鐵磁層之后，可以增強(qiáng)PMA，降低寫入電流。
[0020]結(jié)合本發(fā)明實(shí)施第一方面或本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種至第五種中任一種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第六種實(shí)現(xiàn)方式中，所述金屬氧化物材料包括氧化鎂或氧化鋁。
[0021]其中，勢(shì)皇層采用金屬氧化物，用于產(chǎn)生遂穿效應(yīng)，可以提高TMR。非鐵磁層采用金屬氧化物，可以使第三鐵磁層產(chǎn)生晶格結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)第三鐵磁層的PMA，降低寫入電流。
[0022]結(jié)合本發(fā)明實(shí)施第一方面或本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種至第六種中任一種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第七種實(shí)現(xiàn)方式中，所述第一鐵磁層還包括第二金屬材料，所述第二金屬材料包括鉭、釕、鎢中的任一種。
[0023]其中，在第一鐵磁層中加入第二金屬材料，可以提高第一鐵磁層的磁化方向的穩(wěn)定性。
[0024]結(jié)合本發(fā)明實(shí)施第一方面或本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種至第七種中任一種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第八種實(shí)現(xiàn)方式中，所述緩沖層的厚度為0.1?Inm，所述非鐵磁材料包括鉭、釕、鎢、釩、銅、鈮、銥、鉬、鉻中的任一種。
[0025]其中，當(dāng)緩沖層的材料為鉭、釕、鎢、釩、銅、鈮、銥、鉬、鉻中的任一種時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)緩沖層的厚度和材料，控制第二鐵磁層與第三鐵磁層形成鐵磁耦合或反鐵磁耦合，實(shí)現(xiàn)第二鐵磁層(存儲(chǔ)層)的磁化方向的翻轉(zhuǎn)速度，提高寫入速度。
[0026]結(jié)合本發(fā)明實(shí)施第一方面或本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種至第八種中任一種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第九種實(shí)現(xiàn)方式中，所述第一鐵磁層的厚度為I?20nmo
[0027]其中，第一鐵磁層的厚度為I?20nm，可以使得第一鐵磁層的磁化方向固定，可以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)穩(wěn)定性。
[0028]結(jié)合本發(fā)明實(shí)施第一方面或本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種至第九種中任一種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第十種實(shí)現(xiàn)方式中，所述勢(shì)皇層的厚度為0.1?2nm。
[0029]其中，勢(shì)皇層的厚度為0.1?2nm，可以提高TMR值，提高讀取可靠性。
[0030]結(jié)合本發(fā)明實(shí)施第一方面或本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種至第十種中任一種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第十一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述第二鐵磁層的厚度為0.2?3nm，所述第三鐵磁層的厚度為0.2?3nm。
[0031 ] 其中，第二鐵磁層303的厚度為0.2?3nm，第三鐵磁層305的厚度為0.2?3nm，可以使得第三鐵磁層的磁化方向更容易翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)低功耗寫入，可以通過(guò)鐵磁耦合或反鐵磁耦合翻轉(zhuǎn)第二鐵磁層，利用第二鐵磁層更加穩(wěn)定的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0032]結(jié)合本發(fā)明實(shí)施第一方面或本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種至第十一種中任一種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第十二種實(shí)現(xiàn)方式中，所述重金屬層材料包括鉭、釕、鋁、鉑、鎢或銅中的一種或多種組合，所述重金屬層的厚度為5?200nm。
[0033]其中，重金屬層具有較大霍爾角，通過(guò)重金屬層的電流可以產(chǎn)生更大的自旋軌道矩SOT，有助于實(shí)現(xiàn)低功耗翻轉(zhuǎn)。
[0034]結(jié)合本發(fā)明實(shí)施第一方面或本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種至第十二種中任一種實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例第二方面的第十三種實(shí)現(xiàn)方式中，所述MTJ的形狀為矩形、圓形或橢圓形中的一種。
[0035]本發(fā)明實(shí)施例第二方面，提供了一種磁存儲(chǔ)器，包括本發(fā)明實(shí)施第一方面的任一種實(shí)現(xiàn)方式中的MTJ和與所述MTJ對(duì)應(yīng)的開關(guān)管，其中:
[0036]所述MTJ均包括讀取端、寫入端和公共端，所述讀取端位于所述MTJ的所述第一鐵磁層上，所述寫入端位于所述MTJ的所述重金屬層的一端，所述公共端位于所述MTJ的所述重金屬層的另一端，所述MTJ的公共端通過(guò)開關(guān)管連接位線BL，所述MTJ的讀取端連接讀取線RL，所述MT J的寫入端連接源線SL ；
[0037]當(dāng)所述開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，若所述BL和所述SL中一個(gè)加高電壓，另一個(gè)加低電壓，往所述MTJ中寫入數(shù)據(jù)；
[0038]當(dāng)所述開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，若所述BL和所述RL中一個(gè)加高電壓，另一個(gè)加低電壓，從所述MTJ中讀取數(shù)據(jù)。
[0039]其中，利用SOT，可以提高M(jìn)TJ中鐵磁層的磁化方向的翻轉(zhuǎn)速度，提高讀寫速度，讀寫路徑獨(dú)立，寫入電流無(wú)需通過(guò)MTJ中的勢(shì)皇層，降低了寫入功耗，降低了 MTJ中的勢(shì)皇層老化或擊穿的可能，提高磁存儲(chǔ)器的可靠性。
[0040]本發(fā)明實(shí)施例中，磁隧道結(jié)MTJ包括第一鐵磁層、勢(shì)皇層、第二鐵磁層、緩沖層、第三鐵磁層和重金屬層，其中:第一鐵磁層、第二鐵磁層和第三鐵磁層均為混合金屬材料，勢(shì)皇層為金屬氧化物材料，緩沖層為非鐵磁材料;第一鐵磁層的磁化方向?yàn)楣潭ǚ较?，第二鐵磁層與第三鐵磁層形成鐵磁耦合或反鐵磁耦合，第二鐵磁層的界面垂直磁各向異性PMA大于第三鐵磁層的界面PMA。當(dāng)重金屬層中注入電流時(shí)，重金屬層中自旋方向不同的電子向與電流垂直的方向移動(dòng)，分別在重金屬層底部及重金屬層與第三鐵磁層之間的界面積累，形成垂直自旋流，從而在重金屬層與第三鐵磁層之間產(chǎn)生自旋軌道矩SOT;由于第三鐵磁層與重金屬層之間產(chǎn)生的自旋軌道矩SOT的方向與第三鐵磁層的磁化方向不共線，第三鐵磁層的磁化方向在自旋軌道矩SOT的作用下快速完成翻轉(zhuǎn)，由于第二鐵磁層與第三鐵磁層形成鐵磁耦合或反鐵磁耦合，進(jìn)而導(dǎo)致第二鐵磁層(存儲(chǔ)層，也稱自由層)的磁化方向快速翻轉(zhuǎn)，可以提高M(jìn)T J中的存儲(chǔ)層的磁化方向的翻轉(zhuǎn)速度。
【附圖說(shuō)明】
[0041]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0042]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中公開的一種傳統(tǒng)MTJ的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0043]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中公開的一種雙勢(shì)皇層MTJ的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖3是本發(fā)明實(shí)施例公開的一種MTJ的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0045]圖4是本發(fā)明實(shí)施例公開的另一種MTJ的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0046]圖5是本發(fā)明實(shí)施例公開的另一種MTJ的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0047]圖6是本發(fā)明實(shí)施例公開的另一種MTJ的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0048]圖7是本發(fā)明實(shí)施例公開的一種磁存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0050]請(qǐng)參閱圖1，圖1是現(xiàn)有技術(shù)中公開的一種傳統(tǒng)MTJ的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1所示的MTJ包括第一鐵磁層101、勢(shì)皇層102和第二鐵磁層103，其中，第一鐵磁層101的磁化方向固定不變，為參考層，第二鐵磁層103的磁化方向可以同參考層平行或者反平行，為存儲(chǔ)層，也叫自由層。當(dāng)存儲(chǔ)層103和參考層101的磁化方向反平行時(shí)，如圖1(a)所示，MTJ呈現(xiàn)高阻態(tài)Rap;當(dāng)存儲(chǔ)層103和參考層101的磁化方向平行時(shí)，如圖1(b)所示，MTJ呈現(xiàn)低阻態(tài)Rp，在信息存儲(chǔ)時(shí)，當(dāng)MTJ呈現(xiàn)低阻態(tài)時(shí)，表征二進(jìn)制數(shù)據(jù)“O”，當(dāng)MTJ呈現(xiàn)高阻態(tài)時(shí)，表征二進(jìn)制數(shù)據(jù)“I”，MTJ的高低兩種電阻狀態(tài)之間的差異度用磁遂穿電阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)來(lái)描述，TMR= (Rap-Rp) /Rp，TMR越大，讀取可靠性越高。磁存儲(chǔ)器通過(guò)自旋轉(zhuǎn)移矩(英文:Spin-Transfer Torque，簡(jiǎn)稱STT)改變存儲(chǔ)層的磁化方向，當(dāng)電流通過(guò)MTJ時(shí)，STT與存儲(chǔ)層103的磁化方向共線，需要擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致存儲(chǔ)層103的磁化方向翻轉(zhuǎn)速度較慢。
[0051 ]當(dāng)存儲(chǔ)層103與參考層101的磁化方向反平行時(shí)，圖1 (a)所示，參考層101的磁化方向向上，存儲(chǔ)層103的初始磁化方向向下，若電流從上至下，電子從下向上，參考層101中自旋方向向下的電子(如圖1中的電子al)由于與參考層101的磁化方向不同，參考層101中自旋方向向下的電子無(wú)法通過(guò)參考層101(如圖1中的電子al，經(jīng)過(guò)軌跡Si返射回參考層101)，而參考層101中自旋方向向上的電子(如圖1中的電子a2、a3)由于與參考層101的磁化方向相同，參考層101中自旋方向向上的電子穿過(guò)勢(shì)皇層102作用于存儲(chǔ)層103(如圖1中的電子a2、a3，經(jīng)過(guò)軌跡s2穿過(guò)勢(shì)皇層102，進(jìn)入存儲(chǔ)層103)，以使從參考層101穿過(guò)來(lái)的電子自旋與存儲(chǔ)層103中的電子的磁矩產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移矩(英文:Spin-Transfer Torque，簡(jiǎn)稱STT)，使參考層101穿過(guò)來(lái)的電子與存儲(chǔ)層103中的電子產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，逐漸翻轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層103的磁化方向(翻轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層103的磁化方向從向下逐漸翻轉(zhuǎn)為向上)，當(dāng)從參考層101穿過(guò)來(lái)的電子數(shù)量足夠多時(shí)，即可將存儲(chǔ)層103中電子的磁矩方向“同化”(如圖1(a)所示，存儲(chǔ)層103的磁化方向由向下逐漸變?yōu)橄蛏?，以使存儲(chǔ)層103中電子的磁矩方向與參考層101中電子的磁矩方向相同，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)層103與參考層101磁化方向一致的狀態(tài)。由于STT與存儲(chǔ)層103中的電子的初始磁矩方向平行，需要擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)層103的磁化方向翻轉(zhuǎn)，進(jìn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致讀寫速度慢。
[0052]當(dāng)存儲(chǔ)層103與參考層101的磁化方向平行時(shí)，圖1(b)所示，參考層101的磁化方向向上，存儲(chǔ)層103的初始磁化方向向上，電流從下至上，電子從上向下，存儲(chǔ)層103中自旋方向向上的電子(如圖1中的電子b2、b3)由于與參考層101的磁化方向相同而穿過(guò)勢(shì)皇層102而到達(dá)參考層101，存儲(chǔ)層103中自旋方向向下的電子(如圖1中的電子bl)由于與參考層101的磁化方向不同，無(wú)法到達(dá)參考層101而反射回來(lái)，反射回來(lái)的電子的自旋與存儲(chǔ)層103中的電子的磁矩產(chǎn)生STT，使反射回來(lái)的電子與存儲(chǔ)層103中的電子產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，逐漸翻轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層103的磁化方向(翻轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層103的磁化方向從向上逐漸翻轉(zhuǎn)為向下)，當(dāng)反射回來(lái)的電子數(shù)量足夠多時(shí)，即可將存儲(chǔ)層103中電子的磁矩方向“同化”(如圖1(b)所示，存儲(chǔ)層103的磁化方向由向上逐漸變?yōu)橄蛳?，以使存儲(chǔ)層103中電子的磁矩方向與參考層101中電子的磁矩方向不同，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)層103與參考層101磁化方向相反的狀態(tài)。同理，由于STT與存儲(chǔ)層103中的電子的初始磁矩方向平行，需要擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)層103的磁化方向翻轉(zhuǎn)，進(jìn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致讀寫速度慢。
[0053]請(qǐng)參閱圖2，圖2是現(xiàn)有技術(shù)中公開的一種雙勢(shì)皇層MTJ的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，從下至上依次包括第一鐵磁層201、第一勢(shì)皇層202、第二鐵磁層203、緩沖層204、第三鐵磁層205和第二勢(shì)皇層206。
[0054]與圖1所示的傳統(tǒng)MTJ相比，圖2中的雙勢(shì)皇層MTJ多了一層緩沖層、一層鐵磁層和一層勢(shì)皇層，采用圖2所示的雙勢(shì)皇層MTJ，增加了鐵磁層的體積，可以提高界面各向異性能，與傳統(tǒng)MTJ相比，熱穩(wěn)定性提高。然而，由于雙勢(shì)皇層MTJ的存儲(chǔ)層的磁化方向翻轉(zhuǎn)原理與傳統(tǒng)MTJ相同，通過(guò)STT實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)層的磁化方向翻轉(zhuǎn)，進(jìn)動(dòng)時(shí)間依然很長(zhǎng)，讀寫速度依舊較慢。
[0055]需要說(shuō)明的是，圖1和圖2所示的MTJ，在讀和寫的過(guò)程中，都需要電流穿過(guò)整個(gè)MTJ，例如，在圖1中，電流需要流經(jīng)第二鐵磁層103、勢(shì)皇層102和第一鐵磁層101;在圖2中，電流需要流經(jīng)第二勢(shì)皇層206、第三鐵磁層205、緩沖層204、第二鐵磁層203、第一勢(shì)皇層202和第一鐵磁層201。
[0056]本發(fā)明實(shí)施例公開了一種磁隧道結(jié)以及磁存儲(chǔ)器，可以提高磁隧道結(jié)中的存儲(chǔ)層的磁化方向的翻轉(zhuǎn)速度。以下分別進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0057]請(qǐng)參閱圖3，圖3是本發(fā)明實(shí)施例公開的一種MTJ的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，從上至下依次包括第一鐵磁層301、勢(shì)皇層302、第二鐵磁層303、緩沖層304、第三鐵磁層305和重金屬層306，其中:
[0058]第一鐵磁層301、第二鐵磁層303和第三鐵磁層305均包括混合金屬材料，勢(shì)皇層302包括金屬氧化物材料，緩沖層304包括非鐵磁材料；
[0059]第一鐵磁層301的磁化方向?yàn)楣潭ǚ较?，第二鐵磁層303與第三鐵磁層305形成鐵磁耦合或反鐵磁耦合。
[0060]本發(fā)明實(shí)施例中，第一鐵磁層301、第二鐵磁層303和第三鐵磁層305均包括混合金屬材料，混合金屬材料為鐵磁材料；勢(shì)皇層302為金屬氧化物材料，為非鐵磁材料;緩沖層304為非鐵磁材料，可以為非鐵磁金屬材料;第一鐵磁層301為參考層，磁化方向保持不變，所以第一鐵磁層301的磁化方向?yàn)楣潭ǚ较?，例如固定向上或固定向?可以通過(guò)調(diào)節(jié)緩沖層304的厚度和材料，控制第二鐵磁層303與第三鐵磁層305形成鐵磁耦合或反鐵磁耦合。[0061 ]當(dāng)重金屬層306中注入電流時(shí)，重金屬層306中自旋方向不同的電子向電流的垂直方向移動(dòng)產(chǎn)生自旋流，自旋流會(huì)導(dǎo)致重金屬層306的自旋積累，由于勢(shì)皇層302、第二鐵磁層303、緩沖層304、第三鐵磁層305和重金屬層306在垂直方向形成的結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱性會(huì)使得該自旋積累產(chǎn)生作用于第三鐵磁層305的自旋軌道矩(英文:Spin-Orbit Torque，簡(jiǎn)稱S0T)，且SOT和第三鐵磁層305的磁化方向不共線，SOT直接作用于第三鐵磁層305，與圖1或圖2中的MTJ相比，可以減少擾動(dòng)過(guò)程，第三鐵磁層305的磁化方向翻轉(zhuǎn)速度快。鐵磁耦合為:需要外加磁場(chǎng)使得SOT確定性翻轉(zhuǎn)，第二鐵磁層303與第三鐵磁層305的磁化方向相同；反鐵磁耦合為:通過(guò)交換偏置產(chǎn)生內(nèi)在有效磁場(chǎng)，無(wú)需施加外加磁場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)SOT確定性翻轉(zhuǎn)，第二鐵磁層303與第三鐵磁層305的磁化方向相反。優(yōu)選的，第二鐵磁層303與第三鐵磁層305形成反鐵磁親合，與鐵磁親合相比，反鐵磁親合無(wú)需施加外加磁場(chǎng)，節(jié)省空間，可以提高集成度。
[0062]MTJ可以采用傳統(tǒng)的離子束外延、原子層沉積或磁控濺射的方法將其中的各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍?cè)谝r底上，然后通過(guò)光刻、刻蝕等納米器件加工工藝進(jìn)行制備。
[0063]如圖3(a)所示，第一鐵磁層301為參考層，第一鐵磁層301的磁化方向固定不變，為“垂直向上”，第二鐵磁層303為存儲(chǔ)層，第二鐵磁層303的初始磁化方向?yàn)椤按怪毕蛳隆?，此時(shí)MTJ存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為“I”，第三鐵磁層305為翻轉(zhuǎn)層，由于第二鐵磁層303與第三鐵磁層305形成反鐵磁耦合，第三鐵磁層305的初始磁化方向?yàn)椤按怪毕蛏稀薄．?dāng)需要向MTJ中寫入數(shù)據(jù)“O”時(shí)，重金屬層306中注入寫入正電流，重金屬層306中自旋方向不同的電子(如圖3中的自旋向上的電子a 1、a2，自旋向下的電子a3、a4)向電流的垂直方向移動(dòng)產(chǎn)生自旋流，在重金屬層306與第三鐵磁層305界面處累計(jì)的自旋流會(huì)導(dǎo)致重金屬層306的自旋積累(如圖3中自旋向上的電子a 1、a2的自旋積累)，該自旋積累產(chǎn)生作用于第三鐵磁層305的SOT，該SOT的方向與第三鐵磁層305的磁化方向保持垂直，以使第三鐵磁層305的磁化方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到第三鐵磁層305的磁化方向由初始的“垂直向上”變?yōu)榕c電流方向平行，此時(shí)停止向重金屬層306中注入寫入正電流，由于第二鐵磁層303與第三鐵磁層305形成反鐵磁耦合，通過(guò)交換偏置產(chǎn)生內(nèi)在有效磁場(chǎng)，以使第三鐵磁層305的磁化方向由與電流方向平行確定性地變?yōu)椤按怪毕蛳隆?，?shí)現(xiàn)了第三鐵磁層305的磁化方向的翻轉(zhuǎn)，并使得第二鐵磁層303的磁化方向變?yōu)椤按怪毕蛏稀?，此時(shí)，MTJ中寫入數(shù)據(jù)從T變?yōu)椤癘” AOT的方向與第三鐵磁層305的磁化方向保持垂直，即SOT的方向與第三鐵磁層305的磁化方向不共線，與圖1或圖2中的MTJ相比，可以減少擾動(dòng)過(guò)程，第三鐵磁層305的磁化方向翻轉(zhuǎn)速度快。
[0064]如圖3(b)所示，第一鐵磁層301為參考層，第一鐵磁層301的磁化方向固定不變，為“垂直向上”，第二鐵磁層303為存儲(chǔ)層，第二鐵磁層303的初始磁化方向?yàn)椤按怪毕蛏稀保藭r(shí)MTJ存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為“O”，第三鐵磁層305為翻轉(zhuǎn)層，由于第二鐵磁層303與第三鐵磁層305形成反鐵磁耦合，第三鐵磁層305的初始磁化方向?yàn)椤按怪毕蛳隆?。?dāng)需要向MTJ中寫入數(shù)據(jù)“I”時(shí)，重金屬層306中注入寫入負(fù)電流，重金屬層306中自旋方向不同的電子(如圖3中的自旋向下的電子b1、b2，自旋向上的電子b3、b4)向電流的垂直方向移動(dòng)產(chǎn)生自旋流，在重金屬層306與第三鐵磁層305界面處累計(jì)的自旋流會(huì)導(dǎo)致重金屬層306的自旋積累(如圖3中自旋向下的電子b1、b2的自旋積累)，該自旋積累產(chǎn)生作用于第三鐵磁層305的SOT，該SOT的方向與第三鐵磁層305的磁化方向保持垂直，以使第三鐵磁層305的磁化方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到第三鐵磁層305的磁化方向由初始的“垂直向下”變?yōu)榕c電流方向平行，此時(shí)停止向重金屬層306中注入寫入負(fù)電流，由于第二鐵磁層303與第三鐵磁層305形成反鐵磁耦合，通過(guò)交換偏置產(chǎn)生內(nèi)在有效磁場(chǎng)，以使第三鐵磁層305的磁化方向由與電流方向平行確定性地變?yōu)椤按怪毕蛏稀?，?shí)現(xiàn)了第三鐵磁層305的磁化方向的翻轉(zhuǎn)，并使得第二鐵磁層303的磁化方向變?yōu)椤按怪毕蛳隆?，此時(shí)，MTJ中寫入數(shù)據(jù)從“O”變?yōu)門。SOT的方向與第三鐵磁層305的磁化方向保持垂直，即SOT的方向與第三鐵磁層305的磁化方向不共線，與圖1或圖2中的MTJ相比，可以減少擾動(dòng)過(guò)程，第三鐵磁層305的磁化方向翻轉(zhuǎn)速度快。
[0065]如圖3(c)所示，當(dāng)需要從MTJ中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，在第一鐵磁層301上施加高電壓，重金屬層306左側(cè)施加低電壓，讀取電流從第一鐵磁層301自上而下流經(jīng)MTJ至重金屬層306，由于第一鐵磁層301與第二鐵磁層呈平行與反平行狀態(tài)的讀取電流不同，通過(guò)讀取放大器讀取的電流與基準(zhǔn)參考電流進(jìn)行比較，判斷存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)信息，基準(zhǔn)參考電流可以根據(jù)讀取數(shù)據(jù)“O”的第一讀取電流與讀取數(shù)據(jù)“I”的第二讀取電流確定，例如，可以將基準(zhǔn)參考電流設(shè)置為第一讀取電流與第二讀取電流的平均值，當(dāng)讀取放大器讀取的電流大于基準(zhǔn)參考電流時(shí)，確定從MTJ中讀取的數(shù)據(jù)為“O”，當(dāng)讀取放大器讀取的電流小于基準(zhǔn)參考電流時(shí)，確定從MTJ中讀取的數(shù)據(jù)為“I”。
[0066]在一個(gè)實(shí)施例中，第二鐵磁層303的界面垂直磁各向異性PMA大于第三鐵磁層305的界面PM。
[0067]由于PMA越大，矯頑場(chǎng)越大，第二鐵磁層303的界面PMA大于第三鐵磁層305的界面PMA，第二鐵磁層303的矯頑場(chǎng)大于第三鐵磁層305的矯頑場(chǎng)，越容易實(shí)現(xiàn)第三鐵磁層305的磁化方向的翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)低功耗寫入，由于第二鐵磁層303的矯頑場(chǎng)越大，第二鐵磁層303存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，可以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的穩(wěn)定性。
[0068]在一個(gè)實(shí)施例中，混合金屬材料包括鈷鐵、鈷鐵硼、鈷鉑、鎳鐵、鈷鈀中的一種或多種組合。
[0069]本發(fā)明實(shí)施例中，混合金屬材料可以包括鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)、鈷鉑(CoPt)、銀鐵(NiFe)、鉆鈕(CoPd)等鐵磁材料，可以為鉆鐵、鉆鐵棚、鉆銷、銀鐵、鉆鈕中的一種或多種組合，混合金屬材料中各種元素組成可以不一樣，例如，CoFeB中每種元素的占比可以不同。
[0070]可選的，如圖4所示，圖4是本發(fā)明實(shí)施例公開的另一種MTJ的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4中的MTJ還包括非鐵磁層307，非鐵磁層位于重金屬層306和第三鐵磁層305之間，非鐵磁層307為金屬氧化物材料，非鐵磁層307的厚度為0.1?lnm。
[0071]當(dāng)?shù)谝昏F磁層301、第二鐵磁層303和第三鐵磁層305均為鈷鐵、鈷鐵硼、鈷鉑、鎳鐵、鈷鈀中的一種或多種組合的混合金屬材料時(shí)，MTJ還包括非鐵磁層307，且非鐵磁層307為金屬氧化物材料，金屬氧化物材料可以包括氧化鎂、氧化鋁等非鐵磁材料，非鐵磁層307的厚度為0.1?lnm。在重金屬層306和第三鐵磁層305之間加入一層非鐵磁層307，相當(dāng)于勢(shì)皇層304的作用，可以使第三鐵磁層305產(chǎn)生晶格結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)第三鐵磁層305的PMA，降低寫入電流。
[0072]在一個(gè)實(shí)施例中，混合金屬材料包括赫斯勒合金。
[0073]本發(fā)明實(shí)施例中，混合金屬材料可以包括赫斯勒合金，也稱為HeusIer合金，Heusler合金是一類合金的總稱，通常為XYZ以及X2YZ,其中，X、Y、Z為元素周期表中特定區(qū)域的元素，例如，X可以為鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、舒(Ru)、銘(Rh) !(Pd)、銀(Ag)、鎘(Cd)、銥(Ir)、鉑(Pt)、金(Au)中的任一種;Y可以為鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)中的任一種；Z可以為鋁(Al)、硅(Si)、鎵(Ga)、鍺(Ge)、砷(As)、銦(In)、錫(Sn)、銻(Sb)、鉈(Tl)、鉛(Pb)、鉍(Bi)中的任一種。常見的Heusler合金可以包括:Cu2MnAl、Cu2MnIn、Cu2MnSn、Ni2MnAl、Ni2MnIn、Ni2MnSn、Ni2MnSb、Ni2MnGa、Co2MnAl、Co2MnS1、Co2MnGa、Co2MnGe、Pd2MnAl、Pd2MnIn、Pd2MnSn、Pd2MnSb、CoFeS1、CoFeAl、Mn2VGa、Co2FeGe 等。Heus Ier合金具有如下優(yōu)點(diǎn):(I)、高自旋極化率，可以提高M(jìn)TJ的磁遂穿電阻(Tunne IMagnetoresistance，TMR)，例如，NiMnSb可以獲得 100% 的自旋極化率；(2)、高PMA; (3)、低磁阻尼系數(shù)，可以降低MTJ的寫入電流，磁阻尼系數(shù)α可以低至0.001; (4)、高居里溫度，采用Heusler合金，可以在較大的溫度范圍內(nèi)保持鐵磁性，有助于MTJ在更大的溫度范圍內(nèi)工作；
(5)、晶格失配小，與勢(shì)皇層402的晶格失配較小，對(duì)于氧化鎂(MgO)來(lái)說(shuō)，MgO與Co2FeAl的晶格失配很小，易于制造。采用Heusler合金，無(wú)需重金屬層306與第三鐵磁層305間的非鐵磁層307，即可產(chǎn)生晶格結(jié)構(gòu)，可以減少勢(shì)皇層302老化或擊穿、提高器件可靠性，降低RA值(RA值是MTJ的阻值與橫截面積的乘積，降低RA值可以提高讀取速度)、提高讀取速度，降低勢(shì)皇隧穿電流、提高熱穩(wěn)定性和集成度。
[0074]可選的，如圖5所不，圖5是本發(fā)明實(shí)施例公開的另一種MTJ的結(jié)構(gòu)不意圖，圖5中的MTJ還包括非鐵磁層307，非鐵磁層307位于重金屬層306和第三鐵磁層305之間，非鐵磁層307為第一金屬材料，第一金屬材料包括銅、金、釕、鉭、鉿中的任一種，非鐵磁層307的厚度為0.1?2nm。
[0075]當(dāng)?shù)谝昏F磁層301、第二鐵磁層303和第三鐵磁層305均為赫斯勒合金時(shí)，MTJ還可以包括非鐵磁層307，且非鐵磁層307為第一金屬材料，第一金屬材料包括銅、金、釕、鉭、鉿中的任一種，加入非鐵磁層307之后，可以增強(qiáng)PMA，降低寫入電流。
[0076]在一個(gè)實(shí)施例中，金屬氧化物材料包括氧化鎂或氧化鋁。
[0077]勢(shì)皇層302采用金屬氧化物，用于產(chǎn)生遂穿效應(yīng)，可以提高TMR。非鐵磁層307采用金屬氧化物，可以使第三鐵磁層305產(chǎn)生晶格結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)第三鐵磁層305的PMA，降低寫入電流。優(yōu)選的，勢(shì)皇層302可以采用氧化鎂，當(dāng)勢(shì)皇層302采用氧化鎂，第一鐵磁層301和第二鐵磁層303采用赫斯勒合金時(shí)，晶格失配小，晶格缺陷少，易于合成。
[0078]在一個(gè)實(shí)施例中，第一鐵磁層301還包括第二金屬材料，第二金屬材料包括鉭、釕、鎢中的任一種。
[0079]第一鐵磁層301除了包括混合金屬材料之外，還可以包括第二金屬材料，第一鐵磁層301本身可以包括三層，例如，如圖6所示，圖6是本發(fā)明實(shí)施例公開的另一種MTJ的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6中的上層和下層均為混合金屬材料為鈷鉑(CoPt)，中間層為鉭、釕、鎢中的任一種。實(shí)施圖6所示的MTJ，可以提高第一鐵磁層301的磁化方向的穩(wěn)定性。
[0080]在一個(gè)實(shí)施例中，緩沖層304的厚度為0.1?lnm，非鐵磁材料包括鉭、釕、鎢、釩、銅、鈮、銥、鉬、鉻中的任一種。
[0081]緩沖層304采用非鐵磁材料，例如鉭、釕、鎢、釩、銅、鈮、銥、鉬、鉻等?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)緩沖層304的厚度和材料，控制第二鐵磁層303與第三鐵磁層305形成鐵磁耦合或反鐵磁耦合。例如
[0082]鉭Ta的反鐵磁親合區(qū)間是0.5nm-0.9nm，在0.7nm達(dá)到反鐵磁親合最大;鐵磁親合區(qū)間是0.lnm-0.5nm；
[0083]^!了Ru的反鐵磁親合區(qū)間是0.1nm-0.6nm，在0.3nm達(dá)到反鐵磁親合最大；鐵磁親合區(qū)間是0.6nm-l.0nm；
[0084]媽W(xué)的反鐵磁親合區(qū)間是0.25nm-0.85nm，在0.55nm達(dá)到反鐵磁親合最大;鐵磁親合區(qū)間是0.1nm-0.5nm；
[0085]fjiV的反鐵磁親合區(qū)間是0.6nm-l.0nm，在0.9nm達(dá)到反鐵磁親合最大;鐵磁親合區(qū)間是0.lnm-0.6nm；
[0086]銅Cu的反鐵磁親合區(qū)間是0.5nm-l.0nm，在0.8nm達(dá)到反鐵磁親合最大;鐵磁親合區(qū)間是0.lnm-0.5nm；
[0087]銀Nb的反鐵磁親合區(qū)間是0.7nm-l.0nm，在0.95nm達(dá)到反鐵磁親合最大;鐵磁親合區(qū)間是0.lnm-0.7nm；
[0088]銥Ir的反鐵磁親合區(qū)間是0.lnm-0.7nm，在0.4nm達(dá)到反鐵磁親合最大;鐵磁親合區(qū)間是0.7nm_l.0nm；
[0089]鉬Mo的反鐵磁親合區(qū)間是0.22nm-0.82nm，在0.52nm達(dá)到反鐵磁親合最大；
[°09°]絡(luò)Cr的反鐵磁親合區(qū)間是0.1nm-1nm，在0.7nm達(dá)到反鐵磁親合最大；
[0091]由于反鐵磁耦合無(wú)需外加磁場(chǎng)，本發(fā)明實(shí)施例中，優(yōu)選反鐵磁耦合。
[0092I在一個(gè)實(shí)施例中，第一鐵磁層301的厚度為I?20nm。可以使得第一鐵磁層301的磁化方向固定，可以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)穩(wěn)定性。
[0093]在一個(gè)實(shí)施例中，勢(shì)皇層302的厚度為0.1?2nm。優(yōu)選的，勢(shì)皇層302的厚度為lnm，增大勢(shì)皇層302的厚度可以提高TMR值，提高讀取可靠性。
[0094]在一個(gè)實(shí)施例中，第二鐵磁層303的厚度為0.2?3nm，第三鐵磁層305的厚度為0.2?3nm。可以使得第三鐵磁層305的磁化方向更容易翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)低功耗寫入，可以通過(guò)鐵磁耦合或反鐵磁耦合翻轉(zhuǎn)第二鐵磁層303，利用第二鐵磁層303更加穩(wěn)定的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0095]在一個(gè)實(shí)施例中，重金屬層306的材料包括鉭、釕、鋁、鉑、鎢或銅中的一種或多種組合，重金屬層306的厚度為5?200nm。具有較大霍爾角，通過(guò)重金屬層306的電流可以產(chǎn)生更大的自旋軌道矩SOT，有助于實(shí)現(xiàn)低功耗翻轉(zhuǎn)。
[0096]在一個(gè)實(shí)施例中，MTJ的形狀為矩形、圓形或橢圓形中的一種。
[0097]通過(guò)實(shí)施圖3所示的MTJ，與圖1所示的MTJ相比，增加了鐵磁層的體積，可以提高界面各向異性能，與圖1所不的MTJ相比，熱穩(wěn)定性提尚。與圖1和圖2所不的MTJ相比，圖3所不的MT J采用SOT實(shí)現(xiàn)第三鐵磁層305的磁化方向的翻轉(zhuǎn)，由于SOT與第三鐵磁層305的磁化方向不共線，翻轉(zhuǎn)速度快，在寫數(shù)據(jù)時(shí)，寫入電流無(wú)需通過(guò)MTJ，降低了勢(shì)皇層老化或擊穿的可能，從而提高了MTJ的可靠性，同時(shí)由于寫入電流無(wú)需通過(guò)MTJ，可以降低寫入電流，從而降低功耗。
[0098]請(qǐng)參閱圖7，圖7是本發(fā)明實(shí)施例公開的一種磁存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖7所示，磁存儲(chǔ)器包括多個(gè)圖3所示的MTJ和多個(gè)開關(guān)管，其中:
[0099]每個(gè)MTJ均包括讀取端RP、寫入端WP和公共端GND，讀取端RP位于MTJ的第一鐵磁層301上，寫入端WP位于MTJ的重金屬層306的一端，公共端GND位于MTJ的重金屬層306的另一端，MTJ的公共端GND通過(guò)開關(guān)管連接位線BL，MTJ的讀取端RP連接讀取線RL，MTJ的寫入端WP連接源線SL;
[0100]當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，若BL和SL中一個(gè)加高電壓，另一個(gè)加低電壓，往MTJ中寫入數(shù)據(jù)；
[0101]當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，若BL和RL中一個(gè)加高電壓，另一個(gè)加低電壓，從MTJ中讀取數(shù)據(jù)。[0?02] 本發(fā)明實(shí)施例中，磁存儲(chǔ)器可以包括磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(英文-Magnetic RandomAccess Memory，簡(jiǎn)稱MRAM)。磁存儲(chǔ)器包括多個(gè)MTJ與上述多個(gè)MTJ對(duì)應(yīng)的多個(gè)開關(guān)管T，開關(guān)管T可以為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(英文:Meta1-Oxide-Semiconductor Field-
Effect Transistor,MOSFET，簡(jiǎn)稱MOS管)，如圖7中的MTJO、MTJ1、MTJ2、MTJ3......等。每個(gè)
MTJ的公共端GND均通過(guò)開關(guān)管連接位線BL，例如，MTJO的公共端GNDO通過(guò)開關(guān)管TO連接位線BL0，MTJ1的公共端GNDl通過(guò)開關(guān)管Tl連接位線BL1，MTJ2的公共端GND2通過(guò)開關(guān)管T2連接位線BL2......等。每個(gè)MTJ的讀取端RP連接讀取線RL，例如，MTJO的讀取端RPO連接讀取線RL0，MTJ1的讀取端RPl連接讀取線RL1，MTJ2的讀取端RP2連接讀取線RL2......等。每個(gè)
MT J的寫入端WP連接源線SL，例如，MTJO的寫入端WPO連接源線SLO，MTJI的寫入端WPI連接源線SL1，MTJ2的寫入端WP2連接源線SL2......等。
[0103]向磁存儲(chǔ)器中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，例如，若需要向MTJO中寫入數(shù)據(jù)“O”，則打開開關(guān)管TO(若開關(guān)管TO為MOS管，則給WLO施加高電平，以使開關(guān)管TO導(dǎo)通)，給SLO施加高電壓，BLO施加低電壓，RLO斷開;若需要向MTJO中寫入數(shù)據(jù)“I”，則打開開關(guān)管TO，給SLO施加低電壓，BLO施加高電壓，RLO斷開。向MTJ中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，電流不需要通過(guò)MTJ，只需要通過(guò)MTJ的重金屬層，所以寫入功耗降低，降低了 MTJ中的勢(shì)皇層老化或擊穿的可能，提高磁存儲(chǔ)器的可靠性。
[0104]從磁存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)時(shí)，例如，若需要讀取MTJO中的數(shù)據(jù)，則打開開關(guān)管TO，給RLO施加高電壓，給BLO施加低電壓，SLO斷開，通過(guò)讀取放大器讀取MT JO中的電流，通過(guò)讀取放大器讀取的電流與基準(zhǔn)參考電流進(jìn)行比較，判斷存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)信息，例如，當(dāng)讀取放大器讀取的電流大于基準(zhǔn)參考電流時(shí)，確定存儲(chǔ)在MTJO中的數(shù)據(jù)為“O”，當(dāng)讀取放大器讀取的電流小于基準(zhǔn)參考電流時(shí)，確定存儲(chǔ)在MTJO中的數(shù)據(jù)為“I”。
[0105]實(shí)施圖7所示的磁存儲(chǔ)器，利用SOT，可以提高M(jìn)TJ中鐵磁層的磁化方向的翻轉(zhuǎn)速度，提高讀寫速度，讀寫路徑獨(dú)立，寫入電流無(wú)需通過(guò)MTJ中的勢(shì)皇層，降低了寫入功耗，降低了 MTJ中的勢(shì)皇層老化或擊穿的可能，提高磁存儲(chǔ)器的可靠性。
[0106]以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例公開的一種磁隧道結(jié)以及磁存儲(chǔ)器進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種磁隧道結(jié)MTJ，其特征在于，從上到下依次包括第一鐵磁層、勢(shì)皇層、第二鐵磁層、緩沖層、第三鐵磁層和重金屬層，其中: 所述第一鐵磁層、所述第二鐵磁層和所述第三鐵磁層均包括混合金屬材料，所述勢(shì)皇層包括金屬氧化物材料，所述緩沖層包括非鐵磁材料； 所述第一鐵磁層的磁化方向?yàn)楣潭ǚ较?，所述第二鐵磁層與所述第三鐵磁層形成鐵磁耦合或反鐵磁耦合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MTJ，其特征在于，所述MTJ包括讀取端、寫入端和公共端，所述讀取端位于所述第一鐵磁層上，所述寫入端位于所述重金屬層的一端，所述公共端位于所述重金屬層的另一端； 當(dāng)所述公共端與所述寫入端中一個(gè)加高電壓，另一個(gè)加低電壓，且所述讀取端斷開連接時(shí)，往所述MTJ中寫入數(shù)據(jù)； 當(dāng)所述公共端與所述讀取端中一個(gè)加高電壓，另一個(gè)加低電壓，且所述寫入端斷開連接時(shí)，從所述MTJ中讀取數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的MTJ，其特征在于，所述第二鐵磁層的界面垂直磁各向異性PMA大于所述第三鐵磁層的界面PMA。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述的MTJ，其特征在于，所述混合金屬材料包括鈷鐵、鈷鐵硼、鈷鉑、鎳鐵、鈷鈀中的一種或多種組合。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的MTJ，其特征在于，所述MTJ還包括非鐵磁層，所述非鐵磁層位于所述重金屬層和所述第三鐵磁層之間，所述非鐵磁層為所述金屬氧化物材料，所述非鐵磁層的厚度為0.1?Inm06.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述的MTJ，其特征在于，所述混合金屬材料包括赫斯勒合金。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MTJ，其特征在于，所述MTJ還包括非鐵磁層，所述非鐵磁層位于所述重金屬層和所述第三鐵磁層之間，所述非鐵磁層為所述第一金屬材料，所述第一金屬材料包括銅、金、^!了、鉭、給中的任一種，所述非鐵磁層的厚度為0.1?2nm。8.根據(jù)權(quán)利要求1?7任一項(xiàng)所述的MTJ，其特征在于，所述金屬氧化物材料包括氧化鎂或氧化鋁。9.根據(jù)權(quán)利要求1?8任一項(xiàng)所述的MTJ，其特征在于，所述第一鐵磁層還包括第二金屬材料，所述第二金屬材料包括鉭、釕、鎢中的任一種。10.根據(jù)權(quán)利要求1?9任一項(xiàng)所述的MTJ，其特征在于，所述緩沖層的厚度為0.1?Inm，所述非鐵磁材料包括鉭、釕、鎢、釩、銅、鈮、銥、鉬、鉻中的任一種。11.根據(jù)權(quán)利要求1?10任一項(xiàng)所述的MTJ，其特征在于，所述第一鐵磁層的厚度為I?20nmo12.根據(jù)權(quán)利要求1?11任一項(xiàng)所述的MTJ，其特征在于，所述勢(shì)壘層的厚度為0.1?2nm013.根據(jù)權(quán)利要求1?12任一項(xiàng)所述的MTJ，其特征在于，所述第二鐵磁層的厚度為0.2?3nm，所述第三鐵磁層的厚度為0.2?3nm。14.根據(jù)權(quán)利要求1?13任一項(xiàng)所述的MTJ，其特征在于，所述重金屬層材料包括鉭、釕、鋁、鉑、鎢或銅中的一種或多種組合，所述重金屬層的厚度為5?200nm。15.根據(jù)權(quán)利要求1?14任一項(xiàng)所述的MTJ，其特征在于，所述MTJ的形狀為矩形、圓形或橢圓形中的一種。16.—種磁存儲(chǔ)器，其特征在于，包括多個(gè)如權(quán)利要求1?15任一項(xiàng)所述的MTJ和與所述MTJ對(duì)應(yīng)的開關(guān)管，其中: 所述MTJ均包括讀取端、寫入端和公共端，所述讀取端位于所述MTJ的所述第一鐵磁層上，所述寫入端位于所述MTJ的所述重金屬層的一端，所述公共端位于所述MTJ的所述重金屬層的另一端，所述MTJ的公共端通過(guò)開關(guān)管連接位線BL，所述MTJ的讀取端連接讀取線RL，所述MT J的寫入端連接源線SL; 當(dāng)所述開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，若所述BL和所述SL中一個(gè)加高電壓，另一個(gè)加低電壓，往所述MTJ中寫入數(shù)據(jù)； 當(dāng)所述開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，若所述BL和所述RL中一個(gè)加高電壓，另一個(gè)加低電壓，從所述MTJ中讀取數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】H01L43/08GK106025063SQ201610339183
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月19日
【發(fā)明人】張博宇, 趙巍勝, 廖宇
【申請(qǐng)人】華為技術(shù)有限公司