磁隧道结以及磁存储器制造技术

本发明专利技术实施例公开一种磁隧道结MTJ以及磁存储器，该MTJ从上到下依次包括第一铁磁层、势垒层、第二铁磁层、缓冲层、第三铁磁层和重金属层，其中：第一铁磁层、第二铁磁层和第三铁磁层均包括混合金属材料，势垒层包括金属氧化物材料，缓冲层包括非铁磁材料；第一铁磁层的磁化方向为固定方向，第二铁磁层与第三铁磁层形成铁磁耦合或反铁磁耦合。实施本发明专利技术实施例，可以提高磁隧道结中的第三铁磁层的磁化方向的翻转速度，提高MTJ的可靠性，并可以降低写入电流，从而降低功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种磁隧道结以及磁存储器。
技术介绍
磁存储器，是通过磁电阻性质进行数据信息储存的存储器，由于磁存储器具有稳定的非易失性、无限读取次数等优点，目前得到广泛的研究。磁存储器的核心存储部分是磁隧道结(英文：Magnetic Tunnel Junction，简称MTJ)，如图1所示，MTJ包括第一铁磁层和第二铁磁层，第一铁磁层的磁化方向固定不变，为参考层，第二铁磁层的磁化方向可以同参考层平行或者反平行，为存储层。当存储层和参考层的磁化方向平行时，MTJ呈现低阻态；当存储层和参考层的磁化方向反平行时，MTJ呈现高阻态，在信息存储时，当MTJ呈现低阻态时，表征二进制数据“0”，当MTJ呈现高阻态时，表征二进制数据“1”。磁存储器通过自旋转移矩(英文：Spin-Transfer Torque，简称STT)改变存储层的磁化方向，当电流通过MTJ时，STT与存储层的磁化方向共线，需要扰动实现翻转，导致存储层的磁化方向翻转速度较慢。
技术实现思路
本专利技术实施例公开了一种磁隧道结以及磁存储器，可以提高磁隧道结中的存储层的磁化方向的翻转速度，提高MTJ的可靠性，并可以降低写入电流，从而降低功耗。本专利技术实施例第一方面，提供了一种磁隧道结MTJ，从上到下依次包括第一铁磁层、势垒层、第二铁磁层、缓冲层、第三铁磁层和重金属层，其中：所述第一铁磁层、所述第二铁磁层和所述第三铁磁层均包括混合金属材料，所述势垒层包括金属氧化物材料，所述缓冲层包括非铁磁材料；所述第一铁磁层的磁化方向为固定方向，所述第二铁磁层与所述第三铁磁层形成铁磁耦合或反铁磁耦合。其中，采用三层铁磁层，增加了铁磁层的体积，MTJ的热稳定性提高，采用SOT实现第三铁磁层的磁化方向的翻转，由于SOT与第三铁磁层的磁化方向不共线，翻转速度快，在写数据时，写入电流无需通过MTJ，降低了势垒层老化或击穿的可能，从而提高了MTJ的可靠性，同时由于写入电流无需通过MTJ，可以降低写入电流，从而降低功耗。其中，所述MTJ包括读取端、写入端和公共端，所述读取端位于所述第一铁磁层上，所述写入端位于所述重金属层的一端，所述公共端位于所述重金属层的另一端；当所述公共端与所述写入端中一个加高电压，另一个加低电压，且所述读取端断开连接时，往所述MTJ中写入数据；当所述公共端与所述读取端中一个加高电压，另一个加低电压，且所述写入端断开连接时，从所述MTJ中读取数据。结合本专利技术实施第一方面，在本专利技术实施例第一方面的第一种实现方式中，所述第二铁磁层的界面垂直磁各向异性PMA大于所述第三铁磁层的界面PMA。其中，由于第二铁磁层的矫顽场较大，第二铁磁层存储的数据越稳定，可以提高数据存储的稳定性。结合本专利技术实施第一方面或本专利技术实施例第一方面的第一种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第二种实现方式中，所述混合金属材料包括钴铁、钴铁硼、钴铂、镍铁、钴钯中的一种或多种组合。结合本本专利技术实施例第一方面的第二种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第三种实现方式中，所述MTJ还包括非铁磁层，所述非铁磁层位于所述重金属层和所述第三铁磁层之间，所述非铁磁层为所述金属氧化物材料，所述非铁磁层的厚度为0.1～1nm。其中，在重金属层和第三铁磁层之间加入一层非铁磁层，相当于势垒层的作用，可以使第三铁磁层产生晶格结构，从而增强第三铁磁层的PMA，降低写入电流。结合本专利技术实施第一方面或本专利技术实施例第一方面的第一种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第四种实现方式中，所述混合金属材料包括赫斯勒合金。其中，采用Heusler合金，无需重金属层与第三铁磁层间的非铁磁层，即可产生晶格结构，可以减少势垒层老化或击穿、提高器件可靠性，提高读取速度，降低势垒隧穿电流、提高热稳定性和集成度。结合本本专利技术实施例第一方面的第四种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第五种实现方式中，所述MTJ还包括非铁磁层，所述非铁磁层位于所述重金属层和所述第三铁磁层之间，所述非铁磁层为所述第一金属材料，所述第一金属材料包括铜、金、钌、钽、铪中的任一种，所述非铁磁层的厚度为0.1～2nm。其中，MTJ中加入非铁磁层之后，可以增强PMA，降低写入电流。结合本专利技术实施第一方面或本专利技术实施例第一方面的第一种至第五种中任一种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第六种实现方式中，所述金属氧化物材料包括氧化镁或氧化铝。其中，势垒层采用金属氧化物，用于产生遂穿效应，可以提高TMR。非铁磁层采用金属氧化物，可以使第三铁磁层产生晶格结构，从而增强第三铁磁层的PMA，降低写入电流。结合本专利技术实施第一方面或本专利技术实施例第一方面的第一种至第六种中任一种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第七种实现方式中，所述第一铁磁层还包括第二金属材料，所述第二金属材料包括钽、钌、钨中的任一种。其中，在第一铁磁层中加入第二金属材料，可以提高第一铁磁层的磁化方向的稳定性。结合本专利技术实施第一方面或本专利技术实施例第一方面的第一种至第七种中任一种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第八种实现方式中，所述缓冲层的厚度为0.1～1nm，所述非铁磁材料包括钽、钌、钨、钒、铜、铌、铱、钼、铬中的任一种。其中，当缓冲层的材料为钽、钌、钨、钒、铜、铌、铱、钼、铬中的任一种时，可以通过调节缓冲层的厚度和材料，控制第二铁磁层与第三铁磁层形成铁磁耦合或反铁磁耦合，实现第二铁磁层(存储层)的磁化方向的翻转速度，提高写入速度。结合本专利技术实施第一方面或本专利技术实施例第一方面的第一种至第八种中任一种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第九种实现方式中，所述第一铁磁层的厚度为1～20nm。其中，第一铁磁层的厚度为1～20nm，可以使得第一铁磁层的磁化方向固定，可以提高数据存储稳定性。结合本专利技术实施第一方面或本专利技术实施例第一方面的第一种至第九种中任一种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第十种实现方式中，所述势垒层的厚度为0.1～2nm。其中，势垒层的厚度为0.1～2nm，可以提高TMR值，提高读取可靠性。结合本专利技术实施第一方面或本专利技术实施例第一方面的第一种至第十种中任一种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第十一种实现方式中，所述第二铁磁层的厚度为0.2～3nm，所述第三铁磁层的厚度为0.2～3nm。其中，第二铁磁层303的厚度为0.2～3nm，第三铁磁层305的厚度为0.2～3nm，可以使得第三铁磁层的磁化方向更容易翻转，实现低功耗写入，可以通过铁磁耦合或反铁磁耦合翻转第二铁磁层，利用第二铁磁层更加稳定的存储数据。结合本专利技术实施第一方面或本专利技术实施例第一方面的第一种至第十一种中任一种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第十二种实现方式中，所述重金属层材料包括钽、钌、铝、铂、钨或铜中的一种或多种组合，所述重金属层的厚度为5～200nm。其中，重金属层具有较大霍尔角，通过重金属层的电流可以产生更大的自旋轨道矩SOT，有助于实现低功耗翻转。结合本专利技术实施第一方面或本专利技术实施例第一方面的第一种至第十二种中任一种实现方式，在本专利技术实施例第二方面的第十三种实现方式中，所述MTJ的形状为矩形、圆形或椭圆形中的一种。本专利技术实施例第二方面，提供了一种磁存储器，包括本专利技术实施第一方面的任一种实现方式中的MTJ和与所述MTJ对应的开关管，其中：所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁隧道结MTJ，其特征在于，从上到下依次包括第一铁磁层、势垒层、第二铁磁层、缓冲层、第三铁磁层和重金属层，其中：所述第一铁磁层、所述第二铁磁层和所述第三铁磁层均包括混合金属材料，所述势垒层包括金属氧化物材料，所述缓冲层包括非铁磁材料；所述第一铁磁层的磁化方向为固定方向，所述第二铁磁层与所述第三铁磁层形成铁磁耦合或反铁磁耦合。

【技术特征摘要】
1.一种磁隧道结MTJ，其特征在于，从上到下依次包括第一铁磁层、势垒层、第二铁磁层、缓冲层、第三铁磁层和重金属层，其中：所述第一铁磁层、所述第二铁磁层和所述第三铁磁层均包括混合金属材料，所述势垒层包括金属氧化物材料，所述缓冲层包括非铁磁材料；所述第一铁磁层的磁化方向为固定方向，所述第二铁磁层与所述第三铁磁层形成铁磁耦合或反铁磁耦合。2.根据权利要求1所述的MTJ，其特征在于，所述MTJ包括读取端、写入端和公共端，所述读取端位于所述第一铁磁层上，所述写入端位于所述重金属层的一端，所述公共端位于所述重金属层的另一端；当所述公共端与所述写入端中一个加高电压，另一个加低电压，且所述读取端断开连接时，往所述MTJ中写入数据；当所述公共端与所述读取端中一个加高电压，另一个加低电压，且所述写入端断开连接时，从所述MTJ中读取数据。3.根据权利要求1或2所述的MTJ，其特征在于，所述第二铁磁层的界面垂直磁各向异性PMA大于所述第三铁磁层的界面PMA。4.根据权利要求1～3任一项所述的MTJ，其特征在于，所述混合金属材料包括钴铁、钴铁硼、钴铂、镍铁、钴钯中的一种或多种组合。5.根据权利要求4所述的MTJ，其特征在于，所述MTJ还包括非铁磁层，所述非铁磁层位于所述重金属层和所述第三铁磁层之间，所述非铁磁层为所述金属氧化物材料，所述非铁磁层的厚度为0.1～1nm。6.根据权利要求1～3任一项所述的MTJ，其特征在于，所述混合金属材料包括赫斯勒合金。7.根据权利要求6所述的MTJ，其特征在于，所述MTJ还包括非铁磁层，所述非铁磁层位于所述重金属层和所述第三铁磁层之间，所述非铁磁层为所述第一金属材料，所述第一金属材料包括铜、金、钌、钽、铪中的任一种，所述非铁磁层的厚度为0.1～2nm。8.根据权利要求1～7任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张博宇，赵巍胜，廖宇，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44