一种具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结制造技术

本发明专利技术公开了一种具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结，包括自由层和势垒层，自由层和势垒层之间生成界面，并通过刻蚀处理界面的边缘形成环状缺陷结构。该结构在自由层和势垒层界面处具有环状缺陷结构，环状缺陷结构的界面诱导垂直各向异性较低，从而使自由层整体垂直各向异性能下降，同时在磁性隧道结边缘处形成面内磁化方向，有利于降低临界翻转电流，并且提高磁翻转速度、存储密度和运行速度，同时降低功耗。降低功耗。降低功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结


[0001]本专利技术属于存储器
，具体涉及一种具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结。

技术介绍

[0002]STT
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MRAM(Spin Transfer Torque
‑
Magnetoresistive Random Access Memory)是一种新型非易失存储器，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)作为存储单元，具有纳秒级的高速读写、近乎无限的使用寿命、10年以上的数据保存时间等优良特性，在未来存储应用方面具有较大潜力。而随着硬件对存储器性能的要求越来越高，STT
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MRAM在大容量和超低功耗存储芯片的应用依然面临挑战，磁性隧道结(MTJ)作为STT
‑
MRAM的基本存储单元，直接决定了其存储性能。STT
‑
MRAM存储密度的提升瓶颈主要是由于其所需翻转电流较高。为了提供足够的翻转电流，在目前的晶体管供电能力下，需要较大的供电单元面积，其远大于MTJ器件面积，限制了整体存储密度，同时，STT
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MRAM存储密度越高，功耗越大。因此，如何通过降低翻转电流实现STT
‑
MRAM存储密度的提升和功耗的降低成为关键问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对上述问题，提出一种具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结，有利于降低临界翻转电流，并且提高磁翻转速度、存储密度和运行速度，同时降低功耗。
[0004]为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：
[0005]本专利技术提出的一种具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结，包括自由层和势垒层，自由层和势垒层之间生成界面，并通过刻蚀处理界面的边缘形成环状缺陷结构。
[0006]优选地，环状缺陷结构的壁厚为0.1nm～2nm。
[0007]优选地，自由层的厚度为0.6nm～2nm。
[0008]优选地，自由层的材料选自Co、Fe、Ni、Pt、Pd、Ru、Ta、W、Ir、Rh、Mo、Hf、Cu、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB、NiFeB、CoNiB、CoFeNiB、FePt、FePd、CoPt、CoPd、CoFePt、CoFePd、FePtPd、CoPtPd、CoFePtPd中的一种或多种。
[0009]优选地，势垒层的材料选自镁氧化合物、硅氧化合物、硅氮化合物、铝氧化合物、镁铝氧化合物、钛氧化合物层、钽氧化合物、钙氧化合物、铁氧化合物中的一种或多种。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：该磁性隧道结在自由层和势垒层界面处具有环状缺陷结构，环状缺陷结构的界面诱导垂直各向异性较低，从而使自由层整体垂直各向异性能下降，同时在磁性隧道结边缘处形成面内磁化方向，有利于降低临界翻转电流，并且提高磁翻转速度、存储密度和运行速度，同时降低功耗。
附图说明
[0011]图1为现有技术的磁性隧道结的结构示意图；
[0012]图2为本专利技术的磁性隧道结的结构示意图；
[0013]图3为本专利技术的磁性隧道结的界面结构示意图；
[0014]图4为现有技术的磁性隧道结翻转概率与电流密度的关系图(左)和本专利技术的磁性隧道结翻转概率与电流密度的关系图(右)。
具体实施方式
[0015]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0016]需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
[0017]图1为现有技术中的磁性隧道结的结构示意图，包括自由层1和势垒层3，自由层1位于势垒层3的上方，两者之间生成界面2，且磁性隧道结为柱形，如圆柱形。自由层1采用CoFeB材料，势垒层3采用MgO材料，即自由层(Bulk CoFeB)与势垒层(MgO)之间生成界面(Interface CoFeB)，通常界面上与MgO接触的CoFeB具有界面诱导的垂直各向异性，不与MgO接触的CoFeB各向异性较弱。该磁性隧道结工作时所需翻转电流较高，为提供足够的翻转电流，在目前的晶体管供电能力下，需要较大的供电单元面积，不利于提高存储密度且功耗大。需要说明的是，磁性隧道结的层叠结构和材料不限于此，还可为现有技术中的其他层叠结构或选用其他材料。
[0018]如图2
‑
4所示，一种具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结，包括自由层和势垒层，自由层和势垒层之间生成界面，并通过刻蚀处理界面的边缘形成环状缺陷结构。
[0019]如图2，磁性隧道结包括自由层1和势垒层3，自由层1位于势垒层3的上方，两者之间生成界面2，界面2的边缘形成环状缺陷结构4，且磁性隧道结为柱形，如圆柱形。自由层1采用CoFeB材料，势垒层3采用MgO材料，即自由层(Bulk CoFeB)与势垒层(MgO)之间生成界面(Interface CoFeB)，通常界面2上与MgO接触的CoFeB具有界面诱导的垂直各向异性，不与MgO接触的CoFeB各向异性较弱。环状缺陷结构(Defect)指通过刻蚀处理破坏位于CoFeB/MgO界面边缘的CoFeB原子的界面原子特性，使界面诱导的垂直磁各向异性降低。需要说明的是，磁性隧道结的层叠结构不限于此，还可为现有技术中的其他层叠结构。
[0020]具体地，如图3所示，为本专利技术的磁性隧道结的界面结构示意图，R
device
为圆柱形磁性隧道结的直径，R
defect
为环状缺陷结构4(即灰色环形点状区域)的壁厚，即对应直径方向，中心黑色点状区域为余留的界面区域。在加工过程中，利用刻蚀技术在CoFeB/MgO界面上形成环状缺陷结构4，刻蚀可采用IBE刻蚀方法或RIE刻蚀方法，或还可选用现有技术中的其他刻蚀方法。环状缺陷结构4由被破坏的CoFeB/MgO界面2构成，CoFeB与MgO的自旋轨道耦合作用降低，Fe与O原子轨道杂化相互作用减弱，导致缺陷位置的界面诱导的垂直磁各向异性较弱，从而使自由层整体垂直各向异性能下降，同时在磁性隧道结边缘处形成面内磁化方向，有利于降低临界翻转电流，提高磁翻转速度、存储密度和运行速度，同时降低功耗。
[0021]图4(左图)为现有技术的磁性隧道结翻转概率与电流密度的关系图，即环状缺陷
结构4的壁厚为0nm，灰色折线为3ns翻转时间条件情况下翻转概率与电流密度的关系，黑色折线为5ns翻转时间条件情况下翻转概率与电流密度的关系。图4(右图)为本专利技术的磁性隧道结翻转概率与电流密度的关系图，即环状缺陷结构4的壁厚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结，其特征在于：所述具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结包括自由层和势垒层，所述自由层和势垒层之间生成界面，并通过刻蚀处理所述界面的边缘形成环状缺陷结构。2.如权利要求1所述的具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结，其特征在于：所述环状缺陷结构的壁厚为0.1nm～2nm。3.如权利要求1所述的具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结，其特征在于：所述自由层的厚度为0.6nm～2nm。4.如权利要求1所述的具有低功耗和高存储密度的磁性隧道结，其特征在于：所述自由层的材料选自Co、Fe、Ni、Pt、...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟皓，迟克群，
申请(专利权)人：中电海康集团有限公司，
类型：发明
国别省市：