一種通過緩沖層調(diào)控的多比特單元磁存儲器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種通過緩沖層調(diào)控的多比特單元磁存儲器件，它包含一種由多個磁 隧道結(jié)（Magnetic化nnel化nction，MTJ)組成的存儲結(jié)構(gòu)，屬于非易失性磁存儲器技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，磁隨機存儲器（Ma即eticRandomAccessMemoir,MRAM)因其非易失性、 耐久力強、功耗低、讀寫速度快等優(yōu)點受到學術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。更進一步，基于自 旋轉(zhuǎn)移力矩（SpinTransferTorque,STT)效應(yīng)的磁隨機存儲器（STT-MRAM)無需外界磁場 作用，通過注入較小的電流即可改變磁隧道結(jié)自由層的磁化方向，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。因此，在 進一步突破功耗、穩(wěn)定性、讀寫速度、存儲容量等瓶頸方面，STT-MRAM體現(xiàn)出巨大的研究及 應(yīng)用價值。
[000引磁隧道結(jié)主要分為基于垂直磁各向異性（Pe巧endi州larMa即eticAnisotropy，PMA)與基于面內(nèi)磁各向異性（In-PlaneMa即eticAnisotropy,IMA)兩類，而前者在尺寸 及功耗等方面更具優(yōu)勢。磁隧道結(jié)的有效結(jié)構(gòu)一般包括由鐵磁金屬構(gòu)成的參考層、由金屬 氧化物構(gòu)成的勢壘層和由鐵磁金屬構(gòu)成的自由層。對于基于面內(nèi)磁各向異性的磁隧道結(jié)而 言，參考層需要連接由反鐵磁金屬構(gòu)成的釘扎層，從而固定其磁化方向。在制備上述磁性隧 道結(jié)的有效結(jié)構(gòu)前，需要在襯底上沉積一定厚度的緩沖層降低表面粗趟度，同時促進超薄 多層膜的生長晶向形成。緩沖層一般為非鐵磁金屬，較為典型的如粗/釘/粗（Ta/Ru/Ta)。 對應(yīng)地，在有效結(jié)構(gòu)上方也需要沉積類似結(jié)構(gòu)，起到防氧化及保護作用。此外，利用鶴（W)、 給化f)、鋼（Mo)和魄（Nb)等材料作為緩沖層可W更有效地調(diào)節(jié)垂直磁各向異性，例如，利 用Mo作為緩沖層，能夠?qū)⒋怪贝鸥飨虍愋蕴岣?0% (與化相比），從而進一步優(yōu)化臨界電 流、熱穩(wěn)定性等參數(shù)。
[0004] 通過改變外加磁場或電流的大小與方向，磁隧道結(jié)能夠呈現(xiàn)不同的電阻狀態(tài)。當 參考層與自由層的磁化方向相同時，磁隧道結(jié)呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)（Low Resistance,咕)，表 示數(shù)據(jù)"0";反之，當參考層與自由層的磁化方向相反時，磁隧道結(jié)呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)（化曲 Resistance,Rh)，表示數(shù)據(jù)"1"。用來衡量高低電阻差值的參數(shù)為隧穿磁阻比率（Tunnel Ma即eto Resistance ratio= (Rh-Rl)/Rl，TMR)，同一種組成的磁隧道結(jié)具有相同的TMR， 其值越高，數(shù)據(jù)讀取的可靠性越強。此外，同一種組成的磁隧道結(jié)也具有相同的電阻面積 矢量積化esistance Area Product, RA)。STT-MRAM-般義用一個晶體管（Transistor) 和一個磁隧道結(jié)串聯(lián)的方式構(gòu)成一個存儲單元，用來存儲1比特數(shù)據(jù)（"0"或"1")。而 通過疊加多個磁隧道結(jié)，可在一個單元中存儲兩比特或W上的數(shù)據(jù)，構(gòu)成多比特存儲單元 (Multi-Level Cell, MLC)，擴大存儲容量。實現(xiàn)多比特單元的一種常用方法是使用截面尺 寸不同的磁隧道結(jié)，由于TMR及RA為確定值，能夠產(chǎn)生S組或W上的電阻狀態(tài)。然而，該種 器件制造工藝十分繁瑣，由于磁隧道結(jié)的截面尺寸相異，需要進行至少兩次納米級刻蝕，且 會造成器件性能下降。另一種方法是保持磁隧道結(jié)的截面尺寸相同，通過調(diào)整各個磁隧道 結(jié)的組成產(chǎn)生不同的TMR。該種方法的優(yōu)勢是降低了刻蝕的難度，但由于組成磁隧道結(jié)的超 薄多層膜材料、厚度過于多樣，對磁控瓣射的可控性、精確性要求極高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 1.發(fā)明目的：
[0006] 本發(fā)明的目的為提供一種通過緩沖層調(diào)控的多比特單元磁存儲器件，具體機制為 調(diào)節(jié)緩沖層獲得不同電阻狀態(tài)及寫入電流。與W往的多比特單元磁存儲器件相比，該器件 在提升存儲密度的同時，不引入額外的工藝難度與生產(chǎn)成本。另一方面，由于該器件通過一 次納米級刻蝕即可完成制備，其性能將不會受到影響。
[0007] 2.技術(shù)方案；
[000引本發(fā)明為一種通過緩沖層調(diào)控的多比特單元磁存儲器件，其特征是形成多個截面 尺寸相同的磁隧道結(jié)層疊，通過調(diào)節(jié)緩沖層的材料、厚度，改變其中一個磁隧道結(jié)的性能參 數(shù)，從而產(chǎn)生可實現(xiàn)多比特單元磁存儲器件的多組電阻狀態(tài)。
[0009] 見圖1，該多比特單元磁存儲器件由基于垂直磁各向異性的兩個磁隧道結(jié)串聯(lián)而 成，各個磁隧道結(jié)包含參考層、勢壘層和自由層。其中，參考層的磁化方向固定，自由層的磁 化方向根據(jù)注入電流的大小及方向在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，即自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)。當兩個磁 化方向相同時，磁隧道結(jié)呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，表示數(shù)據(jù)"0";當參考層與自由層的磁化方向相 反時，磁隧道結(jié)呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，表示數(shù)據(jù)"1"。
[0010] 其中，磁隧道結(jié)MTJ2的上下方沉積有傳統(tǒng)材料構(gòu)成的緩沖層，可選自、但不限于 Ta/Ru;磁隧道結(jié)MTJ1下方沉積有不同材料構(gòu)成緩沖層，可選自、但不限于W、Hf、Mo或佩， 在該材料的作用下，磁隧道結(jié)MTJ1的垂直磁各向異性將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生與磁隧道結(jié) MTJ2相異的性能參數(shù)。通過選擇適合的緩沖層材料、厚度，兩個磁隧道結(jié)可W產(chǎn)生4組電阻 狀態(tài)及間隔明顯的臨界電流，并利用自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)在不同電阻狀態(tài)之間進行切換；相 應(yīng)地，可寫入2位數(shù)據(jù)00、01、10、11。
[0011] 其中，本發(fā)明可W疊加兩個W上的磁隧道結(jié)，將不同緩沖層設(shè)置為不同的材料、厚 度，或者將磁隧道結(jié)的有效結(jié)構(gòu)倒置。磁隧道結(jié)的截面一般為納米級圓形，可據(jù)實際情況做 出調(diào)整。自由層的磁化方向也可W利用磁場、電壓等方式進行控制。
[001引 3.優(yōu)點和功效；
[0013] 相比于傳統(tǒng)的磁隨機存儲器器件，本發(fā)明提出的一種通過緩沖層調(diào)控的多比特單 元磁存儲器件具有W下優(yōu)勢：
[0014] (1)本發(fā)明為多比特單元磁存儲器件，即可在一個磁隨機存儲器單元中存儲多于 1位的數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明可顯著提高存儲密度，同時降低功耗和成本。
[0015] (2)傳統(tǒng)多比特單元磁存儲器件串聯(lián)的磁隧道結(jié)串聯(lián)截面不同，因此，在制造過程 中需要進行至少兩次納米級刻蝕。由于刻蝕將導致二次沉積、陰影效應(yīng)等不利影響，經(jīng)歷 多次刻蝕后器件的性能將進一步下降。另一種方法使用截面尺寸相同的磁隧道結(jié)，然而各 個磁隧道結(jié)的超薄多層膜材料、厚度有所差異，提高了磁控瓣射的難度，同樣不易實現(xiàn)。本 發(fā)明通過調(diào)整有效結(jié)構(gòu)W外的緩沖層使各個磁隧道結(jié)獲得不同的隧穿磁阻比率，該種方法 幾乎沒有增加磁控瓣射及納米級刻蝕的難度，多比特單元磁存儲器件的性能由此也得W保 證。
【附圖說明】
[0016] 附圖揭示出本發(fā)明的相關(guān)實施例及工作流程。
[0017] 圖1為基于一部分實施例的通過緩沖層調(diào)控的多比特單元磁存儲器件100及其關(guān) 鍵的超薄多層膜結(jié)構(gòu)。
[00化]圖2(a)為器件100初始狀態(tài)"00"的示意圖。
[0019] 圖2化）為向器件100頂端施加寫電流達到+/策磁隧道結(jié)MTJ2的自由層磁化 方向翻轉(zhuǎn)為與其參考層磁化方向反平行的示意圖。
[0020] 圖2(c)為將寫電流增加至+巧磁隧道結(jié)MTJ1翻轉(zhuǎn)為反平行狀態(tài)的示意圖。
[0021] 圖2 (d)為將寫電流由器件100底端注入達到-/若一'P，磁隧道結(jié)MU2返回至平行 狀態(tài)的示意圖。
[002引圖2(e)為將寫電流增加至-/心磁隧道結(jié)MTJ1返回至平行狀態(tài)的示意圖，器 件100恢復(fù)圖2(a)所示初始狀態(tài)。
[0023] 圖2(f)示出了上述多比特單元磁存儲器件的工作流程。
[0024] 圖3為基于其他實施例的通過緩沖層調(diào)控的多比特單元磁存儲器件300及其關(guān)鍵 的超薄多層膜結(jié)構(gòu)，磁隧道結(jié)的數(shù)量為兩個W上。
[0025] 圖4為基于其他實施例的通過緩沖層調(diào)控的多比特單元磁存儲器件400及其關(guān)鍵 的超薄多層膜結(jié)構(gòu)，磁隧道結(jié)的有效結(jié)構(gòu)被倒置。
[0026] 圖中符號說明如下：
[0027] 使磁隧道結(jié)MTJi(i= 1，2,......）的自由層磁化方向由平行于參考層磁化方向轉(zhuǎn) 換為反平行的臨界電流為±/擴，反之為±/法;
[002引 "+ "表示電流由器件100頂端注入，表示由底端注入。
【具體實施方式】
[0029] 參照附圖，W下將進一步描述本發(fā)明的一部分實施例。
[0030] 圖1所示為本發(fā)明一部分實施例的示意結(jié)構(gòu)。多比特單元磁存儲器件100由兩個 磁隧道結(jié)MTJUMTJ2疊加而成。在制備過程中，緩沖層102首先被沉積于襯底上方，其上方 依次是磁隧道結(jié)MTJ1的自由層104、勢壘層106、參考層108。磁隧道結(jié)MTJ2通過另一緩 沖層110與磁隧道結(jié)MTJ1連接，由同樣的自由層112、勢壘層114、參考層116組成。磁隧 道結(jié)MTJ2上方附著又一緩沖層118。在一部分實施例中，緩沖層102為化/Mo(由襯底開 始），緩沖層110為化，而緩沖層118的結(jié)構(gòu)為化/Ru。緩沖層102中，Mo向其他薄膜層滲 透的程度弱于緩沖層110和118中的化，能夠增加磁隧道結(jié)MTJ1的基于垂直磁各向異性， 改變臨界電流密度甚至隧穿磁阻比率。因此，向器件100注入一定大小及方向的