垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及存储器件领域，尤其涉及一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆 单元。
【背景技术】
[0002] 近年来人们利用磁性隧道结（MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的特性做成磁性 随机存储器，即为MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一种新型固态非易失 性记忆体，它有着高速读写的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它 可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势皇层；磁性参考层，位于 隧道势皇层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当磁性记忆层与磁性参考层之间的磁化强 度矢量方向平行或反平行时，磁记忆元件的电阻态也相应为低阻态或高阻态。这样测量磁 电阻单元的电阻态即可得到存储的信息。
[0003] 已有一种方法可以得到高的磁电阻（MR，Magneto Resistance)率：在非晶结构的 磁性膜的表面加速晶化形成一层晶化加速膜。当此层膜形成后，晶化开始从隧道势皇层一 侧形成，这样使得隧道势皇层的表面与磁性表面形成匹配，这样就可以得到高MR率。
[0004] 一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型 MRAM :在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变磁电阻单元中的记忆层的磁化强度 方向。自旋转移矩磁性随机存储器（STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极 化的电子流把它的角动量转移给磁性记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要 进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密 度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯 片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。
[0005] 在一个简单的面内型STT-MRAM结构中，每个MTJ元件的磁性记忆层都具有稳定 的面内磁化强度。面内型器件的易磁化轴由磁性记忆层的面内形状或形状各向异性决定。 CMOS晶体管产生的写电流流经磁电阻单元的堆叠结构后，可以改变其电阻态，也即改变了 存储的信息。进行写操作时电阻会改变，一般情况下采用恒定电压。在STT-MRAM中，电压 主要作用在约10A厚的氧化物层（即隧道势皇层）上。如果电压过大，隧道势皇层会被击 穿。即使隧道势皇层不会立即被击穿，如果重复进行写操作的话，会使得电阻值产生变化， 读操作错误增多，磁电阻单元也会失效，无法再记录数据。另外，写操作需要有足够的电压 或自旋电流。所以在隧道势皇层被击穿前也会出现记录不完全的问题。
[0006] 对于垂直型 STT-MRAM(pSTT-MRAM，perpendicular Spin-transfer Torque Magne tic Random Access Memory)有着上述同样的情况。此外，在pSTT-MRAM中，由于两个磁性 层的磁晶各向异性比较强（不考虑形状各向异性），使得其易磁化方向都垂直于层表面，为 此在同样的条件下，该器件的尺寸可以做得比面内型器件更小。
[0007] 因为减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM 可以很好的与最先进的技术节点相契合。但是小尺度的MTJ元件的图案化会导致MTJ电阻 率的高不稳定性，并且需要相对较高的切换电流或记录电压。
[0008] pSTT-MRAM的读操作是把电压作用在MTJ堆叠结构上，再测量此MTJ元件是处于高 阻态或是低阻态。为了正确得到电阻态是高或低，需要的电压相对较高。并且写操作和读 操作需要的电压值并不相等，在当前的先进技术节点，若各MTJ之间有任何的电子特性波 动，都会导致本应进行读操作的电流，却像写电流一样，改变了 MTJ中磁性记忆层的磁化强 度方向。
[0009] 因为在对此非易失性的MTJ记忆体进行写操作会改变它的电阻值时，使MTJ记忆 器件产生损耗，缩短了它的生命周期。为了减小这种负面影响，我们需要提供一些方法来得 到某种结构的PSTT-MRAM，可以同时具有高精度的读操作，以及高可靠的写操作。
【发明内容】
[0010] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储 器记忆单元，其包括堆叠结构，所述堆叠结构包括：
[0011] 磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
[0012] 磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
[0013] 隧道势皇层，所述隧道势皇层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别 与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻，本文中的层与层的"相邻"是指层与层紧贴设 置，其间未主动设置其它层；
[0014] 中间层，所述中间层的材料是金属氧化物或非磁性金属，并且与所述磁性记忆层 相邻；
[0015] 自旋阀层，所述自旋阀层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述自旋 阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层的磁各向异性；所述自旋阀层由依次相邻的第1 子层至第N子层组成，N为大于1的自然数，即所述自旋阀层至少包括两个相邻设置的子层； 所述第1子层与所述中间层相邻；所述自旋阀层各子层垂直方向的磁各向异性随N的增大 而依次减小，即随着远离所述磁性记忆层，各子层垂直方向的磁各向异性随之依次减小；并 且
[0016] 所述磁性随机存储器还包括自旋阀控制层，所述自旋阀控制层是与所述堆叠结构 相间隔设置的导电层；所述自旋阀控制层的结构满足：流经所述自旋阀控制层的电流能够 产生垂直于所述自旋阀层的层表面的磁场或磁场分量。
[0017] 进一步地，所述磁性参考层、所述隧道势皇层和所述磁性记忆层形成第一磁性隧 道结，所述自旋阀层、所述中间层和所述磁性记忆层形成第二磁性隧道结（当所述中间层 是金属氧化物）或巨磁阻结构（当所述中间层是非磁性金属），所述第二磁性隧道结或所述 巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻。
[0018] 优选地，所述第二磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道 结的磁电阻的三分之一。
[0019] 进一步地，所述自旋阀控制层与所述自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与 所述自旋阀层的层表面相平行的平面，所述平面分别与所述自旋阀控制层和所述自旋阀层 相交。
[0020] 进一步地，所述自旋阀层的磁各向异性小于或等于所述磁性记忆层的磁各向异性 的 70%。
[0021] 进一步地，所述自旋阀层的MsXHkXt的值大于所述磁性记忆层的MsXHkXt的 值，其中Ms为饱和磁化强度、Hk为垂直方向的磁各向异性场、t为层厚度。
[0022] 优选地，所述自旋阀层的MsXHkXt的值是所述磁性记忆层的MsXHkXt的值的 三倍以上。
[0023] 进一步地，所述第1子层的材料是铁磁性合金，其中包含Co、Fe、Ni或B中的一种 或多种。
[0024] 进一步地，作为所述中间层材料的金属氧化物是MgO、ZnO或MgZnO。
[0025] 进一步地，作为所述中间层材料的非磁性金属是Cu、Ag、Au或Ru。
[0026] 进一步地，所述自旋阀层的第2子层的Hk值小于所述磁性记忆层的Hk值，其中Hk 为垂直方向的磁各向异性场。
[0027] 优选地，所述自旋阀层的第2子层的Hk值小于所述磁性记忆层的Hk值的二分之 一或三分之一。
[0028] 进一步地，所述自旋阀层的第2子层为反铁磁耦合结构。
[0029] 本发明的垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元将自旋阀层设置为包括至 少两个子层，使磁性记忆层、中间层和自旋阀层更易形成第二磁性隧道结或巨磁阻结构，并 且只需在自旋阀控制层上加载较小电流，就可改变自旋阀层的磁化方向。如自旋阀层采用 单层自旋材料，厚度太薄，造成自旋极化能力不足，有时无法形成第二磁性隧道结或巨磁阻 结构；厚度太厚，外磁场比较难于使其垂直磁化。。
[0030] 在实际应用时，当自旋阀层的磁化方向反平行于磁性参考层的磁化方向时，在磁 性参考层与自旋阀层的两重自旋转移矩作用下，磁性记忆层的磁化方向是易于改变的，从 而在写操作时可以减小写电流；
[0031] 而当自旋阀层的磁化方向平行于所述磁性参考层的磁化方向时，因为磁性参考层 与自旋阀层具有相同的磁化方向并且两者位于磁性记忆层的两侧，使得两者的自旋转移矩 部分或完全抵消，此时磁性记忆层的磁化方向是难以改变的，从而增强了读操作的稳定性。
[0032] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以 充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【附图说明】
[0033] 图1是本发明的垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元的一个较佳实施例 的剖面结构示意图；
[0034] 图2是图1中磁电阻单元的结构示意图；
[0035] 图3是图1结构中自旋阀层的磁化方向设置的示意图；
[0036] 图4是图1结构中将自旋阀层设置为置位状态的示意图；
[0037] 图5是图4中磁电阻单元设置为高阻态的示意图；
[0038] 图6是图4中磁电阻单元设置为低阻态的示意图；
[0039] 图7是图1结构中将自旋阀层设置为复位状态的示意图；
[0040] 图8是图4中磁电阻单元读取示意图；
[0041] 图9是图1的记忆单元间的磁场作用示意图；
[0042] 图10是本发明中第2子层可采用的一种反铁磁耦合结构的示意图。
【具体实施方式】
[0043] 在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、 "右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底""内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系 为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或 暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为 对本发明的限制。
[0044] 图1示出了本发明的一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元的剖面结 构示意图，其中包括由顶电极11、磁性隧道结12、中间层13、自旋阀层14、底电极15组成 的磁电阻单元1，以及设置在自旋阀层14 一侧由电介