專(zhuān)利名稱(chēng)：一種復(fù)合自由層stt-ram存儲(chǔ)單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種復(fù)合自由層STT-RAM存儲(chǔ)單元。
背景技術(shù)：
基于自旋轉(zhuǎn)移矩的磁非揮發(fā)存儲(chǔ)器STT-RAM(Spin Transfer TorqueRandom Access Memory)是純電流寫(xiě)入方式，在保留了磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器MRAM(Magnetic Random Access Memory)全部?jī)?yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還克服了尺寸難以縮小的問(wèn)題，是目前最有希望的通用存儲(chǔ)技術(shù)。2010年6月更新的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖ITRS中明確將STT-RAM列為22納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)后重點(diǎn)發(fā)展的存儲(chǔ)技術(shù)。目前自旋轉(zhuǎn)移矩的磁非揮發(fā)存儲(chǔ)器STT-RAM技術(shù)實(shí)用化面臨著兩大問(wèn)題1.臨界電流密度過(guò)大，這導(dǎo)致晶體管的尺寸無(wú)法縮小，因此無(wú)法體現(xiàn)該技術(shù)的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，難以真正實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)。(按照目前IO7A · cm-2量級(jí)計(jì)算，每個(gè)單元的晶體管的溝道寬度約10微米)；2.降低臨界電流密度和保證存儲(chǔ)單元熱穩(wěn)定性之間的矛盾。目前已經(jīng)探索了多種方法以降低臨界電流密度，以期減小晶體管的尺寸。例如，減小磁隧道結(jié)MTKMagnetic tunnel junction)的尺寸、選用飽和磁化強(qiáng)度較小的鐵磁材料作為自由層等。但是，這些方法都是以犧牲存儲(chǔ)單元的熱穩(wěn)定性為代價(jià)的。因?yàn)榇鎯?chǔ)單元的磁化翻轉(zhuǎn)臨界電流密度和翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘都隨自由層飽和磁化強(qiáng)度的減小而減小，因此飽和磁化強(qiáng)度小的材料熱穩(wěn)定性也較差。所以，單純地對(duì)已有結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)法解決臨界電流密度和單元熱穩(wěn)定性之間的矛盾。可以看出，熱穩(wěn)定性和臨界電流密度之間是一個(gè)折衷選擇的關(guān)系。如果可以在不增大臨界電流密度的條件下提高熱穩(wěn)定性；就等價(jià)于在不犧牲熱穩(wěn)定性的條件下，降低臨界電流密度，這樣就可以根據(jù)具體需要選擇需要優(yōu)化的性能參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述背景技術(shù)中提到的現(xiàn)有自旋轉(zhuǎn)移矩存儲(chǔ)器臨界電流密度過(guò)大、熱穩(wěn)定性不佳的不足，本發(fā)明提出了一種復(fù)合自由層STT-RAM存儲(chǔ)單元。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種復(fù)合自由層STT-RAM存儲(chǔ)單元，其特征是該存儲(chǔ)單元自上而下包括上電極、蓋帽層、復(fù)合自由層、絕緣氧化層、固定層、鉬錳種子層、緩沖層、下電極；所述復(fù)合自由層為鈷鐵硅氧Coi^eSiO薄膜；所述復(fù)合自由層采用鐵磁材料靶和二氧化硅S^2靶共濺射方法制備；所述復(fù)合自由層完成濺射制備后，在300-350攝氏度下退火。所述絕緣氧化層為Mgo。所述固定層包括鈷鐵硼CoFeB層、釕Ru層、鈷鐵( 層。所述復(fù)合自由層發(fā)生翻轉(zhuǎn)的鐵磁顆粒的尺度為10納米。
所述復(fù)合自由層中鐵磁顆粒的間隔不大于3納米。本發(fā)明可以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)在熱擾動(dòng)下的穩(wěn)定性，同時(shí)，沒(méi)有提高對(duì)存儲(chǔ)單元寫(xiě)操作的電流密度。


圖1為復(fù)合自由層存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)和MTJ材料結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。本發(fā)明提出了一種復(fù)合自由層的STT-RAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，可以在降低臨界電流密度的同時(shí)保持高熱穩(wěn)定性。因此，可以實(shí)現(xiàn)高密度的自旋轉(zhuǎn)移矩磁存儲(chǔ)器。圖1是本發(fā)明所述的復(fù)合自由層存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)，其中給出了復(fù)合自由層MTJ的材料結(jié)構(gòu)和其復(fù)合自由層構(gòu)成的示意圖。該結(jié)構(gòu)的主要特征在于采用一種復(fù)合材料(如Cc^eSiO)作為STT-RAM存儲(chǔ)單元的核心(納米尺寸MTJ)中的復(fù)合自由層。這種復(fù)合自由層的微觀(guān)結(jié)構(gòu)是一種高度彌散的相分離態(tài)，典型的結(jié)構(gòu)是10納米左右的鐵磁顆粒島(如CoFe)分散在絕緣介質(zhì)(如SiO2) 中，鐵磁島之間的典型間距為0. 5-0. 8納米。鐵磁島之間的間距不大于1納米以保證島之間存在交換耦合作用。這種彌散相的復(fù)合自由層可以通過(guò)磁控濺射的方法采用鐵磁材料靶和SiO2靶共濺射的方法制備，整個(gè)MTJ多層膜制備完成后在300攝氏度下退火。本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有不足的解決1.復(fù)合自由層存儲(chǔ)單元可以從兩個(gè)方面降低磁化翻轉(zhuǎn)的臨界電流密度一方面，流過(guò)MTJ的電流在自由層中流過(guò)的面積小于整個(gè)MTJ的面積(約減小 10%),因此，在相同MTJ面積的條件下，流過(guò)自由層鐵磁顆粒的電流密度比流過(guò)連續(xù)自由層薄膜的電流密度提高了 10%。也就是說(shuō)，可以在保證通過(guò)復(fù)合自由層結(jié)構(gòu)中鐵磁顆粒的電流密度不變的情況下，降低流過(guò)選擇晶體管的電流，從而減小選擇晶體管的尺寸。另一方面，在對(duì)復(fù)合自由層的存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，不同鐵磁顆粒磁化翻轉(zhuǎn)的磁動(dòng)力學(xué)過(guò)程是基本同步的，因此，鐵磁顆粒之間的耦合作用不會(huì)阻礙鐵磁顆粒的磁化翻轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，鐵磁顆粒之間的相互作用不會(huì)增大寫(xiě)操作時(shí)的電流密度。2.在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)期間，相鄰的多個(gè)鐵磁顆粒的磁化方向在熱擾動(dòng)下同時(shí)向一個(gè)方向翻轉(zhuǎn)的幾率非常小。一般的情況是相鄰多個(gè)顆粒中的某一個(gè)顆粒試圖越過(guò)能量勢(shì)壘發(fā)生磁化翻轉(zhuǎn)。這時(shí)，周?chē)鄠€(gè)鐵磁顆粒會(huì)通過(guò)鐵磁顆粒之間的耦合作用會(huì)對(duì)這一顆粒的翻轉(zhuǎn)起到抑制作用，從而有效提高自由層的熱穩(wěn)定性。因此，可以通過(guò)選用飽和磁化強(qiáng)度較小的材料構(gòu)成復(fù)合自由層，從而在較低的臨界電流密度下實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的翻轉(zhuǎn)。綜上所述，本發(fā)明提出的這種復(fù)合自由層的STT-RAM存儲(chǔ)單元能夠提高在熱擾動(dòng)下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的穩(wěn)定性，同時(shí)，沒(méi)有提高對(duì)存儲(chǔ)單元寫(xiě)操作的電流密度。此外，普通的MTJ需要在100納米尺度下才會(huì)表現(xiàn)出顯著的自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng) STT (Spin Transfer Torque)。而在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，由于復(fù)合自由層中實(shí)際發(fā)生翻轉(zhuǎn)的是尺度為10納米左右的鐵磁顆粒，因此，這種結(jié)構(gòu)允許在較大的自由層尺寸下表現(xiàn)出自旋轉(zhuǎn)移矩的效應(yīng)，比如，自由層的尺寸可以在500納米。這極大地降低了 STT-RAM存儲(chǔ)單元的制造難度，對(duì)某些存儲(chǔ)密度要求不高的嵌入式應(yīng)用有重要的意義。 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合自由層STT-RAM存儲(chǔ)單元，其特征是該存儲(chǔ)單元自上而下包括上電極、蓋帽層、復(fù)合自由層、絕緣氧化層、固定層、鉬錳種子層、緩沖層、下電極；所述復(fù)合自由層為鈷鐵硅氧Cc^eSiO薄膜；所述復(fù)合自由層采用鐵磁材料靶和二氧化硅S^2靶共濺射方法制備； 所述復(fù)合自由層完成濺射制備后，在300-350攝氏度下退火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種復(fù)合自由層STT-RAM存儲(chǔ)單元，其特征是所述絕緣氧化層為 Mgo。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種復(fù)合自由層STT-RAM存儲(chǔ)單元，其特征是所述固定層包括鈷鐵硼CoFeB層、釕Ru層、鈷鐵Coi^e層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種復(fù)合自由層STT-RAM存儲(chǔ)單元，其特征是所述復(fù)合自由層發(fā)生翻轉(zhuǎn)的鐵磁顆粒的尺度為10納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種復(fù)合自由層STT-RAM存儲(chǔ)單元，其特征是所述復(fù)合自由層中鐵磁顆粒的間隔不大于3納米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域中的一種復(fù)合自由層STT-RAM存儲(chǔ)單元。該單元包括上電極、蓋帽層、復(fù)合自由層、絕緣氧化層、固定層、鉑錳種子層、緩沖層、下電極；其中，復(fù)合自由層采用復(fù)合材料CoFeSiO，絕緣氧化層為Mgo，固定層包括鈷鐵硼CoFeB層、釕Ru層、鈷鐵CoFe層。本發(fā)明的復(fù)合自由層可以降低磁化翻轉(zhuǎn)的臨界電流密度、提高自由層的熱穩(wěn)定性，并且降低了制造難度。
文檔編號(hào)H01L43/00GK102298962SQ20111007649
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者張樹(shù)超, 焦斌, 鄧寧, 陳培毅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)