磁性存储单元的结构、制备方法和磁性随机存储器与流程

本申请实施例涉及半导体器件，尤其涉及一种磁性随机存储器的结构和制备方法。

背景技术：

1、随着电子技术的发展，数据存储技术得到了快速的提升。磁性随机存储器(mram，magnetoresistive random-access memory)，由于具有较快的读写速度、功耗低等特点，得到了广泛的关注。传统mram中，磁性随机存储器的核心的存储单元为参考层、隧穿层以及自由层依次堆叠形成的三明治膜层结构，该结构也称为磁隧道结(mtj，agnetic tunnelingjunction)。在该结构中，通过在自由层和参考层之间施加电压，形成电流，从而使得自由层的磁化方向与参考层的磁化方向相同或相反，也即使得mtj的隧穿磁电阻(tmr，tunnelingmagnetoresistance)为低阻或高阻，以实现写“0”或者写“1”。

2、然而，传统mram中，需要较高的电流才能使得自由层的磁化方向翻转，这就导致mram产生较高的功耗。基于此，业界提出采用双mtj(dmtj，double mtj)的结构形成一个存储单元。然而，dmtj的隧穿磁电阻随温度升高而降低，也即是说，在高温条件下，自由层的磁化方向与参考层的磁化方向相反时，dmtj的隧穿磁电阻中的高阻会降低，这就导致dmtj的隧穿磁电阻中高阻与低阻之间的差异较小，从而导致无法准确读出数据“1”或者“0”，影响mram数据读取的准确性。由此，如何在降低mram功耗的情况下、准确从mram中读取数据成为需要解决的问题。

技术实现思路

1、通过采用本申请所示的磁性随机存储器的结构和制备方法，可以降低mram的功耗的同时、准确从mram中读取数据。

2、为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

3、第一方面，本申请实施例提供一种磁性存储单元的结构，该磁性存储单元的结构包括：第一磁性层；第二磁性层；第三磁性层；设置于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间的第一隧穿层；设置于所述第二磁性层和所述第三磁性层之间的第二隧穿层；其中，所述第三磁性层的材料包括稀土-过渡金属的亚铁磁材料，所述第一磁性层的材料以及所述第二磁性层的材料，与所述第三磁性层的材料不同。

4、本申请实施例中，将第一磁性层和第三磁性层设置成不同的材料，将第三磁性层的材料设置成包含re-tm(稀土-过渡金属)的亚铁磁材料。由于re-tm材料的磁矩方向随温度变化。从而，本申请实施例中，当磁性存储单元的工作温度低于温度阈值t时，第三磁性层的磁化方向与第一磁性层的磁化方向反平行，磁性存储单元在该种情况下与传统dmtj的工作原理和工作状态相同。需要说明的是，该温度阈值t是使得re-tm材料的磁矩方向发生改变的临界温度。当磁性存储单元的工作温度高于温度阈值t时，第三磁性层的磁化方向翻转，第三磁性层的磁化方向与第一磁性层的磁化方向平行，在该种情况下，磁性存储单元相当于单磁隧道结的存储单元，其工作原理和工作状态与传统单磁隧道结存储单元的相同。从而在高温下，磁性存储单元的高阻态电阻值与低阻态电阻值之间可以具有较大的差异。进而，当磁性存储单元在高温下工作时，可以提高磁性存储单元读取数据的准确性。

5、在一种可能的实现方式中，所述磁性存储单元还包括第一钉扎层、第二钉扎层和种子层；所述种子层设置于所述第一磁性层远离所述隧穿层的一侧；所述第一钉扎层设置于所述第一磁性层和所述种子层之间；所述第二钉扎层设置于所述第三磁性层之上远离所述第二隧穿层的一侧。

6、在一种可能的实现方式中，所述磁性存储单元还包括结构转化层，所述结构转化层设置于所述第一钉扎层与所述第一磁性层之间。

7、在一种可能的实现方式中，所述磁性存储单元还包括覆盖层、顶部电极和底部电极；所述覆盖层设置于所述第三磁性层之上远离所述第二隧穿层的一侧；所述顶部电极设置于所述覆盖层之上远离所述第三磁性层的一侧；所述底部电极设置于所述种子层之下远离所述第一钉扎层的一侧。

8、在一种可能的实现方式中，所述第一磁性层的材料和所述第二磁性层的材料包括：钴co、镍ni、铁fe、钴铁硼(coxfe1-x)1-yby中的一种或多种；所述第一隧穿层和所述第二隧穿层的材料包括：氧化镁mgo、镁镓氧mggao、镁钆氧mggdo、氧化钛tiox、氧化钽taox、氧化铝alox、钛酸镁mgtiox中的一种或多种。

9、在一种可能的实现方式中，所述亚铁磁材料包括：所述稀土-过渡金属的亚铁磁材料包括：钴钆coxgdy，钴铽coxtby，钴铁铽(coxfe1-x)1-y tby，钴铁钆(coxfe1-x)1-y gdy中的一项或多项。

10、在一种可能的实现方式中，所述第三磁性层为包括co、ni或fe中的一种或多种、以及所述稀土-过渡金属的亚铁磁材料的复合多层膜结构。

11、在一种可能的实现方式中，所述第一钉扎层包括第一磁性层、第二磁性层、以及设置于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间的金属层；所述第一磁性层和所述第二磁性层的材料包括：钴co/铂pt多层膜、钴co/钯pd多层膜、钴co/镍ni多层膜、铁铂fept、钴铂copt、铁钯fepd、铁钯硼fepdb和钴钯copd中的一种或多种；所述金属层的材料包括：铱ir、钌ru、铜cu和铬cr中的一种或多种；所述第二钉扎层与所述第一钉扎层具有相同的结构和材料；所述种子层的材料包括：铬化镍nicr、钽ta、氮化钽tan、铂pt、钯pd、钌ru、铱ir、氮化铜cun中的一种或几种。

12、在一种可能的实现方式中，所述结构转化层的材料包括：钽ta、钛ti、氮化钛tin、铝al、镁mg,、钛镁timg、钨w和钼mo中的一种或多种。

13、第二方面，本申请实施例提供一种用于制备磁性存储单元的方法，该方法包括：提供第一磁性层；在所述第一磁性层之上形成第一隧穿层；在所述第一隧穿层之上形成第二磁性层；在所述第二磁性层之上形成第二隧穿层；在所述第二隧穿层之上形成第三磁性层；

14、其中，所述第三磁性层的材料包括稀土-过渡金属的亚铁磁材料，所述第一磁性层的材料以及所述第二磁性层的材料，与所述第三磁性层的材料不同。

15、第三方面，本申请实施例提供一种磁性存储器，该磁性存储器包括多个如第一方面所述的磁性存储单元。

技术特征：

1.一种磁性存储单元，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于，所述磁性存储单元还包括第一钉扎层、第二钉扎层和种子层；

3.根据权利要求2所述的磁性存储单元，其特征在于，所述磁性存储单元还包括结构转化层，所述结构转化层设置于所述第一钉扎层与所述第一磁性层之间。

4.根据权利要求2或3所述的磁性存储单元，其特征在于，所述磁性存储单元还包括覆盖层、顶部电极和底部电极；

5.根据权利要求1-4任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，

6.根据权利要求1-5任一项所述的磁性存储单元，其特征在于，所述稀土-过渡金属的亚铁磁材料包括：钴钆coxgdy，钴铽coxtby，钴铁铽(coxfe1-x)1-ytby，钴铁钆(coxfe1-x)1-ygdy中的一项或多项。

7.根据权利要求6所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第三磁性层为包括co、ni或fe中的一种或多种、以及所述稀土-过渡金属的亚铁磁材料的复合多层膜结构。

8.根据权利要求2所述的磁性存储单元，其特征在于，所述第一钉扎层包括第一磁性层、第二磁性层、以及设置于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间的金属层；

9.根据权利要求3所述的磁性存储单元，其特征在于，所述结构转化层的材料包括：钽ta、钛ti、氮化钛tin、铝al、镁mg,、钛镁timg、钨w和钼mo中的一种或多种。

10.一种磁性存储器，其特征在于，所述磁性存储器包括多个如权利要求1-9任一项所述磁性存储单元。

11.一种用于制备磁性存储单元的方法，其特征在于，包括：

技术总结本申请实施例提供了一种磁性存储单元和磁性存储器，本申请提供的磁性存储单元包括：第一磁性层；第二磁性层；第三磁性层；设置于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间的隧穿层；设置于所述第二磁性层和所述第三磁性层之间的隧穿层；其中，所述第三磁性层的材料包括稀土‑过渡金属的亚铁磁材料，所述第一铁磁层的材料以及所述第二铁磁层的材料，与所述第三铁磁层的材料不同，该磁性存储单元可以提高高温下数据读取的准确性。技术研发人员：李予才,秦青,曾凡龙,徐仲棋,焦慧芳受保护的技术使用者：华为技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/1/15