存储阵列及其制备方法、存储器、电子设备与流程

本技术涉及半导体存储，尤其涉及一种存储阵列及其制备方法、存储器、电子设备。

背景技术：

1、存储器是用于储存信息的装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或光学等方式的媒体加以存储。磁铁一直是存储器的核心，基于磁性材料的磁阻式随机存取存储器(magnetic random access memory，mram)作为一种新型非易失性存储技术，因同时具有速度快、功耗低、高鲁棒性、与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor，cmos)平台互相兼容等优点，越来越广泛的被利用。

2、然而，存储器自身的尺寸会很大程度的影响存储器的市场前景。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种存储阵列及其制备方法、存储器、电子设备，用于减小存储阵列的尺寸。

2、为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：

3、本技术实施例的第一方面，提供一种存储阵列，包括：多个存储单元；多个存储单元中的每个存储单元包括磁性隧穿结。磁性隧穿结包括：第一电极、反铁磁层以及第二电极，反铁磁层设置在第一电极和第二电极之间；其中，反铁磁层的材料包括二维层状反铁磁材料。

4、本技术实施例提供的存储阵列所包括的存储单元中的磁性隧穿结包括第一电极、反铁磁层以及第二电极即可实现存储单元的存取功能，磁性隧穿结包括的膜层数量少，可以减薄磁性隧穿结沿膜层厚度方向上的尺寸(厚度)，以减小存储阵列的厚度。另外，由于反铁磁层采用二维层状反铁磁材料，在制备反铁磁层时，无需考虑三维铁磁材料中晶格常数匹配的问题，所以反铁磁层自身的厚度可以做到比较薄，同时还可以兼顾反铁磁层的磁性，以进一步减小存储阵列的厚度。再者，二维层状反铁磁材料内部自旋排列对于外场刺激具有多台阶响应能力，使得存储单元具备多态存储的能力。本技术实施例中利用二维层状反铁磁材料的物理机制特性作为反铁磁层，使得不同幅度的外场刺激磁性隧穿结时会导致不同的内部自旋排列，从而可以获得多种不同的阻态。在实现存储单元二态存储的基础上，还可以通过调整外场刺激，实现存储单元的多态存储，从而实现存储阵列的多态存储，以提升存储器的存储密度。

5、在一种可能的实现方式中，二维层状反铁磁材料包括易轴为面外方向的二维层状反铁磁材料。易轴为面外方向的二维层状反铁磁材料，可以使磁性隧穿结做到更小、更密，以减小存储阵列的面积占比。

6、在一种可能的实现方式中，二维层状反铁磁材料包括易轴为面内方向的二维层状反铁磁材料。这是一种可选择的材料。

7、在一种可能的实现方式中，二维层状反铁磁材料包括磁性半导体材料、磁性绝缘体材料或者磁性金属材料。二维层状反铁磁材料的选择范围广，适应性强。

8、在一种可能的实现方式中，二维层状反铁磁材料包括cri3、crcl3、crocl、crsbr、fete或者gdte3。这是一种易于实现的方案。

9、在一种可能的实现方式中，反铁磁层包括层叠设置的五层原子层。包括五层原子层的反铁磁层，通过读取电流，易于实现存储单元的四态存储。

10、在一种可能的实现方式中，反铁磁层包括层叠设置的三层原子层。包括三层原子层的反铁磁层，通过读取磁矩，易于实现存储单元的四态存储。

11、在一种可能的实现方式中，磁性隧穿结还包括第一覆盖层，第一覆盖层设置在反铁磁层的表面。第一覆盖层覆盖反铁磁层，可以对反铁磁层进行保护，阻碍二维层状反铁磁材料被氧化，从而提升磁性隧穿结的效率。

12、在一种可能的实现方式中，磁性隧穿结还包括第二覆盖层，第二覆盖层设置在反铁磁层远离第一覆盖层一侧。在反铁磁层的两侧分别设置第一覆盖层和第二覆盖层时，第一覆盖层和第二覆盖层均可以对反铁磁层进行保护，从而进一步提升磁性隧穿结的效率。

13、在一种可能的实现方式中，磁性隧穿结还包括保护层，保护层设置在第一电极远离反铁磁层一侧。通过在第一电极表面覆盖保护层，可以减少反铁磁层与空气的接触，阻碍反铁磁层被氧化。

14、在一种可能的实现方式中，每个存储单元还包括选择器，选择器与磁性隧穿结的第二电极电连接。

15、本技术实施例的第二方面，提供一种存储阵列，包括多个存储单元；多个存储单元中的每个存储单元包括磁性隧穿结；磁性隧穿结包括：第三电极和第四电极；自由层、参考层以及钉扎层，层叠设置在第三电极和第四电极之间，参考层位于自由层和钉扎层之间；其中，钉扎层的材料包括二维磁性材料。

16、二维磁性材料由于独特的层间范德华力，这降低了晶体的结构对称性，使得固有磁各向异性能够在单层原子层存在，保证了自旋排列在单层原子层中的长程有序。基于此，本技术实施例中，钉扎层包括二维磁性材料，二维磁性材料形成的钉扎层中所包含的原子层之间依靠范德华力层叠，因此，钉扎层可以做到包括一层、两层或者两层以上原子层。且无需像三维反铁磁材料那样考虑与相邻层材料的晶格常数匹配问题。而磁各向异性与原子间交换作用共同保证了单层原子层的长程磁序的产生及其高鲁棒性，因此，钉扎层在一层或者两层原子层的极限厚度下仍具备高鲁棒性。这样一来，钉扎层的厚度减小，使得磁性隧穿结的厚度减小，从而减小存储阵列的厚度。而且，无需考虑晶格常数匹配问题，可以极大减少工艺步骤数，极大简化存储阵列的工艺精确度要求和复杂度，从而提升了存储阵列的可靠性。

17、在一种可能的实现方式中，自由层的材料包括二维层状磁性材料，自由层所需的自旋翻转电压小于钉扎层所需的自旋翻转电压。

18、在一种可能的实现方式中，参考层的材料包括二维层状磁性材料。

19、在一种可能的实现方式中，二维磁性材料包括二维反铁磁材料。

20、在一种可能的实现方式中，钉扎层包括单层或者两层原子层。

21、在一种可能的实现方式中，自由层包括单层原子层。自由层可以减薄为单层原子层结构，可以进一步减小磁性隧穿结的厚度。

22、在一种可能的实现方式中，参考层包括单层原子层。参考层可以减薄为单层原子层结构，可以进一步减小磁性隧穿结的厚度。

23、在一种可能的实现方式中，磁性隧穿结还包括绝缘势垒层，绝缘势垒层设置在自由层和参考层之间。通过在自由层与参考层之间设置绝缘势垒层，绝缘势垒层用于产生隧穿电阻，可以很好的区分不同自旋排列下的电阻值，以增大不同读写值之间的窗口，降低读写误差率。

24、在一种可能的实现方式中，二维层状反铁磁材料包括易轴为面外方向的二维层状反铁磁材料。易轴为面外方向的二维层状反铁磁材料，具备更好的热稳定性，更大的隧穿效率，可以使磁性隧穿结做到更小、更密，以增大存储阵列的存储密度。

25、在一种可能的实现方式中，二维层状反铁磁材料包括易轴为面内方向的二维层状反铁磁材料。这是一种可能的方案。

26、在一种可能的实现方式中，二维层状反铁磁材料包括磁性半导体材料、磁性绝缘体材料或者磁性金属材料。二维层状反铁磁材料的选择范围广，适应性强。

27、在一种可能的实现方式中，二维层状反铁磁材料包括cri3、crcl3、crocl、crsbr、fete或者gdte3。这是一种易于实现的方案。

28、本技术实施例的第三方面，提供一种存储阵列，包括：多个存储单元；多个存储单元中的每个存储单元包括磁性隧穿结；磁性隧穿结包括：第三电极和第四电极；自由层和参考层，层叠设置在第三电极和第四电极之间；其中，自由层的材料包括二维层状反铁磁材料或者二维层状铁磁材料。

29、二维材料由于独特的层间范德华力，这降低了晶体的结构对称性，使得固有磁各向异性能够在单层原子层存在，保证了自旋排列在单层原子层中的长程有序。基于此，本技术实施例中，自由层包括二维层状材料，二维磁性材料形成的自由层中所包含的原子层之间依靠范德华力层叠，因此，自由层可以做到包括一层或多层原子层。且无需像三维反铁磁材料那样考虑相邻层材料的晶格常数匹配问题。而磁各向异性与原子间交换作用共同保证了单层原子层的长程磁序的产生及其高鲁棒性，因此，自由层在一层原子层的极限厚度下仍具备高鲁棒性。这样一来，自由层的厚度减小，使得磁性隧穿结的厚度减小，从而减小存储阵列的厚度。而且，无需考虑晶格常数匹配问题，可以极大减少工艺步骤数，极大简化存储阵列的工艺精确度要求和复杂度，从而提升了存储阵列的可靠性。

30、在一种可能的实现方式中，参考层的材料包括二维层状反铁磁材料或者二维层状铁磁材料。

31、在一种可能的实现方式中，磁性隧穿结还包括绝缘势垒层，绝缘势垒层设置在自由层和参考层之间。

32、在一种可能的实现方式中，自由层包括单层原子层。

33、在一种可能的实现方式中，参考层包括单层原子层。

34、在一种可能的实现方式中，磁性隧穿结还包括钉扎层，钉扎层设置在参考层远离自由层一侧；钉扎层的材料包括二维反铁磁材料或者三维反铁磁材料。

35、在一种可能的实现方式中，二维层状反铁磁材料包括磁性半导体材料、磁性绝缘体材料或者磁性金属材料。

36、在一种可能的实现方式中，二维层状铁磁材料包括磁性半导体材料、磁性绝缘体材料或者磁性金属材料。

37、本技术实施例的第四方面，提供一种存储阵列，包括：多个存储单元；多个存储单元中的每个存储单元包括磁性隧穿结；磁性隧穿结包括：第三电极和第四电极；自由层和参考层，层叠设置在第三电极和第四电极之间；其中，参考层的材料包括二维层状反铁磁材料或者二维层状铁磁材料。

38、二维材料由于独特的层间范德华力，这降低了晶体的结构对称性，使得固有磁各向异性能够在单层原子层存在，保证了自旋排列在单层原子层中的长程有序。基于此，本技术实施例中，参考层包括二维层状材料，二维磁性材料形成的参考层中所包含的原子层之间依靠范德华力层叠，因此，参考层可以做到包括一层或多层原子层。且无需像三维反铁磁材料那样考虑与相邻层材料的晶格常数匹配问题。而磁各向异性与原子间交换作用共同保证了单层原子层的长程磁序的产生及其高鲁棒性，因此，参考层在一层原子层的极限厚度下仍具备高鲁棒性。这样一来，参考层的厚度减小，使得磁性隧穿结的厚度减小，从而减小存储阵列的厚度。而且，无需考虑晶格常数匹配问题，可以极大减少工艺步骤数，极大简化存储阵列的工艺精确度要求和复杂度，从而提升了存储阵列的可靠性。

39、在一种可能的实现方式中，磁性隧穿结还包括绝缘势垒层，绝缘势垒层设置在自由层和参考层之间。

40、在一种可能的实现方式中，参考层包括单层原子层。

41、在一种可能的实现方式中，磁性隧穿结还包括钉扎层，钉扎层设置在参考层远离自由层一侧；钉扎层的材料包括二维反铁磁材料或者三维反铁磁材料。

42、在一种可能的实现方式中，二维层状反铁磁材料包括磁性半导体材料、磁性绝缘体材料或者磁性金属材料。

43、在一种可能的实现方式中，二维层状铁磁材料包括磁性半导体材料、磁性绝缘体材料或者磁性金属材料。

44、本技术实施例的第五方面，提供一种存储器，包括：控制器；和如第一方面任一项、第二方面任一项、第三方面任一项或者第四方面任一项的存储阵列；控制器与存储阵列电连接。

45、本技术实施例提供的存储器包括第一方面、第二方面、第三方面或者第四方面提供的存储阵列，其有益效果与存储阵列的有益效果相同，此处不再赘述。

46、在一些实施例中，存储器包括磁阻式随机存取存储器。

47、本技术实施例的第六方面，提供一种电子设备，包括：电路板；和如第五方面的存储器；电路板和存储器电连接。

48、本技术实施例提供的电子设备包括第一方面、第二方面、第三方面或者第四方面提供的存储阵列，其有益效果与存储阵列的有益效果相同，此处不再赘述。

49、本技术实施例的第七方面，提供一种存储阵列的制备方法，存储阵列包括多个存储单元；多个存储单元中的每个存储单元包括磁性隧穿结；磁性隧穿结包括：第一电极、第二电极以及反铁磁层；存储阵列的制备方法，包括：形成第二电极、形成反铁磁层、形成第一电极，以形成所述磁性隧穿结；其中，反铁磁层设置在第一电极和第二电极之间，反铁磁层的材料包括二维层状反铁磁材料。

50、本技术实施例提供的存储阵列的制备方法，通过一次反铁磁层制备工艺，即可实现传统通过20-30次沉积得到的参考层、绝缘势垒层、自由层的三维堆叠结构所具备的功能，极大减少了工艺步骤数，极大简化了存储阵列的工艺精确度要求和复杂度，从而提升了存储阵列的可靠性。

51、在一种可能的实现方式中，形成磁性隧穿结，包括：形成第二电极膜；形成反铁磁膜；形成第一电极膜；对第二电极膜、反铁磁膜以及第一电极膜进行图案化，形成第二电极、反铁磁层以及第一电极。这是一种易于实现的方式。

52、在一种可能的实现方式中，形成反铁磁膜，包括：采用化学气相沉积工艺、分子束外延生长工艺或者晶体剥离-转移工艺形成反铁磁膜。这是一种易于实现的方式。

53、在一种可能的实现方式中，每个存储单元还包括选择器；形成第二电极之前，存储阵列的制备方法，还包括：形成选择器；第二电极与选择器电连接。

54、在一种可能的实现方式中，磁性隧穿结还包括第一覆盖层；磁性隧穿结的制备方法，还包括：形成第一覆盖层，第一覆盖层位于反铁磁层的表面。第一覆盖层可以保护反铁磁层，减弱二维层状反铁磁材料受到的外界破坏。