[发明专利]STT-MRAM存储器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种STT‑MRAM存储器及其制备方法。该STT‑MRAM存储器包括：字线，包括层叠设置的导电层和磁性屏蔽层，磁性屏蔽层的磁化方向为字线的延伸方向；多个MTJ单元，各MTJ单元均包括顺序层叠设置的固定层、第一隔离层、自由层、第二隔离层与极化层，各极化层均与磁性屏蔽层接触设置，且极化层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直。由于字线中的磁性屏蔽层能够与各极化层接触设置，从而相比于极化层能够具有较大的尺寸，使极化层的杂散场受到约束，且极化层与磁性屏蔽层具有相同磁化方向，从而显著降低了由极化层在自由层处产生的磁场，进而在引入极化层自旋转移力矩降低写电流的同时，有效地避免了极化层磁场的不利影响。

技术领域

本发明涉及STT-MRAM存储器，具体而言，涉及一种STT-MRAM存储器及其制备方法。

背景技术

利用电流改变MTJ状态的存储器为磁性随机存储器(STT-MRAM)，这是一种极具潜力的新型存储器。该存储器除了具有电路设计简单，读写速度快，无限次擦写等优点外，相对于传统存储器如DRAM的最大优势为非易失性(断电数据不丢失)。自由层(磁记录层)的磁性方向可以由外场(H)或者写电流(I)操控。当自由层磁化方向和固定层平行或反平行时，可以分别对应数据0或者1。传统MRAM利用磁场写入信息，而磁场的产生依靠通过纳米线中的电荷电流，在尺寸持续微缩的情况下，MRAM需要的翻转磁场持续升高，所需的电流密度随之增大到不可容忍的程度，且相邻位元间存在严重干扰。该方法不适用于制备位元尺寸小于100nm的MRAM。STT-MRAM利用自旋极化电流的转移力矩写入信息，信息写入的电流密度一定，总能耗随着位元尺寸降低而降低。因此STT-MRAM相对传统已经商业化的MRAM具有巨大的能耗和微缩优势。

基于磁性隧道磁阻(TMR)效应的MTJ单元10＇由两层磁性层和介于磁性层中间的介质层组成，通常包括顺序层叠设置的下电极层110＇、固定层120＇、介质层130＇、自由层140＇、分隔层150＇、极化层160＇和上电极层170＇，如图1所示。第一磁性层磁化取向固定(固定层)，而第二磁性层磁化取向可通过磁场或电流改变(自由层)，进而使两层磁性层处于平行或反平行态，对应高电阻态和低电阻态，可以用来存储信息。当前MRAM为了提高写速度，尝试引入额外的自由极化层，其中极化层的磁化方向和自由层的磁化方向垂直，为自由层提供额外的自旋转移力矩，从而提高有效自旋极化率(p)。该方法能够加快室温下的翻转速度，降低写电压。

然而，由于上述极化层为磁性层，且磁化方向与自由层的磁化方向垂直，易在MTJ结构(100nm)周围空间产生磁场，从而对临近自由层有磁干扰，依据相关尺寸的估算，该磁场大小为几百奥斯特(x100Oe)量级。这样大小的磁场会显著提高扰动，导致数据丢失。尤其会降低MTJ在温度高于室温情况下的数据保存时间(Data Retention)和增加读扰动(RDR)。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种STT-MRAM存储器及其制备方法，以解决现有技术中MTJ结构中的极化层在MTJ结构周围空间产生磁场而导致对临近自由层有磁干扰的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种STT-MRAM存储器，STT-MRAM存储器包括：字线，包括层叠设置的导电层和磁性屏蔽层，磁性屏蔽层的磁化方向为字线的延伸方向；多个MTJ单元，各MTJ单元均包括顺序层叠设置的固定层、第一隔离层、自由层、第二隔离层与极化层，各极化层均与磁性屏蔽层接触设置，且极化层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直。

进一步地，磁性屏蔽层的远离导电层的一侧具有第一凹槽，极化层位于第一凹槽中，且磁性屏蔽层覆盖极化层。

进一步地，磁性屏蔽层的远离极化层的一侧具有第二凹槽，导电层填充设置在第二凹槽中。

进一步地，形成磁性屏蔽层的材料为软磁材料，优选软磁材料选自Ni、Fe和NiFe中的任一种或多种。

进一步地，形成导电层的材料为Cu。