[发明专利]磁性随机存储器的磁隧道结器件

说明书

本发明提供一种磁性随机存储器的磁隧道结器件，包括自下而上依次堆叠的参考层、隧穿介电层和记忆层，所述记忆层采用物理气相沉积法制作，其包括铁磁材料，以及通过沉积层插入方式和/或共溅射方式来掺入该铁磁材料的非磁材料。本发明的磁性随机存储器，其记忆层相比于现有技术采用更多的叠层和更薄的每层厚度，或者共溅射的方法，或两种结合的方法，以实现非磁材料更均匀的混合进入磁性材料，以此来渐变可控地调节记忆层的磁化强度、各向异性强度和居里温度，因此，通过记忆层的上述设计，可以降低在低温或极低温度下翻转记忆层磁矩的所需的电流和功耗，使得磁性随机存储器能够在室温、低温或极低温下以低功耗工作。

技术领域

本发明涉及集成电路芯片的存储器领域，尤其涉及一种可在低温和极低温下工作的磁性随机存取存储器。涉及一种降低磁性随机存储器动态功耗的方法。

背景技术

随着材料科学、纳米科学的不断进步, 一种新型高性能存储器磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)正在吸引人们的目光。它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且几乎可以无限次地重复写入。磁性随机存储器采用磁性多层材料构成的纳米柱状器件中的磁矩方向来记录信息，而维持磁矩和磁矩的方向并不需要外加电源（相较于DRAM断电后存储数据完全丢失），因此这种磁性随机存储器还具有闪存（Flash）的非易失性。上述多重优点使得该类基于磁性存储位元的存储器被业界看作下一代通用性存储的主要候选，广泛适用于各类应用场景。

与此同时，伴随摩尔定理逐渐接近极限，当前基于硅材料场效应管的集成电路功耗、速度等效能接近极限，业界亟待探索其新型的计算架构和元器件。包括基于约瑟夫森结的超导集成电路、通过量子比特操纵的量子计算机等。这些新型的计算机处理器都需要在极低温度下（液氦温度4.2K或更低）工作，而可以与之相兼容的低温存储器一直是实现有效计算功能的瓶颈。另外当前商用存储器一般仅支持至多零下40摄氏度的工作环境，而无法满足其他极端温度工作条件。

如图1A所示，现有的磁性随机存储器芯片由一个或多个存储单元100的阵列组成，其最简单的基本存储单元100如图1B所示，包括一个存储位元器件101和一个开关器件102。其中，开关器件102可以是MOS场效应管、超导器件或其他具有开关功能的三端器件，开关器件2连接到磁性随机存储器芯片的字线Z负责接通或切断这个单元；存储位元器件101和开关器件102串联并连接接至磁性随机存储器的位线W和源线Y。并由此，通过行列周期性重复基本存储单位100形成存储阵列。

如图2A-2B所示，该存储位元器件101，101’一般采用磁性隧道结器件（MTJ，Magnetic Tunneling Junction）。MTJ器件是由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料所构成，包括依次堆叠的记忆层1011，1011’、绝缘层1012，1012’和参考层1013，1013’，图中单箭头代表参考层，箭头方向指磁矩方向，双箭头指磁矩方向可变，单箭头指磁矩方向固定不变。其中参考层1013，1013’为具有固定的磁化方向的一层铁磁材料，记忆层1011，1011’为磁化方向可变的另一层铁磁材料，因此记忆层1011，1011’的磁化方向可以和参考层1013，1013’的磁化方向平行或反平行。记忆层1011，1011’和参考层1013，1013’磁矩的方向可以是平行于面内（如记忆层1011和参考层1013），或者垂直于面外方向（如记忆层1011’和参考层1013’）。其中，图2A-2B并不定义参考层和记忆层的上下层叠关系，实际情况中记忆层可在参考层上方或下方，绝缘层总是在两层之间。上述MTJ器件是将磁性多层薄膜材料经过刻蚀加工后形成微小尺寸（1-1000纳米直径）的圆柱状器件来实现的。由于量子隧穿效应，电流可以穿过器件中的隧道势垒层， MTJ器件可被视为一个可变电阻，其阻值依赖于可变磁化层的磁化方向。磁化方向平行时电阻低，磁化方向反平行时电阻高。读取磁性随机存储器的过程是对相应地址的存储位元器件MTJ的电阻进行测量。写入磁性随机存储器的过程是在相应地址的存储位元器件MTJ上通过合适的电流，来翻转（操作）记忆层的磁矩。自下而上和自上而下两种不同的电流方向可分别实现磁矩平行至反平行，以及磁矩反平行至平行的翻转。