阅读说明：本技术 一种提高磁性随机存储器写入效率的方法 ([db:专利名称-en]) 是由 叶力 戴瑾 于 2018-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高磁性随机存储器写入效率的方法,磁性随机存储器包括控制电路和存储单元阵列,每个存储单元由磁性隧道结和NMOS场效应管组成,存储单元通过字线、磁性位线以及源线与控制电路连接。磁性位线产生一个额外的自旋扭矩效应,由于磁性隧道结的记忆层磁矩垂直于薄膜表面方向,该自旋扭矩在初始状态下就处于最大值,而不会像参考层所提供的自旋扭矩效应那样需要经过一个正反馈的逐渐放大过程。这个额外的自旋扭矩由记忆层顶部的磁性位线提供,可以加速记忆层磁矩的翻转,降低写操作所消耗的能量,提高芯片写操作的效率。([db:摘要-en])

一种提高磁性随机存储器写入效率的方法

技术领域

本发明涉及一种磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)，具体涉及一种提高磁性随机存储器写入效率的方法，属于磁性随机存储器制造技术领域。

背景技术

MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容，MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

MRAM的原理，是基于一个叫做磁性隧道结(MTJ)的结构。它是由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1和图2所示。下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层13，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层11，记忆层11的磁化方向可以和参考层13相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层12，磁性隧道结的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。记忆层11和参考层13的磁化方向相平行时电阻低，如图1；反平行时电阻高，如图2。

读取MRAM的过程就是对磁性隧道结的电阻进行测量。使用比较新的STT-MRAM技术，写MRAM也比较简单：使用比读更强的电流穿过磁性隧道结进行写操作。一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定层反平行的方向，自上而下的电流把它们置成平行的方向。

如图3所示，每个MRAM的存储单元由一个磁性隧道结(MTJ)和一个NMOS选择管组成。每个存储单元需要连接三根线：NMOS场效应管的栅极连接到芯片的字线(Word Line)32，负责接通或切断这个单元；NMOS场效应管的一极连在源线(Source Line)33上，NMOS场效应管的另一极和磁性隧道结34的一极相连，磁性隧道结34的另一极连在位线(Bit Line)31上。

存储单元中包括记忆层和参考层，通过自旋扭矩效应实现对记忆层11磁矩的翻转，自旋扭矩效应的大小正比于记忆层11和参考层13磁矩的叉乘。STT-MRAM通过自旋扭矩效应来实现电流对记忆层11磁矩的翻转，也就是写操作。在初始状态下，记忆层11和参考层13的磁矩是相互平行的，因此自旋扭矩效应为零。热扰动使得两层磁矩产生一个小的夹角，从而产生一个小的自旋扭矩效应。而自旋扭矩效应又反过来进一步扩大两层磁矩的夹角，从而形成一个正反馈的物理过程，最终实现记忆层11磁矩的翻转。该物理过程的缺点是能耗效率低，而且速度较慢，因此制约了STT-MRAM整体功耗和速度的进一步优化。

过往专利中提到过采用磁性字线或磁性写线的结构(CN200380105441、CN200810098862)。CN200380105441中公开的磁性写线的工作方式如图7所示，写线电流71和字线电流72将产生环绕在写线和字线周围的奥斯特磁场，写线电流71和字线电流72所产生的磁场在两条线交叉的部分，即磁隧道结记忆层所在的位置叠加产生磁场来翻转记忆层磁矩，从而实现对存储单元的写入。该发明采用老式的磁场编程方法写电流并不流过磁性隧道结单元。其写入机制并非自旋扭距效应，无法实现同等高效的写入操作。该发明提出采用磁性位线的方案仅用于防止材料再高电流密度下的电迁移现象。另外该专利公布的磁性写线可以承受较高的电流密度，但由于磁性写线电阻率较高，将增加存储器的功耗、降低写入速度。

CN200810098862中公开的结构采用了相互独立的磁性写线和非磁性位线，如图8所示。非磁性位线和磁性写线相互垂直，写电流从后者流向前者，而并不流过磁性隧道结单元，该发明将自旋极化的载流子从磁性位线81注入到非磁性位线82，翻转存储单元的记忆层83，该发明方案需要增加两条相互垂直的磁性和非磁性位线，因此增加了工艺复杂度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明采用面内磁化的磁性位线产生一个额外的自旋扭矩效应，提高磁性随机存储器写入效率。具体技术方案如下：

本发明的第一方面，公开了一种磁性随机存储器，包括控制电路和存储单元阵列，存储单元由磁性隧道结和NMOS场效应管组成，存储单元通过字线、位线以及源线与控制电路连接，位线包含磁性层。

进一步地，磁性层选用3d过渡族磁性合金材料。优选地，磁性层选用适于位线加工工艺的磁性材料。

进一步地，位线还包括导电金属层。优选地，导电金属层选用铜、铝、铜铝合金或钨等材料。

进一步地，位线和源线平行或垂直。

进一步地，位线的磁化方向平行于位线的走线方向，并且垂直于磁性隧道结中的记忆层的磁矩。位线和记忆层之间隔开适当的距离。

本发明的第二方面，公开了上述磁性随机存储器的制作方法，至少包括如下步骤：

步骤一、在基底上制作磁性隧道结；

步骤二、在磁性隧道结周围沉积保护层；

步骤三、在保护层上填充电介质层；

步骤四、在电介质层中刻蚀产生位线线槽；

步骤五、在位线线槽内填充永久磁化材料，制作磁性层；

步骤六：在位线线槽内填充导电金属；优选地，导电金属选用铜、铝、铜铝合金或钨等材料。

步骤七、磨平导电金属的表面，位线制作完成。

进一步地，通过外加磁场初始化设置磁性层的磁矩方向。

进一步地，在位线和磁性隧道结的记忆层之间设置非磁性隔离层，隔离层厚度应处于自旋平均自由程内。优选地，隔离层选用铝、铜或钨。

本发明的有益效果：由于记忆层磁矩垂直于薄膜表面方向，该自旋扭矩在初始状态下就处于最大值，而不会像参考层所提供的自旋扭矩效应那样需要经过一个正反馈的逐渐放大的过程。这个额外的自旋扭矩由记忆层顶部的位线提供，可以加速记忆层磁矩的翻转，降低写操作所消耗的能量，提高芯片写操作的效率。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明由更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1是磁性隧道结处于低电阻态时，记忆层与参考层磁性平行的示意图；

图2是磁性隧道结处于高电阻态时，记忆层与参考层磁性反平行的示意图；

图3是存储单元由一个磁性隧道结和一个NMOS场效应管组成的结构示意图；

图4是本发明一个较佳实施例中单个存储单元与磁性位线的布局结构示意图；

图5是本发明一个较佳实施例中，磁性位线与源线平行布置的示意图；

图6是本发明另一个较佳实施例中，磁性位线与源线垂直布置的示意图；

图7是一个现有技术中的磁性随机存储器的立体结构示意图；

图8是另一个现有技术中的磁性随机存储器的剖切结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

与本发明最接近的现有技术是在磁性隧道结材料中，额外增加一层磁性材料，其磁化方向垂直于记忆层磁矩，因此也能提供额外的自旋扭矩作用从而提高翻转效率。但是该方法同时也增加了磁性隧道结的制造工艺难度。另外为了保证增加磁性层的热稳定性，对其尺寸有要求，无法实现小尺寸的磁性隧道结。

针对上述现有技术的改进，本发明公开了一种磁性随机存储器，如图4所示的是其中部分结构。磁性随机存储器包括控制电路和存储单元，存储单元由磁性隧道结44和NMOS场效应管组成，存储单元通过字线42、位线41以及源线43与控制电路连接，位线41是磁性位线，位线41包括永久磁化材料层411和导电金属层412。在位线41和磁性隧道结44之间是非磁性金属隔离层45，此隔离层45的材料选用铝、铜或钨等，其厚度应处于自旋平均自由程内。图4是切面示意图，其中箭头所指方向为磁性位线的磁化方向。从此可见，磁性位线的磁化方向指向磁性位线所在平面的面内，平行于位线的走线方向，并且垂直于磁性隧道结44中的记忆层的磁矩。

磁性隧道结44中的记忆层磁矩垂直于水平面，磁性隧道结44中的参考层磁矩垂直于水平面。

本专利发明的磁性存储器的写操作方法：磁性存储器出厂时采用外加磁场讲磁性位线中的磁性层磁矩初始化到所需方向，即磁矩平行于水平面内并沿着位线布线的方向。初始化磁场应该足够大将位线中的磁性层磁矩设定在所需方向，但不应影响磁性隧道结中记忆层和参考层的磁矩方向和稳定性。磁性位线的磁矩方向初始化完成后，磁性存储器即可进行正常读写操作。写“1”时，位线加高电压，源线加零电压，电流从电压源处通过位线流入磁隧道结单元再通过源线流入地。绝大部分的电流由位线中的高导电层承载，仅仅当电流注入磁隧道结单元之前所有电流都通过位线中的磁性层，并对记忆层产生自旋扭矩效应。写“0”时，位线加零电压，源线加高电压，电流从电压源处通过源线流入磁隧道结单元再通过位线流入地。绝大部分的电流由位线中的高导电层承载，仅仅当电流从磁隧道结单元流出至位线时通过位线中的磁性层，并对记忆层产生相反的自旋扭矩效应。从而实现写“1”和写“0”。

如图5所示的俯视图中，字线52和磁性位线51必须是垂直的，相对简单的设计是磁性位线51和源线53平行，54代表磁性隧道结，55代表NMOS场效应管。

也可以设置成如图6所示的状态，磁性位线61和源线63垂直，字线62和磁性位线61必须是垂直的。64代表NMOS场效应管。

上述磁性随机存储器的制作方法，至少包括如下步骤：

步骤一、在前道CMOS工艺基础上制作磁性隧道结。磁性隧道结包括参考层、隧道势垒层和记忆层。

参考层具有磁极化不变性，垂直型(pSTT-MRAM)的参考层一般具有TbCoFe或[Co/Pt]/Co/Ru/[CoPt]/CoFeB_m超晶格多层膜结构，通常下面需要一层种子层，例如Ta/Pt，其优选参考层总厚度为8～20nm。

隧道势垒层为非磁性金属氧化物，优选MgO或Al₂O₃，其厚度为0.5nm～3nm。更进一步地，可以采用双层MgO的结构。

记忆层具有可变磁极化，垂直型pSTT-MRAM记忆层一般为CoFeB、CoFe/CoFeB、Fe/CoFeB、CoFeB(Ta，W，Mo)/CoFeB，其优选厚度为0.8nm～3nm。

在磁性隧道结刻蚀完成后，余留一定厚度的顶层金属研磨作为隔离层，实现记忆层和磁性位线的隔离。顶层金属可选择自旋相干长度较长的金属，一般是原子质量较轻的单质或少量掺杂材料，如铜、铝等，以降低自旋轨道耦合导致的散射相应。

步骤二、在磁性隧道结周围沉积保护层。保护层可以是SiN、SiC或SiCN，其形成方法可以是化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)、原子层沉积(ALD，AtomicLayer Deposition)或离子束沉积(IBD，Ion Beam Deposition)等。

步骤三、在保护层上剩余空间内填充电介质，并采用化学机械抛光工艺将顶部磨平。电介质可以是SiO₂、SiON或低电介常数电介质等，其形成方法一般采用化学气相沉积工艺。

步骤四、在电介质层中刻蚀产生位线线槽。一般采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出位线线槽。

步骤五、在位线线槽内制作磁性位线。磁性位线包括永久磁化材料层，永久磁化材料层选用3d过渡族磁性合金材料。优选地，永久磁化材料层选用适于位线加工工艺的磁性材料。为了增加位线的整体导电能力，磁性位线还包括导电金属层，选用铜等导电性能较佳的金属。

步骤六、使用化学机械抛光工艺磨平磁性位线表面，磁性位线制作完成。

本发明由于记忆层磁矩垂直于薄膜表面方向，其自旋扭矩在初始状态下就处于最大值，而不会像参考层所提供的自旋扭矩效应那样需要经过一个正反馈的逐渐放大的过程。这个额外的自旋扭矩由记忆层顶部的磁性位线提供，可以加速记忆层磁矩的翻转，降低写操作所消耗的能量，提高芯片写操作的效率。本发明的方法对磁性隧道结的尺寸没有限制，因而具有更好的存储阵列可扩展性。

上述磁性随机存储器的制作方法，也可采用如下步骤：

步骤一、在前道CMOS工艺基础上制作磁性隧道结。磁性隧道结包括参考层、隧道势垒层和记忆层。

参考层具有磁极化不变性，垂直型(pSTT-MRAM)的参考层一般具有TbCoFe或[Co/Pt]/Co/Ru/[CoPt]/CoFeB_m超晶格多层膜结构，通常下面需要一层种子层，例如Ta/Pt，其优选参考层总厚度为8～20nm。

隧道势垒层为非磁性金属氧化物，优选MgO或Al₂O₃，其厚度为0.5nm～3nm。更进一步地，可以采用双层MgO的结构。

记忆层具有可变磁极化，垂直型pSTT-MRAM记忆层一般为CoFeB、CoFe/CoFeB、Fe/CoFeB、CoFeB(Ta，W，Mo)/CoFeB，其优选厚度为0.8nm～3nm。

在磁性隧道结刻蚀完成后，余留一定厚度的顶层金属研磨作为隔离层，实现记忆层和磁性位线的隔离。顶层金属可选择自旋相干长度较长的金属，一般是原子质量较轻的单质或少量掺杂材料，如铜、铝等，以降低自旋轨道耦合导致的散射相应。

步骤二、在磁性隧道结周围沉积保护层。保护层可以是SiN、SiC或SiCN，其形成方法可以是化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)、原子层沉积(ALD，AtomicLayer Deposition)或离子束沉积(IBD，Ion Beam Deposition)等。

步骤三、在保护层上剩余空间内填充电介质，并采用化学机械抛光工艺将顶部磨平。电介质可以是SiO₂、SiON或低电介常数电介质等，其形成方法一般采用化学气相沉积工艺。

步骤四、在电介质层中刻蚀产生位线线槽。一般采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出位线线槽。

步骤五、在位线线槽内制作磁性隔离层，用于隔离位线中的铜和绝缘层，防止铜在绝缘层中的扩散，磁性隔离层可采用参入磁性材料的Ta、Ti或它们的合金，使其具备需要的磁化强度和磁化方向。进一步采用电化学沉积的方法沉积铜金属，制作位线中的高导电层。

步骤六、使用化学机械抛光工艺磨平磁性位线表面，磁性位线制作完成。

与专利CN200380105441相比，本专利中的方法采用了磁性层和高导电层(铜、铝、铝铜合金或钨)两层结构，兼顾了磁性位线的较小电阻和提高自选扭矩效应的改进。

与专利CN200810098862相比，本专利中记忆层磁矩必须与磁性位线的磁矩方向相互垂直，磁性位线磁矩指向水平面内，沿位线走线方向，记忆层磁矩指向垂直水平面方向。前述专利记忆层磁矩同磁性写线磁矩相互平行，都指向水平面内方向，同本专利有本质区别。此外，本专利仅仅利用已有的一条位线，在位线中增加磁性层，无需额外增加工艺的复杂性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。