一種基于磁性合金復(fù)合薄膜的存儲(chǔ)單元及其制備方法和磁存儲(chǔ)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于磁性合金復(fù)合薄膜的磁存儲(chǔ) 單元及其制備方法和磁存儲(chǔ)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] STT-MRAM(Spin Transfer Torque-Ma即etic Random Access Memory)是一種基于 自旋轉(zhuǎn)移矩的磁非揮發(fā)存儲(chǔ)器，具有高密度、高速度、低功耗、壽命長(zhǎng)和非易失等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn) 為是最有希望的"通用"存儲(chǔ)器之一。STT-MRAM存儲(chǔ)技術(shù)利用電流產(chǎn)生的STT效應(yīng)作用于 自由層（存儲(chǔ)層），并改變自由層的磁化方向，從而在存儲(chǔ)單元中產(chǎn)生高、低兩個(gè)阻態(tài)，實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)的存取。
[0003] 盡管STT-MRAM存儲(chǔ)技術(shù)在許多方面優(yōu)于其他存儲(chǔ)技術(shù)，但如何進(jìn)一步提高存儲(chǔ) 單元的讀寫速度仍然是目前應(yīng)用STT-MRAM技術(shù)需要解決的問(wèn)題。一方面，提高寫電流有助 于提高電流密度，在一定范圍內(nèi)有利于磁化翻轉(zhuǎn)，從而提高讀寫速度；然而另一方面，寫電 流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致金屬互連線壽命降低（互連線電流密度應(yīng)當(dāng)小于l〇 7A/cm2)，難W真正實(shí)現(xiàn)可 靠的高密度存儲(chǔ)，此外，寫電流大功耗也大。
[0004] 因此，在STT-MRAM技術(shù)應(yīng)用中，有必要提供一種能兼顧存儲(chǔ)密度，并實(shí)現(xiàn)高速、低 功耗存儲(chǔ)的磁存儲(chǔ)單元及其制備方法和磁存儲(chǔ)裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于磁性合金復(fù)合薄膜的磁存儲(chǔ)單元及其制備方法和 磁存儲(chǔ)裝置，能兼顧存儲(chǔ)密度，并實(shí)現(xiàn)高速、低功耗存儲(chǔ)，用W解決現(xiàn)有技術(shù)中STT-MRAM存 儲(chǔ)不能兼顧存儲(chǔ)密度、高速、低功耗的問(wèn)題。
[0006] 在第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于磁性合金復(fù)合薄膜的磁存儲(chǔ)單元，包 括：
[0007] 第一電極層、形成在所述第一電極層上的第一磁性層、形成在所述第一磁性層上 的絕緣隧穿層、形成在所述絕緣隧穿層上的第二磁性層W及形成在所述第二磁性層上的第 二電極層；
[0008] 其中，所述第二磁性層為磁性合金復(fù)合薄膜，所述磁性合金復(fù)合薄膜包括磁性顆 粒和絕緣隔離物，其中，所述磁性顆粒包括磁性合金，所述磁性合金包括化、Co、Ni和Pt元 素中的至少一種，所述絕緣隔離物包括金屬氧化物、金屬氮化物和金屬氮氧化物中的至少 一種，所述磁性顆粒分散在所述絕緣隔離物中。
[0009] 結(jié)合第一方面，在第一方面的第一種可能的實(shí)施方式中，所述磁性顆粒與鄰近于 所述磁性合金復(fù)合薄膜的上、下膜層接觸。
[0010] 結(jié)合第一方面和第一方面的第一種可能的實(shí)施方式，在第一方面的第二種可能的 實(shí)施方式中，所述絕緣隔離物的含有率為所述磁性合金復(fù)合薄膜總體積的20%~75% ;所 述磁性顆粒的平均粒徑為5~40nm。
[0011] 結(jié)合第一方面和第一方面的第二種可能的實(shí)施方式，在第一方面的第H種可能的 實(shí)施方式中，所述磁性合金復(fù)合薄膜的厚度為3~20nm。
[0012] 結(jié)合第一方面和第一方面的第二種可能的實(shí)施方式，在第一方面的第四種可能的 實(shí)施方式中，所述磁性合金還包括NcU Pd和B元素中的一種。
[0013] 結(jié)合第一方面，在第一方面的第五種可能的實(shí)施方式中，所述金屬氧化物為Ti、 Ta、Cu、A1、Si、Cr、Zr、Y、Ce、Mn、化或 W 的氧化物；所述金屬氮化物為 Ti、Ta、Cu、A1、Si、 化、2'、￥、〔6、111、化或￥的氮化物；所述金屬氮氧化物為1'1、1曰、〇1、41、51、化、2'、￥、〔6、 Mn、化或W的氮氧化物。
[0014] 結(jié)合第一方面，在第一方面的第六種可能的實(shí)施方式中，所述基于磁性合金復(fù)合 薄膜的磁存儲(chǔ)單元還包括形成于所述第二磁性層與所述第二電極層之間的Pt層或Pd層。
[0015] 在第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于磁性合金復(fù)合薄膜的磁存儲(chǔ)單元的制 備方法，包括W下步驟：
[0016] 提供襯底，在所述襯底上依次制備；第一電極層，第一磁性層，絕緣隧穿層，第二磁 性層，W及第二電極層，得到磁存儲(chǔ)介質(zhì)；
[0017] 將所述磁存儲(chǔ)介質(zhì)在300~60(TC下退火處理，得到所述基于磁性合金復(fù)合薄膜 的磁存儲(chǔ)單元，
[0018] 其中，所述第二磁性層為磁性合金復(fù)合薄膜，所述磁性合金復(fù)合薄膜包括磁性顆 粒和絕緣隔離物，其中，所述磁性顆粒包括磁性合金，所述磁性合金包括化、Co、Ni和Pt元 素中的至少一種，所述絕緣隔離物包括金屬氧化物、金屬氮化物和金屬氮氧化物中的至少 一種，所述磁性顆粒分散在所述絕緣隔離物中。
[0019] 結(jié)合第二方面，在第二方面的第一種可能的實(shí)施方式中，所述磁性顆粒與鄰近于 所述磁性合金復(fù)合薄膜的上、下膜層接觸。
[0020] 結(jié)合第二方面和第二方面的第一種可能的實(shí)施方式中，在第二方面的第二種可能 的實(shí)施方式中，所述絕緣隔離物的含有率為所述磁性合金復(fù)合薄膜總體積的20%~75% ; 所述磁性顆粒的平均粒徑為5~40nm。
[0021] 結(jié)合第二方面和第二方面的第二種可能的實(shí)施方式，在第二方面的第H種可能的 實(shí)施方式中，所述磁性合金復(fù)合薄膜的厚度為3~20nm。
[0022] 結(jié)合第二方面和第二方面的第二種可能的實(shí)施方式，在第二方面的第四種可能的 實(shí)施方式中，所述磁性合金還包括NcU Pd和B元素中的一種。
[0023] 結(jié)合第二方面，在第二方面的第五種可能的實(shí)施方式中，所述金屬氧化物為Ti、 Ta、Cu、A1、Si、Cr、Zr、Y、Ce、Mn、化或 W 的氧化物；所述金屬氮化物為 Ti、Ta、Cu、A1、Si、 化、2'、￥、〔6、111、化或￥的氮化物；所述金屬氮氧化物為1'1、1曰、〇1、41、51、化、2'、￥、〔6、 Mn、化或W的氮氧化物。
[0024] 結(jié)合第二方面，在第二方面的第六種可能的實(shí)施方式中，所述基于磁性合金復(fù)合 薄膜的磁存儲(chǔ)單元還包括形成于所述第二磁性層與所述第二電極層之間的Pt層或Pd層。 [00巧]在第H方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種磁存儲(chǔ)裝置，包括基于磁性合金復(fù)合薄膜 的磁存儲(chǔ)單元、為所述磁存儲(chǔ)單元提供讀寫電壓的讀寫電路、W及選通晶體管，所述基于磁 性合金復(fù)合薄膜的磁存儲(chǔ)單元包括：
[0026] 第一電極層、形成在所述第一電極層上的第一磁性層、形成在所述第一磁性層上 的絕緣隧穿層、形成在所述絕緣隧穿層上的第二磁性層W及形成在所述第二磁性層上的第 二電極層；
[0027] 其中，所述第二磁性層為磁性合金復(fù)合薄膜，所述磁性合金復(fù)合薄膜包括磁性顆 粒和絕緣隔離物，其中，所述磁性顆粒包括磁性合金，所述磁性合金包括化、Co、Ni和Pt元 素中的至少一種，所述絕緣隔離物包括金屬氧化物、金屬氮化物和金屬氮氧化物中的至少 一種，所述磁性顆粒分散在所述絕緣隔離物中。
[0028] 本發(fā)明實(shí)施例提供了 一種基于磁性合金復(fù)合薄膜的磁存儲(chǔ)單元，能兼顧存儲(chǔ)密 度，并實(shí)現(xiàn)高速、低功耗存儲(chǔ)。該磁存儲(chǔ)單元中的磁性合金復(fù)合薄膜與傳統(tǒng)的自由層（對(duì) 應(yīng)本發(fā)明實(shí)施例中的第二磁性層）采用的磁性薄膜不同，傳統(tǒng)的磁性薄膜采用連續(xù)的、純 磁性薄膜，不含絕緣材料，而本發(fā)明采用的磁性合金復(fù)合薄膜具有絕緣隔離物，磁性合金W 磁性顆粒的形式分散在絕緣隔離物中，由于絕緣隔離物采用的是導(dǎo)電性極差或不導(dǎo)電的材 料，磁性顆粒才是有效的導(dǎo)電區(qū)域；因此，電流在磁性合金復(fù)合薄膜中流過(guò)的實(shí)際面積小于 整個(gè)磁性合金復(fù)合薄膜的面積，即小于整個(gè)磁存儲(chǔ)單元（即磁隧道結(jié)，MTJ)的面積；相對(duì) 地，在相同MTJ面積的條件下，流過(guò)磁性合金復(fù)合薄膜中磁性合金納米顆的電流密度比流 過(guò)連續(xù)純磁性薄膜的電流密度更高。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā) 明實(shí)施例提供的部分附圖。
[0030] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于磁性合金復(fù)合薄膜的存儲(chǔ)單元20的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于磁性合金復(fù)合薄膜的存儲(chǔ)單元20的第二磁性層 204的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的制備基于磁性合金復(fù)合薄膜的STT-MRAM存儲(chǔ)單元的 流程圖；
[0033] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于磁性合金復(fù)合薄膜的存儲(chǔ)單元與現(xiàn)有普通存儲(chǔ) 單元寫入性能對(duì)比結(jié)果；
[0034] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的磁性合金復(fù)合薄膜的透射電子顯微鏡圖；
[0035] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例STT-MRAM裝置001的詳細(xì)圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。
[0037] 實(shí)施例1
[0038] 結(jié)合圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于磁性合金復(fù)合薄膜的存儲(chǔ)單元20,包括 依次疊層設(shè)置的第一電極層201/第一磁性層202/絕緣隧穿層203/第二磁性層204/第二 電極層205。如本發(fā)明所述的，符號(hào)"/"均表示各層之間為依次疊層設(shè)置結(jié)構(gòu)。
[0039] 其中，所述第二磁性層204為磁性合金復(fù)合薄膜，所述磁性合金復(fù)合薄膜包括磁 性顆粒和絕緣隔離物，其中，所述磁性顆粒包括磁性合金，所述磁性合金包括化、Co、Ni和 Pt元素中的至少一種，所述絕緣隔離物包括金屬氧化物、金屬氮化物和金屬氮氧化物中的 至少一種，所述磁性顆粒分