一種平面型stt-mram記憶單元及其讀寫方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及存儲器件領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種平面型STT-MRAM記憶單元及其讀寫方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來人們利用磁性隧道結(jié)（MTJ，Ma即etic化nnel化nction)的特性做成的磁 性隨機存取記憶體，即為MRAM(Ma即etic Random Access Memoir)。MRAM是一種新型固態(tài) 非易失性記憶體，它有著高速讀寫的特性。鐵磁性MTJ通常為S明治結(jié)構(gòu)，其中有磁性記憶 層，它可W改變磁化方向W記錄不同的數(shù)據(jù)；中間層為絕緣層；磁性參考層位于絕緣層的 另一側(cè)，它的磁化方向是不變的。當(dāng)記憶層與參考層之間的磁化強度矢量方向平行或反平 行時，磁記憶元件的電阻態(tài)也相應(yīng)為低阻態(tài)或高阻態(tài)。運樣測量磁電阻元件的電阻態(tài)即可 得到存儲的信息。
[000引 已有一種方法可W得到高的磁電阻（MR，Ma即eto Resistance)率：在非晶結(jié)構(gòu)的 磁性膜的表面加速晶化形成一層晶化加速膜。當(dāng)此層膜形成后，晶化開始從隧道勢壘層一 側(cè)形成，運樣使得隧道勢壘層的表面與磁性表面形成匹配，運樣就可W得到高MR。
[0004] 一般通過不同的寫操作方法來對MRAM器件進行分類。傳統(tǒng)的MRAM為磁場切換型 MRAM:在兩條交叉的電流線的交匯處產(chǎn)生磁場，可改變磁電阻元件中的記憶層的磁化強度 方向。自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機存儲器（STT-MRAM，Spin-transfer Torque Ma即etic Random Access Memory)則采用完全不同的寫操作，它利用的是電子的自旋角動量轉(zhuǎn)移，即自旋極 化的電子流把它的角動量轉(zhuǎn)移給記憶層中的磁性材料。磁性記憶層的容量越小，需要進行 寫操作的自旋極化電流也越小。所W運種方法可W同時滿足器件微型化與低電流密度。 STT-MRAM具有高速讀寫、大容量、低功耗的特性，有潛力在電子忍片產(chǎn)業(yè)，尤其是移動忍片 產(chǎn)業(yè)中，替代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體記憶體W實現(xiàn)能源節(jié)約與數(shù)據(jù)的非易失性。
[0005] 在一個簡單的面內(nèi)型STT-MRAM結(jié)構(gòu)中，每個MTJ元件的記憶層都具有穩(wěn)定的面內(nèi) 磁化強度。面內(nèi)型器件的易磁化軸由記憶層的面內(nèi)形狀或形狀各向異性決定。CMOS晶體管 產(chǎn)生的寫電流流經(jīng)磁電阻元件的堆疊結(jié)構(gòu)后，可W改變其電阻態(tài)，也即改變了存儲的信息。 進行寫操作時電阻會改變，一般情況下采用恒定電壓。在STT-MRAM中，電壓主要作用在約 IOA厚的氧化物層（即隧道勢壘層）上。如果電壓過大，隧道勢壘層會被擊穿。即使隧道 勢壘層不會立即被擊穿，如果重復(fù)進行寫操作的話，會使得電阻值產(chǎn)生變化，讀操作錯誤增 多，磁電阻元件也會失效，無法再記錄數(shù)據(jù)。另外，寫操作需要有充分大的電壓或自旋電流。 所W在隧道勢壘層被擊穿前也會出現(xiàn)記錄不完全的問題。
[0006] STT-MRAM的讀操作是把電壓作用在MTJ堆疊結(jié)構(gòu)上，再測量此MTJ元件是處于高 阻態(tài)或是低阻態(tài)。為了正確得到電阻態(tài)是高或低，需要的電壓相對較高。并且寫操作和讀操 作需要的電壓值并不相等，在當(dāng)前的先進技術(shù)節(jié)點，若各MTJ之間有任何的電子特性波動， 都會導(dǎo)致本應(yīng)進行讀操作的電流，卻象寫電流一樣，改變了 MTJ記憶層的磁化強度方向。
[0007] 因為在對此非易失性的MTJ記憶體進行寫操作會改變它的電阻值時，使MTJ記憶 器件產(chǎn)生損耗，縮短了它的生命周期。為了減小運種負(fù)面影響，需要提供一些方法來得到某 種結(jié)構(gòu)的STT-MRAM，可W同時具有高精度的讀操作，W及高可靠的寫操作。
[0008] US14/153047中，把介電層與置壓層設(shè)定于MTJ下方，即沉積時需先沉積介電層與 置壓層，然后再沉積MTJ，運樣會使得MTJ，尤其是其中的隧道勢壘層的沉積質(zhì)量下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種平面型STT-MRAM記憶單元，包括 位線和堆疊結(jié)構(gòu)，所述堆疊結(jié)構(gòu)包括：
[0010] 磁性參考層，所述磁性參考層的磁化方向不變且磁各向異性平行于層表面；
[0011] 磁性記憶層，所述磁性記憶層的磁化方向可變且磁各向異性平行于層表面；
[0012] 隧道勢壘層，所述隧道勢壘層位于所述磁性參考層和所述磁性記憶層之間且分別 與所述磁性參考層和所述磁性記憶層相鄰； 陽〇1引還包括：
[0014] 磁晶優(yōu)化輔助層，所述磁晶優(yōu)化輔助層與所述磁性記憶層相鄰并且設(shè)置于所述磁 性記憶層遠(yuǎn)離襯底基片的一面；
[0015] 置壓層，所述置壓層與所述磁晶優(yōu)化輔助層相鄰并且設(shè)置于所述磁晶優(yōu)化輔助層 遠(yuǎn)離所述襯底基片的一面；
[0016] 控制線，所述控制線與所述置壓層相鄰并且設(shè)置于所述置壓層遠(yuǎn)離所述襯底基片 的一面；
[0017] 所述磁性記憶層與所述位線相連。
[0018] 進一步地，所述磁晶優(yōu)化輔助層的材料為化Cl晶格結(jié)構(gòu)的金屬氧化物、金屬氮化 物或金屬氯化物，且其（100)晶面平行于所述襯底基片的基面。
[0019] 進一步地，所述金屬氧化物、金屬氮化物或金屬氯化物中的金屬為化、Li、Mg、化、 化、Cd、In、Sn、化、Ag中的至少一種。
[0020] 進一步地，所述磁晶優(yōu)化輔助層的材料為自然狀態(tài)下有穩(wěn)定化Cl晶格結(jié)構(gòu)的 MgO、MgN、CaO、CaN、M拉nO、CdO、CdN、MgCdO、CdZnO 中的至少一種。
[0021] 進一步地，所述磁晶優(yōu)化輔助層的厚度范圍是I~20nm。
[0022] 進一步地，所述磁晶優(yōu)化輔助層的電阻至少5倍于所述堆疊結(jié)構(gòu)的電阻。
[0023] 進一步地，所述磁晶優(yōu)化輔助層的電阻大于200ohm/ ym2。
[0024] 進一步地，所述置壓層的材料為金屬或者金屬合金，厚度大于lOnm。
[00巧]進一步地，所述隧道勢壘層的材料為金屬氧化物、金屬氮化物或金屬氮氧化物。
[0026] 進一步地，所述隧道勢壘層的材料為MgO、化0、Mg化0、MgsNz、MgON中的至少一種。
[0027] 進一步地，所述磁性記憶層的材料為B合金，其中包含Co、Fe、Ni中的至少一種元 素。
[0028] 進一步地，所述磁性記憶層的材料為CoFeB或CoB,其中B元素至少占10%。
[0029] 進一步地，所述磁性記憶層為多層結(jié)構(gòu)，包括與隧道勢壘層相接的第一 Co合金子 層和第二Co合金子層。
[0030] 進一步地，所述第一 Co合金子層為Co化或Co化B ;第二Co合金子層為CoFeB或 CoB。
[0031] 進一步地，在兩層Co合金子層中加入一插入層，插入層中至少有一種元素選自 Ta、Hf、Zr、Ti、Mg、佩、W、Mo、Ru、Al、Cu、Si，厚度小于 0. 5nm。
[0032] 本發(fā)明還提供了一種具有電壓控制的平面型STT-MRAM記憶單元的讀寫方法，包 括：
[0033] 讀操作時控制線與位線之間加正向偏置電壓，得向下的電場，磁晶優(yōu)化輔助層和 置壓層減小記憶層的垂直各向異性，增強面內(nèi)各向異性，增強穩(wěn)定性；
[0034] 寫操作時控制線與位線之間加負(fù)向偏置電壓，得向上的電場，磁晶優(yōu)化輔助層和 置壓層增強記憶層的垂直各向異性，減小面內(nèi)各向異性，減小寫電流。
[0035] 進一步地，所述讀操作時正向偏置電壓為0至1. 8V之間。
[0036] 進一步地，所述寫操作時負(fù)向偏置電壓為-0. 5V至-1. 8V之間。
[0037] 本發(fā)明將磁晶優(yōu)化輔助層、置壓層W及控制線設(shè)定于MTJ之上，即先制作MTJ再加 工上述各層，有效地改善了 MTJ的沉積質(zhì)量。
[0038] W下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，W 充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明平面型STT-MRAM記憶單元的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； W40] 圖2為本發(fā)明平面型STT-MRAM記憶單元的另一剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041] 圖3為處于讀狀態(tài)下的磁電阻元件示意圖；
[0042] 圖4為處于寫狀態(tài)下的磁電阻元件示意圖。
【具體實施方式】
[0043] 在本發(fā)明的實施方式的描述中，需要理解的是，術(shù)語"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、 "右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內(nèi)"、"外"、"順時針"、"逆時針"等指示的方位或位置關(guān) 系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示 或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、W特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解 為對本發(fā)明的限制。
[0044] 圖1為本實施例提供的一種平面型STT-MRAM陣列的一個磁電阻記憶單元的剖面 示意圖。磁電阻元件包括：位線1，磁性參考層11，隧道勢壘層12,磁性記憶層13,磁晶優(yōu)化 輔助層15,置壓層16,控制線17,通孔VIA 14,選擇性晶體管。選擇性晶體管包括：電介質(zhì) 2，互聯(lián)層3