本技術涉及電子，尤其涉及一種磁性隨機存儲器及其制備方法、芯片封裝體、電子設備。

背景技術：

1、隨著數字經濟的不斷發展，人們對電子設備的性能要求越來越高，例如計算性能和功耗等，片上系統(system?on?chip，soc)是影響電子設備性能的重要部件。為了提升片上系統的性能，通常會設置多級緩存，這些緩存一般采用靜態隨機存儲器(static?randomaccess?memory，sram)，sram由多個晶體管構成。近年來，雖然半導體技術不斷提高，但晶體管的尺寸難以明顯減小，或者減小晶體管的尺寸需要付出極高的代價。這導致sram在soc上所占的面積非常大，甚至會占據整個soc一半以上的面積。此外，sram的功耗，特別是空閑時漏電造成的靜態功耗隨著晶體管的尺寸縮小也越來越嚴重，這也制約著整個soc的功耗優化空間。

2、磁性隨機存儲器(magnetoresistive?random?access?memory，mram)作為一種新型非易失性存儲器，相對sram具有高密度和低功耗等優勢，可用于替代sram。特別是自旋轉移扭矩磁性隨機存儲器(spin?transfer?torque?magnetic?random?access?memory，sttmram)，其技術較為成熟，得到了廣泛關注。在相同工藝下，stt-mram能夠做到sram密度的2-3倍，總體功耗可降低50％或者更多。

3、但stt-mram也存在一些缺陷，例如讀寫速度較慢等，因此用stt-mram替代sram還需要克服很多困難。

技術實現思路

1、本技術實施例提供一種磁性隨機存儲器及其制備方法、芯片封裝體、電子設備，用于解決難以兼顧磁性隨機存儲器讀寫速度和數據保持力的問題。

2、為達到上述目的，本技術采用如下技術方案：

3、第一方面，提供一種磁性隨機存儲器，其包括：第一存儲單元和第二存儲單元，其中，第一存儲單元包括依次疊置的第一參考層、第一阻擋層和第一自由層；第二存儲單元包括依次疊置的第二參考層、第二阻擋層和第二自由層；第二自由層包括第一部分和第二部分，第一部分相比第二部分遠離第二阻擋層，第一部分中氧離子的濃度大于第二部分中氧離子的濃度，且大于第一自由層中氧離子的濃度。

4、磁性隨機存儲器的存儲單元通過疊置參考層、阻擋層和自由層形成的磁隧道結來存儲數據，具體地，通過參考層和自由層的磁化方向是否一致來表示數據“0”或者“1”。其中，參考層的磁化方向不變，自由層的磁化方向可通過通入電流的方向進行控制，通入電流的方向包括參考層流向自由層和自由層流向參考層兩個方向，該兩個方向的電流可分別使自由層的磁化方向與參考層的磁化方向一致或者相反。

5、本實施例提供的磁性隨機存儲器包括兩類存儲單元，即第一存儲單元和第二存儲單元，第一存儲單元包括依次疊置的第一參考層、第一阻擋層和第一自由層；第二存儲單元包括依次疊置的第二參考層、第二阻擋層和第二自由層；第二自由層包括第一部分和第二部分，第一部分相比第二部分遠離第二阻擋層，第一部分中氧離子的濃度大于第二部分中氧離子的濃度，且大于第一自由層中氧離子的濃度。第二自由層中第一部分和第二部分氧離子的濃度不同，從而增加了第二自由層的垂直磁各向異性，即第二自由層的磁化方向相較于第一自由層更難改變，因此需要通入更大的電流，對應的，第二存儲單元讀寫數據的時間也相應增加，但由于第二自由層的磁化方向更難改變，第二存儲單元的數據保持能力也更強。相反，第一存儲單元具有較快的讀寫速度和較低的數據保持能力，從而在同一磁性隨機存儲器中同時實現了快速讀寫和數據的高保持力。

6、此外，在制備該磁性隨機存儲器時，第一存儲單元與第二存儲單元的區別僅在于第一自由層和第二自由層的氧化程度，因此，在制備第一自由層和第二自由層時，可淀積一膜層，用掩膜層覆蓋該膜層中第一自由層所在的第一區域，暴露第二自由層所在的第二區域，對第二區域進行氧化后進行刻蝕工藝形成第一自由層和第二自由層。也就是說，僅通過增加一個光刻步驟和氧化步驟即可形成兩類存儲單元，簡化了制備工藝。

7、在第一方面的一種可能的實現方式中，第一自由層中氧離子的濃度小于或等于第二自由層的第一部分中氧離子的濃度的三分之一。如此，可使改變第一自由層和第二自由層的磁化方向的難易程度有明顯差異，即使兩類存儲單元的讀寫速度和數據保持能力具有明顯差異，從而有利于應用到特定使用場景。

8、在第一方面的一種可能的實現方式中，第一自由層中氧離子的濃度為零。這樣可以在制備磁性存儲器時，免于對第一自由層進行氧化工藝，減少工藝流程。

9、在第一方面的一種可能的實現方式中，第二自由層的第二部分中氧離子的濃度，與第一自由層中氧離子的濃度相等。這樣可通過同一淀積工藝形成膜層，然后通過光刻、氧化、刻蝕等使該膜層形成第一自由層和第二自由層。

10、在第一方面的一種可能的實現方式中，磁性隨機存儲器包括第一存儲區和第二存儲區，第一存儲單元設于第一存儲區，第二存儲單元設于第二存儲區；磁性隨機存儲器還設置有第一硅通孔，第一硅通孔靠近第一存儲區設置；第一存儲單元與穿設于第一硅通孔中的總線連接。如此，當通過總線對磁性隨機存儲器進行讀寫操作時，由于總線與第一存儲單元的連線距離短，所以能夠減少對第一存儲單元進行讀寫時損耗在線路上的時間，更能發揮第一存儲單元快速讀寫的性能優勢。

11、在第一方面的一種可能的實現方式中，第一硅通孔的數量為多個，多個第一硅通孔圍繞第一存儲區。如此可避免將第一硅通孔集中設置，集中設置占用的面積大，從而減少磁性隨機存儲器中各存儲區布局的限制。

12、在第一方面的一種可能的實現方式中，第一存儲區位于磁性隨機存儲器的中央，第二存儲區圍繞第一存儲區，多個第一硅通孔位于第一存儲區和第二存儲區之間。由此，在使第一硅通孔到第一存儲區的距離小于等于到第二存儲區的距離時，均衡第二存儲區到第一硅通孔的距離。

13、在第一方面的一種可能的實現方式中，磁性隨機存儲器還包括第一信號線，第二存儲單元通過第一信號線與總線連接。這樣，通過總線不僅可對第一存儲單元進行讀寫操作，還可對第二存儲單元進行讀寫操作。

14、第二方面，本技術提供一種芯片封裝體，其包括：層疊設置的處理單元、磁性隨機存儲器和主存，磁性隨機存儲器設置于處理單元和主存之間；磁性隨機存儲器包括：第一存儲單元和第二存儲單元，其中，第一存儲單元包括依次疊置的第一參考層、第一阻擋層和第一自由層；第二存儲單元包括依次疊置的第二參考層、第二阻擋層和第二自由層；第二自由層包括第一部分和第二部分，第一部分相比第二部分遠離第二阻擋層，第一部分中氧離子的濃度大于第二部分中氧離子的濃度，且大于第一自由層中氧離子的濃度。該芯片封裝體中的磁性隨機存儲器同時兼顧了讀寫速度和高保持數據的能力，同時也簡化了制備工藝。

15、在第二方面的一種可能的實現方式中，磁性隨機存儲器包括第一存儲區和第二存儲區，第一存儲單元設于第一存儲區，第二存儲單元設于第二存儲區；靠近第一存儲區設置有第一硅通孔；芯片封裝體還包括穿設于第一硅通孔中的總線，第一存儲單元通過總線與處理單元連接。如此，當處理單元通過總線對磁性隨機存儲器進行讀寫操作時，由于總線穿設于第一硅通孔，第一硅通孔靠近第一存儲區設置，所以總線與第一存儲單元的連線距離短，能夠減少對第一存儲單元進行讀寫時損耗在線路上的時間，更能發揮第一存儲單元快速讀寫的性能優勢。

16、第三方面，本技術還提供一種芯片封裝體，其包括：層疊設置的處理單元、磁性隨機存儲器、主存和總線，磁性隨機存儲器設置于處理單元和主存之間；磁性隨機存儲器包括第一存儲單元和第二存儲單元，第一存儲單元設于磁性隨機存儲器的第一存儲區，第二存儲單元設于磁性隨機存儲器的第二存儲區；第一存儲單元包括依次疊置的第一參考層、第一阻擋層和第一自由層；第二存儲單元包括依次疊置的第二參考層、第二阻擋層和第二自由層；第一自由層的矯頑力小于第二自由層；磁性隨機存儲器還設置有靠近第一存儲區的第一硅通孔；總線穿設于第一硅通孔中，并連接第一存儲單元與主存。

17、該芯片封裝體中的磁性隨機存儲器同時兼顧了讀寫速度和高保持數據的能力，當處理單元通過總線對磁性隨機存儲器進行讀寫操作時，由于第一硅通孔靠近第一存儲區設置，總線穿設于第一硅通孔，所以總線與第一存儲單元的連線距離短，能夠減少對第一存儲單元進行讀寫時損耗在線路上的時間，更能發揮第一存儲單元快速讀寫的性能優勢。

18、在第三方面的一種可能的實現方式中，處理單元包括第一處理器，第一存儲區通過總線與第一處理器連接，第一處理器的幾何中心與第一存儲區的幾何中心在參考面上的投影重合；參考面為與處理單元、磁性隨機存儲器和主存的層疊方向相垂直的面。如此，可減少第一處理器與第一存儲區之間的總線連線長度，進而提升處理單元對第一存儲區的讀寫速度。

19、在第三方面的一種可能的實現方式中，第一硅通孔的數量為多個，多個第一硅通孔圍繞第一存儲區。如此可避免將第一硅通孔集中設置，集中設置占用的面積大，從而減少磁性隨機存儲器中各存儲區布局的限制，也有利于層疊封裝時總線與處理單元的連接。

20、在第三方面的一種可能的實現方式中，第一存儲區位于磁性隨機存儲器的中央，第二存儲區圍繞第一存儲區，多個第一硅通孔位于第一存儲區和第二存儲區之間。由此在使第一硅通孔到第一存儲區的距離小于等于到第二存儲區的距離的同時均衡第二存儲區到第一硅通孔的距離。

21、在第三方面的一種可能的實現方式中，主存設有第二硅通孔，第二硅通孔與第一硅通孔連通，總線還穿設于第二硅通孔，主存與穿設于第二硅通孔中的總線連接。如此，第二硅通孔與第一硅通孔對準，在層疊封裝時避免通過再分布層進行連接，從而簡化封裝工藝。

22、在第三方面的一種可能的實現方式中，磁性隨機存儲器用作最后一級緩存。如此，可將需要經常讀寫的數據存儲在第一存儲區，在確保讀寫速度的同時節約成本。

23、第四方面，本技術還提供一種磁性隨機存儲器制備方法，其包括：提供襯底；在襯底上形成層疊結構，層疊結構包括依次層疊形成的參考層、阻擋層和自由層；在層疊結構上形成掩膜層，掩膜層覆蓋層疊結構的第一區域并暴露層疊結構的第二區域；基于掩膜層對自由層中位于第二區域的部分進行氧化；去除掩膜層后刻蝕層疊結構，以使參考層形成第一參考層和第二參考層，阻擋層形成第一阻擋層和第二阻擋層，自由層形成第一自由層和第二自由層；其中，第二自由層包括第一部分和第二部分，第一部分相比第二部分遠離第二阻擋層，第一部分中氧離子的濃度大于第二部分中氧離子的濃度，且大于第一自由層中氧離子的濃度。

24、由此，在制備該磁性隨機存儲器時，第一存儲單元與第二存儲單元的區別僅在于第一自由層和第二自由層的氧化程度，因此，在制備第一自由層和第二自由層時，可淀積一膜層，用掩膜層覆蓋該膜層中第一自由層所在的第一區域，暴露第二自由層所在的第二區域，對第二區域進行氧化后進行刻蝕工藝即可形成第一自由層和第二自由層。也就是說，僅通過增加一個光刻步驟和氧化步驟即可形成兩類存儲單元，簡化了制備工藝。

25、第五方面，本技術還提供一種電子設備，包括印刷電路板，和如前所述任一項的磁性隨機存儲器，磁性隨機存儲器與印刷電路板連接；或者，包括印刷電路板，和如前所述任一項的芯片封裝體，芯片封裝體與印刷電路板連接。

26、本實施例提供的電子設備，通過采用第一方面中的磁性隨機存儲器、第二方面或第三方面中的芯片封裝體，提高設備的性能和降低設備成本。