一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件及制造方法技术

一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件，它形成多个MTJ层叠，各个MTJ由参考层、势垒层和自由层组成；参考层的磁化方向固定或通过连接钉扎层固定，自由层的磁化方向通过注入自旋极化电流在两种状态之间转换；多个MTJ通过金属隔离层串联，感应线设置在上述结构附近，从而在各个MTJ处产生不同辅助磁场，以影响其磁化方向翻转所需要的转换电流；通过施加不同方向、大小的电流与磁场，分别将各个MTJ切换至所需电阻状态，进而利用器件不同的总电阻状态存储多位数据；一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件的制造方法，它有七大步骤。本发明专利技术在提高STT-MRAM存储密度的同时，也降低了制造过程中的工艺难度与生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件及制造方法
本专利技术涉及一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件及制造方法，它包含一种由多个磁隧道结(MagneticTunnelJunction，MTJ)组成的存储结构，属于非易失性磁存储器

技术介绍
近年来，磁随机存储器(MRAM)因其非易失性、无限次读写、低功耗、高速度等优点受到学术界与工业界的广泛关注。更进一步，基于自旋转移力矩(SpinTransferTorque，STT)的磁随机存储器STT-MRAM无需外界磁场作用，通过注入自旋计划电流即可改变MTJ自由层的磁化方向，实现数据存储。因此，在进一步突破功耗、稳定性、读写速度、存储容量等瓶颈方面，STT-MRAM体现出巨大的研究及应用价值。MTJ主要分为基于垂直磁各向异性(PerpendicularMagneticAnisotropy，PMA)的MTJ与基于面内磁各向异性(In-PlaneMagneticAnisotropy)的MTJ，而后者在尺寸及功耗等方面更具优势。MTJ一般包括非磁性金属材料构成的底电极、铁磁材料构成的参考层、金属氧化物构成的势垒层、铁磁材料构成的自由层，以及非磁性金属材料构成的顶电极。其中，参考层可能需要反铁磁材料构成的钉扎层固定磁化方向。当参考层与自由层的磁化方向平行时，MTJ呈现低电阻状态，可存储数据“0”；反平行时则呈现高电阻状态，可存储数据“1”。目前，STT-MRAM一般使用1T(Transistor)1MTJ结构存储1位数据，而多级单元存储器件可以利用多个MTJ在一个单元中多于2位或以上数据，从而扩大存储容量并降低功耗。一种常用的此类器件为串联型多级单元结构，利用多个组成相同、截面尺寸相异的MTJ实现多级数据存储，但其制造工艺十分繁琐，且会造成器件性能下降。另一方面，相关研究表明，通过施加外界磁场作为辅助，可以减小磁化方向翻转需要的转换电流，从而降低进一步降低STT-MRAM的存储功耗。
技术实现思路
1.专利技术目的：针对上述
技术介绍
中传统多级单元磁存储器件制造遇到的相关问题，本专利技术提供了一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件及制造方法。该磁存储器件在提高STT-MRAM存储密度的同时，将降低制造过程中的工艺难度与生产成本。通过减少制造过程中的刻蚀次数，将确保该器件的性能不受影响。另一方面，本专利技术将通过金属感应线产生磁场辅助MTJ改变磁化方向，使STT-MRAM的功耗降低，并增加其设计与操控的灵活性。2.技术方案：本专利技术的技术方案是:(1)一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件，其特征是形成多个磁隧道结(MagneticTunnelJunction，MTJ)层叠，各个MTJ由参考层、势垒层和自由层组成。其中，参考层的磁化方向固定或通过连接钉扎层固定，自由层的磁化方向可以通过注入自旋极化电流在两种状态之间转换。当参考层与自由层的磁化方向平行时，MTJ呈现低电阻状态，可存储数据“0”；反平行时则呈现高电阻状态，可存储数据“1”。多个MTJ通过金属隔离层串联，感应线设置在上述MTJ结构周围，将位置调整为适宜，从而在各个MTJ处产生不同辅助磁场，影响其磁化方向翻转所需要的转换电流。通过施加不同方向、大小的电流与磁场，可以分别将各个MTJ切换至所需电阻状态，进而利用器件不同的总电阻状态存储多位数据。例如，两个MTJ组成的磁存储器件至多能够获得4种总电阻状态，即可写入2位数据00、01、10、11。在该磁存储器件中，自由层可能包括铁磁材料钴铁硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)、钌(Ru)、钴(Co)、钴/铂(Co/Pt)或钴/钯(Co/Pd)等，势垒层选自、但不限于金属氧化物材料氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)，参考层可能包括铁磁材料CoFeB、CoFe、Ru、Co、Co/Pt或Co/Pd等。其中，参考层的磁化方向可能需要通过反铁磁材料构成的钉扎层固定，包括铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、Co/Pt或Co/Pd等。磁存储器件上、下通过顶电极、底电极与外围电路相连，可能使用非磁性金属线材料钽(Ta)、Ru、铂(Pt)或铝(Al)等。感应金属线可以位于磁存储器件上、下或一侧的绝缘层中，可以使用二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)或其他材料。一条感应金属线可以由两个或多个磁存储器件共用。作用模式方面，可以固定辅助磁场，通过调整写电流完成数据存储；也可以将写电流固定，利用不同辅助磁场写入相应数据。各个MTJ可以基于垂直磁各向异性(PerpendicularMagneticAnisotropy，PMA)，也可以基于面内磁各向异性(In-PlaneMagneticAnisotropy)，即最广泛的理解为包括两种磁各向异性的多种组合形式。所对应的MTJ截面形状可以选自、但不限于圆形、椭圆形及长方形，一般为纳米级，如直径为40nm的圆柱体。(2)另一方面，本专利技术提供基于磁场辅助的多级单元磁存储器件制造方法，并根据部分实施例给出示例流程图，见图6。具体制造流程表述如下(图5)：步骤一：图5(a)中，基于传统半导体前端工艺形成绝缘层500及底部电接触502(如通孔)，使用化学机械平坦化等工艺将该层平坦化后，在上方通过磁控溅射等工艺沉积包含MTJ1、MTJ2的金属多层膜结构。步骤二：通过超高磁场真空退火固定参考层510的磁化方向。步骤三：图5(b)中，掩膜522利用化学气象沉积、电子束光刻及反应离子束刻蚀等方式获得。通过掩模522刻蚀金属多层膜结构至自由层106结束，形成器件100中MTJ1、MTJ2形态，底电极504被保留，如图5(c)。该步骤使用反应离子束刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀、离子束刻蚀或其他方式。步骤四：绝缘层524通过化学气象沉积或其他方式被沉积在上述步骤形成的结构上方，如图5(d)。步骤五：利用EBL形成图案化的掩模526a、526b，如图5(d)，分别用于刻蚀金属感应线120及底电极102。步骤六：图5(f)中，绝缘层528通过化学气象沉积或其他方式被沉积在上述步骤形成的结构上方，用于器件100的隔离与保护。步骤七：图5(g)中，利用大马士革或其他工艺在绝缘层528上方形成与顶电极118连通的顶部电接触530，使器件100与外围电路相连。该步骤涉及紫外光刻、反应离子束刻蚀、电子束蒸镀及化学机械平坦化等方式。构成磁存储器件的各个MTJ可以具有相同截面尺寸，其形态通过一次刻蚀即可完成，不仅能够降低工艺难度与生产成本，也可以缓解二次沉积等负面效应进而提高器件性能。特别地，当各个MTJ完全相同时，由于引入磁场辅助，同样可以实现多级存储。3.优点和功效：本专利技术提供一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件，该器件由多个堆叠的MTJ及附近的金属感应线构成。相比于传统的磁随机存储器，本专利技术具有以下优势：(1)本专利技术为多级单元存储器件，即可以在一个STT-MRAM单元当中多于1位数据。因此，本专利技术可以大幅提高存储密度并降低功耗。(2)传统STT-MRAM单纯地基于自旋转移力矩效应，当注入的自旋极化电流达到MTJ固有的转换电流时，自由层的磁化方向发生翻转。本专利技术通过增加磁场的方式辅助MTJ改变磁化方向，可以在一定程度上减小转换电流，从而使磁存储器的功耗降低。(3)通过调整金属感应线与MTJ之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件，其特征在于：它是形成复数个磁隧道结MTJ层叠，各个MTJ由参考层、势垒层和自由层组成；其中，参考层的磁化方向固定或通过连接钉扎层固定，自由层的磁化方向通过注入自旋极化电流在两种状态之间转换；当参考层与自由层的磁化方向平行时，MTJ呈现低电阻状态，存储数据“0”；反平行时则呈现高电阻状态，存储数据“1”；复数个MTJ通过金属隔离层串联，感应线设置在上述MTJ结构周围，适当调整位置，从而在各个MTJ处产生不同辅助磁场，影响其磁化方向翻转所需要的转换电流；通过施加不同方向、大小的电流与磁场，分别将各个MTJ切换至所需电阻状态，进而利用器件不同的总电阻状态存储多位数据；在该磁存储器件中，自由层包括铁磁材料钴铁硼CoFeB、钴铁CoFe、钌Ru、钴Co、钴/铂Co/Pt或钴/钯Co/Pd，势垒层选自、但不限于金属氧化物材料氧化镁MgO、氧化铝Al2O3，参考层包括铁磁材料钴铁硼CoFeB、钴铁CoFe、钌Ru、钴Co、钴/铂Co/Pt或钴/钯Co/Pd；其中，参考层的磁化方向需要通过反铁磁材料构成的钉扎层固定，包括铂锰PtMn、铱锰IrMn、Co/Pt或Co/Pd；磁存储器件上、下通过顶电极、底电极与外围电路相连，使用非磁性金属线材料钽Ta、钌Ru、铂Pt或铝Al；感应金属线位于磁存储器件上、下或一侧的绝缘层中，使用二氧化硅SiO2、氮化硅SiN或其他材料；一条感应金属线由两个或多个磁存储器件共用，作用模式方面，固定辅助磁场，通过调整写电流完成数据存储；也能将写电流固定，利用不同辅助磁场写入相应数据；各个MTJ基于垂直磁各向异性，也能基于面内磁各向异性，即最广泛的理解为包括两种磁各向异性的多种组合形式；所对应的MTJ截面形状选自、但不限于圆形、椭圆形及长方形，为纳米级。...

【技术特征摘要】
1.一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件，其特征在于：它是形成复数个磁隧道结MTJ层叠，各个MTJ由参考层、势垒层和自由层组成；其中，参考层的磁化方向固定或通过连接钉扎层固定，自由层的磁化方向通过注入自旋极化电流在两种状态之间转换；当参考层与自由层的磁化方向平行时，MTJ呈现低电阻状态，存储数据“0”；反平行时则呈现高电阻状态，存储数据“1”；复数个MTJ通过金属隔离层串联，金属感应线设置在上述MTJ结构周围，适当调整位置，从而在各个MTJ处产生不同辅助磁场，影响其磁化方向翻转所需要的转换电流；通过施加不同方向、大小的电流与磁场，分别将各个MTJ切换至所需电阻状态，进而利用器件不同的总电阻状态存储多位数据；在该磁存储器件中，自由层包括铁磁材料钴铁硼CoFeB、钴铁CoFe、钌Ru、钴Co、钴/铂Co/Pt或钴/钯Co/Pd，势垒层选自、但不限于金属氧化物材料氧化镁MgO、氧化铝Al2O3，参考层包括铁磁材料钴铁硼CoFeB、钴铁CoFe、钌Ru、钴Co、钴/铂Co/Pt或钴/钯Co/Pd；其中，参考层的磁化方向需要通过钉扎层固定，构成钉扎层的材料包括铂锰PtMn、铱锰IrMn、Co/Pt或Co/Pd；磁存储器件上、下通过顶电极、底电极与外围电路相连，顶电极、底电极使用非磁性金属材料钽Ta、钌Ru、铂Pt或铝Al；金属感应线位于磁存储器件上、下或一侧的绝缘层中，绝缘层使用二氧化硅SiO2或氮化硅SiN；一条金属感应线由两个或多个磁存储器件共用，作用模式方面，固定辅助磁场，通过调整写电流完成数据存储；也能将写电流固...

【专利技术属性】
技术研发人员：王梦醒，张雨，郭玮，赵巍胜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11