一种磁性隧道结、制作方法、自旋二极管及存储器技术

本申请提供一种磁性隧道结、制作方法、自旋二极管及存储器，针对基于传统单势垒磁性隧道结MRAM的隧穿极化电流透射率较低、RA较大的问题，本申请提出的基于多势垒层的磁性隧道结，在保证高TMR的情况下，增加隧穿极化电流透射率，降低RA，进而降低器件功耗，同时提高自旋转移矩翻转过程的可靠性。本发明专利技术提出的基于多势垒层的磁性隧道结具有低功耗、低写入错误率的特点。

Magnetic tunnel junction, fabrication method, spin diode and memory

The application provides a magnetic tunneling junction, a manufacturing method, a spin diode and a memory. In view of the problems of low tunneling polarization current transmittance and large RA based on the traditional single barrier magnetic tunneling junction MRAM, the magnetic tunneling junction based on the multi barrier layer proposed in the application increases the tunneling polarization current transmittance, reduces RA and further reduces the power consumption of the device while ensuring high TMR At the same time, the reliability of spin transfer moment reversal process is improved. The magnetic tunnel junction based on the multi barrier layer has the characteristics of low power consumption and low write error rate.

【技术实现步骤摘要】
一种磁性隧道结、制作方法、自旋二极管及存储器
本申请涉及磁性隧道结
，更具体的，涉及一种磁性隧道结、制作方法、自旋二极管及存储器。
技术介绍
磁性随机存储器(magneticrandomaccessmemory，MRAM)由于具有非易失性、抗辐照、低功耗等优点，引起了学术与工业领域极大的关注。磁性隧道结(magnetictunneljunction，MTJ)是磁性随机存储器MRAM的基本存储单元。MTJ的核心部分由两层磁性金属层(如铁、钴、镍)和一个夹在两层磁性金属层之间的势垒层(如氧化镁、氧化铝)组成。其中一个磁性金属层叫做第一磁性层，它的磁化固定不变。另一个磁性金属层叫做第二磁性层，它的磁化有两个稳定的取向。MTJ可呈现两种状态，即两层磁性层磁化方向互相平行(parallel，P)或者互相反平行(antiparallel，AP)，使得MTJ出现低阻态或高阻态，这种效应被称为隧穿磁阻效应(tunnelmagnetoresistance，TMR)。MRAM存储的基本原理就是利用隧穿磁阻效应，即高低阻态分别表示数据“0”和“1”。目前STT-MRAM的磁性隧道结多为单壁垒，该结构已经发现了其具有较高的TMR值、隧穿极化电流透射率较低、结电阻与结面积的积矢(RA)较高及功耗较大，降低了STT写入可靠性。
技术实现思路
为了解决上述不足，本申请提供一种磁性隧道结、制作方法、自旋二极管及存储器。本申请一个方面实施例提供一种磁性隧道结，包括：第一磁性层，具有固定磁化方向；>第二磁性层，具有可翻转的磁化方向；多层势垒层，位于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间，并由非磁性绝缘材料形成；以及插入层，位于任意相邻的两层势垒层之间。在某些实施例中，还包括：重金属层，位于所述第二磁性层远离所述第一磁性层的一侧；以及第三磁性层，位于所述重金属层远离所述第二磁性层的一侧，并具有可翻转的磁化方向。在某些实施例中，还包括：磁稳定层，位于所述第一磁性层远离所述第二磁性层的一侧，用于稳定所述第一磁性层的磁化方向。在某些实施例中，所述第一磁性层和/或第二磁性层包括：单质铁磁材料、合金铁磁材料、具有半金属性质的铁磁材料中的至少一种。在某些实施例中，所述势垒层包括：氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化铪、氧化钛、氧化硅、铝酸镁中的至少一种。在某些实施例中，所述插入层包括：非磁性金属和绝缘体。在某些实施例中，所述非磁性金属包括：镁、铝、锌、金、银、铜、铂、钽、钨、铱中的至少一种；或者所述绝缘体包括：氧化镍、氧化铁、氧化钴中的至少一种。在某些实施例中，所述磁稳定层包括至少一层Co材料膜层和至少一层Pt材料膜层。在某些实施例中，所述势垒层的层数为两层，所述插入层的层数为一层。本申请另一方面实施例提供一种磁性隧道结的制作方法，包括：形成第一磁性层，所述第一磁性层具有固定磁化方向；形成多层势垒层，所述势垒层由非磁性绝缘材料形成；形成第二磁性层，所述第二磁性层具有可翻转的磁化方向；其中，在形成除第一层以外的势垒层之前，所述方法还包括：在已形成的暴露在外的势垒层上形成插入层。本申请又一方面实施例提供一种自旋二极管，包括：第一磁性层，具有固定磁化方向；第二磁性层，具有可翻转的磁化方向；多层势垒层，位于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间，并由非磁性绝缘材料形成；插入层，位于任意相邻的两层势垒层之间；第一电极，与所述第一磁性层耦接；以及第二电极，与所述第二磁性层耦接。本申请又一方面实施例提供一种存储器，包括多个存储单元形成的存储单元阵列，其中每个所述存储包括一磁性隧道结，每个所述磁性隧道结包括：第一磁性层，具有固定磁化方向；第二磁性层，具有可翻转的磁化方向；多层势垒层，位于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间，并由非磁性绝缘材料形成；以及插入层，位于任意相邻的两层势垒层之间。本申请的有益效果如下：本申请提供一种磁性隧道结、制作方法、自旋二极管及存储器，针对基于传统单势垒磁性隧道结MRAM的隧穿极化电流透射率较低、RA较大的问题，本申请提出的基于多势垒层的磁性隧道结，在保证高TMR的情况下，增加隧穿极化电流透射率，降低RA，进而降低器件功耗，同时提高自旋转移矩翻转过程的可靠性。本专利技术提出的基于多势垒层的磁性隧道结具有低功耗、低写入错误率的特点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1a示出了本申请实施例中的磁性隧道结的层结构示意图之一。图1b示出了本申请实施例中的磁性隧道结的层结构示意图之二。图1c示出了本申请实施例中的磁性隧道结的层结构示意图之三。图2a示出了图1a的双势垒层垂直磁各向异性磁性隧道结写入过程的示意图之一。图2b示出了图1a的双势垒层垂直磁各向异性磁性隧道结写入过程的示意图之二。图3a示出了图1a的双势垒层面内磁各向异性磁性隧道结写入过程的示意图之一。图3b示出了图1a的双势垒层面内磁各向异性磁性隧道结写入过程的示意图之二。图4a示出了图1b的双第二磁性层的双势垒层垂直磁各向异性磁性隧道结写入过程的示意图之一。图4b示出了图1b的双第二磁性层的双势垒层垂直磁各向异性磁性隧道结写入过程的示意图之二。图5a示出了图1c的磁稳定层为钴铂多层膜的双势垒层面内磁各向异性磁性隧道结写入过程的示意图之一。图5b示出了图1c的磁稳定层为钴铂多层膜的双势垒层面内磁各向异性磁性隧道结写入过程的示意图之二。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。目前STT-MRAM的磁性隧道结多采用单势垒的第二磁性层/势垒层/第一磁性层体系，并在其中发现了较高的TMR值。但是基于第二磁性层/势垒层/第一磁性层的MTJ的隧穿极化电流透射率较低，导致结电阻与结面积的积矢(RA)较高及功耗较大。这一较低的隧穿极化电流透射率也会降低STT写入可靠性。为了解决上述问题，本申请一个方面实施例中的一种磁性隧道结，包括：第一磁性层，具有固定磁化方向；第二磁性层，具有可翻转的磁化方向；多层势垒层，位于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间，并由非磁性绝缘材料形成；以及插入层，位于任意相邻的两层势垒层之间。本方面实施例中的磁性隧道结，针对基于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括：/n第一磁性层，具有固定磁化方向；/n第二磁性层，具有可翻转的磁化方向；/n多层势垒层，位于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间，并由非磁性绝缘材料形成；以及/n插入层，位于任意相邻的两层势垒层之间。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括：
第一磁性层，具有固定磁化方向；
第二磁性层，具有可翻转的磁化方向；
多层势垒层，位于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间，并由非磁性绝缘材料形成；以及
插入层，位于任意相邻的两层势垒层之间。


2.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，还包括：
重金属层，位于所述第二磁性层远离所述第一磁性层的一侧；以及
第三磁性层，位于所述重金属层远离所述第二磁性层的一侧，并具有可翻转的磁化方向。


3.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，还包括：
磁稳定层，位于所述第一磁性层远离所述第二磁性层的一侧，用于稳定所述第一磁性层的磁化方向。


4.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第一磁性层和/或第二磁性层包括：单质铁磁材料、合金铁磁材料、具有半金属性质的铁磁材料中的至少一种。


5.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述势垒层包括：氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化铪、氧化钛、氧化硅、铝酸镁中的至少一种。


6.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述插入层包括：
非磁性金属和绝缘体。


7.根据权利要求6所述的磁性隧道结，其特征在于，所述非磁性金属包括：镁、铝、锌、金、银、铜、铂、钽、钨、铱中的至少一种；或者
所述绝缘体包括：氧化镍、氧化铁、氧化钴中的至少一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵巍胜，周航宇，周家琦，曹凯华，李智，张有光，
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