磁膜结构及其制造方法、半导体器件及其运行方法技术

本发明专利技术涉及磁膜结构及其制造方法、半导体器件及其运行方法。该磁膜结构包括：下磁膜；形成在该下磁膜上的隧穿膜；形成在该隧穿膜上的上磁膜，其中该下和上磁膜是铁磁膜，当该下和上磁膜具有相反的磁化方向时，在其间形成电化学势差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用自旋电荷的磁膜结构、制造该结构的方法、具有该结构的半导体存储器件、以及运行该半导体存储器件的方法。
技术介绍
随着半导体技术的发展，半导体器件的集成度迅速增加。理想半导体器件具有高集成度和低能耗，工作在高速运行状态，并且具有非易失性。传统半导体器件具有高能耗从而产生大量的热。为了解决这个缺点，可以使用超导体，但是这只能应用于有限领域。随着半导体器件产生热，其运行速度迅速下降。同时，与半导体器件的非易失性有关，快闪存储器已经被广泛使用。另外，随着MRAM或SONOS存储器的引入，半导体器件的非易失性得到改进。但是，传统半导体器件的特性距离理想半导体器件的特性仍十分遥远。因此，需要具有更佳特性的半导体器件，考虑到这点，利用电子自旋的半导体器件引起了人们的注意。
技术实现思路
本专利技术为更容易地实现理想半导体器件提供多功能磁膜结构。另外，本专利技术提供制造该多功能磁膜结构的方法。此外，本专利技术提供具有该多功能磁膜结构的半导体存储器件。此外，本专利技术提供运行具有该多功能磁膜结构的该半导体存储器件的方法。根据本专利技术的一方面，提供一种多功能磁膜结构，其包括下磁膜、形成在该下磁膜上的隧穿膜、形成在该隧穿膜上的上磁膜，其中该下和上磁膜是铁磁膜，当该下和上磁膜具有相反的磁化方向时，在其间形成电化学势差。该上磁膜可包括顺序沉积在隧穿膜上的第一和第二铁磁膜。该上磁膜可以是半金属铁磁膜，其被磁场完全自旋极化。该第一铁磁膜的磁化方向可固定在由该第二铁磁膜给定的方向上。该下磁膜可包括接触该隧穿膜的第一铁磁膜和形成在该第一铁磁膜下面的第二铁磁膜。该磁膜结构可具有小于1002μm2的尺寸。根据本专利技术的另一方面，提供一种制造多功能磁膜结构的方法，该方法包括在基板上形成氧化物膜、在该氧化物膜上形成下磁膜、在该下磁膜上形成隧穿膜、在该隧穿膜上形成具有与该下磁膜不同的自旋极化率的上磁膜、在该上磁膜上形成盖层、以及以给定尺寸顺序构图该盖层、该上磁膜、该隧穿膜和该下磁膜。在形成该下磁膜之前还可以在该氧化物膜上形成籽层(seed layer)。该下磁膜的形成可包括在该氧化物膜上沉积具有比该上磁膜更高的自旋极化率的铁磁膜，同时将具有该氧化物膜的该基板维持在至少500℃的温度。可使用具有比该上磁膜更低或更高的自旋极化率的铁磁膜来形成该下磁膜。该下和上磁膜可通过顺序沉积两层铁磁膜来形成。该上铁磁膜或该下铁磁膜可由具有80％-100％的自旋极化率的半金属铁磁膜形成。根据本专利技术的另一方面，提供一种半导体存储器件，其包括基板；形成在该基板上的开关元件；连接到该开关元件的数据存储单元，该数据存储单元包括下磁膜、形成在该下磁膜上的隧穿膜、以及形成在该隧穿膜上的上磁膜，其中该下和上磁膜是铁磁膜，当该下和上磁膜具有相反的磁化方向时，其间形成电化学势差。该上和下磁膜可具有不同的自旋极化率，并且具有大自旋极化率的磁膜可以是半金属铁磁膜。该数据存储单元可以具有小于1002μm2的尺寸。该开关元件可以是场效应晶体管。根据本专利技术的另一方面，提供一种运行该半导体存储器件的方法，该半导体存储器件具有基板；形成在该基板上的开关元件；以及连接到该开关元件的数据存储单元，该数据存储单元具有顺序沉积的下磁膜、隧穿膜和上磁膜，该下和上磁膜是铁磁膜，当该下和上磁膜具有相反的磁化方向时，其间形成电化学势差，其中在开关元件截止(turn off)的状态下，磁场以给定方向施加到该数据存储单元从而在该数据存储单元中写入数据。在将数据写入该数据存储单元中后，在该开关元件导通(turn on)的状态下，可测量该数据存储单元的补偿电压(offset voltage)，从而从该数据存储单元中读出数据。记录在该数据存储单元中的数据可通过第一过程和第二过程被读出，该第一过程是在该开关元件导通的状态下施加磁场到数据存储单元从而该上和下磁膜具有相同的磁化方向，该第二过程是感测是否有大于预定值的电流流经该数据存储单元。在感测到大于所述预定值的电流的情况下，该上和下磁膜中经过第一过程磁化状态被改变的一个的磁化状态可以被恢复到初始状态。此时，具有和该第一过程中施加的所述磁场相反的方向的磁场可施加到通过第一过程其磁化状态被改变的磁膜，从而将该磁膜的磁化状态恢复到初始状态。在该开关元件截止的状态下，该上和下磁膜可允许具有相同的磁化方向，从而从该数据存储单元擦除数据。因为本专利技术可以将器件驱动电压减小到约几个毫伏，所以可减少功耗，且根据功耗产生的热量也可减少。因此，器件运行速度也可得到提高。此外，因为该磁膜结构具有非常小的尺寸，所以可以增加采用该结构的器件的集成度。此外，因为该磁膜结构可具有其自己的电势差，所以可集成该磁膜结构来实现新电池。附图说明通过参考附图详细说明本专利技术的示例性实施例，本专利技术的以上和其他特征和优点将变地更加明显，其中图1是说明根据本专利技术一优选实施例的磁膜结构的剖视图；图2是曲线图，示出当施加到图1的磁膜结构的偏压从-0.6V变到+0.6V时该磁膜结构的电阻变化；图3是曲线图，示出在偏压(-0.2mV到+0.3mV)下图1的磁膜结构的电阻变化，在该偏压下电阻和磁电阻比值(magneto-resistance ratio)是不对称的；图4是曲线图，示出在图3的第一点(P1)处图1的磁膜结构的根据磁场的电阻变化；图5是示出在图3的第二点(P2)处图1的磁膜结构的根据磁场的电阻变化的曲线图；图6是曲线图，示出在图3的第三点(P3)处图1的磁膜结构的根据磁场的电阻变化；图7是曲线图，示出在图3的第四点(P4)处图1的磁膜结构的根据磁场的电阻变化；图8是示出当分别施加多个偏压时根据磁场的图1的磁膜结构的电阻变化的曲线图；图9是示出在55mV的偏压下根据磁场的图1的磁膜结构的电阻变化的曲线图；图10和11是分别示出施加偏压到图1的磁膜结构的方法的剖视图；图12是曲线图，示出如图10所示地施加偏压到图1的磁膜结构时其电流-电压特性；图13是曲线图，示出如图11所示地施加偏压到图1的磁膜结构时其电流-电压特性；图14是示出图1的磁膜结构的电流-电压特性曲线的示图，该磁膜结构具有在第二条件(20mTorr，600℃)下形成的下磁膜(半金属铁磁层)并且具有10μm×10μm的尺寸；图15是示出图1的磁膜结构的电流-电压特性曲线的示图，该磁膜结构具有在第二条件(20mTorr，600℃)下形成的下磁膜(半金属铁磁层)并且具有30μm×30μm的尺寸；图16是示出图1的磁膜结构的电流-电压特性曲线的示图，该磁膜结构具有在第二条件(20mTorr，600℃)下形成的下磁膜(半金属铁磁层)并且具有50μm×50μm的尺寸；图17是示出图1的磁膜结构的电流-电压特性曲线的示图，该磁膜结构具有在第二条件(20mTorr，600℃)下形成的下磁膜(半金属铁磁层)并且具有100μm×100μm的尺寸；图18是示出连接有电阻器的图1的磁膜结构的电流-电压特性曲线的示图；图19是曲线图，示出图1的磁膜结构中根据绝对温度的变化的补偿电压的变化；图20是示出图1的磁膜结构的剖视图，其具有颠倒的下磁膜和上磁膜；图21和22是示出图1的磁膜结构的制造方法的简单剖视图；图23是示出通过图21和22所示的制造方法形成的图1中磁膜结构的隧穿膜的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能磁膜结构，包括：下磁膜；形成在该下磁膜上的隧穿膜；形成在该隧穿膜上的上磁膜；其中，该下和上磁膜是当该下和上磁膜具有相反的磁化方向时在其间形成电化学势差的铁磁膜。

【技术特征摘要】
KR 2004-7-31 60719/041.一种多功能磁膜结构，包括下磁膜；形成在该下磁膜上的隧穿膜；形成在该隧穿膜上的上磁膜；其中，该下和上磁膜是当该下和上磁膜具有相反的磁化方向时在其间形成电化学势差的铁磁膜。2.如权利要求1所述的磁膜结构，其中该上磁膜包括顺序沉积在该隧穿膜上的第一和第二铁磁膜。3.如权利要求1所述的磁膜结构，其中该上磁膜是半金属铁磁膜，其被磁场完全自旋极化。4.如权利要求1所述的磁膜结构，还包括在该上磁膜上的盖层。5.如权利要求2所述的磁膜结构，其中该第一铁磁膜的磁化方向被固定在由该第二铁磁膜给定的方向上。6.如权利要求1所述的磁膜结构，其中该下磁膜包括第一铁磁膜，其接触该隧穿膜；以及第二铁磁膜，其形成在该第一铁磁膜下面。7.如权利要求1所述的磁膜结构，其中该下磁膜是半金属铁磁膜，其被磁场完全自旋极化。8.如权利要求1所述的磁膜结构，还包括在该下磁膜下面的籽层。9.如权利要求1所述的磁膜结构，其具有小于1002μm2的尺寸。10.一种制造多功能磁膜结构的方法，该方法包括在基板上形成氧化物膜；在该氧化物膜上形成下磁膜；在该下磁膜上形成隧穿膜；在该隧穿膜上形成上磁膜，该上磁膜具有与该下磁膜不同的自旋极化率；在该上磁膜上形成盖层；以及以预定尺寸顺序构图该盖层、该上磁膜、该隧穿膜、以及该下磁膜。11.如权利要求10所述的方法，其中在该下磁膜的形成之前，还在该氧化物膜上形成籽层。12.如权利要求10所述的方法，其中该下磁膜的形成包括在该氧化物膜上沉积比该上磁膜具有更高的自旋极化率的铁磁膜，同时维持具有该氧化物膜的该基板在至少500℃的温度。13.如权利要求10所述的方法，其中使用具有比该上磁膜更低的自旋极化率的铁磁膜形成该下磁膜。14.如权利要求13所述的方法，其中通过顺序沉积两层铁磁膜形成该下磁膜。15.如权利要求12所述的方法，其中通过顺序沉积两层铁磁膜形成该上磁膜。16.如权利要求12所述的方法，其中该下磁膜以具有80％到100％的自旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：金泰完，朴玩濬，朴祥珍，黄仁俊，权纯宙，金永根，理查德J甘比诺，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]