磁隧道结、其制作方法及含磁隧道结的存储单元技术

本发明专利技术提供一种磁隧道结，包括材质为非磁性材料的穿隧绝缘层、设置于所述穿隧绝缘层一侧的固定铁磁层、设置于所述穿隧绝缘层另一侧的自由铁磁层；所述自由铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角分别与所述固定铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、固定铁磁层的所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角呈错位设置。本发明专利技术还提供了此磁隧道结的制作方法及含磁隧道结的存储单元。采用本发明专利技术的磁隧道结及含此磁隧道结的存储单元，可以避免磁隧道结发生泄漏电流、绝缘层低击穿电压等问题，以及避免这些问题导致的磁隧道结过早被击穿。

【技术实现步骤摘要】
磁隧道结、其制作方法及含磁隧道结的存储单元
本专利技术涉及一种磁阻随机存取存储器，尤其涉及一种磁隧道结、其制作方法及含磁隧道结的存储单元。
技术介绍
磁阻随机存取存储器(MagneticRandomAccessMemory，MRAM)由多个磁隧道结(MagneticTunnelJunction，MTJ)及多个控制晶体管组成。图1A与图1B示出了现有技术中磁阻随机存取存储器的其中一个单元，由于目的在于说明磁阻随机存取存储器的原理，因此没有按比例制图。最简化的磁隧道结包括三层结构，位于上方的自由铁磁层11，位于中间的穿隧绝缘层12，位于下方的固定铁磁层13。当自由铁磁层11的磁化方向与固定铁磁层13的磁化方向一致时，磁隧道结的电阻最小；当自由铁磁层11的磁化方向与固定铁磁层13的磁化方向相差180度时，磁隧道结的电阻最大。因此，可以利用将自由铁磁层11的磁化方向与固定铁磁层13的磁化方向一致时定义为存储“0”，将自由铁磁层11的磁化方向与固定铁磁层13的磁化方向相差180度定义为存储“1”，或者相反定义来使用磁隧道结存储信息。磁隧道结的写入方法有两种，第一种写入方法称为磁场感应写入，对应的磁阻随机存取存储器结构如图1A所示，一般磁隧道结还包括上电极5与下电极6，上电极5位于自由铁磁层11的上方，下电极6位于固定铁磁层13的下方。在上电极5上方还置有字线3，下电极6下方置有位线4，其中，字线3与位线4垂直90度放置。字线3与上电极5以绝缘层(图中未显示)隔开而无电连接，位线4与下电极6以绝缘层(图中未显示)隔开而无电连接。自由铁磁层11的矫顽力小于固定铁磁层13的矫顽力。第一种写入方法对应的写入过程为：当控制晶体管2处于关闭状态时，在字线3与位线4施加选中电压使有电流通过(也称写入电流)，所述电流流过时，各自产生磁场，使位于字线3与位线4的交叉点的磁隧道结的自由铁磁层11感受到最大磁感应强度以改变自由铁磁层11的磁化方向。由于固定铁磁层13的矫顽力大于自由铁磁层11的矫顽力，所以固定铁磁层13的磁化方向固定而不改变。若写入电流方向同时反向，则自由铁磁层11感受到的最大磁感应强度方向翻转，因此数位“0”和“1”可由“磁感应强度方向不同方式”写入磁隧道结。写入电流不能太大，以避免影响不位于两者交叉点的磁隧道结的磁化方向，也不会影响那些处于“半选择”状态的磁隧道结的磁化方向，“半选择”状态为只有字线3或位线4两者之一中有电流。另一种磁隧道结的写入方法是采用电流写入。用于电流写入的磁阻随机存取存储器的其中一个单元如图1B所示，与图1A所示结构不同的是，字线3与上电极5电连接，位线4与控制晶体管2的栅极电连接。采用电流写入的原理是基于自旋转移矩(SpinTransferTorque，STT)效应。具体地，若写入电流由固定铁磁层向自由铁磁层流过时，只有自旋方向与固定铁磁层的磁化方向相同的电子才能通过固定铁磁层与穿隧绝缘层进入自由铁磁层，从而改变自由铁磁层的磁化方向与固定铁磁层相同，假如记此为写入“0”；如果要写入“1”，则翻转电流方向，使电流由自由铁磁层向固定铁磁层流过，此时仍为只有自旋方向与固定铁磁层的磁化方向相同的电子才能通过，而自旋方向与固定铁磁层的相反的电子则留在自由铁磁层，因此，自由铁磁层中磁化方向与固定铁磁层相反，而写入了“1”。第二种写入方法对应的写入过程为：当在字线3与位线4施加选中电压，选中的控制晶体管2处于开启状态，并有电流(也称写入电流)通过控制晶体管2、下电极6、磁隧道结、上电极5，进入字线3。当写入电流大于某一临界值时，可改变自由铁磁层11磁化方向。当写入电流方向反向时，则自由铁磁层11磁化方向也翻转，因此数位“0”和“1”可由”电流方向不同方式”写入磁隧道结。写入电流不能太大，以避免影响字线3附近的磁隧道结的磁化方向或击穿选中的磁隧道结。磁隧道结的读取过程：以图1A对应的磁阻随机存取存储器为例，参见图1C，控制晶体管2处于开启状态时，检测电流，也称读取电流，比写入电流要小，其通过下电极6、磁隧道结、上电极5，然后与参考电流7相比较，差值经过放大器8放大后，来判断磁隧道结的电阻为大还是小，进行判断存储的是“0”还是“1”。检测电流要足够小，从磁隧道结各层垂直方向上流时不至产生杂磁场以影响自由铁磁层11与邻近磁隧道结的磁化方向。然而现有的磁隧道结的结构，如图1A所示，自由铁磁层11与固定铁磁层13在垂直各层方向上的边缘平齐，图1A、1B、1C的区域Q所示的部分磁性隧道结的剖面结构放大后如图2所示，即自由铁磁层11的外边缘与穿隧绝缘层12平面形成的凸角111、固定铁磁层13的外边缘与穿隧绝缘层12平面形成的凸角131垂直相对。这种结构的磁隧道结在读取过程中读取电流大部分从垂直相对的边和凸角流过，导致磁隧道结在使用过程中无法辩示存储数据、击穿电压比较低、经常发生泄漏电流、使用可靠性和寿命比较短。同样地，如图1B所示的磁隧道结的结构，在电流写入读取过程中大部分电流从垂直相对的边和凸角流过，这会导致磁隧道结在写入过程中无法写入有效正确数据、读取过程中无法辩示存储数据，且使用过程中击穿电压低、经常发生泄漏电流、使用可靠性和寿命比较短等问题。有鉴于此，实有必要提出一种新的磁隧道结其制作方法，避免现有技术中的磁隧道结的泄漏电流、低击穿电压等问题导致磁隧道结过早被击穿。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是提出一种新的磁隧道结其制作方法，以避免现有技术中的磁隧道结的泄漏电流、低击穿电压等问题，从而避免这些问题导致的磁隧道结过早被击穿。为解决上述问题，本专利技术提供一种磁隧道结，包括：穿隧绝缘层，所述穿隧绝缘层材质为非磁性材料；固定铁磁层，设置于所述穿隧绝缘层的一侧；自由铁磁层，设置于所述穿隧绝缘层的另一侧；其特征在于，所述自由铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角分别与所述固定铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、固定铁磁层的所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角呈错位设置。可选地，所述穿隧绝缘层、所述固定铁磁层、所述自由铁磁层两两平行，所述自由铁磁层平面区域整体位于所述固定铁磁层平面区域内。可选地，所述磁隧道结还包括：反铁磁层，设置于所述固定铁磁层异于所述穿隧绝缘层的一侧。可选地，所述穿隧绝缘层的材质为Al2O3、MgO、SiO2或Si3N4中至少一种，所述穿隧绝缘层厚度范围为1-3纳米。可选地，所述固定铁磁层为复合结构，包括：第一铁磁层与第二铁磁层，及位于所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间的第一耦合层。可选地，所述自由铁磁层为复合结构，包括：第三铁磁层与第四铁磁层，及位于所述第三铁磁层与所述第四铁磁层之间的第二耦合层。可选地，所述磁隧道结还包括：上电极与下电极，其中所述上电极位于所述第三铁磁层异于所述第二耦合层的一侧，所述下电极位于所述反铁磁层异于所述固定铁磁层的一侧。可选地，所述磁隧道结的自由铁磁层为杯形结构。本专利技术还提供一种包含上述任意一项技术特征所述的磁隧道结的存储单元。可选地，所述存储单元还包括：控制磁隧道结读写的晶体管。本专利技术还提供一种磁隧道结的制作方法，包括：形成固定铁磁层；在所述固定铁磁层上淀积第二层间介电层；在所述第二层间介电层上形成第二开口，所述第二开口的底面整体位于所述固定铁磁层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁隧道结，包括：穿隧绝缘层，所述穿隧绝缘层材质为非磁性材料；固定铁磁层，设置于所述穿隧绝缘层的一侧；自由铁磁层，设置于所述穿隧绝缘层的另一侧；其特征在于，所述自由铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角分别与所述固定铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、固定铁磁层的所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角呈错位设置。

【技术特征摘要】
1.一种磁隧道结，包括：穿隧绝缘层，所述穿隧绝缘层材质为非磁性材料；固定铁磁层，设置于所述穿隧绝缘层的一侧，所述固定铁磁层呈平面；自由铁磁层，设置于所述穿隧绝缘层的另一侧；其特征在于，所述自由铁磁层为杯形结构，杯形结构的杯底与所述固定铁磁层平行，杯形结构的开口远离所述固定铁磁层；所述自由铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角分别与所述固定铁磁层沿各层排列方向伸长的边线、固定铁磁层的所述边线与穿隧绝缘层形成的凸角呈错位设置。2.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，所述穿隧绝缘层、所述固定铁磁层、所述自由铁磁层的杯底两两平行，所述自由铁磁层杯底区域整体位于所述固定铁磁层平面区域内。3.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，所述磁隧道结还包括：反铁磁层，设置于所述固定铁磁层异于所述穿隧绝缘层的一侧。4.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，所述穿隧绝缘层的材质为Al2O3、MgO、SiO2或Si3N4中至少一种，所述穿隧绝缘层厚度范围为1-3纳米。5.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，所述固定铁磁层为复合结构，包括：第一铁磁层与第二铁磁层，及位于所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间的第一耦合层。6.根据权利要求3所述的磁隧道结，其特征在于，所述自由铁磁层为复合结构，包括：第三铁磁层与第四铁磁层，及位于所述第三铁磁层与所述第四铁磁层之间的第二耦合层。7.根据权利要求6所述的磁隧道结，其特征在于，所述磁隧道结还包括：上电极与下电极，其中所述上电极位于所述第三铁磁层异于所述第二耦合层的一侧，所述下电极位于所述反铁磁层异于所述固定铁磁层的一侧。8.一种磁隧道结的制作方法，其特征在于，包括：形成固定铁磁层，所述固定铁磁层呈平面；在所述固定铁磁层上淀积第二层间介电层；在所述第二层间介电层上形成第二开口，所述第二开口的底面整体位于所述固定铁磁层的平面区域内；在所述第二开口内依次形成穿隧绝缘层与自由铁磁层，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：季明华，韩秀峰，于国强，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：