[發(fā)明專利]一種霍爾自旋天平材料及元器件

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210421031.5
• 申請日: 2012-10-29
• 公開（公告）號: CN102931342A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 于廣華;王守國;張石磊;劉洋;張靜言;滕蛟;馮春
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號: H01L43/10
• 分類號: H01L43/10
• 代理公司: 北京金智普華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁性功能薄膜和以磁性多層膜材料為基礎(chǔ)的新型材料及其元器件。

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背景技術(shù)

當(dāng)前的半導(dǎo)體工業(yè)處于“新舊”交替并存的階段。互補型金屬氧化物半導(dǎo)體器件（CMOS）是一種以電子的電荷屬性為信息載體（二進制）的用若干場效應(yīng)晶體管構(gòu)成的元件；以CMOS為基礎(chǔ)的邏輯存儲模式（例如，動態(tài)隨機存儲器DRAM）和邏輯運算模式(例如，MOSFET邏輯門)在大型集成電路中仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。但是，在集成電路長遠規(guī)劃（2019-2026）的藍圖中，高集成密度（3D存儲模式）、低能耗、和高運算效率的電路模式將占據(jù)最高的優(yōu)先級并成為產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的首選。

近期，非易失型存儲器（nonvolatile?memory,?NVM），即數(shù)據(jù)像硬盤一樣不隨斷電而轉(zhuǎn)瞬即逝的研究取得了巨大的進展。NVM可以大致分為兩類，第一類是最早出現(xiàn)的以電子電荷為基礎(chǔ)的非易失型存儲器（charge-based?nonvolatile?memory）。例如：閃存（flash）-執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲的NAND?flash和執(zhí)行代碼存儲的NOR?flash，目前已經(jīng)成功的投產(chǎn)并成為NVM在市場上的主要商品。第二類是新生的以其他物理狀態(tài)為基礎(chǔ)的非易失型存儲器件(non-charge-based?nonvolatile?memory)，包括磁隨機存儲器(magnetic?RAM,?MRAM)，鐵電存儲器(ferroelectric?RAM,?FeRAM)，相變存儲器(phase-change?RAM,?PCRAM)，和阻變存儲器(resistance-change?RAM,?RRAM)等。

在所有NVM之中，MRAM是最有望實現(xiàn)“統(tǒng)一存儲器”（即存儲器將硬盤和內(nèi)存統(tǒng)一）的模式，繼而在近幾年成為各大信息產(chǎn)業(yè)公司（例如，Advanced?Micro?Devices?Inc.,?Freescale?Semiconductor?Inc.,?IBM?Corporation等）重點關(guān)注和投資研究的對象。MRAM是以磁性隧道結(jié)（MTJ）為基元的陣列，每一個MTJ承載一個比特的二進制信息。二進制的信息（1或0）被編譯成為MTJ中兩個磁性層（約幾納米厚）的排列狀態(tài)(平行或反平行)，分別對應(yīng)于隧穿電流的高/低狀態(tài)（即MTJ中隧穿電阻的低/高態(tài)）。讀數(shù)據(jù)時則采用測量MTJ的磁電阻值的方式；寫數(shù)據(jù)可以采用外加電流產(chǎn)生的磁場來翻轉(zhuǎn)自由層的磁化方向，即傳統(tǒng)的MRAM原理。近年來發(fā)展的寫數(shù)據(jù)可以采用外加自旋極化電流、利用自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)來翻轉(zhuǎn)其中一層的磁化方向從而改變兩磁性層的排列狀態(tài)，即自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM（STT-MRAM）。雖然MRAM預(yù)計將會在2015-2016年試投產(chǎn)，但是對于其單獨的元件MTJ而言，依然有無法克服的困難，將阻礙其在2020年后更長遠的發(fā)展。首先，MTJ不得不面對室溫下平均僅約200%的磁電阻比值(MR)，使得其讀數(shù)據(jù)效率較低。其次，由于MTJ需要電流垂直流入元件，無法實現(xiàn)3D的陣列，大大降低了其集成密度的可發(fā)展性。第三，MTJ的性能強烈的依賴于用于隔離兩鐵磁層材料的絕緣層質(zhì)量(早先用的是非晶的Al₂O₃薄膜、近期開始使用具有(001)取向的MgO薄膜），因此其材料的制備條件要求很高、造價昂貴且效率較低。此外，磁性隧道結(jié)的微加工工藝復(fù)雜，包括精細紫外曝光和刻蝕條件，使得MTJ的生產(chǎn)成本很高。第四，為了實現(xiàn)32?納米（理論上證明為目前MRAM的尺寸極限）甚至更低的尺寸，磁垂直各向異性，熱穩(wěn)定性和噪音的控制都要求有質(zhì)的飛躍。第五，MRAM有望成為“邏輯植入型存儲器”（即在存儲器中實現(xiàn)邏輯運算），但是MTJ僅有兩種物理狀態(tài)（磁電阻高和低），無法高效率地實現(xiàn)復(fù)雜邏輯的運算。縱觀其他的NVM?(flash,?FeRAM,?PCRAM，RRAM)，沒有任何器件能夠同時包容MRAM的優(yōu)點并解決上述所有的問題。因此，尋求新的MRAM基元的材料和元件，或者采用新的物理機制來實現(xiàn)MRAM功能，并能夠在未來5到10年內(nèi)產(chǎn)業(yè)化的解決方案成為當(dāng)前的重要問題。

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發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種磁性功能薄膜和以磁性多層膜材料為基礎(chǔ)的新型材料，并以Hall1?bar的形式制成元件。此發(fā)明保留了MTJ的優(yōu)點，以低成本實現(xiàn)NVM，并具有與晶體管媲美的狀態(tài)變化比率，能夠?qū)崿F(xiàn)3D存儲陣列，且具有復(fù)雜邏輯處理的能力。解決了NVM現(xiàn)存的主要問題。