[發明專利]一種自旋轉移矩磁存儲單元

有效

• 申請號: 201610124480.1
• 申請日: 2016-03-04
• 公開（公告）號: CN105702853B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 王樂知;張博宇;趙巍勝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/10;H01L27/22
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種自旋轉移矩磁存儲單元，該磁存儲單元的磁隧道結基于垂直磁各向異性PMA，在現有磁隧道結自由層、參考層和隧穿勢壘層的三層結構基礎上，添加了一層緩沖層，一層頂部磁性層及一層頂部非磁性層，其特征在于：

該磁存儲單元的磁隧道結從下到上由參考層、隧穿勢壘層、自由層、緩沖層、頂部磁性層及頂部非磁性層構成；

其中，參考層組成材料為半金屬磁性材料，厚度區間為0.1-5納米；

其中，自由層組成材料為半金屬磁性材料，厚度區間為0.1-5納米；

其中，頂部磁性層組成材料為半金屬磁性材料，厚度區間為0.1-5納米；

所述半金屬磁性材料包括各類赫斯勒Heusler合金，形式為XYZ或X₂YZ。

2.根據權利要求1所述的一種自旋轉移矩磁存儲單元，其特征在于：所述隧穿勢壘層為氧化鎂MgO、三氧化二鋁Al₂O₃，所述隧道勢壘層厚度區間為0.1-4納米。

3.根據權利要求1所述的一種自旋轉移矩磁存儲單元，其特征在于：所述緩沖層材料為鉭Ta、鉿Hf、鎂Mg、鈦Ti或銥Ir厚度區間為0.1-2納米。

4.根據權利要求1所述的一種自旋轉移矩磁存儲單元，其特征在于：所述緩沖層金屬在自由層與頂部磁性層間會產生上下磁性層磁化方向平行的鐵磁耦合或上下磁性層磁化方向反平行的反鐵磁耦合效應。

5.根據權利要求4所述的一種自旋轉移矩磁存儲單元，其特征在于：所述緩沖層材料鉭Ta厚度為0.4納米時表現鐵磁耦合；厚度為0.7納米時表現反鐵磁耦合。

6.根據權利要求1所述的一種自旋轉移矩磁存儲單元，其特征在于：所述頂部非磁性層為氧化鎂MgO、氧化鋁Al₂O₃、鉭Ta、鉿Hf、鎂Mg或鉑Pt；所述頂部非磁性層厚度區間為0.1-4納米。

7.根據權利要求1所述的一種自旋轉移矩磁存儲單元，其特征在于：所述結構自旋轉移矩磁隧道結形狀為橢圓、圓形、正方形、長方形、三角形或多邊形。

8.一種如權利要求1所述的自旋轉移矩磁存儲單元的加工方法，其特征在于：該磁存儲單元的磁隧道結由薄膜制備工藝和微納加工工藝制備而成；

首先，將樣品用薄膜制備工藝進行多層薄膜沉積，按照從下到上的順序沉積在襯底上，依次為參考層、隧穿勢壘層、自由層、緩沖層、頂部磁性層及頂部非磁性層；

其次，在沉積后多層膜上進行微納加工工藝；

最后，完成制備。

9.根據權利要求8所述的自旋轉移矩磁存儲單元的加工方法，其特征在于：薄膜制備工藝包括磁控濺射、分子束外延(MBE)、電子束蒸發、脈沖激光沉積(PLD)、原子力沉積(ALD)及金屬化學氣相沉積。

10.根據權利要求8所述的自旋轉移矩磁存儲單元的加工方法，其特征在于：微納加工工藝包括紫外/極紫外光刻、電子束光刻、離子束刻蝕、化學反應刻蝕、濕法刻蝕及剝離。

11.根據權利要求8所述的自旋轉移矩磁存儲單元的加工方法，其特征在于：所述自旋轉移矩磁隧道結通過后端集成工藝集成在傳統半導體器件上，構成自旋轉移矩磁存儲單元，實現非易失性存儲。

12.根據權利要求11所述的自旋轉移矩磁存儲單元的加工方法，其特征在于：所述后端集成工藝包括化學機械磨平CMP和后端銅互連工藝。

13.根據權利要求8所述的自旋轉移矩磁存儲單元的加工方法，其特征在于：所述自旋轉移矩磁隧道結構成的非易失性存儲單元，通過底電極和頂電極寫入的不同方向電流，經過自旋轉移矩的作用，實現自由層的翻轉，參考層與自由層平行與反平行的轉換；自由層翻轉后在鐵磁耦合效應的作用下，頂部磁性層會隨自由層實現翻轉。