[發明專利]磁性隧穿結器件及其制作方法

在審

• 申請號: 201811495874.3
• 申請日: 2018-12-07
• 公開（公告）號: CN111293216A
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 劉強;俞文杰;陳治西;劉晨鶴;任青華;趙蘭天;王曦
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L43/12
• 分類號: H01L43/12;H01L27/22;C23C16/455
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 羅泳文

本發明提供一種磁性隧穿結器件及其制作方法，該器件包括：第一金屬連接層，形成于一CMOS電路基底上，且與MOS管的漏極連接；第一金屬過渡層，形成于第一金屬連接層上；固定磁層，形成于第一金屬過渡層上；隧穿層，形成于固定磁層；自由磁層，形成于隧穿層上；第二金屬過渡層，形成于自由磁層上；第二金屬連接層，形成于第二金屬過渡層上。本發明在制作完隧穿層之后，采用原子層沉積工藝、化學氣相沉積工藝或薄膜剝離?轉移工藝制作自由磁層，相比于濺射工藝來說，可以避免隧穿層不被濺射粒子損傷，提高隧穿層的質量。本發明可以將磁性隧穿結器件直接制備于傳統的硅基CMOS電路上，也可制備在柔性襯底電路上，減小了器件制備成本，擴大了其應用范圍。

技術領域

本發明屬于半導體集成電路設計及制造領域，特別是涉及一種磁性隧穿結器件及其制作方法。

背景技術

隨著便攜式計算器件和無線通信器件使用的增長，存儲器件可能需要更高的密度、更低的功耗和/或非易失性。磁性存儲器件可以能夠滿足上述的技術要求。

許多電子器件都包含電子存儲器。電子存儲器可以是易失性存儲器或非易失性存儲器。非易失性存儲器能夠在失電時儲存數據，然而易失性存儲器不能在失電時儲存數據。由于磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)優于目前的電子存儲器的優勢，所以該MRAM是下一代電子存儲器的一種有前景的候選者。與目前的諸如閃速隨機存取存儲器的非易失性存儲器相

比，MRAM通常更快并且具有更好的耐用性。與目前的諸如動態隨機存取存儲器(DRAM)和靜態隨機存取存儲器(SRAM)的易失性存儲器相比，MRAM通常具有類似的性能和密度，但是MRAM具有更低的功耗。由于MTJ器件具有高運行速度和低功耗并且被用于替代DRAM的電容器，可以將MTJ器件應用于具有低功耗和高速度的圖像設備和移動設備。

當兩個磁層的自旋方向(即磁通量的方向)彼此相同時磁電阻器件具有低電阻，而當自旋方向彼此相反時具有高電阻。這樣，可以使用依賴于磁層磁化狀態而改變的單元電阻改變將位數據寫入磁電阻存儲器件。將通過例子描述具有MTJ結構的磁電阻存儲器。在具有由鐵磁層/絕緣層/鐵磁層組成的結構的MTJ存儲單元中，當穿過了第一鐵磁層的電子穿過用作隧穿阻擋(tunneling barrier)的絕緣層時，隧穿幾率依賴于第二鐵磁層的磁化方向而改變。也就是，當兩個鐵磁層的磁化方向平行時，隧穿電流被最大化，而當它們反平行時，隧穿電流被最小化。例如，可以認為，當電阻高時，寫入數據“1”，而當電阻低時，寫入數據“0”。電流流過磁性層時，電流將被極化，形成自旋極化電流。自旋電子將自旋動量傳遞給自由磁層的磁矩，使自旋磁性層的磁矩獲得自旋動量后改變方向，這個過程稱為自旋傳輸矩，因此，STT-MRAM是通過自旋電流實現信息寫入的。

STT-MRAM存儲單元的核心仍然是一個MTJ，由兩層不同厚度的鐵磁層及一層幾個納米厚的非磁性隔離層組成。通過外部電路，電流可以從垂直于MJT表面的方向通過MTJ。電流通過較厚的鐵磁層(稱為固定磁層)時，電子被自旋極化，其自旋方向為固定磁層的磁矩方向。如果中間非磁性隔離層的厚度足夠的小，以確保高度的極化，自旋極化電子能夠將其自旋角動量轉移給較薄的鐵磁層(稱為自由磁層)，改變自由磁層的磁化平衡狀態。扮演“極化層”角色的固定磁層一般較厚(幾十個納米)，其飽和磁化強度很大，它的平衡狀態是不會發生變化的。相反，要受到自旋矩效應的自由磁層，一般很薄，其飽和磁化強度較小，因此，它的磁矩矢量能根據自旋電流中自旋電子的極化方向自由地變化取向。

STT-MRAM存儲單元的結構簡單，它省略了帶磁性外殼的附加寫信息線，最大限度地減少了制備工藝程序，并使存儲單元的橫截面積減小、存儲密度高、存儲速度快，滿足高性能計算機系統的設計要求。

STT-MRAM存儲單元的MTJ自旋閥中，自旋電子的隧穿幾率和各磁層材料、隧穿層材料、厚度等有關。根據隧穿幾率公式，隧穿層越薄，隧穿幾率越大，對隧穿層的自身質量要求也越來越高。

發明內容