[發明專利]一種磁性隧道結及其制造方法、存儲單元

有效

• 申請號: 202011301738.3
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112563411B
• 公開（公告）日: 2023-08-08
• 發明（設計）人: 楊美音;羅軍;崔巖;許靜
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H10N50/10
• 分類號: H10N50/10;H10N50/85;H10N50/80;H10N50/01;H10B61/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 柳虹

本申請提供一種磁性隧道結及其制造方法、存儲單元，磁性隧道結可以包括縱向依次層疊的第一電極層、固定磁性層、隧穿絕緣層、自由磁性層、第二電極層，第一固定磁性層可以具有固定的磁化方向，第二電極層可以通過第一方向的橫向電流，自由磁性層表面在第二方向上具有最大尺寸，第一方向和第二方向不垂直，則自由磁性層的最大尺寸在第一方向上有投影，從而在垂直第一方向上有退磁場，從結構上實現了自由磁性層的磁矩定向翻轉，無需外設磁場，因此能夠提高器件集成度。

技術領域

本申請涉及半導體器件及其制造領域，特別涉及一種磁性隧道結及其制造方法、存儲單元。

背景技術

磁阻式隨機存取內存(Magnetic?Random?Access?Memory，MRAM)是一種新型的非揮發性的磁性隨機存儲器，它具有非易失性、無限的讀/寫耐久性、快速訪問時間、低工作電壓等特點，擁有靜態隨機存儲器(Static?Random?Access?Memory，SRAM)的高速讀取寫入能力，以及動態隨機存儲器(Dynamic?Random?Access?Memory，DRAM)的高集成度，且與互補金屬氧化物半導體(Complementary?Metal?Oxide?Semiconductor，CMOS)兼容性好，因此逐步得到了廣泛關注。

MRAM器件可以利用磁性極化方向改變來存儲信息，其基本存儲單元包括磁性隧道結(Magnetic?Tunnel?Junction，MTJ)，磁性隧道結可以包括固定磁性層、位于固定磁性層上的隧穿絕緣層以及位于隧穿絕緣層上的自由磁性層，其中，固定磁性層的磁性不變，自由磁性層的磁性隨寫入電流而改變，當固定磁性層和自由磁性層的磁化方向一致時，磁性隧道結的電阻最小，當第一磁性層和第二磁性層的磁化方向相差180度時，磁性隧道結的電阻最大，因此可以通過電路設計從而判斷數據為0或者1。

然而，目前的MRAM器件中的自由磁性層中通入電流后，由于自旋軌道耦合(Spin-Orbit?Torque，SOT)可以產生自旋流，誘導鐵磁提磁矩翻轉，但是磁矩在電流作用下翻轉方向是隨機的，需要外加磁場實現磁矩定向翻轉，但是外加磁場不利于器件的集成。

發明內容

有鑒于此，本申請的目的在于提供一種磁性隧道結及其制造方法、存儲單元，保證磁性隧道結的自由磁性層的磁矩定向翻轉的同時，提高器件集成度。

為實現上述目的，本申請有如下技術方案：

本申請實施例提供了一種磁性隧道結，包括：

縱向依次層疊的第一電極層、固定磁性層、隧穿絕緣層、自由磁性層、第二電極層；

所述固定磁性層具有固定的磁化方向，所述第二電極層用于通過第一方向的橫向電流，所述自由磁性層表面在第二方向上具有最大尺寸，所述第一方向和所述第二方向不垂直。

可選的，所述固定磁性層具有垂直磁各向異性能。

可選的，所述自由磁性層的形狀為橢圓或多邊形。

可選的，所述固定磁性層包括釘扎層和參考層，所述釘扎層位于所述第一電極層和所述參考層之間，所述參考層和所述釘扎層之間具有鐵磁耦合。

可選的，所述參考層和所述自由磁性層的材料各自為鈷鐵硼、鈷硼、鐵硼、鈷鐵中的一種。

可選的，所述第一電極層和所述第二電極層各自為鉭或鉑。

可選的，所述固定磁性層和所述第一電極層之間具有保護層，所述保護層材料為鉭和釕的至少一種。

可選的，所述隧穿絕緣層為以下材料的至少一種：氧化鎂、氧化鎂鎵、氧化鎂釓、氧化鈦、氧化鉭、氧化鋁、氧化鎂鈦、氧化鍶、氧化鋇、氧化鐳、氧化鉿。

本申請實施例還提供了一種磁性隧道結的制造方法，包括：