一种信息传感及存储器件及其制备方法
【专利摘要】一种信息传感及存储器件，它为双磁隧道结结构，由下至上依次为底电极、磁隧道结1、非铁磁性金属隔离层、磁隧道结2及顶电极，金属导线位于器件一侧；一种信息传感及存储器件的制备方法，它有五大步骤：步骤一，在衬底上沉积磁性多层膜材料；步骤二，通过超高磁场真空退火设备进行退火，使参考层的磁化方向固定；步骤三，使用光刻、刻蚀及磁控溅射传统纳米器件加工工艺完成双磁隧道结结构的形态制备；步骤四，在双磁隧道结结构外侧沉积绝缘层，通过光刻、刻蚀及镶嵌等工艺在双磁隧道结结构附近配置金属导线；步骤五，利用光刻、刻蚀及镶嵌加工工艺在双磁隧道结结构顶部形成金属电极，用于后的集成或测试。
【专利说明】一种信息传感及存储器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种信息传感及存储器件及其制备方法，它包含一种基于新型磁隧道结(MTJ)的信息传感以及存储结构，属于具有非挥发特性的传感器及存储器【技术领域】。
【背景技术】
[0002]磁隧道结(Magnetic Tunnel Junct1n, MTJ)电阻传感器利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应(Tunnel Magnetoresistance, TMR),即随外磁场变化(包括大小和方向)，磁性多层膜材料的电阻发生明显变化。基于磁隧道结的磁场传感器具有电阻变化率大、电阻率高、功耗低、温度稳定性好等优点，在灵敏度、动态范围、线性度等指标上优于之前的各向异性磁阻(Anisotropic Magneto Resistance, AMR)、巨磁阻(Giant MagnetoResistance, GMR)效应器件、霍尔器件等。
[0003]具有稳定非易失性、无限次读写次数以及高读写速度的磁随机存储器(MagneticRandom Access Memory, MRAM)，学术界和产业界自2000年以来对其给予广泛关注，并进行了大量研究。基于自旋转移力矩(Spin Transfer Torque, STT)效应的磁隧道结存储器，由于其较高的功耗利用率及写入速度，被认为是改变存储单元状态最有前途的技术之一。相对之前利用磁场驱动磁极翻转(Field Induced Magnetic Switching, FIMS)的方式,该存储器具有改变存储单元状态所需的电流较低、尺寸更小等优势。当磁隧道结纳米柱或磁随机存储器存储单元的尺寸低于100nm，较低的自旋极化电流即可改变其存储单元状态。
[0004]磁隧道结器件基本单元可能包括底电极、钉扎层、由铁磁材料构成的参考层、由金属或者金属氧化物构成的势垒层、由铁磁材料构成的自由层，以及顶电极。参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向跟随外界磁场(TMR效应)或注入电流(STT现象)变化:当二者磁化方向相对平行时，磁隧道结呈现出低阻态，可存储数据“ I ”;反之则呈现出高阻态，可存储数据“O”。
[0005]当前，存储器与传感器是相对独立的两部分，因此，信息的检测与存储一般包括:通过用于信息检测的磁隧道结(磁场传感器)获取外部信号，经外围电路处理后，将信息传输至基于STT效应的磁随机存储器完成存储。上述过程涉及多种器件间的信息传递，存在功耗较大、信息误码率高、结构冗余等缺点，不利于系统的集成、尺寸的进一步缩小，以及灵敏度的提高。
【发明内容】
[0006]1.发明目的:
[0007]针对上述背景中采用分立器件完成信号感知及存储过程中存在的诸多不足，本发明将提出一种信息传感及存储器件，由基于新型磁隧道结的传感及存储结构组成。该器件包括两个尺寸不同的磁隧道结，可完成信息传感及存储的全过程，进而解决现有技术中的问题，极大提高器件的集成度。
[0008]技术方案:本发明采用的技术方案为:
[0009](I) 一种信息传感及信息存储器件，包含用于信息存储的磁隧道结结构(较小尺寸，基于STT效应)，以及用于信息检测的磁隧道结结构(较大尺寸)，二者以金属隔离层连接。其中，用于信息存储的磁隧道结可以基于垂直磁各向异性(Perpendicular MagneticAnisotropy, PMA)或面内(In-Plane)磁各向异性；同样,用于信息检测的磁隧道结也可以基于垂直磁各向异性或面内磁各向异性；上述的磁隧道结在材料种类、薄膜厚度等方面可有所不同。
[0010]本发明一种信息传感及存储器件，它为双磁隧道结结构，由下至上依次为底电极、磁隧道结1、非铁磁性金属隔离层、磁隧道结2及顶电极，金属导线位于器件一侧。
[0011]该磁隧道结I用于信息检测，它包含反铁磁金属构成的钉扎层、铁磁金属构成的参考层、氧化物势垒层、铁磁金属构成的自由层；其钉扎层包含混合金属材料钼锰PtMn或铱锰IrMn，厚度范围为O?20nm ;其自由层及参考层，包括混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe,且该混合金属材料中各元素组成比例可不相同，厚度范围为O?20nm ；参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向可变，其自由层的磁化方向在外部磁场信号作用下发生翻转，使器件电阻在高、低之间转换，此时，利用电压源为该器件提供一定大小的电压，则产生的电流幅值也会发生相应改变；其氧化物势垒层包含氧化镁MgO或三氧化二铝A1203，厚度范围为O?20nm ;由于与存储器相比，传感器在功耗方面通常要求较低，因此磁隧道结I的氧化物势垒层厚度(如2nm) —般大于磁隧道结2的氧化物势垒层厚度(如0.8nm)。
[0012]该磁隧道结2用于信息存储，它包含反铁磁金属构成的钉扎层、铁磁金属构成的参考层、氧化物势垒层、铁磁金属构成的自由层；其钉扎层包括金属材料钴/钼(Co/Pt)多层膜或金属材料钴/钯(Co/Pd)多层膜，厚度范围为O?30nm;其自由层及参考层，包括混合金属材料钴铁(CoFe)、钴铁硼(CoFeB)或镍铁(NiFe),且该混合金属材料中各元素组成比例可不相同，厚度范围为O?20nm。参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向可变。其氧化物势垒层包含氧化镁MgO或三氧化二铝A1203，厚度范围为O?20nm ;如果上述磁隧道结I调控的注入电流高于磁隧道结2的临界电流，则其自由层的磁化方向发生翻转，所获得的电阻状态对应数据“I” ；否则，电阻状态保持不变，对应数据“O” ；
[0013]该非铁磁性金属隔离层选自但不限于金属材料钽(Ta)或钌(Ru)中的一种及其组合；
[0014]该底电极及顶电极选自、但不限于金属材料Ta、Ru、招(Al)、铜(Cu)、钼(Pt)、钴(Co)、氮化铜(CuN)中的一种及其组合，厚度范围为10?200nm ；
[0015]该金属导线材料包括Ta、Al、Cu、Pt、金(Au)或铁(Fe),可置于所述底电极、磁隧道结或顶电极所处的绝缘层中，绝缘层材料选自、但不限于二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiN)、四乙氧基硅烷(TEOS)中的一种及其组合。在该器件附近设置一根金属导线，向该金属导线通入一定大小的电流，可在磁隧道结1、2处感生出足够大的垂直或水平磁场，使其发生磁化状态翻转，进而将器件还原为初始状态，即强制清零。利用所述器件感知及存储外部信号前，首先利用电流源为该金属导线提供一定大小的电流完成强制清零工作。在特定情况下，可对磁隧道结2的尺寸进行调整，控制其信息的保持时间，使之在一段时间后自动清零。
[0016]其中，所述磁隧道结1、2均可倒转放置，且截面形状选自、但不限于圆形、椭圆形。所述磁隧道结各层的具体厚度、尤其是自由层及氧化物势垒层的厚度，可结合具体实际应用及工艺需求进行选择。
[0017](2)本发明包括一种信息传感及存储器件的制备方法，该方法具体步骤如下:
[0018]步骤一，如图2(a)所示，在衬底201上沉积磁性多层膜材料。由下至上依次沉积:底电极202，钉扎层211、参考层212、氧化物势垒层213、自由层214、非铁磁性金属隔离层203、自由层221、氧化物势垒层222、参考层223、钉扎层224，以及顶电极204。
[0019]参考层212、223及自由层214、221，包括混合金属材料CoFe、CoFeB或NiFe，且该混合金属材料中各元素组成比例可不相同，厚度范围为O?20nm。氧化物势垒层213、222包括MgO或A1203，厚度范围为O?20nm。在实施例中，氧化物势垒层213与自由层214分别选择2nm与3nm以优化传感器性能，自由层221和氧化物势鱼层222分别选择1.3nm与
0.85nm(比氧化物势垒层213薄)，以产生基于界面效应的垂直磁各向异性。钉扎层211包含混合金属材料PtMn或IrMn，厚度范围为O?20nm ;钉扎层224包括金属材料Co/Pt多层膜或Co/Pd多层膜，厚度范围为O?30nm。底电极202及顶电极204选自、但不限于金属材料Ta、Ru、Al、Cu、Pt、Co、CuN中的一种及其组合，厚度范围为10?200nm。非铁磁性金属隔离层203选自、但不限于金属材料Ta或Ru中的一种及其组合。
[0020]本实施中，由于沉积过程中构成钉扎层224的多层膜平整度较差，且会影响后续沉积的薄膜质量，因此将自由层221设计于参考层223及钉扎层224下方。在其他实施例中，该次序可根据具体实际应用及工艺需求进行调整，如图1(b)所示。
[0021 ] 步骤二，通过超高磁场真空退火设备进行退火，使参考层的磁化方向固定。部分实施例中，将会使用超高磁场真空退火设备，设置磁场为IT左右，温度介于250°C至400°C之间。
[0022]步骤三，使用光刻、刻蚀及磁控溅射等传统纳米器件加工工艺完成磁隧道结结构200的形态制备。首先形成用于信息检测的磁隧道结210，如图2(b)所示，尺寸为微米级或纳米级，截面形状选自、但不限于圆形或椭圆形；其次，在用于信息检测的磁隧道结210上方形成用于信息存储的磁隧道结220，尺寸为纳米级，截面形状选自、但不限于圆形或椭圆形(如直径为40nm的圆形)，如图2(c)所示。
[0023]步骤四，如图2 (d)所示,在双磁隧道结结构200外侧沉积绝缘层205,材料选自、但不限于Si02、SiN、TEOS中的一种及其组合。通过光刻、刻蚀及镶嵌等加工工艺在双磁隧道结结构200附近配置金属导线230，材料包括Ta、Al、Cu、Pt、Au或Fe，可置于双磁隧道结结构200所处的绝缘层205中。该金属导线可由两个或以上器件共享，在降低器件功耗的同时进一步节省了集成电路面积。
[0024]在本实施例中，金属导线230在一定大小的电流源作用下，可在用于信息检测的磁隧道结210处产生水平磁场,在用于信息存储的磁隧道结220处产生垂直磁场，以对该传感及存储器件进行强制清零。此外，为了满足其他实施例的需要，该金属导线也可以不同方式置于不同位置，从而在两磁隧道结210、220处感生出不同方向、大小的磁场。例如，两磁隧道结210、220均基于面内磁各向异性，则可将金属导线置于用于信息存储的磁隧道结220正上方,如图1 (b)所示。
[0025]步骤五，如图2(e)所示，利用光刻、刻蚀及镶嵌等加工工艺在双磁隧道结结构200顶部形成金属电极240，用于后的集成或测试。金属电极材料一般选自、但不限于Al、Ta、Cr、Cu、Au或Pt中的一种及其组合。
[0026]2.优点和功效:
[0027]本发明提供一种新型信息传感及存储器件，包含基于磁隧道结的传感及存储结构，可实现对外部磁场信号的检测及存储功能。相比于传统传感器与存储器，该器件具有以下优势:
[0028]①磁场信号感知功能由用于信息检测的磁隧道结I实现。与传统传感器相比，该器件具有电阻变化率大、电阻率高、功耗低、温度稳定性好等特点，在灵敏度、动态范围、线性度、抗干扰能力等方面具有较大优势。
[0029]②磁场信号存储功能由用于信息存储的磁隧道结2实现。与传统存储器相比，该器件利用自旋转移力矩实现信息存储，不仅能够实现非易失性、高稳定性、高读写速度和无限次读写，而且临界电流较低、尺寸更小。尤其是基于垂直磁各向异性的磁隧道结2，除具有功耗更低及读写更快等优点外，可以极小尺寸(如1nm)存储数据，从而使集成度大幅提闻。
[0030]③本发明对器件结构进行创新，将两个不同尺寸的磁隧道结(以较大的磁隧道进行信息检测，以较小的磁隧道结进行信息存储)集成于同一器件中，可完成信息传感及存储的全过程，有效解决了现有分立存储器及传感器中存在的功耗较大、误码率高及结构冗余等问题，同时令器件的集成度有所提升。
[0031]④考虑传感器对低功耗的要求较低，因此与磁隧道结2相比，磁隧道结I可具有较大的势垒层厚度。该特点可使电阻面积矢量及隧穿磁阻比率增加进而优化其可靠性，同时提高势垒层的击穿电压。此外，增加势垒层厚度降低了对工工艺的要求，有利于实现器件制备及产业化。
[0032]⑤本发明针对器件初始状态还原提供“强制清零”与“自动清零”两种机制，可根据实际场景合理选择以灵活控制存储状态。另外，用于产生“强制清零”所需磁场的金属导线可由两个或以上器件共享，在降低器件功耗的同时进一步节省了集成电路面积。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1 (a)为器件磁隧道结1、2分别基于水平及垂直磁各向异性结构示意图；
[0034]图1 (b)为器件均基于水平磁各向异性结构示意图。
[0035]图2(a)为实施例中在衬底上沉积磁性多层膜材料的步骤图。
[0036]图2(b)为实施例中利用光刻、刻蚀形成用于信息检测的磁隧道结步骤图。
[0037]图2(c)为实施例中利用光刻、刻蚀形成用于信息存储的磁隧道结步骤图。
[0038]图2(d)为实施例中在器件周围沉积绝缘层并形成金属导线的步骤图。
[0039]图2(e)为实施例中形成金属电极的步骤图。
[0040]图3为实施例中一种新型信息传感及存储器件的制备流程图。
[0041]图4为实施例中向金属导线通入电流以产生磁场，将磁隧道结自由层的磁化方向还原为初始状态，从而实现对器件强制清零的过程示意图。
[0042]图5 (a)为实施例中器件对外界磁场信号的感知处于初始状态示意图；
[0043]图5 (b)磁隧道结I检测到外界磁场产生的水平向右分量，状态随之发生变化示意图。
[0044]图6 (a)磁隧道结I完成信息检测后呈现高电阻状态，磁隧道结2 (平行)存储数据 “O，，；
[0045]图6 (b)磁隧道结I维持低电阻状态，磁隧道结2 (反平行)存储数据“ I ”。
[0046]其中，图1至图6中的参数定义为:
[0047]O:表示向金属导线通入垂直平面向内的电流；
[0048]—:基于面内磁各向异性的磁隧道结，其自由层磁化方向向左；
[0049]—:基于面内磁各向异性的磁隧道结，其自由层磁化方向向右；
[0050]基于面内磁各向异性的磁隧道结，其自由层磁化方向可变；
[0051]丨:基于垂直磁各向异性的磁隧道结，其自由层磁化方向向上；
[0052]丨:基于垂直磁各向异性的磁隧道结，其自由层磁化方向向下；
[0053]1:基于垂直磁各向异性的磁隧道结,其自由层磁化方向可变。
[0054]200 双磁隧道结结构；201 衬底；202 底电极；203 非铁磁性金属隔离层；204顶电极；205绝缘层；210用于信息检测的磁隧道结(即磁隧道结I) ;220用于信息存储的磁隧结(即磁隧道结2) ;230 金属导线；240 金属电极；211、212、213、214为磁隧道结I的钉扎层211、参考层212、氧化物势垒层213、自由层214 ;221、222、223,224为磁隧道结2的自由层221、氧化物势垒层222、参考层223、钉扎层224。
【具体实施方式】
[0055]下面参照附图进一步说明本发明实施例的制备及使用。附图均为实施例示意图，并非表征器件实际尺寸。在此公开作为示例的详细实施例，其特定结构细节及功能细节仅以表示、描述本实施例为目的，因此，可以其他多种形式来实施本发明。此外，本发明不应被理解为仅局限于本实施例，与本实施例类似的材料、方法、工艺、设备等均可被使用、替换。
[0056]图1 (a)中信息传感及存储器件由下至上依次包括底电极、磁隧道结1、非铁磁性金属隔离层、磁隧道结2及顶电极，金属导线位于器件一侧。其中，基于面内磁各向异性的磁隧道结I尺寸较大，利用隧穿磁阻效应检测外界磁场信号；基于垂直磁各向异性的磁隧道结2尺寸较小，通过自旋转移力矩的方式存储磁隧道结I感知的外界信息。其他实施例中，可结合实际应用需求选择具有不同磁各向异性、组成或结构的磁隧道结。例如图1(b)中,磁隧道结1、2均基于面内磁各向异性。
[0057]该信息传感及存储器件可使用传统半导体加工工艺进行制备，其【具体实施方式】包括但不限于下述工艺类型及顺序，且具体与磁隧道结的组成有关。
[0058]见图3，本发明包括一种信息传感及存储器件的制备方法，该方法具体步骤如下:
[0059]步骤一，如图2 (a)所示，在衬底201上沉积磁性多层膜材料。如图2 (b) — (e)所示，部分实施例中由下至上依次沉积:底电极202，钉扎层211、参考层212、氧化物势垒层213、自由层214、非铁磁性金属隔离层203、自由层221、氧化物势垒层222、参考层223、钉扎层224，以及顶电极204。
[0060]部分实施例中，参考层212、223及自由层214、221，包括混合金属材料CoFeXoFeB或NiFe，且该混合金属材料中各元素组成比例可不相同，厚度范围为O?20nm。氧化物势垒层213、222包括MgO或Al2O3，厚度范围为O?20nm。在本实施例中，氧化物势垒层213与自由层214分别选择2nm与3nm以优化传感器性能，自由层221和氧化物势垒层222分别选择1.3nm与0.85nm(比势垒层213薄)，以产生基于界面效应的垂直磁各向异性。钉扎层211包含混合金属材料PtMn或IrMn，厚度范围为O?20nm ;钉扎层224包括金属材料Co/Pt多层膜或Co/Pd多层膜，厚度范围为O?30nm。底电极202及顶电极204选自、但不限于金属材料Ta、Ru、Al、Cu、Pt、Co、CuN中的一种及其组合，厚度范围为10?200nm。非铁磁性金属隔离层203选自、但不限于金属材料Ta或Ru中的一种及其组合。
[0061]本实施中，由于沉积过程中构成钉扎层224的多层膜平整度较差，且会影响后续沉积的薄膜质量，因此将自由层221设计于参考层223及钉扎层224下方。在其他实施例中，该次序可根据具体实际应用及工艺需求进行调整，如图1(b)所示。
[0062]步骤二，通过超高磁场真空退火设备进行退火，使参考层的磁化方向固定。部分实施例中，将会使用超高磁场真空退火设备，设置磁场为IT左右，温度介于250°C至400°C之间。
[0063]步骤三，使用光刻、刻蚀及磁控溅射等传统纳米器件加工工艺完成双磁隧道结结构200的形态制备。部分实施例中，首先形成用于信息检测的磁隧道结210，如图2(b)所示，尺寸为微米级或纳米级，截面形状选自、但不限于圆形或椭圆形；其次，在用于信息检测的磁隧道结210上方形成用于信息存储的磁隧道结220，尺寸为纳米级，截面形状选自、但不限于圆形或椭圆形(如直径为40nm的圆形)，如图2 (c)所示。
[0064]步骤四，如图2 (d)所示,在双磁隧道结结构200外侧沉积绝缘层205,材料选自、但不限于S12、SiN、TEOS中的一种及其组合。通过光刻、刻蚀及镶嵌等加工工艺在双磁隧道结结构200附近配置金属导线230，材料包括Ta、Al、Cu、Pt、Au或Fe，可置于双磁隧道结结构200所处的绝缘层205中。该金属导线可由两个或以上器件共享，在降低器件功耗的同时进一步节省了集成电路面积。
[0065]在本实施例中，金属导线230在一定大小的电流源作用下，可在用于信息检测的磁隧道结210处产生水平磁场,在用于信息存储的磁隧道结220处产生垂直磁场，以对该传感及存储器件进行强制清零。此外，为了满足其他实施例的需要，该金属导线230也可以不同方式置于不同位置，从而在两磁隧道结210、220处感生出不同方向、大小的磁场。例如，两磁隧道结210、220均基于面内磁各向异性，则可将金属导线230置于用于信息存储的磁隧道结220正上方，如图1(b)所示。
[0066]步骤五，如图2(e)所示，利用光刻、刻蚀及镶嵌等加工工艺在双磁隧道结结构200顶部形成金属电极240，用于后的集成或测试。金属电极材料一般选自、但不限于Al、Ta、Cr、Cu、Au或Pt中的一种及其组合。
[0067]本发明中新型信息传感及存储器件的制备流程见图3。所述【具体实施方式】中的沉积方式可能包括磁控派射、分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)、离子束沉积(1n Beam Deposit1n, IBD)、物理气相沉积(Physical Vapor Deposit1n, PVD)、等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposit1n, PECVD);光刻方式可能包括紫外光刻(Ultra-V1let Lithography, UVL)、离子束光刻(ElectronicBeam Lithography, EBL);刻蚀方式可能包括非金属氧化物或金属硬掩模、反应离子刻蚀(Reactive 1n Etching, RIE)、离子束刻蚀(1n Beam Etching, IBE)、化学机械平坦化(Chemical Mechanical Polishing, CMP)。需要指出的是,沉积、光刻与刻蚀的工艺方式选自、但不限于上述种类，也可以是多种工艺组合使用，具体与磁隧道结的组成有关。
[0068]下面结合本实施例及附图对该信息传感及存储器件的使用进行具体说明。
[0069]如图4所示，在利用本发明中的器件感知及存储外部信号前，首先需要执行清零操作。强制清零具体涉及利用电流源为金属导线提供一定大小的电流，进而产生磁场，使用于信息检测及存储的两个磁隧道结发生磁化状态翻转。本实施例中，金属导线在用于信息检测的磁隧道结I处产生水平向左的磁场，在用于信息存储的磁隧道结2处产生垂直向下的磁场，将二者自由层的磁化方向还原为与参考层相平行的状态，即低电阻状态。此时，磁隧道结2存储数据“O”。在特定情况下，可对磁隧道结2的尺寸进行调整，控制其信息的保持时间，使之在一段时间后自动清零。
[0070]图5 (a) — (b)显示本实施例中信息传感及存储器件对外界磁场信号的感知功能。如图5(a)所示，执行清零操作后器件为初始状态，磁隧道结I检测到外界磁场产生的水平向右分量，自由层的磁化方向随之翻转，与参考层形成反平行的状态，即高电阻状态，如图5(b)所示。若检测到外界磁场产生的分量水平向左，则磁隧道结I的状态维持不变，即低电阻状态。此时，利用电压源为该器件提供一定大小的电压，则能够产生相应的电流幅值。由于磁隧道结1、2通过金属隔离层串联，故流过磁隧道结2的电流也会随之变化。
[0071]图6(a) — (b)显示本实施例中器件对所感知信息的存储功能。图6(a)中，磁隧道结I检测到外界磁场信号后呈现高电阻状态，所调控的注入电流低于磁隧道结2的临界电流(如49 μ A)，使其自由层仍维持原磁化方向(平行)，所获得的低电阻状态存储数据“O”。图6(b)中，磁隧道结2检测到外界磁场信号后处于低电阻状态，所调控的注入电流高于磁隧道结2的临界电流，驱动其自由层磁化方向翻转(反平行)，所获得的高电阻状态存储数据 “I，，。
[0072]通过与外围电路相集成，本发明中器件感知并存储的信息可被读取出来。
[0073]上述实施例叙述的使用方式仅作为示例。根据本发明的主旨和范围，特别是磁隧道结的类型选择，可对上述步骤进行替换、增加或删除。因此，结合不同权利要求的其他实施例均包含于本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种信息传感及存储器件，其特征在于:它为双磁隧道结结构，由下至上依次为底电极、磁隧道结1、非铁磁性金属隔离层、磁隧道结2及顶电极，金属导线位于器件一侧； 该磁隧道结I用于信息检测，它包含反铁磁金属构成的钉扎层、铁磁金属构成的参考层、氧化物势垒层、铁磁金属构成的自由层；其钉扎层包含混合金属材料钼锰PtMn或铱锰IrMn，厚度范围为O?20nm ;其自由层及参考层，包括混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe,且该混合金属材料中各元素组成比例不相同，厚度范围为O?20nm ;参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向可变，其自由层的磁化方向在外部磁场信号作用下发生翻转，使器件电阻在高、低之间转换，此时，利用电压源为该器件提供一定大小的电压，则产生的电流幅值也会发生相应改变；其氧化物势垒层包含氧化镁MgO或三氧化二铝A1203，厚度范围为O?20nm ;由于与存储器相比，传感器在功耗方面通常要求较低，因此磁隧道结I的氧化物势垒层厚度大于磁隧道结2的氧化物势垒层厚度； 该磁隧道结2用于信息存储，它包含反铁磁金属构成的钉扎层、铁磁金属构成的参考层、氧化物势垒层、铁磁金属构成的自由层；其钉扎层包括金属材料钴/钼Co/Pt多层膜或金属材料钴/钯Co/Pd多层膜，厚度范围为O?30nm ;其自由层及参考层，包括混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe，且该混合金属材料中各元素组成比例不相同，厚度范围为O?20nm ;参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向可变；其氧化物势垒层包含氧化镁MgO或三氧化二铝A1203，厚度范围为O?20nm ;如果上述磁隧道结I调控的注入电流高于磁隧道结2的临界电流，则其自由层的磁化方向发生翻转，所获得的电阻状态对应数据“I” ;否则，电阻状态保持不变，对应数据“O” ； 该非铁磁性金属隔离层选自金属材料钽Ta或钌Ru中的一种及其组合； 该底电极及顶电极选自金属材料Ta、Ru、招Al、铜Cu、钼Pt、钴Co、氮化铜CuN中的一种及其组合，厚度范围为10?200nm ； 该金属导线材料包括Ta、Al、Cu、Pt、金Au或铁Fe，可置于所述底电极、磁隧道结或顶电极所处的绝缘层中，绝缘层材料选自二氧化硅S12、氮化硅SiN、四乙氧基硅烷TEOS中的一种及其组合。
2.一种信息传感及存储器件的制备方法，其特征在于:该方法具体步骤如下: 步骤一，在衬底(201)上沉积磁性多层膜材料；由下至上依次沉积:底电极(202)，钉扎层(211)、参考层(212)、氧化物势垒层(213)、自由层(214)、非铁磁性金属隔离层(203)、自由层(221)、氧化物势垒层(222)、参考层(223)、钉扎层(224)，以及顶电极(204)； 参考层(212)、(223)及自由层(214)、(221)，包括混合金属材料CoFe, CoFeB或NiFe,且该混合金属材料中各元素组成比例不相同，厚度范围为O?20nm ;氧化物势垒层(213)、(222)包括MgO或A1203，厚度范围为O?20nm;钉扎层(211)包含混合金属材料钼锰PtMn或铱锰IrMn，，厚度范围为O?20nm ;钉扎层(224)包括金属材料Co/Pt多层膜或Co/Pd多层膜，厚度范围为O?30nm;底电极(202)及顶电极(204)选自金属材料Ta、Ru、Al、Cu、Pt、Co、CuN中的一种及其组合，厚度范围为10?200nm ;非铁磁性金属隔离层(203)选自金属材料Ta或Ru中的一种及其组合； 步骤二，通过超高磁场真空退火设备进行退火，使参考层的磁化方向固定；设置磁场为IT左右，温度介于250°C至400°C之间； 步骤三，使用光刻、刻蚀及磁控溅射传统纳米器件加工工艺完成双磁隧道结结构(200)的形态制备；首先形成用于信息检测的磁隧道结(210)，尺寸为微米级或纳米级，截面形状选自圆形或椭圆形；其次，在用于信息检测的磁隧道结(210)上方形成用于信息存储的磁隧道结(220)，尺寸为纳米级，截面形状选自圆形或椭圆形； 步骤四，在双磁隧道结结构(200)外侧沉积绝缘层(205)，材料选自Si02、SiN、TE0S中的一种及其组合；通过光刻、刻蚀及镶嵌加工工艺在双磁隧道结结构(200)附近配置金属导线(230)，材料包括Ta、Al、Cu、Pt、Au或Fe，置于双磁隧道结结构(200)所处的绝缘层(205)中；该金属导线由两个或以上器件共享，在降低器件功耗的同时进一步节省了集成电路面积； 步骤五，利用光刻、刻蚀及镶嵌加工工艺在双磁隧道结结构(200)顶部形成金属电极(240)，用于后的集成或测试；金属电极材料选自Al、Ta、Cr.Cu、Au或Pt中的一种及其组口 O
3.根据权利要求1所述的一种信息传感及存储器件，其特征在于:所述磁隧道结1、2均能倒转放置，且截面形状选自圆形或椭圆形；所述磁隧道结各层的具体厚度、尤其是自由层及氧化物势垒层的厚度，结合具体实际应用及工艺需求进行选择。
【文档编号】H01L43/08GK104134748SQ201410341478
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】张雨, 赵巍胜, 王梦醒, 郭玮, 张有光 申请人:北京航空航天大学