一种反铁磁隧道结及其制备方法

本申请涉及磁性存储器和微电子制造，尤其涉及一种反铁磁隧道结及其制备方法。

背景技术：

1、随着5g、物联网、大数据、云计算和人工智能等新兴信息技术的兴起和移动设备的普及，电子产品之间的信息交互越来越快，数据流量越来越大，传统的半导体内存芯片逐渐遭遇性能瓶颈。在此背景下，磁随机存储器（mram）凭借其读写速度快、数据存储具有非易失性等优势，得到了微电子领域的广泛关注。

2、在磁阻式随机存储器中，数据存储单元的核心是一个磁隧道结（mtj），最简单的磁隧道结包含四层结构，具体为自由层-隧穿层-参考层-钉扎层，其中，自由层和参考层均为铁磁材料，钉扎层为共线反铁磁材料，自由层和参考层的自旋方向在外磁场调控下本来会一起翻转，但由于钉扎层起到钉扎参考层的磁矩方向的作用，使得参考层的自旋方向不会和自由层的自旋方向一起翻转，因此，自由层和参考层的自旋方向相同和相反分别对应低阻态和高阻态。

3、经过磁场驱动型磁存储器（toggle-mram）、自旋转移力矩磁随机存储器（stt-mram）、自旋轨道力矩磁随机存储器（sot-mram）三代技术的发展，虽然磁随机存储器已经具备了比肩动态随机存储器（sram）的运行速度、能耗和闪存的非易失性等性能，但受限于铁磁材料中自旋之间铁磁耦合的本质，铁磁隧道结仍不能满足未来指数增长的信息处理需求。

4、相比于铁磁材料，反铁磁材料由于具有近乎为零的杂散磁场、高自旋动力学频率等优点，被视为下一代高速、高密度磁随机存储器中自由层和参考层的理想候选材料。因此，如何基于反铁磁材料制备得到性能优良的反铁磁隧道结，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种反铁磁隧道结及其制备方法，以基于反铁磁材料制备得到性能优良的反铁磁隧道结。

2、为实现上述目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

3、一种反铁磁隧道结，包括：

4、硅衬底；

5、位于所述硅衬底一侧，沿背离所述硅衬底的方向依次排布的绝缘氧化物层、钉扎层、参考层、隧穿层和自由层，其中，所述绝缘氧化物层为单晶膜层，所述钉扎层为共线反铁磁材料层，所述参考层和所述自由层均为非共线反铁磁材料层。

6、可选的，还包括：

7、位于所述自由层背离所述硅衬底一侧的金属层。

8、可选的，所述绝缘氧化物层为srtio3层、mgal2o4层、laalo3层或mgo层。

9、可选的，所述钉扎层为mnpt层或mnir层。

10、可选的，所述隧穿层为mgo层、mgal2o4层或al2o3层。

11、可选的，所述参考层为mn3sn层、mn3ge层、mn3ga层、mn3pt层、mn3ir层或mn3rh层；

12、所述自由层和所述参考层为相同的非共线反铁磁材料层。

13、可选的，在垂直于所述硅衬底所在平面的方向上，所述自由层的厚度d满足：5nm≤d≤20nm。

14、可选的，所述金属层为au层、pt层、w层、ag层或cu层。

15、一种反铁磁隧道结的制备方法，包括：

16、提供一硅晶圆；

17、对所述硅晶圆进行表面处理，得到单晶硅晶圆；

18、在所述单晶硅晶圆一侧，沿背离所述单晶硅晶圆的方向依次沉积绝缘氧化物层、钉扎层、参考层、隧穿层和自由层，得到叠层结构，其中，所述绝缘氧化物层为单晶膜层，所述钉扎层为共线反铁磁材料层，所述参考层和所述自由层均为非共线反铁磁材料层；

19、将所述叠层结构在磁场真空退火炉中进行退火，以增强所述钉扎层和所述参考层之间的交换相互作用，固定所述参考层的磁矩方向；

20、对所述叠层结构进行刻蚀，得到多个反铁磁隧道结。

21、可选的，在沉积所述自由层之后，该方法还包括：

22、在所述自由层背离所述单晶硅晶圆一侧沉积金属层，使所述叠层结构还包括所述金属层。

23、与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

24、本申请实施例所提供的反铁磁隧道结为具有硅衬底-绝缘氧化物层-共线反铁磁钉扎层-非共线反铁磁参考层-隧穿层-非共线反铁磁自由层的全反铁磁隧道结，第一方面，参考层和自由层均为非共线反铁磁材料层，使得该反铁磁隧道结具有写入速度快、存储密度高的优势；第二方面，硅衬底可以为硅晶圆，即该反铁磁隧道结可以在硅晶圆上大规模制备而成，利于集成；第三方面，在硅衬底和共线反铁磁钉扎层之间增加绝缘氧化物层，且绝缘氧化物层为单晶膜层，从而提高共线反铁磁钉扎层的质量以及共线反铁磁钉扎层和非共线反铁磁参考层之间的界面质量，增强共线反铁磁钉扎层和非共线反铁磁参考层之间的交换偏置作用，进而使得非共线反铁磁参考层的磁矩方向可以被共线反铁磁钉扎层所钉扎，提高器件的可靠性。可见，该反铁磁隧道结为基于反铁磁材料制备得到的性能优良的反铁磁隧道结。

技术特征：

1.一种反铁磁隧道结，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的反铁磁隧道结，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求1或2所述的反铁磁隧道结，其特征在于，所述绝缘氧化物层为srtio3层、mgal2o4层、laalo3层或mgo层。

4.根据权利要求1或2所述的反铁磁隧道结，其特征在于，所述钉扎层为mnpt层或mnir层。

5.根据权利要求1或2所述的反铁磁隧道结，其特征在于，所述隧穿层为mgo层、mgal2o4层或al2o3层。

6.根据权利要求1或2所述的反铁磁隧道结，其特征在于，所述参考层为mn3sn层、mn3ge层、mn3ga层、mn3pt层、mn3ir层或mn3rh层；

7.根据权利要求1或2所述的反铁磁隧道结，其特征在于，在垂直于所述硅衬底所在平面的方向上，所述自由层的厚度d满足：5nm≤d≤20nm。

8.根据权利要求2所述的反铁磁隧道结，其特征在于，所述金属层为au层、pt层、w层、ag层或cu层。

9.一种反铁磁隧道结的制备方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的反铁磁隧道结的制备方法，其特征在于，在沉积所述自由层之后，该方法还包括：

技术总结
本申请公开了一种反铁磁隧道结及其制备方法，首先在单晶硅晶圆上沉积绝缘氧化物层，然后在绝缘氧化物层上沉积共线反铁磁钉扎层，随后在共线反铁磁钉扎层上依次沉积非共线反铁磁参考层、隧穿层和非共线反铁磁自由层，结合光刻工艺，最终在硅晶圆上实现具有绝缘氧化层‑共线反铁磁钉扎层‑非共线反铁磁参考层‑隧穿层‑非共线反铁磁自由层的全反铁磁隧道结，由于绝缘氧化物层为单晶膜层，因此能够提高共线反铁磁钉扎层的质量，增大非共线反铁磁参考层和共线反铁磁钉扎层之间的交换偏置作用，提高器件可靠性，同时，该反铁磁隧道结可在硅晶圆上大规模制备，易于集成，具有写入速度快、存储密度高的优势。

技术研发人员：刘知琪,冯泽鑫
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12