CN101221849A - 具有几何形状的磁性多层膜及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有几何形状的磁性多层膜，包括沉积在衬底上的磁性多层膜单元的各层；所述的磁性多层膜单元的横截面呈多边形闭合环状，该磁性多层膜单元中的具有铁磁性的薄膜层的磁矩或磁通量形成顺时针或逆时针的闭合状态。还包括在上述多边形闭合环状的磁性多层膜的几何中心位置设置金属芯，该金属芯的横截面为相应的多边形。还涉及用闭合的含(或不含)金属芯的磁性多层膜制作的磁性存储器。本发明利用微加工方法制备所述的闭合形状的磁性多层膜。本发明的闭合含(或不含)金属芯多边形闭合环状的磁性多层膜能够广泛应用于以磁性多层膜为核心的各种器件，例如，磁性随机存取存储器，计算机磁读头，磁敏传感器，磁逻辑器件和自旋晶体管等。

Description

具有几何形状的磁性多层膜及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种磁性多层膜的制备方法和用途，特别是涉及一种具有三角形、五边形、六边形、八边形、十边形、十六边形等多边形闭合环状的磁性多层膜、和含金属芯的三角形、五边形、六边形、八边形、十边形、十六边形等多边形闭合环状的磁性多层膜及它们的制备方法，和基于这些闭合环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器(MRAM)及其控制方法。

背景技术

由于磁电阻效应可以广泛应用到磁电阻型传感器、磁记录读出磁头等领域，因此自20世纪80年代末期Baibich等人在磁性多层膜系统中首次观察到巨磁电阻效应(GiantMagneto Resistance，GMR)以来，磁性多层膜体系的研究一直是科研人员普遍关注的一个课题。由于GMR效应具有很高的磁电阻比值，因此用GMR制成的器件不仅具有灵敏度高、体积小、功耗低等优良特点，还可以带来抗辐射、非易失性信息存储等许多新特性。特别是将GMR效应用于磁记录读出磁头则给整个信息记录领域带来了一场深刻的革命，并对相关产业产生了直接而深远的影响。1994年IBM公司利用GMR效应成功研制出硬磁盘读出磁头，将磁盘存储系统的记录密度提高了近20倍，使计算机产业取得了突破性进展；基于GMR效应制成的各类传感器件则由于输出信号增强而使得器件设计大为简化，这直接导致了器件的小型化与廉价化。

继巨磁电阻效应发现之后，1995年日本科学家T.Miyazaki和美国科学家J.S.Moodera在磁性隧道结(MTJ)中分别独立获得了室温下18％和10％的隧道磁电阻(Tunneling Magneto Resistance，TMR)比值，从而掀起了磁性隧道结的研究高潮。研究人员基于GMR效应以及磁性隧道结而设计了一种新型磁性随机存取存储器(MagneticRandom Access Memory，MRAM)的器件模型，这种器件由于采用了全新的设计而具有许多激动人心的新特性，诸如抗辐射、非易失性信息存储等。典型的MRAM器件设计其核心部分结构由四部分构成：位线(Bit Line)、写字线(Word Line)，读字线(Read Line)和存储单元。位线和写字线，读字线分别位于存储单元的上方和下方，呈纵横交叉排列，存储单元则位于位线和字线的交叉处。MRAM存储单元的写操作过程则是通过流经字线和位线的两个脉冲电流共同产生的合成磁场驱动比特层磁矩反转来完成，因此这种工作方式明显依赖于字线和位线两个脉冲电流所产生的磁场这样一个中间环节来操控存储单元的磁化状态，导致其结构和工艺制备过程十分复杂，给MRAM器件的加工和集成带来了极大的不便和较高成本。

1996年，美国科学家J.Slonczewski从理论上预言了一种新的物理机制-自旋转矩(Spin Torque，ST)效应，这种物理机制可以利用电流自身实现对存储单元磁化状态的操控，当存储单元中流过的电流小于某个特定的临界值I_C时，存储单元磁化状态不会被存储单元中流过的电流所改变，从而可以实现读操作；而当存储单元中流过的电流大于这个临界值I_C时，存储单元磁化状态将由存储单元中流过的电流的方向所决定，从而可以实现写操作。在随后的十几年中，科学家们对这种新效应进行了大量广泛而深入的研究。如果将这种新机制应用到磁性多层膜系统以及MRAM等器件中，则能够极大地简化器件结构和加工工艺，这将为信息存储领域带来又一次革命性的突破。

在现有技术中使用的存储单元如比特层(软磁层)和其它被钉扎磁性层(或硬磁层)-的几何结构均采用非闭合结构，如矩形、椭圆形等，这种结构在高密度小尺寸存储单元下将会带来较大的退磁场和形状各向异性，这种缺陷无疑会增大比特层(软磁层)的反转场(矫顽力)和功耗，同时在高密度状态下磁存储单元之间的磁耦合和相互干扰不可避免，对存储单元的磁电性能的均匀性和一致性也带来许多不利的影响和磁噪声，并且给存储单元的设计和制备带来诸多结构上和工艺过程中的复杂性。目前为减小退磁场，作为存储单元的磁性隧道结其上下磁电极一般大都采用三明治式人工钉扎复合型的比特层和底部钉扎层(如：Co-Fe/Ru/Co-Fe-B和Py/Ru/Co-Fe-B)。但其比特层的反转场和功耗仍然没有降低到一个理想和期望的最低值。为了克服这些问题，必须采用新的几何结构和器件设计原理来减小存储单元比特层的形状各向异性，并进一步消除磁性多层膜经过微加工和纳米加工小尺寸图型化后存储单元自身产生的退磁场。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的磁性多层膜系统物理结构上的缺陷，通过改变多层膜系统的几何结构，提供一种无退磁场和弱形状各向异性的闭合形状的磁性多层膜。

本发明的另一目的在于克服现有的磁性多层膜系统物理结构上的缺陷，通过改变多层膜系统的几何结构，提供一种无退磁场和弱形状各向异性的含金属芯的闭合形状的磁性多层膜。

本发明的再一目的在于提供上述闭合形状的磁性多层膜和含金属芯的闭合形状的磁性多层膜的制备方法。

本发明的还一目的在于克服现有的磁性随机存取存储器使用非闭合结构的磁性多层膜作为存储单元时，由于非闭合结构存储单元的退磁场和形状各向异性的影响以及在高密度状态下磁存储单元之间存在磁耦合和相互干扰，使得MRAM在写和读操作方法上产生的一些技术困难和缺陷，从而提供一种基于上述闭合形状的磁性多层膜和含金属芯的闭合形状的磁性多层膜、可以消除存储单元的退磁场、减弱其形状各向异性以及磁相互作用和干扰的磁随机存取存储器，及其控制方法。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的具有几何形状的磁性多层膜，包括沉积在衬底上的磁性多层膜单元的各层；其特征在于，所述的磁性多层膜单元呈多边形闭合环状，该多边形闭合环状包括三角形、四边形、五边形、六边形、八边形、十边形、十六边形等N边形(N为大于等于3的整数)闭合环；其中所述的磁性多层膜单元中的每一具有铁磁性的薄膜层的磁矩或磁通量可以形成顺时针或逆时针的闭合状态。优选的，所述的磁性多层膜单元的多边形闭合环的内边边长为10～100000nm，外边的边长为20～200000nm，闭合环的宽度在10～100000nm之间。

在上述的技术方案中，还包括一个金属芯，该金属芯设置在所述的磁性多层膜单元的多边形闭合环的几何中心位置，组成含有金属芯的闭合形状的磁性多层膜。该金属芯的形状与闭合环状多边形磁性多层膜的形状相匹配；该金属芯的横截面相应地为多边形，包括三角形、四边形、五边形、六边形、八边形、十边形、十六边形等N边形(N为大于等于3的整数)，其中多边形金属芯的各边长为5～50000nm。

在上述的技术方案中，所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料，优选Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu、Al或Si-Al合金等；该金属芯的作用是从外部施加电流，通过电流产生的环形磁场操控磁性多层膜图型化后的存储单元的磁化状态，从而可以更方便的进行磁性多层膜存储单元的读写操作，同时可以避免较大的脉冲写电流反复写操作时对势垒层可能产生的损伤(电流迁移原子效应)。

在上述的技术方案中，所述的多边形闭合状的磁性多层膜和含金属芯的多边形闭合状的磁性多层膜，按照形成的材料分类，包括无钉扎型、钉扎型和双中间层型。

对于无钉扎型多边形闭合状的磁性多层膜，如图1和图3所示，其依次为缓冲导电层1、硬磁层2、中间层3、软磁层4及覆盖层5。

对于钉扎型多边形闭合状的磁性多层膜，如图2和图4所示，其依次为缓冲导电层1、反铁磁钉扎层8、被钉扎磁性层9、中间层3、软磁层4及覆盖层5。

对于无钉扎型多边形闭合状的双中间层磁性多层膜，如图5和图7所示，其依次为缓冲导电层1、第一硬磁层21、第一中间层31、软磁层4、第二中间层32、第二硬磁层22、及覆盖层5。

对于钉扎型多边形闭合环状的双中间层磁性多层膜，如图6和图8所示，其依次为缓冲导电层1、第一反铁磁钉扎层81、第一被钉扎磁性层91、第一中间层31、软磁层4、第二中间层32、第二被钉扎磁性层92、第二反铁磁钉扎层82及覆盖层5。

在上述的技术方案中，所述的衬底为常规衬底，如Si、Si/SiO₂、SiC、SiN或GaAs衬底等，厚度为0.3～1mm；

所述的下部缓冲导电层1由金属材料组成，优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu、Al或Si-Al合金等，厚度为2～200nm；

所述的硬磁层2、第一硬磁层21和第二硬磁层22由巨磁电阻效应大的材料，如Co，Fe，Ni，CoFe，NiFeCo，CoFeB，CoFeSiB等组成，厚度为2～20nm；

所述的中间层3、第一中间层31和第二中间层32均由非磁性金属层或者绝缘体势垒层构成，其中非磁性金属层的材料如Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，绝缘体势垒层的材料如Al₂O₃，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，厚度为0.5～10nm；

所述的软磁层4的组成材料为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料，包括：Co，Fe，Ni或它们的金属合金NiFe，CoFeSiB，NiFeSiB，或非晶Co_100-x-yFe_xB_y(0＜x＜100，0＜y≤20)，或Heusler合金，如Co₂MnSi，Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al；软磁层的组成材料优选Co₉₀Fe₁₀，Co₇₅Fe₂₅，Co₄₀Fe₄₀B₂₀，或Ni₇₉Fe₂₁；所述的软磁层的厚度为1～20nm；

所述的覆盖层5由不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料组成，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr等或其合金，厚度为2～20nm，用于保护材料不被氧化。

所述的反铁磁钉扎层8、第一反铁磁钉扎层81和第二反铁磁钉扎层82均由具有反铁磁性的合金组成，优选IrMn，FeMn，PtMn，CrMn或Pt(Cr，Mn)合金，厚度为3～30nm；

所述的被钉扎磁性层9、第一被钉扎磁性层91和第二被钉扎磁性层92的组成材料为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，如Fe、Co、Ni及其合金，优选CoFe合金，NiFe合金，非晶CoFeB合金，CoFeSiB合金等，厚度为2～20nm；

本发明提供的利用微加工方法制备所述的闭合形状的磁性多层膜的方法，包括如下的步骤：

1)选择一个衬底，采用常规的清洗工艺清洗该衬底；

2)然后在衬底上依次沉积所述的磁性多层膜的各层；在沉积具有铁磁性的薄膜层时，可以选择施加磁场强度为50～5000Oe的平面诱导磁场；

3)采用微加工工艺将步骤2)中沉积了磁性多层膜的衬底加工成闭合的多边形环状结构；所述的微加工工艺的具体步骤为：首先经过涂胶、前烘，再在在紫外、深紫外曝光或电子束曝光机上，根据所需的闭合状图形(包括三角形、四边形、五边形、六边形、八边形、十边形、十六边形等多边形环)对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成闭合形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶；

必要时还可以利用反应离子刻蚀机进行辅助去胶；

4)将步骤3)得到的刻蚀成形的多边形闭合状的磁性多层膜上，再沉积一层绝缘层，将所述的多边形闭合环状多层膜单元进行掩埋并且相互隔离不同的单元；

5)利用微加工工艺，例如紫外、深紫外曝光或电子束曝光方法，以及聚焦离子束刻蚀或者化学反应干刻或化学反应湿刻，在沉积有闭合环状多层膜的位置上，对绝缘层进行刻蚀使绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露，得到本发明的多边形闭合环状的磁性多层膜单元；

对于含金属芯的多边形闭合环状的磁性多层膜的制备方法，在上述闭合形状的磁性多层膜的制备方法的步骤4)和步骤5)之间，包括步骤4’)：

4’)利用微加工工艺，在多边形闭合环状多层膜的几何中心位置制备一个金属芯，该金属芯的横截面为多边形：对步骤4)得到的进行了绝缘层掩埋的多边形闭合环状多层膜单元的几何中心位置定位，接着利用聚焦离子束刻蚀、紫外、深紫外曝光、电子束曝光、化学反应刻蚀等微加工方法对绝缘层进行刻蚀，形成水平横截面为多边形的柱状孔洞，之后利用电化学沉积方法、磁控溅射、聚焦离子束辅助沉积等方法在孔洞位置沉积金属材料，形成金属芯；

其中，所述的多边形金属芯的各边长为5～50000nm，金属芯的形状与多边形闭合状的磁性多层膜的形状相匹配，该金属芯的横截面相应地为多边形，包括三角形、四边形、五边形、六边形、八边形等N边形(N为大于等于3的整数)。

在上述的技术方案中，还包括步骤6)制作上电极，具体步骤如下：

6)利用常规的薄膜生长手段，在步骤5)得到的多边形闭合环状的磁性多层膜单元上沉积一层导电层，再利用常规的半导体微加工工艺，将导电层加工成电极，每个闭合环状结构引出四个电极，即得到含有本发明的磁性多层膜的元器件，该导电层为电阻率较小的金属，优选Au、Ag、Pt、Cu、Al、SiAl等或其金属合金，厚度为2～200nm。

在上述的技术方案中，所述的常规的薄膜生长工艺，包括磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等工艺。

在上述的技术方案中，所述的微加工工艺包括：首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机或电子束曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成所要制作的形状，最后用去胶剂等浸泡进行去胶的工艺。

在上述的技术方案中，在步骤4)中所述的绝缘层为常规的绝缘体材料，优选SiO₂，Al₂O₃，ZnO，TiO，SnO或有机分子材料(如聚氯乙烯PVC，聚乙烯PE，聚丙烯PP等)，厚度为50～1000nm。

在上述的技术方案中，所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料，优选Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu、Al或Si-Al合金等。

本发明的多边形闭合的含(或不含)金属芯形状的磁性多层膜能够广泛应用于以磁性多层膜为核心的各种器件，例如，磁性随机存取存储器，计算机磁读头，磁敏传感器，磁逻辑器件和自旋晶体管等。

本发明提供一种基于多边形闭合状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，其使用上述闭合形状的磁性多层膜和含金属芯的多边形闭合状的磁性多层膜作为存储单元。

本发明提供的基于多边形闭合状磁性多层膜的磁性随机存取存储器包括以下几种类型：

1.本发明提供一种基于多边形闭合状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，如图9A、9B和图9C所示，包括：

晶体管单元0(包括晶体管的源极0b、漏极0a和轻掺杂区域0c)构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；

多边形闭合状磁性多层膜存储单元构成的存储单元65及其阵列，其中存储单元65的几何结构为多边形闭合状磁性多层膜；所述的多边形闭合状含金属芯磁性多层膜包括非钉扎型和钉扎型两类，其特征如前所述。

连接上述晶体管单元0和闭合状磁性多层膜存储单元65的过渡金属层(4a、4b)；以及字线62、位线4c、地线4a，所述的字线同时也是所述的晶体管0的栅极，所述的位线4c布置在所述的闭合状磁性多层膜存储单元65的上方，并与所述的字线62相互垂直，而且与所述的闭合状磁性多层膜存储单元65直接连接。

其中所述晶体管单元0的源极和第一漏极上分别设置第一接触导电孔3a、第二接触导电孔3b，第一接触导电孔3a上设置地线4a，第二接触导电孔3b上设置第一过渡金属层4b；第一过渡金属层4b与磁性多层膜存储单元65的下端连接；所述的字线62同时也是所述的晶体管0的栅极；所述的位线4c布置在所述的磁性多层膜存储单元65的上方，与所述的字线62相互垂直，并且与所述的磁性多层膜存储单元65直接连接；1a、1b和1c是绝缘隔离材料。并且在所述的位线4c上覆盖一层绝缘钝化层1f。

在此技术方案中，所述的磁性多层膜存储单元65的形状为中间空心的带有宽度的多边形环；所述的多边形环的内多边形各边的长度为10～100000nm、外多边形的各边长度为20～200000nm；所述的闭合状含金属芯磁性多层膜包括非钉扎型和钉扎型两类，其特征如前所述。

根据背景技术中介绍过的自旋转力矩效应和电流产生的闭合状磁场效应，本发明提供一种上述基于多边形闭合状磁性多层膜的磁性随机存取存储器的控制方法，其为通过流经存储单元65中的电流的大小和方向来实现MRAM的读操作和写操作，具体如下：

当多边形闭合状磁性多层膜存储单元65中的电流小于一个特定的低临界值I_C1(相应电流密度J_C1＝10～10²A/cm²，电流＝电流密度×闭合状磁性多层膜截面积)时，其比特层(软磁层)的磁化状态不会受到改变，从而实现MRAM的读操作；

当多边形闭合状磁性多层膜存储单元中的电流大于这个低临界值I_C1并且小于高临界值I_C2(相应电流密度J_C2＝10²～10⁶A/cm²，电流＝电流密度×闭合状磁性多层膜截面积)时，电流的方向将会改变闭合状磁性多层膜存储单元比特层(软磁层)的磁化状态，通过正向和负向自旋极化隧穿电流(即通过极化隧穿电流诱导的环行磁场的驱动作用和自旋转力矩的联合作用)，实现其比特层(软磁层)的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，使得比特层(软磁层)与被钉扎磁性层(或硬磁层)的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反(即磁化强度平行或反平行)反转取向，从而获得低电阻和高电阻两种状态(即获得高输出电压和低输出电压两种状态)，也就是通过控制电流的大小和方向就可以实现MRAM的写操作；

如果写电流超过高临界电流值I_C2(即大于该临界电流后)，被钉扎磁性层(或硬磁层)的原来沿顺时针或逆时针取向的磁化状态将被反转，即会导致比特层(软磁层)和被钉扎磁性层(或硬磁层)一起被反转从而产生相同的磁化强度取向，所以写电流必须小于高临界电流值I_C2。即读电流要小于低临界电流值I_C1，写电流必须大于低临界电流I_C1而小于高临界电流I_C2。

2.本发明提供另一种基于多边形闭合状含金属芯的磁性多层膜的磁性随机存取存储器，如图10A、10B和10C所示，包括：

晶体管单元0(包括晶体管的源极0b、漏极0a和轻掺杂区域0c)构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；

多边形闭合状含金属芯的磁性多层膜存储单元构成的存储单元65及其阵列，其中存储单元的几何结构为多边形闭合状含金属芯磁性多层膜；所述的多边形闭合状含金属芯磁性多层膜包括非钉扎型和钉扎型两类，其特征如前所述。

连接上述晶体管单元0和多边形闭合状含金属芯的磁性多层膜存储单元65的过渡金属层4b；以及字线62、第一位线4e和第二位线4d，所述的字线同时也是所述的晶体管0的栅极，所述的两条位线4e和4d布置在所述的多边形闭合状含金属芯的磁性多层膜存储单元的上方，第一位线4e与所述的字线62相互垂直，并且与所述的多边形闭合状含金属芯的磁性多层膜存储单元65直接连接，第二位线4d与所述的闭合状含金属芯的磁性多层膜存储单元65中的金属芯直接相连，并且由一层绝缘层与第一位线4e相互隔离。1a、1b、1c、1e和1f是绝缘隔离材料。

本发明提供上述基于多边形闭合状含金属芯的磁性多层膜的磁性随机存取存储器的存取存储方法，其为通过对存储单元中的金属芯施加的电流来实现MRAM的写操作，通过对存储单元中的闭合状磁性多层膜施加的隧穿电流来实现MRAM的读操作，具体如下：

在闭合状含金属芯的磁性多层膜存储单元的磁性多层膜中的施加的电流小于一个特定的低临界值I_C1(相应电流密度J_C1＝10～10²A/cm²，电流＝电流密度×闭合状磁性多层膜截面积)时，其比特层(软磁层)的磁化状态不会受到改变，从而实现MRAM的读操作；

在多边形闭合状含金属芯磁性多层膜存储单元中的金属芯中施加电流，由于电流产生的磁场呈环状分布，因此可以方便的控制闭合状磁性多层膜的磁化状态，具体方法为：当多边形闭合状含金属芯磁性多层膜存储单元65中的金属芯中施加电流大于低临界值I_C1并且小于高临界值I_C2(相应电流密度J_C2＝10²～10⁶A/cm²，电流＝电流密度×金属芯截面积)时，电流的方向将会改变闭合状磁性多层膜存储单元65比特层(软磁层)的磁化状态，通过正向和负向的驱动电流产生顺时针或逆时针方向的磁场，实现其比特层(软磁层)的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，使得比特层(软磁层)与被钉扎磁性层(或硬磁层)的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反(即磁化强度平行或反平行)，从而获得低电阻和高电阻两种状态(即获得高输出电压和低输出电压两种状态)，也就是通过控制电流的方向就可以实现MRAM的写操作。

如果写电流超过高临界电流值I_C2(即大于该临界电流后)，被钉扎磁性层(或硬磁层)原来沿顺时针或逆时针取向的磁化状态将被反转，即会导致比特层(软磁层)和被钉扎磁性层(或硬磁层)一起被反转从而产生相同的磁化强度取向，所以写电流必须小于高临界电流值I_C2。即读电流要小于低临界电流I_C1，写电流必须大于低临界电流I_C1而小于高临界电流I_C2。

3.本发明提供另一种读和写过程分别各用一个晶体管控制的基于多边形闭合状含金属芯的磁性多层膜的磁性随机存取存储器，如图11A、11B和11C所示，包括：

所述的第一和第二晶体管单元0(包括第一和第二晶体管的源极0b1和0b2、共用的漏极0a1、轻掺杂区域0c)构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；第一晶体管开关控制读操作，第二晶体管开关控制写操作。第一晶体管的栅极67也作为第一字线67(共用)，第二晶体管的栅极63也作为第二字线63(共用)；

所述的晶体管共用漏极0a1、第一晶体管的源极0b1、第二晶体管的源极0b2之上分别设置第一导电接触孔3a、第二导电接触孔3b、第三导电接触孔3b2，并且分别与及其上的第一过渡金属层4a和4b连接；第一接触孔3a之上的过渡金属层4a也同时构成所设置的地线4a；第四导电接触孔3d和第二过渡金属层4f相连；该第二过渡金属层4f作为底部传导电极与所述的多边形环状磁性多层膜存储单元65的下端相连，该多边形环状的磁性多层膜存储单元65的上端设置位线4c并与之相连；所述的设置在多边形环状的磁性多层膜存储单元65中心处的多边形形金属芯上端与位线4c接触，下端与第一过渡金属层4b连接；第五绝缘钝化层1f覆盖在位线4c上。

所述的多边形闭合状含金属芯的磁性多层膜存储单元构成的存储单元65及其阵列，其中存储单元的几何结构为多边形闭合状含金属芯磁性多层膜；所述的多边形闭合状含金属芯磁性多层膜包括非钉扎式和钉扎式两类，其特征如前所述。

本发明提供的多边形闭合含(或不含)金属芯形状的磁性多层膜，使用微加工方法制备的多边形闭合环状结构，来代替常规的磁性多层膜。在现有技术使用常规的非闭合环状结构时，由于常规结构带来的退磁场和形状各向异性的影响，使磁性多层膜的磁化状态不易改变，在器件应用上必须依赖外部施加的较大磁场或者由较大脉冲电流产生的合成磁场来操控其磁化状态，功耗大、成本高，并给器件的加工、集成和使用带来许多不利因素，如噪声和近邻单元间的磁耦合和磁干扰以及热效应和散热问题等，并且对器件的性能产生不良的影响。而本发明通过改变磁性多层膜的几何结构，可以克服上述缺陷，提高磁性多层膜的性能，使其在保持磁性多层膜原有特征和性能的情况下，还具有无退磁场和最小磁各向异性，磁化状态易于改变并且可由电流直接操控等优点，避免了使用外磁场或者由较大脉冲电流产生的合成磁场来操控磁化状态所带来的结构和工艺上的复杂性，能够满足大规模产品化的要求，即本发明的多边形闭合含(或不含)金属芯形状的磁性多层膜更适合于器件化的磁性随机存取存储器、新型磁性多层膜传感器的制备。

在现有技术中MRAM的数据写操作是依靠写字线和位线所产生的磁场的共同作用来操控存储单元比特层的磁化状态，因此在工艺结构上需要有两个金属布线层分别布置写字线和位线。而与现有技术相比，本发明提供的基于多边形闭合状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，通过采用新的多边形环状的磁性多层膜几何结构作为存储单元，利用正负两个方向的极化隧穿电流自身产生的环行磁场或者金属芯中正负两个方向的驱动电流产生的环形磁场，并结合自旋转力矩效应，进行数据的读写操作，使得MRAM的控制更加简便：利用自选转力矩效应使得数据的读、写操作由一条位线来完成；利用金属芯中电流产生的环形磁场驱动多边形闭合状磁性多层膜的比特层磁化状态，驱动磁场空间分布与存储单元的几何形状匹配较好，因此使得器件的驱动更加容易。这些特点使得本发明的基于多边形闭合状磁性多层膜的磁性随机存取存储器避免了由于磁场空间分布不均匀而带来的不利影响，有利于器件工作性能的稳定和器件寿命的延长；同时由于本发明的基于多边形闭合状磁性多层膜的磁性随机存取存储器去除了现有技术中专门用于写操作的一条写字线，大大降低了传统MRAM结构的复杂性、制造工艺的难度及成本，并克服了现有技术中存在的缺点，提高了MRAM的应用价值。

附图说明

图1-1是本发明的一种无钉扎型的多边形闭合环状的磁性多层膜的顶视图

图1-2为图1-1的剖面结构图

图2-1是本发明的一种钉扎型的多边形闭合环状的磁性多层膜的顶视图

图2-2为图2-1的剖面结构图

图3-1是本发明的一种无钉扎型、含金属芯的多边形闭合环状磁性多层膜的顶视图

图3-2为图3-1的剖面结构图

图4-1是本发明的一种钉扎型、含金属芯的多边形闭合环状的磁性多层膜顶视图

图4-2为图4-1的剖面结构图

图5-1是本发明的一种无钉扎型、多边形闭合环状的双中间层磁性多层膜的顶视图

图5-2为图5-1的剖面图

图6-1是本发明的一种钉扎型、多边形闭合环状的双中间层磁性多层膜的顶视图图

图6-2为图6-1的剖面图

图7-1是本发明的一种无钉扎型、含金属芯的、多边形闭合环状的双中间层磁性多层膜的顶视图

图7-2为图7-1剖面结构图

图8-1是本发明的一种钉扎型、含金属芯的、多边形闭合环状的双中间层磁性多层膜的顶视图

图8-2为图8-1剖面结构图

图1-1-图8-2中：1-缓冲导电层；2-硬磁层；3-中间层；4-软磁层；5-覆盖层；6-金属芯；8-反铁磁钉扎层；9-被钉扎磁性层；21-第一硬磁层；22-第二硬磁层；31-第一中间层；32-第二中间层；81-第一反铁磁钉扎层；82-第二反铁磁钉扎层；91第一被钉扎磁性层；92-第二被钉扎磁性层；31-第一中间层；32-第二中间层；

图9A是实施例34中基于多边形闭合状(包括三角形、四边形、五边形、六边形、八边形等多边形环状)磁性多层膜的磁性随机存取存储器的的MRAM单元结构示意图；

图9B是图9A的剖面结构图；

图9C是图9A的立体结构图；

图10A是实施例35中基于多边形闭合状(包括三角形、四边形、五边形、六边形、八边形等多边形环状)含金属芯磁性多层膜的、利用一个晶体管控制一个存储单元读和写过程的、同时利用金属芯中电流产生的磁场驱动方式工作的磁性随机存取存储器的MRAM单元结构示意图；

图10B是图10A的剖面结构图；

图10C是图10A的立体结构图；

图11A是实施例36中基于多边形闭合状(包括三角形、五边形、六边形、八边形等多边形环状)含金属芯磁性多层膜的、利用两个晶体管分别控制一个存储单元读和写过程的、同时利用金属芯中电流产生的磁场驱动方式工作的磁性随机存取存储器的MRAM单元剖面结构图；

图11B是图11A的剖面结构图；

图11C是图11A的立体结构图；

图9A-图11C中，0是晶体管、0a是晶体管的漏极、0b是晶体管的源极、0b1和0b2分别是第一晶体管和第二晶体管的源极、0a1是第一晶体管和第二晶体管的共用漏极、0c晶体管轻掺杂区、62是晶体管0的栅极、63和67分别是第二晶体管和第一晶体管的栅极、1a、1b、1c、1d、1e为MRAM单元中的各绝缘层、1f为第五绝缘钝化层、3a为第一导电接触孔、3b为第二导电接触孔、3b2为第三导电接触孔、3d为第四导电接触孔、4a地线、4b为第一过渡金属层、4e为第一位线、4d为第二位线、4f为第二过度金属层、65为闭合状磁性多层膜存储单元。

具体实施方式

下面结合附图和制备方法对本发明的多边形闭合环状磁性多层膜，以及利用该多边形闭合环状磁性多层膜制作的磁性随机存储器的结构进行详细地说明

实施例1

利用微加工方法制备无钉扎型正六边形闭合环状磁性多层膜。

在高真空磁控溅射设备上，经过常规方法清洗后的1mm厚的SiO₂/Si衬底上，采用常规镀膜方法依次沉积厚度为2nm的Au作为下部缓冲导电层1，厚度为3nm的Co作为硬磁层2，厚度为1nm的Cu作为中间层3，厚度为1nm的Co作为软磁层4和厚度为4nm的Ru作为覆盖层5。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率；并且在沉积硬磁层2和软磁层4时，施加150Oe平面诱导磁场。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的多边形环状图形对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成多边形闭合环，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成正六边形的环状结构，该正六边形环的内正六边形边长为500nm，外正六边形的边长为800nm。然后在此刻蚀成形的多边形环状磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，沉积一层100nm厚的SiO₂绝缘层，将各多边形环状多层膜进行掩埋并且相互隔离，再进行聚焦离子刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多边形环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的环状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为2nm的Au导电层，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先在Au导电层上经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的无钉扎型正五边形闭合环状磁性多层膜，其结构示意图如图1-1-图1-2所示。

实施例2～7、

按照实施例1相同的方法，利用微加工方法制备无钉扎型正五边形闭合环状磁性多层膜，其磁性多层膜的各层材料和厚度列于表1中。

表1、本发明的利用微加工方法制备无钉扎型正五边形闭合环状磁性多层膜的结构

实施例8、

利用微加工方法制备钉扎型正六边形闭合环状磁性多层膜

利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的0.8mm厚的Si/SiO₂衬底上依次沉积厚度为2nm的Au下部缓冲导电层1，厚度为10nm的IrMn反铁磁钉扎层8，厚度为3nm的Co₉₀Fe₁₀被钉扎磁性层9；然后沉积1nm厚的Al，经等离子体氧化50秒形成的绝缘层作为中间层3；在该中间层3上依次沉积厚度为3nm的Co₉₀Fe₁₀软磁层4和厚度为2nm的Au覆盖层5。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率；在沉积被钉扎磁性层9和软磁层4时，施加150Oe的平面诱导磁场。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的环状图形对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成多边形闭合环，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成正六边形闭合环状几何结构，正六边形的内正六边形边长为300nm，外正六边形的边长为600nm。然后在此刻蚀成形的多边形闭合环状磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层50nm厚的SiO₂绝缘层，将各多边形闭合环状多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多边形环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的多边形环状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为5nm的导电层Cu，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的钉扎型正六边形闭合环状磁性多层膜，其结构示意图如图2-1-图2-2所示。

实施例9～14

按照实施例8相同的方法，利用微加工方法制备钉扎型正十边形闭合环状磁性多层膜，其磁性多层膜的各层材料和厚度列于表2中。

表2、本发明的利用微加工方法制备钉扎型正十边形闭合环状磁性多层膜的结构

实施例15、

利用微加工方法制备无钉扎型正六边形闭合环状含金属芯的磁性多层膜

在高真空磁控溅射设备中，将经过清洗干净的1mm厚的SiO₂/Si衬底上，采用通常的镀膜方法依次沉积厚度为5nm的Ru作为下部缓冲导电层1，厚度为3nm的Co作为硬磁层2，厚度为1nm的Cu作为中间层3，厚度为1nm的Co作为软磁层4和厚度为4nm的Ru作为覆盖层5。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率；在沉积硬磁层2和软磁层4时，要加上诱导磁场150Oe。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的多边形闭合环状图形对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成多边形环，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成正六边形闭合环状几何结构，正六边形环的内正六边形边长为500nm，外正六边形的边长为1000nm。然后在此刻蚀成形的多边形闭合环状磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，再沉积一层100nm厚的SiO₂绝缘层，将各多边形闭合环状多层膜进行掩埋并且相互隔离。采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到多边形闭合环状多层膜的几何中心位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，形成边长为200nm的多边形孔洞，之后利用聚焦离子束辅助沉积方法在孔洞位置沉积金属材料Au，形成一个边长为200nm的正六边形Au金属芯6。然后采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多边形环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的多边形环状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为2nm的导电层Au，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的无钉扎型正六边形闭合环状含金属芯的磁性多层膜，其结构示意图如图3-1-图3-2所示。

实施例16～21

按照实施例15相同的方法，利用微加工方法制备无钉扎型正十二边形闭合环状含金属芯的磁性多层膜，其磁性多层膜的各层材料和厚度列于表3中。

表3、本发明的利用微加工方法制备无钉扎型正十二边形闭合环状含金属芯的磁性多层膜的结构

实施例22、

利用微加工方法制备钉扎型正六边形闭合环状含金属芯的磁性多层膜

利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的0.8mm厚的SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为25nm的Cr作为下部缓冲导电层1，厚度为10nm的IrMn作为反铁磁钉扎层8，厚度为3nm的Co₉₀Fe₁₀被钉扎磁性层9；然后沉积1nm的Al，经等离子体氧化50秒形成的绝缘层作为中间层3；在该中间层上依次沉积厚度为1nm的Co₉₀Fe₁₀软磁层4和厚度为2nm的Cu覆盖层5。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率；在沉积被钉扎磁性层9和软磁层4时，要加上诱导磁场150Oe。沉积好的磁性多层膜经过背景技术中介绍的微加工采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的环状图形对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成多边形闭合环形，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成多边形闭合环状几何结构，正六边形环的内正六边形边长为300nm，外正六边形的边长为600nm。然后在此刻蚀成形的多边形闭合环状磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层50nm厚的SiO₂绝缘层，将各多边形环状多层膜进行掩埋并且相互隔离。采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到多边形闭合环状多层膜的几何中心位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，形成边长为100nm的多边形孔洞，之后利用聚焦离子束辅助沉积方法在孔洞位置沉积金属材料Cu，形成一个边长为100nm的正二十边形Cu金属芯6。然后采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多边形环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的多边形环状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为5nm的导电层Cu，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的钉扎型正六边形闭合环状含金属芯的磁性多层膜，其结构如图4-1-图4-2所示。

实施例23～28

按照实施例22相同的方法，利用微加工方法制备钉扎型正十六边形闭合环状含金属芯的磁性多层膜，其磁性多层膜的各层材料和厚度列于表4中。

表4、本发明的利用微加工方法制备钉扎型正十六边形闭合环状含金属芯的磁性多层膜的结构

实施例29、

制备无钉扎型正八边形闭合环状的双中间层型磁性多层膜

利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为2nm的Ta作为下部缓冲导电层1，厚度为3nm的Co作为第一硬磁层21，厚度为1nm的Al₂O₃第一中间层31，厚度为1nm的NiFe软磁层4，厚度为1nm的Al₂O₃第二中间层32，厚度为3nm的Co₉₀Fe₁₀第二硬磁层22和厚度为4nm的Ru覆盖层5。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率；在沉积铁磁层时，施加150Oe的平面诱导磁场。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的多边形闭合环状结构对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成多边形闭合环状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成正八边形闭合环状几何结构，正八边形的内正八边形边长为300nm，外正八边形的边长为500nm。然后在此刻蚀成形的多边形闭合环状的磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层50nm厚的SiO₂绝缘层，将各多边形闭合环状多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多边形闭合环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的多边形闭合状的磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为5nm的导电层Cu，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的正八边形闭合环状的双中间层型磁性多层膜，其结构示意图如图5-1-图5-2所示。

实施例30、

制备钉扎型正八边形闭合环状的双中间层型磁性多层膜

利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为2nm的Ta作为下部缓冲导电层1，厚度为10nm的IrMn作为第一反铁磁钉扎层81，厚度为5nm的CoFeB第一被钉扎磁性层91，厚度为1nm的Al₂O₃第一中间层31，厚度为1nm的Co软磁层4，厚度为1nm的Al₂O₃第二中间层32，厚度为5nm的CoFeB第二被钉扎磁性层92，厚度为10nm的IrMn第二反铁磁钉扎层82和厚度为4nm的Ru覆盖层5。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率；在沉积第一反铁磁钉扎层81、第二反铁磁钉扎层82、第一被钉扎磁性层91、第二被钉扎磁性层92和软磁层4时，施加150Oe的平面诱导磁场。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的多边形闭合环对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成多边形闭合环状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成正八边形闭合环状几何结构，正八边形环的内正八边形边长为400nm，外正六十边形的边长为800nm。然后在此刻蚀成形的多边形闭合环状的磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层50nm厚的SiO₂绝缘层，将各多边形闭合环状多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有闭合环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的闭合形状的磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为5nm的导电层Cu，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的正八边形闭合环状的双中间层型磁性多层膜，其结构示意图如图6-1-图6-2所示。

实施例31、

制备无钉扎型正八边形闭合环状含金属芯的双中间层型磁性多层膜

利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为2nm的Ta作为下部缓冲导电层1，厚度为3nm的Co作为第一硬磁层21，厚度为1nm的Al₂O₃第一中间层31，厚度为1nm的NiFe软磁层4，厚度为1nm的Al₂O₃第二中间层32，厚度为3nm的Co₉₀Fe₁₀第二硬磁层22和厚度为4nm的Ru覆盖层5。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率；在沉积铁磁层时，施加150Oe平面诱导磁场。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的多边形闭合环对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成多边形闭合环状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成正八边形闭合环状几何结构，正八边形环的内正八边形边长为500nm，外正八边形的边长为800nm。然后在此刻蚀成形的多边形闭合环状的磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层50nm厚的SiO₂绝缘层，将各多边形闭合环状多层膜进行掩埋并且相互隔离。采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到闭合环状多层膜的几何中心位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，形成横截面为多边形的孔洞，其中多边形孔洞边长为200nm，之后利用聚焦离子束辅助沉积方法在孔洞位置沉积金属材料Au，形成一个横截面为正八边形的柱状的Au金属芯6，截面形状如前所述。然后采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多边形闭合环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的多边形闭合形状的磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为5nm的导电层Cu，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的正八边形闭合环状含金属芯的双中间层型磁性多层膜，其结构示意图如图7-1-图7-2所示。

实施例32、

制备钉扎型正八边形闭合环状含金属芯的双中间层型磁性多层膜

利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为2nm的Ta作为缓冲导电层1，厚度为10nm的IrMn第一反铁磁钉扎层81，厚度为5nm的CoFeB第一被钉扎磁性层91，厚度为1nm的Al₂O₃第一中间层31，厚度为1nm的Co软磁层4，厚度为1nm的Al₂O₃第二中间层32，厚度为5nm的CoFeB第二被钉扎磁性层92，厚度为10nm的IrMn第二反铁磁钉扎层82和厚度为4nm的Ru覆盖层5。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率；在沉积第一反铁磁钉扎层81、第二反铁磁钉扎层82、第一被钉扎磁性层91、第二被钉扎磁性层92和软磁层4时，施加150Oe平面诱导磁场。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的多边形闭合环对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成多边形闭合形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成正八边形闭合环状几何结构，正八边形环的内正八边形边长为500nm，外正八边形的边长为800nm。然后在此刻蚀成形的多边形闭合形状的磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层50nm厚的SiO₂绝缘层，将各多边形闭合环状多层膜进行掩埋并且相互隔离。采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到多边形闭合环状多层膜的几何中心位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，形成横截面为正八边形的孔洞，其中边长为200nm，之后利用聚焦离子束辅助沉积方法在孔洞位置沉积金属材料Au，形成一个横截面为正八边形的柱状的Au金属芯6，截面形状如前所述。然后采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多边形闭合环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的多边形闭合环状的磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为5nm的导电层Cu，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到正八边形闭合环状含金属芯的双中间层型磁性多层膜，其结构如图8-1-图8-2所示。

实施例33、

按实施例1所述的方法制备无钉扎型斜三边形闭合环状磁性多层膜，其各层依次为：厚度为20nm的Cr做为缓冲导电层1，厚度为3nm的Co₇₅Fe₂₅作为硬磁层2，厚度为3nm的Cu作为中间层3，厚度为5nm的NiFe作为软磁层4和厚度为4nm的Ta作为覆盖层5。，该三边形环状的内三边形边长分别为250nm、350nm、450nm，外三边形的边长相应分别为300nm、420nm、540nm。

实施例34

如图9A-C所示，磁性随机存取存储器存储单元阵列由大量的MRAM单元组合而成，在一个MRAM单元中，包括一个多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65、晶体管0、第一过渡金属层4b、接触孔(3a、3b)和一组布线，即位线4c、字线62以及地线4a。

该多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65中的磁性多层膜的结构为生长在第一过渡金属层4b上厚度为2nm的Au作为缓冲导电层1，厚度为5nm的CoFe作为硬磁层2，厚度为1nm的Cu中间层3，厚度为1nm的NiFe软磁层4和厚度为4nm的Ru覆盖层5、厚度为10nm的导电层Au。所述的多边形闭合环状几何结构中，正六边形环的内正六边形边长为50nm，外正六边形的边长为100nm，环宽度为43.3nm。

该正六边形闭合环状磁性多层膜存储单元65和晶体管0通过第一过渡金属层4b及接触孔3b相互连接。在布局上将位线4c布置在多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65的上方并且与正六边形闭合状磁性多层膜存储单元65直接相连。

如图9B所示，整个MRAM单元由若干层1a、1b、1c、1f构成，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质如SiO₂等所掩埋。在MRAM单元中金属布线层仅有两层，即位线4c和地线4a与第一过渡金属层4b，闭合状磁性多层膜存储单元65布置在位线4c下方并且其上部电极与位线4c直接连接；闭合状磁性多层膜存储单元65的下部电极通过过渡金属层4b、接触孔3b与晶体管0的漏极0b相连接。

在MRAM的读写操作中，根据背景技术中介绍过的自旋转力矩效应，当位线4c中的电流小于一个低临界值I_C1(相应电流密度J_C1＝10²A/cm²，电流＝电流密度×闭合状磁性多层膜截面积)时，位线4c中的电流不会改变闭合状磁性多层膜存储单元65的磁化状态，从而实现MRAM的读操作；而当位线4c中的电流大于这个低临界值I_C1而小于高临界值I_C2(相应电流密度J_C2＝10⁵A/cm²，电流＝电流密度×闭合状磁性多层膜截面积)时，位线4c中的电流的方向将会决定闭合状磁性多层膜存储单元65的比特层(或软磁层)的磁化状态，使得比特层(或软磁层)与被钉扎磁性层(或硬磁层)的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反(即磁化强度平行或反平行)，从而获得低电阻和高电阻两种状态(即获得高输出电压和低输出电压两种状态)，也就是通过控制电流的方向就可以实现MRAM的写操作。这就是本实施例的MRAM利用自旋转力矩效应方式的工作原理。

由此，以图9A、9B所示的单元为例，在MRAM的寻址读出操作中，首先由被选择的字线62给出一个适当的电平使晶体管0工作于导通状态，然后由被选择的位线4c导出一个量值小于低临界值I_C1的读出电流，则读出电流由位线4c经由闭合状磁性多层膜存储单元65、第一过渡金属层4b、接触孔3b、晶体管0的漏极0b、晶体管0的源极0a、接触孔3a而到达地线4a，从而获得闭合状磁性多层膜存储单元65比特层(或软磁层)当前的磁化状态，即MRAM单元中存储的数据；在MRAM的寻址写入操作中，首先由被选择的字线62给出一个适当的电平使晶体管0工作于导通状态，然后由被选择的位线4c导出一个量值大于低临界值I_C1而小于高临界值I_C2的写入电流，由于自旋转力矩效应的作用，多边形闭合状磁性多层膜存储单元65的磁化状态将由写入电流的方向所决定，因此当写入电流由位线4c经由闭合状磁性多层膜存储单元65、第一过渡金属层4b、接触孔3b、晶体管0的漏极0b、晶体管0的源极0a、接触孔3a到达地线4a后，多边形闭合状磁性多层膜存储单元65的比特层(软磁层)的磁化状态也随即由写入电流所写入，于是完成了MRAM单元中数据的写入。

实施例35

如图10A-C所示，磁性随机存取存储器存储单元阵列由大量的MRAM单元组合而成，在一个MRAM单元中，包括一个多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65、布置在多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65的几何中心的金属芯6、晶体管0、第一过渡金属层4b、接触孔3a、3b和一组布线，即第一位线4e、第二位线4d、字线62以及地线4a。多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65和晶体管0通过第一过渡金属层4b及接触孔3b相互连接。在布局上将位线第二位线4d布置在多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65的上方并且与该多边形闭合环状磁性多层膜存储单元直接相连，第一位线4e布置在第二位线4d的上方，且与第二位线4d平行，两者之间由绝缘层1e隔离。

该多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65中的磁性多层膜的结构为生长在第一过渡金属层4b上厚度为10nm的Cr缓冲导电层1，厚度为10nm的PtMn反铁磁钉扎层8，厚度为2nm的Ni₇₉Fe₂₁被钉扎磁性层9，厚度为0.8nm的TiO中间层3，厚度为1nm的Ni₇₉Fe₂₁软磁层4和厚度为2nm的Pt覆盖层5。所述的多边形闭合环状几何结构中，正八边形环的内正八边形边长为500nm，外正八边形的边长为600nm。布置在正八边形闭合状磁性多层膜存储单元65的几何中心的金属芯6为截面为正八边形的Au金属芯，边长为300nm。

如图10B所示，整个MRAM单元由若干层1a、1b、1c、1e、1f构成，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质如SiO₂等所掩埋。在MRAM单元中金属布线层仅有三层，即第一位线4e、第二位线4d和地线4a与第一过渡金属层4b，闭合状磁性多层膜存储单元65布置在第二位线4d上方并且其上部电极与第一位线4e直接连接；闭合状磁性多层膜存储单元65的下部电极通过第一过渡金属层4b、接触孔3b与晶体管0的漏极0b相连接；布置在闭合状磁性多层膜存储单元65的几何中心的金属芯6与顶部的第一位线4e和底部的第一过渡金属层4b直接连接。

由此，以图10A、10B所示的单元为例，在MRAM的寻址读出操作中，首先由被选择的字线62给出一个适当的电平使晶体管0工作于导通状态，然后由被选择的第二位线4d导出一个量值小于低临界值I_C1的读出电流(相应电流密度J_C1＝10²A/cm²，电流＝电流密度×闭合状磁性多层膜截面积)，则读出电流由第二位线经由闭合状磁性多层膜存储单元65、第一过渡金属层4b、接触孔3b、晶体管0的源极0b、晶体管0的漏极0a、接触孔3a而到达地线4a，从而获得闭合状磁性多层膜存储单元65比特层(或软磁层)当前的磁化状态，即MRAM单元中存储的数据；在MRAM的寻址写入操作中，首先由被选择的字线62给出一个适当的电平使晶体管0工作于导通状态，然后由被选择的第一位线4e导出一个量值大于低临界值I_C1而小于高临界值I_C2的写入电流(相应电流密度J_C2＝10⁵A/cm²，电流＝电流密度×金属芯截面积)，由于写入电流产生的磁场也呈环状分布，因而可以操控闭合状磁性多层膜存储单元65的比特层(软磁层)的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，使得比特层(软磁层)与被钉扎磁性层9的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反(即磁化强度平行或反平行)，从而获得低电阻和高电阻两种状态(即获得高输出电压和低输出电压两种状态)，也就是通过控制电流的方向就可以实现MRAM的写操作。当写入电流由第一位线4e经由金属芯6、第一过渡金属层4b、接触孔3b、晶体管0的源极0b、晶体管0的漏极0a、接触孔3a到达地线4a后，闭合状磁性多层膜存储单元65的比特层(软磁层)的磁化状态也随即由写入电流所写入，于是完成了MRAM单元中数据的写入。

实施例36

如图11A-C所示，磁性随机存取存储器存储单元阵列由大量的MRAM单元组合而成，在一个MRAM单元中，包括一个多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65、布置在多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65的几何中心的金属芯6、晶体管0、第一过渡金属层4b、地线4a、接触孔(3a、3b、3b2)和一组布线，即位线4c、第二字线63、第一字线67以及地线4a。多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65和晶体管0通过第一过渡金属层4b及接触孔3b相互连接。在布局上将位线4c布置在多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65的上方并且与多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65直接相连。

该多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65中的磁性多层膜的结构为在第二过渡金属层4f上依次沉积的厚度为2nm的Ta缓冲导电层1，厚度为5nm的IrMn反铁磁钉扎磁性层8，厚度为2nm的CoFeB被钉扎磁性层9，厚度为0.8nm的Al₂O₃中间层3，厚度为1nm的CoFeB软磁层4和厚度为2nm的Ta覆盖层5。所述的多边形为正十边形闭合环状几何结构，正十边形环的内正十边形边长为400nm，外正十边形的边长为700nm。布置在多边形闭合环状磁性多层膜存储单元65的几何中心的金属芯6为截面为正十边形的Au，边长为200nm。

如图11B所示，整个MRAM单元由若干层1a、1b、1c、1d、1f构成，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质如SiO₂等所掩埋。在MRAM单元中金属布线层仅有三层，即位线4c、第二过渡金属层4f、第一过渡金属层4b，多边形闭合状磁性多层膜存储单元65布置在位线4c下方并且其上部电极与位线4c直接连接；多边形闭合状磁性多层膜存储单元65的下部电极通过第一过渡金属层4b、接触孔3b、接触孔3d与晶体管0的第一漏极0b1相连接；布置在多边形闭合状磁性多层膜存储单元65的几何中心的金属芯6与顶部的位线4c和底部的第二过渡金属层4f直接连接；晶体管0由两个工作区组成，两个工作区共用同一个漏极0a1，第一晶体管和第二晶体管的源极分别为0b1和0b2，两个晶体管各自的工作状态分别由布置在栅极上方的第一字线67和第二字线63所给出的电平来控制。

由此，以图11A、11B所示的单元为例，在MRAM的寻址读出操作中，首先由被选择的第一字线67给出一个适当的电平使晶体管0的第一晶体管工作于导通状态，然后由被选择的位线4c导出一个量值小于低临界值I_C1的读出电流(相应电流密度J_C1＝10²A/cm²，电流＝电流密度×闭合状磁性多层膜截面积)，则读出电流由位线4c经由闭合状磁性多层膜存储单元65、第二过渡金属层4f、接触孔3b、第一过渡金属层4b、接触孔3b、晶体管0的第一源极0b1、晶体管0的公共漏极0a1、接触孔3a而到达地线4a，从而获得闭合状磁性多层膜存储单元65比特层(软磁层)当前的磁化状态，即MRAM单元中存储的数据；在MRAM的寻址写入操作中，首先由被选择的第二字线63给出一个适当的电平使晶体管0的第二晶体管工作于导通状态，然后由被选择的位线4c导出一个量值大于低临界值I_C1而小于高临界值I_C2的写入电流(相应电流密度J_C2＝10⁵A/cm²，电流＝电流密度×金属芯截面积)，由于写入电流产生的磁场也呈环状分布，因而可以操控闭合状磁性多层膜存储单元65的比特层(软磁层)的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，使得比特层(软磁层)与被钉扎磁性层9的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反(即磁化强度平行或反平行)，从而获得低电阻和高电阻两种状态(即获得高输出电压和低输出电压两种状态)，也就是通过控制电流的方向就可以实现MRAM的写操作。当写入电流由位线4c经由金属芯6、第一过渡金属层4b、接触孔3b2、晶体管0的第二源极0b2、晶体管0的公共漏极0a、接触孔3a到达地线4a后，闭合状磁性多层膜存储单元65的比特层(软磁层)的磁化状态也随即由写入电流所写入，于是完成了MRAM单元中数据的写入。

在上述实施例中利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等均可以。

Claims (20)

1.一种具有几何形状的磁性多层膜，包括沉积在衬底上的磁性多层膜单元的各层；其特征在于，所述的磁性多层膜单元的横截面呈闭合环状，该磁性多层膜单元中的具有铁磁性的薄膜层的磁矩或磁通量形成顺时针或逆时针的闭合状态。

2.按权利要求1所述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性多层膜单元的横截面呈N边形闭合环状；其中N为3或为3以上的正整数。

3.按权利要求1或2所述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于，所述的磁性多层膜单元的多边形闭合环的内边边长为10～100000nm，外边的边长为20～200000nm，闭合环的宽度在10～100000nm之间。

4.按权利要求1所述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于：所述的横截面呈多边形闭合环状的磁性多层膜为无钉扎型的磁性多层膜，包括缓冲导电层、硬磁层、中间层、软磁层及覆盖层；

所述的缓冲导电层由金属材料组成，厚度为2～200nm；

所述的硬磁层由巨磁电阻效应的材料组成，厚度为2～20nm；

所述的中间层由非磁性金属层或者绝缘体势垒层构成，中间层的厚度为0.5～10nm；

所述的软磁层的组成材料为自旋极化率高，矫顽力小的铁磁材料，所述的软磁层的厚度为1～20nm；

所述的覆盖层由不易被氧化的金属材料组成，厚度为2～20nm。

5.按权利要求4述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于：

所述的缓冲导电层的组成材料为Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu、Al或Si-Al合金；

所述的硬磁层的组成材料为Co，Fe，Ni，CoFe，NiFeCo，CoFeB或CoFeSiB；

所述的中间层的非磁性金属层为Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC；所述的中间层的绝缘体势垒层为Al₂O₃，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO；

所述的软磁层的组成材料为Co，Fe，Ni或它们的金属合金，该合金为NiFe，CoFeSiB或NiFeSiB，或非晶Co_100-x-yFe_xB_y，其中0＜x＜100，0＜y≤20，或Co₂MnSi，Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al；

所述的覆盖层的组成材料为Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr或其合金。

6.按权利要求1所述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于：所述的多边形闭合环状的磁性多层膜为钉扎型的磁性多层膜，包括缓冲导电层、反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层、中间层、软磁层及覆盖层；

所述的缓冲导电层由金属材料组成，该缓冲导电层厚度为2～200nm；

所述的反铁磁钉扎层由具有反铁磁性的合金组成，其厚度为3～30nm；

所述的被钉扎磁性层的组成材料为铁磁性金属，其厚度为2～20nm；

所述的中间层由非磁性金属层或者绝缘体势垒层构成，其厚度为0.5～10nm；

所述的软磁层的组成材料为自旋极化率高、矫顽力小的铁磁材料，厚度为1～20nm；

所述的覆盖层由不易被氧化的金属材料组成，厚度为2～20nm。

7.按权利要求6所述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于：

所述的缓冲导电层的组成材料为Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu、Al或Si-Al合金；

所述的反铁磁钉扎层的组成材料为IrMn，FeMn，PtMn，CrMn或Pt(Cr，Mn)合金；

所述的被钉扎磁性层的组成材料为Fe、Co、Ni或其合金；

所述的中间层的非磁性金属层为Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC；所述的中间层的绝缘体势垒层为Al₂O₃，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO；

所述的软磁层的组成材料为Co，Fe，Ni或它们的金属合金，或非晶Co_100-x-yFe_xB_y，其中，0＜x＜100，0＜y≤20，或NiFeSiB，或Heusler合金；

所述的覆盖层的组成材料为Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr或其合金。

8.按权利要求1所述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于：所述的多边形闭合环状的磁性多层膜为无钉扎双中间层磁性多层膜，依次为缓冲导电层、第一硬磁层、第一中间层、软磁层、第二中间层、第二硬磁层及覆盖层；

所述的缓冲导电层由金属材料组成，厚度为2～200nm；

所述的第一和第二硬磁层由巨磁电阻效应大的材料组成，厚度为2～20nm；

所述的第一和第二中间层由非磁性金属层或者绝缘体势垒层构成，中间层的厚度为0.5～10nm；

所述的软磁层的组成材料为自旋极化率高，矫顽力小的铁磁材料，所述的软磁层的厚度为1～20nm；

所述的覆盖层由不易被氧化的金属材料组成，厚度为2～20nm。

9.按权利要求8所述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于：

所述的缓冲导电层的组成材料为Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu、Al或Si-Al合金；

所述的第一和第二硬磁层的组成材料为Co，Fe，Ni，CoFe，NiFeCo，CoFeB或CoFeSiB；

所述的第一和第二中间层的非磁性金属层为Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC；所述的中间层的绝缘体势垒层为Al₂O₃，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO；

所述的软磁层的组成材料为Co，Fe，Ni或它们的金属合金NiFe，CoFeSiB，NiFeSiB，或非晶Co_100-x-yFe_xB_y，其中0＜x＜100，0＜y≤20，或Co₂MnSi，Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al；

所述的覆盖层的组成材料为Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr或其合金。

10.按权利要求1所述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于：所述的多边形闭合环状的磁性多层膜为钉扎型闭合环状的双中间层磁性多层膜，包括：缓冲导电层、第一反铁磁钉扎层、第一被钉扎磁性层、第一中间层、软磁层、第二中间层、第二被钉扎磁性层、第二反铁磁钉扎层及覆盖层；

所述的缓冲导电层由金属材料组成，厚度为2～200nm；

所述的第一和第二反铁磁钉扎层由具有反铁磁性的合金组成，厚度为3～30nm；

所述的第一和第二被钉扎磁性层的组成材料为具有高自旋极化率的铁磁性金属，厚度为2～20nm；

所述的第一和第二中间层由非磁性金属层或者绝缘体势垒层构成，中间层的厚度为0.5～10nm；

所述的软磁层的组成材料为自旋极化率高、矫顽力小的铁磁材料，厚度为1～20nm；

所述的覆盖层由不易被氧化的金属材料组成，厚度为2～20nm。

11.按权利要求10所述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于：

所述的缓冲导电层的组成材料为Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu、Al或Si-Al合金；

所述的第一和第二反铁磁钉扎层的组成材料为IrMn，FeMn，PtMn，CrMn或Pt(Cr，Mn)合金；

所述的第一和第二被钉扎磁性层的组成材料为Fe、Co、Ni或其合金；

所述的第一和第二中间层的非磁性金属层为Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC；所述的中间层的绝缘体势垒层为Al₂O₃，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO；

所述的软磁层的组成材料为Co，Fe，Ni或它们的金属合金，或非晶Co_100-x-yFe_xB_y，其中，0＜x＜100，0＜y≤20，或NiFeSiB，或Heusler合金；

所述的覆盖层的组成材料为Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr或其合金。

12.一种制备权利要求4、6、8、10所述的多边形闭合环状磁性多层膜的方法，包括如下的步骤：

1)选择一个衬底，采用常规微加工工艺的清洗方法清洗该衬底；

2)利用常规的薄膜生长手段，在上述衬底上依次沉积磁性多层膜的各层；在沉积具有铁磁性的薄膜层时，选择施加磁场强度50～5000 Oe的平面诱导磁场；

3)采用微加工工艺，将步骤2)得到的衬底上沉积了磁性多层膜的片基，进行微加工工艺加工成多边形闭合环状结构；

4)在步骤3)得到的刻蚀成形的多边形闭合形状的磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，沉积一层100～1000nm绝缘层，将各多边形闭合环状多层膜进行掩埋并且相互隔离不同的单元；

5)利用微加工工艺的紫外、深紫外曝光或电子束曝光方法，以及聚焦离子束刻蚀或者化学反应干刻或化学反应湿刻，在沉积有多边形闭合环状多层膜的位置上对绝缘层进行刻蚀使绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露，得到多边形闭合环状的磁性多层膜；

6)利用常规的薄膜生长手段制作上电极，在步骤5)得到的多边形闭合环状的磁性多层膜单元上沉积一层导电层，再利用常规的半导体微加工工艺，将导电层加工成电极，每个闭合环状结构引出四个电极，该导电层为Au、Ag、Pt、Cu、Al、SiAl金属或其它们的合金，其厚度为2～200nm；

所述的常规的薄膜生长工艺，包括磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等工艺。

所述的微加工工艺的具体步骤为：首先经过涂胶、前烘，再在在紫外、深紫外曝光或电子束曝光机上，根据所需的闭合状图形对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成闭合形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶。

13.按权利要求1、4、6、8、10所述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于，还包括一个金属芯，该金属芯设置在所述的磁性多层膜单元的多边形闭合环的几何中心位置，该金属芯的形状与闭合环状多边形磁性多层膜的形状相匹配，该金属芯的横截面相应地为N边形，其中N为大于等于三的整数；所述的N边形金属芯的各边长为5～50000nm。

14.按权利要求13所述的具有几何形状的磁性多层膜，其特征在于，所述的金属芯的材料包括Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu、Al或Si-Al合金。

15.一种制备权利要求13所述的包含金属芯的多边形闭合环状的磁性多层膜的方法，包括如下的步骤：

1)选择一个衬底，经过常规方法清洗之后，在常规的薄膜生长设备上沉积缓冲导电层，该缓冲导电层在后续加工时成为导电电极；

2)利用常规的薄膜生长手段，在缓冲导电层上依次沉积磁性多层膜的各层；在沉积磁性层时，选择施加磁场强度为50～5000 Oe的平面诱导磁场；

3)采用微加工工艺和方法将步骤2)中沉积了磁性多层膜的衬底加工成多边形闭合环状结构；

4)在步骤3)得到的刻蚀成形的多边形闭合环状的磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，沉积一层100～1000nm绝缘层将各闭合环状多层膜进行掩埋并且相互隔离不同的单元；

5)利用微加工工艺，在多边形闭合环状多层膜的几何中心位置制备一个金属芯，该金属芯的形状与多边形闭合状的磁性多层膜的形状相匹配，其横截面为多边形；

6)利用微加工工艺的紫外、深紫外曝光或电子束曝光方法，以及聚焦离子束刻蚀或者化学反应干刻或化学反应湿刻，在沉积有闭合环状多层膜的位置上对绝缘层进行刻蚀使绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露，得到本发明的包含金属芯的多边形闭合环状的磁性多层膜：

所述的微加工工艺的具体步骤为：首先经过涂胶、前烘，再在在紫外、深紫外曝光或电子束曝光机上，根据所需的多边形闭合环状图形对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成闭合环状，最后用去胶剂浸泡进行去胶；

16.一种权利要求1、4、6、8、10所述的磁性多层膜制作的磁性随机存取存储器，包括：

晶体管单元和磁性多层膜单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；

连接所述晶体管单元和所述磁性多层膜存储单元的过渡金属层；以及字线、位线和地线，所述的字线同时也是所述的晶体管的栅极，所述的位线布置在所述的磁性多层膜存储单元的上方，并与所述的字线相互垂直，而且与所述的磁性多层膜存储单元直接连接；其特征在于，所述的磁性多层膜单元的横截面呈多边形闭合环状，该多边形闭合环的内边边长为10～100000nm，外边的边长为20～200000nm，闭合环的宽度在10～100000nm之间。

17.一种应用权利要求13所述的磁性多层膜制作的磁性随机存取存储器，包括：

晶体管单元和磁性多层膜单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；

存储单元及其阵列；特征在于，所述存储单元的磁性多层膜单元的横截面呈多边形闭合环状，并在所述存储单元的磁性多层膜的几何中心位置设置一金属芯，该金属芯具有与所述存储单元的磁性多层膜单元相应的横截面形状；所述的多边形闭合环的内边边长为10～100000nm，外边的边长为20～200000nm，闭合环的宽度在10～100000nm之间；

连接晶体管单元和含金属芯的闭合状磁性多层膜存储单元的过渡金属层；以及字线和两条位线，所述的字线同时也是所述的晶体管的栅极，所述的两条位线布置在所述的含金属芯的闭合状磁性多层膜存储单元的上方，其中第一条位线与所述的字线相互垂直，并且与所述的含金属芯的闭合状磁性多层膜存储单元直接连接，第二条位线与所述的含金属芯的闭合状磁性多层膜存储单元中的金属芯直接相连，并且由一层绝缘层与第一条位线相互隔离。

18.一种应用权利要求13所述的包含金属芯的多边形闭合环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，包括：

第一晶体管单元、第二晶体管单元和磁性多层膜单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；第一晶体管开关控制读操作，第二晶体管开关控制写操作；第一晶体管的栅极也作为第一字线，第二晶体管的栅极也作为第二字线；

存储单元及其阵列；其特征在于：所述存储单元的磁性多层膜单元的横截面呈多边形闭合环状，并在所述存储单元的磁性多层膜的几何中心位置设置一金属芯，该金属芯具有与所述存储单元的磁性多层膜单元相应的横截面形状；所述的多边形闭合环的内边边长为10～100000nm，外边的边长为20～200000nm，闭合环的宽度在10～100000nm之间；

在第一晶体管和第二晶体管的共用漏极、第一晶体管的源极、第二晶体管的源极之上分别设置第一导电接触孔、第二导电接触孔、第三导电接触孔，并且分别与及其上的过渡金属层各自连接；第一接触孔之上的过渡金属层也同时构成所设置的地线；第四导电接触孔和第二过渡金属层相连；该第二过渡金属层作为底部传导电极与所述的闭合状含金属芯的磁性多层膜的下端相连，该闭合状含金属芯的磁性多层膜的上端设置位线并与之相连；所述的设置在闭合状含金属芯的磁性多层膜中心处的金属芯上端与位线接触，下端与第一过渡金属层连接；由绝缘层覆盖在位线上。

19.一种权利要求16所述的闭合状磁性多层膜的磁性随机存取存储器的存取存储的方法，其为通过流经存储单元中的电流的大小和方向来实现MRAM的读操作和写操作，具体如下：

通过控制流经闭合状磁性多层膜存储单元中的电流，当小于低临界值I_C1，其比特层磁化状态不会受到改变，实现MRAM的读操作，所述比特层为软磁层；

通过控制流经闭合状磁性多层膜存储单元中的电流，当大于低临界值I_C1并且小于高临界值I_C2时，电流的方向将会改变闭合状磁性多层膜存储单元比特层的磁化状态，通过正向和负向自旋极化隧穿电流的驱动作用和自旋转力矩的联合作用，实现其比特层的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，使得比特层与被钉扎磁性层或硬磁层的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反，获得高输出电压和低输出电压两种状态，实现MRAM写操作；

所述的低临界值I_C1＝电流密度J_C1×闭合状磁性多层膜截面积，电流密度J_C1＝10～10²A/cm²；

所述的高临界值I_C2＝电流密度J_C2×闭合状磁性多层膜截面积，电流密度J_C2＝10²～10⁶A/cm²。

20.一种权利要求17所述的多边形闭合环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器的存取存储的方法，其为通过对存储单元中的金属芯施加的电流来实现MRAM的写操作，通过对存储单元RML中的闭合状磁性多层膜施加的隧穿电流来实现MRAM的读操作，具体如下：

通过控制流经闭合状含金属芯的磁性多层膜存储单元的电流小于低临界值I_C1时，其比特层的磁化状态不会受到改变，实现MRAM的读操作；

通过控制流经闭合状含金属芯磁性多层膜存储单元中的金属芯中的电流，由于电流产生的磁场呈环状分布，控制闭合状磁性多层膜的磁化状态，实现MRAM的写操作，具体方法为：当闭合状含金属芯磁性多层膜存储单元中的金属芯中施加电流大于低临界值I_C1并且小于高临界值I_C2时，电流的方向将会改变闭合状磁性多层膜存储单元比特层的磁化状态，通过正向和负向的驱动电流产生顺时针或逆时针方向的磁场，实现其比特层的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，获得低电阻和高电阻两种状态，实现MRAM的写操作。

Images