CN112563411A - 一种磁性隧道结及其制造方法、存储单元 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种磁性隧道结及其制造方法、存储单元，磁性隧道结可以包括纵向依次层叠的第一电极层、固定磁性层、隧穿绝缘层、自由磁性层、第二电极层，第一固定磁性层可以具有固定的磁化方向，第二电极层可以通过第一方向的横向电流，自由磁性层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，则自由磁性层的最大尺寸在第一方向上有投影，从而在垂直第一方向上有退磁场，从结构上实现了自由磁性层的磁矩定向翻转，无需外设磁场，因此能够提高器件集成度。
Description
技术领域
本申请涉及半导体器件及其制造领域，特别涉及一种磁性隧道结及其制造方法、存储单元。
背景技术
磁阻式随机存取内存(Magnetic Random Access Memory，MRAM)是一种新型的非挥发性的磁性随机存储器，它具有非易失性、无限的读/写耐久性、快速访问时间、低工作电压等特点，拥有静态随机存储器(Static Random Access Memory，SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)的高集成度，且与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)兼容性好，因此逐步得到了广泛关注。
MRAM器件可以利用磁性极化方向改变来存储信息，其基本存储单元包括磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)，磁性隧道结可以包括固定磁性层、位于固定磁性层上的隧穿绝缘层以及位于隧穿绝缘层上的自由磁性层，其中，固定磁性层的磁性不变，自由磁性层的磁性随写入电流而改变，当固定磁性层和自由磁性层的磁化方向一致时，磁性隧道结的电阻最小，当第一磁性层和第二磁性层的磁化方向相差180度时，磁性隧道结的电阻最大，因此可以通过电路设计从而判断数据为0或者1。
然而，目前的MRAM器件中的自由磁性层中通入电流后，由于自旋轨道耦合(Spin-Orbit Torque，SOT)可以产生自旋流，诱导铁磁提磁矩翻转，但是磁矩在电流作用下翻转方向是随机的，需要外加磁场实现磁矩定向翻转，但是外加磁场不利于器件的集成。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种磁性隧道结及其制造方法、存储单元，保证磁性隧道结的自由磁性层的磁矩定向翻转的同时，提高器件集成度。
为实现上述目的，本申请有如下技术方案：
本申请实施例提供了一种磁性隧道结，包括：
纵向依次层叠的第一电极层、固定磁性层、隧穿绝缘层、自由磁性层、第二电极层；
所述固定磁性层具有固定的磁化方向，所述第二电极层用于通过第一方向的横向电流，所述自由磁性层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。
可选的，所述固定磁性层具有垂直磁各向异性能。
可选的，所述自由磁性层的形状为椭圆或多边形。
可选的，所述固定磁性层包括钉扎层和参考层，所述钉扎层位于所述第一电极层和所述参考层之间，所述参考层和所述钉扎层之间具有铁磁耦合。
可选的，所述参考层和所述自由磁性层的材料各自为钴铁硼、钴硼、铁硼、钴铁中的一种。
可选的，所述第一电极层和所述第二电极层各自为钽或铂。
可选的，所述固定磁性层和所述第一电极层之间具有保护层，所述保护层材料为钽和钌的至少一种。
可选的，所述隧穿绝缘层为以下材料的至少一种：氧化镁、氧化镁镓、氧化镁钆、氧化钛、氧化钽、氧化铝、氧化镁钛、氧化锶、氧化钡、氧化镭、氧化铪。
本申请实施例还提供了一种磁性隧道结的制造方法，包括：
依次形成纵向层叠的第二电极层、自由磁性层、隧穿绝缘层、固定磁性层；所述固定磁性层具有固定的磁化方向，所述第二电极层用于通过第一方向的横向电流；
对所述固定磁性层、所述隧穿绝缘层、所述自由磁性层进行刻蚀，以使刻蚀后的所述自由磁性层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；
在所述固定磁性层上形成第一电极层。
可选的，所述固定磁性层具有垂直磁各向异性能。
可选的，所述自由磁性层的形状为椭圆或多边形。
可选的，所述固定磁性层包括钉扎层和参考层，所述钉扎层位于所述第一电极层和所述参考层之间，所述参考层和所述钉扎层之间具有铁磁耦合。
可选的，所述参考层和所述自由磁性层的材料各自为钴铁硼、钴硼、铁硼、钴铁中的一种。
可选的，所述第一电极层和所述第二电极层各自为钽或铂。
可选的，所述方法还包括：
在所述固定磁性层和所述第一电极层之间形成保护层，所述保护层材料为钽和钌的至少一种。
可选的，所述隧穿绝缘层为以下材料的至少一种：氧化镁、氧化镁镓、氧化镁钆、氧化钛、氧化钽、氧化铝、氧化镁钛、氧化锶、氧化钡、氧化镭、氧化铪。
本申请实施例还提供了一种存储单元，包括：晶体管，以及和所述晶体管电连接的磁性隧道结。
本申请实施例提供了一种磁性隧道结及其制造方法、存储单元，磁性隧道结可以包括纵向依次层叠的第一电极层、固定磁性层、隧穿绝缘层、自由磁性层、第二电极层，第一固定磁性层可以具有固定的磁化方向，第二电极层可以通过第一方向的横向电流，自由磁性层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，则自由磁性层的最大尺寸在第一方向有投影，从而在垂直第一方向上的退磁场较大，翻转过程中磁矩易于在第一方向上有分量，从结构上实现了自由磁性层的磁矩定向翻转，无需外设磁场，因此能够提高器件集成度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例提供的一种磁性隧道结的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种磁性隧道结的制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本申请结合示意图进行详细描述，在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
正如背景技术中的描述，目前的MRAM器件中的自由磁性层中通入电流后，由于自旋轨道耦合(Spin-Orbit Torque，SOT)可以产生自旋流，诱导铁磁提磁矩翻转，但是磁矩在电流作用下翻转方向是随机的，需要外加磁场实现磁矩定向翻转，但是外加磁场不利于器件的集成。
基于以上技术问题，本申请实施例提供了一种磁性隧道结及其制造方法、存储单元，磁性隧道结可以包括纵向依次层叠的第一电极层、固定磁性层、隧穿绝缘层、自由磁性层、第二电极层，第一固定磁性层可以具有固定的磁化方向，第二电极层可以通过第一方向的横向电流，自由磁性层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，则自由磁性层的最大尺寸在第一方向有投影，从而在垂直第一方向上的退磁场较大，翻转过程中磁矩易停留在第一方向上，从结构上实现了自由磁性层的磁矩定向翻转，无需外设磁场，因此能够提高器件集成度。
为了更好的理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。
参考图1所示，为本申请实施例提供的一种磁性隧道结的结构示意图，磁性隧道结可以包括纵向依次层叠的第一电极层108、固定磁性层104/105、隧穿绝缘层103、自由磁性层102、第二电极层101。
其中，第一电极层108和第二电极层101可以分别与半导体器件连接，从而利用半导体器件使第一电极层108和第二电极层101被施加电压，以形成通过磁性隧道结的写入电流、读取电流等，半导体器件可以为晶体管。第一电极层108和第二电极层101具有导电功能，可以为重金属，也可以是拓扑绝缘体，也可以为其他导体材料，例如可以为钽(Ta)、铂(Pt)等。第一电极层108和第二电极层101的材料可以一致，也可以不一致。第二电极层101中可以通过横向的写入电流，在一些场景中，该横向电流可以改变自由磁性层102的磁矩方向，将第二电极层101中的横向电流的方向定义为第一方向。
第一电极层108和第二电极层101中的一个为位于底部的底电极，另一个为位于顶部的顶电极。举例来说，第二电极层101可以作为底电极，第二电极层101可以设置在衬底100上，衬底100可以为半导体衬底，例如硅衬底或锗衬底等。
固定磁性层104/105具有固定的磁化方向，具体的，可以其磁化方向可以具有纵向的分量。例如固定磁性层104/105可以具有垂直磁各向异性能(perpendicular magneticanisotropy，PMA)，磁化方向垂直于膜面，例如固定磁性层104/105为纵向堆叠而水平延伸的薄膜时，其磁化方向垂直固定磁性层104/105的表面，可以为竖直向上或竖直向下。
本申请实施例中，固定磁性层104/105可以包括钉扎层和参考层，其中，钉扎层用于固定参考层的磁化方向，使参考层具有固定的磁化方向，从而使固定磁性层104/105具有固定的磁化方向，参考层与钉扎层之间有较强的铁磁耦合，因此在电流写入的时候参考层的磁化方向不翻转。钉扎层可以位于第一电极层108和参考层之间。
作为一种可能的实施方式，钉扎层可以为人工反铁磁结构，这种结构可以降低钉扎层产生的杂散场。具体的，钉扎层可以包括因此层叠的第一磁性层、非磁性层和第二磁性层，第一磁性层和第二磁性层具有反铁磁耦合。在固定磁性层104/105具有垂直磁各向异性能时，第一磁性层和第二磁性层也可以具有垂直自身膜层表面的磁化方向。具体的，第一磁性层和第二磁性层为以下材料的至少一种：钴铂(Co/Pt)多层膜、钴钯(Co/Pd)多层膜、钴镍(Co/Ni)多层膜、铁铂(FePt)、钴铂(CoPt)、铁钯(FePd)、铁钯硼(FePdB)、钴钯(CoPd)、铂锰(PtMn)、钯锰(PdMn)、铁锰(FeMn)、钴铁硼(CoFeB)、铁硼(FeB)、钴铁(CoFe)、钴硼(CoB)等；非磁性层的材料为以下材料的至少一种：铱(Ir)、钌(Ru)、铜(Cu)、铬(Cr)等。
参考层的磁化方向被钉扎层固定，因此可以具有固定的磁化方向，例如参考层可以具有垂直磁各向异性能，其磁化方向可以为垂直参考层表面纵向向上或垂直参考层表面纵向向下。参考层可以为钴铁硼(CoFeB)、铁硼(FeB)、钴铁(CoFe)或钴硼(CoB)等。
隧穿绝缘层103形成于固定磁性层104/105和自由磁性层102之间，呈现为高阻态，是磁性隧道结中的电阻的主要来源，位于隧穿绝缘层103两侧的固定磁性层104/105和自由磁性层102之间不存在电磁耦合，隧穿绝缘层103可以使器件具有较高的隧穿磁电阻(tunneling magnetoresistance，TMR)。隧穿绝缘层103可以为单层膜，也可以为多层膜组成，其材料可以为以下材料的至少一种：氧化镁(MgO)、氧化镁镓(MgGaO)、氧化镁钆(MgGdO)、氧化钛(TiOx)、氧化钽(TaOx)、氧化铝(AlOx)、氧化镁钛(MgTiOx)、氧化锶(SrO)、氧化钡(BaO)、氧化镭(RaO)、氧化铪(HfOx)等。
自由磁性层102是能够随着写入电流改变其磁化方向的膜层，且在固定磁性层104/105具有垂直磁各向异性能时，自由磁性层102也可以具有垂直磁各向异性能，自由磁性层102在水平方向延伸时，其磁化方向可以为竖直向上或竖直向下。在自由磁性层102与固定磁性层104/105的磁化方向一致时，磁性隧道结的电阻最小，在自由磁性层102与固定磁性层104/105的磁化方向相差180度时，磁性隧道结的电阻最大。举例来说，在固定磁性层104/105的磁化方向为向上时，若自由磁性层102的磁化方向也为向上，则磁性隧道结的电阻最小，若自由磁性层102的磁化方向为向下，则磁性隧道结的电阻最大。自由磁性层102和参考层的材料可以一致，也可以不一致，自由磁性层102可以为钴铁硼(CoFeB)、铁硼(FeB)、钴铁(CoFe)或钴硼(CoB)等。
为了使自由磁性层102具有垂直磁各向异性能，可以令自由磁性层102表面在第二方向上具有最大尺寸，而其他方向的尺寸均小于该方向的尺寸，例如自由磁性层102可以为椭圆或多边形，其中第二方向可以为椭圆的长轴方向，或多边形的较长的长边方向，多边形可以为矩形或三角形等。
同时，令第一方向和第二方向不垂直，即二者的夹角可以大于或等于0，且小于90°，自由磁性层102的最大尺寸在第一方向有投影，从而在垂直第一方向上产生退磁场，这里垂直第一方向的方向可以包括与第一方向在同一平面内的方向，也可以包括与第一方向在不同平面内的方向。在翻转过程中磁矩易于在第一方向上有分量，改变了第一方向和第一方向的垂直方向之间的对称性，实现自由磁性层的磁矩定向翻转。
参考图1所示，自由磁性层的形状为矩形，且长边沿第二方向，短边沿第二方向的垂直方向，实际上，第二方向和箭头所指的第一方向相同，第一方向与第二方向之间的夹角为零。这是因为在第一方向边长较长，则在垂直第一方向上的退磁场大，在翻转过程中磁矩易于在第一方向上有分量，则改变了对称性，所以实现磁矩的定向翻转。
在固定磁性层104/105和第一电极层108之间，还可以形成保护层107，保护层107可以保护固定磁性层104/105的材料不被氧化，其材料可以为钽(Ta)和钌(Ru)的至少一种。
本申请实施例提供了一种磁性隧道结，磁性隧道结可以包括纵向依次层叠的第一电极层、固定磁性层、隧穿绝缘层、自由磁性层、第二电极层，第一固定磁性层可以具有固定的磁化方向，第二电极层可以通过第一方向的横向电流，自由磁性层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，则自由磁性层的最大尺寸在第一方向有投影，从而在垂直第一方向上的退磁场较大，翻转过程中磁矩易于在第一方向上有分量，从结构上实现了自由磁性层的磁矩定向翻转，无需外设磁场，因此能够提高器件集成度。
基于以上的磁性隧道结，本申请实施例还提供了一种磁性隧道结的制造方法，参考图2所示，为本申请实施例提供的一种磁性隧道结的制造方法的流程图，该方法可以包括：
S101，依次形成纵向层叠的第二电极层101、自由磁性层102、隧穿绝缘层103、固定磁性层104/105。
其中固定磁性层104/105具有固定的磁化方向，具体的，固定磁性层104/105可以具有垂直磁各向异性能。固定磁性层可以包括钉扎层和参考层，钉扎层位于第一电极层和所述参考层之间，参考层和钉扎层之间具有铁磁耦合。参考层的材料可以为钴铁硼、钴硼、铁硼、钴铁中的一种。
隧穿绝缘层103形成于固定磁性层104/105和自由磁性层102之间，呈现为高阻态，是磁性隧道结中的电阻的主要来源。自由磁性层102是能够随着写入电流改变其磁化方向的膜层，自由磁性层的材料各自为钴铁硼、钴硼、铁硼、钴铁中的一种。第二电极层101用于通过第一方向的横向电流，该横向电流可以作为磁性隧道结的写入电流。第二电极层各自为钽或铂。第二电极层101的形成方式可以为物理气相沉积等薄膜生长工艺。
第二电极层101、自由磁性层102、隧穿绝缘层103、固定磁性层104/105可以形成于衬底100上，且各个膜层可以和衬底100的形状相同。
S102，对固定磁性层104/105、隧穿绝缘层103、自由磁性层102进行刻蚀，以使刻蚀后的自由磁性层102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。
由于第一方向和第二方向不垂直，自由磁性层102表面在第二方向上的最大尺寸在第一方向有投影，从而在垂直第一方向上产生退磁场，在翻转过程中磁矩易于在第一方向上有分量，改变了第一方向和第一方向的垂直方向之间的对称性，从结构上实现了自由磁性层102的磁矩定向翻转，无需外设磁场。刻蚀过程可以以第二电极层101为刻蚀停止层，固定磁性层104/105、隧穿绝缘层103、自由磁性层102的形状一致，具体的，可以采用紫外曝光或电子束曝光等方式形成第二电极层101的形状。具体的，自由磁性层102的形状可以为椭圆或多边形。
本申请实施例中，还可以在固定磁性层104/105上形成保护层106，则对固定磁性层104/105、隧穿绝缘层103、自由磁性层102进行刻蚀，可以对保护层106一并进行刻蚀。
S103，在固定磁性层104/105上形成第一电极层108。
第一电极层108的形成方式可以为物理气相沉积等薄膜生长工艺。在固定磁性层104/105上形成有保护层106，第一电极层108可以形成于保护层106上，从而在固定磁性层和第一电极层之间形成保护层107，保护层材料为钽和钌的至少一种。第一电极层和所述第二电极层各自为钽或铂。
此外，本申请实施例还提供了一种存储单元，该存储单元可以包括：晶体管，以及和晶体管连接的磁性隧道结。晶体管可以输出对磁性隧道结的控制信号。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于结构实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见结构实施例的部分说明即可。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，虽然本申请已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括：
纵向依次层叠的第一电极层、固定磁性层、隧穿绝缘层、自由磁性层、第二电极层；
所述固定磁性层具有固定的磁化方向，所述第二电极层用于通过第一方向的横向电流，所述自由磁性层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。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述固定磁性层具有垂直磁各向异性能。
3.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述自由磁性层的形状为椭圆或多边形。
4.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述固定磁性层包括钉扎层和参考层，所述钉扎层位于所述第一电极层和所述参考层之间，所述参考层和所述钉扎层之间具有铁磁耦合。
5.根据权利要求4所述的磁性隧道结，其特征在于，所述参考层和所述自由磁性层的材料各自为钴铁硼、钴硼、铁硼、钴铁中的一种。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层各自为钽或铂。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述固定磁性层和所述第一电极层之间具有保护层，所述保护层材料为钽和钌的至少一种。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述隧穿绝缘层为以下材料的至少一种：氧化镁、氧化镁镓、氧化镁钆、氧化钛、氧化钽、氧化铝、氧化镁钛、氧化锶、氧化钡、氧化镭、氧化铪。
9.一种磁性隧道结的制造方法，其特征在于，包括：
依次形成纵向层叠的第二电极层、自由磁性层、隧穿绝缘层、固定磁性层；所述固定磁性层具有固定的磁化方向，所述第二电极层用于通过第一方向的横向电流；
对所述固定磁性层、所述隧穿绝缘层、所述自由磁性层进行刻蚀，以使刻蚀后的所述自由磁性层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；
在所述固定磁性层上形成第一电极层。
10.一种存储单元，其特征在于，包括：晶体管，以及和所述晶体管电连接的、如权利要求1-8任意一项所述的磁性隧道结。
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- 2020-11-19 CN CN202011301738.3A patent/CN112563411B/zh active Active
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