[发明专利]一种霍尔自旋天平材料及元器件

说明书

技术领域

本发明涉及磁性功能薄膜和以磁性多层膜材料为基础的新型材料及其元器件。

 

背景技术

当前的半导体工业处于“新旧”交替并存的阶段。互补型金属氧化物半导体器件（CMOS）是一种以电子的电荷属性为信息载体（二进制）的用若干场效应晶体管构成的元件；以CMOS为基础的逻辑存储模式（例如，动态随机存储器DRAM）和逻辑运算模式(例如，MOSFET逻辑门)在大型集成电路中仍然占据着主导地位。但是，在集成电路长远规划（2019-2026）的蓝图中，高集成密度（3D存储模式）、低能耗、和高运算效率的电路模式将占据最高的优先级并成为产业化和商业化的首选。

近期，非易失型存储器（nonvolatile memory, NVM），即数据像硬盘一样不随断电而转瞬即逝的研究取得了巨大的进展。NVM可以大致分为两类，第一类是最早出现的以电子电荷为基础的非易失型存储器（charge-based nonvolatile memory）。例如：闪存（flash）-执行数据存储的NAND flash和执行代码存储的NOR flash，目前已经成功的投产并成为NVM在市场上的主要商品。第二类是新生的以其他物理状态为基础的非易失型存储器件(non-charge-based nonvolatile memory)，包括磁随机存储器(magnetic RAM, MRAM)，铁电存储器(ferroelectric RAM, FeRAM)，相变存储器(phase-change RAM, PCRAM)，和阻变存储器(resistance-change RAM, RRAM)等。

在所有NVM之中，MRAM是最有望实现“统一存储器”（即存储器将硬盘和内存统一）的模式，继而在近几年成为各大信息产业公司（例如，Advanced Micro Devices Inc., Freescale Semiconductor Inc., IBM Corporation等）重点关注和投资研究的对象。MRAM是以磁性隧道结（MTJ）为基元的阵列，每一个MTJ承载一个比特的二进制信息。二进制的信息（1或0）被编译成为MTJ中两个磁性层（约几纳米厚）的排列状态(平行或反平行)，分别对应于隧穿电流的高/低状态（即MTJ中隧穿电阻的低/高态）。读数据时则采用测量MTJ的磁电阻值的方式；写数据可以采用外加电流产生的磁场来翻转自由层的磁化方向，即传统的MRAM原理。近年来发展的写数据可以采用外加自旋极化电流、利用自旋转移矩效应来翻转其中一层的磁化方向从而改变两磁性层的排列状态，即自旋转移矩MRAM（STT-MRAM）。虽然MRAM预计将会在2015-2016年试投产，但是对于其单独的元件MTJ而言，依然有无法克服的困难，将阻碍其在2020年后更长远的发展。首先，MTJ不得不面对室温下平均仅约200%的磁电阻比值(MR)，使得其读数据效率较低。其次，由于MTJ需要电流垂直流入元件，无法实现3D的阵列，大大降低了其集成密度的可发展性。第三，MTJ的性能强烈的依赖于用于隔离两铁磁层材料的绝缘层质量(早先用的是非晶的Al₂O₃薄膜、近期开始使用具有(001)取向的MgO薄膜），因此其材料的制备条件要求很高、造价昂贵且效率较低。此外，磁性隧道结的微加工工艺复杂，包括精细紫外曝光和刻蚀条件，使得MTJ的生产成本很高。第四，为了实现32 纳米（理论上证明为目前MRAM的尺寸极限）甚至更低的尺寸，磁垂直各向异性，热稳定性和噪音的控制都要求有质的飞跃。第五，MRAM有望成为“逻辑植入型存储器”（即在存储器中实现逻辑运算），但是MTJ仅有两种物理状态（磁电阻高和低），无法高效率地实现复杂逻辑的运算。纵观其他的NVM (flash, FeRAM, PCRAM，RRAM)，没有任何器件能够同时包容MRAM的优点并解决上述所有的问题。因此，寻求新的MRAM基元的材料和元件，或者采用新的物理机制来实现MRAM功能，并能够在未来5到10年内产业化的解决方案成为当前的重要问题。

 

发明内容

本发明的目的在于提出一种磁性功能薄膜和以磁性多层膜材料为基础的新型材料，并以Hall1 bar的形式制成元件。此发明保留了MTJ的优点，以低成本实现NVM，并具有与晶体管媲美的状态变化比率，能够实现3D存储阵列，且具有复杂逻辑处理的能力。解决了NVM现存的主要问题。