[发明专利]一种磁隧道结、其制造方法及含磁隧道结的存储单元

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别是涉及一种磁隧道结、其制造方法及含磁隧道结的存储单元。

背景技术

近年来，随着半导体技术的发展，要求半导体器件向轻、薄、短小化发展，同时也意味着半导体器件向高速、高集成度、低功率消耗方向发展。因此要对半导体器件的结构进行改进以适应现代化技术的发展需求。磁阻内存（Magnetic Random Access Memory,MRAM）由于具有高速、低电压、高密度、非易失性等优点，成为市场关注的存储器之一。

MRAM是通过施加磁场，将信息存储到磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction,MTJ）结构中，并通过测量通过MTJ的电流读取信息的技术。具体地，所述MTJ由两铁磁层以及位于所述两铁磁层之间的金属氧化层构成。在公告号为CN1402254C的中国专利中就公开了一种用于存储装置的MTJ结构。

随着MTJ技术的发展，本领域出现了一种纳米环形的磁隧道结（Nano-ring-type Magnetic Tunnel Junction,NR-MTJ）结构，NR-MTJ具有减小磁噪音和增加存储容量等优点。结合参考图1和参考图2，分别示出了现有技术中纳米环形磁隧道结的立体示意图和俯视示意图，所述纳米环形磁隧道结为一多层膜结构，具体地，由下及上依次包括第一铁磁层101、金属氧化层102、第二铁磁层103，所述多层膜结构还包括贯穿所述第一铁磁层101、金属氧化层102、第二铁磁层103的贯穿孔，所述贯穿孔中填充有圆柱状的介质层，所述第一铁磁层101、金属氧化层102、第二铁磁层103均为圆环形，所述纳米环形磁隧道结的各层的径向尺寸均在纳米量级（例如25nm）的范围内。专利CN200710094480.2亦揭示了一种环形磁隧道结及其制造方法。

在对上述横剖面为环形（内圆外圆）的磁隧道结进行电流写入时，希望的磁场翻转方向如图3A所示，但是自旋转移力矩(STT)效应会使得环形磁隧道结的状态有时不稳定，可能自动翻转到图3B-3D中所示的不希望的方向，此时对磁隧道结施加电流时磁场翻转方向会偏离正常状态，而且磁场翻转亦会不受控制，如图4A示出了横剖面为环形的磁隧道结的磁场与磁阻曲线图。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种贯穿孔为椭圆柱体的纳米环形磁隧道结、其制造方法及含磁隧道结的存储单元，用于解决现有技术中环形磁隧道结状态不稳定的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种纳米环形磁隧道结，其特征在于，所述纳米环形磁隧道结至少包括：

隧穿氧化层，所述隧穿氧化层材料为金属氧化物；

上磁性层，设置于所述隧穿氧化层的上部；

下磁性层，设置于所述隧穿氧化层的下部，其中，所述上磁性层、所述隧穿氧化层和所述下磁性层的外围形成为一柱体；

椭圆柱形贯穿孔，竖向贯穿所述上磁性层、所述隧穿氧化层和所述下磁性层。

优选地，所述柱体的几何轴线与所述椭圆柱形贯穿孔的几何轴线重合。

优选地，所述椭圆柱形贯穿孔中填充有介质层。

优选地，所述柱体为圆柱体或椭圆柱体。

优选地，所述柱体为圆柱体，所述圆柱体的直径范围为100～300纳米，所述椭圆柱形贯穿孔的长轴范围为50～200纳米，短轴范围为25～100纳米。

优选地，所述椭圆柱形贯穿孔的长轴与短轴之比A:B满足1:1＜A:B≤1:2。

优选地，所述磁隧道结还包括上电极和下电极，其中，上电极与上磁性层电连接，下电极与下磁性层电连接。

相应地，本发明还提供了一种纳米环形磁隧道结的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在下电极上形成自下向上依次包括下磁性层、隧穿氧化层和上磁性层的磁隧道结；

在所述磁隧道结上方形成具有圆柱形开口的第一阻挡层；

在所述圆柱形开口中沉积第一介质层且研磨平；

在所述第一介质层上方形成第二阻挡层；蚀刻所述第二阻挡层，直至贯穿所述第一介质层，形成椭圆柱形贯穿孔；

修整所述第一介质层，使所述第一介质层形成圆柱形外周，其中，所述圆柱形开口的直径与所述圆柱形外周的直径相同；

以所述第一介质层为掩膜蚀刻所述磁隧道结，直至形成外圆内椭圆的环形柱体；

在所述环形柱体中沉积第二介质层，在所述第二介质层上形成覆盖于所述磁隧道结上的上电极。

优选地，在所述磁隧道结上方形成具有圆柱形开口的第一阻挡层包括：

在所述磁隧道结上方形成第一阻挡层；