[发明专利]一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件及制造方法

权利要求书

1.一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件，其特征在于：它是形成复数个磁隧道结MTJ层叠，各个MTJ由参考层、势垒层和自由层组成；其中，参考层的磁化方向固定或通过连接钉扎层固定，自由层的磁化方向通过注入自旋极化电流在两种状态之间转换；当参考层与自由层的磁化方向平行时，MTJ呈现低电阻状态，存储数据“0”；反平行时则呈现高电阻状态，存储数据“1”；复数个MTJ通过金属隔离层串联，金属感应线设置在上述MTJ结构周围，适当调整位置，从而在各个MTJ处产生不同辅助磁场，影响其磁化方向翻转所需要的转换电流；通过施加不同方向、大小的电流与磁场，分别将各个MTJ切换至所需电阻状态，进而利用器件不同的总电阻状态存储多位数据；

在该磁存储器件中，自由层包括铁磁材料钴铁硼CoFeB、钴铁CoFe、钌Ru、钴Co、钴/铂Co/Pt或钴/钯Co/Pd，势垒层选自、但不限于金属氧化物材料氧化镁MgO、氧化铝Al₂O₃，参考层包括铁磁材料钴铁硼CoFeB、钴铁CoFe、钌Ru、钴Co、钴/铂Co/Pt或钴/钯Co/Pd；

其中，参考层的磁化方向需要通过钉扎层固定，构成钉扎层的材料包括铂锰PtMn、铱锰IrMn、Co/Pt或Co/Pd；磁存储器件上、下通过顶电极、底电极与外围电路相连，顶电极、底电极使用非磁性金属材料钽Ta、钌Ru、铂Pt或铝Al；金属感应线位于磁存储器件上、下或一侧的绝缘层中，绝缘层使用二氧化硅SiO₂或氮化硅SiN；一条金属感应线由两个或多个磁存储器件共用，作用模式方面，固定辅助磁场，通过调整写电流完成数据存储；也能将写电流固定，利用不同辅助磁场写入相应数据；

各个MTJ基于垂直磁各向异性，也能基于面内磁各向异性，即最广泛的理解为包括两种磁各向异性的多种组合形式；所对应的MTJ截面形状选自、但不限于圆形、椭圆形及长方形，MTJ截面尺寸为纳米级。

2.一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件的制造方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：基于传统半导体前端工艺形成绝缘层(500)及底部电接触(502)，使用化学机械平坦化工艺将绝缘层(500)及底部电接触(502)平坦化后，在上方通过磁控溅射工艺沉积包含MTJ1、MTJ2的金属多层膜结构；

步骤二：通过超高磁场真空退火固定参考层(510)的磁化方向；

步骤三：掩膜(522)利用化学气相沉积、电子束光刻及反应离子束刻蚀方式获得；通过掩模(522)刻蚀金属多层膜结构至自由层(106)结束，形成器件(100)中MTJ1、MTJ2形态，底电极(504)被保留，该步骤使用反应离子束刻蚀、感应耦合离子体刻蚀或离子束刻蚀；

步骤四：绝缘层(524)通过化学气相沉积被沉积在上述步骤形成的结构上方；

步骤五：利用电子束光刻EBL形成图案化的掩模(526a)、(536b)，分别用于刻蚀金属金属感应线(120)及底电极(102)；

步骤六：绝缘层(528)通过化学气相沉积被沉积在上述步骤形成的结构上方，用于器件(100)的隔离与保护；

步骤七：利用大马士革在绝缘层(528)上方形成与顶电极(118)连通的顶部电接触(530)，使器件(100)与外围电路相连；该步骤涉及紫外光刻、反应离子束刻蚀、电子束蒸镀及化学机械平坦化方式。