[发明专利]基于二维自由磁层的磁性隧穿结器件及其制作方法

说明书

本发明提供一种基于二维自由磁层的磁性隧穿结器件及其制作方法，该器件包括：第一金属连接层，形成于一CMOS电路基底上，且与MOS管的漏极连接；第一金属过渡层；固定磁层；隧穿层；自由磁层，所述自由磁层为二维铁磁材料层；第二金属过渡层；第二金属连接层。本发明在制作完隧穿层之后，采用原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺或薄膜剥离‑转移工艺制作自由磁层，相比于溅射工艺来说，可以避免隧穿层不被溅射粒子损伤，提高隧穿层的质量。本发明的自由磁层为二维铁磁材料层，其厚度较薄，一方面可以提高磁性隧穿结器件的磁化取向速度，另一方面可以获得较为轻薄的磁性隧穿结器件。

技术领域

本发明属于半导体集成电路设计及制造领域，特别是涉及一种基于二维自由磁层的磁性隧穿结器件及其制作方法。

背景技术

随着便携式计算器件和无线通信器件使用的增长，存储器件可能需要更高的密度、更低的功耗和/或非易失性。磁性存储器件可以能够满足上述的技术要求。

许多电子器件都包含电子存储器。电子存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器。非易失性存储器能够在失电时储存数据，然而易失性存储器不能在失电时储存数据。由于磁阻式随机存取存储器(MRAM)优于目前的电子存储器的优势，所以该MRAM是下一代电子存储器的一种有前景的候选者。与目前的诸如闪速随机存取存储器的非易失性存储器相比，MRAM通常更快并且具有更好的耐用性。与目前的诸如动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)的易失性存储器相比，MRAM通常具有类似的性能和密度，但是MRAM具有更低的功耗。由于MTJ器件具有高运行速度和低功耗并且被用于替代DRAM的电容器，可以将MTJ器件应用于具有低功耗和高速度的图像设备和移动设备。

当两个磁层的自旋方向(即磁通量的方向)彼此相同时磁电阻器件具有低电阻，而当自旋方向彼此相反时具有高电阻。这样，可以使用依赖于磁层磁化状态而改变的单元电阻改变将位数据写入磁电阻存储器件。将通过例子描述具有MTJ结构的磁电阻存储器。在具有由铁磁层/绝缘层/铁磁层组成的结构的MTJ存储单元中，当穿过了第一铁磁层的电子穿过用作隧穿阻挡(tunneling barrier)的绝缘层时，隧穿几率依赖于第二铁磁层的磁化方向而改变。也就是，当两个铁磁层的磁化方向平行时，隧穿电流被最大化，而当它们反平行时，隧穿电流被最小化。例如，可以认为，当电阻高时，写入数据“1”，而当电阻低时，写入数据“0”。电流流过磁性层时，电流将被极化，形成自旋极化电流。自旋电子将自旋动量传递给自由磁层的磁矩，使自旋磁性层的磁矩获得自旋动量后改变方向，这个过程称为自旋传输矩，因此，STT-MRAM是通过自旋电流实现信息写入的。

STT-MRAM存储单元的核心仍然是一个MTJ，由两层不同厚度的铁磁层及一层几个纳米厚的非磁性隔离层组成。通过外部电路，电流可以从垂直于MJT表面的方向通过MTJ。电流通过较厚的铁磁层(称为固定磁层)时，电子被自旋极化，其自旋方向为固定磁层的磁矩方向。如果中间非磁性隔离层的厚度足够的小，以确保高度的极化，自旋极化电子能够将其自旋角动量转移给较薄的铁磁层(称为自由磁层)，改变自由磁层的磁化平衡状态。扮演“极化层”角色的固定磁层一般较厚(几十个纳米)，其饱和磁化强度很大，它的平衡状态是不会发生变化的。相反，要受到自旋矩效应的自由磁层，一般很薄，其饱和磁化强度较小，因此，它的磁矩矢量能根据自旋电流中自旋电子的极化方向自由地变化取向。

STT-MRAM存储单元的结构简单，它省略了带磁性外壳的附加写信息线，最大限度地减少了制备工艺程序，并使存储单元的横截面积减小、存储密度高、存储速度快，满足高性能计算机系统的设计要求。

STT-MRAM存储单元的MTJ自旋阀中，自旋电子的隧穿几率和各磁层材料、隧穿层材料、厚度等有关。根据隧穿几率公式，隧穿层越薄，隧穿几率越大，对隧穿层的自身质量要求也越来越高。

发明内容