一種信息傳感及存儲器件及其制備方法
【專利摘要】一種信息傳感及存儲器件，它為雙磁隧道結結構，由下至上依次為底電極、磁隧道結1、非鐵磁性金屬隔離層、磁隧道結2及頂電極，金屬導線位于器件一側；一種信息傳感及存儲器件的制備方法，它有五大步驟：步驟一，在襯底上沉積磁性多層膜材料；步驟二，通過超高磁場真空退火設備進行退火，使參考層的磁化方向固定；步驟三，使用光刻、刻蝕及磁控濺射傳統(tǒng)納米器件加工工藝完成雙磁隧道結結構的形態(tài)制備；步驟四，在雙磁隧道結結構外側沉積絕緣層，通過光刻、刻蝕及鑲嵌等工藝在雙磁隧道結結構附近配置金屬導線；步驟五，利用光刻、刻蝕及鑲嵌加工工藝在雙磁隧道結結構頂部形成金屬電極，用于后的集成或測試。
【專利說明】一種信息傳感及存儲器件及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種信息傳感及存儲器件及其制備方法，它包含一種基于新型磁隧道結(MTJ)的信息傳感以及存儲結構，屬于具有非揮發(fā)特性的傳感器及存儲器【技術領域】。

【背景技術】
[0002]磁隧道結(Magnetic Tunnel Junct1n, MTJ)電阻傳感器利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(Tunnel Magnetoresistance, TMR),即隨外磁場變化(包括大小和方向)，磁性多層膜材料的電阻發(fā)生明顯變化?；诖潘淼澜Y的磁場傳感器具有電阻變化率大、電阻率高、功耗低、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在靈敏度、動態(tài)范圍、線性度等指標上優(yōu)于之前的各向異性磁阻(Anisotropic Magneto Resistance, AMR)、巨磁阻(Giant MagnetoResistance, GMR)效應器件、霍爾器件等。
[0003]具有穩(wěn)定非易失性、無限次讀寫次數以及高讀寫速度的磁隨機存儲器(MagneticRandom Access Memory, MRAM)，學術界和產業(yè)界自2000年以來對其給予廣泛關注，并進行了大量研究。基于自旋轉移力矩(Spin Transfer Torque, STT)效應的磁隧道結存儲器，由于其較高的功耗利用率及寫入速度，被認為是改變存儲單元狀態(tài)最有前途的技術之一。相對之前利用磁場驅動磁極翻轉(Field Induced Magnetic Switching, FIMS)的方式,該存儲器具有改變存儲單元狀態(tài)所需的電流較低、尺寸更小等優(yōu)勢。當磁隧道結納米柱或磁隨機存儲器存儲單元的尺寸低于100nm，較低的自旋極化電流即可改變其存儲單元狀態(tài)。
[0004]磁隧道結器件基本單元可能包括底電極、釘扎層、由鐵磁材料構成的參考層、由金屬或者金屬氧化物構成的勢壘層、由鐵磁材料構成的自由層，以及頂電極。參考層的磁化方向固定，自由層的磁化方向跟隨外界磁場(TMR效應)或注入電流(STT現(xiàn)象)變化:當二者磁化方向相對平行時，磁隧道結呈現(xiàn)出低阻態(tài)，可存儲數據“ I ”;反之則呈現(xiàn)出高阻態(tài)，可存儲數據“O”。
[0005]當前，存儲器與傳感器是相對獨立的兩部分，因此，信息的檢測與存儲一般包括:通過用于信息檢測的磁隧道結(磁場傳感器)獲取外部信號，經外圍電路處理后，將信息傳輸至基于STT效應的磁隨機存儲器完成存儲。上述過程涉及多種器件間的信息傳遞，存在功耗較大、信息誤碼率高、結構冗余等缺點，不利于系統(tǒng)的集成、尺寸的進一步縮小，以及靈敏度的提高。


【發(fā)明內容】

[0006]1.發(fā)明目的:
[0007]針對上述背景中采用分立器件完成信號感知及存儲過程中存在的諸多不足，本發(fā)明將提出一種信息傳感及存儲器件，由基于新型磁隧道結的傳感及存儲結構組成。該器件包括兩個尺寸不同的磁隧道結，可完成信息傳感及存儲的全過程，進而解決現(xiàn)有技術中的問題，極大提高器件的集成度。
[0008]技術方案:本發(fā)明采用的技術方案為:
[0009](I) 一種信息傳感及信息存儲器件，包含用于信息存儲的磁隧道結結構(較小尺寸，基于STT效應)，以及用于信息檢測的磁隧道結結構(較大尺寸)，二者以金屬隔離層連接。其中，用于信息存儲的磁隧道結可以基于垂直磁各向異性(Perpendicular MagneticAnisotropy, PMA)或面內(In-Plane)磁各向異性；同樣,用于信息檢測的磁隧道結也可以基于垂直磁各向異性或面內磁各向異性；上述的磁隧道結在材料種類、薄膜厚度等方面可有所不同。
[0010]本發(fā)明一種信息傳感及存儲器件，它為雙磁隧道結結構，由下至上依次為底電極、磁隧道結1、非鐵磁性金屬隔離層、磁隧道結2及頂電極，金屬導線位于器件一側。
[0011]該磁隧道結I用于信息檢測，它包含反鐵磁金屬構成的釘扎層、鐵磁金屬構成的參考層、氧化物勢壘層、鐵磁金屬構成的自由層；其釘扎層包含混合金屬材料鉬錳PtMn或銥錳IrMn，厚度范圍為O?20nm ;其自由層及參考層，包括混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe,且該混合金屬材料中各元素組成比例可不相同，厚度范圍為O?20nm ；參考層的磁化方向固定，自由層的磁化方向可變，其自由層的磁化方向在外部磁場信號作用下發(fā)生翻轉，使器件電阻在高、低之間轉換，此時，利用電壓源為該器件提供一定大小的電壓，則產生的電流幅值也會發(fā)生相應改變；其氧化物勢壘層包含氧化鎂MgO或三氧化二鋁A1203，厚度范圍為O?20nm ;由于與存儲器相比，傳感器在功耗方面通常要求較低，因此磁隧道結I的氧化物勢壘層厚度(如2nm) —般大于磁隧道結2的氧化物勢壘層厚度(如0.8nm)。
[0012]該磁隧道結2用于信息存儲，它包含反鐵磁金屬構成的釘扎層、鐵磁金屬構成的參考層、氧化物勢壘層、鐵磁金屬構成的自由層；其釘扎層包括金屬材料鈷/鉬(Co/Pt)多層膜或金屬材料鈷/鈀(Co/Pd)多層膜，厚度范圍為O?30nm;其自由層及參考層，包括混合金屬材料鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)或鎳鐵(NiFe),且該混合金屬材料中各元素組成比例可不相同，厚度范圍為O?20nm。參考層的磁化方向固定，自由層的磁化方向可變。其氧化物勢壘層包含氧化鎂MgO或三氧化二鋁A1203，厚度范圍為O?20nm ;如果上述磁隧道結I調控的注入電流高于磁隧道結2的臨界電流，則其自由層的磁化方向發(fā)生翻轉，所獲得的電阻狀態(tài)對應數據“I” ；否則，電阻狀態(tài)保持不變，對應數據“O” ；
[0013]該非鐵磁性金屬隔離層選自但不限于金屬材料鉭(Ta)或釕(Ru)中的一種及其組合；
[0014]該底電極及頂電極選自、但不限于金屬材料Ta、Ru、招(Al)、銅(Cu)、鉬(Pt)、鈷(Co)、氮化銅(CuN)中的一種及其組合，厚度范圍為10?200nm ；
[0015]該金屬導線材料包括Ta、Al、Cu、Pt、金(Au)或鐵(Fe),可置于所述底電極、磁隧道結或頂電極所處的絕緣層中，絕緣層材料選自、但不限于二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiN)、四乙氧基硅烷(TEOS)中的一種及其組合。在該器件附近設置一根金屬導線，向該金屬導線通入一定大小的電流，可在磁隧道結1、2處感生出足夠大的垂直或水平磁場，使其發(fā)生磁化狀態(tài)翻轉，進而將器件還原為初始狀態(tài)，即強制清零。利用所述器件感知及存儲外部信號前，首先利用電流源為該金屬導線提供一定大小的電流完成強制清零工作。在特定情況下，可對磁隧道結2的尺寸進行調整，控制其信息的保持時間，使之在一段時間后自動清零。
[0016]其中，所述磁隧道結1、2均可倒轉放置，且截面形狀選自、但不限于圓形、橢圓形。所述磁隧道結各層的具體厚度、尤其是自由層及氧化物勢壘層的厚度，可結合具體實際應用及工藝需求進行選擇。
[0017](2)本發(fā)明包括一種信息傳感及存儲器件的制備方法，該方法具體步驟如下:
[0018]步驟一，如圖2(a)所示，在襯底201上沉積磁性多層膜材料。由下至上依次沉積:底電極202，釘扎層211、參考層212、氧化物勢壘層213、自由層214、非鐵磁性金屬隔離層203、自由層221、氧化物勢壘層222、參考層223、釘扎層224，以及頂電極204。
[0019]參考層212、223及自由層214、221，包括混合金屬材料CoFe、CoFeB或NiFe，且該混合金屬材料中各元素組成比例可不相同，厚度范圍為O?20nm。氧化物勢壘層213、222包括MgO或A1203，厚度范圍為O?20nm。在實施例中，氧化物勢壘層213與自由層214分別選擇2nm與3nm以優(yōu)化傳感器性能，自由層221和氧化物勢魚層222分別選擇1.3nm與
0.85nm(比氧化物勢壘層213薄)，以產生基于界面效應的垂直磁各向異性。釘扎層211包含混合金屬材料PtMn或IrMn，厚度范圍為O?20nm ;釘扎層224包括金屬材料Co/Pt多層膜或Co/Pd多層膜，厚度范圍為O?30nm。底電極202及頂電極204選自、但不限于金屬材料Ta、Ru、Al、Cu、Pt、Co、CuN中的一種及其組合，厚度范圍為10?200nm。非鐵磁性金屬隔離層203選自、但不限于金屬材料Ta或Ru中的一種及其組合。
[0020]本實施中，由于沉積過程中構成釘扎層224的多層膜平整度較差，且會影響后續(xù)沉積的薄膜質量，因此將自由層221設計于參考層223及釘扎層224下方。在其他實施例中，該次序可根據具體實際應用及工藝需求進行調整，如圖1(b)所示。
[0021 ] 步驟二，通過超高磁場真空退火設備進行退火，使參考層的磁化方向固定。部分實施例中，將會使用超高磁場真空退火設備，設置磁場為IT左右，溫度介于250°C至400°C之間。
[0022]步驟三，使用光刻、刻蝕及磁控濺射等傳統(tǒng)納米器件加工工藝完成磁隧道結結構200的形態(tài)制備。首先形成用于信息檢測的磁隧道結210，如圖2(b)所示，尺寸為微米級或納米級，截面形狀選自、但不限于圓形或橢圓形；其次，在用于信息檢測的磁隧道結210上方形成用于信息存儲的磁隧道結220，尺寸為納米級，截面形狀選自、但不限于圓形或橢圓形(如直徑為40nm的圓形)，如圖2(c)所示。
[0023]步驟四，如圖2 (d)所示,在雙磁隧道結結構200外側沉積絕緣層205,材料選自、但不限于Si02、SiN、TEOS中的一種及其組合。通過光刻、刻蝕及鑲嵌等加工工藝在雙磁隧道結結構200附近配置金屬導線230，材料包括Ta、Al、Cu、Pt、Au或Fe，可置于雙磁隧道結結構200所處的絕緣層205中。該金屬導線可由兩個或以上器件共享，在降低器件功耗的同時進一步節(jié)省了集成電路面積。
[0024]在本實施例中，金屬導線230在一定大小的電流源作用下，可在用于信息檢測的磁隧道結210處產生水平磁場,在用于信息存儲的磁隧道結220處產生垂直磁場，以對該傳感及存儲器件進行強制清零。此外，為了滿足其他實施例的需要，該金屬導線也可以不同方式置于不同位置，從而在兩磁隧道結210、220處感生出不同方向、大小的磁場。例如，兩磁隧道結210、220均基于面內磁各向異性，則可將金屬導線置于用于信息存儲的磁隧道結220正上方,如圖1 (b)所示。
[0025]步驟五，如圖2(e)所示，利用光刻、刻蝕及鑲嵌等加工工藝在雙磁隧道結結構200頂部形成金屬電極240，用于后的集成或測試。金屬電極材料一般選自、但不限于Al、Ta、Cr、Cu、Au或Pt中的一種及其組合。
[0026]2.優(yōu)點和功效:
[0027]本發(fā)明提供一種新型信息傳感及存儲器件，包含基于磁隧道結的傳感及存儲結構，可實現(xiàn)對外部磁場信號的檢測及存儲功能。相比于傳統(tǒng)傳感器與存儲器，該器件具有以下優(yōu)勢:
[0028]①磁場信號感知功能由用于信息檢測的磁隧道結I實現(xiàn)。與傳統(tǒng)傳感器相比，該器件具有電阻變化率大、電阻率高、功耗低、溫度穩(wěn)定性好等特點，在靈敏度、動態(tài)范圍、線性度、抗干擾能力等方面具有較大優(yōu)勢。
[0029]②磁場信號存儲功能由用于信息存儲的磁隧道結2實現(xiàn)。與傳統(tǒng)存儲器相比，該器件利用自旋轉移力矩實現(xiàn)信息存儲，不僅能夠實現(xiàn)非易失性、高穩(wěn)定性、高讀寫速度和無限次讀寫，而且臨界電流較低、尺寸更小。尤其是基于垂直磁各向異性的磁隧道結2，除具有功耗更低及讀寫更快等優(yōu)點外，可以極小尺寸(如1nm)存儲數據，從而使集成度大幅提聞。
[0030]③本發(fā)明對器件結構進行創(chuàng)新，將兩個不同尺寸的磁隧道結(以較大的磁隧道進行信息檢測，以較小的磁隧道結進行信息存儲)集成于同一器件中，可完成信息傳感及存儲的全過程，有效解決了現(xiàn)有分立存儲器及傳感器中存在的功耗較大、誤碼率高及結構冗余等問題，同時令器件的集成度有所提升。
[0031]④考慮傳感器對低功耗的要求較低，因此與磁隧道結2相比，磁隧道結I可具有較大的勢壘層厚度。該特點可使電阻面積矢量及隧穿磁阻比率增加進而優(yōu)化其可靠性，同時提高勢壘層的擊穿電壓。此外，增加勢壘層厚度降低了對工工藝的要求，有利于實現(xiàn)器件制備及產業(yè)化。
[0032]⑤本發(fā)明針對器件初始狀態(tài)還原提供“強制清零”與“自動清零”兩種機制，可根據實際場景合理選擇以靈活控制存儲狀態(tài)。另外，用于產生“強制清零”所需磁場的金屬導線可由兩個或以上器件共享，在降低器件功耗的同時進一步節(jié)省了集成電路面積。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1 (a)為器件磁隧道結1、2分別基于水平及垂直磁各向異性結構示意圖；
[0034]圖1 (b)為器件均基于水平磁各向異性結構示意圖。
[0035]圖2(a)為實施例中在襯底上沉積磁性多層膜材料的步驟圖。
[0036]圖2(b)為實施例中利用光刻、刻蝕形成用于信息檢測的磁隧道結步驟圖。
[0037]圖2(c)為實施例中利用光刻、刻蝕形成用于信息存儲的磁隧道結步驟圖。
[0038]圖2(d)為實施例中在器件周圍沉積絕緣層并形成金屬導線的步驟圖。
[0039]圖2(e)為實施例中形成金屬電極的步驟圖。
[0040]圖3為實施例中一種新型信息傳感及存儲器件的制備流程圖。
[0041]圖4為實施例中向金屬導線通入電流以產生磁場，將磁隧道結自由層的磁化方向還原為初始狀態(tài)，從而實現(xiàn)對器件強制清零的過程示意圖。
[0042]圖5 (a)為實施例中器件對外界磁場信號的感知處于初始狀態(tài)示意圖；
[0043]圖5 (b)磁隧道結I檢測到外界磁場產生的水平向右分量，狀態(tài)隨之發(fā)生變化示意圖。
[0044]圖6 (a)磁隧道結I完成信息檢測后呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，磁隧道結2 (平行)存儲數據 “O，，；
[0045]圖6 (b)磁隧道結I維持低電阻狀態(tài)，磁隧道結2 (反平行)存儲數據“ I ”。
[0046]其中，圖1至圖6中的參數定義為:
[0047]O:表示向金屬導線通入垂直平面向內的電流；
[0048]—:基于面內磁各向異性的磁隧道結，其自由層磁化方向向左；
[0049]—:基于面內磁各向異性的磁隧道結，其自由層磁化方向向右；
[0050]基于面內磁各向異性的磁隧道結，其自由層磁化方向可變；
[0051]丨:基于垂直磁各向異性的磁隧道結，其自由層磁化方向向上；
[0052]丨:基于垂直磁各向異性的磁隧道結，其自由層磁化方向向下；
[0053]1:基于垂直磁各向異性的磁隧道結,其自由層磁化方向可變。
[0054]200 雙磁隧道結結構；201 襯底；202 底電極；203 非鐵磁性金屬隔離層；204頂電極；205絕緣層；210用于信息檢測的磁隧道結(即磁隧道結I) ;220用于信息存儲的磁隧結(即磁隧道結2) ;230 金屬導線；240 金屬電極；211、212、213、214為磁隧道結I的釘扎層211、參考層212、氧化物勢壘層213、自由層214 ;221、222、223,224為磁隧道結2的自由層221、氧化物勢壘層222、參考層223、釘扎層224。

【具體實施方式】
[0055]下面參照附圖進一步說明本發(fā)明實施例的制備及使用。附圖均為實施例示意圖，并非表征器件實際尺寸。在此公開作為示例的詳細實施例，其特定結構細節(jié)及功能細節(jié)僅以表示、描述本實施例為目的，因此，可以其他多種形式來實施本發(fā)明。此外，本發(fā)明不應被理解為僅局限于本實施例，與本實施例類似的材料、方法、工藝、設備等均可被使用、替換。
[0056]圖1 (a)中信息傳感及存儲器件由下至上依次包括底電極、磁隧道結1、非鐵磁性金屬隔離層、磁隧道結2及頂電極，金屬導線位于器件一側。其中，基于面內磁各向異性的磁隧道結I尺寸較大，利用隧穿磁阻效應檢測外界磁場信號；基于垂直磁各向異性的磁隧道結2尺寸較小，通過自旋轉移力矩的方式存儲磁隧道結I感知的外界信息。其他實施例中，可結合實際應用需求選擇具有不同磁各向異性、組成或結構的磁隧道結。例如圖1(b)中,磁隧道結1、2均基于面內磁各向異性。
[0057]該信息傳感及存儲器件可使用傳統(tǒng)半導體加工工藝進行制備，其【具體實施方式】包括但不限于下述工藝類型及順序，且具體與磁隧道結的組成有關。
[0058]見圖3，本發(fā)明包括一種信息傳感及存儲器件的制備方法，該方法具體步驟如下:
[0059]步驟一，如圖2 (a)所示，在襯底201上沉積磁性多層膜材料。如圖2 (b) — (e)所示，部分實施例中由下至上依次沉積:底電極202，釘扎層211、參考層212、氧化物勢壘層213、自由層214、非鐵磁性金屬隔離層203、自由層221、氧化物勢壘層222、參考層223、釘扎層224，以及頂電極204。
[0060]部分實施例中，參考層212、223及自由層214、221，包括混合金屬材料CoFeXoFeB或NiFe，且該混合金屬材料中各元素組成比例可不相同，厚度范圍為O?20nm。氧化物勢壘層213、222包括MgO或Al2O3，厚度范圍為O?20nm。在本實施例中，氧化物勢壘層213與自由層214分別選擇2nm與3nm以優(yōu)化傳感器性能，自由層221和氧化物勢壘層222分別選擇1.3nm與0.85nm(比勢壘層213薄)，以產生基于界面效應的垂直磁各向異性。釘扎層211包含混合金屬材料PtMn或IrMn，厚度范圍為O?20nm ;釘扎層224包括金屬材料Co/Pt多層膜或Co/Pd多層膜，厚度范圍為O?30nm。底電極202及頂電極204選自、但不限于金屬材料Ta、Ru、Al、Cu、Pt、Co、CuN中的一種及其組合，厚度范圍為10?200nm。非鐵磁性金屬隔離層203選自、但不限于金屬材料Ta或Ru中的一種及其組合。
[0061]本實施中，由于沉積過程中構成釘扎層224的多層膜平整度較差，且會影響后續(xù)沉積的薄膜質量，因此將自由層221設計于參考層223及釘扎層224下方。在其他實施例中，該次序可根據具體實際應用及工藝需求進行調整，如圖1(b)所示。
[0062]步驟二，通過超高磁場真空退火設備進行退火，使參考層的磁化方向固定。部分實施例中，將會使用超高磁場真空退火設備，設置磁場為IT左右，溫度介于250°C至400°C之間。
[0063]步驟三，使用光刻、刻蝕及磁控濺射等傳統(tǒng)納米器件加工工藝完成雙磁隧道結結構200的形態(tài)制備。部分實施例中，首先形成用于信息檢測的磁隧道結210，如圖2(b)所示，尺寸為微米級或納米級，截面形狀選自、但不限于圓形或橢圓形；其次，在用于信息檢測的磁隧道結210上方形成用于信息存儲的磁隧道結220，尺寸為納米級，截面形狀選自、但不限于圓形或橢圓形(如直徑為40nm的圓形)，如圖2 (c)所示。
[0064]步驟四，如圖2 (d)所示,在雙磁隧道結結構200外側沉積絕緣層205,材料選自、但不限于S12、SiN、TEOS中的一種及其組合。通過光刻、刻蝕及鑲嵌等加工工藝在雙磁隧道結結構200附近配置金屬導線230，材料包括Ta、Al、Cu、Pt、Au或Fe，可置于雙磁隧道結結構200所處的絕緣層205中。該金屬導線可由兩個或以上器件共享，在降低器件功耗的同時進一步節(jié)省了集成電路面積。
[0065]在本實施例中，金屬導線230在一定大小的電流源作用下，可在用于信息檢測的磁隧道結210處產生水平磁場,在用于信息存儲的磁隧道結220處產生垂直磁場，以對該傳感及存儲器件進行強制清零。此外，為了滿足其他實施例的需要，該金屬導線230也可以不同方式置于不同位置，從而在兩磁隧道結210、220處感生出不同方向、大小的磁場。例如，兩磁隧道結210、220均基于面內磁各向異性，則可將金屬導線230置于用于信息存儲的磁隧道結220正上方，如圖1(b)所示。
[0066]步驟五，如圖2(e)所示，利用光刻、刻蝕及鑲嵌等加工工藝在雙磁隧道結結構200頂部形成金屬電極240，用于后的集成或測試。金屬電極材料一般選自、但不限于Al、Ta、Cr、Cu、Au或Pt中的一種及其組合。
[0067]本發(fā)明中新型信息傳感及存儲器件的制備流程見圖3。所述【具體實施方式】中的沉積方式可能包括磁控派射、分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)、離子束沉積(1n Beam Deposit1n, IBD)、物理氣相沉積(Physical Vapor Deposit1n, PVD)、等離子體增強化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposit1n, PECVD);光刻方式可能包括紫外光刻(Ultra-V1let Lithography, UVL)、離子束光刻(ElectronicBeam Lithography, EBL);刻蝕方式可能包括非金屬氧化物或金屬硬掩模、反應離子刻蝕(Reactive 1n Etching, RIE)、離子束刻蝕(1n Beam Etching, IBE)、化學機械平坦化(Chemical Mechanical Polishing, CMP)。需要指出的是,沉積、光刻與刻蝕的工藝方式選自、但不限于上述種類，也可以是多種工藝組合使用，具體與磁隧道結的組成有關。
[0068]下面結合本實施例及附圖對該信息傳感及存儲器件的使用進行具體說明。
[0069]如圖4所示，在利用本發(fā)明中的器件感知及存儲外部信號前，首先需要執(zhí)行清零操作。強制清零具體涉及利用電流源為金屬導線提供一定大小的電流，進而產生磁場，使用于信息檢測及存儲的兩個磁隧道結發(fā)生磁化狀態(tài)翻轉。本實施例中，金屬導線在用于信息檢測的磁隧道結I處產生水平向左的磁場，在用于信息存儲的磁隧道結2處產生垂直向下的磁場，將二者自由層的磁化方向還原為與參考層相平行的狀態(tài)，即低電阻狀態(tài)。此時，磁隧道結2存儲數據“O”。在特定情況下，可對磁隧道結2的尺寸進行調整，控制其信息的保持時間，使之在一段時間后自動清零。
[0070]圖5 (a) — (b)顯示本實施例中信息傳感及存儲器件對外界磁場信號的感知功能。如圖5(a)所示，執(zhí)行清零操作后器件為初始狀態(tài)，磁隧道結I檢測到外界磁場產生的水平向右分量，自由層的磁化方向隨之翻轉，與參考層形成反平行的狀態(tài)，即高電阻狀態(tài)，如圖5(b)所示。若檢測到外界磁場產生的分量水平向左，則磁隧道結I的狀態(tài)維持不變，即低電阻狀態(tài)。此時，利用電壓源為該器件提供一定大小的電壓，則能夠產生相應的電流幅值。由于磁隧道結1、2通過金屬隔離層串聯(lián)，故流過磁隧道結2的電流也會隨之變化。
[0071]圖6(a) — (b)顯示本實施例中器件對所感知信息的存儲功能。圖6(a)中，磁隧道結I檢測到外界磁場信號后呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，所調控的注入電流低于磁隧道結2的臨界電流(如49 μ A)，使其自由層仍維持原磁化方向(平行)，所獲得的低電阻狀態(tài)存儲數據“O”。圖6(b)中，磁隧道結2檢測到外界磁場信號后處于低電阻狀態(tài)，所調控的注入電流高于磁隧道結2的臨界電流，驅動其自由層磁化方向翻轉(反平行)，所獲得的高電阻狀態(tài)存儲數據 “I，，。
[0072]通過與外圍電路相集成，本發(fā)明中器件感知并存儲的信息可被讀取出來。
[0073]上述實施例敘述的使用方式僅作為示例。根據本發(fā)明的主旨和范圍，特別是磁隧道結的類型選擇，可對上述步驟進行替換、增加或刪除。因此，結合不同權利要求的其他實施例均包含于本發(fā)明的范圍內。
【權利要求】
1.一種信息傳感及存儲器件，其特征在于:它為雙磁隧道結結構，由下至上依次為底電極、磁隧道結1、非鐵磁性金屬隔離層、磁隧道結2及頂電極，金屬導線位于器件一側； 該磁隧道結I用于信息檢測，它包含反鐵磁金屬構成的釘扎層、鐵磁金屬構成的參考層、氧化物勢壘層、鐵磁金屬構成的自由層；其釘扎層包含混合金屬材料鉬錳PtMn或銥錳IrMn，厚度范圍為O?20nm ;其自由層及參考層，包括混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe,且該混合金屬材料中各元素組成比例不相同，厚度范圍為O?20nm ;參考層的磁化方向固定，自由層的磁化方向可變，其自由層的磁化方向在外部磁場信號作用下發(fā)生翻轉，使器件電阻在高、低之間轉換，此時，利用電壓源為該器件提供一定大小的電壓，則產生的電流幅值也會發(fā)生相應改變；其氧化物勢壘層包含氧化鎂MgO或三氧化二鋁A1203，厚度范圍為O?20nm ;由于與存儲器相比，傳感器在功耗方面通常要求較低，因此磁隧道結I的氧化物勢壘層厚度大于磁隧道結2的氧化物勢壘層厚度； 該磁隧道結2用于信息存儲，它包含反鐵磁金屬構成的釘扎層、鐵磁金屬構成的參考層、氧化物勢壘層、鐵磁金屬構成的自由層；其釘扎層包括金屬材料鈷/鉬Co/Pt多層膜或金屬材料鈷/鈀Co/Pd多層膜，厚度范圍為O?30nm ;其自由層及參考層，包括混合金屬材料鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe，且該混合金屬材料中各元素組成比例不相同，厚度范圍為O?20nm ;參考層的磁化方向固定，自由層的磁化方向可變；其氧化物勢壘層包含氧化鎂MgO或三氧化二鋁A1203，厚度范圍為O?20nm ;如果上述磁隧道結I調控的注入電流高于磁隧道結2的臨界電流，則其自由層的磁化方向發(fā)生翻轉，所獲得的電阻狀態(tài)對應數據“I” ;否則，電阻狀態(tài)保持不變，對應數據“O” ； 該非鐵磁性金屬隔離層選自金屬材料鉭Ta或釕Ru中的一種及其組合； 該底電極及頂電極選自金屬材料Ta、Ru、招Al、銅Cu、鉬Pt、鈷Co、氮化銅CuN中的一種及其組合，厚度范圍為10?200nm ； 該金屬導線材料包括Ta、Al、Cu、Pt、金Au或鐵Fe，可置于所述底電極、磁隧道結或頂電極所處的絕緣層中，絕緣層材料選自二氧化硅S12、氮化硅SiN、四乙氧基硅烷TEOS中的一種及其組合。
2.一種信息傳感及存儲器件的制備方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: 步驟一，在襯底(201)上沉積磁性多層膜材料；由下至上依次沉積:底電極(202)，釘扎層(211)、參考層(212)、氧化物勢壘層(213)、自由層(214)、非鐵磁性金屬隔離層(203)、自由層(221)、氧化物勢壘層(222)、參考層(223)、釘扎層(224)，以及頂電極(204)； 參考層(212)、(223)及自由層(214)、(221)，包括混合金屬材料CoFe, CoFeB或NiFe,且該混合金屬材料中各元素組成比例不相同，厚度范圍為O?20nm ;氧化物勢壘層(213)、(222)包括MgO或A1203，厚度范圍為O?20nm;釘扎層(211)包含混合金屬材料鉬錳PtMn或銥錳IrMn，，厚度范圍為O?20nm ;釘扎層(224)包括金屬材料Co/Pt多層膜或Co/Pd多層膜，厚度范圍為O?30nm;底電極(202)及頂電極(204)選自金屬材料Ta、Ru、Al、Cu、Pt、Co、CuN中的一種及其組合，厚度范圍為10?200nm ;非鐵磁性金屬隔離層(203)選自金屬材料Ta或Ru中的一種及其組合； 步驟二，通過超高磁場真空退火設備進行退火，使參考層的磁化方向固定；設置磁場為IT左右，溫度介于250°C至400°C之間； 步驟三，使用光刻、刻蝕及磁控濺射傳統(tǒng)納米器件加工工藝完成雙磁隧道結結構(200)的形態(tài)制備；首先形成用于信息檢測的磁隧道結(210)，尺寸為微米級或納米級，截面形狀選自圓形或橢圓形；其次，在用于信息檢測的磁隧道結(210)上方形成用于信息存儲的磁隧道結(220)，尺寸為納米級，截面形狀選自圓形或橢圓形； 步驟四，在雙磁隧道結結構(200)外側沉積絕緣層(205)，材料選自Si02、SiN、TE0S中的一種及其組合；通過光刻、刻蝕及鑲嵌加工工藝在雙磁隧道結結構(200)附近配置金屬導線(230)，材料包括Ta、Al、Cu、Pt、Au或Fe，置于雙磁隧道結結構(200)所處的絕緣層(205)中；該金屬導線由兩個或以上器件共享，在降低器件功耗的同時進一步節(jié)省了集成電路面積； 步驟五，利用光刻、刻蝕及鑲嵌加工工藝在雙磁隧道結結構(200)頂部形成金屬電極(240)，用于后的集成或測試；金屬電極材料選自Al、Ta、Cr.Cu、Au或Pt中的一種及其組口 O
3.根據權利要求1所述的一種信息傳感及存儲器件，其特征在于:所述磁隧道結1、2均能倒轉放置，且截面形狀選自圓形或橢圓形；所述磁隧道結各層的具體厚度、尤其是自由層及氧化物勢壘層的厚度，結合具體實際應用及工藝需求進行選擇。
【文檔編號】H01L43/08GK104134748SQ201410341478
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權日:2014年7月17日
【發(fā)明者】張雨, 趙巍勝, 王夢醒, 郭瑋, 張有光 申請人:北京航空航天大學