一种信息传感及存储器件及其制备方法技术

一种信息传感及存储器件，它为双磁隧道结结构，由下至上依次为底电极、磁隧道结1、非铁磁性金属隔离层、磁隧道结2及顶电极，金属导线位于器件一侧；一种信息传感及存储器件的制备方法，它有五大步骤：步骤一，在衬底上沉积磁性多层膜材料；步骤二，通过超高磁场真空退火设备进行退火，使参考层的磁化方向固定；步骤三，使用光刻、刻蚀及磁控溅射传统纳米器件加工工艺完成双磁隧道结结构的形态制备；步骤四，在双磁隧道结结构外侧沉积绝缘层，通过光刻、刻蚀及镶嵌等工艺在双磁隧道结结构附近配置金属导线；步骤五，利用光刻、刻蚀及镶嵌加工工艺在双磁隧道结结构顶部形成金属电极，用于后的集成或测试。

【技术实现步骤摘要】
一种信息传感及存储器件及其制备方法
本专利技术涉及一种信息传感及存储器件及其制备方法，它包含一种基于新型磁隧道结(MTJ)的信息传感以及存储结构，属于具有非挥发特性的传感器及存储器

技术介绍
磁隧道结(MagneticTunnelJunction,MTJ)电阻传感器利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应(TunnelMagnetoresistance,TMR)，即随外磁场变化(包括大小和方向)，磁性多层膜材料的电阻发生明显变化。基于磁隧道结的磁场传感器具有电阻变化率大、电阻率高、功耗低、温度稳定性好等优点，在灵敏度、动态范围、线性度等指标上优于之前的各向异性磁阻(AnisotropicMagnetoResistance,AMR)、巨磁阻(GiantMagnetoResistance,GMR)效应器件、霍尔器件等。具有稳定非易失性、无限次读写次数以及高读写速度的磁随机存储器(MagneticRandomAccessMemory,MRAM)，学术界和产业界自2000年以来对其给予广泛关注，并进行了大量研究。基于自旋转移力矩(SpinTransferTorque,STT)效应的磁隧道结存储器，由于其较高的功耗利用率及写入速度，被认为是改变存储单元状态最有前途的技术之一。相对之前利用磁场驱动磁极翻转(FieldInducedMagneticSwitching,FIMS)的方式，该存储器具有改变存储单元状态所需的电流较低、尺寸更小等优势。当磁隧道结纳米柱或磁随机存储器存储单元的尺寸低于100nm，较低的自旋极化电流即可改变其存储单元状态。磁隧道结器件基本单元可能包括底电极、钉扎层、由铁磁材料构成的参考层、由金属或者金属氧化物构成的势垒层、由铁磁材料构成的自由层，以及顶电极。参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向跟随外界磁场(TMR效应)或注入电流(STT现象)变化：当二者磁化方向相对平行时，磁隧道结呈现出低阻态，可存储数据“1”；反之则呈现出高阻态，可存储数据“0”。当前，存储器与传感器是相对独立的两部分，因此，信息的检测与存储一般包括：通过用于信息检测的磁隧道结(磁场传感器)获取外部信号，经外围电路处理后，将信息传输至基于STT效应的磁随机存储器完成存储。上述过程涉及多种器件间的信息传递，存在功耗较大、信息误码率高、结构冗余等缺点，不利于系统的集成、尺寸的进一步缩小，以及灵敏度的提高。
技术实现思路
1.专利技术目的：针对上述背景中采用分立器件完成信号感知及存储过程中存在的诸多不足，本专利技术将提出一种信息传感及存储器件，由基于新型磁隧道结的传感及存储结构组成。该器件包括两个尺寸不同的磁隧道结，可完成信息传感及存储的全过程，进而解决现有技术中的问题，极大提高器件的集成度。技术方案：本专利技术采用的技术方案为：(1)一种信息传感及信息存储器件，包含用于信息存储的磁隧道结结构(较小尺寸，基于STT效应)，以及用于信息检测的磁隧道结结构(较大尺寸)，二者以金属隔离层连接。其中，用于信息存储的磁隧道结可以基于垂直磁各向异性(PerpendicularMagneticAnisotropy,PMA)或面内(In-Plane)磁各向异性；同样，用于信息检测的磁隧道结也可以基于垂直磁各向异性或面内磁各向异性；上述的磁隧道结在材料种类、薄膜厚度等方面可有所不同。本专利技术一种信息传感及存储器件，它为双磁隧道结结构，由下至上依次为底电极、磁隧道结1、非铁磁性金属隔离层、磁隧道结2及顶电极，金属导线位于器件一侧。该磁隧道结1用于信息检测，它包含反铁磁金属构成的钉扎层、铁磁金属构成的参考层、氧化物势垒层、铁磁金属构成的自由层；其钉扎层包含混合金属材料铂锰PtMn或铱锰IrMn，厚度范围为0～20nm；其自由层及参考层，包括混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe，且该混合金属材料中各元素组成比例可不相同，厚度范围为0～20nm；参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向可变，其自由层的磁化方向在外部磁场信号作用下发生翻转，使器件电阻在高、低之间转换，此时，利用电压源为该器件提供一定大小的电压，则产生的电流幅值也会发生相应改变；其氧化物势垒层包含氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3，厚度范围为0～20nm；由于与存储器相比，传感器在功耗方面通常要求较低，因此磁隧道结1的氧化物势垒层厚度(如2nm)一般大于磁隧道结2的氧化物势垒层厚度(如0.8nm)。该磁隧道结2用于信息存储，它包含反铁磁金属构成的钉扎层、铁磁金属构成的参考层、氧化物势垒层、铁磁金属构成的自由层；其钉扎层包括金属材料钴/铂(Co/Pt)多层膜或金属材料钴/钯(Co/Pd)多层膜，厚度范围为0～30nm；其自由层及参考层，包括混合金属材料钴铁(CoFe)、钴铁硼(CoFeB)或镍铁(NiFe)，且该混合金属材料中各元素组成比例可不相同，厚度范围为0～20nm。参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向可变。其氧化物势垒层包含氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3，厚度范围为0～20nm；如果上述磁隧道结1调控的注入电流高于磁隧道结2的临界电流，则其自由层的磁化方向发生翻转，所获得的电阻状态对应数据“1”；否则，电阻状态保持不变，对应数据“0”；该非铁磁性金属隔离层选自但不限于金属材料钽(Ta)或钌(Ru)中的一种及其组合；该底电极及顶电极选自、但不限于金属材料Ta、Ru、铝(Al)、铜(Cu)、铂(Pt)、钴(Co)、氮化铜(CuN)中的一种及其组合，厚度范围为10～200nm；该金属导线材料包括Ta、Al、Cu、Pt、金(Au)或铁(Fe)，可置于所述底电极、磁隧道结或顶电极所处的绝缘层中，绝缘层材料选自、但不限于二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、四乙氧基硅烷(TEOS)中的一种及其组合。在该器件附近设置一根金属导线，向该金属导线通入一定大小的电流，可在磁隧道结1、2处感生出足够大的垂直或水平磁场，使其发生磁化状态翻转，进而将器件还原为初始状态，即强制清零。利用所述器件感知及存储外部信号前，首先利用电流源为该金属导线提供一定大小的电流完成强制清零工作。在特定情况下，可对磁隧道结2的尺寸进行调整，控制其信息的保持时间，使之在一段时间后自动清零。其中，所述磁隧道结1、2均可倒转放置，且截面形状选自、但不限于圆形、椭圆形。所述磁隧道结各层的具体厚度、尤其是自由层及氧化物势垒层的厚度，可结合具体实际应用及工艺需求进行选择。(2)本专利技术包括一种信息传感及存储器件的制备方法，该方法具体步骤如下：步骤一，如图2(a)所示，在衬底201上沉积磁性多层膜材料。由下至上依次沉积：底电极202，钉扎层211、参考层212、氧化物势垒层213、自由层214、非铁磁性金属隔离层203、自由层221、氧化物势垒层222、参考层223、钉扎层224，以及顶电极204。参考层212、223及自由层214、221，包括混合金属材料CoFe、CoFeB或NiFe，且该混合金属材料中各元素组成比例可不相同，厚度范围为0～20nm。氧化物势垒层213、222包括MgO或Al2O3，厚度范围为0～20nm。在实施例中，氧化物势垒层213与自由层214分别选择2nm与3nm以优化传感器性能，自由层221和氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种信息传感及存储器件，其特征在于：它为双磁隧道结结构，由下至上依次为底电极、磁隧道结1、非铁磁性金属隔离层、磁隧道结2及顶电极，金属导线位于器件一侧；该磁隧道结1用于信息检测，它包含反铁磁金属构成的钉扎层、铁磁金属构成的参考层、氧化物势垒层、铁磁金属构成的自由层；其钉扎层包含混合金属材料铂锰PtMn或铱锰IrMn，厚度范围为0～20nm；其自由层及参考层，包括混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe，且该混合金属材料中各元素组成比例不相同，厚度范围为0～20nm；参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向可变，其自由层的磁化方向在外部磁场信号作用下发生翻转，使器件电阻在高、低之间转换，此时，利用电压源为该器件提供一定大小的电压，则产生的电流幅值也会发生相应改变；其氧化物势垒层包含氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3，厚度范围为0～20nm；由于与存储器相比，传感器在功耗方面通常要求较低，因此磁隧道结1的氧化物势垒层厚度大于磁隧道结2的氧化物势垒层厚度；该磁隧道结2用于信息存储，它包含反铁磁金属构成的钉扎层、铁磁金属构成的参考层、氧化物势垒层、铁磁金属构成的自由层；其钉扎层包括金属材料钴/铂Co/Pt多层膜或金属材料钴/钯Co/Pd多层膜，厚度范围为0～30nm；其自由层及参考层，包括混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe，且该混合金属材料中各元素组成比例不相同，厚度范围为0～20nm；参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向可变；其氧化物势垒层包含氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3，厚度范围为0～20nm；如果上述磁隧道结1调控的注入电流高于磁隧道结2的临界电流，则其自由层的磁化方向发生翻转，所获得的电阻状态对应数据“1”；否则，电阻状态保持不变，对应数据“0”；该非铁磁性金属隔离层选自金属材料钽Ta或钌Ru中的一种及其组合；该底电极及顶电极选自金属材料Ta、Ru、铝Al、铜Cu、铂Pt、钴Co、氮化铜CuN中的一种及其组合，厚度范围为10～200nm；该金属导线材料包括Ta、Al、Cu、Pt、金Au或铁Fe，可置于所述底电极、磁隧道结或顶电极所处的绝缘层中，绝缘层材料选自二氧化硅SiO2、氮化硅SiN、四乙氧基硅烷TEOS中的一种及其组合。...

【技术特征摘要】
1.一种信息传感及存储器件，其特征在于：它为双磁隧道结结构，由下至上依次为底电极、第一磁隧道结、非铁磁性金属隔离层、第二磁隧道结及顶电极，金属导线位于器件一侧；该第一该磁隧道结用于信息检测，它包含反铁磁金属构成的钉扎层、铁磁金属构成的参考层、氧化物势垒层、铁磁金属构成的自由层；其钉扎层包含混合金属材料铂锰PtMn或铱锰IrMn，厚度范围为0～20nm；其自由层及参考层，包括混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe，且该混合金属材料中各元素组成比例不相同，厚度范围为0～20nm；参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向可变，其自由层的磁化方向在外部磁场信号作用下发生翻转，使器件电阻在高、低之间转换，此时，利用电压源为该器件提供一定大小的电压，则产生的电流幅值也会发生相应改变；其氧化物势垒层包含氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3，厚度范围为0～20nm；由于与存储器相比，传感器在功耗方面通常要求较低，因此第一磁隧道结的氧化物势垒层厚度大于第二磁隧道结的氧化物势垒层厚度；该第二磁隧道结用于信息存储，它包含反铁磁金属构成的钉扎层、铁磁金属构成的参考层、氧化物势垒层、铁磁金属构成的自由层；其钉扎层包括金属材料钴/铂Co/Pt多层膜或金属材料钴/钯Co/Pd多层膜，厚度范围为0～30nm；其自由层及参考层，包括混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe，且该混合金属材料中各元素组成比例不相同，厚度范围为0～20nm；参考层的磁化方向固定，自由层的磁化方向可变；其氧化物势垒层包含氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3，厚度范围为0～20nm；如果上述第一磁隧道结调控的注入电流高于第二磁隧道结的临界电流，则其自由层的磁化方向发生翻转，所获得的电阻状态对应数据“1”；否则，电阻状态保持不变，对应数据“0”；该非铁磁性金属隔离层选自金属材料钽Ta或钌Ru中的一种及其组合；该底电极及顶电极选自金属材料Ta、Ru、铝Al、铜Cu、铂Pt、钴Co、氮化铜CuN中的一种及其组合，厚度范围为10～200nm；该金属导线材料包括Ta、Al、Cu、Pt、金Au或铁Fe，可置于所述底电极、磁隧道结或顶电极所处的绝缘层中，绝缘层材料选自二氧化硅SiO2、氮化硅SiN、四乙氧基硅烷TEOS中的一种及其组合。2.一种信息传感及存储器件的制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一，在衬底(201)上沉积磁性多层膜材料；由下至...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雨，赵巍胜，王梦醒，郭玮，张有光，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11