一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件及制造方法

摘要

一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件，它形成多个MTJ层叠，各个MTJ由参考层、势垒层和自由层组成；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；多个MTJ通过金属隔离层串联，感应线设置在上述结构附近，从而在各个MTJ处产生不同辅助磁场，以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；一种基于磁场辅助的多级单元磁存储器件的制造方法，它有七大步骤。本发明在提高STT-MRAM存储密度的同时，也降低了制造过程中的工艺难度与生产成本。

主权项

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，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反铁磁材料构成的钉扎层固定，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，使用非磁性金属线材料钽Ta、钌Ru、铂Pt或铝Al；感应金属线位于磁存储器件上、下或一侧的绝缘层中，使用二氧化硅SiO₂、氮化硅SiN或其他材料；一条感应金属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，为纳米级。