[发明专利]一种信息传感及存储器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明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领域。

背景技术

磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)电阻传感器利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应(Tunnel Magnetoresistance,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(Anisotropic Magneto Resistance,AMR)、巨磁阻(Giant Magneto Resistance,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(Magnetic Random Access Memory,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(Spin Transfer Torque,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(Field Induced Magnetic Switching,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。

发明内容

1.发明目的：

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，本发明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：本发明采用的技术方案为：

(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(Perpendicular Magnetic Anisotropy,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。

本发明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)。