专利汇可以提供具有几何形状的磁性多层膜及其制备方法和用途专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种具有几何形状的 磁性 多层膜,包括沉积在衬底上的磁性多层膜单元的各层;所述的磁性多层膜单元的横截面呈多边形闭合环状,该磁性多层膜单元中的具有 铁 磁性的 薄膜 层的磁矩或磁通量形成顺 时针 或逆时针的闭合状态。还包括在上述多边形闭合环状的磁性多层膜的几何中心 位置 设置金属芯,该金属芯的横截面为相应的多边形。还涉及用闭合的含(或不含)金属芯的磁性多层膜制作的磁性 存储器 。本发明利用微加工方法制备所述的闭合形状的磁性多层膜。本发明的闭合含(或不含)金属芯多边形闭合环状的磁性多层膜能够广泛应用于以磁性多层膜为核心的各种器件,例如,磁性 随机存取存储器 ,计算机磁读头,磁敏 传感器 ,磁逻辑器件和自旋晶体管等。,下面是具有几何形状的磁性多层膜及其制备方法和用途专利的具体信息内容。
1. 一种具有几何形状的磁性多层膜,包括沉积在衬底上的磁性多层膜单元的各层;其特征在于,所述的磁性多层膜单元的横截面呈闭合环状,该磁性多层膜单元中的具有铁磁性的薄膜层的磁矩或磁通量形成顺时针或逆时针的闭合状态。
2. 按权利要求1所述的具有几何形状的磁性多层膜,其特征在于,所述磁性多层 膜单元的横截面呈N边形闭合环状;其中N为3或为3以上的正整数。
3. 按权利要求1或2所述的具有几何形状的磁性多层膜,其特征在于,所述的磁 性多层膜单元的多边形闭合环的内边边长为10〜100000nm,外边的边长为20〜 200000nm,闭合环的宽度在10〜100000nm之间。
4. 按权利要求1所述的具有几何形状的磁性多层膜,其特征在于:所述的横截面 呈多边形闭合环状的磁性多层膜为无钉扎型的磁性多层膜,包括缓冲导电层、硬磁层、 中间层、软磁层及覆盖层;所述的缓冲导电层由金属材料组成,厚度为2〜200nm; 所述的硬磁层由巨磁电阻效应的材料组成,厚度为2〜20nm; 所述的中间层由非磁性金属层或者绝缘体势垒层构成,中间层的厚度为0.5〜10nm; 所述的软磁层的组成材料为自旋极化率高,娇顽力小的铁磁材料,所述的软磁层的 厚度为1〜20nm;所述的覆盖层由不易被氧化的金属材料组成,厚度为2〜20nm。
5. 按权利要求4述的具有几何形状的磁性多层膜,其特征在于: 所述的缓冲导电层的组成材料为Ta、 Ru、 Cr、 Au、 Ag、 Pt、 Ta、 W、 Ti、 Cu、 Al或Si-Al合金;所述的硬磁层的组成材料为Co, Fe, Ni, CoFe, NiFeCo, CoFeB或CoFeSiB;所述的中间层的非磁性金属层为Ti, Zn, ZnMn, Cr, Ru, Cu, V或TiC;所述的 中间层的绝缘体势垒层为A1203, MgO, TiO, ZnO, (ZnMn)O, CrO, VO,或TiCO;所述的软磁层的组成材料为Co, Fe,Ni或它们的金属合金,该合金为NiFe, CoFeSiB 或NiFeSiB,或非晶CoIOO-x.yFexBy ,其中0
7、 按权利要求6所述的具有几何形状的磁性多层膜,其特征在于: 所述的缓冲导电层的组成材料为Ta、 Ru、 Cr、 Au、 Ag、 Pt、 Ta、 W、 Ti、 Cu、 Al或Si-Al合金;所述的反铁磁钉扎层的组成材料为IrMn, FeMn, PtMn, CrMn或Pt (Cr,Mn)合金;所述的被钉扎磁性层的组成材料为Fe、 Co、 Ni或其合金;所述的中间层的非磁性金属层为Ti, Zn, ZnMn, Cr, Ru, Cu, V或TiC;所述的 中间层的绝缘体势垒层为A1203, MgO, TiO, ZnO, (ZnMn)O, CrO, VO,或TiCO;所述的软磁层的组成材料为Co, Fe, Ni或它们的金属合金,或非品CoKX)+yFexBy , 其中,0
9、 按权利要求8所述的具有几何形状的磁性多层膜,其特征在于-所述的缓冲导电层的组成材料为Ta、 Ru、 Cr、 Au、 Ag、 Pt、 Ta、 W、 Ti、 Cu、 Al或Si-Al合金;所述的第一和第二硬磁层的组成材料为Co, Fe, Ni, CoFe, NiFeCo, CoFeB或 CoFeSiB;所述的第一和第二中间层的非磁性金属层为Ti, Zn, ZnMn, Cr, Ru, Cu, V或 TiC;所述的中间层的绝缘体势垒层为A1203, MgO, TiO, ZnO, (ZnMn)O, CrO, VO, 或TiCO;所述的软磁层的组成材料为Co,Fe,Ni或它们的金属合金NiFe,CoFeS氾,NiFeSiB, 或非晶Coi00.x.yFexBy ,其中(Kx〈100, 0
11、 按权利要求10所述的具有几何形状的磁性多层膜,其特征在于: 所述的缓冲导电层的组成材料为Ta、 Ru、 Cr、 Au、 Ag、 Pt、 Ta、 W、 Ti、 Cu、 Al或Si-Al合金;所述的第一和第二反铁磁钉扎层的组成材料为IrMn, FeMn, PtMn, CrMn或Pt (Cr,Mn)合金;所述的第一和第二被钉扎磁性层的组成材料为Fe、 Co、 Ni或其合金; 所述的第一和第二中间层的非磁性金属层为Ti, Zn, ZnMn, Cr, Ru, Cu, V或TiC;所述的中间层的绝缘体势垒层为A1203, MgO, TiO, ZnO, (ZnMn)O, CrO, VO,或TiCO;所述的软磁层的组成材料为Co, Fe, Ni或它们的金属合金,或非晶C0lQ。.x-yFexBy , 其中,0〈x〈100' 0<"20,或NiFeSiB,或Heusler合金;所述的覆盖层的组成材料为Ta、 Cu、 Ru、 Pt、 Ag、 Au、 Cr或其合金。
12、 一种制备权利要求4、 6、 8、 IO所述的多边形闭合环状磁性多层膜的方法,包 括如下的步骤:1) 选择一个衬底,采用常规微加工工艺的清洗方法清洗该衬底;2) 利用常规的薄膜生长手段,在上述衬底上依次沉积磁性多层膜的各层;在沉积 具有铁磁性的薄膜层时,选择施加磁场强度50〜5000 Oe的平面诱导磁场;3) 采用微加工工艺,将歩骤2)得到的衬底上沉积了磁性多层膜的片基,进行微加 工工艺加工成多边形闭合环状结构;4) 在歩骤3)得到的刻蚀成形的多边形闭合形状的磁性多层膜上,利用常规的薄 膜生长手段,沉积-层100〜1000nm绝缘层,将各多边形闭合环状多层膜进行掩埋并且 相互隔离不同的单元;5) 利用微加工工艺的紫外、深紫外曝光或电子束曝光方法,以及聚焦离子束刻蚀或者化学反应干刻或化学反应湿刻,在沉积有多边形闭合环状多层膜的位置上对绝缘层 进行刻蚀使绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露,得到多边形闭合环状的磁性多层膜;6)利用常规的薄膜生长手段制作上电极,在歩骤5)得到的多边形闭合环状的磁性 多层膜单元上沉积一层导电层,再利用常规的半导体微加工工艺,将导电层加工成电极, 每个闭合环状结构引出四个电极,该导电层为Au、 Ag、 Pt、 Cu、 Al、 SiAl金属或其它 们的合金,其厚度为2〜200nm;所述的常规的薄膜生长工艺,包括磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学 沉积、分子束外延等工艺。所述的微加工工艺的具体歩骤为:首先经过涂胶、前烘,再在在紫外、深紫外曝光或电子束曝光机上,根据所需的闭合状图形对片基进行曝光,接着显影、定影、后烘, 然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成闭合形状,最后用去胶剂浸泡进行去胶。
13. 按权利要求l、 4、 6、 8、 IO所述的具有几何形状的磁性多层膜,其特征在于, 还包括一个金属芯,该金属芯设置在所述的磁性多层膜单元的多边形闭合环的几何中心 位置,该金属芯的形状与闭合环状多边形磁性多层膜的形状相匹配,该金属芯的横截面 相应地为N边形,其中N为大于等于三的整数;所述的N边形金属芯的各边长为5〜 50000nm。
14. 按权利要求13所述的具有几何形状的磁性多层膜,其特征在于,所述的金属 芯的材料包括Ag、 Pt、 Ta、 W、 Ti、 Cu、 Al或Si-Al合金。
15. 一种制备权利要求13所述的包含金属芯的多边形闭合环状的磁性多层膜的方 法,包括如下的步骤:1) 选择一个衬底,经过常规方法清洗之后,在常规的薄膜生长设备上沉积缓冲导 电层,该缓冲导电层在后续加工时成为导电电极;2) 利用常规的薄膜生长手段,在缓冲导电层上依次沉积磁性多层膜的各层;在沉 积磁性层时,选择施加磁场强度为50〜5000Oe的平面诱导磁场;3) 采用微加工工艺和方法将步骤2)中沉积了磁性多层膜的衬底加工成多边形闭合环状结构;4) 在步骤3)得到的刻蚀成形的多边形闭合环状的磁性多层膜上,利用常规的薄 膜生长手段,沉积一层100〜1000nm绝缘层将各闭合环状多层膜进行掩埋并且相互隔离不同的单元;5) 利用微加工工艺,在多边形闭合环状多层膜的几何中心位置制备一个金属芯, 该金属芯的形状与多边形闭合状的磁性多层膜的形状相匹配,其横截面为多边形;6) 利用微加工工艺的紫外、深紫外曝光或电子束曝光方法,以及聚焦离子束刻蚀 或者化学反应干刻或化学反应湿刻,在沉积有闭合环状多层膜的位置上对绝缘层进行刻 蚀使绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露,得到本发明的包含金属芯的多边形闭合环状的磁 性多层膜;所述的微加工工艺的具体&骤为:首先经过涂胶、斩烘,再在在紫外、深紫外曝光 或电子束曝光机上,根据所需的多边形闭合环状图形对片基进行曝光,接着显影、定影、 后烘,然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成闭合环状,最后用去胶剂浸泡进行去胶;
16、 一种权利要求l、 4、 6、 8、 IO所述的磁性多层膜制作的磁性随机存取存储器,包括:晶体管单元和磁性多层膜单元构成的存储器读写控制单元阵列,该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中;连接所述晶体管单元和所述磁性多层膜存储单元的过渡金属层;以及字线、位线和 地线,所述的字线同时也是所述的晶体管的栅极,所述的位线布置在所述的磁性多层膜 存储单元的上方,并与所述的字线相互垂直,而且与所述的磁性多层膜存储单元直接连 接;其特征在于,所述的磁性多层膜单元的横截面呈多边形闭合环状,该多边形闭合环 的内边边长为10〜100000誰,外边的边长为20〜200000nm,闭合环的宽度在10〜 100000nm之间。
17、 一种应用权利要求13所述的磁性多层膜制作的磁性随机存取存储器,包括:晶体管单元和磁性多层膜单元构成的存储器读写控制单元阵列,该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中;存储单元及其阵列;特征在于,所述存储单元的磁性多层膜单元的横截面呈多边形 闭合环状,并在所述存储单元的磁性多层膜的几何中心位置设置一金属芯,该金属芯具 有与所述存储单元的磁性多层膜单元相应的横截面形状;所述的多边形闭合环的内边边 长为10〜100000nm,外边的边长为20〜200000nm,闭合环的宽度在10〜100000nm之间;连接晶体管单元和含金属芯的闭合状磁性多层膜存储单元的过渡金属层;以及字线和两条位线,所述的字线同时也是所述的晶体管的栅极,所述的两条位线布置在所述的 含金属芯的闭合状磁性多层膜存储单元的上方,其中第--条位线与所述的字线相互垂 直,并且与所述的含金属芯的闭合状磁性多层膜存储单元直接连接,第二条位线与所述 的含金属芯的闭合状磁性多层膜存储单元中的金属芯直接相连,并且由一层绝缘层与第 一条位线相互隔离。
18、 一种应用权利要求13所述的包含金属芯的多边形闭合环状磁性多层膜的磁性 随机存取存储器,包括:第一晶体管单元、第二晶体管单元和磁性多层膜单元构成的存储器读写控制单元阵歹ij,该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中;第一晶体管开关控制读操作,第二晶体 管开关控制写操作;第一晶体管的栅极也作为第一字线,第二品体管的栅极也作为第二 字线;存储单元及其阵列;其特征在于:所述存储单元的磁性多层膜单元的横截面呈多边 形闭合环状,并在所述存储单元的磁性多层膜的几何中心位置设置一金属芯,该金属芯具有与所述存储单元的磁性多层膜单元相应的横截面形状;所述的多边形闭合环的内边 边长为10〜100000nm,外边的边长为20〜200000nm,闭合环的宽度在10〜100000nm 之间;在第一晶体管和第二晶体管的共用漏极、第一品体管的源极、第二品体管的源极之 上分别设置第一导电接触孔、第二导电接触孔、第三导电接触孔,并且分别与及其上的 过渡金属层各自连接;第一接触孔之上的过渡金属层也同时构成所设置的地线;第四导 电接触孔和第二过渡金属层相连;该第二过渡金属层作为底部传导电极与所述的闭合状 含金属芯的磁性多层膜的下端相连,该闭合状含金属芯的磁性多层膜的上端设置位线并 与之相连;所述的设置在闭合状含金属芯的磁性多层膜中心处的金属芯上端与位线接 触,下端与第一过渡金属层连接;由绝缘层覆盖在位线上。
19、 一种权利要求16所述的闭合状磁性多层膜的磁性随机存取存储器的存取存储 的方法,其为通过流经存储单元中的电流的大小和方向来实现MRAM的读操作和写操 作,具体如下:通过控制流经闭合状磁性多层膜存储单元中的电流,当小于低临界值/c/ ,其比特 层磁化状态不会受到改变,实现MRAM的读操作,所述比特层为软磁层;通过控制流经闭合状磁性多层膜存储单元中的电流,当大于低临界值/c/并且小于高临界值/«时,电流的方向将会改变闭合状磁性多层膜存储单元比特层的磁化状态, 通过正向和负向自旋极化隧穿电流的驱动作用和自旋转力矩的联合作用,实现其比特层 的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向,使得比特层与被钉扎磁性层或硬磁层的磁化状 态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反,获得高输出电压和低输出电压两种状态,实现MRAM写操作;所述的低临界值/c/ =电流密度Jc/X闭合状磁性多层膜截面积,电流密度Jc/=10〜 102A/cm2;所述的高临界值=电流密度闭合状磁性多层膜截面积,电流密度々2=io2〜106A/cm2。
20、 一种权利要求17所述的多边形闭合环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器的 存取存储的方法,其为通过对存储单元中的金属芯施加的电流来实现MRAM的写操作, 通过对存储单元RML中的闭合状磁性多层膜施加的隧穿电流来实现MRAM的读操作, 具体如下-通过控制流经闭合状含金属芯的磁性多层膜存储单元的电流小于低临界值/c/时, 其比特层的磁化状态不会受到改变,实现MRAM的读操作;通过控制流经闭合状含金属芯磁性多层膜存储单元中的金属芯中的电流,由于电流 产生的磁场呈环状分布,控制闭合状磁性多层膜的磁化状态,实现MRAM的写操作,具体方法为:当闭合状含金属芯磁性多层膜存储单元中的金属芯中施加电流大于低临界值/(,/并且小于高临界值时,电流的方向将会改变闭合状磁性多层膜存储单元比特层的磁化状态,通过正向和负向的驱动电流产生顺时针或逆时针方向的磁场,实现其比特 层的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向,获得低电阻和高电阻两种状态,实现MRAM 的写操作。
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