一种垂直磁性隧道结多层膜结构及其制备方法、存储单元技术

本发明专利技术涉及一种垂直磁性隧道结多层膜结构，包括基片层，所述基片层的化学性能稳定且表面平整；势垒层，所述势垒层包括非磁氧化物；铁磁层，所述铁磁层包括至少一个合金层；附加层，所述附加层包括Mo；其中，所述附加层是设置在所述基片层与所述铁磁层之间的缓冲层，或者是设置在最外层的覆盖层，或者是设置在两个合金层之间的插层。

A vertical magnetic tunnel junction multilayer structure, its preparation method and storage unit

The present invention relates to a vertical magnetic tunnel junction multilayer film structure, which comprises a substrate layer with stable chemical performance and smooth surface, a barrier layer comprising non-magnetic oxides, a ferromagnetic layer comprising at least one alloy layer, and an additional layer comprising Mo, wherein the additional layer is arranged on the substrate layer and the ferromagnetic layer. The buffer layer between the two layers is either the outermost covering layer or the intercalation layer between the two alloy layers.

【技术实现步骤摘要】
一种垂直磁性隧道结多层膜结构及其制备方法、存储单元
本专利技术涉及存储器领域，特别涉及一种垂直磁性隧道结多层膜结构及其制备方法、存储单元。
技术介绍
磁性隧道结在信息存储方面具有重要的作用，例如，基于磁性隧道结的磁性随机存储器(MRAM)就是一种被广泛关注的高密度非易失性存储器。通常情况下，根据磁性隧道结铁磁性电极磁化方向与膜面方向关系的不同，可将磁性隧道结分为易磁化方向平行于膜面的面内磁隧道结，以及易磁化方向垂直于膜面(具有垂直磁各向异性)的垂直磁隧道结。在早期阶段，面内磁隧道结技术发展较快，人们通过研究不断刷新的最高隧穿磁电阻(TunnelMagnetoResistance，TMR)的记录。但是随着高密度MRAM的推广，由面内磁隧道结构成的磁性单元的存在单磁畴结构退化、热稳定差、信息写入过程能耗高等问题已无法跟随高密度存储器的发展需求；而垂直磁隧道结由于不存在磁畴边缘效应，并且具有垂直膜的各向异性通常都很大，超顺磁极限尺寸要小得多，垂直膜磁化反转的电流密度相对较小等优势逐渐成为研究热点。现有技术中提供了一种利用磁控生长的方式在Ta/CoFeB/MgO体系中通过降低CoFeB的厚度实现铁磁层的垂直易磁化的方法，这种方法虽然实现了较高的TMR，但是由于该体系的温度稳定性不够好，经过300℃以上退火数十秒后，垂直隧道结的垂直各向异性急剧降低，使其很难与MRAM的CMOS工艺相匹配。因此，需要提供一种温度稳定性好且TMR较高的垂直磁性隧道结多层膜结构。
技术实现思路
本专利技术提供一种垂直磁性隧道结多层膜结构，包括基片层，所述基片层的化学性能稳定且表面平整；势垒层，所述势垒层包括非磁氧化物；铁磁层，所述铁磁层包括至少一个合金层；附加层，所述附加层包括Mo；其中，所述附加层是设置在所述基片层与所述铁磁层之间的缓冲层，或者是设置在最外层的覆盖层，或者是设置在两个合金层之间的插层。优选的，所述多层膜结构包括一个所述铁磁层，所述铁磁层是包括具有一层合金的非晶铁磁层，或者是具有两层合金的非晶耦合铁磁层，其中，所述非晶耦合铁磁层的两层合金之间设有所述插层。优选的，所述多层膜结构由下至上依次包括所述基片层、所述势垒层、所述铁磁层和所述覆盖层。优选的，所述多层膜结构由下至上依次包括所述基片层、所述缓冲层、所述铁磁层和所述势垒层。优选的，所述多层膜结构包括两个所述势垒层；所述多层膜结构由下至上依次包括所述基片层、所述第一势垒层、所述非晶耦合铁磁层和所述第二势垒层。优选的，所述多层膜结构包括两个所述铁磁层，所述铁磁层是包括具有一层合金的非晶铁磁层，或者是具有两层合金的非晶耦合铁磁层，其中，所述非晶耦合铁磁层的两层合金之间设有所述插层。优选的，所述多层膜结构由下至上依次包括所述基片层、所述缓冲层、所述第一铁磁层、所述势垒层、所述第二铁磁层以及所述覆盖层。优选的，所述第二铁磁层的合金是CoFeB合金。优选的，所述合金是FexNiyBz合金，其中，x、y、z分别满足条件：x+y+z＝1，2y＜x＜15y，0.2(x+y)＜z＜0.4(x+y)。优选的，所述非晶铁磁层的一层合金厚度为0.5-3nm；所述非晶耦合铁磁层的两层合金厚度分别为0.3-10nm。优选的，所述附加层的厚度为3-20nm。优选的，所述基片层包括硅和/或玻璃；所述非磁氧化物包括MgO，Al2O3，MgAlO和SiO2中的至少一种。根据本专利技术的另一个方面，还提供一种制备如上所述的多层膜结构的方法，采用磁控溅射的方式，在表面氧化的所述基片层上依次沉积所述多层膜结构的其它各层，获得多层膜材料；在沉积完成之后，将所述多层膜材料在真空无外场条件下进行退火，获得所述多层膜结构。优选的，所述退火温度是400度，所述退火操作时长是30分钟，所述真空条件优于6×10-6Pa，所述磁控溅射采用的溅射气体是Ar，气压是0.2Pa。根据本专利技术的另一个方面，还提供一种存储单元，包括如上所述的多层膜结构。相对于现有技术，本专利技术取得了如下有益技术效果：本专利技术提供的垂直磁性隧道结及存储单元，采用了以Mo、FeNiB和非磁氧化物为核心的层状结构，克服了现有技术中对于Mo等非磁性材料不能实现FeNiB磁性层的垂直磁化的技术偏见；本专利技术提供的垂直性隧道结多层膜结构具有极高的TMR和良好的温度稳定性；本专利技术提供的垂直性隧道结多层膜结构中的Mo层还可以用于替换CoFeB/MgO薄膜体系中的Ta层，拓宽了CoFeB/MgO薄膜体系的材料选择；本专利技术提供的垂直性隧道结多层膜结构因具有较高的TMR和良好的温度稳定性，还可以广泛用于制造高密度的存储单元，例如非易失性存储器。附图说明图1是本专利技术优选实施例提供的垂直磁性隧道结多层膜结构示意图。图2是图1所示垂直磁性隧道结在垂直于膜面和平行于膜面方向的磁化曲线。图3是图1所示垂直磁性隧道结的界面各向异性能的Keff·t-t曲线。图4是本专利技术另一实施例提供的垂直磁性隧道结多层膜结构示意图。图5是本专利技术另一实施例提供的垂直磁性隧道结多层膜结构示意图。图6是图5所示垂直磁性隧道结在垂直于膜面和平行于膜面方向的磁化曲线。图7是本专利技术另一实施例提供的垂直磁性隧道结多层膜结构示意图。图8是图7所示垂直磁性隧道结在垂直于膜面和平行于膜面方向的磁化曲线。图9是图7所示垂直磁性隧道结微结构的隧穿磁电阻的测量曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本专利技术的实施例中提供的垂直磁性隧道结及存储单元进一步详细说明。除了前述提到的CoFeB/MgO体系，现有技术中还提出了以FeNiB层做为磁性层的垂直磁性隧道结，这种垂直磁性隧道结通过将Zr、Hf、Y、Nb、Ti、Ta、Ti50W50、Ni70Zr30等薄膜作为FeNiB/MgO的缓冲层或者MgO/FeNiB的覆盖层，可以获得较高的温度稳定性；但与此同时，受技术偏见影响，研究人员普遍认为Mo等非磁性材料不能实现FeNiB磁性层的垂直磁化。但是，专利技术人经过了大量实验发现，以Mo、FeNiB和非磁氧化物为核心的层状结构是具有极高温度稳定性的垂直薄膜体系，并且在以Mo/FeNiB/MgO和MgO/FeNiB/Mo为核心的垂直磁性隧道结中可以获得很大的TMR；同时还发现，Mo层不仅可以用于实现FeNiB磁性层的垂直磁化，还可以替换CoFeB/MgO薄膜体系中的Ta层，大幅度提高该体系的温度稳定性。下面将结合具体实施例来介绍本专利技术提供的以FexNiyBz作为铁磁层，结合氧化物势垒层和Mo层作为核心结构的垂直磁性隧道结，其中，x、y、z分别满足条件：x+y+z＝1，2y＜x＜15y，0.2(x+y)＜z<0.4(x+y)。实施例一该实施例提供了一种垂直磁性隧道结多层膜结构及其制备方法，参见图1所示的垂直磁性隧道结多层膜结构示意图，该实施例的垂直磁性隧道结多层膜结构由下至上依次包括：硅、玻璃或其它化学性能稳定且表面平整的物质构成的基片(例如，热氧化的硅基片)、厚度为1.0-20.0nm的氧化物势垒层、厚度为0.5-3nm的FeNiB非晶铁磁层M1以及厚度为3-20nm的由Mo构成的覆盖层。其中，构成氧化物势垒层的材料可以是MgO，Al2O3，MgAIO，SiO2等氧化物，此处以MgO为例进行说明。该实施例的垂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直磁性隧道结多层膜结构，包括基片层，所述基片层的化学性能稳定且表面平整；势垒层，所述势垒层包括非磁氧化物；铁磁层，所述铁磁层包括至少一个合金层；附加层，所述附加层包括Mo；其中，所述附加层是设置在所述基片层与所述铁磁层之间的缓冲层，或者是设置在最外层的覆盖层，或者是设置在两个合金层之间的插层。

【技术特征摘要】
1.一种垂直磁性隧道结多层膜结构，包括基片层，所述基片层的化学性能稳定且表面平整；势垒层，所述势垒层包括非磁氧化物；铁磁层，所述铁磁层包括至少一个合金层；附加层，所述附加层包括Mo；其中，所述附加层是设置在所述基片层与所述铁磁层之间的缓冲层，或者是设置在最外层的覆盖层，或者是设置在两个合金层之间的插层。2.根据权利要求1所述的多层膜结构，其特征在于，所述多层膜结构包括一个所述铁磁层，所述铁磁层是包括具有一层合金的非晶铁磁层，或者是具有两层合金的非晶耦合铁磁层，其中，所述非晶耦合铁磁层的两层合金之间设有所述插层。3.根据权利要求2所述的多层膜结构，其特征在于，所述多层膜结构由下至上依次包括所述基片层、所述势垒层、所述铁磁层和所述覆盖层。4.根据权利要求2所述的多层膜结构，其特征在于，所述多层膜结构由下至上依次包括所述基片层、所述缓冲层、所述铁磁层和所述势垒层。5.根据权利要求2所述的多层膜结构，其特征在于，所述多层膜结构包括两个所述势垒层；所述多层膜结构由下至上依次包括所述基片层、所述第一势垒层、所述非晶耦合铁磁层和所述第二势垒层。6.根据权利要求1所述的多层膜结构，其特征在于，所述多层膜结构包括两个所述铁磁层，所述铁磁层是包括具有一层合金的非晶铁磁层，或者是具有两层合金的非晶耦合铁磁层，其中，所述非晶耦合铁磁层的两层合金之间设有所述插层。7.根据权利要求6所述的多层膜结构，其特征在于，所述多层膜结构由下至上依次包括所述基片层、...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏鉴，蔡建旺，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11