具有垂直磁各向异性的MTJ结构制造技术

本发明专利技术提供一种具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构。所述MJT结构包括含有钨基物质的籽晶层，位于所述籽晶层上的包含硼基铁磁材料且具有PMA的第一铁磁层，位于所述第一铁磁层上的隧穿势垒层，以及位于所述隧穿势垒层上且具有PMA的第二铁磁层，其中籽晶层的厚度为1nm‑10nm。相应地，通过使用钨基物质为种子物质，可提供所述MTJ结构，其中即使在350℃‑400℃的高温下可保持其第一铁磁层的结晶性，避免了PMA减少的问题，且因此改善了热稳定性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构，且更特别地，涉及即使在高温下仍具有热稳定性的具有PMA的MTJ结构。
技术介绍
作为新数据存储介质受到关注的下一代非易性失存储器包含铁电随机存取存储器(FeRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、电阻随机存取存储器(ReRAM)、相变随机存取存储器(PRAM)等。这些存储器各自具有优势，且依据用途其研究和开发得到了相当大的发展。其中，MRAM，利用称作磁阻(MR)的量子力学效应的存储装置且具有高密度和较低功率消耗响应的非易失性存储装置，为可代替目前广泛使用的存储装置动态随机存取存储器(DRAM)的大容量存储器装置。两种已知的磁阻效应为巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)。利用两个铁磁层间插入的导体的电阻根据上下铁磁层自旋的方向变化的现象，利用GMR效应的装置存储数据。但是，由于GMR装置具有10％的低MR率(MR率为MR的改变率)，存储的数据的读出信号弱，且因此在实施MRAM最大的挑战是确保读取裕度。同时，依据MTJ效应使用MR改变的磁隧道结(MTJ)元件为使用TMR效应最好的已知装置。MTJ装置以铁磁层/绝缘层/铁磁层的堆叠结构形成。在MTJ装置中，当上层和下层铁磁层自旋方向一样时，两铁磁层间插入隧道绝缘层时隧道效应的可能性最大，且电阻相应地变得最小。另一方面，当自旋方向彼此相反时，隧道效应的可能性最小且电阻相应地变得最大。为了实现两个自旋态，任一铁磁层(磁膜)的磁化方向固定设置以不受外部磁化的影响。通常地，磁化方向固定的铁磁层指固定层或钉扎层(pinnedlayer)。其他铁磁层(磁膜)的磁化方向与钉扎层相同或相反。在此，铁磁层通常指自由层且用于存储数据。在MTJ装置的情况下，MR率(MR率为电阻的改变率)大于50％为当前可获得的，且MTJ装置在MRAM开发中成为主导力量。同时，在MTJ装置中，使用具有垂直磁各向异性(PMA)的材料的MTJ设备正在受到关注。特别地，应用具有PMA的材料的MTJ装置于垂直自旋转移力矩式磁性随机存取存储器(STT-MRAM)等的研究正得到了相当大的发展。自旋转移力矩(STT)式记录方法为诱导反向磁化的方法，其通过直接将电流注入MTJ中替代施加外部磁场。由于不需要附加的外部电线，STT记录方法对高密度集成而言是有利的，用于MTJ的使用PMA的材料可包括CoFeB。尽管CoFeB通常作为具有平面内的磁各向异性的材料而被研究，其被发现在非常低的厚度(约1.5nm或更少)时具有PMA，且因此被积极地研究。已知CoFeB需要有具有Ta/CoFeB/MgO结构的结来展现PMA。在该结构的情况下，B在为目前工艺中的热处理温度的350℃-400℃的高温下扩散，且因此由于CoFeB层和Ta层之间的界面特性和CoFeB层的PMA会退化而存在问题。也就是说由于Ta/CoFeB/MgO结构热稳定非常不好而存在问题。
技术实现思路
技术问题本专利技术提供在高温下具有热稳定性的具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构。技术方案本专利技术的一方面提供了一种磁隧道结(MTJ)结构，其包含含有钨基材料的籽晶层(seedlayer)，位于所述籽晶层上包含硼基铁磁材料具有PMA的第一铁磁层，位于所述第一铁磁层上的隧穿势垒层，以及位于所述隧穿势垒层上且具有PMA的第二铁磁层，其中所述籽晶层的厚度为1nm-10nm。钨基材料可包含W或WB。硼基铁磁材料可包括CoFeB。隧穿势垒层可包含选自由以下组成的组中的至少一种：MgO、Al2O3、HfO2、TiO2、Y2O3和Yb2O3。第一铁磁层在350℃-400℃的温度下进行热处理后可仍保持PMA。此外，籽晶层的所述钨基材料即使在350℃-400℃的温度下进行热处理后可具有β相或者α相和β相混合的混合相。本专利技术的另一方面提供一种磁性装置，其包括多根数字线，跨越数字线上部的多根位线，以及插入在所述数字线和所述位线之间的任一上述磁隧道结(MTJ)结构。有益作用依据本专利技术通过使用钨基材料作为籽晶层的材料，第一铁磁层的结晶性在350℃-400℃的高温下可得到保持，且避免了垂直磁各向异性(PMA)减少的问题。因此，本专利技术提供了即使在高温下具有改善的热稳定性的具有PMA的磁隧道结(MTJ)结构以及包含该结构的磁性装置。本专利技术的作用并不限定于上述作用，并且其他未提及的作用由本领域的技术人员从下面的描述中可清楚地理解。附图简述图1为依据本专利技术的一个实施方案的具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构的横截面图。图2为依据比较例说明MTJ结构的横截面图。图3为依据制备例说明MTJ结构的横截面图。图4为依据比较例的热处理前后MTJ结构的磁特性图。图5为依据制备例的热处理前后MTJ结构的磁特性图。图6为依据制备例的在350℃温度热处理后MTJ结构的磁特性图。图7为依据制备例的在400℃温度热处理后MTJ结构的磁特性图。图8为依据制备例的MTJ结构在350℃温度热处理后的籽晶层的X-射线衍射(XRD)图，其中籽晶层被制备以具有不同的厚度。具体实施方式下文中，将结合附图具体描述本专利技术的实施方式。本专利技术允许各种修改和改变，结合附图对具体实施方案举例说明将在下面详细描述。然而，实施例不以所描述的特定形式限制本专利技术，并且相反，本专利技术依据所附权利要求限定的范围内包括所有的修改、等同及可选方案。当提到元件如层、部位或基底放置于其他元件“上”，可理解为所述元件直接放置于其他元件上或中间元件也可插入其间。尽管术语如第一、第二等可用以描述各种元件、组合物、部位、层和/或区域，但是可理解为各种元件、组合物、部位、层和/或区域不限于这些术语。此外，本专利技术使用的术语“A/B/C多层结构”指B层与C层依次放置于A层上的结构。根据本专利技术的一个实施方案对具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构进行说明。图1为依据本专利技术的一个实施方案的具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构的横截面图。关于图1，该MTJ结构包含基底100、籽晶层200、第一铁磁层300、隧穿势垒层400、第二铁磁层500以及盖层600。基底100可使用由各种已知物质形成的基底。例如，基底100可具有硅树脂基底。基底100也可作为电极提供，同时，在一些情况下，基底100可省略。籽晶层200位于基底100上。籽晶层200可包含钨基材料。钨基材料具有相比于几乎为无定型的多晶Ta更好的结晶性，且用作常规籽晶层材料，以及对硼(B)具有低固溶度。相应地，即使在高的热处理温度下，由于材料在籽晶层200和下文所述的第一铁磁层300间的扩散导致的结晶性下降的问题会被最小化。在此，籽晶层200具有1nm-10nm的厚度。当籽晶层200的厚度小于1nm，存在无法表现出磁特性的问题。这是由于沉积太薄使得籽晶层结晶结构没有恰当形成。此外，当籽晶层200的厚度大于10nm时，存在不能表现出PMA特性的问题。这是由于不同于铁磁层的具有优选结晶取向的籽晶层变得过于厚，且因此铁磁层没有自然优选的结晶取向。此外，优选用于籽晶层200的W由β相W或者α相和β相混合的混合相W形成。W分为α相W和β相W。α相W为纯金属的W，具有体心立方(bcc)(110)结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构，其包括：籽晶层，其含有钨基材料；第一铁磁层，其位于所述籽晶层上，所述第一铁磁层包含硼基铁磁材料且具有PMA；隧穿势垒层，其位于所述第一铁磁层上；以及第二铁磁层，其位于所述隧穿势垒层上且具有PMA，其中所述籽晶层的厚度为1nm‑10nm。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.11 KR 10-2014-0015384;2015.01.27 KR 10-2011.一种具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)结构，其包括：籽晶层，其含有钨基材料；第一铁磁层，其位于所述籽晶层上，所述第一铁磁层包含硼基铁磁材料且具有PMA；隧穿势垒层，其位于所述第一铁磁层上；以及第二铁磁层，其位于所述隧穿势垒层上且具有PMA，其中所述籽晶层的厚度为1nm-10nm。2.权利要求1的MTJ结构，其中所述钨基材料包括W或WB。3.权利要求1的MT...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪镇杓，李傧，
申请(专利权)人：汉阳大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：韩国;KR