具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器制造技术

本发明专利技术实施例提供了一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器，整个多膜层结构在生长完成后经历500℃以上的温度退火，确保了良好的热稳定性。在退火过程中缓冲层的金属铬结晶促进了整体结构的晶向形成。同时由于退火，在铁磁层和第一氧化物势垒层之间形成了电荷俘获，增强了两层之间由于层间耦合而形成的界面垂直磁各向异性。由于各膜层均在纳米量级，得到的多膜层结构还具有尺寸小的优点。本发明专利技术实施例提供的磁随机存储器中的磁隧道结为具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，可以使磁随机存储器的存储密度变高。

Multilayer Structure with Vertical Magnetic Anisotropy at Interface and Magnetic Random Memory

【技术实现步骤摘要】
具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器
本专利技术涉及磁随机存储器
，更具体地，涉及具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器。
技术介绍
目前，磁随机存储器(MagneticRandomAccessMemory，MRAM)和磁逻辑具有非易失性、读写速度快、功耗低和可无限次擦写等优点，受到了工业界和学术界的广泛关注。磁随机存储器和磁逻辑的核心器件是磁隧道结(MagneticTunnelJunction，MTJ)。磁隧道结的基本结构是一种三层薄膜结构，三层薄膜结构具体包括：参考层(referencelayer)、势垒层(barrierlayer)和自由层(freelayer)。其中，参考层和自由层都为铁磁材料，当这两层的磁化方向相同时，结构呈现低阻态，当这两层的磁化方向相反时，结构呈现高阻态。这种现象被称为隧穿磁阻效应(TunnelMagnetoresistance，TMR)，两种阻态分别用于表征二进制数据“0”和“1”。通常的，参考层的磁各向异性保持不变，自由层的磁各向异性可以通过施加电流、磁场和电压等方式进行翻转。为了使磁隧道结中存储的数据能够保存足够长的时间，自由层需要具有较强的热稳定性。自由层的热稳定性可以用热稳定因子Δ(ThermalStabilityFactor)来衡量，一般可以表示为Δ＝kV/kBT，其中k为有效磁各向异性常数，V为自由层体积，kB为玻尔兹曼常数，T为温度。显然，当自由层磁各向异性较弱时，k的取值较小，导致Δ较小，热稳定性低；当器件尺寸减小时，V的取值较小，导致Δ较小，热稳定性亦会降低。2010年，有研究人员制备了基于垂直磁各向异性(PerpendicularMagneticAnisotropy,PMA)的磁隧道结，其主要结构是：钽/钴铁硼/氧化镁/钴铁硼/钽(即Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta)。在该磁隧道结的结构中，Ta/CoFeB界面和CoFeB/MgO界面均能够产生界面垂直磁各向异性，当钴铁硼(CoFeB)界面足够薄的时候，该界面垂直磁各向异性能够克服退磁场，从而使CoFeB层的易磁化轴方向垂直于界面方向。此外，用钼(Mo)或铪(Hf)等替代上述结构中的Ta能够将界面垂直磁各向异性增强20％～35％左右。因此，该磁隧道结的结构一直是研究磁隧道结的基础结构。然而，Ta(Mo,Hf)/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta(Mo,Hf)结构尚存在明显的不足。首先，该结构的界面垂直磁各向异性较弱，导致该结构的热稳定性低较低；其次，因为较弱的界面垂直磁各向异性，为了使易磁化轴垂直于界面方向，就需要较薄的CoFeB层减小退磁场，这会导致磁阻尼系数较大，从而使得该结构的临界翻转电流较大。最后，当横截面尺寸减小时热稳定性会降低，为了保持足够的热稳定性，会增大结构的尺寸，将会导致采用该结构的磁随机存储器的存储密度较低。
技术实现思路
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本专利技术实施例提供了一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器。第一方面，本专利技术实施例提供了一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，包括：保护层、第一氧化物势垒层、铁磁层、第一缓冲层、覆盖层和基底；所述覆盖层、所述第一缓冲层、所述铁磁层、所述第一氧化物势垒层以及所述保护层由下至上依次生长在所述基底上；所述第一缓冲层的材料为金属铬；所述多膜层结构经500℃以上的温度退火得到。第二方面，本专利技术实施例提供了一种磁随机存储器，包括：磁隧道结；所述磁隧道结的结构为第一方面提供的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构。本专利技术实施例提供的一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器，整个多膜层结构在生长完成后经历500℃以上的温度退火，确保了良好的热稳定性。在退火过程中缓冲层的金属铬结晶促进了整体结构的晶向形成。同时由于退火，在铁磁层和第一氧化物势垒层之间形成了电荷俘获，增强了两层之间由于层间耦合而形成的界面垂直磁各向异性。由于各膜层均在纳米量级，得到的多膜层结构还具有尺寸小的优点。本专利技术实施例中的磁随机存储器将具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构作为磁隧道结，可以使磁随机存储器的存储密度变高。此外，传统Ta/CoFeB/MgO结构在300℃以上的温度退火时，其垂直磁各向异性迅速减小，结构的热稳定性较差。在工业生产中，多层互连工艺的磁随机存储器往往需要350℃以上的加工温度，因而导致传统Ta/CoFeB/MgO结构无法满足工业生产的需求。而本专利技术实施例中提到的多膜层结构，退火温度达到600℃左右仍能保持很强的界面垂直磁各向异性，能够满足工业生产中的需求。最后，电压调控磁各向异性(VCMA)相较于电流翻转磁各向异性，能耗大大降低，是未来磁随机存储器发展的一个趋势。传统Ta/CoFeB/MgO结构的电压调控磁各向异性性能微弱，仍需要电流翻转；本专利技术实施例中的多膜层结构具有较高的电压调控磁各向异性性能，不需要强电流即可进行翻转。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。如图1所示，本专利技术实施例提供了一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，包括：保护层1、第一氧化物势垒层2、铁磁层3、第一缓冲层4、覆盖层5和基底6，覆盖层5、第一缓冲层4、铁磁层3、第一氧化物势垒层2以及保护层1由下至上依次生长在基底6上，第一缓冲层4的材料为金属铬。本专利技术实施例中的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构经500℃以上的温度退火得到。具体地，本专利技术实施例中提供的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构中，在基底6上依次生长有覆盖层5、第一缓冲层4、铁磁层3、第一氧化物势垒层2以及保护层1。其中，多层膜结构是指层状的薄膜堆叠结构，各膜层均在纳米量级。本专利技术实施例中的多膜层结构具体可以是指磁隧道结，也可以是其他种类的多膜层结构，本专利技术实施例中对此不作具体限定。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，包括：保护层、第一氧化物势垒层、铁磁层、第一缓冲层、覆盖层和基底；所述覆盖层、第一缓冲层、所述铁磁层、所述第一氧化物势垒层以及所述保护层由下至上依次生长在所述基底上；所述第一缓冲层的材料为金属铬；所述多膜层结构经500℃以上的温度退火得到。

【技术特征摘要】
1.一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，包括：保护层、第一氧化物势垒层、铁磁层、第一缓冲层、覆盖层和基底；所述覆盖层、第一缓冲层、所述铁磁层、所述第一氧化物势垒层以及所述保护层由下至上依次生长在所述基底上；所述第一缓冲层的材料为金属铬；所述多膜层结构经500℃以上的温度退火得到。2.根据权利要求1所述的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，还包括：第二缓冲层，所述第二缓冲层的材料为钼或钨；所述第二缓冲层生长在所述第一缓冲层上；相应地，所述铁磁层生长在所述第二缓冲层上。3.根据权利要求2所述的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，所述第二缓冲层的厚度为0-2nm。4.根据权利要求1-3中任一项所述的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，还包括：第二氧化物势垒层；所述第二氧化物势垒层生长在所述覆盖层上；相应地，所述第一缓冲层生长在所述第二氧化物势垒层上。5.根据权利要求1-3中任一项所述的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，所述保护层和所述第一缓冲层的厚度均为0.2-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂天晓，李晓辉，查丹，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11