磁性隧道结及具有其的磁性随机存储器制造技术

本发明专利技术提供了一种磁性隧道结及具有其的磁性随机存储器。该磁性隧道结包括顺序层叠设置的磁性固定层、势垒层和复合自由层，其中，复合自由层包括顺序层叠设置的第一磁性层，第二磁性层和石墨烯覆盖层，石墨烯覆盖层位于第二磁性层远离势垒层的一侧，且第一磁性层与第二磁性层具有垂直的磁化方向。由于石墨烯具有超长的自旋电流传输距离(微米级)远大于普通金属中的10纳米量级，还具有较低的电阻率，从而在第一磁性层与势垒层界面提供第一垂直各向异性的基础上，使第二磁性层能够与石墨烯覆盖层形成第二强垂直各向异性，进而使得磁性隧道结在总磁性层厚度较大的基础上依然能够保持优异的垂直各向异性。

Magnetic tunnel junction and magnetic random access memory with it

【技术实现步骤摘要】
磁性隧道结及具有其的磁性随机存储器
本专利技术涉及数据存储
，具体而言，涉及一种磁性隧道结及具有其的磁性随机存储器。
技术介绍
磁性隧道结(MTJ)是基于隧道磁阻(TMR)效应的器件，通常由两层磁性层和介于磁性层中间的介质层组成。第一磁性层磁化取向固定(固定层)，而第二磁性层磁化取向可通过磁场或电流改变(自由层)，进而使两层磁性层的磁化方向处于平行或反平行态，对应低电阻态和高电阻态，可以用来存储信息。自旋转移力矩磁性随机存储器(ST-MRAM)利用电流改变MTJ状态，较传统存储器件具有很多方面的优势，是一种极具潜力的新型存储器。该存储器除了具有电路设计简单、读写速度快以及无限次擦写等优点外，相对于传统存储器如DRAM的最大优势为非易失性(断电数据不丢失)。自由层(磁记录层)的磁性方向可以由外场(H)或者写电流(I)操控。当自由层磁化方向和固定层平行或反平行时，可以分别对应数据0或者1。ST-MRAM的一个核心优势为其非易失型，即断电后ST-MRAM中存储的数据不会丢失，这就要求MTJ中两态之间必须有足够的势垒来阻挡热激活效应导致的磁翻转。依据统计概率，数据保持时间可以表达为：τ＝τ0expΔ＝τ0exp(E/kBT)，其中，τ0为特征时间；E为能量势垒高度，取决于各向异性能和自由层体积；Δ为约化后的能量势垒高度。为了达到10年的数据保持时间，需要满足Δ＞41。对于现在主流的垂直磁化材料，Δ＝HkAt/kBT，其中，Hk为有效垂直各向异性，A和t分别为存储单元MTJ中自由层的面积和厚度，T为温度，kB为玻尔兹曼常数。随着存储单元尺寸降低，面积A与尺寸成平方关系减小，为了达到同样的数据保存时间，需要增加厚度并且不能降低有效各向异性能。然而，垂直磁性各向异性主要来自于界面，因此，磁各向异性随磁性薄膜厚度增加而降低。以常用的垂直各向异性材料为例(如MgO|CFB|Ta)，只有在磁性层CFB厚度低于大约1.5nm时才表现为垂直各向异性。为了提高随磁性薄膜厚度增加而降低的磁各向异性，在增加磁性薄膜(如CFB)厚度的同时，往往需要在磁性薄膜中引入界面，例如采用MgO|CFB(1～1.5nm)|Ta(0.2～0.5)nm|CFB(1～1.5nm)|Ta结构。通过引入较薄的金属分离层20＇(即位于两层CFB之间的Ta材料层)得到磁性层10＇|金属分离层20＇|磁性层10＇结构(如图1所示)，使得复合自由层中两层磁性层10＇都表现为垂直各向异性，且两层为铁磁耦合，在翻转过程中保持方向一致。该方法能够保持垂直各向异性，但薄膜中引入非磁性金属层会影响材料的阻尼系数和自旋极化率。进一步地，还可以采用重金属的顶部覆盖层30＇，以得到顶部覆盖层30＇|磁性层10＇|金属分离层20＇|磁性层10＇结构(如图1所示)，通过界面处的自旋轨道耦合提供较强的界面垂直各向异性。然而，上述方法一般会显著增加阻尼系数，从而增大写电流，进而增大了MRAM能耗以及写电压并降低可插写次数。也可以采用MgO形成顶部覆盖层，MgO覆盖层提供额外的垂直各向异性。然而，该方法会导致电阻-面积乘积(RA)增大，降低TMR，因此MgO覆盖层需要采用低电阻面积工艺。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种磁性隧道结及具有其的磁性随机存储器，以解决现有技术中的磁性隧道结的磁各向异性随磁性薄膜厚度增加而降低的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种磁性隧道结，包括顺序层叠设置的磁性固定层、势垒层和复合自由层，其中，复合自由层包括顺序层叠设置的第一磁性层，第二磁性层和石墨烯覆盖层，石墨烯覆盖层位于第二磁性层远离势垒层的一侧，且第一磁性层与第二磁性层具有垂直的磁化方向。进一步地，第一磁性层与第二磁性层的厚度之和大于1.5nm。进一步地，第一磁性层的厚度大于0.7nm。进一步地，第二磁性层的厚度为0.2nm～1.5nm。进一步地，形成第一磁性层的材料为CoFeB或CoFe。进一步地，形成第二磁性层的材料选自Co、Ni和Fe中的任一种或多种组成的合金。进一步地，磁性隧道结还包括设置于第一磁性层与第二磁性层之间的第一非磁性金属层，优选第一非磁性金属层的厚度为0.2nm～1nm。进一步地，形成第一非磁性金属层的材料选自Mo、Pt、Ta、Ir、W、Pd和Ru中的任一种。进一步地，磁性固定层包括层叠设置的第三磁性层、第二非磁性金属层和人工反铁磁层，且人工反铁磁层位于第二非磁性金属层远离势垒层的一侧。根据本专利技术的另一方面，提供了一种磁性随机存储器，包括磁性隧道结，磁性隧道结为上述的磁性隧道结。应用本专利技术的技术方案，提供了一种包括顺序层叠设置的磁性固定层、势垒层和复合自由层的磁性隧道结，由于该复合自由层包括顺序层叠设置的第一磁性层，第二磁性层和石墨烯覆盖层，石墨烯覆盖层位于第二磁性层远离势垒层的一侧，且第一磁性层与第二磁性层具有垂直的磁化方向，石墨烯具有超长的自旋电流传输距离(微米级)远大于普通金属中的10纳米量级，还具有较低的电阻率，从而在第一磁性层与势垒层界面提供第一垂直各向异性的基础上，使第二磁性层能够与石墨烯覆盖层形成第二强垂直各向异性，进而使得磁性隧道结在总磁性层厚度较大的基础上依然能够保持优异的垂直各向异性。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1示出了现有技术中所提供的一种复合自由层的剖面结构示意图；图2示出了本专利技术实施方式所提供的一种磁性隧道结的剖面结构示意图；图3示出了本专利技术实施方式所提供的另一种磁性隧道结的剖面结构示意图。其中，上述附图包括以下附图标记：10＇、磁性层；20＇、金属分离层；30＇、顶部覆盖层；10、磁性固定层；20、势垒层；30、复合自由层；310、第一磁性层；320、第二磁性层；330、石墨烯覆盖层；340、第一非磁性金属层。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，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，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。正如
技术介绍
中所介绍的，现有技术中垂直磁性各向异性主要来自于界面，因此，磁各向异性随磁性薄膜厚度增加而降低。本专利技术的专利技术人针对上述问题进行研究，提出了一种磁性隧道结，如图2和图3所示，包括顺序层叠设置的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括顺序层叠设置的磁性固定层(10)、势垒层(20)和复合自由层(30)，其中，所述复合自由层(30)包括顺序层叠设置的第一磁性层(310)，第二磁性层(320)和石墨烯覆盖层(330)，所述石墨烯覆盖层(330)位于所述第二磁性层(320)远离所述势垒层(20)的一侧，且所述第一磁性层(310)与所述第二磁性层(320)具有垂直的磁化方向。

【技术特征摘要】
1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括顺序层叠设置的磁性固定层(10)、势垒层(20)和复合自由层(30)，其中，所述复合自由层(30)包括顺序层叠设置的第一磁性层(310)，第二磁性层(320)和石墨烯覆盖层(330)，所述石墨烯覆盖层(330)位于所述第二磁性层(320)远离所述势垒层(20)的一侧，且所述第一磁性层(310)与所述第二磁性层(320)具有垂直的磁化方向。2.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第一磁性层(310)与第二磁性层(320)的厚度之和大于1.5nm。3.根据权利要求1或2所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第一磁性层(310)的厚度大于0.7nm。4.根据权利要求1或2所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第二磁性层(320)的厚度为0.2nm～1.5nm。5.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，形成所述第一磁性层(310)的材料为CoFeB或CoF...

【专利技术属性】
技术研发人员：何世坤，竹敏，韩谷昌，
申请(专利权)人：中电海康集团有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33