磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器制造技术

本发明专利技术提供一种磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器，该磁隧道结参考层包括：反铁磁结构层，包括多个堆叠的金属磁性层单元，每个金属磁性层单元包括一间隔层和位于所述间隔层一侧表面上的一磁性层，本发明专利技术通过金属的间隔层与磁性层多层堆叠形成合成反铁磁结构来增加垂直磁隧道结参考层的热稳定性，而能够降低膜层的设计复杂性、降低成本，在不需要氧化物的情况下形成了具有强垂直磁各向异性、高热稳定性、膜层简单、成本较低的多层膜结构，能够促进磁存储器的大规模使用。

【技术实现步骤摘要】
磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器
本专利技术涉及磁随机存储器
，更具体的，涉及一种磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器。
技术介绍
磁随机存储器具有非易失性、低功耗和无限读写等特点。而基于自旋转移矩的磁随机存储器(STT-MRAM)在速度、面积、写入次数和功耗方面达到了较好的折中，因此被业界认为是构建下一代非易失性缓存的理想器件。磁隧道结(MTJ)是STT-MRAM的核心存储部分，主要由两层磁性层加一层隧穿势垒层组成。两层磁性层包括一层磁化方向固定不变的参考层和磁化方向可以同参考层磁化方向相同或相反的自由层。当自由层磁化方向与参考层平行时，MTJ呈现低阻态，反之MTJ呈现高阻态。这种不同的电阻状态可以用来代表二进制数据的“0”和“1”。磁存储器通过自旋转移矩(STT)来改变自由层磁化方向从而来实现写“0”和写“1”。随着器件尺寸的缩小，面内磁各向异性的磁隧道结会产生严重的边际效应从而影响存储的稳定性，因此具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结被广泛应用于STT-MRAM。此外由于加工工艺(如后道工艺等)的需求，需要磁隧道结承受较高的退火温度(通常为400℃)，因此需要参考层在高的退火温度下保持稳定，否则容易出现读写失败的问题。因此稳定的参考层磁化方向对于STT-MRAM具有重要的意义。目前使用的参考层主要包括两种结构，一种是通过反铁磁材料来钉扎住参考层的磁化方向，另一种方式是通过多层膜形成合成反铁磁结构来钉扎住参考层的磁化方向，但是这两种方式都有他们自身的缺陷。
技术实现思路
为了解决上述不足，本专利技术提供一种磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器。本专利技术第一方面实施例提供一种磁隧道结参考层，包括：其核心为反铁磁结构层，包括多个相互层积的金属磁性层单元，每个金属磁性层单元包括一间隔层和位于所述间隔层一侧表面上的一磁性层。在优选实施例中，还包括：第一氧化物势垒层，位于所述反铁磁结构层的一侧表面上；第二氧化物势垒层，位于所述反铁磁结构层背离所述第一氧化物势垒层的一侧表面上；以及第一缓冲层，位于第二氧化物势垒层背离所述反铁磁结构层的一侧表面上。在优选实施例中，还包括：第二缓冲层，位于所述第一缓冲层背离所述第二氧化物势垒层的一侧表面上；和基底，位于所述第二缓冲层背离所述第一缓冲层的一侧表面上。在优选实施例中，还包括：保护层，位于所述第一氧化物势垒层背离所述反铁磁结构层的一侧表面上。在优选实施例中，所述第一缓冲层和/或所述间隔层包括：钽、钨、钼、铬、铌、钌中的至少一种。在优选实施例中，所述磁性层包括CoFeB、CoFe、FeB、Co、Fe以及Heusler合金中的至少一种。在优选实施例中，所述第一氧化物势垒层和所述第二氧化物势垒层包括：镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物以及钽氧化物中的至少一种。在优选实施例中，所述间隔层的厚度范围为0.1-1nm。本专利技术另一方面实施例提供一种磁隧道结，包括上述的磁隧道结参考层。本专利技术又一方面实施例提供一种磁随机存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括如上所述的磁隧道结。本专利技术的有益效果如下：本专利技术提供一种磁隧道结参考层、磁隧道结以及磁随机存储器，通过金属的间隔层与磁性层多层堆叠形成合成反铁磁结构来增加垂直磁隧道结参考层的热稳定性，降低膜层的设计复杂性、降低成本，在不需要氧化物的情况下形成了具有强垂直磁各向异性、高热稳定性、膜层简单、成本较低的多层膜结构，能够促进磁存储器的大规模使用。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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出了现有技术中一种磁隧道结的结构示意图。图2a示出了现有技术中一种磁隧道结参考层的结构示意图之一。图2b示出了现有技术中一种磁隧道结参考层的结构示意图之二。图3示出了现有技术中一种磁隧道结参考层的结构示意图之三。图4示出了本专利技术实施例中磁隧道结参考层的结构示意图。图5示出了本专利技术实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之一。图6示出了本专利技术实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之二。图7示出了本专利技术实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之三。图8示出了本专利技术实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之四。图9示出了本专利技术实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之五。图10示出了本专利技术实施例中磁隧道结参考层的具体结构示意图之六。图11示出了现有技术中的自旋阀结构示意图。图12示出了本专利技术实施例中自旋阀结构示意图。图13示出了本专利技术实施例中赛道存储器结构示意图。具体实施方式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，都属于本专利技术保护的范围。目前使用的参考层主要包括两种结构，一种是通过反铁磁材料来钉扎住参考层的磁化方向，另一种方式是通过多层膜形成合成反铁磁结构来钉扎住参考层的磁化方向。但是这两种方式都有他们自身的缺陷。图1示出了MTJ的典型示意图，其中参考层中单向的向下黑色箭头代表参考层的磁化方向固定向下、垂直于磁存储器单元器件平面，磁性层中双向的黑色箭头代表磁性层的磁化方向可改变成平行于或反平行于参考层磁化方向。当两个磁性层的磁化方向平行时，MTJ呈现低阻态，反之呈现高阻态。图2a示出了现有技术中磁隧道结参考层的结构示意图之一，图2b示出了现有技术中磁隧道结参考层的结构示意图之二，磁隧道结参考层由合成反铁磁(SAF)层和磁性层组成,磁性层采用CoFeB或CoFe等材料，合成反磁性层通过Pt/Co多层膜实现反铁磁耦合从而钉扎住磁性层保持参考层稳定的磁化方向，为了达到参考层与自由层矫顽力相差较大的目的需要采用多层Pt/Co堆叠的方式增加矫顽场，中间层材料使用Ru等金属实现反铁磁耦合。采用Pt/Co多层膜构建参考层通过Pt/Co多层膜形成反铁磁耦合可以钉扎住参考层磁化方向，通过Pt/Co多层膜构建参考层主要有两种方式：如图2a，在Pt/Co多层膜和磁性层中间插入间隔层材料Ru实现两层的反铁磁耦合；或者如图2b，通过两层Pt/Co多层膜构建合成反铁磁结构进一步钉扎住参考层磁化方向。但是通过Pt/Co多层膜实现反铁磁耦合构建钉扎层的方式虽然可以实现参考层磁化方向的保持，但是此种方式成本较高且增加了系统的复杂性。此外因为该体系中Pt/Co的热稳定性不高因此限制了加工工艺。图3示出了现有技术中通过反磁性层与合成反磁性层结合的方式固定参考层磁化方向的磁隧道结参考层结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁隧道结参考层，其特征在于，包括：/n反铁磁结构层，包括多个堆叠的金属磁性层单元，每个金属磁性层单元包括一间隔层和位于所述间隔层一侧表面上的一磁性层。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁隧道结参考层，其特征在于，包括：
反铁磁结构层，包括多个堆叠的金属磁性层单元，每个金属磁性层单元包括一间隔层和位于所述间隔层一侧表面上的一磁性层。


2.根据权利要求1所述的磁隧道结参考层，其特征在于，还包括：
第一氧化物势垒层，位于所述反铁磁结构层的一侧表面上；
第二氧化物势垒层，位于所述反铁磁结构层背离所述第一氧化物势垒层的一侧表面上；以及
第一缓冲层，位于第二氧化物势垒层背离所述反铁磁结构层的一侧表面上。


3.根据权利要求2所述的磁隧道结参考层，其特征在于，还包括：
第二缓冲层，位于所述第一缓冲层背离所述第二氧化物势垒层的一侧表面上；和
基底，位于所述第二缓冲层背离所述第一缓冲层的一侧表面上。


4.根据权利要求2所述的磁隧道结参考层，其特征在于，还包括：
保护层，位于所述第一氧化物势垒层背离所述反铁磁结构层的一侧表面上。


5.根据权利要求2所述的磁隧道结参考层，其特征在于，所述第一缓冲层和/或所述间隔层包括：钽、钨、钼、铬、铌、钌中的至少一种。


6.根据权利要求1所述的磁隧道结参考层，其特征在于，所述磁性层包括CoFeB、CoFe、FeB、Co、Fe以及Heusler合金中的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵巍胜，程厚义，曹凯华，王戈飞，
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