磁性隧道结结构及磁性随机存储器制造技术

本申请提供一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器，所述磁性隧道结结构包括四亚层的多层材料结构形成的覆盖层。本申请通过多层覆盖层结构设计，可在结电阻面积积缩小的前提下，保持相对较高的隧穿磁阻率，同时避免覆盖层在沉积或/和退火工艺中，被沉积的金属穿过覆盖层，而到达自由层/底部覆盖层的界面，以保持热稳定性。

【技术实现步骤摘要】
磁性隧道结结构及磁性随机存储器
本专利技术涉及存储器
，特别是关于一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器。
技术介绍
磁性随机存储器(Magneticrandomaccessmemory，MRAM)在具有垂直各向异性(PerpendicularMagneticAnisotropy；PMA)的磁性隧道结(Magnetictunneljunction；MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”，在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向会保持不变；在写的过程中，如果与现有状态不相同的信号输入时，则自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生一百八十度的翻转。磁随机存储器的自由层磁化方向保持不变的能力叫做数据保存能力或者是热稳定性，在不同的应用情况中要求不一样，对于一个典型的非易失存储器(Non-volatileMemory，NVM)而言，例如：应用于汽车电子领域，数据保存能力要求是在125℃或150℃的条件下可以保存数据至少十年，在外磁场翻转，热扰动，电流扰动或读写多次操作时，都会造成数据保持能力或者是热稳定性的降低。为了提升MRAM的存储密度与满足更高技术节点的CMOS的电路要求，磁性隧道结的关键尺寸(CriticalDimension，CD)越来越小，相对的，磁性隧道结的电阻面积积(ResistanceAreaProduct，RA)也越来越小。在磁性隧道关键尺寸减小的同时，要求保证足够高的隧穿磁阻率(TunnelMagnetoresistanceRatio，TMR)，以保证较高的读取速度。为了减小RA，通常会减小底部覆盖层的厚度，但晶体结构会急剧变差，后续沉积的金属覆盖层，容易在沉积或/和后续的退火工艺中，穿过覆盖层而到达自由层与覆盖层的界面，影响MTJ单元结构的界面特性，使热稳定性变差。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种的多层覆盖层的磁性隧道结结构及磁性随机存储器。本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本申请提出的一种磁性隧道结结构，其由上至下结构包括覆盖层(CappingLayer，CL)、自由层(FreeLayer，FL)、势垒层(TunnelingBarrierLayer，TBL)、参考层(ReferenceLayer，RL)、晶格隔断层(CrystalBreakingLayer，CBL)、反铁磁层(SyntheticAnti-FerromagnetLayer，SyAF)与种子层(SeedLayer；SL)，其中，所述覆盖层包括：第一覆盖层，由具有NaCl晶系立方晶格结构的MgO形成，用于为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性界面；第二覆盖层，设置于所述第一覆盖层上方，为具有高电负性的金属或导电非金属形成；第三覆盖层，设置于所述第二覆盖层上方，由低Z导电材料形成；第四覆盖层，设置于所述第三覆盖层上方，形成材料为Ru和/或Ir。本申请解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。在本申请的一实施例中，所述第一覆盖层的总厚度为0.4nm～1.2nm；所述第一层覆盖层的形成是通过直接对MgO靶材进行溅射沉积，或者通过先对Mg靶材进行溅射沉积，再通过氧化工艺将沉积的Mg金属变为MgO；更进一步地，所述第一覆盖层形成之后，先执行加热工艺来进行热处理，再冷却到室温或超低温，以形成所述NaCl晶系立方晶格结构。在本申请的一实施例中，沉积MgO或Mg工艺采用PVD工艺实现，其工作压力为0.1mTorr～10.0mTorr。在本申请的一实施例中，所述氧化工艺采用O，O2或O3的方式实现，其工作气压采用常压或采用超低压，其中，所述超低压小于0.1mTorr。在本申请的一实施例中，采用先进行Mg沉积，在进行氧化生成MgO的工艺技术方案时，是通过一次沉积一次氧化实现，或者通过多次沉积多次氧化实现。在本申请的一实施例中，采用高温对MgO或Mg进行沉积。在本申请的一实施例中，所述加热工艺采用红外或微波作为辐射源，其温度为150℃～600℃。在本申请的一实施例中，所述加热工艺进行期间，通入He，N2，Ne，Ar，Kr或Xe气体。在本申请的一实施例中，热处理时间为10秒～1小时不等。在本申请的一实施例中，所述加热工艺进行期间，引入垂直磁场，其磁场强度为1.5T～5.0T；所述垂直磁场的磁化方向垂直于所述第一覆盖层的膜平面。在本申请的一实施例中，所述超低温为10K～20K，优选的为10K，77K，100K或20K。在本申请的一实施例中，冷却作业之前，通入He气体。在本申请的一实施例中，所述第二覆盖层的总厚度为0.15nm～0.5nm；所述第二覆盖层的形成材料为Mo，W，Tc，Re，Ru，Os，Ir，Rh，Pd，Pt，Cu，Au，Ag，C，Si或Ge。在本申请的一实施例中，所述第二覆盖层为溅射沉积形成。在本申请的一实施例中，溅射沉积气压为2mTorr～50mTorr，优选为10mTorr～50mTorr。在本申请的一实施例中，溅射离子源为Ar+，Kr+或Xe+，优选为Kr+或Xe+。在本申请的一实施例中，溅射沉积能量为20eV～700eV，优选为20eV～150eV。在本申请的一实施例中，所述第三覆盖层的总厚度为1.0nm～10.0nm，形成材料为Mg，Sc，Ti，Mo，Tc，Zr，V，Cr，Nb，Mn，Cu，Ga，Si，Al，Li，Zn或其组合。在本申请的一实施例中，所述第四覆盖层的材料为Ru和/或Ir，其总厚度为1.0nm～7.0nm，作为后续刻蚀工艺的刻蚀阻挡层。本申请另一目的为提供一种磁性随机存储器，其储存单元包括如前所述磁性隧道结结构中任一者，设置于所述磁性隧道结结构上方的顶电极，及设置于所述磁性隧道结结构下方的底电极。在本申请的一实施例中，在所述底电极、种子层、反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层和顶电极沉积之后，在不小于350℃的温度下进行至少30分钟的退火操作。本申请通过多层覆盖层结构设计，可在结电阻面积积缩小的前提下，保持相对较高的隧穿磁阻率，同时避免覆盖层在沉积或/和退火工艺中，被沉积的金属穿过覆盖层，而到达自由层/底部覆盖层的界面，以保持热稳定性。附图说明图1为范例性的磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；图2为本申请实施例磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；图3为本申请实施例的第一覆盖层进行加热和冷却的示意图；图4a为本申请实施例的第一覆盖层进行加热和冷却处理前MgO覆盖层中原子排列示意图；图4b为本申请实施例的第一覆盖层进行加热和冷却处理后MgO覆盖层中原子排列示意图；图5为本申请实施例的第一覆盖层之上沉积第二覆盖层的示意图；图6为元素电负性周期表。具体实施方式请参照附图中的图式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构，设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结由上至下结构包括覆盖层、自由层、势垒层、参考层、晶格隔断层、反铁磁层与种子层，其特征在于，所述覆盖层包括：/n第一覆盖层，由具有NaCl晶系立方晶格结构的MgO形成，用于为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性界面；/n第二覆盖层，设置于所述第一覆盖层上方，为具有高电负性的金属或导电非金属形成；/n第三覆盖层，设置于所述第二覆盖层上方，由低Z导电材料形成；/n第四覆盖层，设置于所述第三覆盖层上方，形成材料为Ru和/或Ir。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构，设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结由上至下结构包括覆盖层、自由层、势垒层、参考层、晶格隔断层、反铁磁层与种子层，其特征在于，所述覆盖层包括：
第一覆盖层，由具有NaCl晶系立方晶格结构的MgO形成，用于为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性界面；
第二覆盖层，设置于所述第一覆盖层上方，为具有高电负性的金属或导电非金属形成；
第三覆盖层，设置于所述第二覆盖层上方，由低Z导电材料形成；
第四覆盖层，设置于所述第三覆盖层上方，形成材料为Ru和/或Ir。


2.如权利要求1所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第一覆盖层的总厚度为0.4nm～1.2nm；所述第一层覆盖层的形成是通过直接对MgO靶材进行溅射沉积，或者通过先对Mg靶材进行溅射沉积，再通过氧化工艺将沉积的Mg金属变为MgO；所述第一覆盖层形成后作加热工艺进行热处理，再冷却到室温或超低温，以形成所述NaCl晶系立方晶格结构。


3.如权利要求2所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，沉积MgO或Mg工艺采用PVD工艺实现，其工作压力为0.1mTorr～10.0mTorr；所述氧化工艺采用O，O2或O3的方式实现，其工作气压采用常压或采用超低压，其中，所述超低压小于0.1mTorr；采用先进行Mg沉积，在进行氧化生成MgO的工艺技术方案时，是通过一次沉积一次氧化实现，或者通过多次沉积多次氧化实现；采用高温对MgO或Mg进行沉积。


4.如权利要求2所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云森，郭一民，陈峻，肖荣福，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31