磁性隧道结结构及其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其磁性随机存储器，所述磁性隧道结结构的反铁磁层的铁磁超晶格层与参考层结合，形成具有超薄反铁磁层和参考层双层结构，调节所述反铁磁层和所述参考层在垂直方向的饱和磁矩以调节其在所述自由层的漏磁场，其令磁性隧道结具有相对较佳的漏磁场写电流的调控能力，有利于磁性隧道结单元在磁学，电学和良率的提升以及器件的缩微化。微化。微化。

【技术实现步骤摘要】
磁性隧道结结构及其磁性随机存储器


[0001]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其磁性随机存储器。

技术介绍

[0002]磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy；PMA)的磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction；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(Data Retention)或者是热稳定性(Thermal Stability)，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-volatile Memory，NVM)而言，数据保存能力要求是在125℃的条件下可以保存数据至少10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，所以常会采用反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)超晶格来实现参考层(Reference Layer，RL)的钉扎。反铁磁层(SyAF)通常含有两层具有强烈垂直各向异性的超晶格铁磁层，通过一层钌以实现双层超晶格铁磁层的反铁磁耦合。然而，此种设计仍较难有效的降低漏磁场对自由层的影响。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种磁性隧道结结构及其磁性随机存储器，实现参考层钉扎、晶格转换、增强铁磁耦合与整体膜层结构薄化。
[0004]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。
[0005]依据本申请提出的一种磁性隧道结结构，由上至下结构包括覆盖层(Capping Layer，CL)、自由层(Free Layer，FL)、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TB)、参考层(Reference Layer，RL)、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)、种子层(Seed Layer，SL)、缓冲层(Buffer Layer，BL)。
[0006]所述参考层(RL)的结构为Fe、FeB、FeCoB或者(Fe或FeB)/(CoB，CoFe，CoFeB，FeC，CoC或CoFeC)；所述反铁磁层结构为[X/Pt]n/Y/Z，[X/Pd]n/Y/Z，CoPt/Z，FePt/Z，NiPt/Z，CoFePt/Z，CoPd/Z，FePd/Z，NiPd/Z，CoFePt/Z；其中，2≤n≤10；X、Y选自Co,Ni，Fe，CoFe，CoNi，NiFe，NiCo，CoNiFe，FeB，CoB，CoFeB中之一者或者其组成的双层及其以上的多层结构，Z为复合反铁磁耦合层，其材料选自Cu，Ir，Rh，Cr，Re，V，Mo，Nb，Zr，W，Ta，Hf，Os，Tc，Mn中至少一者，或其合金、或其组成的双层及其以上的多层结构。用于实现参考层和反铁磁层反铁磁层耦合的复合反铁磁耦合层，设置于所述反铁磁层上或是结合于所述反铁磁层中，由可形成反铁磁耦合的过渡金属材料形成；所述反铁磁层配合所述复合反铁磁耦合层以实现
所述参考层有效钉扎，调节所述反铁磁层和所述参考层在垂直方向的饱和磁矩以调节其在所述自由层的漏磁场。
[0007]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。
[0008]在本申请的一实施例中，所述反铁磁层的总厚度为0.5nm～5.0nm；所述参考层的总厚度为0.5nm～1.5nm。
[0009]在本申请的一实施例中，所述复合反铁磁耦合层(Z)的形成材料为(Ir，Ru，Rh，Cu或Re)/(Cr，Mo,V，W，Ta，Nb，Hf，Zr或它们的组合)，按其左右顺序表示自下而上结构，其总厚度选为反铁磁耦合峰值。
[0010]在本申请的一实施例中，Ir，Ru，Rh，Cu或Re实现所述反铁磁层和所述参考层的反铁磁耦合；Cr，Mo,V，W，Ta，Nb，Hf，Zr或它们的组合实现从具有面心立方FCC(111)结构的所述反铁磁层到具有体心立方BCC(001)结构的所述参考层的晶格转换。
[0011]在本申请的一实施例中，所述复合反铁磁耦合层的材料为Ru/(Cr、CrMo、CrW、Mo或W)双层结构，Ru的厚度为0.3nm～0.6nm，Cr、CrMo、CrW、Mo或W的厚度为0.05nm～0.5nm。
[0012]在本申请的一实施例中，所述复合反铁磁耦合层的材料为Ir/(Cr、CrMo、CrW、Mo或W)双层结构，其中，Ir的厚度为0.2nm～0.6nm，Cr、CrMo、CrW、Mo或W的厚度为0.05nm～0.5nm。
[0013]在本申请的一实施例中，所述反铁磁层具有垂直磁性各向异性，且其磁矩为所述参考层磁矩的1.1-1.8倍。
[0014]在本申请的一实施例中，对所述磁性隧道结进行退火工艺，选择不小于350℃对沉积之后的磁性隧道结(MTJ)结构单元退火，以使得参考层(RL)和自由层(FL)在NaCl型结构面心立方FCC(001)势垒层(TB)的模板作用下从非晶结构转变成体心立方BCC(001)的晶体结构。
[0015]本申请另一目的提供一种磁性随机存储器，其包括前述中任一种所述的磁性隧道结结构，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。
[0016]本申请通过超薄磁性隧道结结构，具有更强的漏磁场(H
Stray
)和写电流调控能力，非常有利于磁性随机存储器磁学、电学和良率的提升，以及器件的进一步缩微化。
附图说明
[0017]图1为范例性磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；
[0018]图2为本申请实施例的磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；
[0019]图3为本申请实施例的不同过渡族金属的层间交换耦合(Interlayer Exchange Coupling，IEC)强度。符号说明
[0020]10:底电极；20:磁性隧道结；21:缓冲层；22:种子层；23:反铁磁层；24:晶格隔断层；25:参考层；26:势垒层；27:自由层；28:覆盖层；30:顶电极。
具体实施方式
[0021]请参照附图中的图式，其中相同的组件符号代表相同的组件。以下的说明是基于
所例示的本申请具体实施例，其不应被视为限制本申请未在此详述的其它具体实施例。
[0022]以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本申请可用以实施的特定实施例。本申请所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性隧道结结构，设置于磁性随机存储单元的底电极与顶电极之间，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、反铁磁层、种子层与缓冲层，其特征在于，所述反铁磁层的结构为[X/Pt]
n
/Y/Z,[X/Pd]
n
/Y/Z,CoPt/Z，FePt/Z，NiPt/Z，CoFePt/Z，CoPd/Z，FePd/Z，NiPd/Z，CoFePt/Z，按其左右顺序表示自下而上结构；其中，2≤n≤10；X、Y选自Co,Ni，Fe，CoFe，CoNi，NiFe，NiCo，CoNiFe，FeB，CoB，CoFeB中之一者或者其组成的双层及其以上的多层结构，Z为复合反铁磁耦合层。2.如权利要求1所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述参考层结构为Fe、FeB、FeCoB或者(Fe或FeB)/(CoB，CoFe，CoFeB，FeC，CoC或CoFeC)。3.如权利要求2所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述参考层的总厚度为0.5nm～1.5nm。4.如权利要求1所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述反铁磁层的总厚度为0.5nm～5.0nm...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云森，郭一民，肖荣福，陈峻，
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：