【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及集成电路中存储器芯片领域，具体涉及的是新一代非挥发性存储器磁性存储器的重要器件磁隧道结的自由层、磁隧道结形成的磁存储芯片以及它们的制造方法。
技术介绍
1、基于金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的随机存取存储器(比如sram、dram等)的待机能耗(亦即挥发性)随器件的小尺寸化而变得越来越严重。基于自旋电子器件磁隧道结(magnetic tunnel junction，mtj)的磁性存储器(magnetic random accessmemory，mram)因为信息存储时不需要待机耗能，是最有希望在新一代集成电路中大规模应用的存储器芯片。
2、组成mram的mtj由两层铁磁性薄膜(其中一层铁磁性薄膜自旋方向固定称为固定层或者钉扎层，另一层铁磁性薄膜自旋方向可控制翻转用于信息写入称为自由层或者参照层)夹一层绝缘隧穿层(通常为mgo)构成。两层磁性薄膜的自旋方向相反与平行会形成高低电阻态，分别用来存储信息0与1。
3、当前最有可能大规模应用的是使用自旋传输矩(spin transfer torque,stt)方式进行mtj的信息写入。其原理是自旋电子在由固定层穿过绝缘隧穿层进入自由层或者从自由层穿过绝缘隧穿层进入固定层的传输过程中，会产生使自由层自旋方向改变的自旋传输矩。然而，stt写入方式的mtj-mram的自由层会面临小的信息写入耗能与高的热稳定性相矛盾的问题，从而限制了其大规模的应用。
技术实现思路
1、鉴于上述背景与问题，本专利技
2、本专利技术提供了一种用于磁存储芯片的磁隧道结，其特征在于：自由层由一层以上的铁磁性薄膜层以及夹在所述铁磁性薄膜层所有相邻层之间使相邻铁磁性薄膜层产生耦合的耦合叠加层构成；所述耦合叠加层由两层氧化物耦合层以及夹在所述两层氧化物耦合层之间的磁性插入层构成；所述铁磁性薄膜层都至少含有钴与铁的任一种元素；所述两层氧化物耦合层都为镁的氧化物以及含有铁、钴、镍、锌、硼中至少一种元素的镁的氧化物的任一种组成；所述磁性插入层中含有铁、钴、镍中至少一种元素。
3、对上述内容做如下补充说明：
4、此处一层以上的铁磁性薄膜层通常指两层或者更多层的铁磁性薄膜层。两层铁磁性的情况下，夹在所述铁磁性薄膜层所有相邻层之间使相邻铁磁性薄膜层产生耦合的耦合叠加层为一层；三层铁磁性的情况下，夹在所述铁磁性薄膜层所有相邻层之间使相邻铁磁性薄膜层产生耦合的耦合叠加层为两层；通常，因为所有相邻的铁磁性薄膜层都夹着耦合叠加层，所以耦合叠加层比铁磁性薄膜层的层数少1层才能满足上述权利要求项。耦合叠加层拥有的两层氧化物耦合层以及夹在所述两层氧化物耦合层之间的磁性插入层构成结构是本专利技术的最重要的特征。
5、在上述特征的磁隧道结中，进一步限定其特征为：所述自由层夹在氧化镁薄膜层之间。
6、对上述内容做如下补充说明：
7、自由层夹在两层氧化镁薄膜层之间，其中一端的氧化镁薄膜层是磁隧道结的绝缘隧穿层，另一端的氧化镁薄膜层用于提高自由层的垂直各向异性。作为绝缘隧穿层的氧化镁的位置取决于固定层与自由层相对于基板的位置。
8、在上述特征的磁隧道结中，进一步限定其特征为：所述磁性插入层中含有硼、硅、铝、钨、钽、铪、锆、铌、钼、钛、钒、铬、钯、铂等至少一种非磁性元素；所述磁性插入层的厚度小于1纳米。
9、对上述内容做如下补充说明：
10、耦合叠加层中夹在两层氧化物耦合层之间的磁性插入层的主要是用来调节夹着耦合叠加层的铁磁性薄膜层之间的耦合，所以其组成除了铁、钴、镍中至少一种铁磁性元素外，还可以有硼、硅、铝、钨、钽、铪、锆、铌、钼、钛、钒、铬、钯、铂等至少一种非磁性元素。另外，磁性插入层的厚度不能超过1纳米，否则不能很好地让上述铁磁性薄膜层间产生耦合效应。
11、在前述特征的磁隧道结中，进一步限定其特征为：所述自由层的俯视图为直径为20纳米到50纳米之间的圆形以及面积在310平方纳米到1960平方纳米之间的非圆形的任一种；所述铁磁性薄膜层的任意相邻铁磁性薄膜层之间的耦合能不大于0.5mj/m2。
12、对上述内容做如下补充说明：
13、本专利技术由于考虑到信息写入时自由层的自旋电子反转的方式，考虑到的是能够满足自旋电子反转模式的器件俯视图大小，即圆形的情况下直径在20纳米到50纳米之间，以及非圆形的情况下，器件俯视图面积在310平方纳米到1960平方纳米之间。同样，基于信息写入时自由层的自旋电子反转的方式，任意相邻铁磁性薄膜层之间的耦合能不大于0.5mj/m2。
14、在前述特征的磁隧道结中，进一步限定其特征为：所述耦合叠加层比所述磁隧道结衔接自由层与固定层的绝缘隧穿层厚度大。
15、对上述内容做如下补充说明：
16、从mtj电阻上考虑，耦合叠加层中的两层氧化物耦合层的厚度要小于或者等于衔接自由层与固定层的绝缘隧穿层厚度，但在上述两层氧化物耦合层之间加入磁性插入层之后，耦合叠加层(包括两层氧化物耦合层以及夹在所述两层氧化物耦合层之间的磁性插入层)的厚度会大于衔接自由层与固定层的绝缘隧穿层厚度。由于磁性插入层通常小于1纳米，相当于几个原子层。因为实际制备出来的薄膜的用投射电子显微镜tem可能看不到很清晰的分层，所以上述耦合叠加层实际观察到的可能是氧化物耦合层中掺杂了磁性插入层，或者说氧化物耦合层变厚了，因此有上面限制。
17、在上述所有结构特征的用于磁存储器芯片的磁隧道结中，进一步限定其特征为：不同位置的所述铁磁性薄膜层的材料、组成、厚度是相同与不相同的任一种；不同位置的所述耦合叠加层的材料、组成、厚度是相同与不相同的任一种；不同位置的所述氧化物耦合层的材料、组成、厚度是相同与不相同的任一种；不同位置的所述磁性插入层的材料、组成、厚度是相同与不相同的任一种。
18、对上述内容做如下补充说明：
19、因为本专利技术旨在使用多个相互耦合的铁磁性薄膜层来取代传统的单个铁磁性薄膜层充当磁隧道结的自由层，上述铁磁性薄膜层、耦合叠加层、氧化物耦合层、磁性插入层的材料、组成、与厚度的变化正是用来调节多个铁磁性薄膜层的耦合，从而实现控制各薄膜层的自旋反转降低信息写入能，并且保持一定的热稳定性用的。
20、对上面所有要求项的用于磁存储芯片的磁隧道结的制造方法，其特征在于包括以下主要步骤：
21、(1.1)制备第1氧化镁薄膜层；
22、(1.2)在所述第1氧化镁薄膜层的一面制备磁化方向与膜面垂直的第1铁磁性薄膜层；
23、(1.3)在所述第1铁磁性薄膜层的与所述第1氧化镁薄膜层相反的邻接面制备第1氧化物耦合层；
24、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于磁存储芯片的磁隧道结，其特征在于：自由层由一层以上的铁磁性薄膜层以及夹在所述铁磁性薄膜层所有相邻层之间使相邻铁磁性薄膜层产生耦合的耦合叠加层构成；所述耦合叠加层由两层氧化物耦合层以及夹在所述两层氧化物耦合层之间的磁性插入层构成；所述铁磁性薄膜层都至少含有钴与铁的任一种元素；所述两层氧化物耦合层都为镁的氧化物以及含有铁、钴、镍、锌、硼中至少一种元素的镁的氧化物的任一种组成；所述磁性插入层中含有铁、钴、镍中至少一种元素。
2.如权利要求1所述的磁隧道结中，其特征在于：所述自由层夹在氧化镁薄膜层之间。
3.如权利要求2所述的磁隧道结中，其特征在于：所述磁性插入层中含有硼、硅、铝、钨、钽、铪、锆、铌、钼、钛、钒、铬、钯、铂等至少一种非磁性元素；所述磁性插入层的厚度小于1纳米。
4.如权利要求2所述的磁隧道结中，其特征在于：所述自由层的俯视图为直径为20纳米到50纳米之间的圆形以及面积在310平方纳米到1960平方纳米之间的非圆形的任一种；所述铁磁性薄膜层的任意相邻铁磁性薄膜层之间的耦合能不大于0.5mJ/m2。
5.如权利要求2
6.如权利要求1至5任一所述的用于磁存储芯片的磁隧道结中，其特征在于：不同位置的所述铁磁性薄膜层的材料、组成、厚度是相同与不相同的任一种；不同位置的所述耦合叠加层的材料、组成、厚度是相同与不相同的任一种；不同位置的所述氧化物耦合层的材料、组成、厚度是相同与不相同的任一种；不同位置的所述磁性插入层的材料、组成、厚度是相同与不相同的任一种。
7.一种如权利要求2所述的用于磁存储芯片的磁隧道结的制造方法，其特征在于包括以下主要步骤：
8.如权利要求7所述的磁隧道结的制造方法，其特征在于：在所述(1.6)步骤之后，重复(1.3)至(1.6)步骤，形成多层耦合叠加层与多层铁磁性薄膜层交替叠加的结构。
9.如权利要求7至8所述的磁隧道结的制造方法，其特征在于：所述铁磁性薄膜层采用与其它靶材共溅射、与其它靶材交替溅射、在其它靶材中直接加入钴与铁掺杂后进行溅射的任一种薄膜沉积方式形成。
10.如权利要求7至8所述的磁隧道结的制造方法，其特征在于：所述氧化物耦合层采用与其它靶材共溅射、与其它靶材交替溅射、在其它靶材中直接加入钴与铁掺杂后进行溅射的任一种薄膜沉积方式形成。
11.如权利要求7至8所述的磁隧道结的制造方法，其特征在于：所述磁性插入层采用与其它靶材共溅射、与其它靶材交替溅射、在其它靶材中直接加入钴与铁掺杂后进行溅射的任一种薄膜沉积方式形成。
...【技术特征摘要】
1.一种用于磁存储芯片的磁隧道结，其特征在于：自由层由一层以上的铁磁性薄膜层以及夹在所述铁磁性薄膜层所有相邻层之间使相邻铁磁性薄膜层产生耦合的耦合叠加层构成；所述耦合叠加层由两层氧化物耦合层以及夹在所述两层氧化物耦合层之间的磁性插入层构成；所述铁磁性薄膜层都至少含有钴与铁的任一种元素；所述两层氧化物耦合层都为镁的氧化物以及含有铁、钴、镍、锌、硼中至少一种元素的镁的氧化物的任一种组成；所述磁性插入层中含有铁、钴、镍中至少一种元素。
2.如权利要求1所述的磁隧道结中，其特征在于：所述自由层夹在氧化镁薄膜层之间。
3.如权利要求2所述的磁隧道结中，其特征在于：所述磁性插入层中含有硼、硅、铝、钨、钽、铪、锆、铌、钼、钛、钒、铬、钯、铂等至少一种非磁性元素；所述磁性插入层的厚度小于1纳米。
4.如权利要求2所述的磁隧道结中，其特征在于：所述自由层的俯视图为直径为20纳米到50纳米之间的圆形以及面积在310平方纳米到1960平方纳米之间的非圆形的任一种；所述铁磁性薄膜层的任意相邻铁磁性薄膜层之间的耦合能不大于0.5mj/m2。
5.如权利要求2所述的磁隧道结中，其特征在于：所述耦合叠加层比所述磁隧道结衔接自由层与固定层的绝缘隧穿层厚度大。
6.如权利要求1至5任一所述的用于磁存储芯片的磁隧道结...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶术军，西岡浩一，
申请(专利权)人：北京理工大学长三角研究院嘉兴，
类型：发明
国别省市：
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