磁性结构与磁隧道结的制作方法

专利查询2022-05-27  2



1.本技术涉及磁隧道结领域,具体而言,涉及一种磁性结构与磁隧道结。


背景技术:

2.磁随机存储器(mram)由磁性隧道结(mtj)阵列构成,mtj的核心结构包括自由层、势垒层和固定层。其中自由层和固定层为磁性层,而势垒层为一层很薄的绝缘层。mtj固定层的磁化方向不变,自由层磁化方向可由外加磁场或输入电流改变。mtj的电阻值受到自由层和固定层的相对磁化方向的控制,这是mtj器件工作的物理原理之一。
3.自旋转移力矩mram(stt-mram)是利用电流来改变mtj状态的存储器,该存储器除了具有电路设计简单、读写速度快、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)。作为非易失存储器,mram的一个核心指标为数据保存时间,其取决于mtj中两态之间的势垒高度。随着半导体结构加工技术进步,mtj器件尺寸持续微缩,最终目标为尺寸会在10nm以下。当尺寸减小后,由于磁性层体积降低,热稳定性因子将明显降低(δ=hkmsv/2kbt),数据保持能力很难达到预期要求。增厚自由层可增大体积v,但磁各向异性场hk会随之降低,最终热稳定性因子难以大幅提升。
4.因此,现有技术中调整自由层厚度难以大幅提升热稳定性因子的问题。
5.在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解,因此,背景技术中可能包含某些信息,这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。


技术实现要素:

6.本技术的主要目的在于提供一种磁性结构与磁隧道结,以解决现有技术中调整自由层厚度难以大幅提升热稳定性因子的问题。
7.根据本实用新型实施例的一个方面,提供了一种磁性结构,包括依次叠置的固定层、势垒层、自由层和耦合增强结构,所述耦合增强结构包括沿远离所述自由层方向依次叠置的第一铁磁层、第一金属层和第二铁磁层。
8.可选地,所述磁性结构还包括:金属氧化物层,位于所述自由层和所述耦合增强结构之间。
9.可选地,所述耦合增强结构还包括:第二金属层,位于所述第二铁磁层的远离第一金属层的表面上。
10.可选地,所述第二金属层包括ir层。
11.可选地,所述耦合增强结构还包括:氧化物层,位于所述第二铁磁层的远离第一金属层的表面上。
12.可选地,所述第一铁磁层和所述第二铁磁层分别包括co层、fe层、cob层、feb层与cofeb层中的至少一个。
13.可选地,所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的厚度分别为0.4~1.2nm。
14.可选地,所述第一金属层包括ir层。
15.可选地,所述第一金属层的厚度为0.5~2.5nm。
16.根据本实用新型实施例的另一个方面,提供了一种磁隧道结,包括依次叠置的底电极、磁性结构和顶电极,所述磁性结构为任一种所述的磁性结构。
17.在本实用新型实施例中,磁性结构包括依次叠置的固定层、势垒层、自由层和耦合增强结构,耦合增强结构包括沿远离自由层方向依次叠置的第一铁磁层、第一金属层和第二铁磁层。因此,该磁性结构通过增加具有第一铁磁层、第一金属层和第二铁磁层的耦合增强结构,增加了磁性层的体积,同时第一铁磁层和第二铁磁层分别与第一金属层之间的界面耦合增加了垂直磁各向异性,从而提升了热稳定性因子,进而解决了现有技术中调整自由层厚度难以大幅提升热稳定性因子的问题。
附图说明
18.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解,本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术,并不构成对本技术的不当限定。在附图中:
19.图1示出了根据本技术的实施例的一种磁性结构的示意图;
20.图2示出了根据本技术的实施例的一种磁性结构的示意图;
21.图3示出了根据本技术的实施例的一种磁性结构的示意图;
22.图4示出了根据本技术的实施例的一种磁性结构的示意图。
23.其中,上述附图包括以下附图标记:
24.10、固定层;11、势垒层;12、自由层;13、耦合增强结构;14、第一铁磁层;15、第一金属层;16、第二铁磁层;17、金属氧化物层;18、第二金属层;19、氧化物层。
具体实施方式
25.需要说明的是,在不冲突的情况下,本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技术。
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案,下面将结合本技术实施例中的附图,对本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技术一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例,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,都应当属于本技术保护的范围。
27.需要说明的是,本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。
28.应该理解的是,当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时,该元件可直接在该另一元件上,或者也可存在中间元件。而且,在说明书以及权利要求书中,当描述有元件“连接”至另一元件时,该元件可“直接连接”至该另一元件,或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
29.正如背景技术所介绍的,现有技术中调整自由层厚度难以大幅提升热稳定性因子,为了解决如上问题,本技术提出了一种磁性结构与磁隧道结。
30.根据本技术的实施例,提供了一种磁性结构。图1是根据本技术的实施例的一种磁性结构的示意图,如图1所示,该磁性结构,包括依次叠置的固定层10、势垒层11、自由层12和耦合增强结构13,上述耦合增强结构13包括沿远离上述自由层12方向依次叠置的第一铁磁层14、第一金属层15和第二铁磁层16。
31.上述的磁性结构,包括依次叠置的固定层10、势垒层11、自由层12和耦合增强结构13,耦合增强结构13包括沿远离自由层12方向依次叠置的第一铁磁层14、第一金属层15和第二铁磁层16。因此,该磁性结构通过增加具有第一铁磁层、第一金属层和第二铁磁层的耦合增强结构,增加了磁性层的体积,同时第一铁磁层和第二铁磁层分别与第一金属层之间的界面耦合增加了垂直磁各向异性,从而提升了热稳定性因子,进而解决了现有技术中调整自由层厚度难以大幅提升热稳定性因子的问题。
32.本技术的一种具体的实施例中,上述固定层还包括籽晶层、反铁磁耦合层及参考层。
33.上述籽晶层的材料可以为pt、ru、pt合金和ru合金中的一种或多种,也可以是几种的合金。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本技术的籽晶层。
34.上述反铁磁耦合层包括由下至上依次叠置设置的第一磁性层、间隔层以及第二磁性层,上述第一磁性层和上述第二磁性层通过上述间隔层发生反铁磁耦合,上述间隔层为ir、ru中的至少一种。上述第一磁性层与上述第二磁性层的材料独立地选自fe、co、ni、cofe、nife与cofeb中的至少一种。即上述第一磁性层的材料可以是fe、co、ni、cofe、nife或cofeb,也可以是fe、co、ni、cofe、nife与cofeb中的任意几种的组合;即上述第二磁性层的材料可以是fe、co、ni、cofe、nife或cofeb,也可以是fe、co、ni、cofe、nife与cofeb中的任意几种的组合。并且,上述第一磁性层与上述第二磁性层的材料可以是相同的,也可以是不同的,本领域技术人员可以根据实际情况将二者的材料设置为相同的或者不同的。
35.上述参考层的材料选自co、ni、fe、cofe、coni、nife、cofeni、cob、feb、cofeb、nifeb与fept中的一种或多种。即可以是单独的一种,也可以是几种的合金。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本技术的参考层。
36.本技术的势垒层的材料选自镁氧化合物、硅氧化合物、硅氮化合物、铝氧化合物、镁铝氧化合物、钛氧化合物层、钽氧化合物、钙氧化合物与铁氧化合物中的一种或多种。即可以是单独的一种,也可以是几种的混合物。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本技术的绝缘势垒层。
37.本技术的自由层的材料选自co、fe、nicob、feb、nib、cofe、nife、coni、cofeni、cofeb、nifeb、conib与cofenib中的一种或多种。即可以是单独的一种,也可以是几种的合金。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成本技术的自由层。
38.本技术的一种实施例中,如图2所示,上述磁性结构还包括金属氧化物层17,金属氧化物层17位于上述自由层12和上述耦合增强结构13之间。本实施例中,在自由层和耦合增强结构之间增加了金属氧化物层,该金属氧化物层与耦合增强结构的组成的界面处的轨道杂化,可以提供额外的垂直磁各向异性,从而进一步提升了磁隧道结的数据保持能力。
39.本技术的再一种实施例中,如图3所示,上述耦合增强结构13还包括第二金属层18,第二金属层18位于上述第二铁磁层16的远离第一金属层15的表面上。本实施例中,在第二铁磁层的远离第一金属层的表面上增加了第二金属层,由于第二金属层与第二铁磁层存在界面耦合,使得磁性结构的垂直磁各向异性进一步提升,从而进一步提高了热稳定性因子。
40.本技术的另一种实施例中,上述第二金属层包括ir层。当然,本技术中的第二金属层的材料并不限于ir,还可以采用其他材料,例如ir合金,本领域技术人员可以根据实际情况来选择。
41.本技术的又一种实施例中,如图4所示,上述耦合增强结构13还包括氧化物层19,氧化物层19位于上述第二铁磁层16的远离第一金属层15的表面上。本实施例中,在第二铁磁层的远离第一金属层的表面上增加了氧化物层,该氧化物层与第二铁磁层组成的界面处的轨道杂化,可以提供额外的垂直磁各向异性,从而进一步提升了磁隧道结的数据保持能力。
42.本技术的再一种实施例中,上述第一铁磁层和上述第二铁磁层分别包括co层、fe层、cob层、feb层与cofeb层中的至少一个。实际的应用中,第一铁磁层和第二铁磁层并不限于co层、fe层、cob层、feb层与cofeb层中的一个,也可以采用几种材料层组合的多层结构。
43.为了进一步提升磁隧道结的数据保持能力,本技术的另一种实施例中,上述第一铁磁层和上述第二铁磁层的厚度分别为0.4~1.2nm。
44.本技术的又一种实施例中,上述第一金属层包括ir层。当然,本技术中的第一金属层的材料并不限于ir,还可以采用其他材料,例如ir合金,本领域技术人员可以根据实际情况来选择。
45.本技术的再一种实施例中,上述第一金属层的厚度为0.5~2.5nm。该实施例中,选择此厚度范围内的第一金属层,垂直磁各向异性的提升效果最好,从而进一步提升了热稳定性因子。
46.本技术实施例还提供了一种磁隧道结,包括依次叠置的底电极、磁性结构和顶电极,上述磁性结构为任一种上述的磁性结构。
47.上述的磁隧道结,包括依次叠置的底电极、磁性结构和顶电极,上述磁性结构包括依次叠置的固定层、势垒层、自由层和耦合增强结构,耦合增强结构包括沿远离自由层方向依次叠置的第一铁磁层、第一金属层和第二铁磁层。因此,该磁性结构通过增加具有第一铁磁层、第一金属层和第二铁磁层的耦合增强结构,增加了磁性层的体积,同时第一铁磁层和第二铁磁层分别与第一金属层之间的界面耦合增加了垂直磁各向异性,从而提升了热稳定性因子,进而解决了现有技术中调整自由层厚度难以大幅提升热稳定性因子的问题。因此,由于该磁隧道结采用了上述的磁性结构,该磁性隧道结的热稳定性因子较高,所以该磁性隧道结的数据保持能力较好。
48.本技术的一种具体的实施例中,上述顶电极和上述底电极为多层膜结构,为ta、ru、pt、w、mo的至少一种。
49.本技术中的设置各个层的方法可以是现有技术中的任何一种方法,比如磁控溅射,物理气相沉积或分子束外延沉积,本领域技术人员可以根据实际情况分别选择适合的方法设置各个膜层。
50.为了本领域技术人员能够更加清楚地了解本技术的技术方案,以下将结合具体的实施例来说明本技术的技术方案和技术效果。
51.实施例
52.实施例1
53.该实施例的磁性隧道结包括底电极、固定层、势垒层、自由层、覆盖层、第一铁磁层、第一金属层和第二铁磁层。其中,底电极为ta;固定层包括籽晶层、钉扎层、反铁磁耦合层及参考层,其中籽晶层为pt,钉扎层为[co/pt]6多层膜,反铁磁耦合层为ru,参考层为[co/pt]2/ta/cofeb多层膜;势垒层为mgo;自由层为cofeb/ta/cofeb多层膜;覆盖层为mgo;第一铁磁层材料为cob,第一金属层为包含ir的合金薄膜,第二铁磁层为cofeb,顶电极为ta。
[0054]
实施例2
[0055]
相比实施例1,在第二铁磁层和顶电极之间增加了第二金属层,由于第二金属层与第二铁磁层存在界面耦合,体系的垂直磁各向异性得到进一步提升,热稳定性因子更高。
[0056]
实施例3
[0057]
相比实施例2,将第二金属层替换为氧化物层,氧化物层的材料为氧化镁,其与第二铁磁层在界面处的轨道杂化,可以提供额外的垂直磁各向异性,同样可以实现增强体系的热稳定因子的目的。
[0058]
从以上的描述中,可以看出,本技术上述的实施例实现了如下技术效果:
[0059]
1)、本技术的磁性结构,包括依次叠置的固定层、势垒层、自由层和耦合增强结构,耦合增强结构包括沿远离自由层方向依次叠置的第一铁磁层、第一金属层和第二铁磁层。因此,该磁性结构通过增加具有第一铁磁层、第一金属层和第二铁磁层的耦合增强结构,增加了磁性层的体积,同时第一铁磁层和第二铁磁层分别与第一金属层之间的界面耦合增加了垂直磁各向异性,从而提升了热稳定性因子,进而解决了现有技术中调整自由厚度难以大幅提升热稳定性因子的问题。
[0060]
2)、本技术的磁隧道结,包括依次叠置的底电极、磁性结构和顶电极,上述磁性结构包括依次叠置的固定层、势垒层、自由层和耦合增强结构,耦合增强结构包括沿远离自由层方向依次叠置的第一铁磁层、第一金属层和第二铁磁层。因此,该磁性结构通过增加具有第一铁磁层、第一金属层和第二铁磁层的耦合增强结构,增加了磁性层的体积,同时第一铁磁层和第二铁磁层分别与第一金属层之间的界面耦合增加了垂直磁各向异性,从而提升了热稳定性因子,进而解决了现有技术中的调整自由层厚度难以大幅提升热稳定性因子的问题。因此,由于该磁隧道结采用了上述的磁性结构,该磁性隧道结的热稳定性因子较高,所以该磁性隧道结的数据保持能力较好。
[0061]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已,并不用于限制本技术,对于本领域的技术人员来说,本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本技术的保护范围之内。

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