MRAM电极及其制备方法与流程

本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种mram电极及其制备方法。

背景技术：

近年来，mram(magneticrandomaccessmemory，磁性随机存储器)被认为是未来的固态非易失性记忆体，相比于目前其他类型的存储器，具有读写速度快、可实现无限次擦写、易于与目前的半导体工艺相兼容等优点。

mram中的核心存储单元为mtj单元，其结构主要包括磁性自由层/非磁性势垒层/磁性参考层。在外加磁场或电流等驱动下，磁性自由层的磁矩方向发生翻转，与磁性参考层的磁矩方向呈现平行态或反平行态，使得mram出现高低电阻态，可分别定义为存储态“0”和“1”，从而实现信息的存储。

现有技术中，为了辅助mtj自由层翻转，从而降低mtj自由层翻转时需要的电流，采用的解决方法是：在mtj结构中引入极化层，通过引入磁化方向垂直于自由层磁化方向的极化层，该极化层反射回自由层的载流子自旋极化方向与自由层呈90度，能给自由层施加一个较大的力矩，此力矩能辅助自由层翻转，从而降低翻转电流并提高翻转速度。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：

极化层处在mtj结构内部，加工完成后mtj尺寸小于100nm，在该尺寸下，极化层会对自由层产生一杂散磁场，该杂散磁场随mtj尺寸的变化而剧烈变化。因此极化层对自由层的磁矩不容易控制，导致mtj电性能波动较大。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种mram电极及其制备方法，该mram电极能够为mtj自由层提供一个可控的磁矩，辅助mtj自由层翻转。

第一方面，本发明提供一种mram电极，包括：堆叠设置的隔离层、电极层和覆盖层，其中，

所述隔离层的一侧表面靠近mtj自由层；

所述电极层设置于所述隔离层远离所述mtj自由层的一侧表面，且所述电极层具有面内各向异性磁化；

所述覆盖层设置于所述电极层远离所述隔离层的一侧表面。

可选地，所述电极层为进行了磁场条件下的退火处理之后的铁磁层。

可选地，所述铁磁层的材料为铁(fe)、镍(ni)、钴(co)或者包括铁(fe)、镍(ni)、钴(co)的合金。

可选地，所述电极层包括进行了退火处理之后的铁磁层和反铁磁层，所述反铁磁层位于所述铁磁层和所述覆盖层之间。

可选地，所述铁磁层的材料为铁(fe)、镍(ni)、钴(co)或者包括铁(fe)、镍(ni)、钴(co)的合金，所述反铁磁层的材料为铱(ir)或者锰(mn)。

可选地，所述电极层为永磁材料构成的永磁层。

可选地，所述永磁层的材料为钌(ru)、铁(fe)或者硼(b)。

可选地，所述隔离层的材料为钌(ru)或者钽(ta)。

可选地，所述覆盖层的材料为钌(ru)、钽(ta)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)或者铱(ir)。

第二方面，本发明提供一种mram电极的制备方法，所述方法包括：

形成隔离层，所述隔离层的一侧表面靠近mtj自由层；

在所述隔离层远离所述mtj自由层的一侧表面形成具有面内各向异性磁化的电极层；

在所述电极层远离所述隔离层的一侧表面形成覆盖层。

本发明的mram电极，靠近mtj自由层的一端，该mram电极包括一具有面内各向异性磁化的电极层，通过电极层该mram电极能够为mtj自由层提供一个可控的磁矩，避免了现有技术中杂散磁场不可控的问题。通过该可控的磁矩使自由层磁化方向相对于参考层呈现一定的初始角度，这样stt效应作用到自由层的磁矩将增加，从而有助于自由层翻转，降低翻转电流，改善mram写特性。并且，mram电极不需要引入额外的功能层，与现有的工艺兼容，工艺实现简单。

附图说明

图1为本发明一实施例的mram电极的结构示意图；

图2为本发明一实施例的mram电极的结构示意图；

图3为本发明一实施例的mram电极的结构示意图；

图4为本发明一实施例的mram电极的结构示意图；

图5为本发明一实施例的mram电极的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例提供一种mram电极，如图1所示，所述mram电极10包括：堆叠设置的隔离层101、电极层102和覆盖层103，其中，

所述隔离层101的一侧表面靠近mtj自由层，所述隔离层101用于隔离电极层102和mtj自由层，避免电极层102与mtj自由层发生交换耦合作用；

所述电极层102设置于所述隔离层101远离所述mtj自由层的一侧表面，且所述电极层102具有面内各向异性磁化，所述电极层102用于在所述mtj自由层上产生一可控磁矩，以辅助所述mtj自由层翻转；

所述覆盖层103设置于所述电极层102远离所述隔离层101的一侧表面，所述覆盖层103用于在所述电极层102上方形成一个保护层。

本发明的mram电极，靠近mtj自由层的一端，该mram电极包括一具有面内各向异性磁化的电极层，通过电极层该mram电极能够为mtj自由层提供一个可控的磁矩，避免了现有技术中杂散磁场不可控的问题。通过该可控的磁矩使自由层磁化方向相对于参考层呈现一定的初始角度，这样stt效应作用到自由层的磁矩将增加，从而有助于自由层翻转，降低翻转电流，改善mram写特性。并且，不需要引入额外的功能层，与现有的工艺兼容，工艺实现简单。

另外说明的是，电极层作用在mtj自由层上的磁矩大小调节方法为：(1)通过调节电极层面内各向异性磁场大小；(2)通过调节电极尺寸；(3)通过调节电极层与自由层的间距。上述方法都可以调节电极层作用在自由层上的磁矩大小。

图2是本发明的mram电极的一种结构示意图，如图2所示，mram电极20包括：堆叠设置的隔离层201、电极层202和覆盖层203，

其中，隔离层201的一侧表面靠近mtj自由层，隔离层201为金属层，使用的材料包括但不限于钌(ru)和钽(ta)中的一种，隔离层201的厚度为1～5nm。

电极层202为一层由铁磁材料构成的铁磁层，该铁磁层使用的铁磁材料包括但不限于铁(fe)、镍(ni)、钴(co)或者包括铁(fe)、镍(ni)、钴(co)的合金，该铁磁层的厚度为1～10nm。铁磁层在沉积形成后需要进行磁场条件下的退火处理，退火温度为100～400℃，使铁磁层具有一定的面内各向异性磁化。

覆盖层203为金属层，使用的材料包括但不限于钌(ru)、钽(ta)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)和铱(ir)中的一种，覆盖层203的厚度为1～5nm。

图2所示的mram电极，构成电极层202的铁磁层经过磁场条件下的退火处理，温度冷却下来后使铁磁层的磁化方向被锁住，实现电极层202具有一定的面内各向异性磁化。

图3是本发明的mram电极的另一种结构示意图，如图3所示，mram电极30包括：堆叠设置的隔离层301、电极层302和覆盖层303，

其中，隔离层301的一侧表面靠近mtj自由层，隔离层301为金属层，使用的材料包括但不限于钌(ru)和钽(ta)中的一种，隔离层301的厚度为1～5nm。

电极层302包括一层由铁磁材料构成的铁磁层3021和一层由反铁磁材料构成的反铁磁层3022，反铁磁层3022位于铁磁层3021和覆盖层303之间，铁磁层3021使用的铁磁材料包括但不限于铁(fe)、镍(ni)、钴(co)或者包括铁(fe)、镍(ni)、钴(co)的合金，铁磁层3021的厚度为1～10nm。反铁磁层3022使用的反铁磁材料包括但不限于铱(ir)和锰(mn)中的一种，反铁磁层3022的厚度为1～10nm。铁磁层3021和反铁磁层3022在沉积形成后需要一起进行退火处理，退火温度为100～400℃，使铁磁层3021在反铁磁层3022的钉扎作用下具有一定的面内各向异性磁化。

覆盖层303为金属层，使用的材料包括但不限于钌(ru)、钽(ta)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)和铱(ir)中的一种，覆盖层303的厚度为1～5nm。

图3所示的mram电极，构成电极层302的铁磁层和反铁磁层经过退火处理，温度冷却下来后使铁磁层的磁化方向被反铁磁层钉扎在一定方向，实现铁磁层具有一定的面内各向异性磁化，该具有面内各向异性磁化的铁磁层和反铁磁层一起构成电极层。

图4是本发明的mram电极的又一种结构示意图，如图4所示，mram电极40包括：堆叠设置的隔离层401、电极层402和覆盖层403，

其中，隔离层401的一侧表面靠近mtj自由层，隔离层401为金属层，使用的材料包括但不限于钌(ru)和钽(ta)中的一种，隔离层401的厚度为1～5nm。

电极层402为一层由永磁材料构成的永磁层，该永磁层使用的永磁材料包括但不限于钌(ru)、铁(fe)和硼(b)中的一种，该永磁层的厚度为1～10nm。

覆盖层403为金属层，使用的材料包括但不限于钌(ru)、钽(ta)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)和铱(ir)中的一种，覆盖层403的厚度为1～5nm。

图4所示的mram电极，电极层402采用永磁材料，通过永磁材料结构使得所述电极层402具有一定的面内各向异性磁化。

本发明一实施例还提供一种mram电极的制备方法，如图5所示，所述方法包括：

s11、形成隔离层，所述隔离层的一侧表面靠近mtj自由层；

s12、在所述隔离层远离所述mtj自由层的一侧表面形成具有面内各向异性磁化的电极层；

s13、在所述电极层远离所述隔离层的一侧表面形成覆盖层。

通过上述方法，即可制备得到如图1所示的mram电极。

对应的，针对mram电极的几种结构，由于电极层结构的差异，制备方法略有不同，详述如下。

图2所示的mram电极可以按照下面的步骤来制备：

步骤21、mtj沉积、刻蚀完成后，沉积形成隔离层201，所述隔离层201的一侧表面靠近mtj自由层，隔离层201的材料为钌(ru)或者钽(ta)，厚度为1～5nm；

步骤22、在所述隔离层201远离所述mtj自由层的一侧表面沉积电极层202，所述电极层202为一层由铁磁材料构成的铁磁层，铁磁层的材料为铁(fe)、镍(ni)、钴(co)或者包括铁(fe)、镍(ni)、钴(co)的合金，铁磁层的厚度为1～10nm；

步骤23、对该铁磁层进行磁场条件下的退火处理，退火温度为100～400℃，通过磁场退火使铁磁层具有一定的面内各向异性磁化；

步骤24、在所述电极层202远离所述隔离层201的一侧表面沉积形成覆盖层203。

图3所示的mram电极可以按照下面的步骤来制备：

步骤31、mtj沉积、刻蚀完成后，沉积形成隔离层301，所述隔离层301的一侧表面靠近mtj自由层，隔离层301的材料为钌(ru)或者钽(ta)，厚度为1～5nm；

步骤32、在所述隔离层301远离所述mtj自由层的一侧表面依次沉积由铁磁材料构成的铁磁层3021和由反铁磁材料构成的反铁磁层3022，所述铁磁层3021的材料为铁(fe)、镍(ni)、钴(co)或者包括铁(fe)、镍(ni)、钴(co)的合金，厚度为1～10nm，所述反铁磁层3022的材料为铱(ir)或者锰(mn)，厚度为1～10nm；

步骤33、对铁磁层3021和反铁磁层3022进行退火处理，退火温度为100～400℃，使铁磁层3021被反铁磁层3022钉扎在一定方向，实现铁磁层3021的面内各向异性磁化；

步骤34、在反铁磁层3022远离所述隔离层301的一侧表面沉积形成覆盖层303。

图4所示的mram电极可以按照下面的步骤来制备：

步骤41、mtj沉积、刻蚀完成后，沉积形成隔离层401，所述隔离层401的一侧表面靠近mtj自由层，隔离层401的材料为钌(ru)或者钽(ta)，厚度为1～5nm；

步骤42、在所述隔离层401远离所述mtj自由层的一侧表面沉积电极层402，所述电极层402为一层由永磁材料构成的永磁层，该永磁层使用的永磁材料包括但不限于钌(ru)、铁(fe)和硼(b)中的一种，该永磁层的厚度为1～10nm；

步骤43、在所述电极层402远离所述隔离层401的一侧表面沉积形成覆盖层403。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。