磁性隧道结结构及其磁性随机存储器的制作方法

1.本发明涉及存储器技术领域，特别是关于一种磁性隧道结结构及其磁性随机存储器。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.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。
4.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。
5.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)。
6.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」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本申请，而非用以限制本申请。
[0023]
本申请的说明书和权利要求书以及上述附图中的述语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)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。应当理解，这样描述的对象在适当情形下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他譬的变形，意图在于覆盖不排他的包含。
[0024]
本申请说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本申请的概念。除非上下文中有明确不同的意义，否则，以单数形式使用的表达涵盖复数形式的表达。在本申请说明书中，应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本申请说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指代相同部分。
[0025]
附图和说明被认为在本质上是示出性的，而不是限制性的。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。另外，为了理解和便于描述，附图中示出的每个组件的尺寸和厚度是任意示出的，但是本申请不限于此。
[0026]
在附图中，为了清晰、理解和便于描述，夸大设备、系统、组件、电路的配置范围。将理解的是，当组件被称作“在”另一组件“上”时，所述组件可以直接在所述另一组件上，或者也可以存在中间组件。
[0027]
另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包括”将被理解为意指包括所述组件，但是不排除任何其它组件。此外，在说明书中，“在......上”意指位于目标组件上方或者下方，而不意指必须位于基于重力方向的顶部上。
[0028]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对依据本发明提出的一种磁性隧道结结构及其磁性随机存储器，其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0029]
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。所述磁性存储单元结构至少包括底电极10、磁性隧道结20与顶电极30形成的多层结构。
[0030]
在一些实施例中，底电极10为钛ti，氮化钛tin，钽ta，氮化钽tan，钌ru，钨w，氮化钨wn或其组合；顶电极30组成材料为钛ti，氮化钛tin，钽ta，氮化钽tan，钨w，氮化钨wn或其组合。所述磁性存储单元结构一般采用物理气相沉积(pvd)的方式实现，通常在沉积之后，都会对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道结20的表面平整度。
[0031]
在一些实施例中，磁性隧道结20由上至下结构包括覆盖层(capping layer，cl)28自由层(free layer，fl)27、势垒层(tunneling barrier layer，tb)26、参考层(reference layer，rl)25、晶格隔断层(crystal breaking layer，cbl)24、反铁磁层(synthetic anti-ferromagnet layer，syaf)23、种子层(seed layer，sl)22与缓冲层(buffer layer，bl)21。
[0032]
如图1所示，所述反铁磁层23包括由下至上分别的设置有第一超晶格铁磁层(the 1st ferromagnet supper-lattice layer,1st fm-sl)，反铁磁耦合层与第二超晶格铁磁
层(the 2nd ferromagnet supper-lattice layer,2nd fm-sl)。铁磁超晶格层，由具有面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；反铁磁耦合层，设置于所述铁磁超晶格层上，由可形成反铁磁耦合的金属材料形成；第二铁磁超晶格层，设置于所述反铁磁耦合层上，由具有面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；其中，所述反铁磁耦合层结合所述铁磁超晶格层与所述第二铁磁超晶格层以进行铁磁超晶格层的反铁磁耦合，所述磁性隧道结包括所述反铁磁层与所述参考层之间进行晶格转换和强铁磁耦合。
[0033]
在具有垂直各向异性的磁性隧道结20中，自由层27的作用为存储信息，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”。在读取信息或者空置的时候，自由层27的磁化方向保持不变；在写的过程中，如果有与现有不同状态的信号输入的时候，那么自由层27的磁化方向将会在垂直方向上发生180度的翻转。磁性随机存储器的自由层27保持磁化方向不变的能力叫做数据保存能力(data retention)或者热稳定性(thermal stability)。数据保存能力可以用下面的公式进行计算：
[0034]
其中，τ为在热扰动条件下磁化矢量不变的时间，τ0为尝试时间(一般为1ns)，e为自由层的能量壁垒，k
b
为玻尔兹曼常数，t为工作温度。
[0035]
热稳定性因子(thermal stability factor)则可以表示为如下的公式：
[0036]
其中，k
eff
为自由层的有效各向能量密度，v为自由层的体积，k
v
为体各向异性常数m
s
为自由层饱和磁化率，nz垂直方向的退磁化常数，t为自由层的厚度，k
i
为界面各向异性常数，cd为磁性随机存储器的关键尺寸(即：自由层的直径)，a
s
为刚度积分交换常数，d
n
为自由层不同磁畴翻转模式的临界尺寸。实验表明当自由层的厚度较厚时表现为面内各向异性，较薄时，表现为垂直各向异性，k
v
一般可以忽略不计，而退磁能对垂直各向异性的贡献为负值，因此垂直各向异性完全来自界面效应(k
i
)。
[0037]
在一些实施例中，热稳定性因子亦受到静磁场-特别是来自于参考层25的漏磁场(stray field)的影响，结合静磁场施加在自由层27上的磁化方向的不同，而产生增强或减弱作用。如图1所示，为了减小漏磁场对自由层(fl)27的影响，通常会在参考层(rl)25之下增加一层具有强烈垂直各向异性(pma)超晶格结构的反铁磁层(syaf)23。
[0038]
由于反铁磁层23的存在，来自参考层25和反铁磁层23的漏磁场可以部分抵消，定量的，定义来自参考层25和反铁磁层23总的漏磁场为h
stray
：
[0039]
其中，h
keff
为垂直有效各向异性场，h
keff
＝2(k
eff
/(μ0m
s
))。进一步地，定义垂直于
自由层并且向上的磁化矢量为正，则垂直于自由层27向上的漏磁场为正。那么在自由层27和参考层25的磁化矢量在平行或反平行的情况下，其热稳定性因子可以分别表达为如下的方程式：
[0040]
随着磁性自由层27的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。写操作的临界电流i
c0
和热稳定性强相关，其关系可以表达如下的公式：
[0041]
其中，α为阻尼系数(damping constant)，为约化普朗克常数，η为自旋极化率。更进一步，在磁化平行和反平行的时候，临界电流可以分别表示为如下的表达式：
[0042]
在这种情况下，可以通过漏磁场(stray field)的调控，来进一步地，对平行状态和反平行状态的磁性随机存储器的临界电流进行调控。另外，在刻蚀磁性隧道结(mtj)单元阵列的时候，为了减少导电金属的再次沉积，也需要减少磁性隧道结(mtj)膜层的厚度。
[0043]
在一些实施例中，作为磁性随机存储器的核心存储单元的磁性隧道结20，还必须和cmos工艺相兼容，必须能够承受在400℃条件下的长时间退火。
[0044]
图2为本申请磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图，图3为本申请实施例的不同过渡族金属的层间交换耦合(interlayer exchange coupling，iec)强度，请同时参阅图1以利于理解。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28、自由层27、势垒层26、参考层25、反铁磁层23、种子层22与缓冲层21。
[0045]
所述参考层的结构为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。
[0046]
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。
[0047]
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，ir，ru，rh，cu或re用于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或它们的组合用于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。
[0048]
在一些实施例中，如图3所示，cr，mo,v，w，ta，nb，hf，zr或它们的组合此层结构更兼具有b或c等元素的吸收能力，同时，由于这层物质的存在，可以提供额外的rkky反铁磁耦合，这这种情况下，相对单层结构，其rkky层间交换耦合(interlayer exchange coupling，iec)反铁磁耦合能量密度并不会有损伤。
[0049]
在一些实施例中，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。
[0050]
在一些实施例中，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。
[0051]
在一些实施例中，底电极(be)10组成材料为ti，tin，ta，tan，ru，w,wn或者它们的组合，一般采用物理气相沉积(pvd)的方式实现，通常在沉积之后，都会对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道结的表面平整度；顶电极(te)30组成材料为ti，tin，ta，tan，w,wn或者它们的组合。
[0052]
在一些实施例中，缓冲层(bl)21一般由ta,ti，tin，tan，w，wn，ru，pt，o，n，cob，feb，cofeb或它们的组合构成。种子层(sl)22一般包括pt，ru，cr等组成的具有fcc(111)晶体结构，用以优化后续的合成铁磁层(syaf)23的晶体结构。
[0053]
在一些实施例中，所述磁性隧道结20的势垒层26为非磁性金属氧化物形成，其厚度为0.6奈米至1.5奈米之间，所述非磁性金属氧化物包括氧化镁mgo、镁锌氧化物mgzn2o4、氧化锌zno、氧化铝al2o3、氮化镁mgn、镁硼氧化物mg3b2o6或mg3al2o6。优选的，可采用氧化镁mgo。
[0054]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的自由层27具有可变磁极化的特性，所述自由层27的材料一般由fe，co,ni，cofe，cob、feb、cofeb、w，mg,zr，al，zn，nb，mo,ta，hf,zr，v，cr，mg，ti或ru等几种组成。更进一步者，可采用选自硼化钴cob、硼化铁feb、钴铁硼cofeb的单层结构，或是铁化钴cofe/钴铁硼cofeb、铁fe/钴铁硼cofeb的双层结构，或是钴铁硼cofeb/(钨w、钼mo、钒v、铌nb、铬cr、铪hf、钛ti、锆zr、钽ta、钪sc、钇y、锌zn、钌ru、锇os、铑rh、铱ir、钯pd和/或铂pt)/钴铁硼cofeb、钴铁硼cofeb/(钨w、钼mo、钒v、铌nb、铬cr、铪hf、钛ti、锆zr、钽ta、钪sc、钇y、锌zn、钌ru、锇os、铑rh、铱ir、钯pd和/或铂pt)/钴铁硼的三层结构，或是铁/钴铁硼/(钨w、钼mo、钒v、铌nb、铬cr、铪hf、钛ti、锆zr、钽ta、钪sc、钇y、锌zn、钌ru、锇os、铑rh、铱ir、钯pd和/或铂pt)/钴铁硼、铁化钴/钴铁硼/(钨w、钼mo、钒v、铌nb、铬cr、铪hf、钛ti、锆zr、钽ta、钪sc、钇y、锌zn、钌ru、锇os、铑rh、铱ir、钯pd和/或铂pt)/钴铁硼的四层结构；所述自由层27的厚度为1.0奈米至3.0奈米间。
[0055]
在本申请的一实施例中，在自由层(fl)27沉积之后，会再次沉积一层覆盖层(cl)28，覆盖层28的材料为选自(镁mg，氧化镁mgo，氧化镁锌mgzn2o4，氧化镁硼mg3b2o6或氧化镁铝mg3al2o6其中之一)/(钨w，钼mo，镁mg，铌nb，钌ru，铪hf，钒v,铬cr或铂pt其中之一)的双层结构，或是氧化镁mgo/(钨w，钼mo或铪hf其中之一)/钌ru的三层结构，或是氧化镁/铂/(钨，钼或铪其中之一)/钌的四层结构。在一些实施例中，选择氧化镁(mgo)能为自由层(fl)26提供了一个额外界面各向异性的来源，从而增加了热稳定。
[0056]
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。
[0057]
在本申请的一实施例中，于所述磁性隧道结20进行退火工艺，其选择不小于350℃对沉积之后的磁性隧道结(mtj)结构单元退火，以使得所述参考层25及所述自由层27在氯化钠(nacl)型面心立方晶体结构势垒层26的模板作用下，从非晶结构转变成体心立方堆积的晶体结构。
[0058]
请再次参阅图2，在本申请的实施例中，一种磁性随机存储器，包括多个存储单元，储存单元包括如前所述磁性隧道结20结构中任一者，设置于所述磁性隧道结20结构上方的顶电极30，及设置于所述磁性隧道结20结构下方的底电极10。
[0059]
在本申请的一实施例中，所述底电极10，磁性隧道结20及顶电极30皆使用物理气相沉积工艺完成。
[0060]
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。
[0061]“在本申请的一实施例中”及“在各种实施例中”等用语被重复地使用。此用语通常不是指相同的实施例；但它也可以是指相同的实施例。“包含”、“具有”及“包括”等用词是同义词，除非其前后文意显示出其它意思。
[0062]
以上所述，仅是本申请的具体实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以具体实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。