一种具有强垂直磁各向异性的多层膜的制作方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，属于非易失性磁存储器和磁逻辑技术领域。
【【背景技术】】
[0002]磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)具有非易失性、可无限次擦写、读写速度快等优点，有望成为下一代低功耗通用存储器，受到了工业界和学术界的广泛关注。
[0003]磁随机存储器的核心器件是磁隧道结(Magnetic Tunnel Junct1n，MTJ)。磁隧道结的主要由三层组成:参考层(Reference Layer)、氧化物势皇层(Barrier Layer)、自由层(Free Layer)。其中，参考层和自由层由铁磁层材料组成，氧化物势皇层一般由金属氧化物组成。参考层的磁化方向保持不变，用于提供参考；自由层的磁化方向可以翻转，用于存储数据。当参考层和自由层的磁化方向平行时，该结构的电阻较低；当参考层和自由层的磁化方向相反时，该结构的电阻较高，该现象被称为隧穿磁阻效应(T u η n e IMagnetoresistance, TMR)，相应的低阻和高阻态可分别表征二进制数据“O”和“I”。数据写入时需要翻转自由层的磁化反向，此时所需的临界电流大小称为临界翻转电流。临界翻转电流与许多因素有关，并与磁阻尼系数成正比。
[0004]为了使磁随机存储器中的数据能够保存足够长的时间，自由层的热稳定性需要较高。自由层的热稳定性可以用热稳定因子Δ (Thermal Stability Factor)来衡量，可以表示为Δ =HkMsV/2KbT，其中Hk是各向异性场，Ms是饱和磁化强度，V是自由层体积，Kb是玻尔兹曼常数，T是温度。可以看出，当自由层的磁各向异性较弱时，器件的热稳定性较低；同时，当器件尺寸减小时，热稳定性会降低。
[0005]2010年，S.Ikeda等人制备了基于垂直磁各向异性(Perpendicular MagneticAnisotropy，PMA)的磁隧道结，其主要结构为Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta( Ikeda et al.,Nature Materials 9,721(2010))。在该结构中，Ta/CoFeB界面和CoFeB/MgO界面能够产生界面垂直磁各向异性，当钴铁硼(CoFeB)层足够薄的时候(如1.3nm)，该界面垂直磁各向异性能够克服退磁场，从而使CoFeB层的易磁化轴方向垂直于界面方向。此外，采用钼(Mo)代替上述结构中的钽(Ta)后，界面垂直磁各向异性能够增强20%左右(Liu et al.,Scientific Reports 4,5895(2014));采用給(Hf)代替上述结构中的Ta后，界面垂直磁各向异性能够增强 35%左右(Liu et al.,AIP Advances 2,032151 (2012)) 0
[0006]然而，Ta(MO，Hf)/CoFeB/Mg0结构存在明显的不足。首先，该结构的界面垂直磁各向异性较弱，导致该结构的热稳定性也较低。其次，因为界面垂直磁各向异性较弱，为了使易磁化轴垂直于界面方向，就需要采用较薄的CoFeB层来减小退磁场。例如，Hf/CoFeB/MgO结构中CoFeB厚度必须小于I.5nm才能保持垂直磁各向异性(Liu et al.,AIP Advances 2,032151(2012))。CoFeB层较薄会导致磁阻尼系数较大，从而导致该结构的临界翻转电流较大。最后，当横截面尺寸减小时热稳定性会降低，因此为了保持足够的热稳定性，要求该结构的尺寸较大，从而采用该结构形成的磁随机存储器的存储密度较低。
[0007]另一种获得垂直磁各向异性的方法是采用双界面结构，其典型结构如图1所示。在该结构中有两个Ta/CoFeB界面和两个CoFeB/MgO界面，可以增强垂直磁各向异性和热稳定性。例如，基于MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的双界面结构的热稳定因子是MgO/CoFeB/Ta结构的1.9倍(Sato et al.,Applied Physics LetterslOl ,022414(2012))。然而，双界面结构增加了薄膜层数，因此增加了工艺复杂度。同时，基于MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的双界面结构的热稳定性仍然不足。例如，当MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO结构的横截面直径为IInm时，热稳定因子小于30，不能满足磁随机存储器的要求(Sato et al.,Applied Physics Letters105,062403(2014))。
【
【发明内容】
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[0008]—、发明目的:
[0009]针对上述背景中提到的Ta (Mo，Hf)/CoFeB/MgO和双界面结构存在的问题，本发明提供了一种具有强垂直磁各向异性的多层膜。它克服了现有技术的不足，具有垂直磁各向异性强、热稳定性高、临界翻转电流小、尺寸小等优点。
[0010]二、技术方案:
[0011]本发明提供了一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于采用铋(Bi)或者Bi合金与铁磁层界面的强界面垂直磁各向异性来获得强垂直磁各向异性。本发明共提出四种实施方案。
[0012]方案一:本方案包含一种强垂直磁各向异性的多层膜结构，该多层膜结构从下到上依次是缓冲层、铁磁层和氧化物势皇层，如图2所示。在该缓冲层的下面还可以有基底，在该氧化物势皇层的上面还可以有保护层。
[0013]所述缓冲层的材料是Bi或者Bi合金，厚度为0.2-200nm。
[OOM] 所述铁磁层的材料是CoFeB、铁硼(FeB)、钴铁(CoFe)、铁(Fe)、Heusler合金(Heusler Al1y)等材料中的一种材料或几种材料的组合，铁磁层的厚度为0.2_5nm。
[0015]所述氧化物势皇层的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选氧化镁(MgO)、三氧化二铝(Al2O3)或偏铝酸镁(MgAl2O4)等;氧化物势皇层的厚度为0.2-5nm0
[0016]方案二:本方案包含一种强垂直磁各向异性的多层膜结构，该多层膜结构从下到上依次是氧化物势皇层、铁磁层和覆盖层，如图3所示。在该氧化物势皇层的下面还可以有基底，在该覆盖层的上面还可以有保护层。
[0017]所述覆盖层的材料是Bi或者Bi合金，厚度为0.2-200nm。
[0018]所述铁磁层的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heus Ier合金等材料中的一种材料或几种材料的组合，铁磁层的厚度为0.2-5nm0
[0019]所述氧化物势皇层的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选MgO、AI2O3或MgAh04等;氧化物势皇层的厚度为 0.2-5nm。
[0020]方案三:本方案包含一种强垂直磁各向异性的多层膜结构，该多层膜结构从下到上依次是氧化物势皇层一、铁磁层一、中间层、铁磁层二和氧化物势皇层二。在该氧化物势皇层一的下面还可以有基底，在该氧化物势皇层二的上面还可以有保护层。
[0021 ]所述中间层材料是Bi或者Bi合金，厚度为0.2-2nm。
[0022]所述铁磁层一和铁磁层二的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heus Ier合金等材料中的一种材料或几种材料的组合;铁磁层一和铁磁层二的厚度为0.2-5nm，这两层的材料和厚度可以不一样。
[0023]所述氧化物势皇层一和氧化物势皇层二的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选Mg0、Al203或MgAl2O4等;氧化物势皇层一和氧化物势皇层二的厚度为0.2-5nm，这两层的材料和厚度可以不一样。
[0024]方案四:本方案包含一种强垂直磁各向异性的多层膜结构，该多层膜结构从下到上依次是缓冲层、铁磁层一、氧化物势皇层、铁磁层二和覆盖层，该多层膜结构可以作为磁隧道结的核心结构。在缓冲层的下面还可以有基底，在覆盖层的上面还可以有保护层。
[0025]所述缓冲层的材料是金属或者金属合金，可选自、但不限于B1、Bi合金、Mo、Hf、铱(Ir)等，厚度为0.2-200nm;所述覆盖层的材料是金属或者金属合金，可选自、但不限于B1、Bi合金、10、把、&等，厚度为0.2-20011111;且缓冲层和覆盖层中至少有一层的材料是扮或者Bi合金。
[0026]所述铁磁层一和铁磁层二的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heus Ier合金等材料中的一种材料或几种材料的组合;铁磁层一和铁磁层二的厚度为0.2-5nm，这两层的材料和厚度可以不一样。
[0027]所述氧化物势皇层的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选MgO、Al2O3或MgAl2O4等，厚度为0.2_5nm。
[0028]如果缓冲层和覆盖层的材料都是Bi或者Bi合金，则可以通过控制铁磁层一和铁磁层二的材料和厚度来使两个铁磁层的磁各向异性不相等，从而垂直磁各向异性较强的铁磁层可以作为参考层，垂直磁各向异性较弱的铁磁层可以作为自由层。
[0029]如果缓冲层和覆盖层中只有一层的材料是Bi或者Bi合金，则邻近Bi或B