一种微型化垂直式各向异性磁电阻元件的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及信息存储器件技术领域，具体而言，涉及一种微型化垂直式各向异性磁电阻元件。
【背景技术】
[0002]磁阻内存的设计并不复杂，但是对材料的要求比较高，对于一般的材料而言，它是比较微弱的一种效应，其磁场变化带来的电阻变化并不显著，用三极管很难判断出来本来就很微小的电流变化。磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunneling Junct1n)是由绝缘体或磁性材料构成的磁性多层膜，它在横跨绝缘层的电压作用下，其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向，当此相对取向在外磁场的作用下发生改变时，可观测到大的隧穿磁电阻(TMR)。人们利用MTJ的特性做成的磁性随机存取记忆体，即为非挥发性的磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写、大容量、低功耗的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；隧道势皇层为绝缘层；磁性参考层位于绝缘层的另一侧，它的磁化方向是不变的。
[0003]自旋转移力矩(STT，Spin Transfer Torque)可以用于磁电阻元件的写操作，即自旋极化的电流通过磁电阻元件时，可以通过STT改变记忆层的磁化方向。当记忆层的磁性物体体积变小时，所需的极化电流也会同样变小，这样就可以同时达到小型化与低电流。
[0004]垂直式磁性隧道结(PMTJ，PerpendicularMagnetic Tunnel Junct1ns)即磁矩垂直于衬底表面的磁性隧道结，在这种结构中，由于两个磁性层的磁晶各向异性比较强(不考虑形状各向异性)，使得其易磁化方向都垂直于层表面。在同样的条件下，器件的尺寸可以做得比平面式磁性隧道结(即易磁化方向在面内的)器件更小，易磁化方向的磁极化误差可以做的很小。因此，如果能够找到具体有更大的磁晶各向异性的材料的话，可以在保持热稳定性的同时，满足使得器件小型化与低电流要求。
[0005]现有技术得到高的磁电阻(MR)率的方法为:在非晶态磁性膜的表面形成一层晶化加速膜。当此层膜形成后，晶化开始从隧道势皇层一侧开始形成，这样使得隧道势皇层的表面与磁性表面形成匹配，这样就可以得到高MR率。然而，这种技术和结构在后续的工艺中对非晶态的CoFeB进行退火时，基础层的晶格无法与CoFe的晶体形成良好的匹配，使得CoFe晶体无法在垂直方向产生强调的磁各向异性，导致得到的MR率较低，并且热稳定性较差。
[0006]中国专利200810215231.9(日本优先权)公开了一种磁阻元件，包含:基底层，其由具有NaCl构造、并且取向于(001)面的氮化物构成；第一磁性层，其被设置在上述基底层上，且具有垂直于膜面的方向的磁各向异性，并且由具有LlO构造、并且取向于(001)面的铁磁性合金构成；非磁性层，其被设置在上述第一磁性层上；以及第二磁性层，其被设置在上述非磁性层(16)上，并且具有垂直于膜面的方向的磁各向异性。该技术方案利用LlO构型可以实现较高的磁电阻比，但制造成本高，难以实现器件小型化与低电流。
[0007]中国专利201210097760.X (日本优先权)公开一种磁阻元件和磁存储器，包括:存储层，其具有垂直且可变的磁化；参考层，其具有垂直且恒定的磁化；偏移调整层，其具有沿与所述参考层的磁化相反的方向的垂直且恒定的磁化；第一非磁性层，其在所述存储层与所述参考层之间；以及第二非磁性层，其在所述参考层与所述偏移调整层之间。该技术方案解决了存储层的磁滞曲线的偏移问题，但也未解决使得器件小型化与低电流的问题。
【实用新型内容】
[0008]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种微型化垂直式各向异性磁电阻元件，通过减小阻尼系数、增大电流自旋极化率、保持垂直各向异性、减小面积，减小写电流，从而实现磁存储的微型化。
[0009]本实用新型的技术方案是:
[0010]一种微型化垂直式各向异性磁电阻元件，包括:磁参考层、磁记忆层、隧道势皇层、晶格优化层；所述磁参考层的磁化方向不变，且所述磁参考层的磁各向异性垂直于层表面；所述磁记忆层的磁化方向可变，且所述磁记忆层的磁各向异性垂直于层表面；所述隧道势皇层位于所述磁记忆层与所述磁参考层之间；所述晶格优化层与所述磁记忆层相邻；所述磁记忆层包括第一磁记忆层和第二磁记忆辅助层，所述第一磁记忆层和第二磁记忆辅助层为一层或多层且呈交替结构；所述第一磁记忆层为Co合金材料；所述Co合金材料为CoFeB, CoB, CoFeSiB中的一种或多种；所述第二磁记忆辅助层为BaTi03、PbT1jP ZrT1 3中的一种。
[0011]所述微型化垂直式各向异性磁电阻元件，所述第二磁记忆辅助层还可为掺杂了金属离子的BaTi03、PbTi0#P ZrT1 3中的一种，所掺杂的金属离子为Nd3+，Ca2+，Sr2+，La3+，Sn4+，Zr4+，Mg2+，Co3+，Nb5+，Mn4+中的一种或多种。
[0012]所述微型化垂直式各向异性磁电阻元件，所述第二磁记忆辅助层还可以为Bi2ME0.Λ.905.5、Bi2VO5.5、Bi4Ti3O12' BiFeO3中的一种或多种。
[0013]所述第一磁记忆层的厚度为0.2-20nm，第二磁记忆辅助层的厚度0.5_6nm。
[0014]所述微型化垂直式各向异性磁电阻元件还包括:基础层和顶电极，所述基础层与晶格优化层相邻，所述顶电极与所述磁参考层相邻。
[0015]进一步，所述隧道势皇层由MgO、MgN、ZnO的一种或多种形成。
[0016]所述晶格优化层的(100)晶面平行于基面，且所述晶格优化层的[110]晶格方向的晶格常数大于bcc相Co的[100]晶格方向的晶格常数。
[0017]所述晶格优化层由单层的NaCl晶格结构的氧化物X0、氮化物XN或氯化物XCl构成；其中，所述X元素为金属元素Mg、Zn、Ca、Na、L1、Cd、In、Sn、Cu、Ag中的任意一种；
[0018]或，所述晶格优化层由单层的NaCl晶格结构的金属复合氧化物ΧΥ0、金属复合氮化物XYN或金属复合氯化物XYCl构成；其中，X元素为金属元素Mg、Na、Ag、Cu中的任意一种，Y元素为金属元素Zn、Cd、In、Sn中的任意一种；
[0019]或，所述晶格优化层由双层或多层的NaCl晶格结构的氧化物、氮化物或氯化物构成；其中，所述晶格优化层的与所述磁记忆层相邻的部分为金属氧化物MgO、MgN、CaO、ZnO、CaN、MgZnO、CdO、CdN、MgCdO, CdZnO 中的一种或多种。
[0020]进一步，所述晶格优化层由NaCl晶格结构的氧化物、氮化物或氯化物的交替多层结构与一层bcc结构的插入层构成，所述晶格优化层的与所述磁记忆层相邻的部分为由NaCl 晶格结构的 MgO、MgN, CaO、ZnO、CaN, MgZnO、CdO、CdN, MgCdO, CdZnO 中的任意一种或多种构成，所述插入层为Fe层或含Fe的CoFe层。
[0021]进一步，所述Co合金材料为B的摩尔分数含量在5% -35%之间的CoFeB、CoB或CoFeSiB0
[0022]优选地，所述Co合金材料为B的摩尔分数含量为20%的CoFeB、CoB或CoFeSiB。
[0023]一定B摩尔分数含量的CoFeB、CoB或CoFeSiB是本领域工艺技术中常用的靶材。
[0024]进一步，所述晶格优化层中的NaCl晶格结构在[110]晶格方向的晶格常数与bcc结构的Co在[100]晶格方向的晶格参数的晶格失配在3%与18%之间。
[0025]进一步，所述晶格优化层由物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积法、离子束沉积沉法中的一种沉积而成。
[0026]进一步，所述晶格优化层的与所述磁记忆层相邻的部分沉积形成后，对所述晶格优化层进行氧化过程；所述氧化过程所用的气体