专利名称：：一种双自由层垂直铁磁性隧道结结构的制作方法
技术领域：
：本发明属于磁随机存储
技术领域：
，特别是提供了一种双自由层垂直铁磁性隧道结(MTJ)结构，这种新结构具有低写入电流特性，可实现超高存储密度，将被广泛应用到新型磁传感器或磁随机存储器件等器件中。技术背景随着信息产业的不断发展，对信息的存储技术有了越来越高的要求，期望得到更高密度、更高速度、更低成本与低功耗的随机存储器。目前计算机随机存储器大多采用硅集成电路组成的易丢失性的动态及静态随机存储器(DRAM及SRAM)，DRAM存储量大，价格低，但速度较慢；SRAM的速度可达纳秒量级，但存储密度稍低且价格较贵。前几年，利用各向异性磁电阻开发出了不易丢失性的磁电阻存储器(MRAM)，它具有非破坏性读出信息和耐辐射等特点，但在存储量和存储速度等方面却无法与DRAM相比。巨磁电阻(GMR)效应以及隧道磁电阻(TMR)效应的发现，给这一类磁电子器件带来了新的曙光并使之得到高速的发展。这种MRAM具有最大的优点是非易失性，可永久保存信息。此外，由于MRAM具有抗辐射性好、体积小、高集成度和低成本等优点，被广泛用于军事目的、航天航空以及民用中，在信息领域中发挥着举足轻重的作用。MRAM的存储单元实际上是表现出GMR效应的金属多层膜或表现出TMR效应的铁磁性隧道结(MTJ)结构。存储的过程是通过金属多层膜的磁化取向的改变来实现。磁性存储元件的磁化切换场与其宽度成正比，即随着MRAM存储密度的提高，磁性存储元件的尺寸大幅度减小，其切换场也迅速增加，所需要的写电流也迅速增加。因此如何降低电流密度，从而降低能耗是进一步提高MRAM存储量所面临的难题。1996年，科学家们提出，当自旋电流穿过纳米尺寸的单个铁磁层或磁纳米柱时，会带来自旋角动量转移，从而导致磁激发，甚至会带来磁化方向的翻转效应[JC.57o"czews权"Q^re"^Mve"o/mag"e,/c这种电流诱导磁化翻转(CIMS)效应利用电流直接通过磁元件进行数据写入，能大大降低能耗。运用CIMS效应不仅可以大幅度简化和改善MRAM的设计，而且随着存储元件尺寸的减小，所需消耗的写电流反而减小，使得实现高存储密度成为可能。但是通常情况下，CIMS所需要的临界电流密度高达107A/cm2，这么高的电流密度会破坏磁性单元。如果要将CIMS顺利应用在实际器件中，临界电流密度必须要降低到l()SA/cm2左右。理论预测表明，在MTJ等自旋器件中使用这种垂直各向异性金属薄膜会提高器件的磁翻转速度，带来更快和更d、的磁存i诸单兀[/4.Z).ATe"/,及(9^yz7附az,￡cfe/5arco,"5^/"-fra"sy^"-mdwce(i;7rece5^o"fl/wag"efea"owrever^/",々少/.尸/",丄e",<H3砂7(200力.]。本发明利用垂直各向异性MTJ结构，进一步改善了MRMA的存储结构单元，并降低写入电流密度、大大降低能耗，使得CIMS行为更好的应用到MRAM结构中，为实现超高密度的MRAM器件提供了可能。
发明内容本发明目的在于提供了一种具有低写入电流特性的双自由层垂直铁磁性隧道结(MTJ)结构，这种结构能进一步改善MRAM的存储结构单元，从而降低写入电流密度、大大降低能耗，使得CIMS行为更好的应用到MRAM结构中，从而实现超高密度的MRAM。本发明中的双自由层垂直MTJ采用玻璃或单晶硅基片，通过等离子体溅射、磁控溅射或者分子束外延生长手段制备而成的一种金属多层膜结构，然后通过照相平版印刷或电子束印刷、离子刻蚀的手段分别在金属多层膜的顶层和底层膜面制作出两个电极。该MRAM器件在工作时，信号电流的流动方向垂直于金属多层膜膜面。本发明存储单元的结构如下图1所示。双自由层垂直MTJ的最底层称为底电极层，例如金属金等，厚度为10200纳米。从底电极层往上第二层为反铁磁层，例如铱锰合金等，厚度为1020纳米。从底电极层往上第三层为钉扎层，该钉扎层选取材料的特点是磁各向异性易轴垂直膜面；例如金属钴/铂复合结构、金属钴/镍复合结构、稀土类金属铽钴铁合金等。若为金属钴/钼，则由220层的金属钴和金属铂交替重叠而成(交替结构中金属钴位于下层，金属铂位于上层，如图2中所示)，其中金属钴层的厚度为O.10.4纳米，金属铂层的厚度为13纳米；若为金属钴/镍复合结构，则由220层的金属钴和金属镍交替重叠而成(交替结构中金属钴位于下层，金属镍位于上层，如图3中所示)，其中金属钴层的厚度为O.10.4纳米，金属镍层的厚度为13纳米；若为金属铽钴铁合金，则厚度为110纳米。从底电极层往上第四层为绝缘层，例如三氧化二铝或者氧化镁，厚度为0.52.5纳米。从底电极层往上第五层为自由层1，该自由层选取材料的特点是磁各向异性易轴垂直膜面。例如金属铂/钴复合结构、金属镍/钴复合结构、稀土类金属铽钴铁合金等。若为金属铂/钴，则由220层的金属铂和金属钴交替重叠而成(交替结构中金属铂位于下层，金属钴位于上层，如图4中所示)，其中金属铂层的厚度为13纳米，金属钴层的厚度为0.10.4纳米；若为金属镍/钴复合结构，则由220层的金属镍和金属钴交替重叠而成(交替结构中金属镍位于下层,金属钴位于上层如图中5所示)，其中金属镍层的厚度为l3纳米，金属钴层的厚度为0.10.4纳米；若为金属铽钴铁合金，则厚度为110纳米。从底电极层往上第六层为自由层2，与第五层构成双自由层的结构，该自由层选取的特点是面内磁各向异性材料，要求各向异性场值大于35KA/m;例如钴铁合金等，其厚度为110纳米。从底电极层往上第七层为顶电极层，例如金属金等，厚度为10200纳米。本发明的优点在于采用了双自由层结构，在垂直膜面自由层上面沉积一层具有强面内磁各向异性的金属薄膜。该金属薄膜会对自由层的磁矩产生作用，使其磁矩产生倾斜，因此大幅度的降低了MTJ中磁矩翻转所需临界电流，降低了能量损耗，为实现超高密度的MRAM提供了可能。图l双自由层MTJ示意图图2铂/钴交替结构示意图图3钴/镍交替结构示意图图4钴/铂交替结构示意图图5镍/钴交替结构示意图具体实施方式根据上述结构，利用磁控溅射仪或分子束外延的方法制备了以下44种MTJ多层膜结构，并采用电子束印刷和离子刻蚀的方法制备出MTJ器件其特点是工作电流垂直于平面，并且钉扎层和自由层1为磁各向异性易轴垂直膜面，自由层2为磁各向异性易轴平行膜面。上述MTJ的详细制备工艺为溅射室本底真空度为2xl(rSpa，溅射时氩气(99.99%)压为0.5Pa;基片用循环水冷却，对于钉扎层和自由层l垂直于基片方向加有50Oe的磁场，以诱发垂直的易磁化方向；自由层2平行于基片方向加有250Oe的磁场，以诱发平行的易磁化方向。由于铱锰合金不需要进行退火处理，因此整个溅射过程保持在室温25'C时进行，溅射时，通过改变功率，保持各层溅射速率控制在0.5A/s。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>通过测试，上述器件在不同程度上均可以实现CIMS，所需要的写电流密度均低于1><106安培每平方厘米。这样低的写电流密度，使得该结构完全可以运用在MRAM中，并通过CIMS实现超高密度信息存储。权利要求1.一种双自由层垂直铁磁性隧道结结构，其特征在于a.最底层为底电极层，厚度为10～200纳米；b.从底往上第二层为反铁磁层，厚度为10～20纳米；c.从底往上第三层为钉扎层，所述钉扎层为磁各向异性易轴垂直膜面材料；d.从底往上第四层为绝缘层，厚度为0.5～2.5纳米；e.从底往上第五层为第1自由层，厚度为1～10纳米；f.从底往上第六层为第2自由层，厚度为1～10纳米；g.从底往上第七层为顶电极层，厚度为10～200纳米；其中所述第五层和所述第六层构成双自由层结构，所述第1自由层为磁各向异性易轴垂直膜面材料，所述第2自由层为各向异性值大于35KA/m的面内磁各向异性材料。2、按照权利要求1所述的结构，其特征在于所述钉扎层选自以下结构中的至少一种金属铂/钴复合结构、金属镍/钴复合结构、稀土类金属铽钴铁合金结构。3、按照权利要求2所述的结构，其特征在于所述金属铂/钴复合结构为由220层的金属铂和金属钴交替重叠而成；其中最底层为金属铂，最顶层为金属钴，其中每一层金属铂层的厚度为13纳米，每一层金属钴层的厚度为0.10.4纳米。4、按照权利要求2所述的结构，其特征在于所述金属镍/钴复合结构为由220层的金属镍和金属钴交替重叠而成，其中最底层为金属镍，最顶层为金属钴，并且金属镍层的厚度为13纳米，金属钴层的厚度为0.10.4纳米。5、按照权利要求2所述的结构，其特征在于所述稀土类金属铽钴铁合金结构的厚度为110纳米。6、权利要求l-5所述的双自由层垂直铁磁性隧道结结构具有低写入电流特性，用以构成磁电阻存储单元。全文摘要一种双自由层垂直铁磁性隧道结结构，属于磁随机存储
技术领域：
，所提供的双自由层垂直铁磁性隧道结(MTJ)结构的最底层为底电极层，从底往上依次为反铁磁层、钉扎层、为绝缘层、第1自由层、第2自由层、顶电极层。第1自由层和第2自由层构成双自由层结构。所述钉扎层和第1自由层为磁各向异性易轴垂直膜面材料，第2自由层为各向异性值大于35KA/m的面内磁各向异性材料。这种结构具有低写入电流特性，可实现超高存储密度，将被广泛应用到新型磁传感器或磁随机存储器件等器件中。文档编号H01L27/22GK101276879SQ20081010318公开日2008年10月1日申请日期2008年4月1日优先权日2008年4月1日发明者瑾包,勇姜,徐晓光申请人:北京科技大学