垂直磁化MTJ器件及STT-MRAM的制作方法

本申请涉及计算机存储技术领域，具体而言，涉及一种垂直磁化mtj器件及stt-mram。

背景技术

自旋转移力矩磁性随机存储器(spintransfertorquemagneticrandomaccessmemory，简称stt-mram)是一种新型非易失存储器，其核心存储单元为mtj器件。mtj主要由参考层、绝缘势垒层和自由层组成。参考层也称为钉扎层，它的磁化方向保持不变，仅改变自由层的磁化方向使之与参考层同向或反向。

mtj器件依靠量子隧穿效应使电子通过绝缘势垒层。极化电子的隧穿概率和参考层与自由层的相对磁化方向有关。当自由层与参考层的磁化方向相同时，极化电子的隧穿概率较高，此时，mtj器件表现为低电阻状态(rp)；而当自由层与参考层磁化方向相反时，极化电子的隧穿概率较低，此时，mtj器件表现为高电阻状态(rap)。mram分别利用mtj器件的rp状态和rap状态来表示逻辑状态“1”和“0”，从而实现数据的存储。隧穿磁电阻值表示为：tmr＝100％×(rap-rp)/rp。

与传统的mram不同，stt-mram利用电流的自旋转移力矩效应(stt)对mram进行写入操作，当自旋极化电流经过一磁性薄膜时，极化电流会与磁性薄膜的局域电子发生交换相互作用，从而对磁性薄膜的局域磁矩施加一个力矩，使之倾向于与自旋极化电流的极化方向相同，这一现象称为自旋转移力矩效应(stt效应)。对磁性薄膜施加一个与之磁化方向相反的极化电流，当极化电流强度超过一定阈值时，磁性薄膜本身的磁矩即可发生翻转。利用自旋转移力矩效应可以使得mtj器件的自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行，从而实现“写”操作。

现有技术中，用于stt-mram的mtj结构可以分为两类：一种是面内磁化mtj(i-mtj),其参考层和自由层的磁化方向位于薄膜平面内。另一种是垂直磁化mtj(p-mtj)，其参考层和自由层的磁化方向均垂直于薄膜平面(即各层的厚方向)。垂直磁化mtj利用垂直磁各向异性使得薄膜的易磁化轴垂直于界面。垂直磁化mtj和面内磁化mtj相比可以更进一步地缩小mtj位元尺寸，从而实现更高的存储密度，与磁化方向为面内的mtj相比，磁化方向垂直于界面的mtj所需要的临界翻转电流更小。

目前，垂直磁化mtj器件的临界写入电流(使得自由层发生翻转的临界电流)偏高，不利于stt-mram芯片能耗的进一步降低和存储密度的提高。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于提供一种垂直磁化mtj器件及stt-mram，以解决现有技术中垂直磁化mtj器件的临界写入电流偏高的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种垂直磁化mtj器件，该垂直磁化mtj器件包括依次叠置设置的参考层、绝缘势垒层、自由层、增强层、去磁耦合层以及固定层，其中，上述参考层与上述固定层的磁化方向相反，上述增强层用于增强上述自由层的垂直磁各向异性，上述去磁耦合层用于隔离上述自由层与上述固定层。

进一步地，上述参考层与上述固定层的矫顽力依次为hc1与hc2，其中，hc1>hc2。

进一步地，上述参考层与上述固定层的矫顽力依次为hc1与hc2，其中，hc2>hc1。

进一步地，上述参考层与上述固定层均包括多个磁性层，且上述参考层中与上述绝缘势垒层距离最小的磁性层为参考磁性层，上述固定层中与去磁耦合层距离最小的磁性层为固定磁性层，上述参考磁性层与上述固定磁性层的磁化方向相反。

进一步地，上述参考层的材料选自co、ni、fe、cofe、coni、nife、cofeni、cob、feb、cofeb、nifeb、pt、pd、ptpd、fept、ir、ru、re、rh、b、zr、v、nb、ta、mo、w、cu、ag、au、al与hf中的一种或多种。

进一步地，上述绝缘势垒层的材料选自镁氧化合物、硅氧化合物、硅氮化合物、铝氧化合物、镁铝氧化合物、钛氧化合物层、钽氧化合物、钙氧化合物与铁氧化合物中的一种或多种，优选上述绝缘势垒层的厚度在0.5～20nm之间。

进一步地，上述自由层的材料选自co、fe、ni、pt、pd、ru、ta、cu、cob、feb、nib、cofe、nife、coni、cofeni、cofeb、nifeb、conib、cofenib、fept、fepd、copt、copd、cofept、cofepd、feptpd、coptpd与cofeptpd中的一种或多种。

进一步地，上述增强层的材料选自ag、au、pt、pd、rh、ru、re、mo、hf、ir、ni、nb、w与v中的一种或多种，优选上述增强层的厚度在0.2～1nm之间。

进一步地，上述去磁耦合层的材料选自cu、al、cr、ta、zr、tan与tin中的一种或多种，优选上述去磁耦合层的厚度在0.5～10nm之间。

进一步地，上述固定层的材料选自co、ni、fe、cofe、coni、nife、cofeni、cob、feb、cofeb、nifeb、pt、pd、ptpd、fept、ir、ru、re、rh、b、zr、v、nb、ta、mo、w、cu、ag、au、al与hf中的一种或多种。

进一步地，上述垂直磁化mtj器件还包括：第一电极层，设置在上述参考层的远离上述绝缘势垒层的表面上；第二电极层，设置在上述固定层的远离上述去磁耦合层的表面上。

根据本申请的另一方面，提供了一种stt-mram，包括垂直磁化mtj器件，该stt-mram为任一种上述的垂直磁化mtj器件。

应用本申请的技术方案，该垂直磁化mtj器件在利用自旋转移力矩效应进行数据写入的过程中，从固定层流向自由层或从自由层流向固定层的电子会对自由层施加力矩，对mtj器件施加一个正向的偏置电压，使得电子从固定层流向参考层，经过固定层后，被固定层极化的电子会对自由层施加一个力矩，使得自由层磁化方向与固定层磁化方向相同，另一方面，在电子从自由层流向参考层的过程中，由于参考层的自旋过滤作用，从参考层反射回自由层的极化电子会对自由层施加一个力矩，使得自由层磁化方向与参考层磁化方向相反，由于参考层与固定层磁化方向相反，所以参考层和固定层对自由层所施加的力矩方向一致。

对mtj器件施加一个反向的偏置电压，使得电子从参考层流向固定层，经过参考层后，被参考层极化的电子会对自由层施加一个力矩，使得自由层磁化方向与参考层磁化方向相同，另一方面，在电子从自由层流向固定层的过程中，由于固定层的自旋过滤作用，从固定层反射回自由层的极化电子也会对自由层施加一个力矩，使得自由层磁化方向与固定层磁化方向相反，由于参考层与固定层的磁化方向相反，所以参考层与固定层对自由层所施加的力矩方向一致。

综上所述，固定层对自由层的力矩方向与参考层对自由层的作用方向一致，进而使得自由层更容易发生翻转，进而降低了临界写入电流，降低了stt-mram芯片的能耗，同时也提高了数据的写入速率，并且，固定层可以抵消参考层作用在自由层上的散磁场，避免不同位元之间的相互干扰；另外，上述垂直磁化mtj器件中的增强层可以增强自由层的磁各向异性，进而提高自由层的热稳定性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请的一种典型的实施方式提供的垂直磁化mtj器件的结构示意图；以及

图2示出了本申请的另一种实施例提供的垂直磁化mtj器件的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、第一电极层；2、参考层；3、绝缘势垒层；4、自由层；5、增强层；6、去磁耦合层；7、固定层；8、第二电极层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中的垂直磁化mtj器件的临界写入电流偏高，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种垂直磁化mtj器件及stt-mram。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种垂直磁化mtj器件，如图1所示，该器件包括依次叠置设置的参考层2、绝缘势垒层3、自由层4、增强层5、去磁耦合层6以及固定层7，其中，上述参考层2与上述固定层7的磁化方向相反，上述增强层5用于增强上述自由层4的垂直磁各向异性，上述去磁耦合层6用于隔离上述自由层4与上述固定层7，使得自由层的磁化方向可以不受固定层的磁化方向的影响而独立翻转，使得固定层仅仅在stt写入的过程中对自由层产生作用。自由层、参考层以及固定层的磁化方向垂直于薄膜平面(即各层的厚度方向)。

由于现有技术中的参考层的磁化方向固定不变，所以上述的固定层的磁化方向也固定不变。这里的“固定不变”并非指绝对的固定不变，其就是相对于自由层的磁化方向改变的难易来说的，即参考层与固定层的磁化方向的改变很难，二者的材料的矫顽力很大，自由层的磁化方向较容易改变，对应的材料的矫顽力较小。

上述的垂直磁化mtj器件在利用自旋转移力矩效应进行数据写入的过程中，从固定层流向自由层或从自由层流向固定层的电子会对自由层施加力矩，对mtj器件(即指垂直磁化mtj器件，下文中的mtj器件也表示垂直磁化mtj器件)施加一个正向的偏置电压，使得电子从固定层流向参考层，经过固定层后，被固定层极化的电子会对自由层施加一个力矩，使得自由层磁化方向与固定层磁化方向相同，另一方面，在电子从自由层流向参考层的过程中，由于参考层的自旋过滤作用，从参考层反射回自由层的极化电子会对自由层施加一个力矩，使得自由层磁化方向与参考层磁化方向相反，由于参考层与固定层磁化方向相反，所以参考层和固定层对自由层所施加的力矩方向一致。

对mtj器件施加一个反向的偏置电压，使得电子从参考层流向固定层，经过参考层后，被参考层极化的电子会对自由层施加一个力矩，使得自由层磁化方向与参考层磁化方向相同，另一方面，在电子从自由层流向固定层的过程中，由于固定层的自旋过滤作用，从固定层反射回自由层的极化电子也会对自由层施加一个力矩，使得自由层磁化方向与固定层磁化方向相反，由于参考层与固定层的磁化方向相反，所以参考层与固定层对自由层所施加的力矩方向一致。

综上所述，固定层对自由层的力矩方向与参考层对自由层的作用方向一致，进而使得自由层更容易发生翻转，降低了临界写入电流，降低了stt-mram芯片的能耗，同时也提高了数据的写入速率，并且，固定层可以抵消参考层作用在自由层上的散磁场，避免不同位元之间的相互干扰；另外，上述垂直磁化mtj器件中的增强层可以增强自由层的磁各向异性，进而提高自由层的热稳定性。

本申请的垂直磁化mtj器件中，自由层的矫顽力要小于参考层以及固定层的矫顽力，对于固定层与参考层的矫顽力的关系，本申请的一种实施例中，上述参考层与上述固定层的矫顽力依次为hc1与hc2，其中，hc1>hc2。即参考层相对于固定层来说，磁化方向更难发生改变。

本申请的另一种实施例中，上述参考层与上述固定层的矫顽力依次为hc1与hc2，其中，hc2>hc1。即固定层相对于参考层来说，磁化方向更难发生改变。

本申请的再一种实施例中，上述参考层与上述固定层均包括多个磁性层，且上述参考层中与上述绝缘势垒层距离最小的磁性层为参考磁性层，上述固定层中与去磁耦合层距离最小的磁性层为固定磁性层，上述参考磁性层与上述固定磁性层的磁化方向相反。

本申请中的参考层的材料可以选自现有技术中的任何满足参考层性能要求的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料。

为了进一步保证参考层的性能，本申请的一种实施例中，上述参考层的材料选自co、ni、fe、cofe、coni、nife、cofeni、cob、feb、cofeb、nifeb、pt、pd、ptpd、fept、ir、ru、re、rh、b、zr、v、nb、ta、mo、w、cu、ag、au、al与hf中的一种或多种。参考层通常是多层膜结构，需要调节各层薄膜的种类和厚度使其磁化方向垂直于其界面。

本申请的再一种实施例中，上述绝缘势垒层的材料选自镁氧化合物、硅氧化合物、硅氮化合物、铝氧化合物、镁铝氧化合物、钛氧化合物层、钽氧化合物、钙氧化合物与铁氧化合物中的一种或多种。这些材料具有较好的绝缘性能，能够进一步保证垂直磁化mtj器件具有良好的性能。

本申请中的绝缘势垒层与第二绝缘层并不限于上述提到的各种材料层，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料层作为绝缘势垒层。

为了获得合适的ra(垂直磁化mtj器件的电阻值)值，本申请的一种实施例中，上述绝缘势垒层的厚度在0.5～20nm之间。

本领域技术人员可以根据实际情况选择现有技术中的任何可以满足自由层的性能要求的材料作为自由层的材料。

本申请的又一种实施例中，上述自由层的材料选自co、fe、ni、pt、pd、ru、ta、cu、cob、feb、nib、cofe、nife、coni、cofeni、cofeb、nifeb、conib、cofenib、fept、fepd、copt、copd、cofept、cofepd、feptpd、coptpd与cofeptpd中的一种或多种。这些材料比较容易获取，且能够进一步保证垂直磁化mtj器件具有良好的性能。

为了进一步保证本申请的增强层可以增强自由层的垂直磁各向异性，进而增强自由层的热稳定性，本申请的一种实施例中，上述增强层的材料选自ag、au、pt、pd、rh、ru、re、mo、hf、ir、ni、nb、w与v中的一种或多种。

当然，本申请的增强层的材料并不限于上述提到的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择其他的满足增强层性能需求的材料形成增强层。

本申请的另一种实施例中，上述增强层的厚度在0.2～1nm之间，这样可以进一步保证增强层能有效提高自由层的垂直磁各向异性。

本申请的再一种实施例中，上述去磁耦合层的材料选自cu、al、cr、ta、zr、tan与tin中的一种或多种，这些材料可以有效隔离自由层与固定层。

当然，本申请的去磁耦合层的材料并不限于上述提到的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择其他的符合要求的材料形成本申请的上述去磁耦合层。

为了进一步保证该去磁耦合层的隔离作用以及避免极化电子在传输过程中的翻转，本申请的一种实施例中，上述去磁耦合层的厚度在0.5～10nm之间。

本申请的又一种实施例中，上述固定层的材料选自co、ni、fe、cofe、coni、nife、cofeni、cob、feb、cofeb、nifeb、pt、pd、ptpd、fept、ir、ru、re、rh、b、zr、v、nb、ta、mo、w、cu、ag、au、al与hf中的一种或多种。这样可以进一步保证该固定层对自由层的作用，进而保证该垂直磁化mtj器件具有较小的临界写入电流。

当然，本申请的固定层的材料并不限于上述的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择其他的满足固定层的性能要求的材料。

本申请的再一种实施例中，如图2所示，上述垂直磁化mtj器件还包括第一电极层1与第二电极层8，其中，第一电极层1设置在上述参考层2的远离上述绝缘势垒层3的表面上；第二电极层8设置在上述固定层7的远离上述去磁耦合层6的表面上。

对mtj器件施加正向偏压v1，即第一电极层1施加正向电压，第二电极层8施加负电压或者0，使得电子从固定层7流向参考层2，经过固定层7极化的电子会对自由层4施加一个力矩，使得自由层4磁化方向与固定层7磁化方向相同，另一方面，在电子从自由层4流向参考层2的过程中，由于参考层2的自旋过滤作用，从参考层2反射回自由层4的极化电子会对自由层4施加一个力矩，使得自由层4磁化方向与参考层2磁化方向相反，由于参考层2与固定层7磁化方向相反，所以参考层2和固定层7对自由层4所施加的力矩方向一致，都使得自由层4磁化方向与参考层2磁化方向相反，从而写入数据“0”。

对mtj器件施加一反向偏压v1’(该v1’与v1的电流方向是相反的，且二者的绝对值可以相等，也可以不相等，对于不同的器件来说，二者的绝对值大小关系不同)，使得电子从参考层2流向固定层7，经过参考层2极化的电子会对自由层4施加一个力矩，使得自由层4磁化方向与参考层2磁化方向相同，另一方面，在电子从自由层4流向固定层7的过程中，由于固定层7的自旋过滤作用，从固定层7反射回自由层4的极化电子也会对自由层4施加一个力矩，使得自由层4磁化方向与固定层7磁化方向相反，由于参考层2与固定层7的磁化方向相反，所以参考层2与固定层7对自由层4所施加的力矩方向一致，都使得自由层4磁化方向与参考层2的磁化方向相同，从而写入数据“1”。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种stt-mram，该stt-mram包括垂直磁化mtj器件，该垂直磁化mtj器件为任一种上述的垂直磁化mtj器件。

上述的stt-mram由于包括上述的垂直磁化mtj器件，使得其的芯片能耗较小，且写入效率较高。

为了使得本领域技术人员更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术方案。

实施例1

stt-mram存储器包括多个mtj器件，还包括与mtj器件电连接的开关电路，且开关电路包括开关器、字线、位线与源线。具体的连接关系与现有技术中的相同，此处就不再赘述了。

mtj单元的结构如图2所示，第一电极层1是ta层，厚度是参考层2包括多个结构层，沿远离第一电极层的方向依为其中参考结构层为cofeb，其磁化方向垂直于薄膜平面(即各层的厚度方向)；绝缘势垒层3是mgo层，其厚度是其禁带宽度η1＝7.6ev；自由层4为厚的cofeb层；增强层5为pd层，其厚度是去磁耦合层6为cu层，其厚度是固定层7包括多个结构层，且沿远离去磁耦合层6的方向依次为其中，固定层中的cofe为固定结构层，其磁化方向垂直于薄膜平面(即各层的厚度方向)。

实施例2

与实施例1的区别在于，增强层的厚度是去磁耦合层的厚度是

实施例3

与实施例1的区别在于，增强层的厚度是去磁耦合层的厚度是

实施例4

与实施例1的区别在于，增强层的厚度是

实施例5

与实施例1的区别在于，去磁耦合层的厚度是

对比例

与实施例的区别在于，该垂直磁化mtj器件在第二电极层与自由层之间不存在增强层、去磁耦合层以及固定层。

将mtj器件刻蚀成直径为100nm的位元，采用电学和磁学测试系统在室温下测试实施例与对比例的临界写入电流密度，在50μa电流下的写入时间。具体的测试结果见表1。

表1

由上述表中的数据可知，与对比例相比，各个实施例的临界写入电流较小，且写入时间较短，进而降低了stt-mram芯片的能耗提高了stt-mram芯片的写入效率；其中，与实施例1相比，实施例4的mtj器件中由于增强层的厚度是大于所以其临界写入电流相对实施例1较大，且写入时间相对实施例1较长；与实施例1相比，实施例5的mtj器件中由于去磁耦合层的厚度是较小，所以其临界写入电流相对实施例1较大，且写入时间相对实施例1较长。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

1)、本申请的垂直磁化mtj器件中，固定层对自由层的力矩方向与参考层对自由层的作用方向一致，进而使得自由层更容易发生翻转，降低了临界写入电流，降低了stt-mram芯片的能耗，同时也提高了数据的写入速率，并且，固定层可以抵消参考层作用在自由层上的散磁场，避免不同位元之间的相互干扰；另外，上述垂直磁化mtj器件中的增强层可以增强自由层的磁各向异性，进而提高自由层的热稳定性。

2)、本申请的stt-mram由于包括上述的垂直磁化mtj器件，使得其的芯片能耗较小，且存储效率较高。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。