磁性隧道结器件的制作方法

1.本发明涉及磁阻式随机存取存储器技术领域，尤其涉及一种磁性隧道结器件。


背景技术：

2.磁阻式随机存取存储器(magnetic random access memory，mram)是一种新型固态非易失性记忆体。mram的核心单元是磁性隧道结器件(magnetic tunnel junction，mtj)，mtj由自由层、参考层以及夹在两者之间的势垒层构成。其中，参考层的磁化方向固定，器件工作期间不发生翻转；自由层的磁化方向与参考层共线(平行或反平行)。通过利用电子的自旋力矩，将自由层的磁化方向翻转，以实现参考层与自由层磁化方向平行(电阻较低)或反平行(电阻较高)，以此实现写“0”或“1”。
3.对于mtj器件来说，为了提高器件的数据保持时间，可以提高自由层的垂直各向异性能hk，但是伴随着hk的提高，写入电流也会增加，造成器件功耗增加。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供了一种磁性隧道结器件，在具有高垂直各向异性能的同时，具有较低的翻转电流。
5.第一方面，本发明提供一种磁性隧道结器件，包括：依次层叠设置的参考层、势垒层、自由层和盖层，所述参考层具有与所述参考层的平面大致垂直的固定磁化，所述自由层包括：第一铁磁层、第二铁磁层以及位于所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间的反铁磁耦合层，所述第一铁磁层与所述势垒层相邻设置，所述第一铁磁层具有垂直于薄膜表面并且可翻转的磁化，所述第二铁磁层具有与所述第一铁磁层磁化方向相反的磁化；
6.所述自由层还包括：
7.第一间隔层，位于所述第一铁磁层与所述反铁磁耦合层之间；
8.第二间隔层，位于所述第二铁磁层与所述反铁磁耦合层之间。
9.可选地，所述第一间隔层和所述第二间隔层的材料选自ta、mo、w、hf、nb、v、y、cr、ru中的任一种。
10.可选地，所述反铁磁耦合层选自mo、ir、ru和cr中的任一种。
11.可选地，所述自由层还包括：
12.第一反铁磁增强层，位于所述第一间隔层与所述反铁磁耦合层之间；
13.第二反铁磁增强层，位于所述第二间隔层与所述反铁磁耦合层之间。
14.可选地，所述第一反铁磁增强层和所述第二反铁磁增强层的材料为co、fe及其合金。
15.第二方面，本发明提供一种磁性隧道结器件，包括：依次层叠设置的参考层、势垒层、自由层和盖层，所述参考层具有与所述参考层的平面大致垂直的固定磁化，所述自由层包括：第一铁磁层、第二铁磁层以及位于所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间的反铁磁耦合层，所述第一铁磁层与所述势垒层相邻设置，所述第一铁磁层具有垂直于薄膜表面并
且可翻转的磁化，所述第二铁磁层具有与所述第一铁磁层磁化方向相反的磁化；
16.所述自由层还包括：
17.第一间隔层，位于所述第一铁磁层层间，使得所述第一铁磁层分隔为靠近所述势垒层的第一子层和靠近所述反铁磁耦合层的第二子层；
18.第二间隔层，位于所述第二铁磁层层间，使得所述第二铁磁层分隔为靠近所述反铁磁耦合层的第一子层和靠近所述盖层的第二子层。
19.可选地，所述第一间隔层和所述第二间隔层的材料选自ta、mo、w、hf、nb、v、y、cr、ru中的任一种。
20.可选地，所述反铁磁耦合层选自mo、ir、ru和cr中的任一种。
21.可选地，所述自由层还包括：
22.第一反铁磁增强层，位于所述第一铁磁层的第二子层与所述反铁磁耦合层之间；
23.第二反铁磁增强层，位于所述第二铁磁层的第一子层与所述反铁磁耦合层之间。
24.可选地，所述第一反铁磁增强层和所述第二反铁磁增强层的材料为co、fe及其合金。
25.第三方面，本发明提供一种磁阻式随机存取存储器，所述磁阻式随机存取存储器包括如第一方面或第二方面提供的磁性隧道结器件。
26.本发明提供的磁性隧道结器件，自由层采用分层结构，自由层包括两个铁磁层及位于两个铁磁层之间的反铁磁耦合层，使得自由层具有高的垂直各向异性能，从而提高器件的数据保持时间。进一步又在两个铁磁层与反铁磁耦合层之间或者直接在两个铁磁层层间插入间隔层，提高自由层的饱和磁化强度，从而使器件具有较低的翻转电流，降低器件功耗，提高器件的耐久性。
附图说明
27.图1为本发明一实施例提供的磁性隧道结器件的结构示意图；
28.图2为本发明一实施例提供的磁性隧道结器件的结构示意图；
29.图3为本发明一实施例提供的磁性隧道结器件的结构示意图；
30.图4为本发明一实施例提供的磁性隧道结器件的结构示意图。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
32.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
33.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
34.已知的，要使磁性隧道结的自由层发生翻转，写入电流需要超过磁性隧道结器件的临界翻转电流i
c0
，临界翻转电流i
c0
越大，器件相应的功耗也越大。因此，需要适当地降低器件的翻转电流。申请人通过研究发现，磁性隧道结器件当热稳定因子δ一定的情况下，器件的饱和磁化强度ms升高，器件的翻转电流ic会降低。因此本技术提出一种具有高垂直各向异性能的并且具有较低翻转电流的磁性隧道结器件。
35.图1示出了本发明实施例提供的一种磁性隧道结器件100的剖面结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供了一种磁性隧道结器件100，该器件包括：从下至上依次层叠设置的参考层101、势垒层102、自由层103和盖层104，盖层104为一层重金属，例如ta，可以起到保护作用。其中，参考层101具有与参考层101平面大致垂直的固定磁化，势垒层102可以是一层氧化镁mgo。特别地，本实施例中自由层103采用多层结构，自由层103包括第一铁磁层1031、第一间隔层1032、反铁磁耦合层1033、第二间隔层1034以及第二铁磁层1035，第一铁磁层1031与势垒层102相邻设置，第二铁磁层1035靠近盖层104，反铁磁耦合层1033位于第一铁磁层1031与第二铁磁层1035之间。第一铁磁层1031具有垂直于薄膜表面并且可翻转的磁化，第二铁磁层1035具有与第一铁磁层1031磁化方向相反的磁化。在第一铁磁层1031与第二铁磁层1035之间插入反铁磁耦合(afc)层1033，可以使两个铁磁层的磁矩相互抵消，减小退磁化场，提高自由层的整体磁各向异性能(hk)。
36.另外，第一间隔层1032设置于第一铁磁层1031与反铁磁耦合层1033之间，第二间隔层1034设置于第二铁磁层1035与反铁磁耦合层1033之间。通过在反铁磁耦合层和两个铁磁层之间插入间隔层，可以用来吸收硼(b)元素及结构调整，从而改善两个铁磁层的晶格结构。例如，可以提高第一铁磁层1031和第二铁磁层1035的饱和磁化强度ms。
37.作为一种实施方式，反铁磁耦合层1033可以是mo、ir、ru和cr中的任一种。调整反铁磁耦合层1033的厚度，可以改变第一铁磁层1031与第二铁磁层1035之间的耦合强度。第一间隔层1032与第二间隔层1034的材料可以相同，也可以不同，通常选择可以吸收硼(b)又比较轻的重金属材料，典型材料有ta、mo、w、hf、nb、v、y、cr、ru等材料。
38.进一步地，如图2所示，在图1结构的基础上，可以在第一间隔层1032与反铁磁耦合层1033之间插入第一反铁磁增强层1036，在第二间隔层1034与反铁磁耦合层1033之间插入第二反铁磁增强层1037，第一反铁磁增强层1036、第二反铁磁增强层1037主要用于改善反铁磁耦合层1033的耦合作用，一般为co、fe等及其合金。
39.图3示出了本发明实施例提供的一种磁性隧道结器件200的剖面结构示意图。如图3所示，本发明实施例提供了一种磁性隧道结器件200，该器件包括：从下至上依次层叠设置的参考层201、势垒层202、自由层203和盖层204，盖层204为一层重金属，例如ta，可以起到保护作用。其中，参考层201具有与参考层201平面大致垂直的固定磁化，势垒层202可以是一层氧化镁mgo。特别地，本实施例中自由层203采用多层结构，自由层203包括第一铁磁层2031、第二铁磁层2035以及位于第一铁磁层2031、第二铁磁层2035之间的反铁磁耦合层2033，第一铁磁层2031与势垒层202相邻设置，第二铁磁层2035靠近盖层204，第一铁磁层
2031具有垂直于薄膜表面并且可翻转的磁化，第二铁磁层2035具有与第一铁磁层2031磁化方向相反的磁化。在第一铁磁层2031与第二铁磁层2035之间插入反铁磁耦合(afc)层2033，可以使两个铁磁层的磁矩相互抵消，减小退磁化场，提高自由层的整体磁各向异性能(hk)。
40.进一步地，第一铁磁层2031的层间设置第一间隔层2032，第一间隔层2032将第一铁磁层2031分隔为靠近势垒层202的第一子层2031a和靠近反铁磁耦合层2033的第二子层2031b。第一间隔层2032可以用来吸收硼(b)元素，改善第一铁磁层的晶格结构，例如，可以提高第一铁磁层的饱和磁化强度ms。
41.同理，第二铁磁层2035的层间设置第二间隔层2034，第二间隔层2034将第二铁磁层2035分隔为靠近反铁磁耦合层2033的第一子层2035a和靠近盖层204的第二子层2035b。第二间隔层2034可以用来吸收硼(b)元素，改善第二铁磁层的晶格结构，例如，可以提高第二铁磁层的饱和磁化强度ms。
42.作为一种实施方式，反铁磁耦合层2033可以是mo、ir、ru和cr中的任一种。调整反铁磁耦合层2033的厚度，可以改变第一铁磁层2031与第二铁磁层2035之间的耦合强度。第一间隔层2032与第二间隔层2034的材料可以相同，也可以不同，通常选择可以吸收硼(b)又比较轻的重金属材料，典型材料有ta、mo、w、hf、nb、v、y、cr、ru等材料。
43.进一步地，如图4所示，在图3结构的基础上，可以在第一铁磁层的第二子层2031b与反铁磁耦合层2033之间插入第一反铁磁增强层2036，在第二铁磁层的第一子层2035a与反铁磁耦合层2033之间插入第二反铁磁增强层2037，第一反铁磁增强层2036、第二反铁磁增强层2037主要用于改善反铁磁耦合层2033的耦合作用，一般为co、fe等及其合金。
44.本发明实施例提供的磁性隧道结器件，自由层采用分层结构，自由层包括两个铁磁层及位于两个铁磁层之间的反铁磁耦合层，使得自由层具有高的垂直各向异性能，从而提高器件的数据保持时间。进一步又在两个铁磁层与反铁磁耦合层之间或者直接在两个铁磁层层间插入间隔层，提高自由层的饱和磁化强度，从而使器件具有较低的翻转电流，降低器件功耗，提高器件的耐久性。
45.进一步地，本发明实施例还提供一种磁阻式随机存取存储器，该磁阻式随机存取存储器包括上述磁性隧道结器件。
46.在以上的描述中，对于各层的构图等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
47.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。