CN104868052B

CN104868052B - 一种可调的垂直式磁电阻元件

Info

Publication number: CN104868052B
Application number: CN201510179744.9A
Authority: CN
Inventors: 郭民; 郭一民; 陈峻; 肖荣福
Original assignee: Shanghai Ciyu Information Technologies Co Ltd
Current assignee: Shanghai Ciyu Information Technologies Co Ltd
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2017-12-15
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: CN104868052A

Abstract

本发明提供了一种可调的垂直式磁电阻元件，包括依次相邻的参考层、势垒层、记忆层、功能层和电极层；所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻；所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面，所述记忆层至少包括第一记忆子层和第二记忆子层，所述第一记忆子层是铁磁性材料层且与所述势垒层相邻，所述第二记忆子层是非晶态铁磁性材料层且与所述功能层相邻；所述功能层与所述记忆层相邻，其是具有NaCl晶格结构的材料层，并且所述功能层的(100)晶面平行于基底平面、[110]晶向的晶格常数略大于bcc相Co在[100]晶向的晶格常数。

Description

一种可调的垂直式磁电阻元件

技术领域

本发明涉及存储器件领域，尤其涉及一种垂直式磁电阻元件。

背景技术

随着材料学的不断进步,一种新型的内存——磁性随机存储器(MRAM，MagneticRandom Access Memory)正在吸引人们的目光。它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。这种高速内存已经被视为DRAM内存的接班人。

磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunneling Junction)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，Tunnel Magnetoresistance)。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MRAM。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；隧道势垒层为绝缘层；磁性参考层位于绝缘层的另一侧，它的磁化方向是不变的。

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。

垂直式磁性隧道结(PMTJ，Perpendicular Magnetic Tunnel Junction)，在这种结构中，由于两个磁性层的垂直磁各向异性比较强(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。

为了使记忆层得到较高的垂直各向异性与热稳定性，在垂直MTJ中，需要加入附加的一层垂直磁化磁性层(如TbCoFe或CoPt或如(Co/Pt)n的多层膜)与记忆层进行耦合，可得到足够的磁晶垂直各向异性。但是考虑到此附加层的耗散，及此层的种子层在热处理时的晶格匹配问题及物质弥散问题，很难再降低写电流。

在STT-MRAM中，自旋转移写电流正比于阻尼系数，反比于自旋极化率。因此，减小写电流的关键技术即在于减小阻尼系数，增大自旋极化率和保持垂直各向异性。但是，在面内MTJ中记忆层所用的材料可以具有低阻尼与高MR，但把此材料用于垂直MTJ时，因为没有足够的磁晶各向异性，所以无法得到足以抵消退磁效应的热稳定性。

有一种方法是在记忆层相邻位置设置一功能层(如MgO)，这样有助于在界面形成更好的垂直各向异性。并且当有垂直于表面的电场作用在功能层时，其表面的O负离子与金属正离子被拉向相反的方向，可改变记忆层-功能层之间的界面相互作用。如果电场的方向向下指向功能层的上表面时(记忆层在上、功能层在下)，O原子被拉得离表面更远，使得记忆层-功能层界面相互作用更强，于是得到更强的垂直各向异性，反之亦然。当在电介质材料的功能层上加上电压偏置时，可以采用这种机制在操纵或修改记忆层的垂直各向异性强度，从而降低写电流。为此，记忆层与功能层的材料选择以及各层间的匹配是本领域技术人员研究的重点。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种可调的垂直式磁电阻元件，其包括：

参考层，所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；

记忆层，所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；

势垒层，所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻(本文中的层与层的“相邻”是指层与层紧贴设置，其间未主动设置其它层)；

其特征在于，还包括

功能层，所述功能层与所述记忆层相邻；所述功能层是具有NaCl晶格结构的材料层，并且所述功能层的(100)晶面平行于基底平面、[110]晶向的晶格常数略大于bcc相Co在[100]晶向的晶格常数；以及

电极层，所述电极层与所述功能层相邻；并且

所述记忆层至少包括第一记忆子层和第二记忆子层，所述第一记忆子层是铁磁性材料层且与所述势垒层相邻，所述第二记忆子层是非晶态铁磁性材料层且与所述功能层相邻。

进一步地，所述功能层是单层或多层结构，每层的材料是的金属氧化物、氮化物或氯化物，其中金属是Na、Li、Mg、Ca、Zn、Cd、In、Sn、Cu或Ag中的至少一种，优选自然状态下稳定的NaCl晶格的MgO、MgN、CaO、CaN、MgZnO、CdO、CdN、MgCdO或CdZnO。

进一步地，所述第一记忆子层的材料是CoFe、Fe、FeNi、CoNi、CoFeB、CoB、FeB、CoFeNiB、NiFeB或CoNiB。

进一步地，所述第二记忆子层的材料是CoFeB、CoB、FeB、CoFeNiB、NiFeB或CoNiB，其中B含量为10％～35％。

进一步地，所述第一记忆子层的材料是半金属Heusler合金，优选Co2MnSi、Co2FeAl、Co2FeSi或Co2MnAl。

进一步地，所述记忆层还包括介于所述第一记忆层和所述第二记忆层之间的中间记忆层，所述中间记忆层是具有磁晶垂直各向异性的铁磁性材料层。

进一步地，所述中间记忆层的材料包括Co和Fe中的至少一种元素，以及Pd和Pt中的至少一种元素。

进一步地，所述记忆层还包括介于所述中间层和所述第二记忆层之间的非磁性的***层，所述***层的材料是Ta、W、Ti、Cr、Zr、Nb、Hf、V、Mo、Pt、Pd、Au、Ag或Al。

进一步地，还包括分别与所述记忆层和所述功能层相邻的晶格优化层，所述晶格优化层是超晶格结构L21或B2，优选CuZn、AuCd、AlNi、NiZn、AlFe、LiTi或Co2MnSi；或者所述晶格优化层的材料是具有NaCl晶格结构的金属氧化物、氮化物或氯化物且其中的金属是Mg、Ca、Zn或Cd中的至少一种，优选MgO、MgN、CaO、CaN、MgZnO、CdO、CdN、MgCdO或CdZnO，并且还包括Cr、Al、B、Si、P、S、Cu、Zn、Cd、In、Sn、Ag、Be、Ca、Li、Na、Sc、Ti、Rb、V或Mn中至少一种掺杂元素。

进一步地，所述记忆层是合成反平行结构，优选CoFeB/CoFe/Ru/CoFe/CoFeB。

进一步地，所述电极层通过功能层为所述记忆层提供磁极化控制电压，从而调节所述记忆层的磁顽力，达到降低写电流的作用。

本发明作为一个可调的磁电阻元件，其不但可以显著减小阻尼系数、增大电流自旋极化率、增强磁晶垂直各向异性，同时兼顾考虑了优化层与电极间的接触电阻，以及写操作时电场的作用效果，从而进一度地减小了写电流以及得到更高的MR率。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图，记忆层采用三层结构；

图2是本发明实施例二的结构示意图，记忆层采用双层结构；

图3是本发明实施例三的结构示意图，在图1的器件结构中增加了***层；

图4是本发明实施例四的结构示意图，在图1的器件结构中增加了晶格优化层；

图5是本发明实施例五的结构示意图，记忆层采用反平行结构。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

图1是基于本发明的一种MTJ元件的结构示意图，其中包括由上至下依次相邻设置顶电极11、参考层12、势垒层13、记忆层14、功能层16和底电极17，其中记忆层14由依次相邻的第一记忆子层14a、中间记忆层14b和第二记忆子层14d组成。

参考层12和记忆层14是铁磁性材料，参考层12的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面，记忆层14的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面。参考层12的磁垂直各向异性能量充分大于记忆层14的磁垂直各向异性能量，这可以通过对参考层12的材料、结构以及膜厚的调整来实现，从而当自旋极化电流通过MTJ时，只能改变能量壁垒较低的记忆层14的磁化方向，而参考层12的磁化方向不受影响。

记忆层14中，第一记忆子层14a优选CoFe、Fe、FeNi、CoNi、CoFeB、CoB、FeB、CoFeNiB、NiFeB或CoNiB，具有弱表面垂直各向异性；第二记忆子层14d优选CoFeB、CoB、FeB、CoFeNiB、NiFeB或CoNiB，其中B含量为10％～35％，具有强表面垂直各向异性；中间记忆层14b的铁磁性材料中包括Co和Fe中的至少一种元素，以及Pd和Pt中的至少一种元素，具有中等强度的磁晶垂直各向异性。

记忆层14的垂直磁化强度来源于磁晶垂直各向异性与表面垂直各向异性的结合。第二记忆子层14d的表面垂直各向异性的强度可以由作用在功能层16上的电场来调控。当方向向上的电场强度足够大时，第二记忆子层14d的表面垂直各向异性会转变成表面面内各向异性，使得记忆层14整体的垂直各向异性急剧下降，所以写操作时需要的自旋转移写电流也可急剧变小。

本实施例中，第一记忆子层14a的材料为CoFeB(厚度约0.8nm)；第二记忆子层14d的材料为CoFeB(厚度约1.2nm)，其中B含量为20％；中间记忆层14b的材料为CoPd(厚度约2.0nm)。参考层12的材料结构为TbCoFe(厚度约10nm)/CoFeB(厚度约2.0nm)。其中“/”表示多层结构，左边的材料层设置在右边材料层之上。需要注意的是，实施例中所指的关于“上”、“下”的位置描述，是依据附图内元件的显示状态确定的，是为了更好地对附图进行说明，当观察元件的角度或位置发生变化时，各层间的位置描述也可需要根据实际情况做相应变化。

功能层16是具有NaCl晶格结构的材料层，并且功能层16的(100)晶面平行于基底平面、[110]晶向的晶格常数略大于bcc相Co在[100]晶向的晶格常数，其有助于增强记忆层14的表面垂直各向异性。功能层16可以是单层或多层结构，每层的材料是的金属氧化物、氮化物或氯化物，其中金属是Na、Li、Mg、Ca、Zn、Cd、In、Sn、Cu或Ag中的至少一种，优选自然状态下稳定的NaCl晶格的MgO、MgN、CaO、CaN、MgZnO、CdO、CdN、MgCdO或CdZnO。本实施例中，功能层16采用MgO(厚度约2.5nm)。在NaCl晶格结构中，Mg与O各自形成一套fcc相子晶格，这两套子晶格在[100]方向上的相对位移为此方向上晶格常数的一半(它在[110]方向的晶格常数在2.98至3.02埃米之间，此值略大于bcc相CoFe在[100]晶向的晶格常数，两者之间产生的晶格失配在4％至7％之间)。经过250摄氏度以上温度的退火处理，非晶态CoFeB晶化成bcc相的CoFe晶体颗粒，它的(100)晶面平行于功能层表面，并且有面内膨胀，面外收缩的特性。当MgO厚度足够大时(大于1.2nm)，即可在CoFeB记忆层中形成较强的垂直各向异性，从而在CoFeB记忆层中得到垂直方向的磁化矢量。

势垒层13的材料是非磁性金属氧化层或氮化物，比如MgO、MgN、ZnO或MgZnO。本实施例中，势垒层13为NaCl晶格结构的MgO(厚度约1nm)，且其(100)晶面平行于基底。

底电极17的结构为Ta(厚度约20nm)/Cu(厚度约20nm)/Ta(厚度约20nm)，在MTJ写操作时，底电极17和顶电极11上加载脉冲电压，为功能层16提供电场，以减小写电流。

实施例二

图2是基于本发明的另一种MTJ元件的结构示意图，其中包括由上至下依次相邻设置顶电极11、参考层12、势垒层13、记忆层14、功能层16和底电极17，其中记忆层14由依次相邻的第一记忆子层14a和第二记忆子层14d组成。

与实施例一相比，本实施例的区别仅在于记忆层14的设置。其中，记忆层14具有双层结构，第一记忆子层14a采用半金属Heusler合金，优选Co2MnSi、Co2FeAl、Co2FeSi或Co2MnAl。本实施例中，第一记忆子层14a的材料为半金属Heusler合金Co2FeAl(厚度约2.5nm)；第二记忆子层14d的材料为CoFeB(厚度约1.2nm)，其中B含量为20％。

实施例三

图3是在图1中器件结构基础上进一步改进的一种MTJ元件的结构示意图，其中包括由上至下依次相邻设置顶电极11、参考层12、势垒层13、记忆层14、功能层16和底电极17，其中记忆层14由依次相邻的第一记忆子层14a、中间记忆层14b、***层14c和第二记忆子层14d组成。与图1中器件结构的差异在于，在中间记忆层14b和第二记忆子层14d间增设了***层14c。

***层14c的材料优选Ta、W、Ti、Cr、Zr、Nb、Hf、V、Mo、Pt、Pd、Au、Ag或Al，本实施例中采用Ta(厚度约0.3nm)。当对MTJ进行热处理时，优化层14中的B原子也会扩散到***层14c中，这样更有助于提高其垂直磁各向异性。

实施例四

图4是在图1中器件结构基础上进一步改进的一种MTJ元件的结构示意图，其中包括由上至下依次相邻设置顶电极11、参考层12、势垒层13、记忆层14、晶格优化层15、功能层16和底电极17，其中记忆层14由依次相邻的第一记忆子层14a、中间记忆层14b和第二记忆子层14d组成。与图1中器件结构的差异在于，在中间记忆层14和功能层16间增设了晶格优化层15。

晶格优化层15可选超晶格结构L21或B2，优选CuZn、AuCd、AlNi、NiZn、AlFe、LiTi或Co2MnSi；也可以是具有NaCl晶格结构的金属氧化物、氮化物或氯化物且其中的金属是Mg、Ca、Zn或Cd中的至少一种，优选MgO、MgN、CaO、CaN、MgZnO、CdO、CdN、MgCdO或CdZnO，并且还包括Cr、Al、B、Si、P、S、Cu、Zn、Cd、In、Sn、Ag、Be、Ca、Li、Na、Sc、Ti、Rb、V或Mn中至少一种掺杂元素。本实施例中晶格优化层15采用MgO(厚度约1.5nm)，其中掺杂元素Li，其作为导电层增强了电场作用的效果。

实施例五

图5是基于本发明的另一种MTJ元件的结构示意图，其中包括由上至下依次相邻设置顶电极11、参考层12、势垒层13、记忆层14、功能层16和底电极17。

与实施例一相比，本实施例的区别仅在于记忆层14的设置。其中，记忆层14采用反平行结构，其结构为CoFeB(厚度约0.8nm)/CoFe(厚度约0.3nm)/Ru(厚度约0.8nm)/CoFe(厚度约0.3nm)/CoFeB(厚度约1.2nm)。

以上的各个实施例中，底电极17可通过功能层16为记忆层14提供磁极化控制电压，从而调节记忆层14的磁矫顽力，达到降低写电流的作用。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种磁电阻元件，包括：

势垒层，所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻；

其特征在于，还包括

电极层，所述电极层与所述功能层相邻；并且

2.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述功能层是单层或多层结构，每层的材料是的金属氧化物、氮化物或氯化物，其中金属是Na、Li、Mg、Ca、Zn、Cd、In、Sn、Cu或Ag中的至少一种。

3.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述第一记忆子层的材料是CoFe、Fe、FeNi、CoNi、CoFeB、CoB、FeB、CoFeNiB、NiFeB或CoNiB。

4.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述第二记忆子层的材料是CoFeB、CoB、FeB、CoFeNiB、NiFeB或CoNiB，其中B含量为10％～35％。

5.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述第一记忆子层的材料是半金属Heusler合金。

6.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述记忆层还包括介于所述第一记忆层和所述第二记忆层之间的中间记忆层，所述中间记忆层是具有磁晶垂直各向异性的铁磁性材料层。

7.如权利要求6所述的磁电阻元件，其特征在于，所述中间记忆层的材料包括Co和Fe中的至少一种元素，以及Pd和Pt中的至少一种元素。

8.如权利要求6所述的磁电阻元件，其特征在于，所述记忆层还包括介于所述中间层和所述第二记忆层之间的非磁性的***层，所述***层的材料是Ta、W、Ti、Cr、Zr、Nb、Hf、V、Mo、Pt、Pd、Au、Ag或Al。

9.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，还包括分别与所述记忆层和所述功能层相邻的晶格优化层，所述晶格优化层是超晶格结构L21或B2；或者所述晶格优化层的材料是具有NaCl晶格结构的金属氧化物、氮化物或氯化物且其中的金属是Mg、Ca、Zn或Cd中的至少一种，并且还包括Cr、Al、B、Si、P、S、Cu、Zn、Cd、In、Sn、Ag、Be、Ca、Li、Na、Sc、Ti、Rb、V或Mn中至少一种掺杂元素。

10.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述记忆层是合成反平行结构。

11.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述电极层通过功能层为所述记忆层提供磁极化控制电压，从而调节所述记忆层的磁顽力，达到降低写电流的作用。