CN112310273B

CN112310273B - 磁性隧道结及其制备方法

Info

Publication number: CN112310273B
Application number: CN201910689788.4A
Authority: CN
Inventors: 周浩; 何世坤; 杨成成; 何伟明
Original assignee: CETHIK Group Ltd; Hikstor Technology Co Ltd
Current assignee: CETHIK Group Ltd; Hikstor Technology Co Ltd
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2039-07-29
Also published as: CN112310273A

Abstract

本发明提供一种磁性隧道结及其制备方法，所述磁性隧道结包括：籽层；参考层，位于所述籽层上；自由层，位于所述参考层的与所述籽层相反的一侧；隧道势垒层，位于所述参考层和所述自由层之间；垂直磁各向异性增强层，位于所述自由层的与所述隧道势垒层相反的一侧且与所述自由层接触，所述垂直磁各向异性增强层的一部分厚度不均匀，另一部分厚度相同，且两部分的结合处没有明显高度差；非磁性盖层，所述非磁性盖层位于所述垂直磁各向异性增强层的厚度相同部分上；其中，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，所述自由层的一部分或者整个自由层的初始磁化方向与垂直方向存在一定的偏离夹角。本发明能够提高磁性隧道结的写入速度。

Description

磁性隧道结及其制备方法

技术领域

本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种磁性隧道结及其制备方法。

背景技术

MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁性随机存储器)的核心存储器件是MTJ(Magnetic Tunnel Junctions，磁性隧道结)，MTJ基于磁性隧道磁阻(TMR)效应，最典型的结构包括两层磁性层和介于两层磁性层之间的隧道层，其中一个磁性层的磁化方向固定，称为参考层，另一个磁性层的磁化方向可以通过磁场或电流改变，称为自由层。实际应用中，当自由层磁化反平行于参考层磁化时，MTJ呈现高阻态，可以代表“1”，当自由层磁化方向平行于参考层磁化方向时，MTJ呈现低阻态，可以代表“0”，反之亦然。

要改变MTJ的存储状态，需要对MTJ进行写操作：在MTJ中通入写电流，自由层将受到来自参考层的极化电流作用，该作用表现为自由层感受到来自于参考层的力矩，称为自旋转移矩STT，这个力矩的大小与自由层和参考层的磁化方向之间的夹角、写入电流、自旋极化率等有关。其中，自由层和参考层的磁化方向之间的夹角越大，STT越大，在STT一定的情况下，可以适当降低写入电流。

但是，实际对MTJ进行写操作时，自由层和参考层的磁化方向之间的夹角是由随机热扰动引起的，为一个随机夹角，该随机夹角一般为0°～0.5°。正是因为存在这样一个随机夹角，才使得MTJ写操作时自由层的磁化方向能够翻转。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：

由于随机夹角的大小和方向的不确定性，自由层的磁化翻转时间是一个概率分布事件，也具有不确定性，会直接影响磁性隧道结组成的阵列的写入速度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种磁性隧道结及其制备方法，引入一个厚度不均匀的垂直磁各向异性增强层，能够为自由层提供额外的磁力矩，从而形成自由层初始磁化方向的确定性偏转，使得自由层磁化方向和参考层磁化方向不共线，从而能够加快室温下MTJ的翻转速度，同时降低写入电流。

第一方面，本发明提供一种磁性隧道结，包括：

籽层；

参考层，位于所述籽层上，所述参考层具有垂直磁各向异性；

自由层，位于所述参考层的与所述籽层相反的一侧，所述自由层具有垂直磁各向异性；

隧道势垒层，位于所述参考层和所述自由层之间；

垂直磁各向异性增强层，位于所述自由层的与所述隧道势垒层相反的一侧且与所述自由层接触，所述垂直磁各向异性增强层的一部分厚度不均匀，另一部分厚度相同，且两部分的结合处没有明显高度差；

非磁性盖层，所述非磁性盖层位于所述垂直磁各向异性增强层的厚度相同部分上；

其中，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，所述自由层的一部分或者整个自由层的初始磁化方向与垂直方向存在一定的偏离夹角。

可选地，所述垂直磁各向异性增强层的厚度不均匀部分的表面形态包括凸形曲面、凹形曲面、表面平整的斜面和表面呈波浪形的斜面中的一种。

可选地，所述隧道势垒层和所述垂直磁各向异性增强层包括MgO、AlOx和ZnO中的一种。

可选地，所述籽层和所述非磁性盖层包括TaN。

第二方面，本发明提供一种磁性隧道结的制备方法，包括：

在基底上依次形成磁性隧道结的各层薄膜，所述磁性隧道结的各层薄膜包括依次堆叠的籽层、参考层、隧道势垒层、自由层、垂直磁各向异性增强层和非磁性盖层，各层薄膜厚度均匀；

在所述非磁性盖层上形成掩膜层，所述掩膜层的一部分较厚，另一部分较薄，两部分呈阶梯状且较薄部分的厚度不均匀；

以所述掩膜层为掩膜，对所述磁性隧道结的非磁性盖层、垂直磁各向异性增强层、自由层、隧道势垒层和参考层第一次刻蚀，直至暴露出所述籽层的表面，同时所述掩膜层的较薄部分被完全去除，所述掩膜层的较厚部分被去除掉与较薄部分相同的厚度；

以第一次刻蚀后剩余的掩膜层为掩膜，对所述磁性隧道结的非磁性盖层和垂直磁各向异性增强层第二次刻蚀，使得所述非磁性盖层未覆盖掩膜层的部分被完全去除，同时所述垂直磁各向异性增强层的一部分厚度不均匀，其余部分厚度相同，且两部分的结合处没有明显高度差。

可选地，在所述非磁性盖层上形成掩膜层的步骤包括：

在所述非磁性盖层上旋涂光刻胶，通过曝光、显影和定影，在所述光刻胶内形成凹槽并暴露出所述非磁性盖层的表面，所述凹槽的两侧侧壁具有不均匀的表面形态，且为对称结构；

垂直向下沉积掩膜层材料，在所述凹槽内的非磁性盖层的表面形成第一掩膜层，所述第一掩膜层的两侧分别具有与所述凹槽的两侧侧壁相适应的不均匀的表面形态；

改变掩膜层材料的沉积方向，沉积方向与垂直方向成一定夹角，在所述第一掩膜层的表面形成第二掩膜层，所述第二掩膜层的水平宽度小于所述第一掩膜层的水平宽度，暴露出所述第一掩膜层的一侧；

去除剩余光刻胶，暴露出由所述第二掩膜层和所述第一掩膜层共同构成的呈阶梯状的掩膜层。

可选地，第一次刻蚀和第二次刻蚀采用反应离子体或者离子束刻蚀的手段垂直向下刻蚀。

可选地，所述掩膜层包括Ta。

可选地，所述籽层和所述非磁性盖层包括TaN。

本发明提供的磁性隧道结，在自由层上方设置一层厚度不均匀的垂直磁各向异性增强层，垂直磁各向异性增强层在厚度合适并且均匀的地方，即与非磁性盖层接触的部分对自由层的垂直磁各向异性有明显的增强作用，从而导致该部分自由层的易磁化方向为垂直方向；垂直磁各向异性增强层在厚度相对减薄且不均匀的地方，即与非磁性盖层不接触的部分对自由层的垂直磁各向异性的增强作用有所减弱甚至消失，从而导致这部分自由层的易磁化方向向水平方向倾斜，甚至就处于水平方向。易磁化方向不共线的这两部分自由层之间存在着强交换耦合作用，从而导致整个自由层初始磁化方向(部分或全部)与垂直方向存在确定方向的偏离夹角，有助于自由层磁化方向的翻转，从而提高写入速度，并降低写入电流。

附图说明

图1为本发明一实施例的磁性隧道结的结构示意图；

图2为本发明另一实施例的磁性隧道结的结构示意图；

图3为垂直磁各向异性增强层的几种实现形式；

图4为本发明一实施例的磁性隧道结的制备方法的流程图；

图5-12为本发明一实施例的磁性隧道结的制备方法的各步骤剖面结构示意图。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本发明一实施例提供一种磁性隧道结，如图1所示，包括：籽层101，位于基底(图中未示出)上；参考层102，位于所述籽层101上，参考层102具有垂直磁各向异性(PMA)；自由层104，位于所述参考层102的与所述籽层101相反的一侧，所述自由层104具有垂直磁各向异性；隧道势垒层103，位于所述参考层102和所述自由层104之间；垂直磁各向异性增强层105，位于所述自由层104的与所述隧道势垒层103相反的一侧且与所述自由层104接触，所述垂直磁各向异性增强层105的一部分厚度不均匀，另一部分厚度相同，且两部分的结合处没有明显高度差；非磁性盖层106，所述非磁性盖层106位于所述垂直磁各向异性增强层105的厚度相同部分上；其中，参考层102具有与参考层102的平面大致垂直的固定磁化，自由层104的一部分或者整个自由层的初始磁化方向与垂直方向存在一定的偏离夹角。图1中展示了自由层104初始磁化方向的一种情形，一般的，厚度不均匀的部分占整个垂直磁各向异性增强层105横向宽度的比例不超过1/5，太大可能造成器件失效，可以看出，自由层104初始磁化方向与垂直方向有一系列确定性偏转夹角。

本发明实施例提供的磁性隧道结，在自由层上方设置一层垂直磁各向异性增强层，垂直磁各向异性增强层的一部分厚度是不均匀的，即沿水平方向观察，垂直磁各向异性增强层的一部分在垂直方向的厚度是变化的，垂直磁各向异性增强层在厚度合适并且均匀的地方对自由层的垂直磁各向异性有明显的增强作用，从而导致该部分自由层的易磁化方向为垂直方向，垂直磁各向异性增强层在厚度相对减薄且不均匀的地方对自由层的垂直磁各向异性的增强作用有所减弱甚至消失，从而导致这部分自由层的易磁化方向向水平方向倾斜，甚至就处于水平方向。易磁化方向不共线的这两部分自由层之间存在着强交换耦合作用，从而导致整个自由层初始磁化方向(部分或全部)与垂直方向存在确定方向的偏离夹角，有助于自由层磁化方向的翻转，从而提高写入速度，并降低写入电流。另一方面，无需引入额外的磁性层，MTJ的初始状态易于控制。

具体地，厚度不均匀的垂直磁各向异性增强层105通过刻蚀手段得到，由于刻蚀深度控制的误差，如图2所示，自由层以及自由层上的垂直磁各向异性增强层会存在被过多刻蚀的情况，但是自由层和参考层之间的隧道势垒层没有受到影响，所以不会破坏MTJ的核心结构和特性，因此这种情况也是被允许的。通过控制刻蚀的深度和位置，还能够有效调控初始偏转角度的大小和方向，满足不同存储需求。

隧道势垒层103和垂直磁各向异性增强层105可以选择的材料包括MgO、AlOx和ZnO中的一种。籽层101和非磁性盖层106的材料包括TaN。自由层104的材料主要为CoFeB(基于Co/Pt、Co/Pd的多层膜结构，间隔层一般选用Ru)。

另外，垂直磁各向异性增强层105的厚度不均匀部分的表面形态可以有多种实现形式，如图3所示，包括但不限于凸形曲面(图3中的(a)所示)、凹形曲面(图3中的(b)所示)、表面平整的斜面(图3中的(c)所示)和表面呈波浪形的斜面(图3中的(d)所示)。

本发明一实施例还提供一种磁性隧道结的制备方法，可以用来制造上述实施例中的磁性隧道结，如图4所示，具体包括以下步骤：

S101、在基底上依次形成磁性隧道结的各层薄膜，所述磁性隧道结的各层薄膜包括依次堆叠的籽层、参考层、隧道势垒层、自由层、垂直磁各向异性增强层和非磁性盖层，各层薄膜厚度均匀；

S102、在所述非磁性盖层上形成掩膜层，所述掩膜层的一部分较厚，另一部分较薄，且较薄部分的厚度不均匀；

S103、以所述掩膜层为掩膜，对所述磁性隧道结的非磁性盖层、垂直磁各向异性增强层、自由层、隧道势垒层和参考层第一次刻蚀，直至暴露出所述籽层的表面，同时所述掩膜层的较薄部分被完全去除，所述掩膜层的较厚部分被去除掉与较薄部分相同的厚度；

S104、以第一次刻蚀后剩余的掩膜层为掩膜，对所述磁性隧道结的非磁性盖层和垂直磁各向异性增强层第二次刻蚀，使得所述非磁性盖层未覆盖掩膜层的部分被完全去除，同时所述垂直磁各向异性增强层的一部分厚度不均匀，其余部分厚度相同，且两部分的结合处没有高度差。

具体地，步骤S101中，可以参考图5，在基底(图中未示出)上依次形成磁性隧道结的各层薄膜，所述磁性隧道结的各层薄膜包括依次堆叠的籽层101、参考层102、隧道势垒层103、自由层104、垂直磁各向异性增强层105和非磁性盖层106，各层薄膜厚度均匀；形成磁性隧道结的各层薄膜可以采用的方法包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等。籽层101和非磁性盖层106均由TaN构成，也可以分别称为下层TaN和上层TaN。一般地，籽层101的厚度大于非磁性盖层106的厚度。隧道势垒层103和垂直磁各向异性增强层105包括MgO、AlOx和ZnO中的一种。

步骤S102中，在所述非磁性盖层上形成掩膜层，可以按照下面的方法形成掩膜层，包括：

1)如图6-7所示，在所述非磁性盖层106上旋涂光刻胶PR(photoresist)，用于生成光刻机光刻图形，通过曝光、显影和定影，在所述光刻胶内PR形成凹槽并暴露出所述非磁性盖层106的表面，所述凹槽的两侧一般为对称结构，每一侧侧壁具有不均匀的表面形态；该步骤中，通过调整光刻胶的厚度、光刻机照明条件等方式，可以使显影、定影之后的光刻胶呈现出内掏或者垂直的形态，图7中，光刻胶内的凹槽两侧侧壁均为内掏状。

2)如图8所示，垂直向下沉积掩膜层材料，在所述凹槽内的非磁性盖层的表面形成第一掩膜层1071，所述第一掩膜层1071的两侧分别具有与所述凹槽的两侧侧壁相适应的不均匀的表面形态，本实施例表现为两侧和凹槽侧壁会形成对称的缺口。该步骤中，掩膜层材料可以为Ta，采用离子束沉积的方式垂直向下沉积。

3)如图9所示，改变掩膜层材料的沉积方向，沉积方向与垂直方向成一定夹角，在所述第一掩膜层1071的表面形成第二掩膜层1072，所述第二掩膜层1072的水平宽度小于所述第一掩膜层1071的水平宽度，暴露出所述第一掩膜层1071的厚度不均匀的部分；该步骤中，可以根据需要调整Ta离子束与垂直方向的夹角。

4)如图10所示，去除剩余光刻胶，暴露出由所述第二掩膜层1072和所述第一掩膜层1071共同构成的呈阶梯状的掩膜层107。该步骤中，通过湿法等工艺去除剩余的光刻胶及其上方的Ta。

进一步地，执行步骤S103，如图11所示，以掩膜层107为掩膜，对所述磁性隧道结的非磁性盖层106、垂直磁各向异性增强层105、自由层104、隧道势垒层103和参考层102第一次刻蚀，直至暴露出所述籽层101的表面，在刻蚀过程中，由于各层薄膜的材料不同，刻蚀速度也不同，掩膜层107被刻蚀的速度较慢，刻蚀结束时，所述掩膜层的较薄部分被完全去除，所述掩膜层的较厚部分被去除掉与较薄部分相同的厚度。这里的刻蚀手段包括采用反应离子体或者离子束刻蚀的手段垂直向下刻蚀，由于掩膜层107的较薄部分厚度不均匀，刻蚀后非磁性盖层106的一侧也出现厚度不均匀的情况。

关于步骤S104，如图12所示，以第一次刻蚀后剩余的掩膜层107为掩膜，对所述磁性隧道结的非磁性盖层和垂直磁各向异性增强层第二次刻蚀，使得所述非磁性盖层106未覆盖掩膜层的部分被完全去除，同时所述垂直磁各向异性增强层105未覆盖掩膜层的一部分厚度不均匀，其余部分厚度相同，且两部分的结合处没有明显高度差。在刻蚀过程中，所述掩膜层107再次被去除掉一部分，籽层101也被同步刻蚀，这里的刻蚀手段包括采用反应离子体或者离子束刻蚀的手段垂直向下刻蚀，由于非磁性盖层106的厚度不均匀，导致刻蚀后垂直磁各向异性增强层105的一部分呈现厚度不均匀。但是，考虑到刻蚀深度的控制误差，自由层以及自由层上的垂直磁各向异性增强层也可以被过多刻蚀。

补充说明的是，步骤S104之后，继续执行后续工艺，包括：在MTJ的表面形成一保护层，如SiN，以对磁性隧道结起到防止氧化等作用，沉积介电质如SiO2，再通过CMP工艺得到平滑表面以及构建上电极，即可得到以MTJ为核心的存储器件。该后续工艺均为常规手段实现，在此不再展开。

通过本发明实施例的磁性隧道结制备方法，能够制备出一种自由层上方为部分厚度不均匀的垂直磁各向异性增强层的磁性隧道结，提高磁性隧道结的翻转速度。

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。

Claims

1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括：

籽层；

隧道势垒层，位于所述参考层和所述自由层之间；

垂直磁各向异性增强层，位于所述自由层的与所述隧道势垒层相反的一侧且与所述自由层接触，所述垂直磁各向异性增强层位于一侧边缘的一部分厚度不均匀且厚度相对减薄，其余部分厚度相同，厚度不均匀的部分占整个所述垂直磁各向异性增强层横向宽度的比例不超过1/5，且两部分的结合处没有明显高度差；

2.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述垂直磁各向异性增强层的厚度不均匀部分的表面形态包括凸形曲面、凹形曲面、表面平整的斜面和表面呈波浪形的斜面中的一种。

3.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述隧道势垒层和所述垂直磁各向异性增强层包括MgO、AlOx和ZnO中的一种。

4.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述籽层和所述非磁性盖层包括TaN。

5.一种磁性隧道结的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

以第一次刻蚀后剩余的掩膜层为掩膜，对所述磁性隧道结的非磁性盖层和垂直磁各向异性增强层第二次刻蚀，使得所述非磁性盖层未覆盖掩膜层的部分被完全去除，同时所述垂直磁各向异性增强层位于一侧边缘的一部分厚度不均匀且厚度相对减薄，其余部分厚度相同，厚度不均匀的部分占整个所述垂直磁各向异性增强层横向宽度的比例不超过1/5，且两部分的结合处没有明显高度差。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述非磁性盖层上形成掩膜层的步骤包括：

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第一次刻蚀和第二次刻蚀采用反应离子体或者离子束刻蚀的手段垂直向下刻蚀。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述掩膜层包括Ta。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述籽层和所述非磁性盖层包括TaN。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述隧道势垒层和所述垂直磁各向异性增强层包括MgO、AlOx和ZnO中的一种。