CN112928201A

CN112928201A - 具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构

Info

Publication number: CN112928201A
Application number: CN201911233568.7A
Authority: CN
Inventors: 张云森; 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: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2039-12-05
Also published as: CN112928201B

Abstract

本申请提供一种具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，所述磁性隧道结结构设置反铁磁耦合层结合双铁磁层的合成反铁磁层，配合反铁磁耦合层和晶格隔断层，实现合成反铁磁层到参考层之间的晶格转换和强铁磁耦合，有利于磁性隧道结单元在磁学，电学和良率的提升以及器件的缩微化。

Description

具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构

技术领域

本发明涉及存储器技术领域，特别是关于一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构。

背景技术

磁性随机存储器(Magnetic random access memory，MRAM)在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy；PMA)的磁性隧道结(Magnetic tunnel junction；MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”，在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向会保持不变；在写的过程中，如果与现有状态不相同的信号输入时，则自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生一百八十度的翻转。磁随机存储器的自由层磁化方向保持不变的能力叫做数据保存能力(Data Retention)或者是热稳定性(Thermal Stability)，在不同的应用情况中要求不一样，对于一个典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)而言，例如：应用于汽车电子领域，其数据保存能力要求是在125℃甚至150℃的条件下可以保存数据至少10年，在外磁场翻转，热扰动，电流扰动或读写多次操作时，都会造成数据保持能力或者是热稳定性的降低，所以常会采用合成反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnetic Layer，SyAF)超晶格来实现参考层(Reference Layer，RL)的钉扎。现行厂商采用各种技术来完成合成反铁磁层与参考层的晶格配适，但“去铁磁耦合”的情形仍常产生。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，实现参考层钉扎、晶格转换、降低/避免“去铁磁耦合”的情形。

本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本申请提出的一种具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，由上至下结构包括自由层(Free Layer；FL)、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TB)、参考层(Reference Layer，RL)、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)、合成反铁磁层(Synthetic Anti-Ferrimagnetic Layer，SyAF)与种子层(Seed Layer；SL)，其中，所述合成反铁磁层包括：第一铁磁层，由具有面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；以及，反铁磁耦合层，设置于所述第一铁磁层上，由可形成反铁磁耦合的过渡金属材料形成；第二铁磁层，设置于所述反铁磁耦合层上，由具有部分面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；其中，通过所述反铁磁耦合层实现所述第二铁磁层和所述第一铁磁层所述的反铁磁耦合；通过所述晶格隔断层实现参考层与所述第二铁磁层的铁磁耦合，以实现所述参考层磁化矢量的钉扎；其中，所述第一铁磁层的总厚度为0.5nm～4.0nm，所述第一铁磁层的材料为[Co/Pt]_nCo，[Co/Pd]_nCo或[Co/Ni]_nCo，n≥2；所述第二铁磁层的总厚度为0.5nm～2.0nm，所述第二铁磁层的材料为CoX[Pt/CoX]_m，CoX[Pd/CoX]_m，CoX[Ni/CoX]_m，Co[Y/Pt/Co]_m，Co[Y/Pd/Co]_m，Co[Y/Ni/Co]_m，Co[Pt/Y/Co]_m，Co[Pd/Y/Co]_m或Co[Ni/Y/Co]_m等，m≥1；X的成分为Mg，Al,C，B，Si，P，S，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo,Tc，Hf，Ta，W或其组合；Y的成分为Mg，Al,Si，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo,Tc，Hf，Ta或W。

本申请解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

在本申请的一实施例中，在所述第一铁磁层中，单层Co，Pt，Ni厚度小于1nm，各亚层的厚度可以相同也可以不相同；优选的，Co，Ni，Pt或Pd的单层厚度在0.5nm之下。

在本申请的一实施例中，在CoX中，X的原子百分比为a，0<X≤15％。CoX采用共溅射或者对合金靶材进行溅射沉积的方式实现。Y的厚度为b，0<X≤0.5nm。

在本申请的一实施例中，不论是第一铁磁层或第二铁磁层，在沉积时采用高温沉积，其温度不超过400℃；在沉积之后，可选择性的冷却到室温或者超低温。

在本申请的一实施例中，所述反铁磁耦合层为Ir，Ru，Rh，Ag，Au，Re，Os或其组合形成，其厚度为0.3nm～1.5nm。更进一步的，所述反铁磁耦合层可以选择Ru的RKKY第一振荡峰(0.3nm～0.6nm)，可以选择Ru的RKKY第二振荡峰(0.7nm～0.9nm)，也可以选择Ir的RKKY的第一振荡峰(0.3nm～0.5nm)。

在本申请的一实施例中，于所述磁性隧道结进行退火工艺，以使得所述参考层及所述自由层在面心立方晶体结构势垒层的模板作用下从非晶结构转变成体心立方堆积的晶体结构。

本申请提供了一种具有晶格传输作用的合成反铁层(SyAF)，由于第二铁磁层(2^ndFM)并不具有严格的FCC(001)结构，其晶格能够更好的与具有BCC(001)的参考层(RL)进行匹配，也实现了合成反铁磁层(SyAF)和参考层(RL)铁磁耦合。非常有利整个MTJ单元磁学，电学和良率的提升以及器件的缩微化。

附图说明

图1为本申请实施例磁性随机存储器的磁性隧道结的三层结构示意图。

符号说明

10:底电极；20:磁性隧道结；21:种子层；22:合成反铁磁层；23:晶格隔断层；24:参考层；25:势垒层；26:自由层；27:覆盖层；30:顶电极；221:第一铁磁层；222:反铁磁耦合层；223:第二铁磁层。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

附图和说明被认为在本质上是示出性的，而不是限制性的。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。另外，为了理解和便于描述，附图中示出的每个组件的尺寸和厚度是任意示出的，但是本发明不限于此。

在附图中，为了清晰、理解和便于描述，夸大设备、***、组件、电路的配置范围。将理解的是，当组件被称作“在”另一组件“上”时，所述组件可以直接在所述另一组件上，或者也可以存在中间组件。

另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包括”将被理解为意指包括所述组件，但是不排除任何其它组件。此外，在说明书中，“在......上”意指位于目标组件上方或者下方，而不意指必须位于基于重力方向的顶部上。

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对依据本发明提出的一种具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。

图1为本申请实施例磁性随机存储器的磁性隧道结的双层结构示意图。图1为本申请实施例磁性随机存储器的磁性隧道结的三层结构示意图。所述磁性存储单元结构至少包括底电极10、磁性隧道结20与顶电极30形成的多层结构。磁性隧道结20由上至下结构包括自由层(Free Layer；FL)26、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TB)25、参考层(ReferenceLayer，RL)24、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)23、合成反铁磁层(SyntheticAnti-Ferromagnetic Layer，SyAF)22与种子层(Seed Layer；SL)21。

如图1所示，在本申请的一实施例中，所述合成反铁磁层22包括由下至上分别的设置有第一铁磁层(1^st Ferro-Magnetic Layer,1^st FML)221，由具有面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；反铁磁耦合层(Anti-ferromagnetic coupling Layer，AFCL)222，设置于所述第一铁磁层221上，由可形成反铁磁耦合的过渡金属材料形成；第二铁磁层(2^ndFerro-Magnetic Layer,2^nd FML)223，设置于所述反铁磁耦合层222上，由具有部分面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；其中，通过所述反铁磁耦合层222实现所述第二铁磁层223和所述第一铁磁层221所述的反铁磁耦合；通过所述晶格隔断层23实现参考层24与所述第二铁磁层223的铁磁耦合，以实现所述参考层24磁化矢量的钉扎；所述第一铁磁层的总厚度为0.5nm～4.0nm，所述第一铁磁层的材料为[Co/Pt]_nCo，[Co/Pd]_nCo或[Co/Ni]_nCo，n≥2；所述第二铁磁层的总厚度为0.5nm～2.0nm，所述第二铁磁层的材料为CoX[Pt/CoX]_m，CoX[Pd/CoX]_m，CoX[Ni/CoX]_m，Co[Y/Pt/Co]_m，Co[Y/Pd/Co]_m，Co[Y/Ni/Co]_m，Co[Pt/Y/Co]_m，Co[Pd/Y/Co]_m或Co[Ni/Y/Co]_m等，m≥1；X的成分为Mg，Al,C，B，Si，P，S，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo,Tc，Hf，Ta，W或其组合；Y的成分为Mg，Al,Si，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo,Tc，Hf，Ta或W。

在本申请的一实施例中，不论是第一铁磁层221或第二铁磁层223，在沉积时采用高温沉积，其温度不超过400℃；在沉积之后，可选择性的冷却到室温或者超低温。

在本申请的一实施例中，所述反铁磁耦合层222为Ir，Ru，Rh，Ag，Au，Re，Os或其组合形成，其厚度为0.3nm～1.5nm。更进一步的，所述反铁磁耦合层222可以选择Ru的RKKY第一振荡峰(0.3nm～0.6nm)，可以选择Ru的RKKY第二振荡峰(0.7nm～0.9nm)，也可以选择Ir的RKKY的第一振荡峰(0.3nm～0.5nm)。

在本申请的一实施例中，种子层21一般由Ta,Ti，TiN，TaN，W，WN，Ru，Pt，Cr,O，N，CoB，FeB，CoFeB或它们的组合构成，更进一步地，可以是CoFeB/Ta/Pt，Ta/Ru，Ta/Pt或Ta/Pt/Ru等多层结构。用以优化后续的合成铁磁层(SyAF)22的晶体结构。

在本申请的一实施例中，晶格隔断层23的总厚度为0nm～0.8nm，其材料为X或XY，其中，其中，X为Mg,Ca，Sc，Y，Ti，Zr，V，Ta，Hf，Nb，Cr，Mn,Ru，Ir，Os，Zn，Al,Ga，In，C，Si，Ge，Sn或前述元素的任意组合，Y为CoB，FeB，FeCoB，FeC，CoC，FeCoC，O或N等。

在本申请的一实施例中，参考层(RL)24的厚度为0.5nm～2.0nm，一般为Co，Fe,Ni，CoFe，CoC，FeC，FeCoC，CoB，FeB，CoFeB或前述元素的任意组合。

在本申请的一实施例中，势垒层25为非磁性金属氧化物，其总厚度为0.6nm～1.5nm，优选MgO,MgZnO，Mg₃B₂O₆或MgAl₂O₄，更进一步可以选择MgO。

在本申请的一实施例中，自由层26具有可变磁极化，其总厚度为1.2nm～3nm，一般由CoB、FeB、CoFeB、CoFe/CoFeB、Fe/CoFeB，CoFeB/(Ta，W，Mo，Hf)/CoFeB，Fe/CoFeB/(W，Mo，Hf)/CoFeB或CoFe/CoFeB/(W，Mo，Hf)/CoFeB等组成，更进一步地可以选择CoFeB/(W，Mo，Hf)/CoFeB，Fe/CoFeB/(W，Mo，Hf)/CoFeB或CoFe/CoFeB/(W，Mo，Hf)/CoFeB结构。

在本申请的一实施例中，在自由层26沉积之后，再次沉积一层覆盖层(CL)27，一般为(Mg,MgO,MgZnO，Mg₃B₂O₆或MgAl₂O₄)/(W，Mo,Mg，Nb，Ru，Hf，V，Cr或Pt它们的组合)双层结构。更优地，可以选择MgO/(W,Mo,Hf)/Ru或MgO/Pt/(W,Mo,Hf)/Ru等结构。选择MgO的较优效果为自由层26提供了一个额外界面各向异性的来源，从而增加了热稳定。

在本申请的一实施例中，于所述磁性隧道结20进行退火工艺，其温度介于350℃与400℃之间，以使得所述参考层24及所述自由层26在氯化钠(NaCl)型面心立方晶体结构势垒层25的模板作用下，从非晶结构转变成体心立方堆积的晶体结构。

本申请的另一目的的一种磁性随机存储器架构，包括多个存储单元，每一储存单元设置于位线与字线相交的部位，每一存储单元包括：如先前所述的任一种磁性隧道结20；底电极，位于所述磁性隧道结20下方；以及，顶电极，位于所述磁性隧道结20上方。

在本申请的一实施例中，所述底电极10，磁性隧道结20及顶电极30皆使用物理气相沉积工艺完成。

在本申请的一实施例中，所述底电极10的材料为选自钛，氮化钛，钽，氮化钽，钌，钨，氮化钨等其中之一或及其组合。

在本申请的一实施例中，所述顶电极30的材料为选自钛，氮化钛，钽，氮化钽，钨，氮化钨等其中之一或及其组合。

在一些实施例中，所述底电极10在进行沉积成型之后，会将其进行平坦化处理，以达到制作磁性隧道结20的表面平整度。

“在本申请的一实施例中”及“在各种实施例中”等用语被重复地使用。此用语通常不是指相同的实施例；但它也可以是指相同的实施例。“包含”、“具有”及“包括”等用词是同义词，除非其前后文意显示出其它意思。

以上所述，仅是本申请的具体实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以具体实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。

Claims

1.一种具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结由上至下结构包括覆盖层、自由层、势垒层、参考层、晶格隔断层、合成反铁磁层与种子层，其特征在于，所述合成反铁磁层包括：

第一铁磁层，由具有面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；

反铁磁耦合层，设置于所述第一铁磁层上，由可形成反铁磁耦合的过渡金属材料形成；

第二铁磁层，设置于所述反铁磁耦合层上，由具有部分面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；

其中，通过所述反铁磁耦合层实现所述第二铁磁层和所述第一铁磁层所述的反铁磁耦合；通过所述晶格隔断层实现参考层与所述第二铁磁层的铁磁耦合，以实现所述参考层磁化矢量的钉扎；

其中，所述第一铁磁层的总厚度为0.5nm～4.0nm，所述第一铁磁层的材料为[Co/Pt]_nCo，[Co/Pd]_nCo或[Co/Ni]_nCo，其中，n≥2；

其中，所述第二铁磁层的总厚度为0.5nm～2.0nm，所述第二铁磁层的材料为CoX[Pt/CoX]_m，CoX[Pd/CoX]_m，CoX[Ni/CoX]_m，Co[Y/Pt/Co]_m，Co[Y/Pd/Co]_m，Co[Y/Ni/Co]_m，Co[Pt/Y/Co]_m，Co[Pd/Y/Co]_m或Co[Ni/Y/Co]_m等，m≥1；X的成分为Mg，Al,C，B，Si，P，S，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo,Tc，Hf，Ta，W或其组合；Y的成分为Mg，Al,Si，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo,Tc，Hf，Ta或W。

2.如权利要求1所述具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，其特征在于，在所述第一铁磁层中，单层Co，Pt，Ni厚度小于1nm，各亚层的厚度可以相同也可以不相同。

3.如权利要求2所述具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，其特征在于，Co，Ni，Pt或Pd的单层厚度在0.5nm之下。

4.如权利要求1所述具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，其特征在于，在CoX中，X的原子百分比为a，0<X≤15％。

5.如权利要求2所述具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，其特征在于，CoX采用共溅射或者对合金靶材进行溅射沉积的方式实现。

6.如权利要求1所述具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，其特征在于，Y的厚度为b，0<X≤0.5nm。

7.如权利要求1所述具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，其特征在于，在沉积所述第一铁磁层时采用高温沉积，其温度不超过400℃；在沉积之后，可选择性的冷却到室温或者超低温。

8.如权利要求1所述具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，其特征在于，所述反铁磁耦合层为Ir，Ru，Rh，Ag，Au，Re，Os或其组合，其厚度为0.3nm～1.5nm。

9.如权利要求1所述具有晶格传输作用的合成反铁层的磁性隧道结结构，其特征在于，在沉积所述第二铁磁层时采用高温沉积，其温度不超过400℃；在沉积之后，可选择性的冷却到室温或者超低温。

10.一种磁性随机存储器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的磁性隧道结结构，设置于所述磁性隧道结结构上方的顶电极，及设置于所述磁性隧道结结构下方的底电极。