CN114613903A - 磁性隧道结器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁性隧道结器件，包括：层叠设置的参考层、势垒层、自由层和盖层，参考层具有与参考层的平面大致垂直的固定磁化，自由层具有与自由层的平面大致垂直并且能够在与参考层的磁化方向平行或者反平行之间进行转换的磁化，自由层包括叠置的第一铁磁层和第二铁磁层，第一铁磁层与势垒层相邻设置并具有高饱和磁化强度。本发明能够降低磁性隧道结器件的翻转电流。

Description

磁性隧道结器件

技术领域

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

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”。

对于MTJ器件来说，写入电流的大小直接影响器件的功耗，写入电流越大，器件功耗也越大。因此为了降低MTJ器件功耗，有必要提出一种具有较低翻转电流的MTJ器件。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种磁性隧道结器件，提高MTJ器件的饱和磁化强度，从而降低了器件的翻转电流。

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，所述自由层具有与所述自由层的平面大致垂直并且能够在与所述参考层的磁化方向平行或者反平行之间进行转换的磁化，其中所述自由层包括：

第一铁磁层，与所述势垒层相邻设置，所述第一铁磁层具有高饱和磁化强度，饱和磁化强度大于800emu/cc；

第二铁磁层，设置于所述第一铁磁层远离所述势垒层的一侧，所述第二铁磁层具有小于所述第一铁磁层的饱和磁化强度。

可选地，所述第一铁磁层为单层磁性层结构，所述第一铁磁层采用Fe、Co_xFe_(1-x)形式的CoFe合金或者(Co_xFe_(1-x))_yB_(1-y)形式的CoFeB合金，其中下标表示原子个数的比例，0.3≤x≤0.5，0.7≤y≤0.85。

可选地，所述第一铁磁层为多层复合结构，所述第一铁磁层包括：

第一子层，与所述势垒层相邻设置，具有高饱和磁化强度，饱和磁化强度大于800emu/cc；

第二子层，位于所述第一子层远离所述势垒层的一侧，饱和磁化强度介于所述第一子层与所述第二铁磁层之间；

调节层，位于所述第一子层与所述第二子层之间，使所述第一子层与所述第二子层形成铁磁耦合。

可选地，所述第一子层采用Fe、Co_xFe_(1-x)形式的CoFe合金或者(Co_xFe_(1-x))_yB_(1-y)形式的CoFeB合金，其中下标表示原子个数的比例，0.3≤x≤0.5，0.7≤y≤0.85。

可选地，所述第二子层的材料与所述第一子层的材料具有相同的元素组成，但具有不同的原子比例。

可选地，所述调节层是一层非磁性金属层，或者弱磁性或顺磁性层，或者是不连续的一层或者界面。

可选地，所述第二铁磁层的材料为(Co_xFe_(1-x))_yB_(1-y)，0.3≤x≤0.5，y≤0.7。

可选地，所述自由层还包括：***层，所述***层位于所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间。

可选地，所述***层的材料选自Ta、Mo、W、Hf、Nb、V、Y、Cr、Ru中的任一种。

第二方面，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提供的磁性隧道结器件。

本发明提供的磁性隧道结器件，改进了自由层结构，自由层具有高饱和磁化强度，提高了MTJ器件整体的饱和磁化强度，进而降低了MTJ器件的翻转电流，降低器件功耗。

附图说明

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；

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。

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，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。

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。

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”。

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I_c会降低。因此本申请提出一种具有较高饱和磁化强度的磁性隧道结器件，从而可以实现较低的翻转电流。

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，自由层103具有与自由层103平面大致垂直并且能够在与参考层101的磁化方向平行或者反平行之间进行转换的磁化。势垒层102可以是一层氧化镁MgO。为了提高器件的饱和磁化强度Ms，同时不影响器件的热稳定因子Δ，在本发明实施例中，自由层103采用分层结构，自由层103包括第一铁磁层1031和第二铁磁层1033，其中第一铁磁层1031与势垒层102相邻设置，第一铁磁层1031具有比较高的饱和磁化强度Ms，一般大于800emu/cc，第二铁磁层1033设置于第一铁磁层1031远离势垒层102的一侧，第二铁磁层1033的饱和磁化强度Ms小于第一铁磁层1031的Ms，这样的结构整体退磁场小，可以保持较高的热稳定因子Δ。自由层翻转过程中，靠近势垒层102的第一铁磁层1031磁矩先翻转，然后带动第二铁磁层1033磁矩翻转。

进一步地，参考图1，第一铁磁层1031和第二铁磁层1033之间可以***一层非磁性***层1032，最好是可以吸收硼(B)又比较轻的重金属材料，可选的典型材料有Ta、Mo、W、Hf、Nb、V、Y、Cr、Ru等材料，使两个铁磁层实现铁磁耦合。

作为一种实施方式，第一铁磁层1031可以是单层磁性层结构，采用高饱和磁化强度Ms以及在与势垒层MgO匹配后具有高自旋极化率(从而达到较高的STT翻转效率及高TMR)的磁性材料，典型的有Fe、Co_xFe_(1-x)形式的CoFe合金或者(Co_xFe_(1-x))_yB_(1-y)形式的CoFeB合金，其中下标表示原子个数的比例，0.3≤x≤0.5，Ms在x＝0.4附近最大，0.7≤y≤0.85。

作为另一种实施方式，如图2所示，第一铁磁层1031还可以进一步包括第一子层10311、调节层10312以及第二子层10313，其中第一子层10311与势垒层102相邻设置，具有高饱和磁化强度，饱和磁化强度大于800emu/cc，其材料选择以高Ms以及在与势垒层MgO匹配后具有高自旋极化率(从而达到较高的STT翻转效率及高TMR)为主，典型的有Fe、Co_xFe_(1-x)形式的CoFe合金或者(Co_xFe_(1-x))_yB_(1-y)形式的CoFeB合金，其中下标表示原子个数的比例，0.3≤x≤0.5，Ms在x＝0.4附近最大，0.7≤y≤0.85。厚度一般在几个分子层，不超过1nm。

第二子层10313位于第一子层10311远离势垒层102的一侧，饱和磁化强度介于第一子层10311与第二铁磁层1033之间。第二子层10313的结构与第一子层10311匹配，可以具有相同的元素组成，但具有不同的原子比例。典型地可以是(Co_xFe_(1-x))_yB_(1-y)形式的CoFeB合金，但具有不同组分x、y的材料。

第二子层10313可以通过以下几种方式获得，例如调整CoFeB中Fe，Co比例，或者，在CoFeB中掺入其他非磁性材料，或者，在CoFeB中***其他非磁性金属层，如Mg,Al,B,Ca,Ba,Sr,Ta,Si,Mn,Ti,Zr,Hf等，或者采用其他低Ms材料，如Fe、Ni、Co及其合金等。

调节层10312可以一金属层，也可以是一简单的界面，不连续的一层，如Mo,W,Ta,Ir,Mg等B吸收层，或者弱磁性或顺磁性层，使第一子层10311和第二子层10313形成铁磁耦合。

第二铁磁层1033一般采用低Ms材料，可以与第二子层10313材料相同，例如可以为(Co_xFe_(1-x))_yB_(1-y)，0.3≤x≤0.5，y≤0.7。能够提高各向异性场，同时满足于势垒层MgO的晶格匹配，形成强的界面垂直磁各向异性(PMA)。

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，靠近势垒层的部分具有高饱和磁化强度，能够提高MTJ器件整体的饱和磁化强度，从而降低器件的翻转电流，降低器件功耗，提高器件的耐久性。

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。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀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。

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 (10)

1.一种磁性隧道结器件，其特征在于，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，所述自由层具有与所述自由层的平面大致垂直并且能够在与所述参考层的磁化方向平行或者反平行之间进行转换的磁化，其中所述自由层包括：

第一铁磁层，与所述势垒层相邻设置，所述第一铁磁层具有高饱和磁化强度，饱和磁化强度大于800emu/cc；

第二铁磁层，设置于所述第一铁磁层远离所述势垒层的一侧，所述第二铁磁层具有小于所述第一铁磁层的饱和磁化强度。

2.根据权利要求1所述的磁性隧道结器件，其特征在于，所述第一铁磁层为单层磁性层结构，所述第一铁磁层采用Fe、Co_xFe_(1-x)形式的CoFe合金或者(Co_xFe_(1-x))_yB_(1-y)形式的CoFeB合金，其中下标表示原子个数的比例，0.3≤x≤0.5，0.7≤y≤0.85。

3.根据权利要求1所述的磁性隧道结器件，其特征在于，所述第一铁磁层为多层复合结构，所述第一铁磁层包括：

第一子层，与所述势垒层相邻设置，具有高饱和磁化强度，饱和磁化强度大于800emu/cc；

第二子层，位于所述第一子层远离所述势垒层的一侧，饱和磁化强度介于所述第一子层与所述第二铁磁层之间；

调节层，位于所述第一子层与所述第二子层之间，使所述第一子层与所述第二子层形成铁磁耦合。

4.根据权利要求3所述的磁性隧道结器件，其特征在于，所述第一子层采用Fe、Co_xFe_(1-x)形式的CoFe合金或者(Co_xFe_(1-x))_yB_(1-y)形式的CoFeB合金，其中下标表示原子个数的比例，0.3≤x≤0.5，0.7≤y≤0.85。

5.根据权利要求3所述的磁性隧道结器件，其特征在于，所述第二子层的材料与所述第一子层的材料具有相同的元素组成，但具有不同的原子比例。

6.根据权利要求3所述的磁性隧道结器件，其特征在于，所述调节层是一层非磁性金属层，或者弱磁性或顺磁性层，或者是不连续的一层或者界面。

7.根据权利要求1所述的磁性隧道结器件，其特征在于，所述第二铁磁层的材料为(Co_xFe_(1-x))_yB_(1-y)，0.3≤x≤0.5，y≤0.7。

8.根据权利要求1所述的磁性隧道结器件，其特征在于，所述自由层还包括：***层，所述***层位于所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间。

9.根据权利要求8所述的磁性隧道结器件，其特征在于，所述***层的材料选自Ta、Mo、W、Hf、Nb、V、Y、Cr、Ru中的任一种。

10.一种磁阻式随机存取存储器，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的磁性隧道结器件。

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