CN105428522A

CN105428522A - 一种用于stt-mram的磁性隧道结

Info

Publication number: CN105428522A
Application number: CN201510862052.4A
Authority: CN
Inventors: 李辉辉; 左正笏; 徐庶; 韩谷昌; 蒋信; 刘瑞盛; 孟皓; 刘波
Original assignee: CETHIK Group Ltd
Current assignee: CETHIK Group Ltd
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2035-12-01
Also published as: CN105428522B

Abstract

本发明涉及磁电阻随机存储器，尤其涉及一种用于自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的含有高阻尼系数亚铁磁固定层的磁性隧道结，包括：铁磁性的自由层、势垒层、含有亚铁磁性的固定层，势垒层由非磁性物质构成并位于铁磁性的自由层和含有亚铁磁性的固定层之间，含有亚铁磁性的固定层的角动量补偿温度与STT-MRAM的工作温度匹配，所述角动量补偿温度下含有亚铁磁性的固定层具有高阻尼系数。本发明的有益效果在于：将亚铁磁材料用于STT-MRAM中MTJ的固定层，从而增加固定层的阻尼系数，降低STT写电流对固定层的扰动，提高STT-MRAM的可靠性。

Description

一种用于STT-MRAM的磁性隧道结

技术领域

本发明涉及磁电阻随机存储器(MRAM)，尤其涉及一种用于自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的含有高阻尼系数亚铁磁固定层的磁性隧道结。

背景技术

磁电阻随机存储器(MRAM)是一种非易失型的存储器，由依靠电路相互连接的磁性隧道结(MTJ)阵列组成。每个MTJ含有磁性的自由层和固定层。自由层和固定层之间由非磁性的势垒层分开。在MTJ正常工作时自由层的磁化方向可以改变，而固定层的磁化方向保持不变。MTJ的电阻与自由层和固定层的相对磁化方向有关。当自由层的磁化方向相对于固定层的磁化方向发生改变时，MTJ的电阻值相应改变，对应于不同的存储信息(如0或1)。电阻值发生变化的幅度称为磁电阻。

在自旋转移扭矩磁电阻随机存储器(STT-MRAM)中，自由层的反转通过自旋转移扭矩(STT)效应实现。当垂直于MTJ膜层的写电流通过自由层时，如果电流的大小超过STT效应的阈值，电流产生的STT可以导致自由层的磁化方向发生反转。反转后自由层的磁化方向由写电流流动的方向决定。

在STT-MRAM的写入过程中，写电流可能会对固定层产生影响，改变固定层的磁化方向。STT效应的写电流阈值与磁性材料的阻尼系数成正比，因此减小写电流对固定层扰动的一种有效方法是增加固定层的阻尼系数。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种用于自旋转移扭矩磁电阻随机存储器的含有高阻尼系数亚铁磁固定层的磁性隧道结，将亚铁磁材料应用于MTJ的固定层以增加固定层的阻尼系数。亚铁磁材料中存在着两组角动量方向反向排列的子晶格。在特定的温度(称为角动量补偿温度)下，子晶格的角动量大小相等、相互抵消，亚铁磁材料的净角动量为零。在这个温度附近，亚铁磁材料的阻尼系数显著增大。通过选择合适的亚铁磁材料作为固定层，使得其角动量补偿温度与MRAM的工作温度范围匹配，可以增加固定层在MRAM工作状态下的阻尼系数，减小STT写电流对固定层的干扰，提高STT-MRAM的可靠性。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种用于STT-MRAM的磁性隧道结，包括：铁磁性的自由层、势垒层、含有亚铁磁性的固定层，势垒层由非磁性物质构成并位于铁磁性的自由层和含有亚铁磁性的固定层之间，含有亚铁磁性的固定层的角动量补偿温度与STT-MRAM的工作温度匹配，所述角动量补偿温度下含有亚铁磁性的固定层具有高阻尼系数。

作为优选，所述含有亚铁磁性的固定层包含有SAF结构。

作为优选，所述含有亚铁磁性的固定层位于势垒层下方，铁磁性的自由层位于势垒层上方。

作为优选，所述含有亚铁磁性的固定层位于势垒层上方，铁磁性的自由层位于势垒层下方。

作为优选，所述含有亚铁磁性的固定层和铁磁性的自由层的磁化方向在膜层面内。

作为优选，所述含有亚铁磁性的固定层和铁磁性的自由层的磁化方向垂直于膜层。

作为优选，所述亚铁磁性的固定层材料包括钴钆合金、铁钆合金、钴铁钆合金、钴铽合金、铁铽合金、钴铁铽合金，或钴-钆多层膜、铁-钆多层膜、钴铁-钆多层膜、钴-铽多层膜、铁-铽多层膜、钴铁-铽多层膜中的一种或几种组合。

作为优选，所述铁磁性的自由层的材料为：含有铁、钴、铁钴合金，以及上述元素或合金与硼、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的合金，以及上述元素或合金与硼、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的多层膜。

作为优选，所述势垒层的材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化锌、氧化锌镁或氮化硼中的一种或几种组合。

作为优选，所述含有亚铁磁性的固定层和势垒层之间含有一层铁磁性的界面层；铁磁性的界面层的材料为：含有铁、钴、铁钴合金，以及上述元素或合金与硼、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的合金，以及上述元素或合金与硼、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的多层膜。

作为优选，所述界面层的磁化方向在膜层面内。

作为优选，所述界面层的磁化方向垂直于膜层。

本发明的有益效果在于：将亚铁磁性材料应用于MTJ的固定层以增加固定层的阻尼系数。亚铁磁性材料中存在着两组角动量方向反向排列的子晶格。在特定的温度(称为角动量补偿温度)下，子晶格的角动量大小相等、相互抵消，亚铁磁材料的净角动量为零。在这个温度附近，亚铁磁性材料的阻尼系数显著增大。通过选择合适的亚铁磁性材料作为固定层，使得其角动量补偿温度与MRAM的工作温度范围匹配，可以增加固定层在MRAM工作状态下的阻尼系数，减小STT写电流对固定层的干扰，提高STT-MRAM的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例1提出的MTJ结构示意图；

图2为本发明实施例2提出的MTJ结构示意图；

图3为本发明实施例3提出的MTJ结构示意图；

图4为本发明实施例4提出的MTJ结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

下文中将讨论含有亚铁磁性的固定层以增加其阻尼系数的用于STT-MRAM的MTJ的实施方案，包括一些具体的实施例。亚铁磁性材料组成的固定层可位于势垒层的上方或下方，相对应的自由层位于势垒层的下方或上方。亚铁磁性的固定层可含有一层或多层亚铁磁合金材料，也可含有由一层或多层铁磁性的过渡金属材料和一层或多层的稀土金属材料组成的多层膜结构。亚铁磁性的固定层也可以是由两层亚铁磁层和一层反铁磁耦合层组成的SAF结构。

MTJ中含有亚铁磁性的固定层和铁磁性的自由层。固定层和自由层之间被非磁性的势垒层分开。亚铁磁性的固定层和铁磁性的自由层的磁化方向可能是在膜层面内，也可能是垂直于膜面。亚铁磁性的固定层包含但不仅限于以下材料和结构中的一种或几种组合：钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨及由上述元素组成的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。亚铁磁性的固定层还可以含有SAF结构。SAF中的反铁磁耦合层包含但不仅限于以下材料中的一种或几种组合：钌、铑、铼、铱、铜、银、金及包含上述元素的合金。势垒层由一层或多层绝缘层组成。势垒层包含但不仅限于以下材料中的一种或几种组合：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl₂O₄)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。自由层包含但不仅限于以下材料和结构中的一种或几种组合：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。

实施例1：

如图1所示，磁性隧道结100中含有亚铁磁性的固定层110，非磁性的势垒层120，以及铁磁性的自由层130。固定层110和自由层130的磁化方向在膜层面内或垂直于膜面。固定层110包含但不仅限于以下材料和结构中的一种或几种组合：钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨以及由上述元素组成的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。势垒层120可以由一层或多层绝缘层组成。势垒层120包含但不仅限于以下材料中的一种或几种组合：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl₂O₄)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。自由层130包含但不仅限于以下材料和结构中的一种或几种组合：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。

实施例2：

如图2所示，磁性隧道结200中含有亚铁磁性的固定层210，铁磁性的界面层240，非磁性的势垒层220，以及铁磁性的自由层230。界面层240位于固定层210和势垒层220之间。界面层240、势垒层220和自由层230的组合能够产生较高的自旋极化率，从而提高磁性隧道结200的磁电阻。固定层210、界面层240和自由层230的磁化方向在膜层面内或垂直于膜面。固定层210包含但不仅限于以下材料和结构中的一种或几种组合：钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨以及由上述元素组成的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。势垒层220由一层或多层绝缘层组成。势垒层220包含但不仅限于以下材料中的一种或几种组合：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl₂O₄)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。自由层230和界面层240包含但不仅限于以下材料和结构中的一种或几种组合：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨以及包含上述材料的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。

实施例3：

如图3所示，磁性隧道结300中含有亚铁磁性的固定层310，非磁性的势垒层320，以及铁磁性的自由层330。固定层310中含有亚铁磁性的固定层1(312)、固定层2(316)以及位于两者之间的反铁磁耦合层314。固定层1(312)、固定层2(316)和反铁磁耦合层314组成SAF结构。固定层1(312)、固定层2(316)和自由层330的磁化方向在膜层面内或垂直于膜面。固定层1(312)和固定层2(316)包含但不仅限于以下材料和结构中的一种或几种组合：钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨及由上述元素组成的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。反铁磁耦合层314包含但不仅限于以下材料中的一种或几种组合：钌、铑、铼、铱、铜、银、金及包含上述元素的合金。势垒层320由一层或多层绝缘层组成。势垒层320包含但不仅限于以下材料中的一种或几种组合：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl₂O₄)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。自由层330包含但不仅限于以下材料和结构中的一种或几种组合：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。

实施例4：

如图4所示，磁性隧道结400中含有亚铁磁性的固定层410，铁磁性的界面层440，非磁性的势垒层420，以及铁磁性的自由层430。界面层440位于固定层410和势垒层420之间。界面层440、势垒层420和自由层430的组合能够产生较高的自旋极化率，从而提高磁性隧道结400的磁电阻。固定层410中含有亚铁磁性的固定层1(412)、固定层2(416)以及位于两者之间的反铁磁耦合层414。固定层1(412)、固定层2(416)和反铁磁耦合层414组成SAF结构。界面层440、固定层1(412)、固定层2(416)和自由层430的磁化方向在膜层面内或垂直于膜面。固定层1(412)和固定层2(416)包含但不仅限于以下材料和结构中的一种或几种组合：钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨及由上述元素组成的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。反铁磁耦合层414包含但不仅限于以下材料中的一种或几种组合：钌、铑、铼、铱、铜、银、金及包含上述材料的合金。势垒层420由一层或多层绝缘层组成。势垒层420包含但不仅限于以下材料中的一种或几种组合：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl₂O₄)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。界面层440和自由层430包含但不仅限于以下材料和结构中的一种或几种组合：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。

上述实例中将亚铁磁材料用于STT-MRAM中MTJ的固定层，从而增加固定层的阻尼系数，降低STT写电流对固定层的扰动，提高STT-MRAM的可靠性。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于STT-MRAM的磁性隧道结，其特征在于包括：铁磁性的自由层、势垒层、含有亚铁磁性的固定层，势垒层由非磁性物质构成并位于铁磁性的自由层和含有亚铁磁性的固定层之间，含有亚铁磁性的固定层的角动量补偿温度与STT-MRAM的工作温度匹配，所述角动量补偿温度下含有亚铁磁性的固定层具有高阻尼系数。

2.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的磁性隧道结，其特征在于，所述含有亚铁磁性的固定层包含有SAF结构。

3.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的磁性隧道结，其特征在于，所述含有亚铁磁性的固定层位于势垒层下方，铁磁性的自由层位于势垒层上方。

4.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的磁性隧道结，其特征在于，所述含有亚铁磁性的固定层位于势垒层上方，铁磁性的自由层位于势垒层下方。

5.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的磁性隧道结，其特征在于，所述含有亚铁磁性的固定层和铁磁性的自由层的磁化方向在膜层面内或垂直于膜层。

6.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的磁性隧道结，其特征在于，所述亚铁磁性的固定层材料包括钴钆合金、铁钆合金、钴铁钆合金、钴铽合金、铁铽合金、钴铁铽合金，或钴-钆多层膜、铁-钆多层膜、钴铁-钆多层膜、钴-铽多层膜、铁-铽多层膜、钴铁-铽多层膜中的一种或几种组合。

7.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的磁性隧道结，其特征在于，所述铁磁性的自由层的材料为：含有铁、钴、铁钴合金，以及上述元素或合金与硼、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的合金，以及上述元素或合金与硼、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的多层膜。

8.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的磁性隧道结，其特征在于，所述势垒层的材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化锌、氧化锌镁或氮化硼中的一种或几种组合。

9.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的磁性隧道结，其特征在于，所述含有亚铁磁性的固定层和势垒层之间含有一层铁磁性的界面层；铁磁性的界面层的材料为：含有铁、钴、铁钴合金，以及上述元素或合金与硼、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的合金，以及上述元素或合金与硼、锆、铪、钽、钛、钒、铬、钨、钼、铌组成的多层膜。

10.根据权利要求1所述的一种用于STT-MRAM的磁性隧道结，其特征在于，所述界面层的磁化方向在膜层面内或垂直于膜层。