CN105514261B

CN105514261B - 一种用于mram的磁性存储器件

Info

Publication number: CN105514261B
Application number: CN201510867892.XA
Authority: CN
Inventors: 左正笏; 徐庶; 李辉辉; 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: 2018-07-20
Anticipated expiration: 2035-12-01
Also published as: CN105514261A

Abstract

本发明涉及磁电阻随机存储器(MRAM)，尤其涉及一种利用亚铁磁材料构成固定层以减小自由层和固定层之间耦合磁场分布的磁电阻随机存储器件,包括：铁磁性的自由层、隔离层、含有亚铁磁性的固定层，隔离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磁性补偿温度与MRAM的工作温度匹配，所述磁性补偿温度下含有亚铁磁性的固定层的磁矩接近为零。本发明的有益效果在于：利用亚铁磁材料作为固定层，其产生的作用于自由层的耦合磁场与固定层的尺寸几乎无关，因此可以有效地减小磁性存储器件阵列中耦合磁场的分布。本发明对MRAM的制备生产有着重要意义，有很大的应用前景。

Description

一种用于MRAM的磁性存储器件

技术领域

本发明涉及磁电阻随机存储器(MRAM)，尤其涉及一种利用亚铁磁材料构成固定层以减小自由层和固定层之间耦合磁场分布的磁电阻随机存储器件。

背景技术

MRAM是一种非易失型的存储器，由依靠电路相互连接的磁性存储器件的阵列组成。每个存储器件含有铁磁性的自由层和固定层。自由层和固定层之间由非磁性的隔离层分开。在MRAM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。磁性存储器件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，磁性存储器件的电阻值相应改变，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。

MRAM存储器件在完成工艺制成之后，固定层中的铁磁性材料会通过磁偶极耦合的方式，产生耦合磁场作用于自由层上。这一耦合磁场直接影响到自由层的反转特性。为了减小自由层感受到的耦合磁场，一种常见的方法是用两层铁磁材料，分别对应于固定层1和固定层2，共同构成固定层，如图1所示。固定层1、2之间被非磁性材料(例如钌)组成的反铁磁耦合层隔开。固定层1、2通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列，形成一种称为合成反铁磁耦合(SAF)的结构。在这种情况下固定层1、2产生的作用于自由层的耦合磁场相互反向。通过适当选择固定层1、2的磁矩和膜厚，其作用于自由层上的耦合磁场能够相互抵消。

目前MRAM磁性存储器件中铁磁性的固定层所产生的作用于自由层的耦合磁场的强度随器件的尺寸而变化，因而在磁性存储器件的阵列中，耦合磁场不可避免地存在着一定的统计分布。利用加工工艺制备的磁性存储器件的阵列中各个器件的尺寸不可能完全相同。因此即便使用了具有SAF结构的固定层，每个器件中固定层所产生的作用于自由层的耦合磁场也各不相同，存在一定的统计分布。在制备MRAM时需要严格控制固定层产生的耦合磁场的分布，保证磁性存储器件阵列中每个器件的特性尽可能一致，以提高存储器的良率和可靠性。

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MRAM的磁性存储器件，采用亚铁磁材料取代铁磁材料构成固定层。亚铁磁材料中存在着两组磁化方向反向排列的子晶格。在特定的温度(称为磁性补偿温度)下，子晶格的磁矩大小相等、相互抵消，亚铁磁材料的净磁矩为零。通过选择合适的亚铁磁材料作为固定层，使得其磁性补偿温度与MRAM的工作温度范围匹配，可以实现固定层在MRAM工作状态下的净磁矩接近为零，从而使得固定层作用于自由层的耦合磁场接近为零，并且与固定层的尺寸几乎无关。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种用于MRAM的磁性存储器件，包括：铁磁性的自由层、隔离层、含有亚铁磁性的固定层，隔离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磁性补偿温度与MRAM的工作温度匹配，所述磁性补偿温度下含有亚铁磁性的固定层的磁矩接近为零。

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隔离层下方，铁磁性的自由层位于隔离层上方。

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

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或垂直于膜层。

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，所述隔离层的材料为:氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、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、氮化铝、铜、银、金、以及包含铜、银或金的合金材料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隔离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或垂直于膜层。

本发明的有益效果在于：利用亚铁磁材料作为固定层，其产生的作用于自由层的耦合磁场与固定层的尺寸几乎无关，因此可以有效地减小磁性存储器件阵列中耦合磁场的分布。本发明对MRAM的制备生产有着重要意义，有很大的应用前景。

附图说明

图1为现有RMAM存储器的结构示意图；

图2为本发明实施例1提出的磁性存储器件的结构示意图；

图3为本发明实施例2提出的磁性存储器件的结构示意图；

图4为本发明实施例3提出的磁性存储器件的结构示意图；

图5为本发明实施例4提出的磁性存储器件的结构示意图。

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材料固定层的磁性存储器件的实施方案，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隔离层的上方或下方，相对应的自由层位于隔离层的下方或上方。亚铁磁性的固定层可含有一层或多层亚铁磁性合金材料，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。

磁性存储器件中含有磁性的固定层和自由层。固定层和自由层之间被非磁性的隔离层分开。固定层和自由层的磁化方向在膜层面内或垂直于膜面。含有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。含有亚铁磁性的固定层可含有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。隔离层由一层或多层绝缘层或金属层组成。隔离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、氮化铝、铜、银、金、以及包含铜、银或金的合金材料。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2所示，磁性存储器件100中含有亚铁磁性的固定层110，非磁性的隔离层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。隔离层120由一层或多层绝缘层或金属层组成。隔离层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、氮化铝、铜、银、金、以及包含铜、银或金的合金材料。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3所示，磁性存储器件200中含有亚铁磁性的固定层210，铁磁性的界面层240，非磁性的隔离层220，以及铁磁性的自由层230。界面层240位于固定层210和隔离层220之间。界面层240、隔离层220和自由层230的组合能够产生较高的自旋极化率，从而提高磁性存储器件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。隔离层220由一层或多层绝缘层或金属层组成。隔离层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、氮化铝、铜、银、金、以及包含铜、银或金的合金材料。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4所示，磁性存储器件300中含有亚铁磁性的固定层310，非磁性的隔离层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。隔离层320由一层或多层绝缘层或金属层组成。隔离层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、氮化铝、铜、银、金、以及包含铜、银或金的合金材料。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5所示，磁性存储器件400中含有亚铁磁性的固定层410，铁磁性的界面层440，非磁性的隔离层420，以及铁磁性的自由层430。界面层440位于固定层410和隔离层420之间。界面层440、隔离层420和自由层430的组合能够产生较高的自旋极化率，从而提高磁性存储器件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。隔离层420由一层或多层绝缘层或金属层组成。隔离层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、氮化铝、铜、银、金、以及包含铜、银或金的合金材料。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性材料用于MRAM磁性存储器件中的固定层，从而减小由固定层产生的作用于自由层的耦合磁场的分布，有助于提高磁性存储器件阵列的均匀性，改善MRAM的良率和可靠性。

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MRAM的磁性存储器件，其特征在于包括：铁磁性的自由层、隔离层、含有亚铁磁性的固定层，隔离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，使含有亚铁磁性的固定层的磁性补偿温度与MRAM的工作温度匹配，所述磁性补偿温度下含有亚铁磁性的固定层的磁矩接近为零；所述含有亚铁磁性的固定层包含有SAF结构；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。

2.根据权利要求1所述的一种用于MRAM的磁性存储器件，其特征在于，所述含有亚铁磁性的固定层位于隔离层下方，铁磁性的自由层位于隔离层上方。

3.根据权利要求1所述的一种用于MRAM的磁性存储器件，其特征在于，所述含有亚铁磁性的固定层位于隔离层上方，铁磁性的自由层位于隔离层下方。

4.根据权利要求1所述的一种用于MRAM的磁性存储器件，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。

5.根据权利要求1所述的一种用于MRAM的磁性存储器件，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。

6.根据权利要求1所述的一种用于MRAM的磁性存储器件，其特征在于，所述隔离层的材料为：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、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、氮化铝、铜、银、金、以及包含铜、银或金的合金材料中的一种或几种组合。

7.根据权利要求1所述的一种用于MRAM的磁性存储器件，其特征在于，所述含有亚铁磁性的固定层和隔离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。

8.根据权利要求7所述的一种用于MRAM的磁性存储器件，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。