CN105990517A - 用于增强垂直磁各向异性的具有双MgO界面和CoFeB层的垂直自旋转移矩(STT)储存元件 - Google Patents

用于增强垂直磁各向异性的具有双MgO界面和CoFeB层的垂直自旋转移矩(STT)储存元件 Download PDF

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Abstract

用于增强垂直磁各向异性的具有双MgO界面和CoFeB层的垂直自旋转移矩(STT)储存元件。一种用于在磁随机存储器(MRAM)中使用的磁隧道结(MTJ)，具有位于MgO隧道势垒层与上部MgO覆盖层之间的CoFeB合金自由层以及位于MgO覆盖层与Ta盖之间的CoFeB合金增强层。CoFeB合金自由层具有高Fe含量以引起具有MgO层的界面处的垂直磁各向异性(PMA)。为了避免由于具有MgO覆盖层的界面而在增强层中产生不必要的PMA，增强层应该具有低Fe含量。在将所有层沉积在基底上之后，对结构进行退火以使MgO结晶。CoFeB合金增强层展现出将Ta从Ta盖层扩散到MgO覆盖层中并且还通过在MgO界面处设置CoFeB而产生MgO的良好结晶度。

Description

用于增强垂直磁各向异性的 具有双MgO界面和CoFeB层的垂直自旋转移矩(STT)储存元件
技术领域
本发明总体上涉及具有垂直磁各向异性(PMA)的自旋转移矩磁随机存储器(SST-MRAM)，并且更具体地涉及具有双MgO界面的PMA STT存储元件。
背景技术
包括具有垂直磁各向异性(PMA)的磁隧道结(MTJ)的自旋转移矩磁随机存储器(SST-MRAM)是用于未来非易失性存储器的强有力候选者。MTJ存储元件具有由薄绝缘隧道势垒(通常为MgO)分隔开的自由铁磁层(也被称为记录层或存储层)以及基准铁磁层(也被称为钉扎层)。自由层和基准层具有PMA，与层的表面垂直朝向地磁化。基准层的磁化是钉扎的，但通过MTJ转换电流会引起自由层的磁化在对应于电阻Rp或RAP的平行(P)于或反平行(AP)于基准层磁化的两个朝向之间切换。MTJ的隧道磁阻(TMR)表示为(RAP-RP)/RP。图1A是示出了MTJ的两个可能状态的示意图。图1B是MRAM的高级示意图，利用众所周知的交叉点架构，MTJ存储元件阵列连接至字线和位线。
在CoFeB/MgO/CoFeBPMA MTJ中，PMA源自于CoFeB与MgO之间的界面，并且归因于Fe 3d和O 2p轨道的混合化。由于这种PMA源自于这种界面，所以由于较厚层将展现出平面各向异性而存在自由层的厚度限制。因为具有单CoFeB/MgO界面的PMA MTJ的自由层不能向足够的PMA提供高热稳定性，所以提出了具有双CoFeB/MgO界面结构的PMA MTJ。[“Properties of magnetic tunnel junctions with aMgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure down to junctiondiameter of 11nm”，H.Sato等，Applied Physics Letters 105，062403(2014)]。在这个结构中，CoFeB自由层夹在MgO隧道势垒与上部MgO覆盖层之间，其中，Ta盖形成在MgO覆盖层上。然而，这种类型的结构需要MgO层的精确增长同时防止在退火过程期间Ta扩散到MgO层中。
需要一种具有改进的PMA且在退火期间防止Ta扩散的双界面PMA MTJ存储元件。
发明内容
本发明的实施例设计一种用于在磁阻随机存取存储器(MRAM)中使用的磁隧道结(MTJ)，该磁随机存储器具有位于MgO隧道势垒层与上部MgO覆盖层之间的CoFeB合金自由层以及位于MgO覆盖层与通常为钛(Ta)的非磁盖之间的CoFeB合金增强层。因为垂直磁各向异性(PMA)源自于CoFeB自由层与两个MgO层之间的界面并且归因于Fe 3d和O 2p轨道的混合化，所以自由层中的CoFeB合金应该具有高Fe含量，即，优选地大于50原子百分比。CoFeB合金增强层的特定组分与CoFeB自由层的组分实质上不同，并且在Ta盖层沉积之前将CoFeB合金增强层沉积在MgO覆盖层上。为了避免由于其与MgO覆盖层的界面而在增强层上产生不必要的PMA，增强层应该具有低Fe含量，优选地小于20原子百分比。在将所有层作为全膜沉积在基底上之后，对结构进行退火。这使MgO结晶并且产生高隧道磁阻(TMR)。具有低Fe含量的CoFeB合金增强层展现出将Ta从Ta盖层扩散到MgO覆盖层中并且还通过在MgO界面处设置CoFeB而产生MgO的良好结晶度。
为了更完全地理解本发明的性质和有点，将结合附图一起参考下文的详细描述。
附图说明
图1A是示出了垂直磁各向异性(PMA)磁隧道结(MTJ)存储元件的两个可能状态的示意图。
图1B是利用已知交叉点架构把MTJ存储器单元的阵列连接到字线和位线的磁阻随机存取存储器(MRAM)的高级示意图。
图2是根据本发明实施例的组成MTJ的层的截面图。
图3示出了用于现有技术MTJ结构和根据本发明实施例的两个MTJ结构的施加垂直磁化场(M-H)回路的部分。
具体实施方式
图2是根据本发明实施例的组成MTJ的层的截面图。MTJ与前文引用Sato等文章中描述的MTJ大致相同，除了MgO覆盖层与Ta盖层之间的CoFeB合金增强层之外。
MTJ 100包括：基底，该基底可由任意合适的材料(比如半导体级硅、氧化物硅，或碳化铝钛)形成；铁磁基准层102，该铁磁基准层具有与基准层的平面垂直的固定磁化103；铁磁自由层104，该铁磁自由层具有磁化105，磁化105能够在平行和反平行于基准层的磁化之间切换；以及绝缘氧化物势垒层106，通常为MgO且位于基准层102与自由层104之间。
在这个实例中，基准层102为反平行(AP)钉扎结构的AP2层部分。AP钉扎结构是众所周知的且包括由非磁反平行耦合(APC)层隔开的第一(AP1)铁磁层和第二(AP2)铁磁层。APC层将AP1和AP2反铁磁地耦合在一起，使得它们的磁化大致反平行朝向，如AP2层的磁化103和AP1层的磁化107所示。在这个实例中，APC层为Ru层，并且AP1层是已知的[Co/Pt]n多层，其中“n”表示Co/Pt对的数量。AP2层(基准层102)是下部[Co/Pt]n多层110、上部CoFeB层102以及层110与层112之间的Ta断层。已知[Co/Pt]n多层具有垂直磁各向异性。在沉积AP1多层之前，晶种层(在这个实例中为Ta/Pt双分子层)形成在基底上。
虽然本发明的实施方式将具有基准层的MTJ描述为AP钉扎结构的一部分，但本发明完全可应用其他类型的的基准层。例如，基准层可为“简单”钉扎结构，诸如单CoFeB层，其磁化由反铁磁层钉扎。
MTJ 100为双MgO层MTJ，其中，CoFeB合金自由层104位于MgO隧道势垒层106与上部MgO覆盖层130之间。强PMA源自于CoFeB与MgO之间的界面。因为各向异性本质上是纯分界的，所以CoFeB合金自由层必须很薄，通常小于大约以保持PMA，这是因为较厚的CoFeB将表现出面内各向异性。因此为了获得具有较厚CoFeB层的高强PMA，第二MgO层(MgO覆盖层)提供第二界面。这个实例中的自由层104是由非磁隔膜124如Ta隔开的两个CoFeB膜120、122，每个CoFeB膜具有优选范围为至的厚度。Ta隔膜124产生两个较薄CoFeB膜，每个较薄CoFeB膜均包括具有MgO层的界面以产生PMA。因为PMA源自于CoFeB与MgO之间的界面并归因于Fe 3d和O 2p轨道的混合化，所以自由层中的CoFeB合金应该具有高Fe含量。自由层104中的CoFeB合金的组分因此应该优选地具有组分(Co(100-x)Fex)(100-y)By，其中x按原子百分比计且大于或等于25(优选地大于50)且小于或等于95，并且y按原子百分比计且大于或等于10且小于或等于30。
在本发明中，在沉积Ta盖层150之前，组分与CoFeB自由层104的组分实质不同的CoFeB合金增强层140被沉积在MgO覆盖层130上。为了避免由于与MgO覆盖层130的界面而在增强层140中产生不必要的PMA，所以增强层140应该具有低Fe含量。增强层140中的CoFeB合金的组分因此应该优选地具有组分(Co(100-x)Fex)(100-y)By，其中，x按原子百分比计并且大于或等于4且小于或等于20，并且y按原子百分比计并且大于或等于15且小于或等于25。增强层140具有优选范围为至的厚度。
在将所有层作为全膜沉积在基底上之后，通常在大约350℃至400℃之间的温度下对结构进行大约30分钟至60分钟时段的退火。这使MgO结晶并产生高TMR。然而，在不具有根据本发明的增强层的现有技术MTJ中，退火会导致Ta扩散到MgO层中，这将改变MgO的结晶度并降低CoFeB合金自由层的PMA。然而，在本发明中，具有低Fe含量的CoFeB合金增强层140展现出Ta从Ta盖层150扩散到MgO覆盖层130中，并且通过将CoFeB设置在MgO界面处产生良好的MgO结晶度。
图3示出了用于三个不同MTJ结构的三个磁化场(M-H)回路的部分。回路200是用于不具有CoFeB合金增强层并因此具有与MgO覆盖层接触的Ta盖150的现有技术MTJ结构。回路210是用于在Ta盖150与MgO覆盖层130之间具有Co76Fe4B20合金增强层140的MTJ结构。回路220是用于在Ta盖150与MgO覆盖层130之间具有Co76Fe4B20合金增强层140的MTJ结构。M-H回路200的斜度非常缓，这表示低PMA，并由此表示低TMR。然而，回路210和220大致较陡，且随着增强层厚度从增大至而增大。
虽然参考优选实施方式具体地示出并描述的本发明，但本领域技术人员应理解的是，能在不背离本发明精神和范围的前提下对形式和细节作出改变。因此，本公开发明仅理解为是示意性的且限制在所附权利要求中指定的范围。

Claims (13)

1.一种磁隧道结存储元件，包括：
基底；
铁磁基准层，所述基准层在所述基底上具有垂直磁各向异性，所述基准层具有与所述基准层的平面大致垂直的固定磁化；
铁磁自由层，所述自由层包括Co、Fe和B并且具有垂直磁各向异性，所述自由层具有与所述自由层的平面大致垂直的磁化并且能够在大致平行于所述基准层的磁化与大致反平行于所述基准层的磁化之间转换；
绝缘氧化物隧道势垒层，所述绝缘氧化物隧道势垒层位于所述基准层与所述自由层之间；
绝缘氧化物覆盖层，所述绝缘氧化物覆盖层位于所述自由层上且与所述自由层接触；
铁磁增强层，所述增强层位于所述绝缘氧化物覆盖层上且与所述绝缘氧化物覆盖层接触并且包括Co、Fe和B；以及
非磁盖层，所述非磁盖层位于所述增强层上。
2.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述绝缘氧化物隧道势垒层和所述绝缘氧化物覆盖层均由MgO组成。
3.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述非磁盖层由Ta组成。
4.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述自由层包括第一CoFeB合金膜和第二CoFeB合金膜以及位于所述第一CoFeB合金膜与所述第二CoFeB合金膜之间的非磁隔膜。
5.根据权利要求4所述的存储元件，其中，所述第一CoFeB合金膜和所述第二CoFeB合金膜中的每个的厚度大于或等于且小于或等于
6.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述自由层由具有(Co(100-x)Fex)(100-y)By形式的合成物的CoFeB合金形成，其中，x按原子百分比计并且大于或等于25且小于或等于95，y按原子百分比计并且大于或等于15且小于或等于25。
7.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述增强层具有(Co(100-x)Fex)(100-y)By形式的合成物，其中，x按原子百分比计并且大于或等于4且小于或等于20，y按原子百分比计并且大于或等于15且小于或等于25。
8.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述增强层的厚度大于或等于且小于或等于
9.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述存储元件包括反平行(AP)钉扎结构，所述反平行钉扎结构包括：第一AP钉扎(AP1)铁磁层，所述第一AP钉扎铁磁层具有垂直于平面的磁化；第二AP钉扎(AP2)铁磁层，所述第二AP钉扎铁磁层具有与所述AP1层的磁化基本反平行的垂直于平面的磁化；以及AP耦合(APC)层，所述AP耦合层位于所述AP1层与所述AP2层之间且与所述AP1层和所述AP2层接触，其中，所述AP2层包括所述基准层。
10.一种磁随机存储器(MRAM)，包括：根据权利要求1所述的存储元件的阵列、连接至所述存储元件的多个位线和连接至所述存储元件的字线。
11.一种磁隧道结存储元件，包括：
基底；
铁磁基准层，所述基准层包括所述基底上的CoFeB合金并且具有垂直磁各向异性，所述基准层具有与所述基准层的平面基本垂直的固定磁化；
铁磁自由层，所述自由层具有垂直磁各向异性，所述自由层具有与所述自由层的平面大致垂直的磁化并且能够在大致平行于所述基准层的磁化与大致反平行于所述基准层的磁化之间切换，所述自由层包括第一CoFeB合金膜和第二CoFeB合金膜以及位于所述第一CoFeB合金膜与所述第二CoFeB合金膜之间的非磁隔膜；
绝缘MgO隧道势垒层，所述绝缘MgO隧道势垒层位于所述基准层与所述自由层之间；
绝缘MgO覆盖层，所述绝缘MgO覆盖层位于所述自由层上且与所述自由层接触；
铁磁增强层，所述增强层位于所述绝缘MgO覆盖层上且与所述绝缘MgO覆盖层接触，所述增强层具有(Co(100-x)Fex)(100-y)By形式的合成物，其中，x按原子百分比计且大于或等于4且小于或等于20，y按原子百分比计且大于或等于15且小于或等于25；以及
Ta盖层，所述Ta盖层位于所述增强层上。
12.根据权利要求11所述的存储元件，其中，所述增强层的厚度大于或等于且小于或等于
13.根据权利要求11所述的存储元件，其中，所述存储元件包括反平行(AP)钉扎结构，所述反平行钉扎结构包括：第一AP钉扎(AP1)铁磁层，所述第一AP钉扎铁磁层具有垂直于平面的磁化；第二AP钉扎(AP2)铁磁层，所述第二AP钉扎铁磁层具有与所述AP1层的磁化基本反平行的垂直于平面的磁化；以及AP耦合(APC)层，所述AP耦合层位于所述AP1层与所述AP2层之间且与所述AP1层和所述AP2层接触，其中，所述AP2层包括所述基准层。
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