CN107342359B - 一种适用于在高温下工作的磁电阻元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于在高温下工作的磁电阻元件，包括参考层、记忆层和隧道势垒层，所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述隧道势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻；所述记忆层包括第一磁性材料层、第二磁性材料层和非磁耦合层，所述非磁耦合层位于所述第一磁性材料层和所述第二磁性材料层之间，用于将所述第一磁性材料层和所述第二磁性材料层的磁化方向耦合一致。本发明所提供的磁电阻元件设计，能够在兼顾高磁阻率、高垂直各向异性、低磁共振阻尼的前提下，提高记忆层磁性材料在高温条件下的磁学性能。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路芯片的存储器领域，尤其涉及一种适用于在高温下工作的磁电阻元件。
背景技术
随着材料科学的不断进步，一种新型高性能存储器——磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)正在吸引人们的目光。它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且几乎可以无限次地重复写入。这种高速内存已经被视为DRAM，甚至闪存的接班人。
磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunneling Junction)，作为数据记忆单元，是实现MRAM存储器芯片的一个关键环节。磁性隧道结是由绝缘体和磁性材料构成的三明治结构，中间的绝缘层将两层铁磁材料隔开来，其中一层铁磁材料为记忆层，其磁化方向是可翻转的；另一层铁磁材料为参考层，其磁化方向固定不变。磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下,其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向，当此相对取向发生改变时,可观测到大的隧穿磁电阻效应(TMR)，即呈现高电阻和低电阻两个状态或0/1状态。利用磁性隧道结的这种开关特性可制作磁性随机存取记忆体。由于磁矩和磁矩的指向并不需要输入能量来维持(相较于DRAM断电后存储数据完全丢失)，因而这种磁性随机存储器(MRAM)具有数据的非挥发性。磁性随机存储器还具有高速读写、容量可扩展、低功耗、寿命长的优点，极有希望成为下一代通用型高性能存储器。
在磁性随机存储器中，自旋转移扭矩(STT，Spin Transfer Torque)效应被用于磁电阻元件的写操作，即自旋极化的电流通过磁电阻元件时，可以通过该效应翻转记忆层的磁化方向。从而实现对所存储信息的写操作。为了与现代半导体晶体管的工艺、指标兼容，需要晶体管提供的磁矩翻转电流不宜过大。从自旋转移扭矩的物理机制知道：翻转电流和记忆层磁性材料的总磁矩呈正相关关系。所以在设计这种磁性存储器记忆单元时需使用极薄的磁性材料(厚度约为1-2纳米)，因而也具有较低的总磁矩。以当前最常用的记忆层材料CoFeB合金为例，1-2纳米的该类型材料居里温度通常低于400℃。100℃时记忆层磁化强度减弱10％，150℃时记忆层磁化强度减弱20％，这会对高温下的数据保真性能产生极大的影响，限制磁性随机存储器的潜在市场(商用级85℃，工业级125℃，汽车工业级150℃)。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种适用于在高温下工作的磁电阻元件，包括：
参考层，所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
记忆层，所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻，本文中的层与层的“相邻”是指层与层紧贴设置，其间未主动设置其它层；
其中，所述记忆层包括第一磁性材料层、第二磁性材料层和非磁耦合层，所述非磁耦合层位于所述第一磁性材料层和所述第二磁性材料层之间，用于将所述第一磁性材料层和所述第二磁性材料层的磁化方向耦合一致，并且在所述第一磁性材料层和所述第二磁性材料层之间提供晶格取向的过渡。
进一步地，所述第一磁性材料层采用铁磁含硼合金，优选CoFeB、CoB或FeB等，厚度在1纳米左右。
优选地，所述第一磁性材料层的铁磁含硼含金中硼元素的摩尔百分含量范围是10％-30％。
进一步地，所述第二磁性材料层采用超晶格多层膜结构。
进一步地，所述第二磁性材料层的超晶格多层膜结构由重复交替层叠的第一金属层和第二金属层所构成，其中第一金属层的数量较第二金属层的数量多1，即多层膜以第一金属层开始并以第一金属层结尾，重复次数优选2-6，即所述第一金属层的数量优选3-7。
进一步地，所述第一金属层的材料可采用Fe或Co等，所述第二金属层的材料可采用Pt、Pd、Ni、Rh或Ir等，所述第一金属层和所述第二金属层的厚度范围是0.2-0.6纳米。
进一步地，所述非磁耦合层采用过渡金属元素材料，可采用Ta、Ru、W、Mo、Hf、V、Cr、Ti、Nb、Zr、Re等材料，优选采用Ta、Mo、W。所述非磁耦合层的厚度范围是0.1-0.5纳米。
进一步地，还包括各向异性辅助层，所述各向异性辅助层与所述第二磁性材料层相邻，用于增强所述第二磁性材料层的磁各向异性。所述各向异性辅助层可采用Pt、Ta、TaN、Ti、Ru、NiCr或Hf等材料。所述各向异性辅助层的厚度范围是3-5纳米。
进一步地，所述记忆层的磁共振阻尼小于0.01。
进一步地，所述记忆层在100℃下其磁化强度的降低小于5％，在150℃下其磁化强度的降低小于10％。
进一步地，所述记忆层的界面垂直磁各向异性能高于2erg/cm2。
进一步地，所述记忆层的材料结构在2x(技术代)纳米直径的元件中室温热稳定性势垒高于6.5eV。
本发明的设计方案，能够在兼顾高磁阻率、高垂直各向异性、低磁共振阻尼的前提下，提高记忆层磁性材料在高温条件下的磁学性能。具体而言，本发明的记忆层材料在100℃下其磁化强度基本不变(小于5％)，在150℃下磁化强度降低小于10％。基于上述设计的磁性随机存储器将能适用于商用级，工业级和汽车工业级等更广泛的市场。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一种磁电阻元件的结构示意图；
图2是图1中磁电阻元件的记忆层结构与常规记忆层结构的磁化强度随温度变化的趋势图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1示出基于本发明的一种磁电阻元件的结构示意图，其中依次包括各向异性辅助层1、记忆层2、隧道势垒层3和参考层4，上述各层的形成可在高真空条件下采用物理气相沉积的方法得到。
参考层4的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；记忆层2的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面。
记忆层2由依次相邻设置的第一磁性材料层21、非磁耦合层22和第二磁性材料层23组成，非磁耦合层22用于将第一磁性材料层21和第二磁性材料层23的磁化方向耦合一致。
第一磁性材料层21与隧道势垒层3相邻，其采用铁磁含硼合金，优选CoFeB、CoB或FeB等，其中硼元素的摩尔百分含量范围是10％-30％，该层厚度优选1纳米左右。本实施例中，第一磁性材料层21的沉积态为非晶态，退火处理后硼原子扩散出并与非磁耦合层22中元素结合，如当第一磁性材料层21采用CoFeB时，退火处理后，硼原子扩散出CoFeB并与非磁耦合层22中元素结合，余留下的CoFe为晶态，其与隧道势垒层3形成高质量界面。
第二磁性材料层23采用超晶格多层膜结构，由重复交替层叠的第一金属层231和第二金属层232所构成，其中第一金属层231的数量较第二金属层232的数量多1，从工艺上来说，即先淀积第一金属层231，然后交替淀积第二金属层232和第一金属层231，最后顶层以第一金属层231结束。第一金属层231的材料可采用Fe或Co等，第二金属层232的材料可采用Pt、Pd、Ni、Rh或Ir等；第一金属层231的数量优选3-7，此时对应的总层数即是5、7、9、11、13。图1中第二磁性材料层23采用了总共5层的结构，包括3层第一金属层231和2层第二金属层232，两者交替层叠。第一金属层231和第二金属层232的厚度范围优选0.2-0.6纳米。
非磁耦合层22采用过渡金属元素材料，可采用Ta、Ru、W、Mo、Hf、V、Cr、Ti、Nb、Zr、Re等材料，厚度范围优选0.1-0.5纳米。非磁耦合层22厚度的选择应使得第一磁性材料层21和第二磁性材料层23相互耦合，具有一致的磁化方向，并且在第一磁性材料层21和第二磁性材料层23之间提供晶格取向的过渡，对于其厚度的选择和匹配属于现有技术，在此不再赘述。非磁耦合层22为晶体结构缓冲层，在退火工艺后第二磁性材料层23的材料为面心立方[111]取向，而第一磁性材料层21的材料为体心立方结构。另一方面，非磁耦合层22也在一定程度上稀释了记忆层的总磁矩，可降低翻转电流。
记忆层2的材料结构在100℃下其磁化强度的降低小于5％，在150℃下其磁化强度的降低小于10％，并且其界面垂直磁各向异性能高于2erg/cm2，以及在2x(技术代)纳米直径的元件中室温热稳定性势垒高于6.5eV。
本实施例的记忆层2与采用单层CoFeB作为记忆层的效果对比见图2，其中示出了两者磁化强度随温度变化的趋势图。
各向异性辅助层1设置在第二磁性材料层23上，用于增强第二磁性材料层23的磁各向异性。各向异性辅助层1可采用Pt、Ta、TaN、Ti、Ru、NiCr或Hf等材料，厚度范围优选3-5纳米。第二磁性材料层23的垂直各向异性来源于多次重复的231和232的界面以及第二磁性材料层23和各向异性辅助层1的界面，因此各向异性辅助层1的材料选择是基于增加一个有效界面的考虑，同时兼具保护层的作用。
隧道势垒层3是一层非磁性的绝缘金属氧化物层或氮化物层，比如MgO、MgAlO、ZnO或MgZnO等。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种磁电阻元件，包括
参考层，所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
记忆层，所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
势垒层，所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻；
其特征在于，所述记忆层包括第一磁性材料层、第二磁性材料层和非磁耦合层，所述非磁耦合层位于所述第一磁性材料层和所述第二磁性材料层之间，用于将所述第一磁性材料层和所述第二磁性材料层的磁化方向耦合一致，并且在所述第一磁性材料层和所述第二磁性材料层之间提供晶格取向的过渡；所述第一磁性材料层采用铁磁含硼合金，其中硼元素的摩尔百分含量范围是10％-30％；所述第二磁性材料层采用超晶格多层膜结构；所述超晶格多层膜结构由重复交替层叠的第一金属层和第二金属层所构成，以第一金属层开始并以第一金属层结尾，重复次数2-6。
2.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述第一金属层的材料采用Fe、Co，所述第二金属层的材料采用Pt、Pd、Ni、Rh或Ir；所述第一金属层和所述第二金属层的厚度范围是0.2-0.6纳米。
3.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述非磁耦合层采用过渡金属元素材料Ta、Ru、W、Mo、Hf、V、Cr、Ti、Nb、Zr或Re，厚度范围是0.1-0.5纳米。
4.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，还包括各向异性辅助层，所述各向异性辅助层采用Pt、Ta、TaN、Ti、Ru、NiCr或Hf，并与所述第二磁性材料层相邻，用于增强所述第二磁性材料层的磁各向异性，同时起到保护层的作用，厚度范围是3-5纳米。
5.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述记忆层的磁共振阻尼小于0.01。
6.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述记忆层在100℃下其磁化强度的降低小于5％，在150℃下其磁化强度的降低小于10％。
7.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述记忆层的界面垂直磁各向异性能高于2erg/cm2。
8.如权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述记忆层的材料结构在2x纳米直径的元件中室温热稳定性势垒高于6.5eV。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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