CN107871816B - 磁电阻元件中增强垂直磁矩稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁电阻元件中增强垂直磁矩稳定性的方法。在磁电阻元件的有效受作用区域内放置特定形状的高磁导率软磁材料(磁稳定增强层)，该材料产生的感应磁矩同磁电阻元件相互之间具有磁耦合相互作用，通过磁稳定增强层和磁电阻元件的相对位置、磁稳定增强层的形状来控制和优化前述磁耦合效应的强度和均匀性。本发明同时提供了制作磁稳定增强层的两种方法：一、磁电阻元件连接上方位线的通孔金属材料采用高磁导率软磁材料；二、磁电阻元件的顶电极上方沉积软磁材料并同磁电阻元件一起刻蚀成所需形状。本发明能够提高存储单元自由层磁矩的稳定性；在不同的芯片区域选择性的使用该磁矩稳定增强结构，可以实现差异化的自由层磁矩稳定性。

Description

磁电阻元件中增强垂直磁矩稳定性的方法

技术领域

本发明涉及磁电阻元件和磁性随机存储器的设计，具体涉及磁电阻元件中增强垂直磁矩稳定性的方法，属于集成电路存储器芯片技术领域。

背景技术

磁电阻元件广泛应用在存储器和传感器领域。典型的磁电阻元件是磁隧道结，包括记忆层、隧穿层和参考层。其中记忆层和参考层都是磁性材料，这两种磁性材料的磁矩相互平行时磁电阻元件呈现低电阻态而反平行时呈现高电阻态。磁存储器利用这两种不同的电阻状态来存储逻辑0和逻辑1，因此磁矩的稳定性直接决定了存储器芯片的数据稳定性。

温度的热扰动会引起记忆层磁矩的自发翻转，从而导致数据丢失。然而磁矩翻转需要克服一定的能量势垒，在给定温度和时间的条件下能量势垒越高发生自发翻转的概率越低，数据出错率就越低。当前最新一代技术采用具有垂直磁矩的材料来制造磁电阻器件，普遍通过材料优化来实现足够的能量势垒，将自发翻转率(数据出错率)降低到可接受的程度。不过一些应用场景对存储芯片的数据稳定性有更高的要求，例如需要经受数分钟260℃焊接处理而不产生数据的丢失，当前材料优化方法得到的能量势垒无法满足这样的要求。另一方面，在磁电阻元件中，记忆层的磁矩越稳定，要改变磁矩的取向(写入数据)就越困难，需要施加的写电压就越大，存储单元的耐用性就越差。因此一个好的磁性随机存储器设计需要在同一芯片中制造差异化的区域，使得不同区域的存储单元具有不同的数据稳定性和写入难易程度，将需要稳定存储但无需频繁读写的数据和需要频繁读写的数据分别存储在不同的区域，达到最优的芯片使用效果。

通常采用的自由层材料优化的方法只能整体改变能量势垒，无法在同一芯片上实现差异化，这是因为材料的生长在整个晶圆上是均匀的。仅有的途径是用磁电阻元件尺寸来调节能量势垒，但是通过改变尺寸的调节效果非常有限，这限制了芯片的设计能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：磁电阻元件中记忆层磁矩稳定性不足问题，以及难以在同一芯片上设计差异化的磁矩翻转能量势垒问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新的方法，利用自由层和相邻近的其他磁性层间的磁偶极相互作用增强自由层的磁矩稳定性。该方法在传统材料工艺控制的基础上，增强对自由层磁矩稳定性的调控能力，可实现同一芯片上存储单元记忆层磁矩稳定性的差异化设计。具体技术方案如下：

一种磁电阻元件中增强垂直磁矩稳定性的方法，特征是在磁电阻元件的有效受作用区域内设置磁矩稳定增强结构。有效受作用区域是指具有显著磁偶极相互作用的距离范围；在此距离范围内，磁偶极等效磁场不低于100高斯。有效受作用区域取决于磁电阻元件中自由层和磁稳定增强层两个相互作用的磁性实体的磁矩强弱和形状尺寸。在磁存储器件中，该距离范围一般在1微米以内。

进一步地，磁矩稳定增强结构为软磁材料实体。该软磁材料实体与磁电阻元件距离相近，在磁电阻元件的发散磁场的作用下产生感应磁矩，该感应磁矩和磁电阻元件自身的磁矩之间存在显著的磁偶极相互作用，这种磁偶极相互作用提高了磁电阻元件磁矩的稳定性。

更进一步地，软磁材料实体为柱状、圆台状或圆筒状。

进一步地，磁矩稳定增强结构设置在磁电阻元件的上方、下方或者四周。磁矩稳定增强结构的形状、放置的方位决定了磁矩稳定性提升的程度和均匀性，应根据磁电阻元件的实际设计方案和对磁矩稳定性的需求进行优化。

更进一步地，磁矩稳定增强结构设置在磁电阻元件的上方。放在磁电阻元件的上方在工艺上较容易实现，提出以下两种可行的方法：

方法一：磁电阻元件连接上方位线的通孔金属材料采用高磁导率软磁材料。

方法二：磁电阻元件的顶电极上方沉积高磁导率软磁材料并同磁电阻元件一起刻蚀成所需形状。为了能在不同区域实现磁矩稳定增强结构的差异化制造，刻蚀过程可采用两个不同的光罩。

进一步地，高磁导率软磁材料选用镍铁基合金、铁钴基合金或镍铁钴基合金。高磁导率是指：高磁导率是指：磁性材料的相对磁导率不小于100。为了取得更好的磁矩稳定增强效果，实际实施中选用相对磁导率为1000-10000的材料。

更进一步地，高磁导率软磁材料采用μ合金，μ合金是指：77％镍+16％铁+5％铜+2％铬形成的镍铁基合金。

本发明的有益效果：本发明提供的磁稳定增强结构的设计方案，能够提高存储单元自由层磁矩的稳定性。其带来的效果可以用一个等效场来描述：在自由层平面中给定位置，磁偶极相互作用导致的等效场垂直分量越大，自由层磁矩就越稳定。在室温下可以使自由层的能量势垒增加0.5-5eV，在260℃高温下(假定磁化强度降低30％)可以带来0.25-2.5eV势垒的增加，这有助于降低在焊接过程中高温导致的数据损失。而且采用特定的形状设计可以使得等效场在自由层中达到较为均匀的分布。另外，如果在不同的芯片区域选择性的使用该结构，可以实现差异化的自由层磁矩稳定性，这在工艺上可以用不同的光罩图案来实现。

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是本发明增强垂直磁矩稳定性的原理示意图；

图2是本发明实施方案一中的磁电阻元件刻蚀前的结构示意图；

图3是本发明实施方案一中的磁电阻元件加工完成后的结构示意图；

图4是本发明实施方案一中的自由层感受到的等效场的大小和均匀度对照图；

图5是本发明实施方案二中的磁电阻元件刻蚀完成后的结构示意图；

图6是本发明实施方案二中的自由层感受到的等效场的大小和均匀度对照图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明采用磁稳定增强结构来提高和调控自由层的磁矩稳定性。该结构具体为放置在自由层上方或下方一定距离内的具有高磁导率的材料，加工成一定的形状。如图1所示，该结构在自由层的磁场作用下会感应出同自由层磁矩方向相同的磁矩，感应出的磁矩同自由层的磁矩产生磁偶极相互作用，从而提高自由层磁矩的稳定性。磁稳定增强层同自由层的间距以及磁稳定增强层的形状决定了磁偶极相互作用的强弱和均匀性，通过对磁稳定增强层的形状和材料进行设计，可以在很大范围内调控自由层磁矩的稳定性，达到前述本发明的目的。

磁稳定增强层可采用高磁导率顺磁材料或低各向异性的铁磁性材料，直径与磁电阻元件元件的直径相近，可采用不同的上下直径，且因实施方式而异。磁稳定增强层的高度可根据不同的需求做合理的设计，到自由层的距离也因实施方式而异。

本发明提出的磁稳定增强结构可有两种不同实施方案。

方案一如图2所示。常规的磁电阻元件结构包括参考层1、第一隧穿层2、自由层3、第二隧穿层4和顶电极层7。本发明提出的磁稳定增强层6会部分替代顶电极7的材料，具体来讲第二隧穿层4生长完成后，生长约10纳米的非磁性分隔层5，可采用Ru、Ta、TaN、非磁性钴铁硼合金或它们的多层膜结构。然后生长磁稳定增强层6，可采用磁导率高的顺磁材料或者低各向异性的铁磁材料，例如坡莫合金。这里磁稳定增强层6的厚度将决定磁矩稳定增强的效果，如图4所示为10-50纳米的厚度下自由层感受到的等效场的大小和均匀度。

然后再生长相应厚度的顶电极层7，材料选用Ta或TaN，使得磁稳定增强层6和顶电极层7这两者的总厚度约为50-200纳米，以能够实现刻蚀工艺为准。刻蚀工艺完成后，磁电阻元件形成一个柱状结构，磁稳定增强层6形成一个圆台结构，夹在顶电极层7和非磁性分隔层5之间，顶电极层7再按照常规工艺连接至外部通孔或者位线。这种方案磁稳定增强层6距离自由层3较近，在自由层3中产生的等效场较强，但均匀性较差。图3是加工完成后的磁电阻元件结构示意图。

方案二如图5所示：制作完成的磁电阻元件包括参考层1、第一隧穿层2、自由层3、第二隧穿层4、顶电极层7、磁稳定增强层6，并将磁电阻元件连接至位线8。磁电阻元件采用常规工艺制造，刻蚀完成后填充层间介电材料，然后采用化学机械抛光将晶圆表面打磨平整，在顶电极层7顶端通过刻蚀打开一个通孔，该通孔可采用约100纳米直径，深度可通过化学机械抛光工艺调整。表面清洁处理后，沉积高磁导率材料或者低各向异性铁磁材料将通孔填平，如坡莫合金。进一步化学机械抛光将沉积在通孔外的磁稳定增强材料去除，形成磁稳定增强层6，继续按照常规工艺将通孔和位线8连接。

图6所示为10-50纳米的厚度下自由层感受到的等效场的大小和均匀度。这种方案中，顶电极层7的厚度约30-80纳米，因此磁稳定增强层6距离自由层3较远，产生的等效场较小，但磁稳定增强层6的直径可以根据需要进行调节，且直径可以较大因而均匀性较好。这种实施方案还可实现差异化调控：可选择在芯片的特定区域刻蚀通孔，沉积磁稳定增强材料，而其他区域仍可采用常规方法刻蚀通孔，沉积普通金属材料联通至位线。在磁电阻元件和上方金属层的互联步骤中，刻蚀通孔的步骤可采用两个不同的光罩，在芯片的不同区域实现磁稳定性增强结构的差异化的制造。

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 (6)

1.一种磁电阻元件中增强垂直磁矩稳定性的方法，其特征在于，在磁电阻元件的有效受作用区域内设置磁矩稳定增强结构；所述磁矩稳定增强结构为软磁材料实体；所述软磁材料实体为柱状、台状或筒状；所述磁电阻元件连接上方位线的通孔金属材料采用高磁导率软磁材料；所述磁电阻元件的顶电极上方沉积高磁导率软磁材料并同所述磁电阻元件一起刻蚀成所需形状。

2.根据权利要求1所述的一种磁电阻元件中增强垂直磁矩稳定性的方法，其特征在于，所述磁矩稳定增强结构设置在所述磁电阻元件的上方、下方或者四周。

3.根据权利要求2所述的一种磁电阻元件中增强垂直磁矩稳定性的方法，其特征在于，所述磁矩稳定增强结构设置在所述磁电阻元件的上方。

4.根据权利要求3所述的一种磁电阻元件中增强垂直磁矩稳定性的方法，其特征在于，所述刻蚀过程采用两个不同的光罩，在不同区域实现所述磁矩稳定增强结构的差异化制造。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种磁电阻元件中增强垂直磁矩稳定性的方法，其特征在于，所述高磁导率软磁材料选用镍铁基合金、铁钴基合金或镍铁钴基合金。

6.根据权利要求5所述的一种磁电阻元件中增强垂直磁矩稳定性的方法，其特征在于，所述高磁导率软磁材料采用μ合金，所述μ合金是指：77％镍+16％铁+5％铜+2％铬形成的镍铁基合金。

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