CN108232003B - 一种垂直型磁电阻元件及其制造方法 - Google Patents

一种垂直型磁电阻元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种磁电阻元件，依次包括种子层、磁固定层、势垒层、磁记忆层和覆盖层。其中磁固定层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面，磁固定层又细分为具有面心立方晶格结构的磁稳定层，晶格转化结合层和磁参考层。磁采用铁钴硼复合材料，且其磁激化方向可变并垂直于层表面。势垒层位于磁参考层和磁记忆层之间，是一种氧化膜。种子层材料具有帮助磁稳定层形成热稳定的面心立方晶格结构的功能。高温退火后磁参考层和磁记忆层中的铁钴硼从非晶态转变为体心立方的晶态结构。通过引入晶格转化结合层将具有面心立方晶格结构的磁稳定层与上面具有体心立方结构的铁钴硼参考层有机结合起来。本发明还提供了上述磁电阻元件的制备工艺。

Description

一种垂直型磁电阻元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种磁电阻元件，具体涉及一种垂直型磁电阻元件及其制造方法，属于半导体存储器技术领域。
背景技术
近年来人们利用磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的特性做成磁性随机存储器，即为MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的势垒层；参考层，位于势垒层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当记忆层与参考层之间的磁化强度矢量方向平行或反平行时，MTJ元件的电阻态也相应分别为低阻态或高阻态。这样测量MTJ元件的电阻态即可得到存储的信息。
一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型MRAM：在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变MTJ元件的磁性记忆层的磁化强度方向。自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极化的电子流把它的角动量转移给磁性记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。
垂直型磁性隧道结(pMTJ，Perpendicular Magnetic Tunnel Junction)即磁矩垂直于衬底表面的磁性隧道结，在这种结构中，由于两个磁性层的磁晶各向异性比较强(不考虑形状各向异性)，使得其易磁化方向都垂直于层表面。根据参考层和记忆层的相对位置，垂直型磁性隧道结有分为顶部型(参考层在上)和底部型(参考层在下)pMTJ。在同样的条件下，元件尺寸可以做得比面内型MTJ元件更小，易磁化方向的磁极化误差可以做的很小，并且MTJ元件尺寸的减小使所需的切换电流也可相应减小。
一种典型的底部型垂直磁电阻元件的多层膜结构如图1所示，包括依次层叠的种子层10、参考层20、势垒层30、记忆层40以及顶部的覆盖层50。为了得到更优的垂直磁电阻值，必须制备高质量的磁电阻多层膜。一般来说，种子层10的质量好坏会直接影响到参考层多层膜的的生长质量。对于底部型垂直磁电阻元件，磁固定层20需要具有一个很好的面心立方(fcc)结构，从而得到一个稳定的垂直于层表面的磁化方向。对于记忆层40，出于提高垂直磁电阻效应的考量，它应该具有体心立方(bcc)结构，从而与势垒层30(一般用MgO)的晶格有一个非常好的匹配。这样一来，如何把两种具有不同晶体结构的磁固定层和磁记忆层完美的结合起来就至关重要。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的第一方面，提供了一种磁电阻元件，依次包括种子层、磁固定层、势垒层、磁记忆层、覆盖层；
种子层采用具有面心立方晶格结构的材料；
磁固定层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于磁固定层表面，磁固定层的厚度介于5-10纳米；
磁记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于磁记忆层表面，磁记忆层具有体心立方晶格结构；
势垒层位于磁固定层和磁记忆层之间，势垒层是一种氧化物；
覆盖层具有保护磁记忆层、增加磁电阻效应和充当蚀刻硬掩膜的作用。
进一步地，种子层采用Ta、(Ta，TaN，Ru)/Pt、[Co/Ta]n/Pt、NiCr、NiCr/Pt中的一种或多种，种子层的厚度介于1.5-10纳米。
进一步地，磁固定层细分为磁稳定层、晶格转化结合层和磁参考层；所述磁固定层的厚度介于5-10纳米。
更进一步地，磁稳定层具有面心立方的超晶格多层膜的结构为[Co/X]n/Co/Ru/Co/[X/Co]m/X，其中X为Ni、Pd或Pt中的一种，X的厚度介于0.2-0.6纳米；Ru的厚度介于0.4-0.9纳米；n与m为超晶格层数，n为4-10层，m为2-6层。
更进一步地，磁参考层为含铁钴硼材料的复合层，采用CoFeB、CoFeB/Fe或CoFeB/A/CoFeB，其中A为Ta、Mo、W、Hf、Zr或Fe中的一种；所述磁参考层退火前为非晶结构，退火以后转变为体心立方。
更进一步地，晶格转化结合层为X/Co/Y三明治结构或X/Z/Co/Y四层结构，其中X、Y、Z分别是Pt、Ta、W、Mo、Mg、Zr、Hf、Bi中的一种，晶格转化链接层的厚度介于0.2-0.8纳米；晶格转化结合层将具有面心立方晶格结构的磁稳定层与具有体心立方结构的磁参考层有机的结合起来。
进一步地，势垒层采用MgO、MgZnO或MgAlO，势垒层的厚度介于0.8-2纳米。
进一步地，磁记忆层采用CoFeB、CoFeB/Fe或CoFeB/β/CoFeB，其中β为Ta、Mo、W、Hf、Zr或Fe中的一种，磁记忆层的厚度介于0.8-3纳米；磁记忆层退火后由非晶态转变为具有体心立方的晶态。
进一步地，覆盖层采用(MgO，Mg，Ru，Hf，Zr，W，Mo，Pt)/Ta，覆盖层的厚度介于2-80纳米。
本发明的第二方面，提供了一种磁电阻元件的制造方法，包括如下步骤：
在衬底上沉积种子层；
在种子层上沉积复合超晶格多层膜；
在复合超晶格多层膜上形成晶格转化结合层；
在晶格转化结合层上形成铁钴硼磁参考层；
在铁钴硼磁参考层上形成势垒层；
在势垒层上形成磁记忆层；
在磁记忆层上形成覆盖层，至此形成磁电阻元件多层膜；
在磁电阻元件多层膜形成后进行退火，退火温度为300-450℃，退火时间为0.5-2小时。
本发明通过引入晶格转化结合层，可以在其基础上更容易生长出具有体心立方结构的磁参考层和磁记忆层。
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是典型的垂直磁电阻元件的多层膜结构示意图；
图2是本发明的工艺流程图；
图3是本发明实施例1的磁电阻元件的结构示意图；
图4是本发明实施例2的磁电阻元件的结构示意图；
图5是本发明实施例3的磁电阻元件的结构示意图；
图6是本发明的一种复合式铁钴硼层的结构示意图；
图7是本发明的一种复合式记忆层的结构示意图。
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。
实施例1
图2是本发明的工艺流程图。图3是本发明的一种磁电阻元件的结构示意图，其中示出了依次层叠的种子层10、磁固定层20、势垒层30、磁记忆层40和覆盖层50。
种子层10采用具有面心立方晶格结构的材料，例如Ta、(Ta，TaN，Ru)/Pt、[Co/Ta]n/Pt、NiCr、NiCr/Pt等，厚度范围为1.5-10纳米。
磁固定层20总厚度介于5-10纳米，依次包括：
第一超晶格201，结构为[Co/X]n，其中Co的厚度一般为0.3-0.6纳米，X为Ni、Pd或Pt，厚度一般为0.2-0.5纳米，n一般选为3-10；
第一Co层202，厚度一般为0.4-0.6纳米；
AP耦合Ru层203，厚度一般为0.4-0.9纳米；
第二Co层204，厚度一般为0.4-0.6纳米；
第二超晶格205，结构为[X/Co]m，其中Co的厚度一般为0.3-0.6纳米，X为Ni、Pd或Pt，厚度一般为0.2-0.5纳米，m一般选为3-6；
磁隔离层206，X为Ni、Pd或Pt，厚度一般为0.2-0.5纳米；
第三Co层207，厚度一般为0.4-0.6纳米；
晶格转化结合层208，为X/Co/Y三层膜，其中X、Y分别是Pt、Ta、W、Mo、Mg、Zr、Hf、Bi中的一种或多种，厚度一般为0.2-0.8纳米；
铁钴硼(CoFeB)磁参考层209，厚度一般为0.5-1.5纳米。铁钴硼层209可采用如图6所示的复合式层。
势垒层30采用介电质绝缘材料，如选择MgO、ZnMgO、MgAlO等氧化物绝缘材料，优选的厚度范围为0.8-2纳米。
磁记忆层40采用CoFeB、CoFeB/Fe或CoFeB/β/CoFeB，其中β为Ta、Mo、W、Hf、Zr或Fe中的一种，优选的厚度范围为0.8-3纳米。磁记忆层40可采用如图7所示的复合式层。
覆盖层50采用所述覆盖层采用(MgO，Mg，Ru，Hf，Zr，W，Mo，Pt)/Ta，所述覆盖层的厚度介于2-80纳米。
实施例2
图4是本发明的另一种磁电阻元件的结构示意图，在图3结构的基础上增加了一层辅助晶格转化结合层210，形成X/Z/Co/Y的四层结构，其中X、Y、Z分别是Pt、Ta、W、Mo、Mg、Zr、Hf、Bi中的一种或多种，厚度一般为0.2-0.8纳米以进一步增强磁固定层中从具有面心立方结构的磁稳定层过渡到具有体心立方结构的铁钴硼磁参考层的结合，和磁垂直激化的热稳定性。X/Z/Co/Y的优选厚度范围分别为0.2-0.8纳米/0.2-0.8纳米/0.4-0.6纳米/0.2-0.8纳米。
实施例3
图5是本发明的又一种磁电阻元件的结构示意图，在图3结构的基础上，在磁记忆层40增加了一层介电质绝缘材料45，由MgO、Mg/MgO、Mg/MgO/Mg组成，通过添加Mg或对MgO中O的控制，从而进一步提高磁电阻值和热稳定性。
以上3个实施例得到了磁电阻元件多层膜，最后将已经形成的磁电阻元件多层膜进行高温退火，温度范围在300-450℃之间，将磁参考层以及磁记忆层中的非晶态的CoFeB通过结构功能层及种子层20的帮助形成体心立方(bcc)单晶结构。
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 (9)

1.一种磁电阻元件，其特征在于，依次包括种子层、磁固定层、势垒层、磁记忆层、覆盖层；
所述种子层采用具有面心立方晶格结构的材料；
所述磁固定层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于所述磁固定层表面，所述磁固定层在从种子层到势垒层这一方向上依次细分为磁稳定层、晶格转化结合层和磁参考层，所述晶格转化结合层是X/Z/Co/Y四层结构，其中X、Y、Z分别是Pt、Ta、W、Mo、Mg、Zr、Hf、Bi中的一种，所述晶格转化结合层的厚度介于0.2-0.8纳米；所述晶格转化结合层将具有面心立方晶格结构的所述磁稳定层与具有体心立方结构的所述磁参考层结合起来；
所述磁记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于所述磁记忆层表面，所述磁记忆层具有体心立方晶格结构；
所述势垒层位于所述磁固定层和所述磁记忆层之间，所述势垒层是一种氧化物；
所述覆盖层具有保护所述磁记忆层、增加磁电阻效应和充当蚀刻硬掩膜的作用。
2.如权利要求1所述的一种磁电阻元件，其特征在于，所述种子层采用Ta、(Ta，TaN，Ru)/Pt、[Co/Ta]n/Pt、NiCr、NiCr/Pt中的一种或多种，所述种子层的厚度介于1.5-10纳米。
3.如权利要求1所述的一种磁电阻元件，其特征在于，所述磁固定层的厚度介于5-10纳米。
4.如权利要求3所述的一种磁电阻元件，其特征在于，所述磁稳定层具有面心立方晶格结构，所述磁稳定层采用复合超晶格多层膜；所述复合超晶格多层膜的结构为[Co/X]n/Co/Ru/Co/[X/Co]m/X，其中X为Ni、Pd或Pt中的一种，X的厚度介于0.2-0.6纳米，Ru的厚度介于0.4-0.9纳米，n与m为超晶格层数，n为4-10层，m为2-6层。
5.如权利要求3所述的一种磁电阻元件，其特征在于，所述磁参考层为含铁钴硼材料的复合层结构，采用CoFeB、CoFeB/Fe或CoFeB/A/CoFeB，其中A为Ta、Mo、W、Hf、Zr或Fe中的一种；所述磁参考层退火前为非晶结构，退火以后转变为体心立方晶格结构。
6.如权利要求1所述的一种磁电阻元件，其特征在于，所述势垒层采用MgO、MgZnO或MgAlO，所述势垒层的厚度介于0.8-2纳米。
7.如权利要求1所述的一种磁电阻元件，其特征在于，所述磁记忆层采用CoFeB、CoFeB/Fe或CoFeB/β/CoFeB，其中β为Ta、Mo、W、Hf、Zr或Fe中的一种，所述磁记忆层的厚度介于0.8-3纳米；所述磁记忆层退火后由非晶态转变为具有体心立方的晶态。
8.如权利要求1所述的一种磁电阻元件，其特征在于，所述覆盖层采用(MgO，Mg，Ru，Hf，Zr，W，Mo，Pt)/Ta，所述覆盖层的厚度介于2-80纳米。
9.一种磁电阻元件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
在衬底上沉积面心立方的种子层；
在所述种子层上沉积面心立方的复合超晶格多层膜作为磁稳定层；
在所述复合超晶格多层膜上形成晶格转化结合层，所述晶格转化结合层是X/Z/Co/Y四层结构，其中X、Y、Z分别是Pt、Ta、W、Mo、Mg、Zr、Hf、Bi中的一种，所述晶格转化结合层的厚度介于0.2-0.8纳米；
在所述晶格转化结合层上形成铁钴硼磁参考层；
在从种子层到势垒层这一方向上依次细分为磁稳定层、晶格转化结合层和磁参考层形成磁固定层；
在所述铁钴硼磁参考层上形成势垒层；
在所述势垒层上形成磁记忆层；
在所述磁记忆层上形成覆盖层，至此形成磁电阻元件多层膜；
在所述磁电阻元件多层膜形成后进行退火，退火温度为300-450℃，退火时间为0.5-2小时，通过退火后形成体心立方的磁参考层和磁记忆层；
所述晶格转化结合层将具有面心立方晶格结构的磁稳定层与具有体心立方结构的磁参考层结合起来。
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