CN110098318B - 具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器 - Google Patents

具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器，整个多膜层结构在生长完成后经历500℃以上的温度退火，确保了良好的热稳定性。在退火过程中缓冲层的金属铬结晶促进了整体结构的晶向形成。同时由于退火，在铁磁层和第一氧化物势垒层之间形成了电荷俘获，增强了两层之间由于层间耦合而形成的界面垂直磁各向异性。由于各膜层均在纳米量级，得到的多膜层结构还具有尺寸小的优点。本发明实施例提供的磁随机存储器中的磁隧道结为具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，可以使磁随机存储器的存储密度变高。

Description

具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器
技术领域
本发明涉及磁随机存储器技术领域，更具体地，涉及具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器。
背景技术
目前，磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)和磁逻辑具有非易失性、读写速度快、功耗低和可无限次擦写等优点，受到了工业界和学术界的广泛关注。
磁随机存储器和磁逻辑的核心器件是磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)。磁隧道结的基本结构是一种三层薄膜结构，三层薄膜结构具体包括：参考层(reference layer)、势垒层(barrier layer)和自由层(free layer)。其中，参考层和自由层都为铁磁材料，当这两层的磁化方向相同时，结构呈现低阻态，当这两层的磁化方向相反时，结构呈现高阻态。这种现象被称为隧穿磁阻效应(Tunnel Magneto resistance，TMR)，两种阻态分别用于表征二进制数据“0”和“1”。通常的，参考层的磁各向异性保持不变，自由层的磁各向异性可以通过施加电流、磁场和电压等方式进行翻转。
为了使磁隧道结中存储的数据能够保存足够长的时间，自由层需要具有较强的热稳定性。自由层的热稳定性可以用热稳定因子Δ(Thermal Stability Factor)来衡量，一般可以表示为Δ＝kV/kBT，其中k为有效磁各向异性常数，V为自由层体积，kB为玻尔兹曼常数，T为温度。显然，当自由层磁各向异性较弱时，k的取值较小，导致Δ较小，热稳定性低；当器件尺寸减小时，V的取值较小，导致Δ较小，热稳定性亦会降低。
2010年，有研究人员制备了基于垂直磁各向异性(Perpendicular MagneticAnisotropy,PMA)的磁隧道结，其主要结构是：钽/钴铁硼/氧化镁/钴铁硼/钽(即Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta)。在该磁隧道结的结构中，Ta/CoFeB界面和CoFeB/MgO界面均能够产生界面垂直磁各向异性，当钴铁硼(CoFeB)界面足够薄的时候，该界面垂直磁各向异性能够克服退磁场，从而使CoFeB层的易磁化轴方向垂直于界面方向。此外，用钼(Mo)或铪(Hf)等替代上述结构中的Ta能够将界面垂直磁各向异性增强20％～35％左右。因此，该磁隧道结的结构一直是研究磁隧道结的基础结构。
然而，Ta(Mo,Hf)/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta(Mo,Hf)结构尚存在明显的不足。首先，该结构的界面垂直磁各向异性较弱，导致该结构的热稳定性低较低；其次，因为较弱的界面垂直磁各向异性，为了使易磁化轴垂直于界面方向，就需要较薄的CoFeB层减小退磁场，这会导致磁阻尼系数较大，从而使得该结构的临界翻转电流较大。最后，当横截面尺寸减小时热稳定性会降低，为了保持足够的热稳定性，会增大结构的尺寸，将会导致采用该结构的磁随机存储器的存储密度较低。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供了一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器。
第一方面，本发明实施例提供了一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，包括：保护层、第一氧化物势垒层、铁磁层、第一缓冲层、覆盖层和基底；
所述覆盖层、所述第一缓冲层、所述铁磁层、所述第一氧化物势垒层以及所述保护层由下至上依次生长在所述基底上；
所述第一缓冲层的材料为金属铬；
所述多膜层结构经500℃以上的温度退火得到。
第二方面，本发明实施例提供了一种磁随机存储器，包括：磁隧道结；
所述磁隧道结的结构为第一方面提供的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构。
本发明实施例提供的一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器，整个多膜层结构在生长完成后经历500℃以上的温度退火，确保了良好的热稳定性。在退火过程中缓冲层的金属铬结晶促进了整体结构的晶向形成。同时由于退火，在铁磁层和第一氧化物势垒层之间形成了电荷俘获，增强了两层之间由于层间耦合而形成的界面垂直磁各向异性。由于各膜层均在纳米量级，得到的多膜层结构还具有尺寸小的优点。本发明实施例中的磁随机存储器将具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构作为磁隧道结，可以使磁随机存储器的存储密度变高。
此外，传统Ta/CoFeB/MgO结构在300℃以上的温度退火时，其垂直磁各向异性迅速减小，结构的热稳定性较差。在工业生产中，多层互连工艺的磁随机存储器往往需要350℃以上的加工温度，因而导致传统Ta/CoFeB/MgO结构无法满足工业生产的需求。而本发明实施例中提到的多膜层结构，退火温度达到600℃左右仍能保持很强的界面垂直磁各向异性，能够满足工业生产中的需求。最后，电压调控磁各向异性(VCMA)相较于电流翻转磁各向异性，能耗大大降低，是未来磁随机存储器发展的一个趋势。传统Ta/CoFeB/MgO结构的电压调控磁各向异性性能微弱，仍需要电流翻转；本发明实施例中的多膜层结构具有较高的电压调控磁各向异性性能，不需要强电流即可进行翻转。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明实施例提供了一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，包括：保护层1、第一氧化物势垒层2、铁磁层3、第一缓冲层4、覆盖层5和基底6，覆盖层5、第一缓冲层4、铁磁层3、第一氧化物势垒层2以及保护层1由下至上依次生长在基底6上，第一缓冲层4的材料为金属铬。本发明实施例中的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构经500℃以上的温度退火得到。
具体地，本发明实施例中提供的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构中，在基底6上依次生长有覆盖层5、第一缓冲层4、铁磁层3、第一氧化物势垒层2以及保护层1。其中，多层膜结构是指层状的薄膜堆叠结构，各膜层均在纳米量级。本发明实施例中的多膜层结构具体可以是指磁隧道结，也可以是其他种类的多膜层结构，本发明实施例中对此不作具体限定。
本发明实施例中可以采用传统的磁控溅射、分子束外延或原子层沉积等方式将各层材料按照从下到上的顺序生长在基底或者其他多层膜结构上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺进行制备，每一层薄膜层的横截面积基本相等，横截面形状可以为圆形、椭圆形、正方形或长方形中的一种。也就是说，本发明实施例中的基底可以替换为其他多层膜结构，在其他多层膜结构上依次生长有覆盖层、第一缓冲层、铁磁层、第一氧化物势垒层以及保护层。
本发明实施例中的覆盖层5是指第一缓冲层下方、基底上方的一层金属或合金材料，具有调节垂直磁各向异性，防氧化、降低表面粗糙度等作用。作为优选方案，保护层1的材料具体可以是金属钽(Ta)、金属钨(W)和金属铂(Pt)中的一种，或金属钽(Ta)、金属钨(W)和金属铂(Pt)中的至少两种上下层叠生长而成，层叠生长时金属钽(Ta)、金属钨(W)和金属铂(Pt)的上下顺序可以根据需要进行设置，本发明实施例中对此不作具体限定。保护层1的厚度具体可以是0.2-200nm。
缓冲层是指覆盖层上方、铁磁层下方的一层金属或合金材料，具有调节界面垂直磁各向异性，改善接触界面粗糙度，促进多层膜的生长晶向形成等作用。本发明实施例中在铁磁层3下方生长有第一缓冲层4，第一缓冲层4的材料为铬(Cr)，铬(Cr)可以在退火过程中促进整体结构的晶向形成。作为优选方案，第一缓冲层4的厚度具体可以为0.2-200nm。
铁磁层3是指铁磁材料形成的薄膜层，在室温下铁磁层3的易磁化轴方向垂直于薄膜平面方向，因此可以用来作为磁隧道结中的自由层或者参考层。作为优选方案，铁磁层3的材料具体可以为钴铁硼(CoFeB)、铁硼(FeB)、钴铁(CoFe)和铁(Fe)中的一种，或钴铁硼(CoFeB)、铁硼(FeB)、钴铁(CoFe)和铁(Fe)中的至少两种上下层叠生长而成，层叠生长时钴铁硼(CoFeB)、铁硼(FeB)、钴铁(CoFe)和铁(Fe)的上下顺序可以根据需要进行设置，本发明实施例中对此不作具体限定。铁磁层3的厚度具体可以为0.2-5nm。
其中，钴铁硼(CoFeB)的元素配比可以是Co20Fe60B20、Co40Fe40B20或Co60Fe20B20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。FeB的元素配比可以是Fe80B20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。CoFe的元素配比可以为Co50Fe50、Co20Fe80或Co80Fe20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。
氧化物势垒层是指金属氧化物形成的薄膜层。具有和铁磁层进行层间耦合产生界面垂直磁各向异性、促进多层膜晶向形成、作为磁隧道结中的势垒层的作用。本发明实施例中在铁磁层3上生长有第一氧化物势垒层2，第一氧化物势垒层2的材料具体可以为镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物和钽氧化物中的一种，或镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物和钽氧化物中的至少两种上下层叠生长而成，层叠生长时镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物和钽氧化物的上下顺序可以根据需要进行设置，本发明实施例中对此不作具体限定。作为优选方案，镁氧化物具体可以是氧化镁(MgO)，铝氧化物具体可以是三氧化二铝(Al2O3)，镁铝氧化物具体可以是偏铝酸镁(MgAl2O4)。第一氧化物势垒层4的厚度具体可以为0.2-5nm。
保护层1是位于整体结构最上部的薄膜层，具有保护整体结构、防止氧化的作用。保护层的材料具体可以是铝氧化物、镁氧化物等，其厚度具体可以为5-200nm。
基底6是生长其他膜层的基础，本发明实施例中的基底6可以采用化学性能稳定且表面平整材料，例如硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、蓝宝石(Al2O3)或氧化镁(MgO)等。
本发明实施例中在制备具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构时，在基底上由下至上依次生长出覆盖层5、第一缓冲层4、铁磁层3、第一氧化物势垒层2以及保护层1后，进行500℃以上的温度退火，以确保得到的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构具有良好的热稳定性。
本发明实施例中提供的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，整个多膜层结构在生长完成后经历500℃以上的温度退火，确保了良好的热稳定性。在退火过程中缓冲层的金属铬结晶促进了整体结构的晶向形成。同时由于退火，在铁磁层和第一氧化物势垒层之间形成了电荷俘获，增强了两层之间由于层间耦合而形成的界面垂直磁各向异性。由于各膜层均在纳米量级，得到的多膜层结构还具有尺寸小的优点。
此外，传统Ta/CoFeB/MgO结构在300℃以上的温度退火时，其垂直磁各向异性迅速减小，结构的热稳定性较差。在工业生产中，多层互连工艺的磁随机存储器往往需要350℃以上的加工温度，因而导致传统Ta/CoFeB/MgO结构无法满足工业生产的需求。而本发明实施例中提到的多膜层结构，退火温度达到600℃左右仍能保持很强的界面垂直磁各向异性，能够满足工业生产中的需求。最后，电压调控磁各向异性(VCMA)相较于电流翻转磁各向异性，能耗大大降低，是未来磁随机存储器发展的一个趋势。传统Ta/CoFeB/MgO结构的电压调控磁各向异性性能微弱，仍需要电流翻转；本发明实施例中的多膜层结构具有较高的电压调控磁各向异性性能，不需要强电流即可进行翻转。
作为一个具体实例，本发明实施例中可以采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将覆盖层、第一缓冲层、铁磁层、第一氧化物势垒层和保护层依次沉积在热氧化的硅基底上，并进行光刻、刻蚀等加工，横截面积为长方形。其中，覆盖层材料为金属钽(Ta)，厚度为2nm，缓冲层材料为金属铬(Cr)，厚度为5nm，铁磁层材料为钴铁硼合金(CoFeB)，厚度为1.35nm，氧化物势垒层为氧化镁(MgO)，厚度为2nm，保护层材料为三氧化二铝(Al2O3)，厚度为5nm。
如图2所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，还包括：第二缓冲层7，第二缓冲层7的材料为钼或钨；第二缓冲层7生长在所述第一缓冲层4上；相应地，铁磁层3生长在所述第二缓冲层7上。
具体地，本发明实施例中在多膜层结构中加入第二缓冲层7，第二缓冲层7位于第一缓冲层4和铁磁层3之间。第二缓冲层7的材料具体为钼(Mo)或钨(W)，钼(Mo)或钨(W)均可以有效的阻止铁磁层3中部分元素(如硼(B))的扩散，减小该扩散对于第一缓冲层4的晶体结构的损伤，提高整体结构的垂直磁各向异性。而且，钼(Mo)或钨(W)还可以进一步提高整个多膜层结构的淬火温度，使多膜层结构的适用范围更广泛。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，第二缓冲层7的厚度具体可以为0-2nm。
如图3所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，还包括：第二氧化物势垒层8，第二氧化物势垒层8生长在所述覆盖层5上；相应地，第一缓冲层4生长在第二氧化物势垒层8上。
具体地，本发明实施例中提供的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构中引入第二氧化物势垒层8，第二氧化物势垒层8位于第一缓冲层4和覆盖层5之间。作为优选方案，本发明实施例中的第二氧化物势垒层8的材料具体可以为镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物和钽氧化物中的一种，或镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物和钽氧化物中的至少两种上下层叠生长而成，层叠生长时镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物和钽氧化物的上下顺序可以根据需要进行设置，本发明实施例中对此不作具体限定。作为优选方案，镁氧化物具体可以是氧化镁(MgO)，铝氧化物具体可以是三氧化二铝(Al2O3)，镁铝氧化物具体可以是偏铝酸镁(MgAl2O4)。第二氧化物势垒层8的厚度具体可以为0.2-5nm。
作为一个具体实例，本发明实施例中可以采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将覆盖层、第二氧化物势垒层、第一缓冲层、铁磁层、第一氧化物势垒层和保护层依次沉积在热氧化的硅基底上，并进行光刻、刻蚀等加工，横截面积为长方形。
其中，覆盖层的材料为金属钽(Ta)，厚度为2nm，第二氧化物势垒层的材料为氧化镁(MgO)，厚度为1nm，第一缓冲层的材料为金属铬(Cr)，厚度为5nm，铁磁层的材料为钴铁硼合金(CoFeB)，厚度为1.35nm，第一氧化物势垒层为氧化镁(MgO)，厚度为2nm，保护层材料为三氧化二铝(Al2O3)，厚度为5nm。
作为一个具体实例，本发明实施例中可以采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将覆盖层、第二氧化物势垒层、第一缓冲层、第二缓冲层、铁磁层、第一氧化物势垒层和保护层依次沉积在热氧化的氧化铝基底上，并进行光刻、刻蚀等加工，横截面积为长方形。
其中，覆盖层材料为金属钽(Ta)，厚度为2nm，第二氧化物势垒层的材料为氧化镁(MgO)，厚度为1nm，第一缓冲层的材料为金属铬(Cr)，厚度为5nm，第二缓冲层的材料为金属钼(Mo)，厚度为2nm，铁磁层的材料为钴铁硼合金(CoFeB)，厚度为1.35nm，第一氧化物势垒层为氧化镁(MgO)，厚度为2nm，保护层材料为三氧化二铝(Al2O3)，厚度为5nm。
本发明实施例中提供的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，引入第二氧化物势垒层，可以更好的促进整个多膜层结构的结晶过程。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中还提供了一种磁随机存储器，包括：磁隧道结；其中，磁隧道结的结构为上述实施例中提供的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构。本发明实施例中磁随机存储器中将具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构作为磁隧道结，可以使磁随机存储器的存储密度变高。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，包括：保护层、第一氧化物势垒层、铁磁层、第一缓冲层、覆盖层和基底；
所述覆盖层、第一缓冲层、所述铁磁层、所述第一氧化物势垒层以及所述保护层由下至上依次生长在所述基底上；
所述第一缓冲层的材料为金属铬；所述铁磁层的材料为钴铁硼、铁硼、钴铁和铁中的一种，或钴铁硼、铁硼、钴铁和铁中的至少两种上下层叠生长而成；
所述多膜层结构经500℃以上的温度退火得到；
还包括：第二缓冲层，所述第二缓冲层的材料为钼或钨；
所述第二缓冲层生长在所述第一缓冲层上；相应地，
所述铁磁层生长在所述第二缓冲层上。
2.根据权利要求1所述的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，所述第二缓冲层的厚度为大于0且小于等于2nm。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，还包括：第二氧化物势垒层；
所述第二氧化物势垒层生长在所述覆盖层上；相应地，
所述第一缓冲层生长在所述第二氧化物势垒层上。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，所述保护层和所述第一缓冲层的厚度均为0.2-200nm。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，所述铁磁层和所述第一氧化物势垒层的厚度均为0.2-5nm。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，所述覆盖层的材料具体为：金属钽、金属钨和金属铂中的一种，或金属钽、金属钨和金属铂中的至少两种上下层叠生长而成。
7.根据权利要求1-2中任一项所述的具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，其特征在于，所述第一氧化物势垒层的材料具体为：镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物和钽氧化物中的一种，或镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物和钽氧化物中的至少两种上下层叠生长而成。
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