CN111490155B - 磁性隧道结 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁性隧道结，包括：自由层、势垒层、参考层以及用于钉扎参考层的磁化方向的合成反铁磁层，所述合成反铁磁层包括第一反平行层、第二反平行层以及位于所述第一反平行层和所述第二反平行层之间的反铁磁耦合层，所述第一反平行层采用磁性薄膜与非磁性薄膜交替设置的多层膜结构，或者第一磁性薄膜与第二磁性薄膜交替设置的多层膜结构，其中与所述反铁磁耦合层相邻的一层磁性薄膜的厚度尽量薄。本发明能够提高参考层的稳定性。

Description

磁性隧道结
技术领域
本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种磁性隧道结。
背景技术
自旋转移矩磁性随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic Random AccessMemory，STT-MRAM)具有电路设计简单、读写速度快和非易失性等优点。STT-MRAM的核心器件是磁性隧道结(MTJ)，它主要包括自由层、参考层以及夹在两者之间的势垒层，其中，参考层的磁化方向固定，器件工作期间不发生翻转；自由层的磁化方向与参考层共线(平行或反平行)。通过利用电子的自旋力矩，将自由层的磁化方向翻转，以实现参考层与自由层磁化方向平行(电阻较低)或反平行(电阻较高)，以此实现写“0”或“1”。
参考层对磁性隧道结的性能如TMR、翻转电流、可靠性等起着非常关键的作用，为保持参考层的磁化方向稳定，通常会在参考层外侧设置一层合成反铁磁结构，以钉扎住参考层的磁化方向。目前，如何改进合成反铁磁结构，以最大程度地对参考层实现钉扎，成为一个热点问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种磁性隧道结，改进合成反铁磁结构，能够提高参考层的稳定性。
本发明提供一种磁性隧道结，包括：
自由层；
势垒层；
参考层；
合成反铁磁层，位于所述参考层的远离所述势垒层的一侧，用于钉扎所述参考层的磁化方向；
磁间隔层，位于所述参考层和所述合成反铁磁层之间；
其中，所述合成反铁磁层包括第一反平行层、第二反平行层以及位于所述第一反平行层和所述第二反平行层之间的反铁磁耦合层，所述第一反平行层与所述第二反平行层的磁化方向反平行，所述第二反平行层靠近所述磁间隔层，所述第一反平行层远离所述磁间隔层，所述第一反平行层采用磁性薄膜与非磁性薄膜交替设置的多层膜结构，或者第一磁性薄膜与第二磁性薄膜交替设置的多层膜结构，
当所述第一反平行层采用磁性薄膜与非磁性薄膜交替设置的多层膜结构时，全部磁性薄膜中的与所述反铁磁耦合层相邻的一层磁性薄膜的厚度小于其他各层磁性薄膜的厚度；
当所述第一反平行层采用第一磁性薄膜与第二磁性薄膜交替设置的多层膜结构时，全部第一磁性薄膜中的与所述反铁磁耦合层相邻的一层第一磁性薄膜的厚度小于其他各层第一磁性薄膜的厚度。
可选地，当所述第一反平行层采用磁性薄膜与非磁性薄膜交替设置的多层膜结构时，所述多层膜结构采用[Co/Pt]n结构、[Co/Pd]n结构或者[CoFe/Pt]n结构，n为交替次数。
可选地，当所述第一反平行层采用磁性薄膜与非磁性薄膜交替设置的多层膜结构时，与所述反铁磁耦合层相邻的一层磁性薄膜的厚度为0.1-0.6nm，其他各层磁性薄膜的厚度为0.1-0.6nm。
可选地，当所述第一反平行层采用第一磁性薄膜与第二磁性薄膜交替设置的多层膜结构时，所述多层膜结构采用[Co/Ni]n结构或者[CoFe/Ni]n结构，n为交替次数。
可选地，当所述第一反平行层采用第一磁性薄膜与第二磁性薄膜交替设置的多层膜结构时，与所述反铁磁耦合层相邻的一层第一磁性薄膜的厚度为0.1-0.6nm，其他各层第一磁性薄膜的厚度为0.1-0.6nm。
可选地，所述第二反平行层采用磁性薄膜与非磁性薄膜交替设置的多层膜结构，所述多层膜结构采用[Co/Pt]n结构、[Co/Pd]n结构或者[CoFe/Pt]n结构，n为交替次数。
可选地，所述第二反平行层采用两层磁性薄膜交替设置的多层膜结构，所述多层膜结构采用[Co/Ni]n结构或者[CoFe/Ni]n结构，n为交替次数。
可选地，所述第二反平行层采用单一磁性膜结构，所述单一磁性膜结构的材料包括Co、Fe、Ni和B中的一种或几种的组合。
可选地，所述反铁磁耦合层的材料包括Ru和Ir中的一种。
可选地，所述自由层、参考层和合成反铁磁层的磁化方向均垂直于薄膜平面。
本发明提供的磁性隧道结，将合成反铁磁层中与反铁磁耦合层相邻的一层磁性薄膜的厚度设计得尽量薄，以增强合成反铁磁结构的交换耦合场Hex，从而提高参考层的稳定性。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的磁性隧道结的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的磁性隧道结的结构示意图；
图3为本发明实施例中保持其他Co层厚度不变，测试与反铁磁耦合层相邻的一层Co层的厚度与交换耦合场Hex的曲线示意图；
图4为本发明实施例中保持与反铁磁耦合层相邻的一层Co层的厚度不变，测试其他层厚度与交换耦合场Hex的曲线示意图。
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，所描述的实施例仅仅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做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。
本实施例提供一种磁性隧道结，如图1所示，该磁性隧道结包括：自由层101、势垒层102、参考层103、磁间隔层104和合成反铁磁层105，磁性隧道结的各层均为垂直磁化，磁间隔层104位于参考层103和合成反铁磁层105之间，合成反铁磁层105位于参考层103的远离势垒层102的一侧，用于钉扎参考层103的磁化方向；
其中，合成反铁磁层105包括第一反平行层1051、第二反平行层1053以及位于两者之间的反铁磁耦合层1052，第一反平行层1051与第二反平行层1053的磁化方向处于反平行，反铁磁耦合层1052一般选择Ru或者Ir作为材料。第二反平行层1053靠近磁间隔层104，第一反平行层1051远离磁间隔层104，本实施例中，第一反平行层1051采用磁性薄膜与非磁性薄膜交替设置的多层膜结构，例如，第一反平行层1051可以采用[Co/Pt]n结构、[Co/Pd]n结构或者[CoFe/Pt]n结构，n为交替次数。需要说明的是，该多层膜结构在实际生长时，以[Co/Pt]n结构为例说明，先生长一层Co，再生长一层Pt，依次重复生长，但在最外层都会多生长一层Co，即以Co层终止。也就是说，[Co/Pt]n结构不是完全的交替生长，在最外层都是以Co层终止。即第一反平行层的结构为[Co/Pt]n/Co，并且，在生长时，与反铁磁耦合层1052相邻的这一层Co层(图1中的1a)的厚度小于其他各层的Co层(图1中的1b，1c，1d)的厚度。具体地，1a这一层Co层的厚度介于0.1-0.6nm，而1b，1c，1d这几层Co层的厚度介于0.1-0.6nm，但需要保证1a的厚度小于1b，1c，1d这几层Co层的厚度。
类似地，对于[Co/Pd]n结构，先生长一层Co，再生长一层Pd，依次重复生长，但在最外层都会多生长一层Co，即以Co层终止。也就是说，[Co/Pd]n结构不是完全的交替生长，在最外层都是以Co层终止。即第一反平行层的结构为[Co/Pd]n/Co，并且，在生长时，与反铁磁耦合层1052相邻的这一层Co层(图1中的1a)的厚度小于其他各层的Co层(图1中的1b，1c，1d)的厚度。
类似地，对于[CoFe/Pt]n结构，先生长一层CoFe，再生长一层Pt，依次重复生长，但在最外层都会多生长一层CoFe，即以CoFe层终止。也就是说，[CoFe/Pt]n结构不是完全的交替生长，在最外层都是以CoFe层终止。即第一反平行层的结构为[CoFe/Pt]n/CoFe，并且，在生长时，与反铁磁耦合层1052相邻的这一层CoFe层(图1中的1a)的厚度小于其他各层的CoFe层(图1中的1b，1c，1d)的厚度。
本实施例提供的磁性隧道结，与反铁磁耦合层相邻的一层磁性薄膜的各向异性场越大，则合成反铁磁结构的交换耦合场Hex越大，因此适当减小该层磁性薄膜的厚度，而其他磁性薄膜并不直接与反铁磁耦合层邻近，其在提供PMA的同时还需要为电子提供一定的自旋极化路径，其厚度不可过饱，否则会降低电子极化率，故其厚度要厚于与反铁磁耦合层相邻的一层磁性层。本实施例通过改进反铁磁结构，能够提高反铁磁结构的交换耦合场Hex，进而提高参考层的稳定性。
图2为本发明另一实施例提供的磁性隧道结的结构示意图。本实施例中，磁性隧道结包括：自由层201、势垒层202、参考层203、磁间隔层204和合成反铁磁层205，磁性隧道结的各层均为垂直磁化，磁间隔层204位于参考层203和合成反铁磁层205之间，合成反铁磁层205位于参考层203的远离势垒层202的一侧，用于钉扎参考层203的磁化方向；
其中，合成反铁磁层205包括第一反平行层2051、第二反平行层2053以及位于两者之间的反铁磁耦合层2052，第一反平行层2051与第二反平行层2053的磁化方向处于反平行，反铁磁耦合层2052一般选择Ru或者Ir作为材料。第二反平行层2053靠近磁间隔层204，第一反平行层2051远离磁间隔层204，本实施例中，第一反平行层2051采用第一磁性薄膜与第二磁性薄膜交替设置的多层膜结构，例如，第一反平行层2051可以采用[Co/Ni]n结构或者[CoFe/Ni]n结构，n为交替次数。需要说明的是，该多层膜结构在实际生长时，以[Co/Ni]n结构为例说明，先生长一层Co，再生长一层Ni，依次重复生长，但在最外层都会多生长一层Co，即以Co层终止。也就是说，[Co/Ni]n结构不是完全的交替生长，在最外层都是以Co层终止。即第一反平行层的结构为[Co/Ni]n/Co，并且，在生长时，与反铁磁耦合层2052相邻的这一层Co层(图2中的2a)的厚度小于其他各层的Co层(图2中的2b，2c，2d)的厚度。具体地，2a这一层Co层的厚度通常设置在0.1-0.6nm，而2b，2c，2d这几层Co层的厚度通常设置在0.1-0.6nm，但需要保证1a的厚度小于1b，1c，1d这几层Co层的厚度。
类似地，对于[CoFe/Ni]n结构，先生长一层CoFe，再生长一层Ni，依次重复生长，但在最外层都会多生长一层CoFe，即以CoFe层终止。也就是说，[CoFe/Ni]n结构不是完全的交替生长，在最外层都是以CoFe层终止。即第一反平行层的结构为[CoFe/Ni]n/CoFe，并且，在生长时，与反铁磁耦合层2052相邻的这一层CoFe层(图2中的2a)的厚度小于其他各层的CoFe层(图2中的2b，2c，2d)的厚度。
本实施例提供的磁性隧道结，与反铁磁耦合层相邻的一层第一磁性薄膜的各向异性场越大，则合成反铁磁结构的交换耦合场Hex越大，因此适当减小该层第一磁性薄膜的厚度，而其他第一磁性薄膜并不直接与反铁磁耦合层邻近，其在提供PMA的同时还需要为电子提供一定的自旋极化路径，其厚度不可过饱，否则会降低电子极化率，故其厚度要厚于与反铁磁耦合层相邻的一层第一磁性层。本实施例通过改进反铁磁结构，能够提高反铁磁结构的交换耦合场Hex，进而提高参考层的稳定性。
另外说明的是，上述两个实施例中，第二反平行层的结构可以采用磁性薄膜与非磁性薄膜交替设置的多层膜结构，例如[Co/Pt]n结构、[Co/Pd]n结构或者[CoFe/Pt]n结构，n为交替次数，或者采用两层磁性薄膜交替设置的多层膜结构，例如[Co/Ni]n结构或者[CoFe/Ni]n结构，n为交替次数，或者采用单一磁性膜结构，该单一磁性膜结构的材料包括Co、Fe、Ni和B中的一种或几种的组合。
为充分说明本实施例的效果，设计实验保持其他Co层厚度不变，测试与反铁磁耦合层相邻的一层Co层的厚度与交换耦合场Hex的曲线关系，测试结果如图3所示，可见，该层与反铁磁耦合层相邻的一层Co厚度越小，交换耦合场Hex越大；另设计实验保持临近反铁磁耦合层的Co厚度不变，测试其他Co层厚度与交换耦合场Hex的关系，测试结果如图4所示，可见，其他Co层厚度越大，交换耦合场Hex越大。因此综合调节其相对厚度，使临近反铁磁耦合层的Co比其他Co层薄，能提升交换耦合场Hex，同时能够增加自旋极化率，提高参考层的稳定性，并最终实现TMR增加/Vc降低/电阻的均一性改善。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括：
自由层；
势垒层；
参考层；
合成反铁磁层，位于所述参考层的远离所述势垒层的一侧，用于钉扎所述参考层的磁化方向；
磁间隔层，位于所述参考层和所述合成反铁磁层之间；
其中，所述合成反铁磁层包括第一反平行层、第二反平行层以及位于所述第一反平行层和所述第二反平行层之间的反铁磁耦合层，所述第一反平行层与所述第二反平行层的磁化方向反平行，所述第二反平行层靠近所述磁间隔层，所述第一反平行层远离所述磁间隔层，所述第一反平行层采用[X/Y]n/X结构，n为交替次数，其中X为第一磁性薄膜，Y为非磁性薄膜或者第二磁性薄膜，非交替设置的一层第一磁性薄膜与所述反铁磁耦合层相邻，且满足：各层第一磁性薄膜的厚度介于0.1-0.6nm，与所述反铁磁耦合层相邻的一层第一磁性薄膜的厚度小于其他各层第一磁性薄膜的厚度。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第一反平行层采用[Co/Pt]n/Co结构、[Co/Pd]n/Co结构或者[CoFe/Pt]n/CoFe结构，n为交替次数。
3.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第一反平行层采用[Co/Ni]n/Co结构或者[CoFe/Ni]n/CoFe结构，n为交替次数。
4.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第二反平行层采用磁性薄膜与非磁性薄膜交替设置的多层膜结构，所述多层膜结构采用[Co/Pt]n结构、[Co/Pd]n结构或者[CoFe/Pt]n结构，n为交替次数。
5.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第二反平行层采用两层磁性薄膜交替设置的多层膜结构，所述多层膜结构采用[Co/Ni]n结构或者[CoFe/Ni]n结构，n为交替次数。
6.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第二反平行层采用单一磁性膜结构，所述单一磁性膜结构的材料包括Co、Fe、Ni和B中的一种或几种的组合。
7.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述反铁磁耦合层的材料包括Ru和Ir中的一种。
8.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述自由层、参考层和合成反铁磁层的磁化方向均垂直于薄膜平面。
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