CN111540827A - 一种mtj器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了MTJ器件的制备方法，包括：预先根据MTJ器件对数据保持时长要求，确定MTJ器件的预期Hoffset值；按照MTJ器件工艺流程，完成MTJ器件的制备后，在预设温度环境中进行热处理；当MTJ器件热处理时长达到预期Hoffset值对应的预设热处理时长时，则对MTJ器件进行退火处理；其中，预设热处理时长为预期Hoffset值对应的MTJ器件的热处理时长。本申请中对MTJ器件的偏置场磁参数Hoffset值进行调节时，只需要对MTJ器件各个结构层形成后，进行热处理的时长进行合理控制，保证了MTJ器件在存储器等设备中的应用性能更为可靠。

Description

一种MTJ器件的制备方法

技术领域

本发明涉及磁性隧道结技术领域，特别是涉及一种MTJ器件的制备方法。

背景技术

MTJ器件，也即是磁性隧道结器件。磁性隧道结包括磁化取向固定的钉扎层、磁化取向可通过磁场电流改变的自由层、以及位于所述参考层和所述自由层之间的隧穿层，以及和参考层贴合设置的钉扎层，在磁性隧道结的自由层和钉扎层各连接有一个电极。MTJ器件具有磁性隧道磁阻效应，当自由层受磁场或电流作用磁化取向方向和参考层的磁化取向同向平行时，两个电极之间呈现低电阻态；当自由层受磁场或电流作用磁化取向方向和参考层的磁化趋向反向平行时，两个电机之间呈现高电阻态。

因为MTJ器件的磁性隧道磁阻效应，MTJ器件常用作MRAM(磁随机存储器)等寄存器中，基于MTJ器件的高电阻态和低电阻态记录数据信息。

如图1所示，图1为MTJ器件电阻态随磁场变化的示意图，其中LHC为MTJ器件从低电阻态到高电阻态时的翻转磁场大小，RHc则为MTJ器件从高电阻态到低电阻态时的翻转磁场大小；而Hoffset值为MTJ器件的偏置场的磁参数，且满足

磁参数Hoffset值与MTJ器件对数据保存时间，tail bit fail(比特失效)具有强相关性，从而制约MRAM芯片等器件的可靠性及良率。

通常情况下，当Hoffset值大于0时，MTJ器件更容易处于高电阻态，即表现为MTJ器件处于低电阻态的数据保存时间远远低于MTJ器件处于高电阻态的数据保存时间，并且使得高电阻态向低电阻态转换率降低；当Hoffset值小于0时，MTJ更容易处于低电阻态，即表现为MTJ器件处于高电阻态的数据保存时间远远低于MTJ器件处于低电阻态的数据保存时间，并且使得低电阻态向高电阻态转换率降低。

由此可见，要保证MTJ器件对处于高电阻态和处于低电阻态时，对数据保存时长的平衡性，关键在于对Hoffset值调节至接近0Oe，使得MTJ器件对高电阻态和低电阻态时数据保存时间平衡。目前比较常见的方式是通过调节MTJ器件的钉扎层、参考层以及自由层的厚度，并插入新的磁性层，调整MTJ结构的方式将Hoffset值调整至预期大小。

发明内容

本发明的目的是提供一种MTJ器件的制备方法，可在无需改变MTJ器件结构的基础上，将MTJ器件的Hoffset值调整至预期大小，简化MTJ器件的制备过程，保证MTJ器件的工作过程。

为解决上述技术问题，本发明提供一种MTJ器件的制备方法，包括：

预先根据MTJ器件对数据保存时长要求，确定所述MTJ器件的预期Hoffset值；

按照MTJ器件工艺流程，完成MTJ器件中至少包含钉扎层、参考层、隧穿层以及自由层的结构层的制备；

将制备完成的所述结构层在预设温度环境中进行热处理；

当对所述结构层进行热处理时长达到所述预期Hoffset值对应的预设热处理时长时，则对所述结构层进行退火处理，获得MTJ器件；

其中，所述预设热处理时长为根据预先确定的热处理时长和MTJ器件的Hoffset值随热处理时长的变化关系，以及所述预期Hoffset值，确定的热处理时长。

在本申请一种可选的实施例中，所述MTJ器件为自由层，参考层和钉扎层磁化方向为垂直磁化的器件。

在本申请一种可选的实施例中，所述预设温度环境为230℃至400℃的环境。

在本申请一种可选的实施例中，所述预先确定的热处理时长和MTJ器件的Hoffset随热处理时长的变化关系包括：

预先按照MTJ器件工艺流程，完成多个测试MTJ器件的制备；

分别将各个所述测试MTJ器件在所述预设温度环境中加热，且各个所述测试MTJ器件热处理时长逐个递增；

对各个所述测试MTJ器件退火，并检测各个所述测试MTJ器件的Hoffset值；

根据各个所述测试MTJ器件对应的Hoffset值，拟合获得MTJ器件的Hoffset值随热处理时长的变化关系曲线。

在本申请一种可选的实施例中，在当所述MTJ器件热处理时长达到所述预期Hoffset值对应的预设热处理时长时，则对所述MTJ器件进行退火处理包括：

当所述所述MTJ器件热处理时长达到所述预期Hoffset值等于0Oe对应的预设热处理时长时，进行退火处理。

在本申请一种可选的实施例中，所述预先根据MTJ器件对数据保持时长要求，确定所述MTJ器件的预期Hoffset值，包括：

获得MTJ器件在最大工作温度下，所述MTJ器件对数据的保存时间随Hoffset值变化的对应关系；

根据所述对应关系，以及所述MTJ器件正常工作要求的预设保存时间，确定所述MTJ器件在最大工作温度的预期Hoffset值。

在本申请一种可选的实施例中，所述预先根据MTJ器件对数据保持时长要求，确定所述MTJ器件的预期Hoffset值，包括：

获得MTJ器件在最小工作温度下，所述MTJ器件对数据的保存时间随Hoffset值变化的对应关系；

根据所述对应关系，以及所述MTJ器件正常工作要求的预设保存时间，确定所述MTJ器件在最小工作温度的预期Hoffset值。

本发明所提供的MTJ器件的制备方法，包括：预先根据MTJ器件对数据保存时长要求，确定MTJ器件的预期Hoffset值；按照MTJ器件工艺流程，完成MTJ器件中至少包含钉扎层、参考层、隧穿层以及自由层的结构层的制备；将制备完成的结构层在预设温度环境中进行热处理；当对结构层进行热处理时长，达到预期Hoffset值对应的预设热处理时长时，则对结构层进行退火处理，获得MTJ器件；其中，预设热处理时长为根据预先确定的热处理时长和MTJ器件的Hoffset值随热处理时长的变化关系，以及预期Hoffset值，确定的热处理时长。

本申请中对MTJ器件的偏置场磁参数Hoffset值进行调节时，无需改变MTJ器件中各个磁性材料层的厚度以及MTJ结的外貌结构，仅仅只需要对MTJ器件各个结构层形成后，进行热处理的时长进行合理控制，即可使将MTJ器件的Hoffset值调整至预期的大小，保证了MTJ器件在高电阻态和低电阻态对数据保存时长的平衡性，使得MTJ器件在实际应用中，对数据具有良好的保存性能，保证了MTJ器件在存储器等设备中的应用性能更为可靠。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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MTJ器件电阻态随磁场变化的示意图；

图2为MTJ器件结构示意图；

图3为本申请实施例提供的MTJ器件的制备方法的流程示意图；

图4为本申请实施例提供的Hoffset值随着加热处理时长而变化的变化关系示意图；

图5为本申请提供的MTJ器件自由层矫顽力Hc随着热处理时长变化的示意图；

图6为本申请提供的TMR随热处理时长变化的示意图；

图7为本申请中提供的MTJ器件的rap&rp随热处理时长变化的示意图；

图8为本申请实施例提供的MTJ器件的Hoffset值随工作温度变化的箱线图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种MTJ器件的制备方法，通过控制MTJ器件制备完成后，对MTJ器件进行热处理的时长，使得MTJ器件的Hoffset值，达到预期大小，进而满足MTJ器件在实际应用中，在高电阻态和低电阻态时对数据保存时长的平衡性要求。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

如图2所示，图2为MTJ器件结构示意图，图2中示出了MTJ器件的关键结构，主要包括钉扎层、参考层以及自由层，另外还具有电极、基板等常规结构部分在此不一一介绍。在MTJ器件中参考层的磁化方向是固定不变的，而自由层的磁化方向是随外加电流或磁场的变化而变化的，使得自由层和参考层之间的磁化方向呈现平行态和反平形态两种。

因为MTJ器件的偏置场磁参数Hoffset值的大小直接影响MTJ器件工作状态下的MTJ器件对数据保存的稳定性，进而影响MTJ器件平形态和反平行态对应的数据保存时长。当Hoffset值大于0时，MTJ器件处于平行态也即是高电阻态时更为稳定，那么MTJ器件存储数据1的保存时间更长，而当Hoffset值小于0时MTJ器件处于反平行态也即是低电阻态时更为稳定，MTJ器件存储数据0的保存时间更长。

但是在实际应用中，要求MTJ器件对高电阻态和低电阻态时，都能够稳定长时间的对数据进行保存，保证高电阻态和低电阻态时数据保存长的平衡性。一般而言，Hoffset值越接近于0Oe，MTJ器件对数据保存时上的平衡性越好。为此，在实际生产制备MTJ器件时，就需要对MTJ器件的Hoffset值进行调节，以提升MTJ器件的工作性能。

目前比较常见的方式是，在生产制备MTJ器件时，为MTJ器件中相对于插入新的磁性层，改变MTJ器件的组成结构，进而实现Hoffset值的调节，这使得MTJ器件的生产制备工艺更为复杂，生产成本高。为此，本申请中提出了另一中制备MTJ器件的方法，简单可靠，可以将MTJ器件的Hoffset的大小调节至预期大小。

下面将以具体实施例对本申请中MTJ器件的制备方法进行详细介绍。

如图3所示，图3为本申请实施例提供的MTJ器件的制备方法的流程示意图，该MTJ器件的制备方法可以包括：

步骤S1：预先根据MTJ器件对数据保存时长要求，确定MTJ器件的预期Hoffset值。

具体地，该数据保存时长要求也即是MTJ器件在高电阻态和低电阻态时对数据保存时长的平衡性要求。该预期Hoffset值为保证MTJ器件对数据保存时长平行性，对应地Hoffset值绝对值的最大值。

步骤S2：按照MTJ器件工艺流程，完成MTJ器件中至少包含钉扎层、参考层、隧穿层以及自由层的结构层的制备。

对于这一制备过程，参照MTJ器件的常规制备工艺即可。一般该MTJ器件是和CMOS管配合使用的，在形成CMOS管后，即可依次进行MTJ器件的基板，并在基板上通过结构层薄膜沉积形成钉扎层、参考层、隧穿层以及自由层等结构，再进行MIJ图像光刻显影及刻蚀、形成顶部接触等过程实现MTJ器件结构上的完整工艺流程。这一工艺流程和传统的之别MTJ器件结构的制备流程相同，在此本申请中不再详细介绍。

步骤S3：将制备完成的结构层在预设温度环境中进行热处理。

步骤S4：当对结构层进行热处理时长达到预期Hoffset值对应的预设热处理时长时，则对结构层进行退火处理，获得MTJ器件。

其中，预设热处理时长为根据预先确定的热处理时长和MTJ器件的Hoffset值随热处理时长的变化关系，以及预期Hoffset值，确定的热处理时长。

对于常规的MTJ器件制备完整体的结构部分之后，一般需要将MTJ器件置于高温环境中进行热处理，一般是在230℃至400℃的环境温度中，对MTJ器件进行加热处理，再在真空中或者惰性气体环境中退火冷却后，才能获得可投入使用的MTJ器件。

但是对于常规的MTJ器件的热处理过程中，其热处理时长往往在30分钟左右。

而本申请中经过研究发现，该MTJ器件热处理的时间长短是会直接影响MTJ器件的Hoffset值大小。为此，本申请中利用MTJ器件的Hoffset值随着热处理时长变化而变化这一特性对MTJ器件Hoffset值进行调节，具体地该热处理时长可以是1h、2h、3h、4h、5h。

具体地，如图2所示，对于MTJ器件的Hoffset值随加热处理时长的变化而变化的机理如下：

Hoffset＝H_r2f-H_p2f，其中，H_r2f为参考层在自由层产生的净磁场，H_p2f为钉扎层在自由层产生的净磁场；

H_r2f正比于Msref(参考层的磁矩)，H_p2f正比于Mspin(钉扎层的磁矩)；

通常，钉扎层在高温下非常稳定，耐热性达到450℃，因此在350℃左右的热处理条件下，Mspin几乎不变；而参考层的磁矩却在经过高温环境热处理并退火之后，发生显著变化，进而使得H_r2f明显降低，且相相比H_p2f变化更显著。通过不同时间高温退火，参考层的磁矩随温度变化，进而使H_r2f变化的幅度不同，由此即可改变对MTJ器件热处理时长，实现对Hoffset的调整。

为了使得MTJ器件的Hoffset值随着加热处理时长调节到预期大小，可以预先获得Hoffset值随加热处理时长变化的变化关系。

具体地，可以通过采用相同的工艺流程生产多个用于实验的MTJ器件；再将各个实验用的MTJ器件分别进行热处理，并且各个MTJ器件的加热时长逐个递增，在各个MTJ器件的加热时长达到预定时长后，在真空退火，并分别检测各个MTJ器件的Hoffset值，再基于各个Hoffset值和对应的加热时长，拟合出Hoffset值随热处理时长变化的关系曲线。

如图4所示，图4为本申请实施例提供的Hoffset值随着加热处理时长而变化的变化关系示意图，有图4可知，随着加热时长的增大，Hoffset值是逐渐减小的，当然此处所指的Hoffset值为绝对值。而在理想状态下，Hffset值变为0Oe时，MTJ器件的高电阻态和低电阻态最为均衡稳定。因此，在实际对MTJ器件进行加热处理时，可以尽可能的使得MTJ器件的Hoffset值调整为0Oe，或者是接近0Oe。

另外，如图5、图6、图7所示，图5为本申请提供的MTJ器件自由层矫顽力Hc随着热处理时长变化的示意图，图6为本申请提供的TMR随热处理时长变化的示意图，图7为本申请中提供的MTJ器件的rap&rp随热处理时长变化的示意图。由如5至图7可知，对于MTJ器件而言，即便在对MTJ器件的热处理时长产生变化，也并不会对自由层的矫顽力、TMR以及rap&rp等参数产生影响，进而保证了MTJ器件性能的稳定性。

本申请中提供的MTJ器件的制备方法，在对MTJ器件生产制备之前，根据MTJ器件在工作状态下对数据保存时长的要求，设定对应的预期Hoffset值，并根据Hoffset值对MTJ器件的热处理时长进行调整，进而使得MTJ器件的Hoffset值在MTJ器件正常工作时能够达到预期大小，无需对传统的MTJ器件增加新的结构层，进而改编MTJ器件的结构，避免MTJ器件结构的复杂化，在保证MTJ器件的工作性能的基础上，简化了MTJ器件的制备流程。

基于上述任一实施例，进一步地考虑到，对于MTJ器件而言，在实际工作过程中，不可避免的会发热。根据MTJ器件在实际应用中的检测可以发现，MTJ器件在常温状态下，若Hoffset值接近于0，则MTJ器件在工作温度升高后，Hoffset值明显会增大，导致MTJ器件在高温工作时对数据的保存时间大大降低。

为此，在本申请的另一可选地的实施例中，对于MTJ器件的确定过程具体还可以包括：

获得MTJ器件在最大工作温度下，MTJ器件对数据的保存时间随Hoffset值变化的对应关系；

根据对应关系，以及MTJ器件正常工作要求的最小保存时间，确定MTJ器件在最大工作温度的预期Hoffset值。

具体地，如图8所示，图8为本申请实施例提供的MTJ器件的Hoffset值随工作温度变化的箱线图，由图8可知对于MTJ器件而言，其Hoffset值是随着工作温度的升高而降低的。因此，在制备MTJ器件时，确定的预期Hoffset值，可以是高温工作状态下的预期Hoffset值接近于0Oe，进而保证了MTJ器件在高温工作状态下对数据保存的稳定性。

进一步地，考虑到MTJ器件并非所有的工作环境均是处于高温工作环境，在某些情况下MTJ器件也可能始终处于低温状态环境中工作，因此，本申请的另一可选地的实施例中，对于MTJ器件的确定过程具体还可以包括：

获得MTJ器件在最小工作温度下，MTJ器件对数据的保存时间随Hoffset值变化的对应关系；

根据对应关系，以及MTJ器件正常工作要求的最小保存时间，确定MTJ器件在最小工作温度的预期Hoffset值。

需要说明的是，对于本申请中的预期Hoffset值，并不仅限于对于最高工作温度下或最低工作温度下，对应的Hoffset值，可以根据MTJ器件实际工作最常态的温度下，对应的最大的Hoffset值，进而满足MTJ器件在在最常态的工作温度下，能够对数据具有较好的保存性能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种MTJ器件的制备方法，其特征在于，包括：

预先根据MTJ器件对数据保存时长要求，确定所述MTJ器件的预期Hoffset值；

按照MTJ器件工艺流程，完成MTJ器件中至少包含钉扎层、隧穿层、参考层以及自由层的结构层的制备；

将制备完成的所述结构层在预设温度环境中进行热处理；

当对所述结构层进行热处理时长达到所述预期Hoffset值对应的预设热处理时长时，则对所述结构层进行退火处理，获得MTJ器件；

其中，所述预设热处理时长为根据预先确定的热处理时长和MTJ器件的Hoffset值随热处理时长的变化关系，以及所述预期Hoffset值，确定的热处理时长。

2.如权利要求1所述的MTJ器件的制备方法，其特征在于，所述MTJ器件为自由层，参考层和钉扎层磁化方向为垂直磁化的器件。

3.如权利要求1所述的MTJ器件的制备方法，其特征在于，所述预设温度环境为230℃至400℃的环境。

4.如权利要求1所述的MTJ器件的制备方法，其特征在于，预先确定热处理时长和MTJ器件的Hoffset值随热处理时长的变化关系包括：

预先按照MTJ器件工艺流程，完成多个测试MTJ器件的制备；

分别将各个所述测试MTJ器件在所述预设温度环境中加热，且各个所述测试MTJ器件热处理时长逐个递增；

对各个所述测试MTJ器件退火，并检测各个所述测试MTJ器件的Hoffset值；

根据各个所述测试MTJ器件对应的Hoffset值，拟合获得MTJ器件的Hoffset值随热处理时长的变化关系曲线。

5.如权利要求1所述的MTJ器件的制备方法，其特征在于，在当所述MTJ器件热处理时长达到所述预期Hoffset值对应的预设热处理时长时，则对所述MTJ器件进行退火处理包括：

当所述所述MTJ器件热处理时长达到所述预期Hoffset值等于0Oe对应的预设热处理时长时，进行退火处理。

6.如权利要求1至5任一项所述的MTJ器件的制备方法，其特征在于，所述预先根据MTJ器件对数据保持时长要求，确定所述MTJ器件的预期Hoffset值，包括：

获得MTJ器件在最大工作温度下，所述MTJ器件对数据的保存时间随Hoffset值变化的对应关系；

根据所述对应关系，以及所述MTJ器件正常工作要求的预设保存时间，确定所述MTJ器件在最大工作温度的预期Hoffset值。

7.如权利要求1至5任一项所述的MTJ器件的制备方法，其特征在于，所述预先根据MTJ器件对数据保持时长要求，确定所述MTJ器件的预期Hoffset值，包括：

获得MTJ器件在最小工作温度下，所述MTJ器件对数据的保存时间随Hoffset值变化的对应关系；

根据所述对应关系，以及所述MTJ器件正常工作要求的预设保存时间，确定所述MTJ器件在最小工作温度的预期Hoffset值。

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