CN112490352A - 磁性随机存储器的磁性隧道结结构 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构，所述磁性隧道结结构的反铁磁层与底电极之间设置非晶缓冲层与晶态种子层，引导所述反铁磁层的生长而形成面心立方结构，有利于磁性隧道结单元在磁学，电学和良率的提升以及器件的缩微化。

Description

磁性随机存储器的磁性隧道结结构

技术领域

本发明涉及存储器技术领域，特别是关于一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构。

背景技术

磁性随机存储器(Magnetic random access memory，MRAM)在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy；PMA)的磁性隧道结(Magnetic tunnel junction；MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”，在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向会保持不变；在写的过程中，如果与现有状态不相同的信号输入时，则自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生180度的翻转。磁随机存储器的自由层磁化方向保持不变的能力叫做数据保存能力(Data Retention)或者是热稳定性(Thermal Stability)，在不同的应用情况中要求不一样，对于一个典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)而言，数据保存能力要求是在125℃的条件下可以保存数据10年，在外磁场翻转，热扰动，电流扰动或读写多次操作时，都会造成数据保持能力或者是热稳定性的降低，所以常会采用反铁磁层(Synthetic Anti-Ferrimagnet Layer，SyAF)超晶格来实现参考层(ReferenceLayer，RL)的钉扎。在制作种子层的时候，一般采用加温镀膜技术以提升反铁磁层面心立方FCC晶体的晶向的一致性和均匀性，然而种子层需有一定程度的厚度才能取得高品质的晶向，亦不易取得相对较低的表面粗糙度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构，通过引导反铁磁层的晶格形成，实现参考层钉扎、晶格转换、降低/避免“去铁磁耦合”的情形。

本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本申请提出的一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构由上至下结构包括自由层(Free Layer，FL)、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)、参考层(ReferenceLayer，RL)、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferrimagnet Layer，SyAF)与种子层(Seed Layer；SL)，其中，所述种子层包括：第一种子层，为非晶缓冲层，由非晶态金属或合金形成；第二种子层，为晶态种子层，设置于所述第一种子层上，由高负电性并且为面心立方结构的超晶格金属或合金材料形成；其中，所述晶态种子层引导所述反铁磁层的生长而形成面心立方结构，所述晶格隔断层实现所述反铁磁层与所述参考层的晶格转换和强铁磁耦合(CBL)。

本申请解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

在本申请的一实施例中，所述晶态种子层的材料选自[铜/铝]_n复合多层膜，[铝/铜]_n复合多层膜，[铜/铂]_n复合多层膜,[铝/铂]_n复合多层膜,铜铝合金，铜铂合金，铝铂合金，铜，铬,氧化镁，氧化铝,镁铝氧化物，氧化锌，镁锌氧化物，钬，氧化钛，钛酸锶，钌/银，钌/金，金/钌，金/钌，钌/镍铁钼，钌/镍钨合金或其组合。优选的，所述晶态种子层的总厚度为1.0奈米至20奈米之间。

在本申请的一实施例中，所述晶态种子层通过物理气相沉积工艺腔体中进行沉积。优选的，可以选择在高温条件下，例如：150℃～450℃之间，采用Ne⁺或Ar⁺的低Z离子进行溅射沉积。沉积之后，进行自然冷却到室温，或者进行超低温冷却，优选为100K或200K。

在本申请的一实施例中，采用等离子工艺对所述晶态种子层的表面进行平滑处理。

在本申请的一实施例中，所述晶态种子层的表面附加一层铂或钯，厚度为0.15奈米至2奈米。

在本申请的一实施例中，所述非晶缓冲层由钽,钛，氮化钛，氮化钽，钨，氮化钨，碳，硅,镓，钴碳化合物，钴铁碳化合物，镍,铬,钴硼化合物，铁硼化合物，钴铁硼化合物或其组合构成。优选的，所述非晶缓冲层由钴铁硼/钽或钽/钴铁硼的两层结构形成。

在本申请的一实施例中，所述反铁磁层的结构为[钴/铂]_n钴或[铂/钴]_n，钌及/或铱，[钴/铂]_m或钴[铂/钴]_m的依次向上叠加的三层结构，其中，n＞m≥0，优选的，单层的钴，铂，钌和/或铱的厚度小于1奈米，优选的，钴和铂的单层厚度在0.5奈米之下。

在本申请的一实施例中，所述反铁磁层的每一层结构的厚度为相同或相异。

在本申请的一实施例中，所述自由层上设置有覆盖层，所述覆盖层的材料为选自(镁，氧化镁，氧化镁锌，氧化镁硼或氧化镁铝其中之一)/(钨，钼，镁，铌，钌，铪，钒,铬或铂其中之一)的双层结构，或是氧化镁/(钨，钼或铪其中之一)/钌的三层结构，或是氧化镁/铂/(钨，钼或铪其中之一)/钌的四层结构。

在本申请的一实施例中，所述自由层的材料为选自硼化钴，硼化铁，钴铁硼单层结构，或是铁化钴/钴铁硼，铁/钴铁硼的双层结构，或是钴铁硼/(钽，钨，钼或铪其中之一)/硼化钴，或是硼化铁/(钽，钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼，钴铁硼/(钽，钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼的三层结构，或是铁/钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼，或铁化钴/钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼的四层结构其中之一，所述自由层的厚度为1.2奈米至3.0奈米间。

在本申请的一实施例中，所述势垒层的材料为选自氧化镁，氧化镁锌，氧化镁硼或氧化镁铝其中之一，所述势垒层的厚度为0.6奈米至1.5奈米间。

在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结的参考层的材料为选自钴，铁，镍，铁钴合金，硼化钴，硼化铁，钴铁碳合金与钴铁硼合金其中之一或及其组合，所述参考层的厚度为0.5奈米至1.5奈米间。

在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结的晶格隔断层的材料为选自钨，钼，钽、铪、锆、镁、钛与钌其中之一或其组合，所述参考层的厚度为0.1奈米至0.5奈米间。

在本申请的一实施例中，于所述磁性隧道结进行退火工艺，以使得所述参考层及所述自由层在面心立方晶体结构势垒层的模板作用下从非晶结构转变成体心立方堆积的晶体结构。

本申请磁性隧道结单元结构，其通过在非晶缓冲层沉积之后，反铁磁层沉积之前采用上述晶态种子层及其的生长工艺，能够导引反铁磁层形成具有强烈的面心立方结构和垂直各向异性，有助于实现具有面心立方晶体结构的反铁磁层到具有体心立方堆积参考层的晶格转换和铁磁耦合，有利于磁性隧道结单元在磁学，电学和良率的提升以及器件的缩微化。

附图说明

图1为本申请实施例磁性随机存储器磁性存储单元结构示意图；

图2a与图2b分别为本申请实施例的磁性隧道结单元结构的种子层的结构示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

附图和说明被认为在本质上是示出性的，而不是限制性的。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。另外，为了理解和便于描述，附图中示出的每个组件的尺寸和厚度是任意示出的，但是本发明不限于此。

在附图中，为了清晰、理解和便于描述，夸大设备、系统、组件、电路的配置范围。将理解的是，当组件被称作“在”另一组件“上”时，所述组件可以直接在所述另一组件上，或者也可以存在中间组件。

另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包括”将被理解为意指包括所述组件，但是不排除任何其它组件。此外，在说明书中，“在......上”意指位于目标组件上方或者下方，而不意指必须位于基于重力方向的顶部上。

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对依据本发明提出的一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。

图1为本申请实施例磁性随机存储器磁性存储单元结构示意图。图2a与图2b分别为本申请实施例的磁性隧道结单元结构的种子层的结构示意图。所述磁性存储单元结构至少包括底电极(Bottom Electrode,BE)10、磁性隧道结(MTJ)20与顶电极(Top Electrode,TE)29形成的多层结构。

在一些实施例中，底电极10为钛(Ti)，氮化钛(TiN)，钽(Ta)，氮化钽(TaN)，钌(Ru)，钨(W)，氮化钨(WN)或其组合，一般采用物理气相沉积(PVD)的方式实现，通常在沉积之后，都会对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道结的表面平整度；顶电极29组成材料为钛(Ti)，氮化钛(TiN)，钽(Ta)，氮化钽(TaN)，钨(W)，氮化钨(WN)或其组合。

在一些实施例中，所述磁性隧道结20，由上至下结构包括自由层(Free Layer；FL)27、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)26、参考层(Reference Layer，RL)25、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)24、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferrimagnet Layer，SyAF)23与种子层(Seed Layer；SL)。

如图1所示，在本申请的一实施例中，所述种子层由下至上分别的设置有第一种子层与第二种子层。所述第一种子层为非晶缓冲层(Non-Crystal Buffer Layer,NCBL)21，由非晶态金属或合金形成。所述第二种子层为晶态种子层(Crystal Seed Layer,CSL)22，设置于所述非晶缓冲层21上，由高负电性并且为面心立方结构的超晶格金属或合金材料形成。其中，所述晶态种子层22引导所述反铁磁层24的生长而形成面心立方结构，所述晶格隔断层实现所述反铁磁层24与所述参考层24的晶格转换和强铁磁耦合。

在本申请的一实施例中，所述晶态种子层22的材料选自[铜Cu/铝Al]n复合多层膜，[铝Al/铜Cu]n复合多层膜，[铜Cu/铂Pt]n复合多层膜，[铝Al/铂Pt]n复合多层膜，铜铝(CuAl)合金，铜铂(CuPt)合金，铝铂(AlPt)合金，铜(Cu)，铬(Cr)，氧化镁(MgO)，氧化铝(Al₂O₃),镁铝氧化物(Mg₃Al₂O₆)，氧化锌(ZnO)，镁锌氧化物(MgZnO)，钬(Ho)，氧化钛(TiO₂)，钛酸锶(SrTiO₃)，钌(Ru)/银(Ag)，钌(Ru)/金(Au)，银(Ag)/钌(Ru)，金(Au)/钌(Ru)，钌(Ru)/镍铁钼(NiFeMo)，钌(Ru)/镍钨(NiW)合金或其组合。

在本申请的一实施例中，所述晶态种子层22通过物理气相沉积工艺腔体中进行沉积。优选的，可以选择在高温条件下，例如：150℃～450℃之间，采用Ne⁺或Ar⁺的低Z离子进行溅射沉积。沉积之后，进行自然冷却到室温，或者进行超低温冷却，优选为100K或200K。

高温生长的较优效果为晶态种子层22具体相对较大晶粒尺寸；由于从溅射靶材反弹回来的低Z正离子具有较高的能量，能够使在沉积过程中，沉积表面的晶态种子层22原子发生再次溅射(Re-sputtering)而脱离表面或再次迁移到达体系能量最低的成核点，从而有力降低晶态种子层22的表面粗糙度。图2(a)和2(b)表示晶态种子层22具有不同大小和形状的晶粒22a，其具体结构由其形成材料和工艺条件决定。

在一些实施例中，可采用等离子工艺对所述晶态种子层22的表面进行平滑处理，以进一步降低其表面粗糙度。

在本申请的一实施例中，所述晶态种子层22的表面附加一层铂(Pt)或钯(Pd)，厚度为0.15奈米至2奈米。优选的，所述晶态种子层22的总厚度为1.0奈米至20奈米之间。

在本申请的一实施例中，所述非晶缓冲层21由钽(Ta),钛(Ti)，氮化钛(TiN)，氮化钽(TaN)，钨(W)，氮化钨(WN)，碳(C)，硅(Si),镓(Ga)，钴碳化合物(CoC)，钴铁碳化合物(CoFeC)，镍(Ni),铬(Cr),钴硼化合物(CoB)，铁硼化合物(FeB)，钴铁硼化合物(CoFeB)或其组合构成。优选的，所述非晶缓冲层21由钴铁硼(CoFeB)/钽(Ta)或钽(Ta)/钴铁硼(CoFeB)的两层结构形成。

在本申请的一实施例中，所述反铁磁层24的结构为[钴Co/铂Pt]_n钴Co或[铂Pt/钴Co]_n，钌(Ru)及/或铱(Ir)，[钴Co/铂Pt]_m或钴Co[铂Pt/钴Co]_m的依次向上叠加的三层结构，其中，n＞m≥0，优选的，单层的钴(Co)，铂(Pt)，钌(Ru)和/或铱(Ir)的厚度小于1奈米，优选的，钴(Co)和铂(Pt)的单层厚度在0.5奈米之下，比如：0.10奈米，0.15奈米，0.20奈米，0.25奈米，0.30奈米，0.35奈米，0.40奈米，0.45奈米或0.50奈米…等。在一些实施例中，所述反铁磁层24的每一层结构的厚度为相同或相异。

在本申请的一实施例中，所述自由层27上设置有覆盖层28，所述覆盖层28的材料为选自(镁Mg，氧化镁MgO，氧化镁锌MgZnO，氧化镁硼MgBO或氧化镁铝MgAlO其中之一)/(钨W，钼Mo，镁Mg，铌Nb，钌Ru，铪Hf，钒V,铬Cr或铂Pt其中之一)的双层结构，或是氧化镁MgO/(钨W，钼Mo或铪Hf其中之一)/钌Ru的三层结构，或是氧化镁/铂/(钨，钼或铪其中之一)/钌的四层结构。

在本申请的一实施例中，所述自由层27的材料为选自硼化钴(CoB)，硼化铁(FeB)，钴铁硼(CoFeB)单层结构，或是铁化钴(CoFe)/钴铁硼(CoFeB)，铁(Fe)/钴铁硼(CoFeB)的双层结构，或是钴铁硼(CoFeB)/(钽Ta，钨W，钼Mo或铪Hf其中之一)/硼化钴(CoB)，硼化铁(FeB)/(钽Ta，钨W，钼Mo或铪Hf其中之一)/钴铁硼(CoFeB)，钴铁硼(CoFeB)/(钽Ta，钨W，钼Mo或铪Hf其中之一)/钴铁硼(CoFeB)的三层结构，或是铁(Fe)/钴铁硼(CoFeB)/(钨W，钼Mo或铪Hf其中之一)/钴铁硼(CoFeB)，或铁化钴(CoFe)/钴铁硼(CoFeB)/(钨W，钼Mo或铪Hf其中之一)/钴铁硼(CoFeB)的四层结构其中之一，所述自由层27的厚度为1.2奈米至3.0奈米间。

在本申请的一实施例中，所述势垒层26的材料为选自氧化镁(MgO)，氧化镁锌(MgZnO)，氧化镁硼(MgB)或氧化镁铝(MgAlO)其中之一。优选的，可采用氧化镁。所述势垒层的厚度为0.6奈米至1.5奈米间。

在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的参考层25的材料为选自钴(Co)，铁(Fe，镍(Ni)，铁钴合金(CoFe)，硼化钴(CoB)，硼化铁(FeB)，钴铁碳合金(CoFeC)与钴铁硼合金(CoFeB)其中之一或及其组合，所述参考层25的厚度为0.5奈米至1.5奈米间。

在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的晶格隔断层24的材料为选自钨(W)，钼(Mo)，钽(Ta)、铪(Hf)、锆(Zr)、镁(Mg)、钛(Ti)与钌(Ru)其中之一或其组合，所述参考层25的厚度为0.1奈米至0.5奈米间。

在本申请的一实施例中，于所述磁性隧道结20进行退火工艺，以使得所述参考层25及所述自由层26在面心立方晶体结构势垒层26的模板作用下从非晶结构转变成体心立方堆积的晶体结构。

本申请磁性隧道结单元结构，其通过在非晶缓冲层沉积之后，反铁磁层沉积之前采用上述晶态种子层及其的生长工艺，能够导引反铁磁层形成具有强烈的面心立方结构和垂直各向异性，有助于实现具有面心立方晶体结构的反铁磁层到具有体心立方堆积参考层的晶格转换和铁磁耦合，有利于磁性隧道结单元在磁学，电学和良率的提升以及器件的缩微化。

“在本申请的一实施例中”及“在各种实施例中”等用语被重复地使用。此用语通常不是指相同的实施例；但它也可以是指相同的实施例。“包含”、“具有”及“包括”等用词是同义词，除非其前后文意显示出其它意思。

以上所述，仅是本申请的具体实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以具体实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构，设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结由上至下结构包括自由层、势垒层、参考层、晶格隔断层、反铁磁层与种子层，其特征在于，所述种子层包括：

第一种子层，为非晶缓冲层，由非晶态金属或合金形成；

第二种子层，为晶态种子层，设置于所述第一种子层上，由高负电性并且为面心立方结构的超晶格金属或合金材料形成；

其中，所述晶态种子层引导所述反铁磁层的生长而形成面心立方结构，所述晶格隔断层实现所述反铁磁层与所述参考层的晶格转换和强铁磁耦合。

2.如权利要求1所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述晶态种子层的材料选自[铜/铝]n复合多层膜，[铝/铜]n复合多层膜，[铜/铂]n复合多层膜，[铝/铂]n复合多层膜，铜铝合金，铜铂合金，铝铂合金，铜，铬,氧化镁，氧化铝,镁铝氧化物，氧化锌，镁锌氧化物，钬，氧化钛，钛酸锶，钌/银，钌/金，金/钌，金/钌，钌/镍铁钼，钌/镍钨合金或其组合。

3.如权利要求2所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述晶态种子层的厚度为1.0奈米至20奈米之间。

4.如权利要求2所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述晶态种子层通过物理气相沉积工艺腔体中进行沉积。

5.如权利要求4所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，在150℃～450℃之间，采用Ne⁺或Ar⁺的低Z离子进行溅射沉积。

6.如权利要求4所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，沉积之后，进行自然冷却到室温，或者进行超低温冷却，优选为100K或200K。

7.如权利要求2所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述晶态种子层的表面附加一层铂或钯，厚度为0.15奈米至2奈米。

8.如权利要求1所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，采用等离子工艺对所述晶态种子层的表面进行平滑处理。

9.如权利要求1所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述非晶缓冲层由钽,钛，氮化钛，氮化钽，钨，氮化钨，碳，硅,镓，钴碳化合物，钴铁碳化合物，镍,铬,钴硼化合物，铁硼化合物，钴铁硼化合物或其组合构成。

10.如权利要求1所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述非晶缓冲层由钴铁硼/钽或钽/钴铁硼的两层结构形成。

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