CN112635649A - 磁性隧道结结构及磁性随机存储器 - Google Patents

磁性隧道结结构及磁性随机存储器 Download PDF

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CN112635649A CN201910950476.4A CN201910950476A CN112635649A CN 112635649 A CN112635649 A CN 112635649A CN 201910950476 A CN201910950476 A CN 201910950476A CN 112635649 A CN112635649 A CN 112635649A
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张云森
郭一民
肖荣福
陈峻
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Abstract

本申请提供一种磁性隧道结结构及其磁性随机存储器，所述磁性隧道结结构包括双层结构的自由层，两自由层之间由非磁性金属氧化物形成的垂直各向异性增强层，以及设置于自由层上方的磁阻尼阻挡层。本申请通过双自由层结合垂直各向异性增强层的磁性隧道结结构设计，增强了器件的热稳定性，降低了阻尼系数，有利于写电流的降低。

Description

磁性隧道结结构及磁性随机存储器
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隧道结结构及磁性随机存储器。
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一百八十度的翻转。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或者是热稳定性因子，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十年，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。
为了提高磁性随机存储器的存储密度，近年来，磁性隧道结的关键尺寸(CriticalDimension)越来越小。当尺寸进一步缩小时，会发现磁性隧道结的热稳定性因子(▽)急剧变差。为提升超小型MRAM单元器件的热稳定性因子(▽)，可以通过降低自由层的厚度，在自由层里添加或把自由层改为低饱和磁化率的材料等一些列措施来增加有效垂直有效各向异性能量密度，进而维持较高的热稳定性因子(▽)，但磁性隧道结的隧穿磁阻率(TunnelMagnetoresistance Ratio，TMR)将会降低，进而增加存储器读操作的错误率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种通过双层自由层设计与非磁性垂直各向异性增强层的磁性隧道结结构及磁性随机存储器。
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隧道结结构，其由上至下结构包括覆盖层(CappingLayer，CL)、磁阻尼阻挡层、自由层(Free Layer，FL)、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)、参考层(Reference Layer，RL)、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)与种子层(Seed Layer；SL)，其中，所述自由层包括：第一自由层，设置于所述势垒层上，所述第一自由层为可变磁极化层，由磁性金属合金或其化合物形成的单层或多层结构；垂直各向异性增强层，设置于所述第一自由层上，所述垂直各向异性增强层为非磁性金属或其氧化物形成；第二自由层，设置于所述垂直各向异性增强层上，所述第二自由层为可变磁极化层，由磁性金属合金或其化合物形成的单层或多层结构；其中，所述垂直各向异性增强层用于实现所述第一自由层与第二自由层的磁性耦合。
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，所述第一自由层的结构为[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz、[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz/钴1-w铁w、钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz或钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-y硼y]1- zMz/钴1-w铁w，[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz，[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz/钴1-w铁w，钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1- yCy]1-zMz或钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz/钴1-w铁w；其中，M为钼、钨、铬、钽、铪、钒、氮、硼、锆、锌、镁、铝或其组合，0％≤x≤100％，5％≤y≤30％，2％≤z≤20％，0％≤w≤100％，0％≤v≤100％，优选的，M为Mo,20％≤x≤100％,7％≤y≤17％，5％≤z≤15％。
进一步地，所述第一自由层的总厚度为0.5纳米至3.0纳米之间。
在本申请的一实施例中，所述第二自由层的结构为[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz、[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz/钴1-w铁w、钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz或钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-y硼y]1- zMz/钴1-w铁w，[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz，[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz/钴1-w铁w，钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1- yCy]1-zMz或钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz/钴1-w铁w；其中，M为钼、钨、铬、钽、铪、钒、氮、硼、锆、锌、镁、铝或其组合，0％≤x≤100％，5％≤y≤30％，2％≤z≤20％，0％≤w≤100％，0％≤v≤100％，优选的，M为Mo，20％≤x≤100％，7％≤y≤17％，5％≤z≤15％。
进一步地，所述第二自由层的总厚度为0.5纳米至3.0纳米之间。
在本申请的一实施例中，上述第一自由层与第二自由层的[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz的形成方式为在PVD工艺腔体中采用钴铁硼、铁硼、钴硼、钴铁碳、铁碳或钴碳合金靶与掺杂金属M靶共沉积的方式实现。
在本申请的一实施例中，所述垂直各向异性增强层由非磁性金属氧化物制成，所述非磁性金属氧化物包括由氧化镁、氧化锆、氧化锌、氧化铝、氧化镓、氧化钇、氧化鍶、氧化鈧、氧化鈦、氧化鉿、氧化釩、氧化铌、氧化钽、氧化铬、氧化钼、氧化钨、氧化钌、氧化锇、氧化鎝、氧化铼、氧化铑、氧化铱、氧化锡、氧化锑、镁锌氧化物、镁硼氧化物、镁铝氧化物或其组合，优选地，所述非磁性金属氧化物为氧化镁；所述垂直各向异性增强层的总厚度为0.3纳米至1.5纳米之间。
在本申请的一实施例中，所述势垒层由非磁性金属氧化物制成，所述非磁性金属氧化物包括由氧化镁、镁锌氧化物、镁硼氧化物、镁铝氧化物或其组合，优选地，所述非磁性金属氧化物为氧化镁。
在本申请的一实施例中，所述覆盖层的结构为钴铁硼合金、钴铁碳合金、钨、钼、镁、铌、钌、铪、钒、铬与铂中至少一者组成，优选的，所述覆盖层的结构为(钨、钼或铪)/钌，或者，所述覆盖层的结构为铂/(钨、钼或铪)/钌。
本申请另一目的为提供一种磁性随机存储器，其储存单元包括如前所述磁性隧道结结构中任一者，设置于所述磁性隧道结结构上方的顶电极，及设置于所述磁性隧道结结构下方的底电极。
本申请的磁性隧道结单元结构，其一，本申请中的双层自由层的结构，在热扰动或者外加磁场条件下，要想使自由层磁化矢量发生翻转，就必须提供大于双层自由层能量壁垒的能量，有助于提高热稳定性；其次，通过非磁性材质的垂直各向异性增强层，可以额外提供一个界面各向异性来源，增强了热稳定；其三，通过磁阻尼阻挡层调降整个膜层结构的阻尼系数，有助读写电流的降低；其四，第二自由层的增设，并不会影响到隧穿磁阻率；其五，通过双层自由层的设计，自由层整体的厚度能增加或维持，有利于在阻尼系数的降低，从而临界写电流并不会增加。
附图说明
图1为范例性的磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；
图2为本申请实施例磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图。
具体实施方式
请参照附图中的图式，其中相同的组件符号代表相同的组件。以下的说明是基于所例示的本申请具体实施例，其不应被视为限制本申请未在此详述的其它具体实施例。
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本申请可用以实施的特定实施例。本申请所提到的方向用语，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申请，而非用以限制本申请。
本申请的说明书和权利要求书以及上述附图中的述语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情形下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他譬的变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本申请说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本申请的概念。除非上下文中有明确不同的意义，否则，以单数形式使用的表达涵盖复数形式的表达。在本申请说明书中，应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本申请说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指代相同部分。
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，但是本申请不限于此。
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隧道结结构及其磁性随机存储器，其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。
图1为范例性磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图。所述磁性存储单元结构至少包括底电极(Bottom Electrode，BE)110、磁性隧道结(MTJ)200与顶电极(TopElectrode，TE)310形成的多层结构。
在一些实施例中，底电极110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；顶电极310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。所述磁性存储单元结构一般采用物理气相沉积(PVD)的方式实现，通常在底电极110沉积之后，都会对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道结200的表面平整度。
在一些实施例中，所述磁性隧道结200，由上至下结构包括覆盖层(CappingLayer，CL)290、磁阻尼阻挡层280、自由层(Free Layer；FL)260、势垒层(TunnelingBarrier Layer，TBL)250、参考层(Reference Layer，RL)240、晶格隔断层(CrystalBreaking Layer，CBL)230、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)220与种子层(Seed Layer；SL)210。
如图1所示，在一些实施例中，所述自由层260由钴铁硼合金、铁化钴/钴铁硼合金、铁/钴铁硼合金、或钴铁硼合金/(钽，钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼合金等单层或多层结构组成。为了提高磁性随机存储器的密度，磁性隧道结200的关键尺寸(Critical Dimension)做得越来越小。当尺寸进一步缩小时，会发现磁性隧道结200的热稳定性(ThermalStability Factor)急剧变差。对于超小尺寸的MRAM磁性存储单元而言，为了提高热稳定，通常可以降低自由层260的厚度，降低自由层260的饱和磁化率或者增加界面各向异性。如果降低自由层260的厚度，则隧穿磁阻率(Tunnel Magnetoresistance Ratio，TMR)将会降低，这将会增加读操作时候错误率；在厚度不变的条件下，在自由层260里添加或把自由层260改为低饱和磁化率的材料，同样会使隧穿磁阻率降低，不利于器件的读操作。
图2为本申请实施例磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图。现有技术请同时配合图1以利于理解。
如图2所示，在本申请的一实施例中，一种磁性隧道结结构200，其由上至下结构包括覆盖层(Capping Layer，CL)290、磁阻尼阻挡层280、自由层(Free Layer，FL)260、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)250、参考层(Reference Layer，RL)240、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)230、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)220与种子层(Seed Layer；SL)210，其中，所述自由层260包括：第一自由层260a，设置于所述势垒层250上，为可变磁极化层，所述第一自由层260a为可变磁极化层，由磁性金属合金或其化合物形成的单层或多层结构；垂直各向异性增强层270，设置于所述第一自由层260a上，所述垂直各向异性增强层270为非磁性金属或其氧化物形成；第二自由层260b，设置于所述垂直各向异性增强层270上，所述第二自由层260b为可变磁极化层，由磁性金属合金或其化合物形成的单层或多层结构；其中，所述垂直各向异性增强层用于实现所述第一自由层与第二自由层的磁性耦合。
在一些实施例中，所述第二自由层260b中的磁化矢量始终垂直于第一自由层260a界面，并与第一自由层260a中的磁化矢量平行。
在本申请的一实施例中，所述第一自由层260a的材料为[(钴Co1-x铁Fex)1-y硼By]1- zMz、[(钴Co1-x铁Fex)1-y硼By]1-zMz/钴Co1-w铁Few、钴Co1-v铁Fev/[(钴Co1-x铁Fex)1-y硼By]1-zMz或钴Co1-v铁Fev/[(钴Co1-x铁Fex)1-y硼By]1-zMz/钴Co1-w铁Few，[(钴Co1-x铁Fex)1-yCy]1-zMz，[(钴Co1-x铁Fex)1-yCy]1-zMz/钴Co1-w铁Few，钴Co1-v铁Fev/[(钴Co1-x铁Fex)1-yCy]1-zMz或钴Co1-v铁Fev/[(钴Co1-x铁Fex)1-yCy]1-zMz/钴Co1-w铁Few；其中，M为钼Mo、钨W、铬Cr、钽Ta、铪Hf、钒V、氮N、硼B、锆Zr、锌Zn、镁Mg、铝Al或其组合，0％≤x≤100％，5％≤y≤30％，2％≤z≤20％，0％≤w≤100％，0％≤v≤100％，优选的，M为钼Mo，20％≤x≤100％，7％≤y≤17％，5％≤z≤15％。
进一步地，所述第一自由层260a的总厚度为0.5纳米至3.0纳米之间。
在本申请的一实施例中，所述第二自由层260b的结构为[(钴Co1-x铁Fex)1-y硼By]1- zMz、[(钴Co1-x铁Fex)1-y硼By]1-zMz/钴Co1-w铁Few、钴Co1-v铁Fev/[(钴Co1-x铁Fex)1-y硼By]1-zMz或钴Co1-v铁Fev/[(钴Co1-x铁Fex)1-y硼By]1-zMz/钴Co1-w铁Few，[(钴Co1-x铁Fex)1-yCy]1-zMz，[(钴Co1-x铁Fex)1-yCy]1-zMz/钴Co1-w铁Few，钴Co1-v铁Fev/[(钴Co1-x铁Fex)1-yCy]1-zMz或钴Co1-v铁Fev/[(钴Co1-x铁Fex)1-yCy]1-zMz/钴Co1-w铁Few；其中，M为钼Mo、钨W、铬Cr、钽Ta、铪Hf、钒V、氮N、硼B、锆Zr、锌Zn、镁Mg、铝Al或其组合，0％≤x≤100％，5％≤y≤30％，2％≤z≤20％，0％≤w≤100％，0％≤v≤100％，优选的，M为钼Mo，20％≤x≤100％，7％≤y≤17％，5％≤z≤15％。
进一步地，所述第二自由层260b的总厚度为0.5纳米至3.0纳米之间。
在一些实施例中，上述第一自由层260a与第二自由层260b的[(钴Co1-x铁Fex)1-y硼By]1-zMz的形成方式为在PVD工艺腔体中采用钴铁硼CoFeB、铁硼FeB、钴硼CoB、钴铁碳CoFeC、铁碳FeC或钴碳CoC合金靶与掺杂金属M靶共沉积的方式实现。
进一步地，所述第一自由层260a及/或所述第二自由层260b沉积之后，可选用等离子工艺对其进行表面修饰或者选择性成分移除。
如前述，所述垂直各向异性增强层270，设置于所述第一自由层260a与所述第二自由层260b之间，所述垂直各向异性增强层270用于实现所述第一自由层260a与所述第二自由层260b的磁性耦合。
在本申请的一实施例中，所述垂直各向异性增强层270由非磁性金属氧化物制成，所述非磁性金属氧化物包括由氧化镁MgO、氧化锆ZrO2、氧化锌ZnO、氧化铝Al2O3、氧化镓GaO、氧化钇Y2O3、氧化鍶SrO、氧化鈧Sc2O3、氧化鈦TiO2、氧化鉿HfO2、氧化釩V2O5、氧化铌Nb2O5、氧化钽Ta2O5、氧化铬CrO3、氧化钼MoO3、氧化钨WO3、氧化钌RuO2、氧化锇OsO2、氧化鎝TcO、氧化铼ReO、氧化铑RhO、氧化铱IrO、氧化锡SnO、氧化锑SbO、镁锌氧化物MgZnO、镁硼氧化物MgBO、镁铝氧化物MgAlO或其组合，优选地，所述非磁性金属氧化物为氧化镁MgO。
在一些实施例中，所述垂直各向异性增强层270的厚度为0.3纳米至1.5纳米之间。
在沉积第二自由层260b之前，沉积垂直各向异性增强层270，提供一个界面各向异性的来源，从而增加了热稳定。
在本申请的一实施例中，所述磁阻尼阻挡层280的材料为选自镁Mg、锆Zr、锌Zn、铝Al、镓Ga、钇Y、锶Sr、钪Sc、钛Ti、钒V、铌Nb、铬Cr、锇Os、鎝Tc、铼Re、铑Rh、铱Ir、锡Sn、锑Sb、氧化镁MgO、氧化锆ZrO2、氧化锌ZnO、氧化铝Al2O3、氧化镓GaO、氧化钇Y2O3、氧化鍶SrO、氧化鈧Sc2O3、氧化鈦TiO2、氧化鉿HfO2、氧化釩V2O5、氧化铌Nb2O5、氧化钽Ta2O5、氧化铬CrO3、氧化钼MoO3、氧化钨WO3、氧化钌RuO2、氧化锇OsO2、氧化鎝TcO、氧化铼ReO、氧化铑RhO、氧化铱IrO、氧化锡SnO、氧化锑SbO、镁锌氧化物MgZnO、镁硼氧化物MgBO、镁铝氧化物MgAlO或其组合，优选地，所述磁阻尼阻挡层280的材料为氧化镁MgO，所述磁阻尼阻挡层280的厚度为0.5纳米至3.0纳米之间。进一步地，由于第二自由层260b之上的磁阻尼阻挡层280的加入，有效降低了整个膜层结构的阻尼系数，有利于写电流的降低。
在本申请的一实施例中，所述势垒层250由非磁性金属氧化物制成，所述非磁性金属氧化物包括由氧化镁MgO、镁锌氧化物MgZnO、镁硼氧化物Mg3B2O6、镁铝氧化物MgAl2O4或其组合，优选地，所述非磁性金属氧化物为氧化镁MgO。
请同时参阅图2，在本申请的实施例中，一种磁性随机存储器，其储存单元包括如前所述磁性隧道结200结构中任一者，设置于所述磁性隧道结200结构上方的顶电极310，及设置于所述磁性隧道结200结构下方的底电极110。
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结200的种子层210的材料为选自钛Ti，氮化钛TiN、钽Ta、氮化钽TaN、钨W、氮化钨WN、钌Ru、钯Pt、铬Cr、钴化铬CrCo、镍Ni、镍化铬CrNi、硼化钴CoB、硼化铁FeB、钴铁硼合金CoFeB等其中之一或及其组合。在一些实施例中，所述种子层210可选自钽Ta/钌Ru，钽Ta/铂Pt，钽Ta/铂Pt/钌Ru等多层结构其中之一。所述种子层210用以优化后续的反铁磁层220的晶体结构。
反铁磁层220，正式名称为反平行铁磁超晶格层(Anti-Parallel MagneticSupper-lattice)220也叫合成反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet，SyAF)。一般是由[钴Co/铂Pt]n钴Co/(钌Ru、铱Ir、铑Rh)、[钴Co/铂Pt]n钴Co/(钌Ru、铱Ir、铑Rh)/(钴Co、钴Co[钴Co/铂Pt]m)、[钴Co/钯Pd]n钴Co/(钌Ru、铱Ir、铑Rh)、[钴Co/铂Pt]n钴Co/(钌Ru、铱Ir、铑Rh)/(钴Co、钴Co[钴Co/铂Pt]m)、[钴Co/镍Ni]n钴Co/(钌Ru、铱Ir、铑Rh)或[钴Co/镍Ni]n钴Co/(钌Ru、铱Ir、铑Rh)/(钴Co，钴Co[镍Ni/钴Co]m)超晶格组成，其中，n≥m≥0，优选的，钴(Co)和铂(Pt)的单层厚度在0.5纳米之下，比如：0.10纳米，0.15纳米，0.20纳米，0.25纳米，0.30纳米，0.35纳米，0.40纳米，0.45纳米或0.50纳米…等。在一些实施例中，所述反铁磁层220的每一层结构的厚度为相同或相异。所述反铁磁层220具有很强的垂直各向异性(PMA)。
在本申请的一实施例中，参考层240在反铁磁层220的铁磁耦合下，具有磁极化不变性。参考层240的材料为选自钴Co，铁Fe，镍Ni，铁化钴CoFe，硼化钴CoB，硼化铁FeB，钴铁碳CoFeC与钴铁硼合金CoFeB其中之一或及其组合，所述参考层240的厚度为0.5纳米至1.5纳米间。
由于反铁磁层220具有面心立方(FCC)晶体结构，而参考层240的晶体结构为体心立方(BCC)，晶格并不匹配，为了实现从反铁磁层220到参考层240的过渡和铁磁耦合，一般会在两层材料之间添加一层晶格隔断层230，晶格隔断层230的材料为选自钽Ta、钨W、钼Mo、铪Hf、铁Fe、钴Co其中之一或其组合，组合包括但不限于钴Co(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)，铁Fe(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)，铁钴FeCo(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)或铁钴硼FeCoB(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)，所述晶格隔断层230的厚度为0.1纳米至0.5纳米间。
在一些实施例中，势垒层250为非磁性金属氧化物形成，其厚度为0.6纳米至1.5纳米之间，所述非磁性金属氧化物包括氧化镁MgO、镁锌氧化物MgZnO、氧化锌ZnO、氧化铝Al2O3、氮化镁MgN、镁硼氧化物Mg3B2O6或MgAl2O4。优选的，可采用氧化镁MgO。
在本申请的一实施例中，所述覆盖层290的结构为钴铁硼合金CoFeB、钴铁碳合金CoFeC、钨W、钼Mo、镁Mg、铌Nb、钌Ru、铪Hf、钒V、铬Cr与铂Pt中至少一者组成，优选的，所述覆盖层290的结构为(钨W、钼Mo或铪Hf)/钌Ru，或者，所述覆盖层290的结构为铂Pt/(钨W、钼Mo或铪Hf)/钌Ru。
在本申请的一实施例中，在所有膜层沉积之后，于所述磁性隧道结200进行退火工艺，其温度大于350℃，时间不小于30分钟，以使得所述参考层240、第一自由层260a和第二自由层260b从非晶相变为体心立方(BCC)的晶体结构。
本申请的磁性隧道结单元结构，第二自由层260b的磁化矢量始终垂直于第一自由层260a界面，并和第一自由层260a的磁化矢量平行，由于第二自由层260b和第一自由层260a呈现铁磁耦合，在热扰动或者外加磁场条件下，要想使第一自由层260a磁化矢量发生翻转，就必须提供大于第一自由层260a能量壁垒和第二自由层260b能量壁垒之和的能量。进一步的，第二自由层260b的加入并不会影响隧穿磁阻率。
更进一步地，第二自由层260b的设计维持或增加自由层260的整体厚度，有利于在阻尼系数(damping constant，α)的降低。而且，在选择第一自由层260a/第二自由层260b的耦合层和覆盖层的材料时候，可以优选阻尼系数低的材料，这样可以进一步降低了阻尼系数。在对器件进行写操作的时候，尽管热稳定性因子增加了，但是由于阻尼系数的降低，临界写电流并不会增加。
磁性随机存储器的自由层260保持磁化方向不变的能力叫做数据保存能力(DataRetention)或者热稳定性(Thermal Stability)。数据保存能力可以用下面的公式进行计算：
Figure BDA0002225629700000091
其中，τ为在热扰动条件下磁化矢量不变的时间，τ0为尝试时间(一般为1ns)，E为自由层的能量壁垒，kB为玻尔兹曼常数，T为工作温度。
热稳定性因子(Thermal Stability factor)则可以表示为如下的公式：
Figure BDA0002225629700000092
其中，Keff为自由层260的有效各向能量密度，V为自由层的体积，KV为体各向异性常数Ms为自由层饱和磁化率，Nz垂直方向的退磁化常数，t为自由层的厚度，Ki为界面各向异性常数，CD为磁性随机存储器的关键尺寸(即：自由层的直径)，As为刚度积分交换常数，k为自由层260翻转模式从磁畴翻转(即：Magnetization switching processed by“macro-spin”switching)到反向畴成核/长大(即：Magnetization switching processed bynucleation of a reversed domain and propagation of a domain wall)模式转变的临界尺寸。实验表明当自由层260的厚度较厚时表现为面内各向异性，较薄时，表现为垂直各向异性，KV一般可以忽略不计，而退磁能对垂直各向异性的贡献为负值，因此垂直各向异性完全来自界面效应(Ki)。
在一些实施例中，热稳定性因子亦受到静磁场-特别是来自于参考层240的漏磁场(Stray Field)的影响，结合静磁场施加在自由层260上的磁化方向的不同，而产生增强或减弱作用。
此外，随着磁性自由层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小，写操作的临界电流IC0和热稳定性强相关，其关系可以表达如下的公式：
Figure BDA0002225629700000101
其中，α为阻尼系数(damping constant)，h为约化普朗克常数，η为自旋极化率。由上述各公式可理解，第二自由层260b的加入并不会影响隧穿磁阻率。即使自由层260厚度增加，通过选取阻尼系数低的材料以降低阻尼系数，可增加热稳定性因子，而且临界写电流并不会增加。
本申请的磁性隧道结单元结构，其一，本申请中的双层自由层的结构，在热扰动或者外加磁场条件下，要想使自由层磁化矢量发生翻转，就必须提供大于双层自由层能量壁垒的能量，有助于提高热稳定性；其次，通过非磁性材质的垂直各向异性增强层，可以额外提供一个界面各向异性来源，增强了热稳定；其三，通过磁阻尼阻挡层调降整个膜层结构的阻尼系数，有助写电流的降低；其四，第二自由层的增设，并不会影响到隧穿磁阻率；其五，通过双层自由层的设计，自由层整体的厚度能增加或维持，有利于在阻尼系数的降低，从而临界写电流并不会增加。
“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覆盖层、磁阻尼阻挡层、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，所述自由层包括：
第一自由层，设置于所述势垒层上，所述第一自由层为可变磁极化层，由含非磁性掺杂元素的磁性金属合金或其化合物形成的单层或多层结构；
垂直各向异性增强层，设置于所述第一自由层上，所述垂直各向异性增强层为非磁性金属氧化物形成；
第二自由层，设置于所述垂直各向异性增强层上，所述第二自由层为可变磁极化层，由含非磁性掺杂元素的磁性金属合金或其化合物形成的单层或多层结构；以及
其中，所述垂直各向异性增强层用于实现所述第一自由层与第二自由层的磁性耦合。
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，所述第一自由层的结构为[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz、[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz/钴1-w铁w、钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz或钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz/钴1-w铁w，[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz，[(钴1-x铁x)1- yCy]1-zMz/钴1-w铁w，钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz或钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz/钴1-w铁w；其中，所述含非磁性掺杂元素M为钼、钨、铬、钽、铪、钒、氮、硼、锆、锌、镁、铝或其组合，0％≤x≤100％，5％≤y≤30％，2％≤z≤20％，0％≤w≤100％，0％≤v≤100％，优选的，M为Mo,20％≤x≤100％,7％≤y≤17％，5％≤z≤15％。
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，[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz的形成方式为在PVD工艺腔体中采用钴铁硼、铁硼、钴硼、钴铁碳、铁碳或钴碳合金靶与掺杂金属M靶共沉积的方式实现。
4.如权利要求3所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第一自由层的厚度为0.5纳米至3.0纳米之间。
5.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，所述第二自由层的结构为[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz、[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz/钴1-w铁w、钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz或钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz/钴1-w铁w，[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz，[(钴1-x铁x)1- yCy]1-zMz/钴1-w铁w，钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz或钴1-v铁v/[(钴1-x铁x)1-yCy]1-zMz/钴1-w铁w；其中，所述含非磁性掺杂元素M为钼、钨、铬、钽、铪、钒、氮、硼、锆、锌、镁、铝或其组合，0％≤x≤100％，5％≤y≤30％，2％≤z≤20％，0％≤w≤100％，0％≤v≤100％，优选的，M为Mo,20％≤x≤100％,7％≤y≤17％，5％≤z≤15％。
6.如权利要求5所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，[(钴1-x铁x)1-y硼y]1-zMz的形成方式为在PVD工艺腔体中采用钴铁硼、铁硼、钴硼、钴铁碳、铁碳或钴碳合金靶与掺杂金属M靶共沉积的方式实现。
7.如权利要求6所述磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第二自由层的厚度为0.5纳米至3.0纳米之间。
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，所述垂直各向异性增强层由非磁性金属氧化物制成，所述非磁性金属氧化物包括由氧化镁、氧化锆、氧化锌、氧化铝、氧化镓、氧化钇、氧化鍶、氧化鈧、氧化鈦、氧化鉿、氧化釩、氧化铌、氧化钽、氧化铬、氧化钼、氧化钨、氧化钌、氧化锇、氧化鎝、氧化铼、氧化铑、氧化铱、氧化锡、氧化锑、镁锌氧化物、镁硼氧化物、镁铝氧化物或其组合，优选地，所述非磁性金属氧化物为氧化镁；所述垂直各向异性增强层的总厚度为0.3纳米至1.5纳米之间。
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，所述势垒层由非磁性金属氧化物制成，所述非磁性金属氧化物包括由氧化镁、镁锌氧化物、镁硼氧化物、镁铝氧化物或其组合，优选地，所述非磁性金属氧化物为氧化镁。
10.一种磁性随机存储器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的磁性隧道结结构，设置于所述磁性隧道结结构上方的顶电极，及设置于所述磁性隧道结结构下方的底电极。
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