CN112635650A

CN112635650A - 磁性隧道结结构及其磁性存储器

Info

Publication number: CN112635650A
Application number: CN201910950478.3A
Authority: CN
Inventors: 张云森; 郭一民; 陈峻; 肖荣福
Original assignee: Shanghai Ciyu Information Technologies Co Ltd
Current assignee: Shanghai Ciyu Information Technologies Co Ltd
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2039-10-08
Also published as: CN112635650B

Abstract

本申请提供一种磁性隧道结结构及其磁性存储器，所述磁性隧道结结构包括双层结构的参考层、垂直各向异性增强层、与设置于两方之间的晶格传输层共同构成参考层。本申请中由于垂直各向异性增强层的引入增强了参考的稳定性，进而有利于自由层在平行态和反平行态时，热稳定性的提升。同时，由于可以增加参考层的厚度，垂直隧穿磁阻比例(TMR)/结电阻面积积(RA)得以提升，有助于磁性存储器在磁学、电学和良率的提升，以及器件的进一步缩微。

Description

磁性隧道结结构及其磁性存储器

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其磁性存储器。

背景技术

磁性存储器(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(Data Retention)或者是热稳定性因子(Thermal StabilityFactor)，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-volatileMemory，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。在实际应用中，在自旋平行或反平行的状态下，数据保存能力或热稳定性因子(▽)和参考层的稳定性具有强烈的正相关性，为了增强参考层(Reference Layer,RL)的稳定性，通常采用反铁磁层 (Synthetic Anti-Ferromagnetic Layer，SyAF)超晶格来实现参考层(Reference Layer，RL)的钉扎。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种通过双层参考层设计的磁性隧道结结构及其磁性存储器。

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)、自由层(Free Layer，FL)、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)、参考层(Reference Layer，RL)、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnetic Layer，SyAF)与种子层(Seed Layer；SL)，其中，所述参考层包括：垂直各向异性增强层(PerpendicularMagnetic Anisotropy Enhancement Layer，PMA-EL)，设置于所述反铁磁层上，由高电负性并且具有面心晶体结构的过渡金属材料或金属氧化物构成；晶格传输层(CrystalTransfer Layer，CTL)，设置于所述垂直各向异性增强层上，由具有体心晶体结构的过渡金属形成；第一参考层，设置于所述晶格传输层，由铁磁材料及其合金所形成；参考过渡层，设置于所述第一参考层上，由具有体心晶体结构的过渡金属形成；第二参考层，设置于所述参考过渡层，由铁磁材料及其合金所形成；其中，所述垂直各向异性增强层用以提供额外的界面各向异性来源，所述晶格传输层实现所述反铁磁层与所述参考层之间的晶格转换和强铁磁耦合，所述参考过渡层实现第一参考层和第二参考层之间的铁磁耦合。

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，所述垂直各向异性增强层的材料选自铱、铂、钯、氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化钽、镁铝氧化物或镁锌氧化物。所述垂直各向异性增强层的厚度为0.15纳米至1.2纳米

在本申请的一实施例中，所述晶格传输层的材料选自镁、铝、硅、镓、钪、钛、钒、铬、铜、锌、锗、锶、钇、锆、铌、钼、鎝、钌、铟、锡、锑、铪、钽或钨。所述晶格传输层的厚度为a，0≤a≤0.1纳米。

在本申请的一实施例中，所述第一参考层的材料为钴铁硼合金、钴硼合金、铁硼合金、钴铁碳合金、钴铁硼X合金、钴硼X合金或铁硼X合金，其中X为钼、钨、铬、钽、铪、钒、铌、锆、锌、镁、铝或其组合，所述第一参考层的厚度为b，0.4≤b≤1.5纳米；在合金中硼和碳的含量为10％～40％，所述第一参考层中X的含量小于15％。

在本申请的一实施例中，所述参考过渡层的材料为钨、钼、钽、铪、铬或铌，所述参考过渡层的厚度为c，0≤c≤0.6纳米。

在本申请的一实施例中，所述第二参考层的材料为钴铁硼合金、铁硼合金、钴铁合金、铁、钴铁硼合金/钴铁合金、铁硼合金/钴铁合金、钴铁硼合金/铁、或钴硼/铁，所述第二参考层的厚度为d，0.6≤d≤1.5纳米；在合金中硼的含量为10％～30％。

本申请另一目的为提供一种磁性存储器，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，由于垂直各向异性增强层的引入增强了参考的稳定性，进而有利于自由层在平行态和反平行态时，热稳定性的提升。同时，由于可以增加参考层的厚度，垂直隧穿磁阻比例(TMR)/结电阻面积积(RA)得以提升，有助于磁性存储器在磁学、电学和良率的提升，以及器件的进一步缩微化。

附图说明

图1为范例性的磁性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存储器的磁性存储单元结构示意图；

图3为本申请实施例参考层的多层结构示意图。

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”以及其它示例的变形，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)10、磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)20与顶电极(Top Electrode,TE)30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；顶电极30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10沉积之后，都会对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道结20的表面平整度。

在一些实施例中，磁性隧道结20由上至下结构包括覆盖层(Capping Layer，CL)27、自由层(Free Layer，FL)26、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)25、参考层(Reference Layer，RL)24、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)23、反铁磁层(Synthetic Anti- Ferromagnet Layer，SyAF)22与种子层(Seed Layer，SL)21。

如图1所示，所述反铁磁层22包括由下至上分别的设置有第一超晶格铁磁层(the1st Ferromagnet Supper-Lattice Layer,1^st FM-SL)221，反铁磁耦合层222与第二超晶格铁磁层(the 2nd Ferromagnet Supper-Lattice Layer,2^nd FM-SL)224。第一铁磁超晶格层221，由具有面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；反铁磁耦合层222，设置于所述第一铁磁超晶格层 221上，由可形成反铁磁耦合的金属材料形成；第二铁磁超晶格层223，设置于所述反铁磁耦合层222上，由具有面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；其中，所述反铁磁耦合层222结合所述第一铁磁超晶格层221与所述第二铁磁超晶格层223以进行铁磁超晶格层的反铁磁耦合，所述磁性隧道结20包括所述反铁磁层22与所述参考层24之间進行晶格转换和强铁磁耦合。

在具有垂直各向异性的磁性隧道结20中，自由层26的作用为存储信息，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”。在读取信息或者空置的时候，自由层26的磁化方向保持不变；在写的过程中，如果有与现有不同状态的信号输入的时候，那么自由层26的磁化方向将会在垂直方向上发生180度的翻转。磁性随机存储器的自由层26保持磁化方向不变的能力叫做数据保存能力(Data Retention)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：

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，k_B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：

其中，K_eff为自由层的有效各向能量密度，V为自由层的体积，K_V为体各向异性常数M_s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，K_i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)，A_s为刚度积分交换常数，k为自由层26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，K_V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(K_i)。

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24的漏磁场(Stray Field)的影响，结合静磁场施加在自由层26上的磁化方向的不同，而产生增强或减弱作用。

在一些实施例中，第一铁磁超晶格层221和第二铁磁超晶格层223皆具有强烈垂直各向异性，反铁磁耦合层222主要材料为钌Ru，其协助实现两层铁磁超晶格层的反铁磁耦合，业界把这种反铁磁耦合叫RKKY(Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida)耦合。其中，反铁磁耦合层(SyAF)222单位面积的能量密度J_RKKY为：

J_RKKY＝M_StH_RKKY (3)

其中，H_RKKY为RKKY反铁磁耦合场，H_RKKY越大，合成反磁铁(SyAF)越稳定。在一些实施例中，H_RKKY与反铁磁耦合层222，钌Ru的厚度具有强相关性，在0.3纳米至 2.0纳米的范围内，具有两个H_RKKY振荡峰。

在一些实施例中，通过晶格隔断层23，使得参考层24在退火后具有体心立方结构，并实现具有面心立方结构的第二铁磁超晶格层223和具有体心立方结构的参考层24的铁磁耦合。

由于反铁磁层22的存在，来自参考层24和合成反铁磁层22的漏磁场可以部分抵消，定量的，定义来自参考层24和合成反铁磁层22总的漏磁场为H_Stray：

其中，H_k ^eff为垂直有效各向异性场，H_k ^eff＝2(K_eff/(μ₀M_s))。进一步地，定义垂直于自由层26并且向上的磁化矢量为正，则垂直于自由层26向上的漏磁场为正。那么在自由层26和参考层24的磁化矢量在平行或反平行的情况下，其热稳定性因子可以分别表达为如下的方程式：

随着磁性自由层26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I_c0和热稳定性强相关，其关系可以表达如下的公式：

其中，α为阻尼系数(damping constant)，

为约化普朗克常数，η为自旋极化率。更进一步，在磁化平行和反平行的时候，临界电流可以分别表示为如下的表达式：

在这种情况下，可以通过漏磁场(Stray Field)的调控，来进一步地，对平行状态和反平行状态的磁性随机存储器的临界电流进行调控。

在一些实施例中，作为磁性随机存储器的核心存储单元的磁性隧道结20，还必须和 CMOS工艺相兼容，必须能够承受在400℃条件下的长时间退火。

就上述得知，虽然双层超晶格铁磁层的设计令磁性隧道结具有相对更强的漏磁场调控能力，但较难以调降漏磁场对自由层26的影响，“去铁磁耦合”的情形仍常产生。

图2为本申请实施例磁性存储器的磁性存储单元结构示意图；图3为本申请实施例参考层的多层结构示意图。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20，其由上至下结构包括覆盖层(Capping Layer，CL)27、自由层(Free Layer，FL)26、势垒层(Tunneling BarrierLayer，TBL)25、参考层(Reference Layer，RL)24、反铁磁层(Synthetic Anti-FerromagnetLayer，SyAF)22与种子层(Seed Layer；SL)21，其中，所述参考层24包括：垂直各向异性增强层(Perpendicular Magnetic Anisotropy Enhancement Layer，PMA-EL)241，设置于所述反铁磁层22上，由高电负性并且具有面心晶体结构的过渡金属材料或金属氧化物构成；晶格传输层(Crystal Transfer Layer，CTL)242，设置于所述垂直各向异性增强层241上，由具有体心晶体结构的过渡金属形成；第一参考层243，设置于所述晶格传输层242，由铁磁材料及其合金所形成；参考过渡层244，设置于所述第一参考层243上，由具有体心晶体结构的过渡金属形成；第二参考层245，设置于所述参考过渡层244，由铁磁材料及其合金所形成；其中，所述垂直各向异性增强层241用以提供额外的界面各向异性来源，所述晶格传输层242 实现所述反铁磁层22与所述参考层24之间的晶格转换和强铁磁耦合，所述参考过渡层244 实现第一参考层243和第二参考层245之间的铁磁耦合。

在本申请的一实施例中，所述垂直各向异性增强层241的材料选自铱、铂、钯、氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化钽、镁铝氧化物或镁锌氧化物。所述垂直各向异性增强层241 的厚度为0.15纳米至1.2纳米

在本申请的一实施例中，所述晶格传输层242的材料选自镁、铝、硅、镓、钪、钛、钒、铬、铜、锌、锗、锶、钇、锆、铌、钼、鎝、钌、铟、锡、锑、铪、钽或钨。所述晶格传输层242的厚度为a，0≤a≤0.1纳米。

在本申请的一实施例中，所述第一参考层243的材料为钴铁硼合金、钴硼合金、铁硼合金、钴铁碳合金、钴铁硼X合金、钴硼X合金或铁硼X合金，其中X为钼、钨、铬、钽、铪、钒、铌、锆、锌、镁、铝或其组合，所述第一参考层243的厚度为b，0.4≤b≤1.5纳米；在合金中硼和碳的含量为10％～40％，所述第一参考层243中X的含量小于15％。

在本申请的一实施例中，所述参考过渡层244的材料为钨、钼、钽、铪、铬或铌，所述参考过渡层244的厚度为c，0≤c≤0.6纳米。

在本申请的一实施例中，所述第二参考层245的材料为钴铁硼合金、铁硼合金、钴铁合金、铁、钴铁硼合金/钴铁合金、铁硼合金/钴铁合金、钴铁硼合金/铁、或钴硼/铁，所述第二参考层245的厚度为d，0.6≤d≤1.5纳米；在合金中硼的含量为10％～30％。

在本申请的一实施例中，在经过磁场初始化后，第二铁磁超晶格层223的磁化矢量和双层参考层(DRL)24的磁化矢量方向相同。

更进一步地，第一铁磁超晶格层221在垂直方向上的饱和磁矩为MS1*S1*t1，第二铁磁超晶格层223在垂直方向上的饱和磁矩为MS2*S2*t2，双层参考层(DRL)24在垂直方向上的饱和磁矩为MS3*S3*t3，通过改变每层材料的饱和磁化率(MS)和厚度(t)，来调控施加在自由层26之上的总的漏磁场(H_Stray)，从而达到进一步调控在磁化矢量平行和反平行状态下的热稳定因子，以及临界电流。以获得更好读，写和存储信息的能力。

再进一步地，第一铁磁超晶格层221，第二铁磁超晶格层223，参考层24的饱和磁矩满足以下的关系式：

一般来说α≤100％，进一步，可以降低第二铁磁超晶格层223的厚度，钴Co[铂Pt/钴Co]m或钴Co[钯Pd/钴Co]m(其中，0≤m≤2)，这样第二铁磁超晶格层223和双层参考层(DRL)24的磁矩之和极大的降低，非常有利于漏磁场(H_Stray)和写电流调的优化，非常有利于磁性随机存储器磁学、电学和良率的提升，以及器件的进一步缩微化。同时，由于双层参考层(DRL)24的加入，非常有利于垂直隧穿磁阻比例(Perpendicular TunnelMagnetoresistance Ratio,pTMR)/结电阻面积积(Resistance Area Product)的提升。

请同时参阅图2至图3，在本申请的实施例中，一种磁性存储器，其储存单元包括如前所述磁性隧道结20结构中任一者，设置于所述磁性隧道结20结构上方的顶电极30，及设置于所述磁性隧道结20结构下方的底电极10。

在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的种子层21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CoFeB等其中之一或及其组合。在一些实施例中，所述种子层21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。种子层21用以优化后续的反铁磁层22的晶体结构。

反铁磁层22，正式名称为反平行铁磁超晶格层(Anti-Parallel MagneticSupper- lattice)22也叫合成反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnetic，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22的每一层结构的厚度为相同或相异。所述反铁磁层22具有很强的垂直各向异性(PMA)。在一些实施例中，所述反铁磁层22亦适用前述结合铁磁超晶格层的多层结构。在一些实施例中，第一超晶格铁磁层221结构一般为[钴 Co/(铂Pt或钯Pd)]钴Co_n，其中，n≥2，钯Pd或铂Pt的厚度为0.1纳米至0.4纳米，钴Co 的厚度为0.15纳米至0.7纳米，每层铂Pt、钯Pd或钴Co的厚度可以相同也可以不相同。反铁磁耦合层222的材料可以是钌Ru，其厚度为0.3纳米至1.5纳米，可以选择RKKY第一振荡峰，也可以选择RKKY第二振荡峰。更进一步地，反铁磁耦合层222的材料也可以是铱Ir，其厚度为0.3纳米至0.6纳米，其对应为RKKY第一振荡峰。第二铁磁超晶格层 223结构一般为钴Co[(铂Pt或钯Pd)/钴Co]_m，其中，0≤m≤2，Pd或Pt的厚度为0.1纳米至 0.4纳米，钴Co的厚度为0.15纳米至0.7纳米，每层铂Pt，钯Pd或钴Co的厚度可以相同也可以不相同。

在一些实施例中，势垒层25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，所述自由层26具有可变磁极化，其材料为选自硼化钴CoB、硼化铁FeB、钴铁硼CoFeB的单层结构，或是铁化钴CoFe/钴铁硼CoFeB、铁Fe/钴铁硼CoFeB的双层结构，或是铁硼FeB/(钨W、钼Mo、钒V、铌Nb、铬Cr、铪Hf、钛 Ti、锆Zr、钽Ta、钪Sc、钇Y、锌Zn、钌Ru、锇Os、铑Rh、铱Ir、钯Pd和/或铂Pt)/钴铁硼CoFeB、钴铁硼CoFeB/(钨W、钼Mo、钒V、铌Nb、铬Cr、铪Hf、钛Ti、锆Zr、钽 Ta、钪Sc、钇Y、锌Zn、钌Ru、锇Os、铑Rh、铱Ir、钯Pd和/或铂Pt)/钴铁硼的三层结构，或是铁/钴铁硼/(钨W、钼Mo、钒V、铌Nb、铬Cr、铪Hf、钛Ti、锆Zr、钽Ta、钪 Sc、钇Y、锌Zn、钌Ru、锇Os、铑Rh、铱Ir、钯Pd和/或铂Pt)/钴铁硼、铁化钴/钴铁硼 /(钨W、钼Mo、钒V、铌Nb、铬Cr、铪Hf、钛Ti、锆Zr、钽Ta、钪Sc、钇Y、锌Zn、钌Ru、锇Os、铑Rh、铱Ir、钯Pd和/或铂Pt)/钴铁硼的四层结构；所述自由层26的厚度为 1.2纳米至3.0纳米间。

在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的覆盖层27的材料为选自(镁Mg，氧化镁MgO，氧化镁锌MgZnO，氧化镁硼Mg₃B₂O₆或氧化镁铝MgAl₂O₄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。在一些实施例中，选择氧化镁(MgO)能为自由层(FL)26提供了一个额外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，在所有膜层沉积之后，于所述磁性隧道结20进行退火工艺，其温度介于350℃与400℃之间，时间为90分钟，以使得所述参考层24和自由层26从非晶相变为体心立方(BCC)的晶体结构。

“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

1.一种磁性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、自由层、势垒层、参考层、反铁磁层与种子层，其特征在于，所述参考层包括：

垂直各向异性增强层，设置于所述反铁磁层上，由高电负性并且具有面心晶体结构的过渡金属材料或金属氧化物构成；

晶格传输层，设置于所述垂直各向异性增强层上，由具有体心晶体结构的过渡金属形成；

第一参考层，设置于所述晶格传输层，由铁磁材料及其合金所形成；

参考过渡层，设置于所述第一参考层上，由具有体心晶体结构的过渡金属形成；

第二参考层，设置于所述参考过渡层，由铁磁材料及其合金所形成；

其中，所述垂直各向异性增强层用以提供额外的界面各向异性来源，所述晶格传输层实现所述反铁磁层与所述参考层之间的晶格转换和强铁磁耦合，所述参考过渡层实现第一参考层和第二参考层之间的铁磁耦合。

2.如权利要求1所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述垂直各向异性增强层的材料选自铱、铂、钯、氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化钽、镁铝氧化物或镁锌氧化物。

3.如权利要求2所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述垂直各向异性增强层的厚度为0.15纳米至1.2纳米。

4.如权利要求1所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述晶格传输层的材料选自镁、铝、硅、镓、钪、钛、钒、铬、铜、锌、锗、锶、钇、锆、铌、钼、鎝、钌、铟、锡、锑、铪、钽或钨。

5.如权利要求4所述磁性隧道结结构，其特征在于，所述晶格传输层的厚度为a，0≤a≤0.1纳米。

6.如权利要求1所述磁性存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第一参考层的材料为钴铁硼合金、钴硼合金、铁硼合金、钴铁碳合金、钴铁硼X合金、钴硼X合金或铁硼X合金，其中X为钼、钨、铬、钽、铪、钒、铌、锆、锌、镁、铝或其组合，所述第一参考层的厚度为b，0.4≤b≤1.5纳米；在合金中硼和碳的含量为10％～40％，所述第一参考层中X的含量小于15％。

7.如权利要求1所述磁性存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述参考过渡层的材料为钨、钼、钽、铪、铬或铌，所述参考过渡层的厚度为c，0≤c≤0.6纳米。

8.如权利要求1所述磁性存储器的磁性隧道结结构，其特征在于，所述第二参考层的材料为钴铁硼合金、铁硼合金、钴铁合金、铁、钴铁硼合金/钴铁合金、铁硼合金/钴铁合金、钴铁硼合金/铁、或钴硼/铁，所述第二参考层的厚度为d，0.6≤d≤1.5纳米；在合金中硼的含量为10％～30％。

9.一种磁性存储器，其特征在于，包括如权利要求1-8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。