CN112635652B - 磁性随机存储器的磁性隧道结结构 - Google Patents

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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包括多层晶格转换层，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之间的晶格转换和强铁磁耦合，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。

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，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。在实际应用中,MRAM的数据保存能力还和参考层的稳定性强相关，通常采用反铁磁层来实现参考层的钉扎。反铁磁层通常含有两层具有强烈垂直各向异性的超晶格铁磁层，通过一层钌以实现双层超晶格铁磁层的反铁磁耦合。参考层外加反铁磁层的设计，可以降低漏磁场对自由层的影响，然而，在目前结构中，仍较难满足超小型MRAM器件对漏磁场的要求。
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，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)、晶格转换层(Crystal Transfer Layer，CTL)、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)与缓冲层(Buffer Layer；BL)，其中，所述晶格转换层包括：第一转换子层，即交换耦合保持层，由铁磁材料形成；第二转换子层，即非连续阻挡层，设置于所述第一转换子层上，由低电负性的金属材料、或其氧化物或氮化物形成,厚度为不足以形成连续原子层；第三转换子层，即中间磁耦合层，设置于所述第二转换子层上，由铁磁材料形成；以及，第四转换子层，即体心晶格促进层，设置于所述第三转换子层上，由高电负性的具有体心晶体结构的过渡金属形成；其中，所述磁性隧道结包括的四个晶格转换子层，进行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。
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，所述第一转换子层的材料为钴，所述第一转换子层的厚度为0.2纳米至0.5纳米间。
在本申请的一实施例中，所述第一转换子层沉积之后，通过加热工艺、冷凝工艺、辐照工艺与等离子工艺中至少其一进行后处理。
在本申请的一实施例中，所述加热工艺的温度范围为摄氏100度至400度之间。
在本申请的一实施例中，所述冷凝工艺的温度范围为摄氏-263度至0度之间。
在本申请的一实施例中，所述辐照工艺的波长为100纳米至～3000纳米之间。
在本申请的一实施例中，所述等离子工艺为反应离子刻蚀工艺、离子束刻蚀工艺或气体团簇离子束工艺。
在本申请的一实施例中，所述第二转换子层的低电负性的金属材料为X、XY、XZ或XYZ，其中，X为选自镁、钙、钪、钇、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、铝、锰、钌、铱、锇、锌、镓、铟、碳、硅、锗、锡、镧系稀土元素、锕系稀土元素其中之一或其组合，Y为氮，Z为氧，所述第二转换子层的厚度为不大于0.16纳米。
在本申请的一实施例中，所述第二转换子层的材料为钽，锆，铪与铌其中之一，所述第二转换子层的厚度为不大于0.10纳米，优选为不大于0.08纳米。
在本申请的一实施例中，所述第三转换子层的材料为选自钴，铁与镍其中之一或其组合，所述第三转换子层的厚度为0.3纳米至1.0纳米间。
在本申请的一实施例中，所述第四转换子层的材料为选自钨、钼、铼与锝其中之一，所述第四转换子层的厚度为0.1纳米至0.5纳米间。
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，或氧化镁/铂/(钨，钼或铪其中之一)/钌的四层结构的其中之一。
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，或是铁化硼/(钽，钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼，钴铁硼/(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，铁化钴/钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼，钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼/钴，或钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼/铁化钴的四层结构其中之一，所述自由层的厚度为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纳米至1.5纳米间。
在本申请的一实施例中，所述参考层的材料为选自钴、铁、镍、铁钴合金、硼化钴、硼化铁、钴铁硼合金、钴铁碳合金与钴铁硼碳合金其中之一或及其组合，所述参考层的厚度为0.5纳米至2.0纳米间。
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结的反铁磁层的材料为[钴/铂]n钴/(钌，铱或铑)/[钴/铂]m或[钴/钯]n钴/(钌，铱或铑)/[钴/钯]m的多层结构，其中，m≥0，单层的钴、钯、铂、钌、铱或铑的厚度小于1.0纳米。
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结的缓冲层的材料为选自钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、氮化钨、钌、钯、铬、氧、氮、钴化铬、镍化铬、硼化钴、硼化铁、钴铁硼或它们组合的多层结构。
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。
本申请通过多层晶格转换层的磁性隧道结单元结构，此种含有四层晶格转换层的磁性隧道结单元结构可以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之间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2为本申请实施例的晶格转换层的多层转换层结构示意图。
符号说明
10:底电极；20:磁性隧道结；21:缓冲层；22:反铁磁层；23:晶格转换层；24:参考层；25:势垒层；26:自由层；27:覆盖层；30:顶电极；231:第一转换子层；232:第二转换子层；233:第三转换子层；234:第四转换子层；
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2为本申请实施例的磁性隧道结单元结构的四层晶格转换层结构示意图。所述磁性存储单元结构至少包括底电极10、磁性隧道结20与顶电极30形成的多层结构。所述磁性隧道结20，由上至下结构包括自由层(Free Layer；FL)26、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)25、参考层(Reference Layer，RL)24、晶格转换层(Crystal Transfer Layer，CTL)23、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)22与缓冲层(Buffer Layer；BL)21(亦可为种子层，Seed Layer，SL)。
在本申请的一实施例中，所述晶格转换层23为叠加的多层结构，下至上分别视为第一转换子层231、第二转换子层232、第三转换子层233与第四转换子层234。
在一些实施例中，所述第一转换子层231即交换耦合保持层，由铁磁材料形成；所述第二转换子层232即非连续阻挡层，设置于所述第一转换子层上，由低电负性的金属材料、或其氧化物或氮化物形成,厚度为不足以形成连续原子层；所述第三转换子层即中间磁耦合层，设置于所述第二转换子层上，由铁磁材料形成；所述第四转换子层即体心晶格促进层，设置于所述第三转换子层上，由高电负性的具有体心晶体结构的过渡金属形成。
在一些实施例中，反铁磁层22为面心立方晶体结构，并与所述第一转换子层231相接；参考层24为体心立方晶格结构，并与所述第四转换子层234相接。
在一些实施例中，在所述磁性随机存储单元执行读或写作业期间，所述磁性隧道结20包括的四个晶格转换子层，进行所述反铁磁层22与所述参考层24之间的晶格转换和强铁磁耦合。
在本申请的一实施例中，第一转换子层231的材料为钴(Co)，第一转换子层231的厚度为0.2纳米至0.5纳米间。
在本申请的一实施例中，所述第一转换子层231沉积之后，通过加热工艺、冷凝工艺、辐照工艺与等离子工艺中至少其一进行后处理。
在本申请的一实施例中，所述加热工艺的温度范围为摄氏100度至400度之间。
在本申请的一实施例中，所述冷凝工艺的温度范围为摄氏-263度至0度之间。
在本申请的一实施例中，所述辐照工艺的波长为100纳米至～3000纳米之间。
在本申请的一实施例中，所述等离子工艺为反应离子刻蚀工艺、离子束刻蚀工艺或气体团簇离子束工艺。
在本申请的一实施例中，所述第二转换子层232的材料为X、XY、XZ或XYZ，其中，X可选自镁(Mg)、钙(Ca)、钪(Sc)、钇(Y)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、铝(Al)、锰(Mn)、钌(Ru)、铱(Ir)、锇(Os)、锌(Zn)、镓(Ga)、铟(In)、碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、镧系稀土元素、锕系稀土元素其中之一或其组合，Y为氮(N)，Z为氧(O)，第二转换子层232的厚度为不大于0.16纳米。
在本申请的一实施例中，所述第二转换子层232的材料为钽(Ta)、锆(Zr)、铪(Hf)与铌(Nb)其中之一，所述第二转换子层232的厚度为不大于0.10纳米，优选为不大于0.08纳米。
在本申请的一实施例中，所述第三转换子层233的材料可选自钴(Co)、铁(Fe)或镍(Ni)等金属其中之一或其组合,如钴铁(CoFe)、钴镍(CoNi)、铁镍(FeNi)或钴铁镍(CoFeNi)。第三转换子层233的厚度为0.3纳米至1.0纳米间，例如：0.4纳米、0.5纳米或0.6纳米，但不以此为限，端视设计需求而定。
在本申请的一实施例中，所述第四转换子层234的材料可选自钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)与锝(Tc)等金属其中之一，第四转换子层234厚度为0.1纳米至0.5纳米间。
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的缓冲层21的材料为选自钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、氮化钨、钌、钯、铬、氧、氮、钴化铬、镍化铬、硼化钴、硼化铁、钴铁硼或它们的组合的多层结构等。在一些实施例中，所述缓冲层21可选自钴铁硼/钽/铂，钽/钌，钽/铂，钽/铂/钌等多层结构其中之一，用以优化所述合成铁磁层(SyAF)22成型的晶体结构。
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的反铁磁层22的材料为[钴/铂]n钴/(钌，铱或铑)/[钴/铂]m或[钴/钯]n钴/(钌，铱或铑)/[钴/钯]m等多层结构，其中，m≥0，单层的钴、钯、铂、镍、钌、铱或铑的厚度小于1.0纳米。在一些实施例中，钴、钯、铂、镍、钌、铱或铑中任一者形成的单层厚度可以在0.5nm之下，比如：0.10nm，0.15nm，0.20nm，0.25nm，0.30nm，0.35nm，0.40nm，0.45nm或0.50nm等，但不以此为限，端视设计需求而定。
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的参考层24的材料为选自钴、铁、镍、铁钴合金、硼化钴、硼化铁、钴铁硼合金、钴铁碳合金与钴铁硼碳合金其中之一或及其组合，其厚度为0.5纳米至2.0纳米间。
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的势垒层25的材料为非磁性金属氧化物，其选自氧化镁、氧化镁锌、氧化镁硼或氧化镁铝等其中之一，其厚度为0.6纳米至1.5纳米间。
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结的自由层26具有可变磁极化的特性，所述自由层26的材料为选自硼化钴，硼化铁，钴铁硼等单层结构或是铁化钴/钴铁硼，铁/钴铁硼等双层结构，或是钴铁硼/(钽，钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼，钴铁硼/(钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼等三层结构，或是铁/钴铁硼/(钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼，铁化钴/钴铁硼/(钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼，钴铁硼/(钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼/钴，或是钴铁硼/(钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼/铁化钴等四层结构其中之一，其厚度为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，氧化镁，氧化镁锌，氧化镁硼或氧化镁铝等其中之一)/(钨，钼，镁，铌，钌，铪，钒，铬或铂等其中之一)双层结构，或是氧化镁/(钨，钼或铪等其中之一)/钌的三层结构，或是氧化镁/铂/(钨，钼或铪等其中之一)/钌六层结构的其中之一。
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，其温度不小于350℃，以使得所述参考层24及所述自由层26在氯化钠(NaCl)型面心立方晶体结构势垒层25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。
本申请的另一目的的一种磁性随机存储器架构，包括多个存储单元，每一储存单元设置于位线与字线相交的部位，每一存储单元包括：如先前所述的任一种磁性隧道结20；底电极，位于所述磁性隧道结20下方；以及，顶电极，位于所述磁性隧道结20上方。
在本申请的一实施例中，所述底电极10，磁性隧道结20及顶电极30皆使用物理气相沉积工艺完成。
在本申请的一实施例中，所述底电极10的材料为选自钛、氮化钛、钽、氮化钽、钌、钨、氮化钨等其中之一或及其组合。
在本申请的一实施例中，所述顶电极30的材料为选自钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、氮化钨等其中之一或及其组合。
在一些实施例中，所述底电极10在进行沉积成型之后，会将其进行平坦化处理，以达到制作磁性隧道结20的表面平整度。
本申请通过一种含有四层晶格转换层的磁性隧道结单元结构，此种含有四层晶格转换层的磁性隧道结单元结构可以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之间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 (4)

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、晶格转换层、反铁磁层与缓冲层，其特征在于，所述晶格转换层包括：
第一转换子层，即交换耦合保持层，由铁磁材料形成；
第二转换子层，即非连续阻挡层，设置于所述第一转换子层上，由低电负性的金属材料、或其氧化物或氮化物形成,厚度为不足以形成连续原子层；
第三转换子层，即中间磁耦合层，设置于所述第二转换子层上，由铁磁材料形成；以及
第四转换子层，即体心晶格促进层，设置于所述第三转换子层上，由高电负性的具有体心晶体结构的过渡金属形成；其中，所述磁性隧道结包括的四个晶格转换子层，进行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；
所述第一转换子层的材料为钴、钴铂合金或钴钯合金，所述第一转换子层的厚度为0.2纳米至0.5纳米间；所述第一转换子层沉积之后，通过加热工艺、冷凝工艺、辐照工艺与等离子工艺中至少其一进行后处理；所述加热工艺的温度范围为摄氏100度至400度之间；所述冷凝工艺的温度范围为摄氏-263度至0度之间；所述辐照工艺的波长为100纳米至～3000纳米之间；所述等离子工艺为反应离子刻蚀工艺、离子束刻蚀工艺或气体团簇离子束工艺；所述第二转换子层的低电负性的金属材料为X、XY、XZ或XYZ，其中，X为选自镁、钙、钪、钇、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、铝、锰、锇、锌、镓、铟、碳、硅、锗、锡、镧系稀土元素、锕系稀土元素的其中之一或其组合，Y为氮，Z为氧，所述第二转换子层的厚度为不大于0.16奈米。
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，所述第二转换子层的材料为钽、锆、铪与铌的其中之一或其组合，所述第二转换子层的厚度为不大于0.10奈米。
3.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，所述第三转换子层的材料为选自钴、铁与镍其中之一或其组合，所述第三转换子层的厚度为0.3奈米至1.0奈米间。
4.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，所述第四转换子层的材料为选自钨、钼、铼与锝其中之一，所述第四转换子层的厚度为0.1奈米至0.5奈米间。
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