CN112750944A - 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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CN112750944A CN201911047775.3A CN201911047775A CN112750944A CN 112750944 A CN112750944 A CN 112750944A CN 201911047775 A CN201911047775 A CN 201911047775A CN 112750944 A CN112750944 A CN 112750944A
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张云森
郭一民
陈峻
肖荣福
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Abstract

本申请提供一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器，所述磁性隧道结结构包括多层结构的自由层，两自由层之间是由非磁性金属层形成的反铁磁耦合层。本申请通过反铁磁耦合层实现两自由层的反铁磁耦合，有效地增加总磁矩的垂直各向异性，并降低在自旋激化写电流下的翻转过程中出现的退磁场，从而能够在保证热稳定性条件下降低临界电流。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。

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，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，比如：应用于汽车电子领域，其数据保存能力要求是在125℃甚至150℃的条件下可以保存数据十至少年，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。
为了提升MRAM的存储密度，近年来，磁性隧道结的关键尺寸(CriticalDimension，CD)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，进而会增加存储器读操作的错误率。
美国专利号为8072800公开一种磁性隧道结，其将自由层260设计为多层结构，常规材料选择是铁磁耦合的双自由层结构FL1/M/FL2，其中FL1为铁磁性材料构成的第一自由层，FL2为铁磁性材料构成的第二自由层，M可选为Mn、Cr、V、Ru、Cu、Pt、Pd、Ta其中的一种过渡金属材料，M也可以选为MgO/Mn、MgO/Cr、MgO/V、MgO/Ta、MgO/Pd、MgO/Pt、MgO/Ru、MgO/Cu其中的一种氧化镁/过渡金属双层材料。同时该专利进一步描述，M的作用为(a)对FL1产生垂直各向异性，(b)对FL1和FL2产生两层材料之间的铁磁耦合(magnetic coupling)，即使得FL1和FL2两层铁磁材料的磁矩相互尽可能地平行。在磁性随机存储器的写过程中，自旋激化电流通过被选择磁性隧道结的自由层，产生自旋转移力矩，自由层的磁矩从一个垂直于平面的状态被翻转到方向相反的另一个垂直于平面的状态。其磁矩翻转经过平面的过程中，由于第一自由层与第二自由层的磁矩相互平行，将互相产生强烈的退磁场，阻碍磁矩均匀地翻转，导致临界写电流的增加。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种具有多层自由层结构设计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)、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，所述参考层为铁磁金属或其合金所形成，其磁化矢量垂直于薄膜平面且方向不变，所述势垒层为金属氧化物所形成，所述自由层的磁化矢量垂直于薄膜平面且方向可变，其包括：第一自由层，设置于所述势垒层上，所述第一自由层为具有垂直各向异性的可变磁极化层，由磁性金属合金或含非磁性插层的磁性金属合金形成的单层或多层结构形成；反铁磁耦合层，设置于所述第一自由层上，为可形成反铁磁耦合的非铁磁性金属所形成；第二自由层，设置于所述反铁磁耦合层上，所述第二自由层为具有垂直各向异性的可变磁极化层，由磁性金属合金或含非磁性插层的磁性金属合金形成的单层或多层结构形成；其中，所述反铁磁耦合层用于实现所述第一自由层与第二自由层的反铁磁耦合，使得所述第一自由层的磁化矢量与所述第二自由层的磁化矢量永远趋向反向平行，并为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性界面各向异性来源。在磁性随机存储器的写过程中，自旋激化电流通过被选择磁性隧道结的自由层，产生自旋转移力矩，自由层的磁矩从一个垂直于平面的状态被翻转到方向相反的另一个垂直于平面的状态。其磁矩翻转经过平面的过程中，由于第一自由层与第二自由层的磁矩相互反平行，其分别所产生的退磁场互相抵消，使得磁矩能够均匀地翻转，可以有效地降低临界写电流。
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，所述第一自由层的总厚度为0.8nm～2.5nm，其材料为CoFeB、CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB、CoFeB/Co、CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB/Co、FeBM、CoFeBM、Fe/FeBM、Fe/CoFeBM、FeBM/Co、CoFeBM/Co、Fe/FeBM/Co或Fe/CoFeBM/Co，在FeBM或CoFeBM中，M为低Z过渡金属，所述M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb或Mo，其含量为x，0≤x≤15％，B的含量不超过20％。
在本申请的一实施例中，所述反铁磁耦合层的总厚度为0.3nm～1.5nm，其材料为Ru、Ir、Rh、N/Ru、N/Ir、Ru/N、Ir/N、Rh/N、N/Ru/N、N/Ir/N或N/Rh/N，Ru的厚度为0.3nm～0.6nm或0.7nm～0.9nm，Ir的厚度为0.3nm～0.6nm，Rh的厚度为0.3nm～0.6nm，所述N为Pt、Pd或Ni，其厚度不超过0.20nm。进一步优化的一实施例中，所述反铁磁耦合层材料为N/Ru、N/Ir、Ru/N、Ir/N、N/Ru/N或N/Ir/N，所述N为Pt、Pd或Ni，调控其厚度，可以直接调控所述第一自由层和所述第二自由层之间的反铁磁耦合强度，取得最小临界写电流。
在本申请的一实施例中，所述第二自由层的总厚度为0.8nm～2.5nm，其材料为CoFeB、CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB、Co/CoFeB、Co/CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB、CoBM、CoFeBM、Co/CoBM、Co/CoFeBM，在CoBM或CoFeBM中，M为低Z过渡金属，所述M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb或Mo，其含量为x，0≤x≤15％，B的含量一般为20％～40％。
在本申请的一实施例中，所述第二自由层形成后，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。
在本申请的一实施例中，所述覆盖层包括第一覆盖子层和第二覆盖子层的双层结构；所述第一覆盖子层由金属氧化物制成，所述第二覆盖子层由非磁性金属制成。
在本申请的一实施例中，所述第一覆盖子层的厚度为0.6奈米至1.5奈米间，所述金属氧化物包括氧化镁、镁锌氧化物、氧化锌、氧化铝、氮化镁、镁硼氧化物或镁铝氧化物。
在本申请的一实施例中，所述第二覆盖子层由钨、锌、铝、铜、钙、钛、钒、铬、钼、镁、铌、钌、铪、铂或其合金或其组合的单层或多层材料等制成，其总厚度为0.5奈米至3.0奈米间。
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。
本申请另一目的为提供一种磁性随机存储器，其储存单元包括磁性隧道结结构，其结构为前述任一磁性隧道结结构中，参考层至覆盖层之间的各层相对位置的上下次序颠倒；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。
在本申请的一实施例中，在所述底电极、种子层、反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层和顶电极沉积之后，在不小于350℃的温度下进行至少30分钟的退火操作。
本申请的磁性隧道结单元结构，其通过反铁磁耦合层实现两自由层的反铁磁耦合，有效地增加总磁矩的垂直各向异性，并降低在自旋激化写电流下的翻转过程中出现的退磁场，从而能够在保证热稳定性条件下降低临界电流。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。
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2a与图2b为本申请实施例磁性隧道结结构及自由层磁矩矢量示意图；
图3a与图3b为本申请实施例磁性隧道结结构及自由层磁矩矢量示意图。
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、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(SyntheticAnti-Ferrimagnet 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CoFeB、铁钴合金FeCo/钴铁硼合金CoFeB、铁Fe/钴铁硼合金CoFeB、或钴铁硼合金CoFeB/(钽Ta，钨W，钼Mo或铪Hf其中之一)/钴铁硼合金CoFeB等单层或多层结构组成。其中，数据保存能力(Data Retention)可以用下面的公式进行计算：
Figure BDA0002254553380000071
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 BDA0002254553380000072
其中，Keff为自由层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，DMTJ为磁性随机存储器的关键尺寸(一般指自由层26的直径)，As为刚度积分交换常数，Dn为自由层翻转过程中反向核的尺寸(一般指反向核的直径)。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，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。
此外，随着自由层260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 BDA0002254553380000073
其中，α为阻尼系数(damping constant)，
Figure BDA0002254553380000074
为约化普朗克常数，η为自旋极化率。在增加热稳定性的同时，降低临界电流则变得异常重要。
为了成为pSTT-MRAM，MTJ中的自由层(FL)260必须有足够高的垂直各向异性(PMA)。一些实施例将自由层260设计为多层结构，常规材料选择是铁磁耦合的双自由层结构FL1/M/FL2，其中FL1为铁磁性材料构成的第一自由层260a，FL2为铁磁性材料构成的第二自由层260b，M为包括Ta、W、Mo等的一层薄的非磁性过渡金属材料。实际上，如果中间层M是氧化镁/过渡金属双层材料，FL1和FL2两层铁磁材料铁磁耦合将会非常微弱；如果中间层M是非磁性过渡金属单层材料，M则难以大幅度提高对FL1和FL2总磁矩的垂直各向异性，更多地只是利用了FL1和FL2产生两层材料之间的铁磁耦合，使得FL1的磁矩能够依赖F2而垂直于材料层面。其二，由于FL1和FL2两层铁磁材料的磁矩相互趋向平行状态，在自旋激化写电流的驱动下，FL1和FL2两个自由层的翻转是因退磁场的作用而相互抑制的，导致需要较大的写电流，或者较大的写功耗。
图2a与图2b为本申请实施例磁性隧道结结构及自由层磁矩矢量示意图。现有技术请同时配合图1以利于理解。
如图2a与图2b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、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-Ferrimagnet Layer，SyAF)220与种子层(Seed Layer；SL)210，其中，所述参考层240为铁磁金属或其合金所形成，其磁化矢量垂直于薄膜平面且方向不变，所述势垒层250为金属氧化物所形成，所述自由层260的磁化矢量垂直于薄膜平面且方向可变，其所述自由层260包括：第一自由层260a，设置于所述势垒层250上，所述第一自由层260a为具有垂直各向异性的可变磁极化层，由磁性金属合金或含非磁性插层的磁性金属合金形成的单层或多层结构形成；反铁磁耦合层270，设置于所述第一自由层260a上，为可形成反铁磁耦合的非铁磁性金属所形成；第二自由层260b，设置于所述反铁磁耦合层270上，所述第二自由层260b为具有垂直各向异性的可变磁极化层，由磁性金属合金或含非磁性插层的磁性金属合金形成的单层或多层结构形成；所述反铁磁耦合层270用于实现所述第一自由层260a与第二自由层260b的反铁磁耦合，使得所述第一自由层260a与所述第二自由层260b在垂直方向的磁化矢量永远趋向反向平行，并为所述自由层260提供一个额外的垂直各向异性界面各向异性来源。在磁性随机存储器的写过程中，自旋激化电流通过被选择磁性隧道结的自由层，产生自旋转移力矩，自由层260的磁矩从一个垂直于平面的状态被翻转到方向相反的另一个垂直于平面的状态。其磁矩翻转经过平面的过程中，由于第一自由层260a与第二自由层260b的磁矩相互反平行，其分别所产生的退磁场互相抵消，使得磁矩能够均匀地翻转，可以有效地降低临界写电流。
在本申请的一实施例中，所述第一自由层260a的总厚度为0.8nm～2.5nm，其材料为CoFeB、CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB、CoFeB/Co、CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB/Co、FeBM、CoFeBM、Fe/FeBM、Fe/CoFeBM、FeBM/Co、CoFeBM/Co、Fe/FeBM/Co或Fe/CoFeBM/Co，在FeBM或CoFeBM中，M为低Z过渡金属，所述M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb或Mo，其含量为x，0≤x≤15％，B的含量不超过20％。
在本申请的一实施例中，所述第二自由层260b的总厚度为0.8nm～2.5nm，其材料为CoFeB、CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB、Co/CoFeB、Co/CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB、CoBM、CoFeBM、Co/CoBM、Co/CoFeBM，在CoBM或CoFeBM中，M为低Z过渡金属，所述M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb或Mo，其含量为x，0≤x≤15％，B的含量一般为20％～40％。
在一些实施例中，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。
在本申请的一实施例中，所述反铁磁耦合层270，设置于所述第一自由层260a与所述第二自由层260b之间，总厚度为0.3nm～1.5nm，其材料为Ru、Ir、Rh、N/Ru、N/Ir、Ru/N、Ir/N、Rh/N、N/Ru/N、N/Ir/N或N/Rh/N，Ru的厚度为0.3nm～0.6nm或0.7nm～0.9nm，Ir的厚度为0.3nm～0.6nm，Rh的厚度为0.3nm～0.6nm，所述N为Pt、Pd或Ni，其厚度不超过0.20nm。进一步优化的一实施例中，所述反铁磁耦合层270材料为N/Ru、N/Ir、Ru/N、Ir/N、N/Ru/N或N/Ir/N，所述N为Pt、Pd或Ni，调控其厚度，可以直接调控所述第一自由层和所述第二自由层之间的反铁磁耦合强度，取得最小临界写电流。
在本申请的一实施例中，所述覆盖层290包括第一覆盖子层291和第二覆盖子层292的双层结构；所述第一覆盖子层291由金属氧化物制成，其厚度为0.6奈米至1.5奈米间，所述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或镁铝氧化物MgAl2O4；所述第二覆盖子层292由钨W、锌Zn、铝Al、铜Cu、钙Ca、钛Ti、钒V、铬Cr、钼Mo、镁Mg、铌Nb、钌Ru、铪Hf、铂Pt或其合金或其组合的单层或多层材料等制成，其总厚度为0.5奈米至10.0奈米间。
请同时参阅图2a至图2b，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。
请参阅图3a与图3b，图3a与图3b为本申请实施例磁性隧道结结构及自由层磁矩矢量示意图。在本申请的实施例中，一种磁性随机存储器，其储存单元包括磁性隧道结结构，其结构为前述任一磁性隧道结结构中，参考层240至覆盖层290之间的各层相对位置的上下次序颠倒；设置于所述磁性隧道结结构上方的顶电极310，及设置于所述磁性隧道结结构下方的底电极110。运作方式与前述相近，在此不赘述。
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。
反铁磁层220，正式名称为反平行铁磁超晶格层(Anti-ParallelMagneticSupper-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。所述参考层为铁磁金属或其合金所形成，其磁化矢量垂直于薄膜平面且方向不变。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25的厚度为0.5奈米至1.5奈米间。
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奈米至0.5奈米间。
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奈米至1.5奈米之间，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，在所有膜层沉积之后，于所述磁性隧道结200进行退火工艺，其温度不小于350℃，至少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在NaCl型结构FCC(001)势垒层25的模板作用下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，其通过反铁磁耦合层实现两自由层的反铁磁耦合，有效地增加总磁矩的垂直各向异性，并降低在自旋激化写电流下的翻转过程中出现的退磁场，从而能够在保证热稳定性条件下降低临界电流。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。
“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、自由层、势垒层、参考层，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，所述第一自由层为具有垂直各向异性的可变磁极化层，由磁性金属合金或含非磁性插层的磁性金属合金形成的单层或多层结构形成；
反铁磁耦合层，设置于所述第一自由层上，为可形成反铁磁耦合的非铁磁金属；以及
第二自由层，设置于所述反铁磁耦合层上，所述第二自由层为具有垂直各向异性的可变磁极化层，由磁性金属合金或含非磁性插层的磁性金属合金形成的单层或多层结构形成；
其中，所述反铁磁耦合层用于实现所述第一自由层与第二自由层的反铁磁耦合，使得所述第一自由层的磁化矢量与所述第二自由层的磁化矢量永远趋向反向平行，并为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性界面各向异性来源。
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，所述第一自由层的总厚度为0.8nm～2.5nm，其材料为CoFeB、CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB、CoFeB/Co、CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB/Co、FeBM、CoFeBM、Fe/FeBM、Fe/CoFeBM、FeBM/Co、CoFeBM/Co、Fe/FeBM/Co或Fe/CoFeBM/Co，在FeBM或CoFeBM中，M为低Z过渡金属，所述M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb或Mo，其含量为x，0≤x≤15％，B的含量不超过20％。
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，所述反铁磁耦合层的总厚度为0.3nm～1.5nm，其材料为Ru、Ir、Rh、N/Ru、N/Ir、N/Rh，Ru/N、Ir/N、Rh/N、N/Ru/N、N/Ir/N或N/Rh/N，Ru的厚度为0.3nm～0.6nm或0.7nm～0.9nm，Ir的厚度为0.3nm～0.6nm，Rh的厚度为0.3nm～0.6nm，所述N为Pt、Pd或Ni，其厚度不超过0.20nm。
4.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，所述第二自由层的的总厚度为0.8nm～2.5nm，其材料为CoFeB、CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB、Co/CoFeB、Co/CoFeB/(W，Mo，Ta，Hf)/CoFeB、CoBM、CoFeBM、Co/CoBM、Co/CoFeBM，在CoBM或CoFeBM中，M为低Z过渡金属，所述M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb或Mo，其含量为x，0≤x≤15％，B的含量一般为20％～40％。
5.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，在第二自由层制作完成后对其表面进行等离子体后处理工艺。
6.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，所述覆盖层包括第一覆盖子层和第二覆盖子层的双层结构；所述第一覆盖子层由金属氧化物制成，所述第二覆盖子层由非铁磁金属制成。
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，所述第一覆盖子层的厚度为0.6奈米至1.5奈米间，所述金属氧化物包括氧化镁、镁锌氧化物、氧化锌、氧化铝、氮化镁、镁硼氧化物或镁铝氧化物。
8.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，所述第二覆盖子层由钨、锌、铝、铜、钙、钛、钒、铬、钼、镁、铌、钌、铪、铂或其合金或其组合的单层或多层材料等制成，其总厚度为0.5奈米至3.0奈米间。
9.一种磁性随机存储器，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。
10.一种磁性随机存储器，其特征在于，包括含参考层至覆盖层的多层结构的磁性隧道结结构，所述参考层至覆盖层之间的结构为如权利要求1-8所述磁性隧道结中参考层至覆盖层之间的各层相对位置的上下次序颠倒，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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