CN112885960B - Mtj器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种MTJ器件，所述MTJ器件包括：依次层叠设置的固定层、绝缘势垒层和自由层，其中，所述固定层和所述自由层垂直磁化，所述自由层的厚度大于所述MTJ器件的直径，所述自由层包括层叠设置的第一自由层和第二自由层，所述第一自由层与所述绝缘势垒层接触，所述第二自由层位于所述第一自由层远离所述绝缘势垒层的一侧表面，所述第二自由层的磁阻尼系数小于0.002。本发明的MTJ器件具有较低的写入电流，可提升数据保存时间，同时可提升MRAM的存储密度。

Description

MTJ器件
技术领域
本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种MTJ器件。
背景技术
自旋转移力矩磁性随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory，简称STT-MRAM)是一种新型非易失存储器，其核心存储单元为MTJ器件。MTJ器件主要由固定层、绝缘势垒层和自由层组成，固定层的磁化方向保持不变，仅改变自由层的磁化方向使之与固定层处于平行或反平行，分别对应低电阻态(Rp)和高电阻态(Rap)，可以用来存储信息。
研究表明，垂直磁化的MTJ具有写可微缩性的优点，已被证实为开发STT-MRAM最合适的磁化构型。借助于磁性材料和非磁性材料界面处的垂直各向异性能来实现垂直磁化的MTJ，经过计算，当MTJ尺寸降低到10nm时，所需的垂直各向异性能在4mJ/m2左右，然而当前的最优材料体系CoFeB/MgO，即便利用双界面结构如MgO/CoFeB/MgO或MgO/CoFeB/HM，其中HM＝Mo、W、Hf等，垂直各向异性能也很难突破2.5mJ/m2。因此，借助于磁性材料和非磁性材料界面处的垂直各向异性能目前无法实现10nm以下超小直径的MTJ器件。
为保证MTJ器件微缩至10nm及以下尺寸，业界又提出了采用利用形状各向异性来获取垂直磁化的MTJ器件，以保证热稳定性。但是，随着MTJ器件尺寸的微缩，其临界翻转电流的密度急剧增大，并最终导致需要的写电流密度也随着尺寸降低显著增大。因此，如何降低超小直径MTJ器件的写电流又成为了急需解决的技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种MTJ器件，能够降低超小直径MTJ器件的写入电流。
本发明提供一种MTJ器件，所述MTJ器件包括：依次层叠设置的固定层、绝缘势垒层和自由层，其中，所述固定层和所述自由层垂直磁化，所述自由层的厚度大于所述MTJ器件的直径，所述自由层包括层叠设置的第一自由层和第二自由层，所述第一自由层与所述绝缘势垒层接触，所述第二自由层位于所述第一自由层远离所述绝缘势垒层的一侧表面，所述第二自由层的磁阻尼系数小于0.002。
可选地，所述MTJ器件的直径小于30nm。
可选地，所述第一自由层的材料选自Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的一种。
可选地，所述第二自由层采用单一的磁性层结构，所述磁性层结构的材料选自Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种，其中x取值0.5-0.75之间。
可选地，所述第二自由层采用磁性层与非磁性金属层的交替层叠结构，其中，所述磁性层的材料选自Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种，其中x取值0.5-0.75之间；所述非磁性金属层的材料选自Mo、Ir、Pt、W、Cr、Ta和Ru中的一种。
可选地，所述绝缘势垒层的材料选自MgO、HfO2、MgAlO和AlOx中的一种。
可选地，所述固定层包括参考磁性层和合成反铁磁结构，其中，所述参考磁性层的材料为Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的一种，所述合成反铁磁结构采用[Pt/Co]n1/耦合层/[Co/Pt]n2多层膜结构或者[Pd/Co]n3/耦合层/[Co/Pd]n4多层膜结构，其中n1、n2、n3和n4为正整数，所述耦合层选自Ru、Ir和Cr中的一种。
可选地，所述第一自由层与所述第二自由层之间还包括一层非磁性金属插入层，用于形成铁磁耦合。
可选地，所述非磁性金属插入层的材料选自Mo、Ir、Pt、W、Cr、Ta和Ru中的一种或几种的组合。
本发明提供的垂直磁化MTJ器件，自由层利用形状各向异性诱导该层磁化方向垂直膜面，从而得到垂直磁化的MTJ，可将MTJ直径微缩至10nm及以下，提高了存储密度。通过自由层的复合结构，第二自由层具有非常小的磁阻尼系数，能够降低翻转电流，从而降低了写入电流。同时MTJ器件具有良好的高温热稳定性。
附图说明
图1为本发明一实施例的MTJ器件的结构示意图；
图2为本发明另一实施例的MTJ器件的结构示意图；
图3为本发明又一实施例的MTJ器件的结构示意图；
图4为本发明实施例的MTJ器件的写入电流与自由层等效阻尼系数的关系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例提供一种MTJ器件，该MTJ器件为圆柱状且为超小直径的MTJ器件，器件直径小于30nm，例如可以取10nm，12nm，如图1所示，所述MTJ器件包括：依次层叠设置的固定层11、绝缘势垒层12和自由层13，其中，固定层11和自由层13垂直磁化，自由层13采用复合结构，包括层叠设置的第一自由层131和第二自由层132，第一自由层131位于绝缘势垒层12和第二自由层132之间，第一自由层131与绝缘势垒层12接触，自由层13的厚度大于MTJ器件的直径，这样能够通过形状各向异性诱导自由层垂直磁化，即第一自由层131和第二自由层132的厚度之和大于MTJ器件的直径，若第一自由层131的厚度记为t1，第二自由层132的厚度记为t2，MTJ器件的直径记为D，则t1+t2>D。同时，第一自由层131的厚度小于第二自由层132的厚度，t1<t2，第二自由层132的磁阻尼系数小于0.002。
本申请一个实施例中，MTJ器件直径为10nm，第一自由层的厚度取3nm，第二自由层的厚度取20nm。第一自由的厚度比较薄，用于与绝缘势垒层形成较好的界面，得到较高的TMR(隧道磁电阻)。而第二自由层的厚度需要根据数据保存时间和写电流而定。如果要求较高的数据保存时间，可以将第二自由层厚度继续做厚；如果要求较低的写入电流，可以将第二自由层厚度适当减小，只需满足自由层总厚度大于MTJ器件即可，这样保证可以得到垂直磁化的自由层。
进一步地，所述第二自由层132的结构和材料需要保证磁阻尼系数小于0.002，较低的磁阻尼系数能够降低MTJ的临界翻转电流。具体地，如图1所示，第二自由层132采用单一的磁性层结构，材料选自Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种，其中x取值为0.5-0.75之间。这些材料使得第二自由层132具有很低的磁阻尼系数，例如，第二自由层为Fe2CoSi，其磁阻尼系数为约0.001；第二自由层如果为Fe2Cr0.25Co0.75Si，其磁阻尼系数为8E-4。
所述第一自由层131的材料为CoFeB体系，可以选择Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的一种作为第一自由层131的材料。第一自由层131的磁阻尼系数大于0.004。
绝缘势垒层12的材料可以从MgO、HfO2、MgAlO和AlOx中选择一种，绝缘势垒层12的厚度介于0.4～1.2nm。绝缘势垒层12和第一自由层131利用传统的MgO/CoFeB体系较好的界面特性，能够保证该MTJ器件具有良好的TMR，TMR>150％以及自旋极化效应的特性，满足数据读取需求。
固定层11包括参考磁性层和合成反铁磁结构，参考磁性层的材料为Fe、Co、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任意一种，其厚度为2nm，合成反铁磁结构为[Pd(0.6)/Co(0.4)]8/Ir(0.4)/[Co(0.4)/[Pd(0.6)]4多层膜结构，或者采用[Pt(0.4)/Co(0.4)]4/Ru(0.4)/[Co(0.4)/[Pt(0.4)]2多层膜结构，其中括号内数值表示相应薄膜厚度，单位为nm。
可选地，所述第二自由层132还可以采用磁性层和非磁性金属层的交替层叠结构，有两种具体实现形式，例如采用(FM/NM)N的形式，或者(FM/NM)N-1FM的形式，其中，FM表示磁性层，NM表示非磁性金属层，下标N表示重复层叠的次数，要求FM靠近第一自由层131。本申请一个实施例中，FM的厚度为3nm，NM的厚度接近1nm，第二自由层132的总厚度为20nm。FM的磁阻尼系数要求小于0.002，材料为Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种，其中x取值为0.5-0.75之间。NM的材料为Mo、Ir、Pt、W、Cr、Ta和Ru中的一种。第二自由层132采用层叠结构，用于形成铁磁耦合，同时诱导出需要的结构。举例说明，如图2所示，第二自由层132为[FM/NM]6的结构，总厚度为20nm，其中FM层为Fe2Cr0.25Co0.75Si，其磁阻尼系数为8E-4，NM为Mo。
如图3所示，在图1的基础上，自由层13还包括一层非磁性金属插入层133，位于第一自由层131和第二自由层132之间，用于第一自由层131和第二自由层132形成铁磁耦合。
所述非磁性金属插入层133的材料选自Mo、Ir、Pt、W、Cr、Ta和Ru中的一种或几种的组合。
综上所述，本发明实施例提供的MTJ器件，首先作为超小直径器件，能够提升MRAM的存储密度，而且MTJ器件通过低磁阻尼系数的第二自由层能够降低MTJ的写入电流，同时整个自由层的厚度得到增加，可提升数据保存时间。
以下通过理论证明本专利的可实现性。
小尺寸MRAM需要降低RA(RA为MTJ器件的电阻面积乘积，用于反映MTJ器件中势垒层厚度的参数)以匹配MOS电路：MTJ的RA约为4ohm·um2(10nm对应电阻仍然为40k Ohm)，其BDV(BDV为MTJ器件的击穿电压)约为0.8V(DC)。
高密度存储对应的最小能量势垒Δ约为60，根据退磁能计算出所需最小复合自由层厚度20nm。
以MTJ CD为10nm进行计算，复合自由层厚度为23nm：其中第一自由层厚度3nm，第二自由层厚度20nm。
假设第一自由层的厚度为t1，磁阻尼系数(以下简述为阻尼系数)为α1，第二自由层的厚度为t2，磁阻尼系数为α2，
则整个自由层的等效阻尼系数α为：
Figure BDA0002295632410000071
进一步地，写电流密度Jc与α的关系表达式为：
Figure BDA0002295632410000072
上式中，Δ为热稳定因子，kB为玻尔兹曼常数，T为温度，η为约化普朗克常数，A为面积，η为极化率。
基于满足要求的Δ，计算出的写电流密度随阻尼系数的关系可以参考图4，另一方面，为保证MTJ的可擦写次数足够高，翻转电压Vc<0.5BDV是最低要求(根据统计分布，即Vc平均值+6*Vc sigma<0.5BDV，此处若假设Vc sigma/Vc平均值＝5％，则Vc平均值为约0.308V)，由此定义出Jc平均值为7.7MA/cm2。根据图4，满足要求的材料体系等效阻尼系数在0.003以下，此处第一自由层CoFeB的磁阻尼系数设为0.006，由此推出第二层自由层阻尼系数小于0.0025。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种MTJ器件，其特征在于，所述MTJ器件包括：依次层叠设置的固定层、绝缘势垒层和自由层，其中，所述固定层和所述自由层垂直磁化，所述自由层包括层叠设置的第一自由层和第二自由层，所述第一自由层与所述绝缘势垒层接触，所述第二自由层位于所述第一自由层远离所述绝缘势垒层的一侧表面，所述第一自由层和所述第二自由层的厚度之和大于所述MTJ器件的直径，所述第一自由层的厚度小于所述MTJ器件的直径，所述第二自由层的厚度大于所述MTJ器件的直径；
所述第二自由层的磁阻尼系数小于0.002，其结构采用单一的磁性层结构，所述磁性层结构的材料选自Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种，x取值0.5-0.75之间；或者采用磁性层与非磁性金属层的交替层叠结构，其中，所述磁性层的材料选自Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种，x取值0.5-0.75之间，所述非磁性金属层的材料选自Mo、Ir、Pt、W、Cr、Ta和Ru中的一种。
2.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述MTJ器件的直径小于30nm。
3.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述第一自由层的材料选自Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的一种。
4.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述绝缘势垒层的材料选自MgO、HfO2、MgAlO和AlOx中的一种。
5.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述固定层包括参考磁性层和合成反铁磁结构，其中，所述参考磁性层的材料为Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的一种，所述合成反铁磁结构采用[Pt/Co]n1/耦合层/[Co/Pt]n2多层膜结构或者[Pd/Co]n3/耦合层/[Co/Pd]n4多层膜结构，其中n1、n2、n3和n4为正整数，所述耦合层选自Ru、Ir和Cr中的一种。
6.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述第一自由层与所述第二自由层之间还包括一层非磁性金属插入层，用于形成铁磁耦合。
7.根据权利要求6所述的MTJ器件，其特征在于，所述非磁性金属插入层的材料选自Mo、Ir、Pt、W、Cr、Ta和Ru中的一种或几种的组合。
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