CN112951983A - Mtj器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种MTJ器件，包括：层叠设置的参考层、势垒层、自由层、反铁磁层、第一耦合层、自旋极化层和覆盖层，其中，所述参考层具有与所述参考层的平面大致垂直的固定磁化；所述自由层具有与所述自由层的平面大致垂直的磁化且磁化方向可在大致平行于所述参考层的磁化方向与大致反平行于所述参考层的磁化方向之间转换；所述自旋极化层具有与所述自旋极化层的平面大致垂直的固定磁化；所述反铁磁层和所述自由层接触，形成一反铁磁/铁磁界面。本发明能够降低MTJ器件的写电流同时保证器件稳定性。

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(Magnetic Tunnel Junctions，磁性隧道结)器件。MTJ器件主要由参考层、绝缘势垒层和自由层组成，其中，参考层的磁化方向固定，器件工作期间不发生翻转；自由层的磁化方向与参考层共线(平行或者反平行)。通过利用电子的自旋力矩，将自由层的磁化方向翻转，以实现参考层与自由层磁化方向平行或反平行，分别对应低电阻态(Rp)和高电阻态(Rap)，可以用来写入“0”和“1”。
研究表明，自由层翻转的难易直接影响MRAM的写入功耗。自由层容易翻转，则写入电流小，器件功耗低，但是有读扰动和器件稳定性差的问题；自由层难翻转，则器件稳定性高，但是写入电流大，功耗高，也会增加电流带动参考层翻转的风险。
因此，如何降低MTJ器件的写电流同时保证器件稳定性是本领域一个亟需解决的技术问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种MTJ器件，能够降低MTJ器件的写电流同时保证器件稳定性。
本发明提供一种MTJ器件，包括层叠结构，所述层叠结构包括：
参考层，所述参考层具有与所述参考层的平面大致垂直的固定磁化；
势垒层，所述势垒层位于所述参考层的一侧表面；
自由层，所述自由层位于所述势垒层远离所述参考层的一侧表面，所述自由层具有与所述自由层的平面大致垂直的磁化且磁化方向可在大致平行于所述参考层的磁化方向与大致反平行于所述参考层的磁化方向之间转换；
反铁磁层，所述反铁磁层位于所述自由层远离所述势垒层的一侧表面且与所述自由层接触；
第一耦合层，所述第一耦合层位于所述反铁磁层远离所述自由层的一侧表面且与所述反铁磁层接触；
自旋极化层，所述自旋极化层位于所述第一耦合层远离所述反铁磁层的一侧表面且与所述第一耦合层接触，所述自旋极化层具有与所述自旋极化层的平面大致垂直的固定磁化；
覆盖层，所述覆盖层位于所述自旋极化层远离所述第一耦合层的一侧表面且与所述自旋极化层接触。
可选地，所述反铁磁层的材料选自IrMn、CoO和NiO中的任意一种。
可选地，所述自旋极化层的材料选自Co、Fe、CoFeB、CoFe、CoB和FeB中的任意一种。
可选地，所述势垒层和所述覆盖层的材料选自MgO、HfO2、MgAlO和AlOx中的一种。
可选地，所述参考层和所述自由层的材料选自Co、Fe、CoFeB、CoFe、CoB和FeB中的任意一种。
可选地，所述第一耦合层的材料选自Cu、Pt和Ta中的一种及其合金。
可选地，所述层叠结构还包括第二耦合层和钉扎层，所述钉扎层位于所述参考层的远离所述势垒层的一侧表面，所述第二耦合层位于所述钉扎层和所述参考层之间。
可选地，所述第二耦合层的材料选自Ta、Ru、Ir和Cr中的任意一种。
所述钉扎层为[Co/Pd]n、[Co/Pt]n、[Co/Ni]n中的一种交替多层膜或多种交替多层膜组合，n为交替重复次数。
可选地，所述MTJ器件还包括底电极和顶电极，所述层叠结构位于所述底电极和所述顶电极之间。
可选地，所述底电极的材料选自Ta、Pt、W、Cu、Ti、TiN、TaN和Ru中的任意一种，所述顶电极的材料选自Ta、Al、Cu、Ti、TiN、TaN和Ru中的任意一种。
本发明提供的MTJ器件，在自由层上加入一层反铁磁层，形成一个反铁磁/铁磁(AFM/FM)界面，并通过自旋极化层提供自旋进动力，使得在自由层翻转时，除了有自旋转移力矩(STT)外，额外增加自旋进动力，从而降低自由层翻转的临界电流，也就降低了写电流。
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。
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。
实施例一
本发明一实施例提供一种MTJ器件，如图1所示，包括底电极100、顶电极110以及位于底电极100和顶电极110之间的层叠结构，底电极100的材料选自Ta、Pt、W、Cu、Ti、TiN、TaN和Ru中的任意一种，顶电极110的材料选自Ta、Al、Cu、Ti、TiN、TaN和Ru中的任意一种。该层叠结构包括：从下到上依次叠置的参考层101、势垒层102、自由层103、反铁磁层104、第一耦合层105、自旋极化层106和覆盖层107，其中，
所述参考层101具有与所述参考层101的平面大致垂直的固定磁化；所述自由层103具有与所述自由层103的平面大致垂直的磁化且磁化方向可在大致平行于所述参考层101的磁化方向与大致反平行于所述参考层101的磁化方向之间转换；所述自旋极化层106具有与所述自旋极化层106的平面大致垂直的固定磁化；即参考层101、自由层103和自旋极化层106，其磁化方向共线；
反铁磁层104和自由层103接触，形成的反铁磁/铁磁(AFM/FM)界面用于降低自由层翻转的临界电流。
具体地，反铁磁层104的材料为反铁磁材料，可以选择IrMn、CoO和NiO中的任意一种作为反铁磁层104的材料。
第一耦合层105的材料为非磁金属材料，可以选择Cu、Pt和Ta中的一种及其合金。
自旋极化层106的材料为磁性材料，可以采用Co、Fe、CoFeB、CoFe、CoB和FeB中的任意一种。
势垒层102和覆盖层107的材料选自MgO、HfO2、MgAlO和AlOx中的一种。
参考层101和自由层103的材料选自Co、Fe、CoFeB、CoFe、CoB和FeB中的任意一种。
对于普通结构的STT-MRAM，给MTJ施加写电流，当极化电流的抗阻尼力矩大于阻尼时，自由层的磁矩会开始偏离易轴方向，在铁磁共振频率下开始进动。对于含有铁磁/反铁磁耦合结构的MRAM，流经反铁磁层的自旋电流会产生自旋进动。当其与自由层的铁磁共振频率相匹配时，则会辅助自由层的翻转；当其与自由层的铁磁共振频率相差较大时，则会阻碍自由层的翻转。反铁磁层的振荡频率与流经反铁磁层的自旋电流的大小相关。需要注意的是：反铁磁层的电子振荡频率需要与自由层的共振频率相匹配，如此才能为极化电子提供“进动力”，否则反而会钉扎住自由层。因此，优化工艺使写电流下反铁磁层产生的电子振荡频率与自由层相匹配，辅助自由层翻转；而通常读电流要远小于写电流，此时的频率不匹配，反而阻碍自由层翻转，因而有助于增加数据保存时间，降低读扰动风险。
综上所述，本发明实施例提供的MTJ器件，在自由层上加入一层反铁磁层，形成一个反铁磁/铁磁(AFM/FM)界面，铁磁/反铁磁界面的耦合主要通过自旋电流提供进动力，自旋极化层主要是为反铁磁层提供自旋电流，将普通电流极化为自旋电流，因此，在自由层翻转时，除了有自旋转移力矩(STT)外，额外增加自旋进动力，从而降低自由层翻转的临界电流，也就降低了写电流。另外本发明还有助于增加数据保存时间，降低读扰动风险。
另外，通过势垒层和覆盖层，以MgO为例，该MTJ器件具有双MgO界面，能够增强器件的垂直磁各向异性(PMA)，提升TMR。
实施例二
本发明另一实施例提供一种MTJ器件，如图2所示，包括底电极200、顶电极210以及位于底电极200和顶电极210之间的层叠结构，底电极200的材料选自Ta、Pt、W、Cu、Ti、TiN、TaN和Ru中的任意一种，顶电极210的材料选自Ta、Al、Cu、Ti、TiN、TaN和Ru中的任意一种。该层叠结构包括：从下到上依次叠置的钉扎层201、第二耦合层202、参考层203、势垒层204、自由层205、反铁磁层206、第一耦合层207、自旋极化层208和覆盖层209，其中，
所述参考层203具有与所述参考层203的平面大致垂直的固定磁化；所述自由层205具有与所述自由层205的平面大致垂直的磁化且磁化方向可在大致平行于所述参考层203的磁化方向与大致反平行于所述参考层203的磁化方向之间转换；所述自旋极化层208具有与所述自旋极化层208的平面大致垂直的固定磁化；即参考层203、自由层205和自旋极化层208，其磁化方向共线；
反铁磁层206和自由层205接触，形成的反铁磁/铁磁(AFM/FM)界面用于降低自由层翻转的临界电流。
具体地，反铁磁层206的材料为反铁磁材料，可以选择IrMn、CoO和NiO中的任意一种作为反铁磁层206的材料。
第一耦合层207的材料为非磁金属材料，可以选择Cu、Pt和Ta中的一种及其合金。
自旋极化层208的材料为磁性材料，可以采用Co、Fe、CoFeB、CoFe、CoB和FeB中的任意一种。
势垒层204和覆盖层209的材料选自MgO、HfO2、MgAlO和AlOx中的一种。
参考层203和自由层205的材料选自Co、Fe、CoFeB、CoFe、CoB和FeB中的任意一种。
钉扎层201为[Co/Pd]n、[Co/Pt]n、[Co/Ni]n中的一种交替多层膜或多种交替多层膜组合，n为交替重复次数。通过钉扎层201提供对参考层203的钉扎作用。第二耦合层202的材料选自Ta、Ru、Ir和Cr中的任意一种，用于钉扎层201和参考层203之间形成反铁磁耦合。
实施例二相比于实施例一，增加了第二耦合层和钉扎层，用于实现参考层的钉扎作用，关于其他各层的功能，请参考实施例一的描述，此处不再赘述。
另外需要说明的是，实施例一和实施例二中的层叠结构的顺序可以上下颠倒，不影响MTJ器件的性能，也在本发明的保护范围之内。
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 (10)

1.一种MTJ器件，其特征在于，包括层叠结构，所述层叠结构包括：
参考层，所述参考层具有与所述参考层的平面大致垂直的固定磁化；
势垒层，所述势垒层位于所述参考层的一侧表面；
自由层，所述自由层位于所述势垒层远离所述参考层的一侧表面，所述自由层具有与所述自由层的平面大致垂直的磁化且磁化方向可在大致平行于所述参考层的磁化方向与大致反平行于所述参考层的磁化方向之间转换；
反铁磁层，所述反铁磁层位于所述自由层远离所述势垒层的一侧表面且与所述自由层接触；
第一耦合层，所述第一耦合层位于所述反铁磁层远离所述自由层的一侧表面且与所述反铁磁层接触；
自旋极化层，所述自旋极化层位于所述第一耦合层远离所述反铁磁层的一侧表面且与所述第一耦合层接触，所述自旋极化层具有与所述自旋极化层的平面大致垂直的固定磁化；
覆盖层，所述覆盖层位于所述自旋极化层远离所述第一耦合层的一侧表面且与所述自旋极化层接触。
2.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述反铁磁层的材料选自IrMn、CoO和NiO中的一种。
3.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述自旋极化层的材料选自Co、Fe、CoFeB、CoFe、CoB和FeB中的一种。
4.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述势垒层和所述覆盖层的材料选自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，所述参考层和所述自由层的材料选自Co、Fe、CoFeB、CoFe、CoB和FeB中的一种。
6.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述第一耦合层的材料选自Cu、Pt和Ta中的一种及其合金。
7.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述层叠结构还包括第二耦合层和钉扎层，所述钉扎层位于所述参考层的远离所述势垒层的一侧表面，所述第二耦合层位于所述钉扎层和所述参考层之间。
8.根据权利要求7所述的MTJ器件，其特征在于，所述第二耦合层的材料选自Ta、Ru、Ir和Cr中的任意一种；
所述钉扎层为[Co/Pd]n、[Co/Pt]n、[Co/Ni]n中的一种交替多层膜或多种交替多层膜组合，n为交替重复次数。
9.根据权利要求1所述的MTJ器件，其特征在于，所述MTJ器件还包括底电极和顶电极，所述层叠结构位于所述底电极和所述顶电极之间。
10.根据权利要求9所述的MTJ器件，其特征在于，所述底电极的材料选自Ta、Pt、W、Cu、Ti、TiN、TaN和Ru中的任意一种，所述顶电极的材料选自Ta、Al、Cu、Ti、TiN、TaN和Ru中的任意一种。
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Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4103315A (en) * 1977-06-24 1978-07-25 International Business Machines Corporation Antiferromagnetic-ferromagnetic exchange bias films
CN1564247A (zh) * 2004-04-15 2005-01-12 中国科学院物理研究所 一种共振隧穿型磁隧道结元件
CN101840993A (zh) * 2010-05-05 2010-09-22 北京科技大学 一种具有交换偏置效应的多层膜结构及其制作方法
CN102298961A (zh) * 2010-06-15 2011-12-28 索尼公司 存储装置
CN102832336A (zh) * 2012-08-28 2012-12-19 淮阴工学院 激光退火提高铁磁/反铁磁双层膜交换偏置场热稳定性方法
US20140061828A1 (en) * 2012-08-30 2014-03-06 Woo Chang Lim Magnetic memory devices
CN105609630A (zh) * 2016-02-01 2016-05-25 唐山市众基钢结构有限公司 一种铁磁-反铁磁薄膜异质结构、制备方法及磁存储设备
KR20160134598A (ko) * 2016-09-29 2016-11-23 고려대학교 산학협력단 자기 메모리 소자
CN106605311A (zh) * 2014-05-15 2017-04-26 海德威科技公司 减少阻障层电阻面积(ra)的产品与磁性装置应用的垂直磁性各向异性(pma)的保护
US10236075B1 (en) * 2017-12-21 2019-03-19 Spin Memory, Inc. Predicting tunnel barrier endurance using redundant memory structures
US20190165255A1 (en) * 2017-11-27 2019-05-30 Carnegie Mellon University Resonance rotating spin-transfer torque memory device
KR20190108686A (ko) * 2018-03-15 2019-09-25 고려대학교 산학협력단 저전력 테라헤르쯔 자기 나노 발진 소자

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4103315A (en) * 1977-06-24 1978-07-25 International Business Machines Corporation Antiferromagnetic-ferromagnetic exchange bias films
CN1564247A (zh) * 2004-04-15 2005-01-12 中国科学院物理研究所 一种共振隧穿型磁隧道结元件
CN101840993A (zh) * 2010-05-05 2010-09-22 北京科技大学 一种具有交换偏置效应的多层膜结构及其制作方法
CN102298961A (zh) * 2010-06-15 2011-12-28 索尼公司 存储装置
CN102832336A (zh) * 2012-08-28 2012-12-19 淮阴工学院 激光退火提高铁磁/反铁磁双层膜交换偏置场热稳定性方法
US20140061828A1 (en) * 2012-08-30 2014-03-06 Woo Chang Lim Magnetic memory devices
CN106605311A (zh) * 2014-05-15 2017-04-26 海德威科技公司 减少阻障层电阻面积(ra)的产品与磁性装置应用的垂直磁性各向异性(pma)的保护
CN105609630A (zh) * 2016-02-01 2016-05-25 唐山市众基钢结构有限公司 一种铁磁-反铁磁薄膜异质结构、制备方法及磁存储设备
KR20160134598A (ko) * 2016-09-29 2016-11-23 고려대학교 산학협력단 자기 메모리 소자
US20190165255A1 (en) * 2017-11-27 2019-05-30 Carnegie Mellon University Resonance rotating spin-transfer torque memory device
US10236075B1 (en) * 2017-12-21 2019-03-19 Spin Memory, Inc. Predicting tunnel barrier endurance using redundant memory structures
KR20190108686A (ko) * 2018-03-15 2019-09-25 고려대학교 산학협력단 저전력 테라헤르쯔 자기 나노 발진 소자

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