CN113013322B - 一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构 - Google Patents

一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构 Download PDF

Info

Publication number
CN113013322B
CN113013322B CN201911318304.1A CN201911318304A CN113013322B CN 113013322 B CN113013322 B CN 113013322B CN 201911318304 A CN201911318304 A CN 201911318304A CN 113013322 B CN113013322 B CN 113013322B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
field enhancement
enhancement layer
vertical anisotropic
anisotropic field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911318304.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113013322A (zh
Inventor
张云森
郭一民
麻榆阳
陈峻
肖荣福
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Information Technologies Co ltd
Original Assignee
Shanghai Information Technologies Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Information Technologies Co ltd filed Critical Shanghai Information Technologies Co ltd
Priority to CN201911318304.1A priority Critical patent/CN113013322B/zh
Publication of CN113013322A publication Critical patent/CN113013322A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113013322B publication Critical patent/CN113013322B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials

Landscapes

  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构，其特征在于自由层上方設有垂直各向异性场增强层，第一垂直各向异性场增强层为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性来源，从而增加其热稳定性；且透過第二垂直各向异性场增强层和第三垂直各向异性场增强层的平面晶向模板作用下，使第一垂直各向异性场增强层具有更好的结晶性能，从而增强自由层的垂直各向异性场。该磁性隧道结单元结构有利磁性随机存储器电路的读/写性能的提升，也常有利于其磁场免疫能力的提升，及非常有利制作超小型的磁性随机存储器。

Description

一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构
技术领域
本发明涉及具有垂直各向异性的磁性随机存储器领域，特别涉及一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构的领域。
背景技术
近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic Radom Access Memory，MRAM)被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性自由层(Free Layer，FL)，自由层可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘隧道势垒层(Tunnel Barrier Layer，TB)；磁性参考层(Reference Layer，RL)位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。
为能在这种磁电阻组件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)的磁性隧道结(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“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，那么自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生一百八十度的翻转。业界把这种空置状态之下，磁性存储器的自由层保持磁化方向不变得能力叫做数据保存能力(Data Retention)或热稳定性因子(Thermal StabilityFactor)。
在不同的应用场景中要求不一样。对于一个典型的非易失存储器，比如：应用于汽车电子领域，其热稳定性的要求是在125℃甚至150℃的条件下至少保存数据十年。
为了实现逻辑“0”或“1”的快速写入，一般写入时要求写电流密度(J)要大于临界电流密度(Jc0)。其中，
写入的时间为tpw，则为：
写电流(J)超过临界电流(Jc0)的部分与临界电流的比值为j，j＝J/Jc0-1。
其中，α为磁阻尼系数，为约化普朗克常数，Ms为自由层的饱和磁化率，t为自由层的有效厚度，HK为垂直有效各向异性场，kB为玻尔兹曼常数，T为温度，η自旋极化率，γ为旋磁比，Δ为磁性隧道到结(MTJ)的热力学稳定因子，τrelax弛豫时间，θ0为自由层磁化矢量初始化角。
在快速缓冲存储器中，比如：作为静态随机存取存储器(SRAM)的替代者，则需要磁性随机存储器(MRAM)有与SRAM相匹配的读写速度。
另外，作为磁性随机存储器(MRAM)的核心存储单元的磁性隧道结(MTJ)还必须和CMOS工艺相兼容，必须能够承受在350℃或更高温条件下的长时间退火；同时，还需要MRAM的磁存储单元具有较强的磁场免疫能力(Magnetic Immunity)。
近年来，磁性隧道结的关键尺寸(Critical Dimension，CD)越来越小，为了和CMOS电路的阻抗相匹配，结电阻面积(Resistance Area Product，RA)也越来越小，并同时要求保持相对较高的隧穿磁阻率(Tunnel Magnetoresistance Ratio，TMR)，以保证较高的读取速度，变的异常困难。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构，其特征在于自由层上方設有垂直各向异性场增强层，所述垂直各向异性场增强层的结构由下而上依序为第一垂直各向异性场增强层、第二垂直各向异性场增强层和第三垂直各向异性场增强层的结构所组成；第一垂直各向异性场增强层为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性来源，从而增加其热稳定性；且透過第二垂直各向异性场增强层和第三垂直各向异性场增强层的平面晶向模板作用下，使第一垂直各向异性场增强层具有更好的结晶性能，从而增强自由层的垂直各向异性场。该磁性隧道结单元结构有利磁性随机存储器电路的读/写性能的提升，也常有利于其磁场免疫能力的提升，及非常有利制作超小型的磁性随机存储器。
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。一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构，磁性隧道结包括由下而上层叠设置的种子层、合成反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层，其特征在于，所述自由层上方設有垂直各向异性场增强层，所述垂直各向异性场增强层的结构由下而上依序为第一垂直各向异性场增强层、第二垂直各向异性场增强层和第三垂直各向异性场增强层的结构所组成；所述第一垂直各向异性场增强层为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性来源，从而增加其热稳定性；且透過所述第二垂直各向异性场增强层和第三垂直各向异性场增强层的平面晶向模板作用下，使第一垂直各向异性场增强层具有更好的结晶性能，从而增强自由层的垂直各向异性场。
在本申请的实施例中，所述第一垂直各向异性场增强层的组成材料为MgO，MgOx，其中x<1，所述第一垂直各向异性场增强层的厚度为0.2nm～0.8nm。所述第一垂直各向异性场增强层的材料为MgO，其形成采用对MgO陶瓷靶进行溅射沉积的方式实现；或所述第一覆盖层的材料为MgO，其形成方式通过先对Mg金属靶材进行溅射沉积，再对溅射沉积的Mg薄膜进行氧化以形成MgO。MgOx形成方式先对Mg金属靶材进行溅射沉积，然后再对溅射沉积的Mg薄膜进行氧化以形成MgOx的方式实现。
在本申请的实施例中，所述第二垂直各向异性场增强层的材料为具有密排六方(HCP)结构的Co，Tc，Ru，Re，Os，Ir，Co1-yFey，Tc1-yCoy，Tc1-yFey，Tc1-y(CoFe)y，Ru1-yCoy，Ru1- yFey，Ru1-y(CoFe)y，Re1-yCoy，Re1-yFey，Re1-y(CoFe)y，Os1-yCoy，Os1-yFey，Os1-y(CoFe)y，Ir1- yCoy，Ir1-yFey，Ir1-y(CoFe)y，[Tc/Co]m，[Tc/CoFe]m，[Tc/Fe]m，[Co/Tc]m，[CoFe/Tc]m，[Fe/Tc]m，[Ru/Co]m，[Ru/CoFe]m，[Ru/Fe]m，[Co/Ru]m，[CoFe/Ru]m，[Fe/Ru]m，[Re/Co]m，[Re/CoFe]m，[Re/Fe]m，[Co/Re]m，[CoFe/Re]m，[Fe/Re]m，[Os/Co]m，[Os/CoFe]m，[Os/Fe]m，[Co/Os]m，[CoFe/Os]m，[Fe/Os]m，其中y不大于20％，0≤m≤5，所述第二垂直各向异性场增强层的厚度为0.4nm～5.0nm。
在本申请的实施例中，所述第三垂直各向异性场增强层的组成材料为MgO、ZnO、Al2O3、MgAl2O4、Mg3B2O6、MgSi2O4、MgZnO4、AlN、AlON、SrTiO3、CoFe2O4、NiFe2O4、MoO2、RuO2、VO2、CrO2、NbO2、WO2、ReO2、OsO2、IrO2、PtO2、V3O5、Ti3O5、TiO、VO、NbO、LaO、NdO、SmO、EuO、SrO、BaO、NiO、LiTi2O4、LiV2O4、Fe3O4、ReO3、CaCrO3、SrCrO3、BaMoO3、SrMoO3、CaMoO3、LaCuO3、CaRuO3、SrVO3、BaTO3、Ti2O3、V2O3、Rh2O3、TiO2、SnO2、Cu2O、Ag2O、In2O3、WO3、TaO2或它们的组合组成，所述第三垂直各向异性场增强层的厚度为0.4nm～3.0nm。
在本申请的实施例中，进一步所述垂直各向异性场增强层上方设有扩散势垒层，扩散势垒层主要作用在于防止后续电极层中的元素扩散到垂直各向异性场增强层。所述扩散势垒层的材料为Zr、Nb、Ti、V、Cr、W、Hf、Mo、Tc、Y其中之一或它们的组合，所述扩散势垒层的厚度为z，其中0.0<z≤8.0nm。进一步所述扩散势垒层上方设有刻蚀阻挡层作为后续刻蚀的刻蚀阻挡，刻蚀阻挡层的材料为Ir，Ru其中之一或它们的组合，所述刻蚀阻挡层厚度为1.0nm～10.0nm。
本发明透过磁性隧道结垂直各向异性场增强层结构，不会影响隧穿磁阻率(TMR)，可以提供较高的保存稳定性，而且降低磁性隧道结的阻尼系数，增加热稳定性因子，同时也可以使临界电流有效的降低，有利于MRAM电路读取/写入性能的提升，也具有较强的磁场免疫能力。应用本发明的磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器也和CMOS工艺相兼容，能够经受得住400℃下的长时间退火，非常有利制作超小型的磁性随机存储器。
附图说明
图1为本发明实施例的磁性随机存储器存储单元结构示意图。
符号说明
10︰底电极，20︰磁性隧道结，21︰种子层，22︰合成反铁磁层，23︰晶格隔断层，24︰参考层，25︰势垒层，26︰自由层，27︰垂直各向异性场增强层，271︰第一垂直各向异性场增强层，272︰第二垂直各向异性场增强层，273︰第三垂直各向异性场增强层，28︰扩散势垒层，29︰刻蚀阻挡层，30︰顶电极。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明的实施例中，提供了一种提升磁性隧道结自由层垂直各向异性的覆盖层结构单元，在磁性随机存储器(MRAM)磁性隧道结多层膜的物理气相沉积(Physical VaporDeposition，PVD)的过程中，在不隔断真空的条件下，如图1所示，一个完整的磁性随机存储单元一般包括了底电极(Bottom Electrode，BE)10，磁性隧道结(MTJ)20和顶电极(TopElectrode，TE)30。所有沉积工艺在物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)工艺腔体中完成。
其中，所述底电极(BE)10组成材料为Ti，TiN，Ta，TaN，Ru，W，WN或者它们的组合材料制成，一般采用物理气相沉积(PVD)的方式实现，通常在沉积之后，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；所述顶电极(TE)30组成材料为Ta，TaN，TaN/Ta，Ti，TiN，TiN/Ti，W，WN，WN/W或者它们的组合等制成。
更具体地，本發明所述磁性隧道结(MTJ)20内部按照种子层(Seed Layer，SL)21，合成反铁磁层(Synthetic Anti-Ferrimagnet，SyAF)22，晶格隔断层(Crystal BreakingLayer，CBL)23，参考层(RL)24，势垒层(TB)25，自由层(FL)26，垂直各向异性场增强层27，扩散势垒层28和刻蚀阻挡层29的多层结构依次向上沉积叠加。
其中，所述种子层21由Ta、Ti、TiN、TaN、W、WN、Ru、Pt、Ni、Cr、NiCr、CrCo、CoFeB，CoFeC或其组合材料制成；更进一步地，所述种子层21由Ta/Ru、CoFeB/Ta/Ru，CoFeB/Ta/Ru/Pt，CoFeB/Ta/Ru/Pt，Ta/Pt，Ta/Pt/Ru的多层结构制成，以优化后续的反平行铁磁超晶格层22的晶体结构。
其中，所述合成反铁磁层22具有[Co/Pt]nCo/Ru、[Co/Pt]nCo/Ir、[Co/Pt]nCo/Ru/Co、[Co/Pt]nCo/Ir/Co、[Co/Pt]nCo/Ru/Co[Pt/Co]m或[Co/Pt]nCo/Ir/Co[Pt/Co]m超晶格结构，其中，n>m≥1，所述合成反铁磁层220具有很强的垂直各向异性(PMA)。
所述参考层24在合成反铁磁层22的铁磁耦合下，具有磁极化不变性，所述参考层24其组成材料一般为Co，Fe，Ni，CoFe，CoFeB或它们的组合等制成实施上由于合成反铁磁层22具有面心立方(FCC)晶体结构，而参考层24的晶体结构为体心立方(BCC)，两层的晶格并不匹配，为了实现从合成反铁磁层22到参考层24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23，所述晶格隔断层23其组成材料一般为Ta，W，Mo，Hf，Fe，Co(Ta，W，Mo或Hf)，Fe(Ta，W，Mo或Hf)，FeCo(Ta，W，Mo或Hf)或FeCoB(Ta，W，Mo或Hf)等。
所述势垒层25由非磁性金属氧化物制成，所述非磁性金属氧化物包括MgO，MgZnO，MgBO，MgAlO或它们组合，更优地可以选择MgO。
所述自由层26具有可变磁极化，自由层26一般由CoFeB、CoFe/CoFeB、Fe/CoFeB，CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB，Fe/CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB或CoFe/CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB等组成。自由层26更进一步地可以选择CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB，Fe/CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB或CoFe/CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB结构。以图示中的自由层26结构为例进行说明，在本领域中一般自由层26由CoFeB/(W，Mo，V，Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd，Pt)/CoFeB结构表示自由层26为三层结构所形成。更进一步地，可以选择性的，采用等离子工艺在自由层沉积之后，对其进行表面等离子体处理，以进行表面修饰或选择性移除。
所述自由层26上方設有垂直各向异性场增强层27，所述垂直各向异性场增强层27的结构由下而上依序为第一垂直各向异性场增强层271、第二垂直各向异性场增强层272和第三垂直各向异性场增强层273的结构所组成；所述第一垂直各向异性场增强层271为所述自由层26提供一个额外的垂直各向异性来源，从而增加其热稳定性；且透過所述第二垂直各向异性场增强层272和第三垂直各向异性场增强层273的平面晶向模板作用下，使第一垂直各向异性场增强层271具有更好的结晶性能，从而增强自由层26的垂直各向异性场。
所述第一垂直各向异性场增强层271的组成材料为MgO，MgOx，其中x<1，所述第一垂直各向异性场增强层271的厚度为0.2nm～0.8nm。MgO其形成采用对MgO陶瓷靶进行溅射沉积的方式实现；或所述第一覆盖层的材料为MgO，其形成方式通过先对Mg金属靶材进行溅射沉积，再对溅射沉积的Mg薄膜进行氧化以形成MgO。MgOx形成方式先对Mg金属靶材进行溅射沉积，然后再对溅射沉积的Mg薄膜进行氧化以形成MgOx的方式实现。
所述第二垂直各向异性场增强层272的材料为具有密排六方(HCP)结构的Co，Tc，Ru，Re，Os，Ir，Co1-yFey，Tc1-yCoy，Tc1-yFey，Tc1-y(CoFe)y，Ru1-yCoy，Ru1-yFey，Ru1-y(CoFe)y，Re1-yCoy，Re1-yFey，Re1-y(CoFe)y，Os1-yCoy，Os1-yFey，Os1-y(CoFe)y，Ir1-yCoy，Ir1-yFey，Ir1-y(CoFe)y，[Tc/Co]m，[Tc/CoFe]m，[Tc/Fe]m，[Co/Tc]m，[CoFe/Tc]m，[Fe/Tc]m，[Ru/Co]m，[Ru/CoFe]m，[Ru/Fe]m，[Co/Ru]m，[CoFe/Ru]m，[Fe/Ru]m，[Re/Co]m，[Re/CoFe]m，[Re/Fe]m，[Co/Re]m，[CoFe/Re]m，[Fe/Re]m，[Os/Co]m，[Os/CoFe]m，[Os/Fe]m，[Co/Os]m，[CoFe/Os]m，[Fe/Os]m，其中y不大于20％，0≤m≤5，所述第二垂直各向异性场增强层272的厚度为0.4nm～5.0nm。
所述第三垂直各向异性场增强层273的组成材料为MgO、ZnO、Al2O3、MgAl2O4、Mg3B2O6、MgSi2O4、MgZnO4、AlN、AlON、SrTiO3、CoFe2O4、NiFe2O4、MoO2、RuO2、VO2、CrO2、NbO2、WO2、ReO2、OsO2、IrO2、PtO2、V3O5、Ti3O5、TiO、VO、NbO、LaO、NdO、SmO、EuO、SrO、BaO、NiO、LiTi2O4、LiV2O4、Fe3O4、ReO3、CaCrO3、SrCrO3、BaMoO3、SrMoO3、CaMoO3、LaCuO3、CaRuO3、SrVO3、BaTO3、Ti2O3、V2O3、Rh2O3、TiO2、SnO2、Cu2O、Ag2O、In2O3、WO3、TaO2或它们的组合组成，所述第三垂直各向异性场增强层273的厚度为0.4nm～3.0nm。
所述垂直各向异性场增强层27上方设有扩散势垒层28，扩散势垒层28主要作用在于防止后续电极层(顶电极30)中的元素扩散到垂直各向异性场增强层27，甚至自由层26等。所述扩散势垒层28的材料为Zr、Nb、Ti、V、Cr、W、Hf、Mo、Tc、Y其中之一或它们的组合，所述扩散势垒层28的厚度为z，其中0.0<z≤8.0nm。所述扩散势垒层28上方设有刻蚀阻挡层29作为后续刻蚀的刻蚀阻挡，刻蚀阻挡层29的材料为Ir，Ru其中之一或它们的组合，所述刻蚀阻挡层29厚度为1.0nm～10.0nm。
进一步地，在所述底电极10、种子层21、合成反铁磁层22、晶格隔断层23、参考层24、势垒层25、自由层26、垂直各向异性场增强层27、扩散势垒层28、刻蚀阻挡层29和顶电极30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，以使得参考层(RL)24和自由层(FL)26在NaCl型结构FCC(001)势垒层(TBL)25的模板作用下从非晶结构转变成BCC(001)的晶体结构。
本发明透过磁性隧道结垂直各向异性场增强层结构，，不会影响隧穿磁阻率(TMR)，可以提供较高的保存稳定性，而且降低磁性隧道结的阻尼系数，增加热稳定性因子，同时也可以使临界电流有效的降低，有利于MRAM电路读取/写入性能的提升，也具有较强的磁场免疫能力。应用本发明的磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器也和CMOS工艺相兼容，能够经受得住400℃下的长时间退火，非常有利制作超小型的磁性随机存储器。。
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 (6)

1.一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构，磁性隧道结包括由下而上层叠设置的种子层、合成反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层，其特征在于，所述自由层上方設有垂直各向异性场增强层，所述垂直各向异性场增强层的结构由下而上依序为第一垂直各向异性场增强层、第二垂直各向异性场增强层和第三垂直各向异性场增强层的结构所组成；所述第一垂直各向异性场增强层为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性来源，从而增加其热稳定性；且透过所述第二垂直各向异性场增强层和第三垂直各向异性场增强层的平面晶向模板作用下，使第一垂直各向异性场增强层具有更好的结晶性能，从而增强自由层的垂直各向异性场；所述垂直各向异性场增强层上方设有扩散势垒层，所述扩散势垒层主要作用在于防止后续电极层中的元素扩散到所述垂直各向异性场增强层；所述扩散势垒层上方设有刻蚀阻挡层作为后续刻蚀的刻蚀阻挡；
所述第一垂直各向异性场增强层的组成材料为MgO或MgOx，其中x<1，所述第一垂直各向异性场增强层的厚度为0.2nm～0.8nm；所述第二垂直各向异性场增强层的材料为具有密排六方结构的Tc，Ru，Re，Os，Ir，Tc1-yCoy，Tc1-yFey，Tc1-y(CoFe)y，Ru1-yCoy，Ru1-yFey，Ru1-y(CoFe)y，Re1-yCoy，Re1-yFey，Re1-y(CoFe)y，Os1-yCoy，Os1-yFey，Os1-y(CoFe)y，Ir1-yCoy，Ir1-yFey，Ir1-y(CoFe)y，[Tc/Co]m，[Tc/CoFe]m，[Tc/Fe]m，[Co/Tc]m，
[CoFe/Tc]m，[Fe/Tc]m，[Ru/Co]m，[Ru/CoFe]m，[Ru/Fe]m，[Co/Ru]m，[CoFe/Ru]m，
[Fe/Ru]m，[Re/Co]m，[Re/CoFe]m，[Re/Fe]m，[Co/Re]m，[CoFe/Re]m，[Fe/Re]m，
[Os/Co]m，[Os/CoFe]m，[Os/Fe]m，[Co/Os]m，[CoFe/Os]m，[Fe/Os]m，其中y不大于20％，0≤m≤5，所述第二垂直各向异性场增强层的厚度为0.4nm～5.0nm；所述第三垂直各向异性场增强层的组成材料为ZnO、MgAl2O4、Mg3B2O6、MgSi2O4、MgZnO4、AlN、AlON、SrTiO3、CoFe2O4、NiFe2O4、MoO2、RuO2、CrO2、NbO2、WO2、ReO2、OsO2、IrO2、PtO2、NbO、LaO、NdO、SmO、EuO、SrO、BaO、NiO、LiTi2O4、LiV2O4、Fe3O4、ReO3、CaCrO3、SrCrO3、BaMoO3、SrMoO3、CaMoO3、LaCuO3、CaRuO3、SrVO3、BaTO3、Rh2O3、SnO2、Cu2O、Ag2O、In2O3、WO3、TaO2或它们的组合组成，所述第三垂直各向异性场增强层的厚度为0.4nm～3.0nm。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结单元结构，其特征在于，所述第一垂直各向异性场增强层的材料为MgO，其形成采用对MgO陶瓷靶进行溅射沉积的方式实现。
3.根据权利要求1所述的磁性隧道结单元结构，其特征在于，所述第一垂直各向异性场增强层的材料为MgO，其形成方式通过先对Mg金属靶材进行溅射沉积，再对溅射沉积的Mg薄膜进行氧化以形成MgO。
4.根据权利要求1所述的磁性隧道结单元结构，其特征在于，所述第一垂直各向异性场增强层的材料为MgOx，其中x<1，MgOx形成方式先对Mg金属靶材进行溅射沉积，再对溅射沉积的Mg薄膜进行氧化以形成MgOx的方式实现。
5.根据权利要求1所述的磁性隧道结单元结构，其特征在于，所述扩散势垒层的材料为Zr、Nb、Ti、V、Cr、W、Hf、Mo、Tc、Y其中之一或它们的组合，所述扩散势垒层的厚度为z，其中0.0<z≤8.0nm。
6.根据权利要求1所述的磁性隧道结单元结构，其特征在于，所述刻蚀阻挡层的材料为Ir，Ru其中之一或它们的组合，所述刻蚀阻挡层厚度为1.0nm～10.0nm。
CN201911318304.1A 2019-12-19 2019-12-19 一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构 Active CN113013322B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911318304.1A CN113013322B (zh) 2019-12-19 2019-12-19 一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911318304.1A CN113013322B (zh) 2019-12-19 2019-12-19 一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113013322A CN113013322A (zh) 2021-06-22
CN113013322B true CN113013322B (zh) 2023-07-25

Family

ID=76381219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911318304.1A Active CN113013322B (zh) 2019-12-19 2019-12-19 一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113013322B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012151098A1 (en) * 2011-05-04 2012-11-08 Magic Technologies, Inc. Multilayers having reduced perpendicular demagnetizing field using moment dilution for spintronic applications
CN103907156A (zh) * 2011-09-22 2014-07-02 高通股份有限公司 用于自旋转移扭矩切换设备的耐热垂直磁各向异性耦合元件
CN105990517A (zh) * 2015-03-20 2016-10-05 Hgst荷兰有限公司 用于增强垂直磁各向异性的具有双MgO界面和CoFeB层的垂直自旋转移矩(STT)储存元件
US10014465B1 (en) * 2017-04-03 2018-07-03 Headway Technologies, Inc. Maintaining coercive field after high temperature anneal for magnetic device applications with perpendicular magnetic anisotropy
CN108352447A (zh) * 2015-09-08 2018-07-31 海德威科技公司 于高温退火后保持高矫顽力的具有垂直磁各向异性的磁性组件
WO2019182589A1 (en) * 2018-03-21 2019-09-26 Intel Corporation Interface engineering of a perpendicular magnetic tunnel junction (pmtj) stack to improve retention loss at higher temperature

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8184411B2 (en) * 2009-10-26 2012-05-22 Headway Technologies, Inc. MTJ incorporating CoFe/Ni multilayer film with perpendicular magnetic anisotropy for MRAM application
US8421171B2 (en) * 2010-04-02 2013-04-16 Industrial Technology Research Institute Magnetic random access memory
US8541855B2 (en) * 2011-05-10 2013-09-24 Magic Technologies, Inc. Co/Ni multilayers with improved out-of-plane anisotropy for magnetic device applications
US9082960B2 (en) * 2013-04-16 2015-07-14 Headway Technologies, Inc. Fully compensated synthetic antiferromagnet for spintronics applications
US9444035B2 (en) * 2014-09-10 2016-09-13 Qualcomm Incorporated Magnesium oxide capping with a shorted path for perpendicular magnetic tunnel junction devices and method for fabrication

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012151098A1 (en) * 2011-05-04 2012-11-08 Magic Technologies, Inc. Multilayers having reduced perpendicular demagnetizing field using moment dilution for spintronic applications
CN103907156A (zh) * 2011-09-22 2014-07-02 高通股份有限公司 用于自旋转移扭矩切换设备的耐热垂直磁各向异性耦合元件
CN105990517A (zh) * 2015-03-20 2016-10-05 Hgst荷兰有限公司 用于增强垂直磁各向异性的具有双MgO界面和CoFeB层的垂直自旋转移矩(STT)储存元件
CN108352447A (zh) * 2015-09-08 2018-07-31 海德威科技公司 于高温退火后保持高矫顽力的具有垂直磁各向异性的磁性组件
US10014465B1 (en) * 2017-04-03 2018-07-03 Headway Technologies, Inc. Maintaining coercive field after high temperature anneal for magnetic device applications with perpendicular magnetic anisotropy
WO2019182589A1 (en) * 2018-03-21 2019-09-26 Intel Corporation Interface engineering of a perpendicular magnetic tunnel junction (pmtj) stack to improve retention loss at higher temperature

Also Published As

Publication number Publication date
CN113013322A (zh) 2021-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10283701B1 (en) Method and system for providing a boron-free magnetic layer in perpendicular magnetic junctions
US10431275B2 (en) Method and system for providing magnetic junctions having hybrid oxide and noble metal capping layers
US10439133B2 (en) Method and system for providing a magnetic junction having a low damping hybrid free layer
KR102188529B1 (ko) 스핀 전달 토크 자기 램의 응용 분야에서 사용될 수 있는 수직 자기 접합의 벌크 수직 자기 이방성 자유 층을 제공하는 방법 및 시스템
CN111613720B (zh) 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器
US9917249B2 (en) Method and system for providing a magnetic junction usable in spin transfer torque applications and including a magnetic barrier layer
CN109427963B (zh) 磁性结、磁性存储器和提供磁性结的方法
KR102300702B1 (ko) 스핀 전달 토크 어플리케이션에서 사용 가능한 낮은 모멘트 자유층 자기 접합부 및 그것을 제공하기 위한 방법
CN113013322B (zh) 一种具垂直各向异性场增强层的磁性隧道结单元结构
CN112928204B (zh) 提升磁性隧道结自由层垂直各向异性的覆盖层结构单元
US9972773B1 (en) Method and system for providing magnetic junctions utilizing high crystallization temperature-containing insertion layer(s)
US10438638B2 (en) Method and system for providing a magnetic layer in a magnetic junction usable in spin transfer or spin orbit torque applications using a sacrificial oxide layer
CN113140670A (zh) 一种磁性隧道结垂直反铁磁层及随机存储器
US9966528B2 (en) Method and system for providing a magnetic layer in a magnetic junction usable in spin transfer torque applications using a sacrificial oxide layer
CN114551716A (zh) 磁性隧道结自由层及具有其的磁性隧道结结构
CN112635655A (zh) 一种磁性隧道结覆盖层及其制作工艺
CN112864312A (zh) 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器
US9806253B2 (en) Method for providing a high perpendicular magnetic anisotropy layer in a magnetic junction usable in spin transfer torque magnetic devices using multiple anneals
CN107958954B (zh) 磁性隧道结的参考层的制备方法、磁性隧道结的制备方法
CN112750946B (zh) 一种磁性随机存储器势垒层和自由层结构单元及其制备方法
CN113013325B (zh) 具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器
CN112951980A (zh) 一种磁性隧道结垂直各向异性场增强层及随机存储器
CN112490354A (zh) 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器
CN112864307A (zh) 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器
CN112490353A (zh) 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant