CN113013325B - 具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器 - Google Patents

具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器 Download PDF

Info

Publication number
CN113013325B
CN113013325B CN201911319947.8A CN201911319947A CN113013325B CN 113013325 B CN113013325 B CN 113013325B CN 201911319947 A CN201911319947 A CN 201911319947A CN 113013325 B CN113013325 B CN 113013325B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
magnetic field
leakage
cox
leakage magnetic
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
CN201911319947.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113013325A (zh
Inventor
张云森
郭一民
肖荣福
陈峻
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 CN201911319947.8A priority Critical patent/CN113013325B/zh
Publication of CN113013325A publication Critical patent/CN113013325A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113013325B publication Critical patent/CN113013325B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • 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
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

一种具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器，在磁性隧道结(MTJ)的覆盖层之上，设置一层具有强烈垂直各向异性的漏磁场平衡层(Stray Field Balance Layer，SFBL)来调控合成反铁磁层和参考层在自由层上的漏磁场，具有强烈垂直各向异性的漏磁场平衡层的磁性隧道结单元，相对于传统的单纯具有的合成反铁磁层的磁性隧道结单元，具有更强的漏磁场和写电流调控能力，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

具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器
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，特别涉及一种含有漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器的领域。
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。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。
更进一步地，数据保存能力(Data Retention)可以用下面的公式进行计算：
Figure BDA0002326867110000011
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 BDA0002326867110000012
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)。
同时，静磁场，特别是来自于参考层的漏磁场(Stray Field)，也会影响磁性随机存储器(MRAM)磁性存储单元的热稳定性因子，根据其施加在自由层(FL)上的磁化方向的不同，既可以起增强作用也可以起减弱作用。
图1为现有的磁性随机存储器存储单元的结构示意图。现有的磁性随机存储器存储单元的结构由下至上结构包括所述底电极10、磁性隧道结20及顶电极30，所述磁性隧道结20由下至上顺序层叠设置有种子层21、合成反铁磁层(SyAF)22(包含第一铁磁层(1st FM)221，反铁磁耦合层(AFCL)222，第二铁磁层(2nd FM)223)、晶格隔断层23、参考层24、势垒层25、自由层26、覆盖层27。
磁性隧道结20为了减小漏磁场对自由层26的影响，通常会在参考层24之下增加一层具有强烈垂直各向异性超晶格结构的合成反铁磁层22，在合成反铁磁层22内部，通常含有两层具有强烈垂直各向异性的铁磁层，即：第一铁磁层(1st Ferrimagnet Layer，1st FM)221和第二铁磁层(2nd Ferrimagnet Layer，2nd FM)223，并通过一层反铁磁耦合层(Anti-Ferromagnetic Coupling Layer，AFCL)222，比如：Ir或Ru等，来实现两层铁磁层的反铁磁耦合。第一铁磁层(1st FM)也可以称为钉扎层(Pinned Layer，PL)，有时候第二铁磁层223，晶格隔断层23和参考层24也可以统称参考层(RL)。
定义第一铁磁层221在垂直方向的磁矩1为：
Figure BDA0002326867110000021
定义第二铁磁层223、晶格隔断层23和参考层24在垂直方向总的磁矩2为：
Figure BDA0002326867110000022
其中，
Figure BDA0002326867110000023
和
Figure BDA0002326867110000024
的方向永远相反。自由层26的磁矩3为：
Figure BDA0002326867110000025
由于合成反铁磁层(SyAF)22的存在，来自参考层(RL)24和合成反铁磁层(SyAF)22的漏磁场可以部分抵消定量的定义来自参考层24和合成反铁磁层(SyAF)22总的漏磁场为HStray，那么：
Figure BDA0002326867110000026
其中，Hk eff为垂直有效各向异性场，Hk eff＝2(Keff/(μ0Ms))。进一步地，定义垂直于自由层26并且向上的磁化矢量为正，则垂直于自由层26向上的漏磁场为正。那么在自由层26和参考层24的磁化矢量在平行或反平行的情况下，其热稳定性因子可以分别表达为如下的方程式：
Figure BDA0002326867110000031
此外，随着磁性自由层的体积的缩减，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 BDA0002326867110000032
其中，α为阻尼系数(damping constant)，
Figure BDA0002326867110000033
为约化普朗克常数，η为自旋极化率。
更进一步，在磁化平行和反平行的时候，临界电流可以分别表示为如下的表达式：
Figure BDA0002326867110000034
在这种情况下，可以通过漏磁场(Stray Field)的调控，来进一步地，对平行状态和反平行状态的磁性随机存储器(MRAM)的临界电流进行调控。
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400℃或更高温条件下的长时间退火。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器，在磁性隧道结(MTJ)的覆盖层之上，设置一层具有强烈垂直各向异性的漏磁场平衡层(Stray Field Balance Layer，SFBL)来调控合成反铁磁层(SyAF)和参考层(RL)在自由层(FL)上的漏磁场(Stray Field)，漏磁场平衡层磁矩的方向可以是垂直于膜平面向上也可以是垂直于膜平面向下。
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。一种含有漏磁场平衡层的磁性隧道结单元，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、覆盖层，其特征在于，在所述覆盖层上方设置具有强烈垂直各向异性的一漏磁场平衡层，所述漏磁场平衡层用以调控合成反铁磁层和参考层在自由层上的漏磁场。
在本申请的实施例中，所述漏磁场平衡层的总厚度为0.5nm～5.0nm，所述漏磁场平衡层的磁矩的方向可以是垂直于膜平面向上或垂直于膜平面向下，来调控合成反铁磁层(SyAF)和参考层(RL)在自由层(FL)上的漏磁场(Stray Field)。
在本申请的实施例中，所述漏磁场平衡层的组成材料为CoX[Pt/CoX]m，CoX[Pd/CoX]m，CoX[Ni/CoX]m，Co[Y/Pt/Co]m，Co[Y/Pd/Co]m，Co[Y/Ni/Co]m，Co[Pt/Y/Co]m，Co[Pd/Y/Co]m，Co[Ni/Y/Co]m其中之一，其中m≥1；X的成分为Mg，Al，C，B，Si，P，S，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo，Tc，Hf，Ta，W其中之一或它们的组合；Y的成分为Mg，Al，Si，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo，Tc，Hf，Ta，W其中之一或它们的组合。材料CoX中，X的原子百分比为a，0<a≤15％，CoX可以采用共溅射或者对合金靶材进行溅射沉积的方式实现，材料Y的厚度为b，0<b≤0.5nm。
在本申请的实施例中，本发明提供了一种磁性随机存储器，包括如上所述的磁性隧道结单元，还包括底电极及顶电极；所述磁性随机存储器包括由下往上的底电极、种子层、合成反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层、漏磁场平衡层及顶电极顺序层叠设置。
在本申请的实施例中，在所述种子层、合成反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层、漏磁场平衡层沉积之后，在400℃的温度下进行至少60分钟的退火操作。
本发明透过设置一层具有强烈垂直各向异性的漏磁场平衡层来调控合成反铁磁层和参考层在自由层上的漏磁场。通过调控漏漏磁场平衡层的磁矩大小和方向，从而使得Hstray<0，Hstray＝0或Hstray>0，更进一步地，从而达到调控不同前置状态下(磁化状态平行或者反平行)的写电流目的。具有强烈垂直各向异性的漏磁场平衡层(SFBL)的磁性隧道结单元(MTJ)，相对于传统的单纯具有的合成反铁磁层(SyAF)的磁性隧道结单元(MTJ)，具有更强的漏磁场(HStray)和写电流调控能力，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为现有的磁性随机存储器存储单元的结构示意图。
图2为本发明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，221：第一铁磁层，222：反铁磁耦合层，223：第二铁磁层，23：晶格隔断层，24：参考层，25：势垒层，26：自由层，27：覆盖层，28：漏磁场平衡层，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，提供了一种含有漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器，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2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。
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 Breaking Layer，CBL)23，参考层(RL)24，势垒层(TB)25，自由层(FL)26和覆盖层(Capping Layer，CL)27的多层结构依次向上沉积叠加；其特征在于，在所述覆盖层上方设置具有强烈垂直各向异性的一漏磁场平衡层(Stray Field Balance Layer，SFBL)28，所述漏磁场平衡层28用以调控合成反铁磁层22和参考层24在自由层26上的漏磁场。
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，以优化后续的合成反铁磁层(SyAF)22的晶体结构。
其中，所述合成反铁磁层(SyAF)22的总厚度为0.5nm～5.0nm，合成反铁磁层(SyAF)22一般包含第一铁磁层(1st FM)221，反铁磁耦合层(AFCL)222，第二铁磁层(2nd FM)223，组成有[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，[Co/Pt]nCo/Ir/Co[Pt/Co]m，[Co/Pd]nCo/Ru、[Co/Pd]nCo/Ir、[Co/Pd]nCo/Ru/Co、[Co/Pd]nCo/Ir/Co、[Co/Pd]nCo/Ru/Co[Pd/Co]m、[Co/Pd]nCo/Ir/Co[Pd/Co]m、[Co/Ni]nCo/Ru、[Co/Ni]nCo/Ir、[Co/Ni]nCo/Ru/Co、[Co/Ni]nCo/Ir/Co、[Co/Ni]nCo/Ru/Co[Ni/Co]m、[Co/Ni]nCo/Ir/Co[Ni/Co]m超晶格结构，其中，n>m≥1，所述合成反铁磁层22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的总厚度为0.5nm～2.0nm，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的总厚度为0nm～1.0nm，其组成材料一般为Ta，W，Mo，Hf，Zr，Nb，Ti，Zn，Si，Cr，Mg，Co(Ta，W，Mo，Hf，Zr，Nb，Ti，，Zn，Si，Cr或Mg)，Fe(Ta，W，Mo，Hf，Zr，Nb，Ti，Zn，Si，Cr或Mg)，FeCo(Ta，W，Mo，Hf，Zr，Nb，Ti，Zn，Si，Cr或Mg)，CoB(Ta，W，Mo，Hf，Zr，Nb，Ti，Zn，Si，Cr或Mg)，FeB(Ta，W，Mo，Hf，Zr，Nb，Ti，Zn，Si，Cr或Mg)或FeCoB(Ta，W，Mo，Hf，Zr，Nb，Ti，Zn，Si，Cr或Mg)等。
所述势垒层25由非磁性金属氧化物制成，其总厚度为0.6nm～1.5nm，所述非磁性金属氧化物包括MgO，MgZn2O4，Mg3B2O6，MgAl2O4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，其总厚度为1.2nm～3nm，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260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。
所述覆盖层(CL)27一般可以是双层堆栈结构，下层覆盖层的厚度为0.4nm～1.2nm，其组成材料为MgO，ZnO，Al2O3，MgAl2O4，Mg3B2O6，SiMg2O4，SiZn2O4，SiAl2O4，MgZnO4或它们的组合组成。上层覆盖层的材料为Mg，Al，Si，Sc，Ti，V，Mn，Zn，Ga，Ge，In，Ag，Pd，Rh，Ru，Re，Os，Ir，Pt，Au，Zr，Nb，Ti，V，Cr，Ta，W，Hf，Mo，Tc，Y或它们的组合，其厚度为x，0.0≤x≤4.0nm。
所述漏磁场平衡层28的总厚度为0.5nm～5.0nm，具有强烈垂直各向异性的漏磁场平衡层(Stray Field Balance Layer,SFBL)来调控合成反铁磁层(SyAF)22和参考层(RL)24在自由层(FL)26上的漏磁场(Stray Field)。
所述漏磁场平衡层28的组成材料为CoX[Pt/CoX]m，CoX[Pd/CoX]m，CoX[Ni/CoX]m，Co[Y/Pt/Co]m，Co[Y/Pd/Co]m，Co[Y/Ni/Co]m，Co[Pt/Y/Co]m，Co[Pd/Y/Co]m，Co[Ni/Y/Co]m其中之一，其中m≥1；X的成分为Mg，Al，C，B，Si，P，S，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo，Tc，Hf，Ta，W其中之一或它们的组合；Y的成分为Mg，Al，Si，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo，Tc，Hf，Ta，W其中之一或它们的组合。所述漏磁场平衡层28的材料CoX中，X的原子百分比为a，0<a≤15％，CoX采用共溅射沉积方式形成，或CoX采用合金靶材进行溅射沉积方式形成。所述漏磁场平衡层28的材料Y的厚度为b，0<b≤0.5nm。
所述漏磁场平衡层28的磁矩的方向是垂直于膜平面(漏磁场平衡层28)向上及垂直于膜平面(漏磁场平衡层28)向下其中之一。定义漏磁场平衡层(SFBL)28在垂直方向的磁矩4为：
Figure BDA0002326867110000071
通过调控漏漏磁场平衡层28的磁矩大小和方向，可以使得
Figure BDA0002326867110000072
Figure BDA0002326867110000073
或
Figure BDA0002326867110000074
从而使得Hstray<0，Hstray＝0或Hstray>0。更进一步地，从而达到调控不同前置状态下(磁化状态平行或者反平行)的写电流目的。
在所述种子层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、覆盖层27、漏磁场平衡层28沉积之后，在不小于350℃的温度条件下进行至少30分钟的退火操作，以使得参考层24，自由层26从非晶相变为体心立方(BCC)的晶体结构。
本发明透过设置一层具有强烈垂直各向异性的漏磁场平衡层来调控合成反铁磁层和参考层在自由层上的漏磁场。通过调控漏漏磁场平衡层的磁矩大小和方向，从而使得磁性随机存储器(MRAM)磁性隧道结的漏磁场Hstray<0，Hstray＝0或Hstray>0，更进一步地，从而达到调控不同前置状态下(磁化状态平行或者反平行)的写电流目的。具有强烈垂直各向异性的漏磁场平衡层(SFBL)的磁性隧道结单元(MTJ)，相对于传统的单纯具有的合成反铁磁层(SyAF)的磁性隧道结单元(MTJ)，具有更强的漏磁场(HStray)和写电流调控能力，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。
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 (5)

1.一种具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元，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、覆盖层，其特征在于，
在所述覆盖层上方设置具有强烈垂直各向异性的一漏磁场平衡层，所述漏磁场平衡层用以调控合成反铁磁层和参考层在自由层上的漏磁场；
所述漏磁场平衡层的组成材料为CoX[Pt/CoX]m，CoX[Pd/CoX]m，CoX[Ni/CoX]m，Co[Y/Pt/Co]m，Co[Y/Pd/Co]m，Co[Y/Ni/Co]m，Co[Pt/Y/Co]m，Co[Pd/Y/Co]m，Co[Ni/Y/Co]m其中之一，其中m≥1；X的成分为Mg，Al，C，B，Si，P，S，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo，Tc，Hf，Ta，W其中之一或它们的组合；Y的成分为Mg，Al，Si，Sc，Ti，V，Cr，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo，Tc，Hf，Ta，W其中之一或它们的组合；
所述漏磁场平衡层的材料CoX中，X的原子百分比为a，0<a≤15％；
所述漏磁场平衡层的材料CoX采用共溅射沉积方式形成；
所述漏磁场平衡层的材料CoX采用合金靶材进行溅射沉积方式形成；
所述漏磁场平衡层的材料Y的厚度为b，0<b≤0.5nm。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结单元，其特征在于，所述漏磁场平衡层的总厚度为0.5nm～5.0nm。
3.根据权利要求1所述的磁性隧道结单元，其特征在于，所述漏磁场平衡层的磁矩的方向是垂直于膜平面向上及垂直于膜平面向下其中之一。
4.一种磁性随机存储器，其特征在于，包括如权利要求1-3中任意一项所述的磁性隧道结单元，还包括底电极及顶电极；所述磁性随机存储器包括由下往上的底电极、种子层、合成反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层、漏磁场平衡层及顶电极顺序层叠设置。
5.根据权利要求4所述的磁性随机存储器，其特征在于，在所述种子层、合成反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层、漏磁场平衡层沉积之后，在不小于350℃的温度条件下进行至少30分钟的退火操作。
CN201911319947.8A 2019-12-19 2019-12-19 具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器 Active CN113013325B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911319947.8A CN113013325B (zh) 2019-12-19 2019-12-19 具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911319947.8A CN113013325B (zh) 2019-12-19 2019-12-19 具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113013325A CN113013325A (zh) 2021-06-22
CN113013325B true CN113013325B (zh) 2023-04-07

Family

ID=76381567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911319947.8A Active CN113013325B (zh) 2019-12-19 2019-12-19 具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113013325B (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7848059B2 (en) * 2006-09-29 2010-12-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive effect device and magnetic random access memory using the same
JP5143444B2 (ja) * 2007-02-13 2013-02-13 株式会社日立製作所 磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP4599425B2 (ja) * 2008-03-27 2010-12-15 株式会社東芝 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
US9147833B2 (en) * 2013-07-05 2015-09-29 Headway Technologies, Inc. Hybridized oxide capping layer for perpendicular magnetic anisotropy
KR20180098248A (ko) * 2015-11-18 2018-09-03 고쿠리츠 다이가쿠 호진 도호쿠 다이가쿠 자기 터널 접합 소자 및 자기 메모리
US10255935B2 (en) * 2017-07-21 2019-04-09 Applied Materials, Inc. Magnetic tunnel junctions suitable for high temperature thermal processing

Also Published As

Publication number Publication date
CN113013325A (zh) 2021-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111613720B (zh) 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器
CN103151454B (zh) 存储元件和存储设备
TWI791782B (zh) 磁性裝置、使用其的磁性記憶體及用於提供其的方法
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
KR102169622B1 (ko) 메모리 소자
CN110676288A (zh) 磁性隧道结结构及磁性随机存储器
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
CN113140670A (zh) 一种磁性隧道结垂直反铁磁层及随机存储器
CN112736192B (zh) 具有双势垒层的磁性隧道结结构及磁性随机存储器
CN112864312A (zh) 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器
CN112864306A (zh) 具对称双势垒层的磁性隧道结结构及磁性随机存储器
CN112635655A (zh) 一种磁性隧道结覆盖层及其制作工艺
CN112635656A (zh) 磁性隧道结结构及磁性随机存储器
CN112635650B (zh) 磁性隧道结结构及其磁性存储器
KR102480077B1 (ko) 마그네틱 장치에서 이용가능하고 기판 상에 위치하는 마그네틱 접합 및 그의 제조 방법
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
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
CN112652705B (zh) 磁性隧道结结构及其磁性随机存储器
CN112652702B (zh) 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112310271B (zh) 磁性随机存储器的磁性隧道结结构
CN112652707B (zh) 磁性隧道结结构及其磁性随机存储器
CN112490354A (zh) 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器
CN111864057A (zh) 一种磁性随机存取器及磁隧道结存储单元
CN112864307A (zh) 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器
CN112750945A (zh) 一种具双自由层的磁性随机存储器存储单元

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