CN114447212A - 一种磁性多层膜、存储单元及存储器 - Google Patents

一种磁性多层膜、存储单元及存储器 Download PDF

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CN114447212A CN202011219147.1A CN202011219147A CN114447212A CN 114447212 A CN114447212 A CN 114447212A CN 202011219147 A CN202011219147 A CN 202011219147A CN 114447212 A CN114447212 A CN 114447212A
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宫俊录
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孙一慧
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Abstract

本发明提供了一种磁性多层膜、存储单元及存储器。该磁性多层膜包括沿第一叠置方向依次叠置的第一磁性层、间隔膜和第二磁性层，间隔膜包括沿第二叠置方向叠置的多层间隔子膜，第一叠置方向和第二叠置方向相同，间隔子膜中的至少一层为非磁性间隔子膜。设置多层间隔子膜，一方面保证磁性多层膜有较强的垂直磁各向异性(PMA)，在用作磁性隧道结的自由层时获得预期的磁化方向。另一方面，多层间隔子膜两侧的磁性层可实现较强的层间磁性耦合，使得磁性层的磁化方向在较小的外磁场或外加电流作用下可以同时翻转。将本申请的磁性多层膜作为磁性隧道结的自由层时，具有该自由层的MTJ器件可实现较高的热稳定性因子Δ以及较低的翻转电流。

Description

一种磁性多层膜、存储单元及存储器
技术领域
本发明涉及磁随机存储器领域，特别涉及一种磁性多层膜、存储单元及存储器。
背景技术
磁随机存储器(MRAM)由磁性隧道结(MTJ)阵列构成，MTJ的核心结构包括自由层、势垒层和固定层。其中自由层和固定层为磁性层，而势垒层为一层很薄的绝缘层，厚度一般小于3nm。在MTJ正常工作时，固定层的磁化方向不变，自由层磁化方向可由外加磁场或输入电流改变，MTJ的电阻值决定于自由层和固定层的相对磁化方向。当自由层与固定层磁化方向平行时，MTJ呈低电阻态；当自由层与固定层磁化方向反平行时，MTJ呈高电阻态。MTJ电阻态受自由层和固定层磁化方向相对状态的控制，是MTJ器件工作的物理原理之一。
MTJ类型按磁各向异性可分为两类：面内各向异性及垂直各向异性(PMA)。面内各向异性主要来源于薄膜平面较大的长宽比，当尺寸减小时，面内各向异性薄膜因边界产生磁涡旋态导致热稳定性势垒降低，甚至磁化不稳定，因而面内磁化的MTJ尺寸不能做得很小，限制了存储密度。相比之下，具有PMA的MTJ写电流密度较低，功耗较小。因不依赖形状各向异性，在纳米尺寸下亦可获得较高的热稳定性势垒，垂直磁化的MTJ可实现更高的存储密度，已被证实为开发MRAM最合适的磁化构型。当前业界的研发和生产都致力于采用垂直磁化的MTJ来构建高密度低功耗的MRAM。
当对MRAM实施数据写入时，需要对MTJ施加一个写电流。只有当写电流超过MTJ自由层的临界翻转电流时，自由层的磁化才能被翻转。翻转电流是MTJ器件一个重要的度量指标。若MTJ器件的翻转电流较大，这不仅会增加器件的功耗，还会对器件的耐久性(endurance)产生不利影响，缩短器件的使用寿命。因此，获得较小的翻转电流对改善MTJ器件性能是十分有利的。降低MTJ器件写电流的常规方法是通过调整自由层、覆盖层材料及厚度等手段来降低自由层的磁各向异性常数(HK)或降低磁性层体积(VF)或磁化强度(Ms)，进而达到降低MTJ器件写电流的目的。但与此同时，器件的热稳定性因子Δ也会随之显著降低，器件的数据保持能力下降。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种磁性多层膜、存储单元及存储器，以解决现有技术中降低MTJ器件写电流的方法会同时导致热稳定性因子Δ显著降低的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种磁性多层膜，该磁性多层膜包括沿第一叠置方向依次叠置的第一磁性层、间隔膜和第二磁性层，间隔膜包括沿第二叠置方向叠置的多层间隔子膜，第一叠置方向和第二叠置方向相同，间隔子膜中的至少一层为非磁性间隔子膜。
进一步地，各上述间隔子膜的厚度各自独立地为0.02～0.4nm，优选间隔膜的总厚度为0.1～1nm，进一步优选为0.2～0.8nm。
进一步地，上述间隔子膜的层数为2～5层。
进一步地，至少两个上述间隔子膜的材料不同，优选相邻的间隔子膜的材料不同。
进一步地，上述间隔子膜的材料选自Mg、Al、Zn、Co、Fe、Ni、Ti、V、Ta、Mo、W、Cr、Hf和Zr中的至少一种。
进一步地，上述第一磁性层和第二磁性层各自独立地包括一层或多层子磁性层。
进一步地，上述第一磁性层和第二磁性层各自独立地包括2～4层子磁性层。
进一步地，形成各上述子磁性层的材料各自独立地包括Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeB、CoFePt、CoFePd、CoFeTb、CoFeCr、CoFeGd中的任意一种。
进一步地，上述第一磁性层和第二磁性层的厚度各自独立地为0.2～2nm。
根据本发明的另一方面，提供了一种存储单元，包括依次叠置的自由层、势垒层和固定层，该自由层包括磁性多层膜，该磁性多层膜为上述任一种磁性多层膜。
根据本发明的另一方面，提供了一种存储器，包括多个存储单元，至少一个存储单元为上述存储单元。
应用本发明的技术方案，本申请磁性多层膜的两个铁磁层中设置多层间隔子膜，该多层间隔子膜一方面通过界面作用保证自由层有较强的垂直磁各向异性(PMA)，在用作磁性隧道结的自由层时使得自由层可形成与固定层或平行或反向平行的磁化方向。另一方面，多层间隔子膜两侧的磁性层可通过间隔膜实现较强的层间磁性耦合，使得磁性层的磁化方向在较小的外磁场或外加电流作用下可以同时翻转。本申请的实验数据表明，将本申请的磁性多层膜作为磁性隧道结的自由层时，具有该自由层的MTJ器件可实现较高的热稳定性因子Δ以及较低的翻转电流，综合性能得到改善。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明实施例1提供的多层间隔膜的磁性多层膜结构示意图；及
图2示出了根据本发明实施例2提供的多层间隔膜的磁性多层膜结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、第一磁性层；20、间隔膜；30、第二磁性层；11、第一子磁性层；12、第二子磁性层；21、第一间隔子膜；22、第二间隔子膜；23、第三间隔子膜；24、第四间隔子膜；31、第三子磁性层；32、第四子磁性层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如本申请背景技术中所描述的，翻转电流越小越好，说明功耗低；热稳定因子Δ越大说明数据保持能力高，现有技术中常用的降低写入电流的技术手段会同时导致器件的热稳定性因子Δ也会随之显著降低，器件的数据保持能力下降。因此，本申请通过设置具有多层间隔子膜的自由层，来同时实现在降低写入电流的同时保证较高的热稳定性因子Δ。
在本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种磁性多层膜，如图1或2所示，该磁性多层膜包括沿第一叠置方向依次叠置的第一磁性层10、间隔膜20和第二磁性层30，上述间隔膜20包括沿第二叠置方向叠置的多层间隔子膜，上述第一叠置方向和上述第二叠置方向相同。
本申请磁性多层膜中的两个铁磁层中设置多层间隔子膜，该多层间隔子膜一方面通过界面作用保证磁性多层膜具有较强的垂直磁各向异性(PMA)，在用作磁性隧道结的自由层时使得自由层可形成与固定层或平行或反向平行的磁化方向。另一方面，多层间隔子膜两侧的磁性层可通过间隔膜20实现较强的层间磁性耦合，使得磁性层的磁化方向在较小的外磁场或外加电流作用下可以同时翻转。本申请的实验数据表明，将本申请的磁性多层膜作为磁性隧道结的自由层时，具有该自由层的MTJ器件可实现较高的热稳定性因子Δ以及较低的翻转电流，综合性能得到改善。
在一种实施例中，优选各上述间隔子膜的厚度各自独立地为0.02～0.4nm，优选间隔膜20的总厚度为0.1～1nm，进一步优选为0.2～0.8nm。上述厚度的间隔子膜拥有很低的晶化程度，甚至可以为非晶态，这有利于形成尖锐完整的界面，改善磁性多层膜的界面特性，进而实现较强的垂直磁各向异性，在磁性多层膜用作磁性隧道结的自由层时更易在电流变化下形成与固定层或平行或反向平行的磁化方向。上述不同厚度可以通过调节化学气相沉积或物理气相沉积的工艺条件来实现，具体的工艺条件控制就不再一一赘述，本领域技术人员可以在现有技术基础上进行简单试验即可得到。
根据应用场景的不同，优选间隔子膜的层数为2～5层。通过对间隔子膜的层数在有限范围内的自由调整，可以实现对MTJ器件的磁电阻(MR)、写入电流、热稳定因子等大小进行控制。当间隔子膜层数较多时，MTJ器件的写入电流进一步减小，磁电阻、热稳定因子轻微降低。当间隔子膜层数较少时，MTJ器件具有较高的磁电阻和热稳定性因子Δ，同时写入电流也相对增大。
在一种实施例中，优选至少两个间隔子膜的材料不同，进一步优选相邻的间隔子膜的材料不同。当间隔子膜分别由不同金属材料组成时，各个间隔子膜电导率有差异，进而在各个间隔子膜内部会形成多个电流密度不同的导电通道，会形成局部电流密度较大的区域，致使部分包括本申请磁性多层膜的自由层磁性层磁矩先翻转，进而带动整个自由层化方向发生翻转。上述效果的综合作用体现为降低翻转电流，提高了自旋转移效率。
为了进一步提升上述效果，优选间隔子膜的材料选自Mg、Al、Zn、Co、Fe、Ni、Ti、V、Ta、Mo、W、Cr、Hf和Zr中的至少一种。上述材料可保证间隔膜20两侧磁性层实现层间铁磁性耦合，磁性层磁矩可随外场或外加电流同步翻转，上述材料中，作为重金属的材料比如W，其厚度越薄，对于降低翻转电流、热稳定性因子、矫顽力的贡献越大。另外，其与磁性层的界面作用可增强磁性多层膜的垂直磁各向异性，改善磁性多层膜的界面特性，进而在用作MTJ器件自由层时，改善MTJ器件的性能。
除了翻转电流大小和热稳定因子之外，MTJ器件还有其它重要的性能指标，为进一步提升MTJ器件的性能，优选第一磁性层10和第二磁性层30各自独立地包括一层或多层子磁性层。两侧磁性层的多层膜结构设计，可以提升磁电阻(MR)，改善PMA，提升矫顽力。MR越高越好，MR越高说明器件读窗口较宽，灵敏度也高；矫顽力越大说明磁性多层膜用作自由层时抗干扰能力较好。
在一种实施例中，如图2所示，优选第一磁性层10和第二磁性层30各自独立地包括2～4层子磁性层。根据应用场景的不同，两侧的磁性层可以独立地选择为2、3或4层，来调节厚度和各磁性性能，如MR、PMA、写电流、耐高温特性等。
磁性层中的材料均为铁磁或亚铁磁性材料，优选形成各子磁性层的材料各自独立地包括Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeB、CoFePt、CoFePd、CoFeTb、CoFeCr、CoFeGd中的任意一种，以实现较强的磁化效果。
本申请的间隔子膜和磁性层均是通过物理气相沉积或化学气相沉积法制备的，利用上述方法，可以制备出厚度不足1nm的膜层，以实现上述有益效果。优选第一磁性层10和第二磁性层30的厚度各自独立地为0.2～2nm。在优选范围内，随着磁性层厚度增加，Hk较低，导致热稳定因子和矫顽力降低，但是MR会相应提升。
在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种存储单元，包括依次叠置的自由层、势垒层和固定层，该自由层包括磁性多层膜，该磁性多层膜为上述任一种磁性多层膜。
本申请磁性多层膜的两个铁磁层中设置多层间隔子膜，该多层间隔子膜一方面通过界面作用保证磁性多层膜有较强的垂直磁各向异性(PMA)，在用作磁性隧道结的自由层时使得自由层可形成与固定层或平行或反向平行的磁化方向。另一方面，多层间隔子膜两侧的磁性层可通过间隔膜20实现较强的层间磁性耦合，使得磁性层的磁化方向在较小的外磁场或外加电流作用下可以同时翻转。本申请的实验数据表明，本申请上述磁性多层膜在用作磁性隧道结的自由层时，包括该自由层的存储单元可实现较高的热稳定性因子Δ以及较低的翻转电流，综合性能得到改善。
在本申请再一种典型的实施方式中，提供了一种存储器，包括多个存储单元，至少一个存储单元为上述存储单元。
本申请上述磁性多层膜在用作磁性隧道结的自由层时，包括该自由层的存储单元可实现较高的热稳定性因子Δ以及较低的翻转电流，综合性能得到改善，进一步改善拥有该存储单元的存储器的性质。
以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果。
以下各实施例的磁性层、间隔膜均是通过物理气相沉积工艺制备得到，选用特定组分的靶材或原材料，通过调节沉积工艺的气体流量、沉积功率和沉积时间来得到相应材料组成的具有相应厚度的层结构。
实施例1
图1所示的自由层包括依次沉积的第一磁性层10、间隔膜20(包含第一间隔子膜21、第二间隔子膜22)和第二磁性层30。其中第一磁性层10和第二磁性层30为Co20Fe55B25合金，厚度均为1nm；第一间隔子膜21为W，厚度为0.3nm；第二间隔子膜22为Mg，厚度为0.2nm。
实施例2
图2所示的自由层包括依次沉积的第一磁性层10(包含第一子磁性层11和第二子磁性层12)、间隔膜20(包含第一间隔子膜21、第二间隔子膜22、第三间隔子膜23、第四间隔子膜24)和第二磁性层30(包含第三子磁性层31和第四子磁性层32)。其中第一子磁性层11为CoFe，厚度为0.5nm；第二子磁性层12为Co20Fe60B20合金，厚度为0.7nm；第一间隔子膜21为Al，厚度为0.2nm；第二间隔子膜22为Hf，厚度为0.3nm；第三间隔子膜23为Mg，厚度为0.2nm；第四间隔子膜24为Mo，厚度为0.1nm；第三子磁性层31为Co20Fe60B20合金，厚度均为0.5nm；第四子磁性层32为Co40Fe40B20合金，厚度为0.5nm。
实施例3
自由层包括依次沉积的第一磁性层(包含第一子磁性层、第二子磁性层)、间隔膜(包含第一间隔子膜、第二间隔子膜、第三间隔子膜)和第二磁性层(包含第三子磁性层、第四子磁性层和第五子磁性层)。其中第一子磁性层为Co，厚度为0.4nm；第二子磁性层为Fe80B20，厚度为0.8nm；第一间隔子膜为Al，厚度为0.1nm；第二间隔子膜为Mo，厚度为0.3nm；第三间隔子膜为Mg，厚度为0.2nm；第三子磁性层为CoFe，厚度为0.5nm；第四子磁性层为Co30Fe50B20，厚度为0.3nm；第五子磁性层为Co20Fe60B20，厚度为0.3nm。
实施例4
自由层包括依次沉积的第一磁性层、间隔膜(包含第一间隔子膜、第二间隔子膜)和第二磁性层。其中第一磁性层和第二磁性层为Co20Fe55B25合金，厚度均为2nm；第一间隔子膜为W，厚度为0.3nm；第二间隔子膜为Mg，厚度为0.2nm。
实施例5
自由层包括依次沉积的第一磁性层、间隔膜(包含第一间隔子膜、第二间隔子膜)和第二磁性层。其中第一磁性层和第二磁性层为Co20Fe55B25合金，厚度均为1nm；第一间隔子膜为W，厚度为0.12nm；第二间隔子膜为Mg，厚度为0.08nm。
实施例6
自由层包括依次沉积的第一磁性层、间隔膜(包含第一间隔子膜、第二间隔子膜)和第二磁性层。其中第一磁性层和第二磁性层为Co20Fe55B25合金，厚度均为1nm；第一间隔子膜为W，厚度为0.06nm，第二间隔子膜为Mg，厚度为0.04nm。
实施例7
自由层包括依次沉积的第一磁性层、间隔膜(包含第一间隔子膜、第二间隔子膜)和第二磁性层。其中第一磁性层和第二磁性层为Co20Fe55B25合金，厚度均为1nm；第一间隔子膜为W，厚度为0.02nm，第二间隔子膜为Mg，厚度为0.48nm。
实施例8
自由层包括依次沉积的第一磁性层、间隔膜(包含第一间隔子膜、第二间隔子膜)和第二磁性层。其中第一磁性层和第二磁性层为Co20Fe55B25合金，厚度均为1nm；第一间隔子膜为W，厚度为0.1nm，第二间隔子膜为Mg，厚度为0.4nm。
实施例9
图2所示的自由层包括依次沉积的第一磁性层10(包含第一子磁性层11和第二子磁性层12)、间隔膜20(包含第一间隔子膜21、第二间隔子膜22、第三间隔子膜23、第四间隔子膜24)和第二磁性层30(包含第三子磁性层31和第四子磁性层32)。其中第一子磁性层11为CoFe，厚度为0.5nm；第二子磁性层12为Co20Fe60B20合金，厚度为0.7nm；第一间隔子膜21为Al，厚度为0.2nm；第二间隔子膜22为Hf，厚度为0.3nm；第三间隔子膜23为Mg，厚度为0.2nm；第四间隔子膜24为Mo，厚度为0.3nm；第三子磁性层31为Co20Fe60B20合金，厚度均为0.5nm；第四子磁性层32为Co40Fe40B20合金，厚度为0.5nm。
实施例10
图2所示的自由层包括依次沉积的第一磁性层10(包含第一子磁性层11和第二子磁性层12)、间隔膜20(包含第一间隔子膜21、第二间隔子膜22、第三间隔子膜23、第四间隔子膜24)和第二磁性层30(包含第三子磁性层31和第四子磁性层32)。其中第一子磁性层11为CoFe，厚度为0.5nm；第二子磁性层12为Co20Fe60B20合金，厚度为0.7nm；第一间隔子膜21为Al，厚度为0.4nm；第二间隔子膜22为Hf，厚度为0.3nm；第三间隔子膜23为Mg，厚度为0.2nm；第四间隔子膜24为Mo，厚度为0.4nm；第三子磁性层31为Co20Fe60B20合金，厚度均为0.5nm；第四子磁性层32为Co40Fe40B20合金，厚度为0.5nm。
实施例11
图2所示的自由层包括依次沉积的第一磁性层10(包含第一子磁性层11和第二子磁性层12)、间隔膜20(包含第一间隔子膜21、第二间隔子膜22、第三间隔子膜23、第四间隔子膜24)和第二磁性层30(包含第三子磁性层31和第四子磁性层32)。其中第一子磁性层11为CoFe，厚度为0.5nm；第二子磁性层12为Co20Fe60B20合金，厚度为0.7nm；第一间隔子膜21为Al，厚度为0.2nm；第二间隔子膜22为Fe，厚度为0.3nm；第三间隔子膜23为Mg，厚度为0.2nm；第四间隔子膜24为Mo，厚度为0.1nm；第三子磁性层31为Co20Fe60B20合金，厚度均为0.5nm；第四子磁性层32为Co40Fe40B20合金，厚度为0.5nm。
对比例1
自由层包括依次沉积的第一磁性层、间隔膜和第二磁性层。其中第一磁性层和第二磁性层为Co20Fe55B25合金，厚度均为1nm；间隔膜为W，厚度为0.5nm。
采用薄膜沉积、光刻、刻蚀、化学机械抛光等工艺，将实施例与对比例的存储单元制作直径为100nm的MTJ器件，采用WAT和晶圆测试仪等电学和磁性测试系统在室温下测试MTJ器件的各项性能。下表分别给出包含本申请各实施例和各对比例自由层的MTJ器件的翻转电流、热稳定性因子Δ、MR、矫顽力。
表1
Figure BDA0002761460220000071
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
本申请磁性多层膜中的两个铁磁层中设置多层间隔子膜，该多层间隔子膜一方面通过界面作用保证磁性多层膜具有较强的垂直磁各向异性(PMA)，在用作磁性隧道结的自由层时使得自由层可形成与固定层或平行或反向平行的磁化方向。另一方面，多层间隔子膜两侧的磁性层可通过间隔膜实现较强的层间磁性耦合，使得磁性层的磁化方向在较小的外磁场或外加电流作用下可以同时翻转。本申请的实验数据表明，将本申请的磁性多层膜作为磁性隧道结的自由层时，具有该自由层的MTJ器件可实现较高的热稳定性因子Δ以及较低的翻转电流，综合性能得到改善。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种磁性多层膜，所述磁性多层膜包括沿第一叠置方向依次叠置的第一磁性层(10)、间隔膜(20)和第二磁性层(30)，其特征在于，所述间隔膜(20)包括沿第二叠置方向叠置的多层间隔子膜，所述第一叠置方向和所述第二叠置方向相同，所述间隔子膜中的至少一层为非磁性间隔子膜。
2.根据权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，各所述间隔子膜的厚度各自独立地为0.02～0.4nm，优选所述间隔膜(20)的总厚度为0.1～1nm，进一步优选为0.2～0.8nm。
3.根据权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述间隔子膜的层数为2～5层。
4.根据权利要求3所述的磁性多层膜，其特征在于，至少两个所述间隔子膜的材料不同，优选相邻的所述间隔子膜的材料不同。
5.根据权利要求4所述的磁性多层膜，其特征在于，所述间隔子膜的材料选自Mg、Al、Zn、Co、Fe、Ni、Ti、V、Ta、Mo、W、Cr、Hf和Zr中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，所述第一磁性层(10)和所述第二磁性层(30)各自独立地包括一层或多层子磁性层。
7.根据权利要求6所述的磁性多层膜，其特征在于，所述第一磁性层(10)和所述第二磁性层(30)各自独立地包括2～4层子磁性层。
8.根据权利要求6所述的磁性多层膜，其特征在于，形成各所述子磁性层的材料各自独立地包括Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeB、CoFePt、CoFePd、CoFeTb、CoFeCr、CoFeGd中的任意一种。
9.根据权利要求6所述的磁性多层膜，其特征在于，所述第一磁性层(10)和第二磁性层(30)的厚度各自独立地为0.2～2nm。
10.一种存储单元，包括依次叠置的自由层、势垒层和固定层，所述自由层包括磁性多层膜，其特征在于，所述磁性多层膜为权利要求1至9中任一项所述的磁性多层膜。
11.一种存储器，包括多个存储单元，其特征在于，至少一个所述存储单元为权利要求10中所述的存储单元。
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