CN114551716A - 磁性隧道结自由层及具有其的磁性隧道结结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磁性隧道结自由层及具有其的磁性隧道结结构。该磁性隧道结自由层包括沿第一方向顺序层叠的第一磁性复合层、反铁磁间隔结构和第二磁性复合层，在反铁磁间隔结构的作用下第一磁性复合层与第二磁性复合层呈反铁磁耦合，磁化方向相反。由于上述结构采用多层磁性复合层，在控制磁化方向垂直于薄膜界面的同时，增加磁性层的总体厚度，从而增大器件的数据保持能力。并且，为降低写入电流，上述结构使得不同的磁性复合层磁化方向相反，降低整体结构的总磁矩，从而降低写入电流，实现高的器件耐擦写能力。此外，该结构可获得较高的TMR，提高了数据读取速度。

Description

磁性隧道结自由层及具有其的磁性隧道结结构
技术领域
本发明涉及磁隧道结技术领域，具体而言，涉及一种磁性隧道结自由层及具有其的磁性隧道结结构。
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，其核心存储单元为磁隧道结(MTJ)结构。典型的MTJ结构主要由钉扎层、势垒层和自由层组成。钉扎层也称为参考层，它的磁化方向保持不变，仅改变自由层的磁化方向使之与钉扎层同向或反向。MTJ结构依靠量子隧穿效应使电子通过势垒层。极化电子的隧穿概率和钉扎层与自由层的相对磁化方向有关。当钉扎层与自由层的磁化方向相同时，极化电子的隧穿概率较高，此时，MTJ结构表现为低电阻状态(Rp)；而当钉扎层与自由层磁化方向相反时，极化电子的隧穿概率较低，此时，MTJ结构表现为高电阻状态(Rap)。MRAM分别利用MTJ结构的Rp状态和Rap状态来表示逻辑状态“1”和“0”，从而实现数据的存储。隧穿磁电阻值表示为：TMR＝100％×(Rap-Rp)/Rp。
STT-MRAM利用电流的自旋转移力矩效应(STT)对MRAM进行写入操作。当自旋极化电流经过一磁性薄膜时，极化电流会与磁性薄膜的局域电子发生交换相互作用，从而对磁性薄膜的局域磁矩施加一个力矩，使之倾向于与自旋极化电流的极化方向相同，这一现象称为自旋转移力矩效应(STT效应)。对磁性薄膜施加一个与之磁化方向相反的极化电流，当极化电流强度超过一定阈值时，磁性薄膜本身的磁矩即可发生翻转。利用自旋转移力矩效应可以使得MTJ结构的自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向平行或反平行，从而实现“写”操作。
MRAM应用要求MTJ结构同时具有较高的耐擦写能力(endurance)和数据保存能力(data retention)。要获得良好的数据保持能力，MTJ结构的自由层需要较高的垂直磁各向异性能。通常自由层的垂直磁各向异性能越高，所需要的写入电流就越大。由于STT-MRAM写入过程中，电流需要通过势垒层，在多次写入MTJ结构后，势垒层会发生击穿，从而导致器件失效。器件所需要的写入电流越大，越不利于耐擦写能力的提升。
因此，现有技术中的MTJ结构亟需解决同时保持高数据保存能力和高耐擦写能力的这一难题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种磁性隧道结自由层及具有其的磁性隧道结结构，以解决现有技术中磁性隧道结结构难以同时保持高数据保存能力和高耐擦写能力的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种磁性隧道结自由层，包括沿第一方向顺序层叠的第一磁性复合层、反铁磁间隔结构和第二磁性复合层，在反铁磁间隔结构的作用下第一磁性复合层与第二磁性复合层呈反铁磁耦合，磁化方向相反。
进一步地，第一磁性复合层包括沿第一方向顺序层叠的第一铁磁层、第一间隔层和第二铁磁层，第一铁磁层和第二铁磁层的磁化方向相同，且磁化方向均垂直于薄膜界面。
进一步地，第一间隔层的材料包括Ta、Mo、W、Ti、Hf、Zr、Nb、TaN、TiN、NbN、TaB、TiB、MoB、HfB、ZrB、NbN与WB中的任一种或多种。
进一步地，第二磁性复合层包括沿第一方向顺序层叠的第三铁磁层、第二间隔层和第四铁磁层，第三铁磁层和第四铁磁层的磁化方向相同，且磁化方向均垂直于薄膜界面。
进一步地，第二间隔层的材料包括Ta、Mo、W、Ti、Hf、Zr、Nb、TaN、TiN、NbN、TaB、TiB、MoB、HfB、ZrB、NbN与WB中的任一种或多种。
进一步地，反铁磁间隔结构包括沿第一方向或与第一方向相反的方向顺序层叠的间隔膜和反铁磁耦合层，间隔膜为非磁间隔层，或间隔膜包括沿第一方向叠置的多层间隔子膜，间隔子膜中的至少一层为非磁性间隔子膜。
进一步地，非磁间隔层或非磁性间隔子膜为氧化物，优选非磁间隔层或非磁性间隔子膜的材料包括MgO、AlOx、MgAlOx、TiOx、TaOx、GaOx和FeOx中的任一种或多种。
进一步地，反铁磁耦合层的材料包括Ru、Ir和Cr中的任一种或多种。
进一步地，磁性隧道结自由层还包括位于第二磁性复合层远离反铁磁间隔结构一侧的增强层，优选增强层为氧化物，更优选增强层的材料包括MgO、AlOx、MgAlOx、TiOx、TaOx、GaOx和FeOx中的任一种或多种。
根据本发明的另一方面，提供了一种磁性隧道结，包括依次叠置的参考层、势垒层和自由层，该自由层为上述的磁性隧道结自由层。
应用本发明的技术方案，提供了一种磁性隧道结自由层，包括顺序层叠的参考层、势垒层和自由层，自由层包括沿远离势垒层的方向顺序层叠的第一磁性复合层、反铁磁间隔结构和第二磁性复合层，第一磁性复合层与第二磁性复合层呈反铁磁耦合，磁化方向相反。由于上述结构采用多层磁性复合层，在控制磁化方向垂直于薄膜界面的同时，增加磁性层的总体厚度，从而增大器件的数据保持能力。并且，为降低写入电流，上述结构使得不同的磁性复合层磁化方向相反，降低整体结构的总磁矩，从而降低写入电流，实现高的器件耐擦写能力。此外，该结构可获得较高的TMR，提高了数据读取速度。
附图说明
构成本发明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方式所提供的一种磁性隧道结自由层的剖面结构示意图；
图2示出了根据本发明实施方式所提供的另一种磁性隧道结自由层的剖面结构示意图；
图3示出了一种具有图1所示的磁性隧道结自由层的磁性隧道结的剖面结构示意图；以及
图4示出了一种具有图2所示的磁性隧道结自由层的磁性隧道结的剖面结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、人工反铁磁体；20、结构过渡层；30、参考层；40、势垒层；50、第一磁性复合层；510、第一铁磁层；520、第一间隔层；530、第二铁磁层；60、反铁磁间隔结构；610、间隔膜；620、反铁磁耦合层；70、第二磁性复合层；710、第三铁磁层；720、第二间隔层；730、第四铁磁层；80、增强层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明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。
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“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，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、系统、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。
如本申请背景技术中所描述的，现有技术中的MTJ结构亟需解决同时保持高数据保存能力和高耐擦写能力的这一难题。本发明的申请人为了解决上述技术问题，提供了一种磁性隧道结自由层，其特征在于，包括沿第一方向顺序层叠的第一磁性复合层50、反铁磁间隔结构60和第二磁性复合层70，在反铁磁间隔结构60的作用下第一磁性复合层50与第二磁性复合层70呈反铁磁耦合，磁化方向相反。
由于上述磁性隧道结自由层采用多层磁性复合层，在控制磁化方向垂直于薄膜界面的同时，增加磁性层的总体厚度，从而增大器件的数据保持能力。并且，为降低写入电流，上述反铁磁间隔结构使得不同的磁性复合层磁化方向相反，降低整体结构的总磁矩，从而降低写入电流，实现高的器件耐擦写能力。此外，该磁性隧道结自由层可获得较高的TMR，提高了数据读取速度。
在本发明的上述磁性隧道结自由层中，第一磁性复合层50可以包括沿第一方向顺序层叠的第一铁磁层510、第一间隔层520和第二铁磁层530，第一铁磁层510和第二铁磁层530的磁化方向相同，且磁化方向均垂直于薄膜界面，如图1和图2所示。
上述第一铁磁层510和第二铁磁层530均为铁磁或亚铁磁性材料，优选地，上述第一铁磁层510和第二铁磁层530的材料独立地选自Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB、NiFeB、CoNiB、CoFeNiB、FePt、FePd、CoPt、CoPd、CoFePt、CoFePd、FePtPd、CoPtPd与CoFePtPd中的任一种或多种，以实现较强的磁化效果。
优选地，上述第一间隔层520的材料包括Ta、Mo、W、Ti、Hf、Zr、Nb、TaN、TiN、NbN、TaB、TiB、MoB、HfB、ZrB、NbN与WB中的任一种或多种。上述材料可保证第一间隔层520两侧的第一铁磁层510和第二铁磁层530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，另外，第一间隔层520与两侧磁性层间的界面作用可增强自由层的垂直磁各向异性，改善自由层的界面特性，进而改善MTJ器件的性能。
在本发明的上述磁性隧道结自由层中，第二磁性复合层70可以包括沿第一方向顺序层叠的第三铁磁层710、第二间隔层720和第四铁磁层730，第三铁磁层710和第四铁磁层730的磁化方向相同，且磁化方向均垂直于薄膜界面，如图1和图2所示。
上述第三铁磁层710和上述第四铁磁层730均为铁磁或亚铁磁性材料，优选地，第三铁磁层710和第四铁磁层730的材料独立地选自Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB、NiFeB、CoNiB、CoFeNiB、FePt、FePd、CoPt、CoPd、CoFePt、CoFePd、FePtPd、CoPtPd与CoFePtPd中的任一种或多种。
优选地，第二间隔层720的材料包括Ta、Mo、W、Ti、Hf、Zr、Nb、TaN、TiN、NbN、TaB、TiB、MoB、HfB、ZrB、NbN与WB中的任一种或多种。上述材料可保证第二间隔层720两侧的第三铁磁层710和第四铁磁层730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，另外，第二间隔层720与两侧磁性层间的界面作用可增强自由层的垂直磁各向异性，改善自由层的界面特性，进而改善MTJ器件的性能。
在本发明的上述磁性隧道结自由层中，在反铁磁间隔结构60能够使第一磁性复合层50与第二磁性复合层70呈反铁磁耦合，磁化方向相反，在一种优选的实施方式中，反铁磁间隔结构60包括沿第一方向顺序层叠的间隔膜610和反铁磁耦合层620，如图1所示。
在另一种优选的实施方式中，反铁磁间隔结构60包括沿与第一方向相反的方向顺序层叠的间隔膜610和反铁磁耦合层620，如图2所示。
上述间隔膜610可以为单层的为非磁间隔膜，也可以包括沿所述第一方向叠置的多层间隔子膜，且间隔子膜中的至少一层为非磁性间隔子膜。
为了提升第一磁性复合层50的垂直磁各向异性能，优选地，上述非磁间隔膜或非磁性间隔子膜为氧化物；更为优选地，上述非磁间隔层或非磁性间隔子膜的材料包括MgO、AlOx、MgAlOx、TiOx、TaOx、GaOx和FeOx中的任一种或多种。
为了使第一磁性复合层50和第二磁性复合层70呈反铁磁耦合，磁化方向相反，上述反铁磁耦合层620的材料可以包括Ru、Ir和Cr中的任一种或多种，但并不局限于上述优选的种类，本领域技术人员可以根据现有技术对上述反铁磁耦合层620的种类进行合理选取。
本发明的上述磁性隧道结自由层还可以包括位于第二磁性复合层70远离反铁磁间隔结构60一侧的增强层80，如图1和图2所示，上述增强层80能够提升第二磁性复合层70的垂直磁各向异性能。
优选地，上述增强层80为氧化物，更为优选地，上述增强层80的材料包括MgO、AlOx、MgAlOx、TiOx、TaOx、GaOx和FeOx中的任一种或多种。
根据本发明的另一方面，还提供了一种磁性隧道结，包括依次叠置的参考层30、势垒层40和上述的磁性隧道结自由层，如图3和图4所示。
由于上述磁性隧道结中的自由层采用多层磁性复合层，在控制磁化方向垂直于薄膜界面的同时，增加磁性层的总体厚度，从而增大器件的数据保持能力。并且，为降低写入电流，上述反铁磁间隔结构使得不同的磁性复合层磁化方向相反，降低整体结构的总磁矩，从而降低写入电流，实现高的器件耐擦写能力。
在一种优选的实施方式中，本发明的上述磁性隧道结结构还包括沿参考层30远离势垒层40的一侧顺序层叠的人工反铁磁体10和结构过渡层20，如图3和图4所示。上述人工反铁磁体10用于增加参考层30的翻转场，使得器件在写入过程中参考层磁化方向保持不变，仅改变自由层的磁化方向，此外，人工反铁磁结构可降低自由层的偏置场，避免自由层在某一个磁化方向不稳定的现象；上述结构过渡层20用于人工反铁磁体10和参考层30之间的结构过渡，人工反铁磁体10通常为(111)晶体取向，而要实现高TMR，参考层30需要实现(001)晶体取向，因此在二者中间加入一层非晶结构过渡层，使得人工反铁磁体10和参考层30能各自实现最佳晶化取向。
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
本实施例提供的自由层包括依次沉积的第一铁磁层510、第一间隔层520、第二铁磁层530、间隔膜610、反铁磁耦合层620、第三铁磁层710、第二间隔层720和第四铁磁层730。其中，第一铁磁层510、第二铁磁层530、第三铁磁层710和第四铁磁层730均为CoFeB合金，厚度均为1nm；第一间隔层520和第二间隔层720均为W，厚度为0.3nm；间隔膜610为单层非磁间隔膜，材料为MgO，厚度为1nm；反铁磁耦合层620为Ru，厚度为1nm。
实施例2
本实施例提供的自由层包括依次沉积的第一铁磁层510、第一间隔层520、第二铁磁层530、反铁磁耦合层620、间隔膜610、第三铁磁层710、第二间隔层720和第四铁磁层730。其中，第一铁磁层510、第二铁磁层530、第三铁磁层710和第四铁磁层730均为CoFeB合金，厚度均为1nm；第一间隔层520和第二间隔层720均为W，厚度为0.3nm；间隔膜610为单层非磁间隔膜，材料为MgO，厚度为1.2nm；反铁磁耦合层620为Ru，厚度为0.8nm。
实施例3
本实施例提供的自由层包括依次沉积的第一铁磁层510、第一间隔层520、第二铁磁层530、间隔膜610、反铁磁耦合层620、第三铁磁层710、第二间隔层720、第四铁磁层730和增强层80。其中，第一铁磁层510、第二铁磁层530、第三铁磁层710和第四铁磁层730均为CoFeB合金，厚度均为1nm；第一间隔层520和第二间隔层720均为W，厚度为0.3nm；间隔膜610为单层非磁间隔膜，材料为MgO，厚度为1.3nm；反铁磁耦合层620为Ru，厚度为0.5nm；增强层为MgAl2O4，厚度为1.3.nm。
实施例4
本实施例提供的磁性隧道结包括依次叠置的参考层30、势垒层40以及实施例1中的自由层，参考层30的材料为CoFeB，厚度为1nm；势垒层40的材料为MgO，厚度为1nm。
实施例5
本实施例提供的磁性隧道结包括依次叠置的参考层30、势垒层40以及实施例2中的自由层，参考层30的材料为CoFeB，厚度为1nm；势垒层40的材料为MgO，厚度为1nm。
实施例6
本实施例提供的磁性隧道结包括依次叠置的参考层30、势垒层40以及实施例3中的自由层，参考层30的材料为CoFeB，厚度为1nm；势垒层40的材料为MgO，厚度为1nm。
实施例7
本实施例提供的磁性隧道结包括依次叠置的人工反铁磁体10、结构过渡层20、参考层30、势垒层40以及实施例1中的自由层。其中，人工反铁磁体10的材料为(Co0.5/Pt0.5)7/Ru0.45/(Co0.5/Pt0.5)3,厚度单位为nm,括号外数字为Co/Pt结构重复次数，结构过渡层20的材料为Ta，厚度为0.3nm；参考层30的材料为CoFeB，厚度为1nm；势垒层40的材料为MgO，厚度为1nm。
对比例1
本实施例提供的磁性隧道结包括依次叠置的参考层、势垒层和自由层，自由层包括层叠的第一磁性层、非磁性中间层和第二磁性层。其中，第一磁性层和第二磁性层为CoFeB合金，厚度均为1nm；非磁性中间层为W，厚度为0.3nm。
分别对包含本本申请各实施例和各对比例中磁性隧道结的MTJ器件的TMR、数据保持指标(Delta)、耐擦写能力(endurance)指标进行测试，测试结果如下表所示。
表1
/ TMR 数据保持指标 耐擦写能力
实施例4 200％ 113 1E7
实施例5 200％ 115 2E8
实施例6 210％ 125 3E8
实施例7 205％ 113 3E7
对比例1 190％ 65 1E6
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：
1、由于上述磁性隧道结自由层采用多层磁性复合层，在控制磁化方向垂直于薄膜界面的同时，增加磁性层的总体厚度，从而增大器件的数据保持能力；
2、为降低写入电流，上述反铁磁间隔结构使得不同的磁性复合层磁化方向相反，降低整体结构的总磁矩，从而降低写入电流，实现高的器件耐擦写能力；
3、上述磁性隧道结可获得较高的TMR，提高了数据读取速度。
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 (10)

1.一种磁性隧道结自由层，其特征在于，包括沿第一方向顺序层叠的第一磁性复合层(50)、反铁磁间隔结构(60)和第二磁性复合层(70)，在所述反铁磁间隔结构(60)的作用下所述第一磁性复合层(50)与所述第二磁性复合层(70)呈反铁磁耦合，磁化方向相反。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结自由层，其特征在于，所述第一磁性复合层(50)包括沿所述第一方向顺序层叠的第一铁磁层(510)、第一间隔层(520)和第二铁磁层(530)，所述第一铁磁层(510)和所述第二铁磁层(530)的磁化方向相同，且磁化方向均垂直于薄膜界面。
3.根据权利要求2所述的磁性隧道结自由层，其特征在于，所述第一间隔层(520)的材料包括Ta、Mo、W、Ti、Hf、Zr、Nb、TaN、TiN、NbN、TaB、TiB、MoB、HfB、ZrB、NbN与WB中的任一种或多种。
4.根据权利要求1所述的磁性隧道结自由层，其特征在于，所述第二磁性复合层(70)包括沿所述第一方向顺序层叠的第三铁磁层(710)、第二间隔层(720)和第四铁磁层(730)，所述第三铁磁层(710)和所述第四铁磁层(730)的磁化方向相同，且磁化方向均垂直于薄膜界面。
5.根据权利要求4所述的磁性隧道结自由层，其特征在于，所述第二间隔层(720)的材料包括Ta、Mo、W、Ti、Hf、Zr、Nb、TaN、TiN、NbN、TaB、TiB、MoB、HfB、ZrB、NbN与WB中的任一种或多种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁性隧道结自由层，其特征在于，所述反铁磁间隔结构(60)包括沿所述第一方向或与所述第一方向相反的方向顺序层叠的间隔膜(610)和反铁磁耦合层(620)，所述间隔膜(610)为非磁间隔层，或所述间隔膜(610)包括沿所述第一方向叠置的多层间隔子膜，所述间隔子膜(610)中的至少一层为非磁性间隔子膜。
7.根据权利要求6所述的磁性隧道结自由层，其特征在于，所述非磁间隔层或所述非磁性间隔子膜为氧化物，优选所述非磁间隔层或所述非磁性间隔子膜的材料包括MgO、AlOx、MgAlOx、TiOx、TaOx、GaOx和FeOx中的任一种或多种。
8.根据权利要求6所述的磁性隧道结自由层，其特征在于，所述反铁磁耦合层(620)的材料包括Ru、Ir和Cr中的任一种或多种。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的磁性隧道结自由层，其特征在于，所述磁性隧道结自由层还包括位于所述第二磁性复合层(70)远离所述反铁磁间隔结构(60)一侧的增强层(80)，优选所述增强层(80)为氧化物，更优选所述增强层(80)的材料包括MgO、AlOx、MgAlOx、TiOx、TaOx、GaOx和FeOx中的任一种或多种。
10.一种磁性隧道结，包括依次叠置的参考层(30)、势垒层(40)和自由层，其特征在于，所述自由层为权利要求1至9中任一项所述的磁性隧道结自由层。
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