CN114613904A - 磁性隧道结器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁性隧道结器件,包括:层叠设置的参考层、势垒层、自由层和盖层,参考层具有与参考层的平面大致垂直的固定磁化,自由层具有与自由层的平面大致垂直并且能够在与参考层的磁化方向平行或者反平行之间进行转换的磁化,自由层的磁阻尼系数小于0.003。本发明能够降低磁性隧道结器件的临界翻转电流。
Description
技术领域
本发明涉及磁阻式随机存取存储器技术领域,尤其涉及一种磁性隧道结器件及其制造方法。
背景技术
磁阻式随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)是一种新型固态非易失性记忆体。MRAM的核心单元是磁性隧道结器件(Magnetic Tunnel Junction,MTJ),MTJ由自由层、参考层以及夹在两者之间的势垒层构成。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(电阻较低)或反平行(电阻较高),以此实现写“0”或“1”。
对于磁性隧道结器件来说,写入电流的大小直接影响器件的功耗,写入电流越大,器件功耗也越大。因此为了降低器件功耗,有必要提出一种具有较低临界翻转电流的磁性隧道结器件。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种磁性隧道结器件,降低了器件磁阻尼系数,从而降低了器件的临界翻转电流。
第一方面,本发明提供一种磁性隧道结器件,包括:层叠设置的参考层、势垒层、自由层和盖层,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,所述自由层具有与所述自由层的平面大致垂直并且能够在与所述参考层的磁化方向平行或者反平行之间进行转换的磁化,所述自由层的磁阻尼系数小于0.003。
可选地,所述自由层为包含硼(B)的铁磁层。
可选地,所述自由层具有复合结构,所述自由层包括:
第一铁磁层,与所述势垒层相邻设置,所述第一铁磁层的磁阻尼系数小于0.004;
第二铁磁层,设置于所述第一铁磁层远离所述势垒层的一侧,所述第二铁磁层的磁阻尼系数小于0.002。
可选地,所述第一铁磁层为具有第一硼含量的铁磁层,所述第一硼含量介于15%~30%;
所述第二铁磁层为具有第二硼含量的铁磁层,所述第二硼含量大于所述第一硼含量。
可选地,所述第一铁磁层的材料选自Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任一种;
所述第二铁磁层的材料选自Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种,其中x取值0.5-0.75之间。
可选地,所述自由层包括插入层,所述插入层位于所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间。
第二方面,本发明提供一种磁性隧道结器件的制造方法,包括:
形成参考层薄膜;
在所述参考层薄膜上形成势垒层薄膜;
在所述势垒层薄膜上沉积自由层薄膜;
对所述自由层薄膜进行高温退火处理,以形成大晶粒的自由层薄膜;
用硼元素填充所述自由层薄膜的颗粒边界;
对形成的所述参考层薄膜、势垒层薄膜和自由层薄膜进行光刻和刻蚀。
可选地,其中沉积自由层薄膜,包括:
沉积包含硼(B)的铁磁层薄膜。
可选地,其中沉积自由层薄膜,包括:
沉积具有第一硼含量的第一铁磁层薄膜,所述第一硼含量介于15%~30%;
在所述第一铁磁层薄膜上沉积具有第二硼含量的第二铁磁层薄膜,所述第二硼含量大于所述第一硼含量。
可选地,其中沉积自由层薄膜,包括:
沉积第一铁磁层薄膜,所述第一铁磁层薄膜的材料选自Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任一种;
在所述第一铁磁层薄膜上沉积第二铁磁层薄膜,所述第二铁磁层薄膜的材料选自Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种,其中x取值0.5-0.75之间。
第三方面,本发明提供一种磁阻式随机存取存储器,所述磁阻式随机存取存储器包括如第一方面提供的磁性隧道结器件。
本发明提供的磁性隧道结器件,改进了自由层结构,自由层具有小于0.003的低磁阻尼系数,降低了MTJ器件整体的磁阻尼系数,从而降低器件的临界翻转电流,降低器件功耗。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的磁性隧道结器件的结构示意图;
图2为本发明一实施例提供的磁性隧道结器件的结构示意图。
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,但是应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本公开的范围。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。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的,其中为了清楚表达的目的,放大了某些细节,并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的,实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差,并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中,当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时,该层/元件可以直接位于该另一层/元件上,或者它们之间可以存在居中层/元件。另外,如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”,那么当调转朝向时,该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
已知的,要使磁性隧道结的自由层发生翻转,写入电流需要超过磁性隧道结器件的临界翻转电流Ic0,临界翻转电流Ic0越大,器件相应的功耗也越大。因此,需要适当地降低器件的临界翻转电流。研究表明,临界翻转电流Ic0与器件磁阻尼系数α成正相关,因此可以通过降低器件磁阻尼系数α,实现降低器件的临界翻转电流。
图1示出了本发明实施例提供的一种磁性隧道结器件100的剖面结构示意图。如图1所示,本发明实施例提供了一种磁性隧道结器件100,该器件包括:从下至上依次叠置的参考层101、势垒层102、自由层103和盖层104,盖层104为一层重金属,例如Ta,可以起到保护作用。其中,参考层101具有与参考层平面大致垂直的固定磁化,自由层103具有与自由层平面大致垂直并且能够在与参考层101的磁化方向平行或者反平行之间进行转换的磁化,自由层103的磁阻尼系数小于0.003。
在本发明实施例中,为了使自由层103的磁阻尼系数小于0.003,可以通过如下几种方式实现。
1、可以提高自由层的结晶颗粒,降低颗粒边界造成的磁阻尼系数增加。这可以通过层状生长实现及随后的高温退火实现。典型地,为了实现自由层层状生长,可以降低沉积速度,降低磁控溅射时原子抵达晶圆的能量,比如加大晶圆与靶的距离,增加沉积时的气压等。还可以控制晶圆的温度,使沉积的膜成非晶态,颗粒的生长完全由其后的高温退火形成,这样有利于形成大颗粒,同时满足晶格匹配要求。
2、颗粒边界用轻元素(例如B)填充,可以抑制盖层的重金属扩散到界面,减低pump效应。形成的自由层103是包含硼(B)的铁磁层,例如可以是CoFeB合金。
3、如图2所示,自由层103可以采用分层的复合结构,包括与势垒层102相邻设置的第一铁磁层1031和设置于第一铁磁层1031远离势垒层102的一侧的第二铁磁层1033,本实施例中,第一铁磁层1031的磁阻尼系数小于0.004,第二铁磁层1033的磁阻尼系数小于0.002。
作为一种实施方式,第一铁磁层1031采用较低浓度的硼,离势垒层102较远的第二铁磁层1033采用较高浓度的硼,使其扩散到颗粒边界,减低pump效应。例如,第一铁磁层1031的硼含量在15%~30%之间,第二铁磁层1033的硼含量在20%~60%之间,保证第二铁磁层1033的硼含量大于第一铁磁层1031的硼含量,形成的自由层可以包括两层硼含量不同的CoFeB合金。
作为一种实施方式,第二铁磁层1033可以采用磁阻尼系数较低的材料,达到有效降低阻尼系数α的作用。例如,第二铁磁层1033的材料选自Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种,其中x取值0.5-0.75之间。第一铁磁层1031还是采用常规材料,例如Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任一种。
进一步地,第一铁磁层1031和第二铁磁层1033之间可以包括非磁性插入层1032,最好是可以吸收硼(B)又比较轻的重金属材料,可选的典型材料有Ta、Mo、W、Hf、Nb、V、Y、Cr、Ru等材料。
上述实施例提供的磁性隧道结器件,自由层具有小于0.003的低磁阻尼系数,降低了MTJ器件整体的磁阻尼系数,从而降低器件的临界翻转电流,降低器件功耗。
本发明实施例提供一种磁性隧道结器件的制造方法,可以用来制造上述实施例中的具有低磁阻尼系数的磁性隧道结器件,具体包括:
步骤301,形成参考层薄膜。
步骤302,在参考层薄膜上形成势垒层薄膜。
步骤303,在势垒层薄膜上沉积自由层薄膜。
步骤304,对自由层薄膜进行高温退火处理,以形成大晶粒的自由层薄膜。
步骤305,用硼元素填充自由层薄膜的颗粒边界。
步骤306,对形成的参考层薄膜、势垒层薄膜和自由层薄膜进行光刻和刻蚀。
具体地,在步骤303中,由于要形成低磁阻尼系数的自由层薄膜,改进了沉积工艺。首先在势垒层薄膜上沉积自由层薄膜,使用较低的沉积速度,降低磁控溅射时原子抵达晶圆的能量,使用较高的气压,例如介于15-25mtorr,然后对沉积的自由层薄膜进行高温退火处理,以形成大晶粒的自由层薄膜;最后用硼(B)元素填充所述自由层薄膜的颗粒边界。
在本实施例中,可以沉积一层包含硼(B)的铁磁层薄膜,例如CoFeB。也可以分层沉积自由层薄膜,先在势垒层薄膜上沉积一层具有第一硼含量的第一铁磁层薄膜,接着在第一铁磁层薄膜上沉积具有第二硼含量的第二铁磁层薄膜,第二硼含量大于第一硼含量。第一硼含量一般在15%~30%之间,第二硼含量一般在20%~60%之间。两层铁磁层薄膜可以为CoFeB。
作为另一种实施方式,可以改变两层铁磁层的材料,第二铁磁层的材料可以选择具有磁阻尼系数较低的材料,达到有效降低阻尼系数α的作用。例如,第二铁磁层的材料选自Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种,其中x取值0.5-0.75之间。第一铁磁层采用常规材料,例如Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任一种。
通过上述实施例提供的制造方法,可以用来制造具有低磁阻尼系数的磁性隧道结器件,降低器件的临界翻转电流。
进一步地,本发明实施例还提供一种磁阻式随机存取存储器,该磁阻式随机存取存储器包括上述磁性隧道结器件。
在以上的描述中,对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解,可以通过各种技术手段,来形成所需形状的层、区域等。另外,为了形成同一结构,本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外,尽管在以上分别描述了各实施例,但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
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 (11)
1.一种磁性隧道结器件,其特征在于,包括:依次层叠设置的参考层、势垒层、自由层和盖层,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,所述自由层具有与所述自由层的平面大致垂直并且能够在与所述参考层的磁化方向平行或者反平行之间进行转换的磁化,所述自由层的磁阻尼系数小于0.003。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结器件,其特征在于,所述自由层为包含硼(B)的铁磁层。
3.根据权利要求1所述的磁性隧道结器件,其特征在于,所述自由层具有复合结构,所述自由层包括:
第一铁磁层,与所述势垒层相邻设置,所述第一铁磁层的磁阻尼系数小于0.004;
第二铁磁层,设置于所述第一铁磁层远离所述势垒层的一侧,所述第二铁磁层的磁阻尼系数小于0.002。
4.根据权利要求3所述的磁性隧道结器件,其特征在于,
所述第一铁磁层为具有第一硼含量的铁磁层,所述第一硼含量介于15%~30%;
所述第二铁磁层为具有第二硼含量的铁磁层,所述第二硼含量大于所述第一硼含量。
5.根据权利要求3所述的磁性隧道结器件,其特征在于,
所述第一铁磁层的材料选自Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任一种;
所述第二铁磁层的材料选自Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种,其中x取值0.5-0.75之间。
6.根据权利要求3所述的磁性隧道结器件,其特征在于,所述自由层包括插入层,所述插入层位于所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间。
7.一种磁性隧道结器件的制造方法,其特征在于,包括:
形成参考层薄膜;
在所述参考层薄膜上形成势垒层薄膜;
在所述势垒层薄膜上沉积自由层薄膜;
对所述自由层薄膜进行高温退火处理,以形成大晶粒的自由层薄膜;
用硼元素填充所述自由层薄膜的颗粒边界;
对所述参考层薄膜、势垒层薄膜和自由层薄膜进行光刻和刻蚀。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,其中沉积自由层薄膜包括:
沉积包含硼(B)的铁磁层薄膜。
9.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,其中沉积自由层薄膜包括:
沉积具有第一硼含量的第一铁磁层薄膜,所述第一硼含量介于15%~30%;
在所述第一铁磁层薄膜上沉积具有第二硼含量的第二铁磁层薄膜,所述第二硼含量大于所述第一硼含量。
10.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,其中沉积自由层薄膜包括:
沉积第一铁磁层薄膜,所述第一铁磁层薄膜的材料选自Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任一种;
在所述第一铁磁层薄膜上沉积第二铁磁层薄膜,所述第二铁磁层薄膜的材料选自Fe2CoSi、Fe2CoSiB、Co2MnSi、Co2MnGe、Fe2Cr(1-x)CoxSi和Co(2-x)Fe(1+x)Si中的一种,其中x取值0.5-0.75之间。
11.一种磁阻式随机存取存储器,其特征在于,包括如权利要求1至6中任一项所述的磁性隧道结器件。
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