CN117178362A - 磁性器件及其制作方法、磁性存储器、电子设备 - Google Patents

磁性器件及其制作方法、磁性存储器、电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种磁性器件及其制作方法、磁性存储器、电子设备，涉及磁性隧道结技术领域；能够解决因过渡金属‑稀土亚铁磁合金材料的垂直磁各向异性的退火耐受性较差而无法应用在磁性隧道结中的问题。该磁性器件包括磁性隧道结；磁性隧道结包括依次堆叠设置的钉扎层、参考层、势垒层、自由层。其中，钉扎层或自由层中的至少一个包括：过渡金属‑稀土亚铁磁合金薄膜以及位于过渡金属‑稀土亚铁磁合金薄膜表面的氧化物层。

Description

磁性器件及其制作方法、磁性存储器、电子设备 技术领域
本申请涉及磁性隧道结技术领域，尤其涉及一种磁性器件及其制作方法、磁性存储器、电子设备。
背景技术
亚铁磁材料是一种区别于铁磁和反铁磁，又兼具二者特点的材料。过渡金属-稀土亚铁磁合金(transition metal rare earth ferrimagnetic alloy，TM-RE)材料作为亚铁磁材料中重要的一类材料，因其无定型态，并能通过调节合金元素及组分配比调控其宏观净磁矩、体垂直磁各向异性(bulk perpendicular magnetic anisotropy，b-PMA)等性质而被广泛研究和应用。
TM-RE材料在磁性隧道结(magnetic tunneling junction，MTJ)中具有广阔的应用前景，但是由于TM-RE材料的垂直磁各向异性的退火耐受性较差，在制备包含MTJ的磁性器件的过程中，由于后道退火工艺的温度常常会超过400℃并维持半个小时以上，从而导致TM-RE材料无法直接应用在MTJ中。
发明内容
本申请实施例提供一种磁性器件及其制作方法、磁性存储器、电子设备，能够解决因TM-RE合金材料的垂直磁各向异性的退火耐受性较差而无法应用在MTJ中的问题。
本申请提供一种磁性器件(也可以称为MTJ器件)，该磁性器件中包括磁性隧道结(MTJ)。其中，磁性隧道结包括依次堆叠设置的钉扎层、参考层、势垒层、自由层；钉扎层或自由层中的至少一个包括：过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜(TM-RE薄膜)和以及位于TM-RE薄膜表面的氧化物层；也即氧化物层位于TM-RE薄膜靠近或远离势垒层一侧的表面。也即，可以是MTJ的自由层中包括TM-RE薄膜和氧化物层；也可以是MTJ的钉扎层中包括TM-RE薄膜和氧化物层；还可以是MTJ的自由层和钉扎层中均设置有TM-RE薄膜和氧化物层。
在该磁性器件中，通过设置MTJ的部分膜层采用TM-RE薄膜，并且在TM-RE薄膜的至少一个表面设置氧化物层。这样一来，磁性器件在进行后道退火过程中氧化物层中的氧原子扩散进入TM-RE材料，氧原子的2p轨道与TM-RE材料中的过渡金属元素的3d轨道中含有z分量(即垂直TM-RE的方向的分量)轨道杂化，使得TM-RE材料的电子自旋排布取向偏向垂直薄膜方向，也即通过氧化物层向TM-RE薄膜提供了额外的垂直磁各向异性来源，从而提升了TM-RE薄膜的垂直磁各向异性的退火耐受性，进而使得TM-RE材料能够应用至MTJ。
另外，由于TM-RE材料具有非晶态的特性，从而能够使得与之相邻生长的薄膜不会因为晶格不匹配而导致层间的应力以及由于多层结构生长导致的粗糙度的累积，这样一来，可以直接在TM-RE薄膜表面形成对界面平整度要求较高的其他膜层，而无需额外制 作中间膜层来保证界面平整度，进而提升了磁性器件各膜层整体的平整度，提升了磁性器件的整体性能。
在一些可能实现的方式中，TM-RE薄膜中包括TM-RE材料；TM-RE材料中的过渡金属元素包括Co，Fe或Ni中的至少一种；TM-RE材料中的稀土元素包括Tb，Gd，Dy或Eu中的至少一种。
在一些可能实现的方式中，TM-RE材料还包括Ta，W，Si，B或C中的至少一种掺杂元素。
在一些可能实现的方式中，TM-RE薄膜中包括CoTb，FeTb，CoGd，CoTbB，FeTbB或CoGdB中的至少一种。
在一些可能实现的方式中，氧化物层中的氧化物包括含镁氧化物，含铜氧化物，含铝氧化物，含锌氧化物，含镍氧化物，含铬氧化物，含钛氧化物，含硅氧化物或含硒氧化物中的至少一种。
在一些可能实现的方式中，氧化物层中包括MgO，SiO 2或MgAlO 3中的至少一种。
在一些可能实现的方式中，MTJ的自由层采用复合自由层，该复合自由层包括依次堆叠设置的铁磁层、层间耦合层、TM-RE薄膜和氧化物层；其中，铁磁层与势垒层接触。也就是说，可以将TM-RE薄膜和氧化物层应用至MTJ的自由层中。在此情况下，通过将TM-RE薄膜和氧化物层应用至MTJ的复合自由层中，一方面，通过氧化物层向TM-RE薄膜提供了额外的垂直磁各向异性来源，从而提升了TM-RE薄膜的垂直磁各向异性的退火耐受性；另一方面，复合自由层基于TM-RE薄膜能够提供体垂直磁各向异性(b-PMA)。
在一些可能实现的方式中，MTJ的钉扎层中可以包括一个或多个TM-RE薄膜；其中，至少一个TM-RE薄膜在靠近和/或远离势垒层一侧的表面设置有氧化物层。也就是说，在钉扎层中，可以在至少一个TM-RE薄膜的上表面设置有氧化物层；也可以在至少一个TM-RE薄膜的下表面设置有氧化物层；还可以在至少一个TM-RE薄膜的下表面和下表面分别设置有氧化物层。在此情况下，通过将TM-RE薄膜和氧化物层应用至MTJ的钉扎层中，一方面，通过氧化物层向TM-RE薄膜提供了额外的垂直磁各向异性来源，从而提升了TM-RE薄膜的垂直磁各向异性的退火耐受性；另一方面，由于TM-RE材料作为一种亚铁磁铁料，其自身的磁矩很小，从而能够减小钉扎层的漏磁场，进而减小了对自由层的偏置场(offset)。
在一些可能实现的方式中，钉扎层通过TM-RE薄膜与参考层直接接触。在此情况下，可以直接在位于钉扎层中的TM-RE薄膜表面直接制作参考层。由于采用非晶态的TM-RE材料形成的TM-RE薄膜能够提升后续生长薄膜的平整度，无需考虑晶格不匹配产生的应力以及粗糙度累积，从而无需额外单独制作结构转化层来满足参考层对界面平整度的要求，同时简化了制作工艺。
在一些可能实现的方式中，钉扎层中包括一个TM-RE薄膜和一个氧化物层；TM-RE薄膜在远离势垒层一侧的表面设置有氧化物层。
在一些可能实现的方式中，钉扎层中包括两个TM-RE薄膜和一个氧化物层；氧化物层位于两个TM-RE薄膜之间。
在一些可能实现的方式中，钉扎层中包括两个氧化物层和一个TM-RE薄膜；TM-RE薄膜位于两个氧化物层之间。
本申请实施例还提供一种磁性器件的制作方法，该制作方法可以包括：制作磁性隧道结；其中，磁性隧道结包括依次堆叠设置的钉扎层、参考层、势垒层、自由层；钉扎层或自由层中的至少一个包括：过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜以及位于过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜表面的氧化物层。对制作形成的磁性隧道结进行退火处理。
采用本申请的磁性器件的制作方法，通过在形成钉扎层和/或自由层的过程中，制作TM-RE薄膜以及与TM-RE薄膜接触的氧化物层，从而在后续对形成的磁性隧道结进行退火处理时，通过氧化物层向TM-RE薄膜提供了额外的垂直磁各向异性来源，提升了TM-RE薄膜的垂直磁各向异性的退火耐受性，进而解决了相关技术中因TM-RE合金材料的垂直磁各向异性的退火耐受性较差而无法应用在MTJ中的问题。
在一些可能实现的方式中，上述制作磁性隧道结可以包括：依次制作参考层、势垒层、铁磁层、层间耦合层、过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜和氧化物层，以形成磁性隧道结；其中，依次制作的铁磁层、层间耦合层、过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜和氧化物层形成自由层。
在一些可能实现的方式中，上述制作磁性隧道结可以包括：依次制作氧化物层、过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜、层间耦合层、铁磁层、势垒层、参考层，以形成磁性隧道结；其中，依次制作的氧化物层、过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜、层间耦合层、铁磁层形成自由层。
对于上述在制作磁性隧道结的自由层(复合自由层)时采用过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜和氧化物层的两种制作方式而言：一方面，在后续对形成的磁性隧道结进行退火处理时，通过氧化物层向TM-RE薄膜提供了额外的垂直磁各向异性来源，从而提升了TM-RE薄膜的垂直磁各向异性的退火耐受性。另一方面，形成的复合自由层基于TM-RE薄膜能够提供体垂直磁各向异性。
在一些可能实现的方式中，上述制作磁性隧道结可以包括：依次制作氧化物层、过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜、参考层、势垒层、自由层，以形成磁性隧道结；其中，依次制作的氧化物层、过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜形成钉扎层。
在一些可能实现的方式中，上述制作磁性隧道结可以包括：依次制作自由层、势垒层、参考层、过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜、氧化物层，以形成磁性隧道结；其中，依次制作的过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜、氧化物层形成钉扎层。
对于上述在制作钉扎层时采用过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜和氧化物层的两种制作方式而言：一方面，在后续对形成的磁性隧道结进行退火处理时，通过氧化物层向TM-RE薄膜提供了额外的垂直磁各向异性来源，从而提升了TM-RE薄膜的垂直磁各向异性的退火耐受性。另一方面，由于形成的TM-RE薄膜采用的TM-RE材料为一种亚铁磁铁材料，其自身的磁矩很小，从而能够减小钉扎层的漏磁场，进而减小了对自由层的偏置场(offset)。
另外，由于采用非晶态的TM-RE材料形成的TM-RE薄膜能够提升后续生长薄膜的平整度，无需考虑晶格不匹配产生的应力以及粗糙度累积，因此上述在制作钉扎层采用TM-RE薄膜的情况下，可以直接将TM-RE薄膜与参考层直接接触，无需额外单独制作结构转化层来满足参考层对界面平整度的要求，同时简化了制作工艺。
本申请实施例还提供一种磁性存储器，该磁性存储器包括控制器以及如前述任一种可 能实现的方式中提供的磁性器件；磁性器件与控制器连接。
本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括印刷线路板以及如前述任一种可能实现的方式中提供的磁性存储器；磁性存储器与印刷线路板连接。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种MTJ的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种MTJ的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种MTJ的工作原理示意图；
图4为本申请实施例提供的一种MTJ器件的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种MTJ器件的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种MTJ器件的制作流程示意图；
图7为本申请实施例提供的三种TM-RE薄膜磁滞回线图；
图8为本申请实施例提供的一种MTJ器件的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种MTJ器件的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种MTJ器件的制作流程示意图；
图11为本申请实施例提供的一种电子设备的架构示意图；
图12为本申请实施例提供的一种磁性存储器中的存储单元结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。“连接”、“相连”等类似的词语，用于表达不同组件之间的互通或互相作用，可以包括直接相连或通过其他组件间接相连。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。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。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
本申请实施例提供一种电子设备，该电子设备中包括印刷线路板(printed circuit board，PCB)以及与该印刷线路板连接的磁性器件。其中，该磁性器件中设置有磁性隧道结(magnetic tunneling junction，MTJ)，该磁性器件也可以称为MTJ器件或MTJ元件。
本申请对于上述电子设备的设置形式不做限制。例如，该电子设备可以为手机、平板电脑、笔记本、车载电脑、智能手表、智能手环等电子产品。
本申请对于上述MTJ器件的应用领域不做限制。例如，该MTJ器件可以应用至磁随机存储器(magnetic random access memory，MRAM)、磁传感器(也可以称为MTJ sensor)等领域。
在本申请实施例提供的MTJ器件中，通过设置MTJ的部分膜层包含过渡金属-稀土亚铁磁合金(transition metal-rare earth ferrimagnetic alloy，TM-RE)材料，也即MTJ的部分膜层包含TM-RE薄膜。并且在TM-RE薄膜至少一个表面(也即上表面和下表面中的至少一个)设置与TM-RE薄膜直接接触的氧化物层，通过氧化物层向TM-RE薄膜提供了额外的垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)来源，从而提升了TM-RE薄膜的垂直磁各向异性的退火耐受性，进而解决了相关技术中因TM-RE合金材料的垂直磁各向异性的退火耐受性较差而无法应用在MTJ中的问题。
以下结合MTJ对TM-RE薄膜和氧化物层的设置进行示意的说明。
MTJ是一种可以根据器件内部的磁性材料的状态改变自身的电阻状态的器件。如图1所示，MTJ中包括依次堆叠设置的参考层1(reference layer)、势垒层2(tunneling barrier layer；也可以称为隧穿层)、自由层3(free layer)。当然，在一些可能实现的方式中，如图2所示，MTJ在参考层1远离势垒层2的一侧还可以设置有钉扎层4(hard layer)，以通过钉扎层4固定参考层1的磁矩。该钉扎层4可以与参考层1直接接触，也可以在钉扎层4与参考层1之间设置有其他的膜层(如结构转化层等)，实际中可以根据需要进行选择设置。以下实施例均是以MTJ中设置有钉扎层4为例进行示意说明的。
参考图3所示，在MTJ中，参考层1的磁化方向不变(也即磁性不变)，自由层3的磁性随控制电流或者其他磁性翻转机制改变而改变，从而使得自由层3与参考层1磁化方向平行或者反平行。当自由层3与参考层1的磁化方向同向平行时，电流沿MTJ层垒方向(也即垂直薄膜方向)通过时的电阻较小，此时MTJ呈现低电阻(即低阻态)；当自由层3与参考层1的磁化方向反向平行时，电流沿MTJ层垒方向通过时的电阻较大，此时MTJ呈现高电阻(即高阻态)。也就是说，MTJ可以在两种电阻状态(即高阻态和低阻态)中切换，这种性能被称作隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance，TMR)效应。
对于MRAM而言，在MRAM的内部设置有MTJ器件以及与MTJ器件连接的控制器，MRAM利用MTJ的隧穿磁阻效应，能够通过控制器基于MTJ的高、低电阻，分别对应于信息存储中一字节二进制信息的“0”和“1”，来判断存储数据的“0”态或者“1”态，进而实现信息存储。
对于磁传感器而言，在磁传感器的内部设置有MTJ器件以及与MTJ器件连接的感应电路。磁传感器利用MTJ的隧穿磁阻效应，能够通过外部的磁场变化改变自由层的磁化方向，并通过感应电路读取MTJ的电阻可以推出自由层的磁化状态，进而确定外磁场的方向或大小。
此处需要说明的是，图1和图2中均是以参考层1、势垒层2、自由层3从下到上依 次堆叠设置为例进行示意说明的。在另一些实施例中，参考层1、势垒层2、自由层3可以是从上到下依次堆叠，在此情况下，钉扎层4则设置在参考层1的上方。还需要说明的是，图3中仅是示意的以参考层1的磁化方向朝上为例进行示意说明的，在另一些实施例中，参考层1的磁化方向也可以朝下。
另外，本领域的技术人员可以理解的是，基于MTJ器件的制作以及控制，通常需要在MTJ的两侧设置有其他的膜层结构，如图4中示出的底电极E1、顶电极E2、结构种子层5(seed layer)、覆盖层6(capping layer)等等。
示意的，可以将MTJ的叠层结构设置在底电极E1和顶电极E2之间，能够通过底电极E1和顶电极E2向MTJ施加控制电信号。示意的，可以在底电极E1的表面先形成结构种子层5，然后在结构种子层5上在进行MTJ的制作，以为MTJ的制作提供较好的生长平面。示意的，可以在自由层3的表面设置覆盖层6；其中，覆盖层6可以采用金属(如Pt、Ta等)，也可以采用非金属氧化物(如SiO 2)的，覆盖层6厚度通常可以为2nm～3nm，但并不限制于此。
在本申请实施例提供的MTJ器件中，可以设置MTJ的自由层3和钉扎层4的至少一个包含TM-RE薄膜，并在TM-RE薄膜的至少一个表面(即上表面和上表面中的至少一个)设置包含氧化物材料的氧化物层。例如，可以是MTJ的自由层3中包括TM-RE薄膜和氧化物层(具体可以参考下文的实施例一)。又例如，可以是MTJ的钉扎层4中包括TM-RE薄膜和氧化物层(具体可以参考下文的实施例二)。再例如，可以是MTJ的自由层3和钉扎层4中均设置有TM-RE薄膜和氧化物层。
在此情况下，在MTJ器件进行后道退火过程中氧化物层中的氧原子扩散进入TM-RE材料，氧原子的2p轨道与TM-RE材料中的过渡金属元素的3d轨道中含有z分量(即垂直TM-RE的方向的分量)轨道杂化，使得TM-RE材料的电子自旋排布取向偏向垂直薄膜方向，也即通过氧化物层向TM-RE薄膜提供了额外的垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)来源，从而提升了TM-RE薄膜的垂直磁各向异性的退火耐受性，进而使得TM-RE材料能够应用至MTJ。
另外，由于TM-RE材料具有非晶态的特性，从而能够使得与之相邻生长的薄膜不会因为晶格不匹配而导致层间的应力以及由于多层结构生长导致的粗糙度的累积，这样一来，可以直接在TM-RE薄膜表面形成对界面平整度要求较高的其他膜层，而无需额外制作中间膜层来保证界面平整度(具体可以参考下文实施例二中的相关设置)，进而提升了MTJ器件各膜层整体的平整度，提升了MTJ器件的整体性能。
对于上述垂直磁各向异性(PMA)而言，可以理解的是，在本申请中的垂直磁各向异性是指亚铁磁层中外层电子的自旋在空间自由度中选择取向于垂直于铁磁层的界面的方向。其中，亚铁磁层的界面可以亚铁磁层与其它层相接触的界面；例如，本申请中TM-RE薄膜与氧化物层相接触的界面。
对于上述退火耐受性而言，可以理解的是，在对MTJ进行后道退火工艺或者其它类型的退火工艺时，TM-RE材料的垂直磁各向异性不发生较大改变。这种退火过后磁各向异性在一定程度上的保持能力称为退火耐受性。退火耐受性与TM-RE材料的元素选择，组分配比，掺杂类型等因素相关。
以下对本申请实施例中形成TM-RE薄膜和氧化物层的材料组分进行示意的说明。
对于TM-RE薄膜中采用的TM-RE材料而言，该TM-RE材料中的过渡金属元素可以包括钴(Co)，铁(Fe)或镍(Ni)中的至少一种，但本申请并不限制于此。该TM-RE材料中的稀土元素可以包括铽(Tb)，钆(Gd)，镝(Dy)或铕(Eu)中的至少一种，但本申请并不限制于此。
在一些可能实现的方式中，TM-RE材料还可以包括掺杂元素。示意的，该掺杂元素可以为钽(Ta)，钨(W)，硅(Si)，硼(B)或碳(C)中的至少一种，但本申请并不限制于此。
示意的，在一些实施例中，TM-RE薄膜采用的TM-RE材料可以包括钴铽(CoTb)，铁铽(FeTb)，钴钆(CoGd)，钴铽硼(CoTbB)，铁铽硼(FeTbB)或钴钆硼(CoGdB)中的至少一种，但本申请并不限制于此。
需要说明的是，TM-RE薄膜中TM-RE材料的各元素(过渡金属元素、稀土元素、掺杂元素)所占的组分配比并不限制于某一特定组分配比，实际中可以根据需要进行设置。
另外，对于氧化物层而言，形成该氧化物层的氧化物材料可以包括含镁氧化物(如MgO)，含铜氧化物(如CuO)，含铝氧化物(如Al 2O 3)，含锌氧化物(如ZnO)，含镍氧化物(如NiO)，含铬氧化物(如Cr 2O 3、CrO 2)，含钛氧化物(如TiO 2)，含硅氧化物(如SiO 2)或含硒氧化物(如SeO 2)中的至少一种，但本申请并不限制于此。
示意的，在一些实施例中，氧化物层采用的氧化物可以包括MgO，SiO 2或MgAlO 3中的至少一种，但并不限制于此。
另外，本申请中对于MTJ器件中氧化物层和TM-RE薄膜的厚度不作具体限制，实际中根据使用的具体材料和工艺流程来确定氧化物层和TM-RE薄膜的厚度。
以下通过具体实施例，对TM-RE薄膜和氧化物层在MTJ器件中的设置，进行示意的说明。
实施例一
在该实施例提供的MTJ器件中，可以将TM-RE薄膜以及氧化物层应用至MTJ的自由层3中，在此情况下，MTJ的自由层3可以采用复合自由层(hybrid free layer，HFL)，具体设置可以如下：
如图5所示，自由层3可以包括从下到上依次堆叠设置的铁磁层30(ferromagnetic layer)、层间耦合层31(interlayer spacer或者coupling spacer)、TM-RE薄膜100和氧化物层200。其中，铁磁层30与势垒层2接触。氧化物层200设置在TM-RE薄膜100的上表面(也即远离势垒层2一侧的表面)。
当然，在另一些可能实现的方式中，在采用较薄的氧化物层200的情况下，如氧化物层200的厚度在0.5nm以下，氧化物层200也可以设置在TM-RE薄膜100的下表面(也即靠近势垒层2一侧的表面)。以下实施例均是以氧化物层200设置在TM-RE薄膜100远离势垒层2一侧的表面为例进行说明的。
另外，参考图5所示，MTJ器件的中的其他膜层，如位于自由层3的下方，从下到上依次设置的底电极E1、结构种子层5、钉扎层4、结构转化层41、参考层1、势垒层2，以及位于自由层3上方的覆盖层6、顶电极E2等膜层，可以参考前述内容以及相关技术，根据实际的需要进行设置，此处不再赘述。
需要说明的是，如图5所示，在一些实施例中，在钉扎层4与参考层1之间设置结构 转化层41，通过制作结构转化层41能够向参考层1提供较好的生长平面。当然，在一些可能实现的方式中，通过选择合适的钉扎层4也可以不设置结构转化层41。
另外，如图6所示，本实施例一还提供一种如上述MTJ器件的制作方法，该制作方法可以包括：
步骤11、参考图5所示，依次制作钉扎层4、结构转化层41、参考层1、势垒层2、铁磁层30、层间耦合层31、TM-RE薄膜100和氧化物层200，以形成MTJ。
上述铁磁层30、层间耦合层31、TM-RE薄膜100和氧化物层200整体作为MTJ中的自由层3(也即复合自由层)。
示意的，上述钉扎层4可以采用Co/Pt(钴/铂)多层膜、Co/Pd(钴/钯)多层膜、Co/Ir(钴/铱)多层膜等，但并不限制于此。
示意的，上述结构转化层41可以采用钽(Ta)，钛(Ti)，氮化钛(TiN)，铝(Al)，镁(Mg)，钛镁(TiMg)，钨(W)或钼(Mo)等材料中的一种或多种，但并不限制于此。
示意的，上述参考层1可以采用CoFeB(钴铁硼)、FeB(铁硼)、CoFe(钴铁)或CoB(钴硼)等材料中的一种或多种，但并不限制于此。
示意的，上述势垒层2可以采用MgO，MgAlO 3，AlO x(铝氧化物)，MgGdO，TiO x(钛氧化物)，TaO x(钽氧化物)或MgTiO x(镁钛氧化物)等材料中的一种或多种，但并不限制于此。
示意的，上述铁磁层30可以采用CoFeB，FeB，CoFe或CoB等材料中的一种或多种，但并不限制于此。
示意的，上述层间耦合层31可以采用Ta(钽)或Ru(钌)等材料中的一种或多种，但并不限制于此。
示意的，上述TM-RE薄膜100可以采用CoTb，FeTb，CoGd，CoTbB，FeTbB或CoGdB等材料中的一种或多种，但并不限制于此。
示意的，上述氧化物层200可以采用MgO，SiO 2或MgAlO 3等材料中的一种或多种，但并不限制于此。
当然，参考图5所示，应当理解的是，对于整个MTJ器件的制作而言，在进行步骤11之前，可以在衬底上先依次形成堆叠设置的底电极E1、结构种子层5；然后在结构转化层41的表面进行步骤11中钉扎层4、结构转化层41、参考层1、势垒层2、自由层3的制作。在步骤11之后可以在自由层3的表面继续进行其他膜层的制作，如覆盖层6、顶电极E2的制作。
以下对上述步骤11中自由层3中TM-RE薄膜100和氧化物层200的制作进行示意的说明。
示意的，上述步骤11中TM-RE薄膜100和氧化物层200的制作可以包括：
例如，在一些可能实现的方式中，可以采用TM-RE靶材在层间耦合层31的表面溅射生长形成TM-RE薄膜100，然后在TM-RE薄膜100的表面溅射生长氧化物层200(如MgO层)。当然，作为另一种可能实现的方式，也可以采用TM靶材和RE靶材以共溅的方式在层间耦合层31的表面溅射生长形成TM-RE薄膜100。
示意的，TM-RE薄膜100可以采用常温生长，并在将生长前底部结构在室内常温情 况下传入真空溅射腔，真空度高于10 -8Torr。
可以理解的是，在生长TM-RE薄膜100之前，需要保证生长前底部结构干净，粗糙度符合要求，可以利用包括但不仅限于化学机械抛光，离子刻蚀，超声清洗等步骤来使生长前的底部结构达到要求，不会影响该TM-RE薄膜100的生长。
步骤12、对制作形成的MTJ进行退火处理。
示意的，在完成包含MTJ的器件(或部件)后，可以将形成包含MTJ的器件置于真空度高于10 -8Torr的真空环境中进行退火；例如，退火时间可以为1.5h，退火温度可以大于400℃；并在退火工艺结束将器件置于真空环境中自然冷却至室温后取出。
另外，可以理解的是，在溅射形成氧化物层200时，不同的溅射速率和厚度会直接影响氧化物层200的粗糙度和缺陷数量。一般而言，氧化物层200的粗糙度越低，TM-RE薄膜100的垂直磁各向异性越好，反之TM-RE薄膜100的垂直磁各向异性越差。因此实际中，可以通过调控氧化物层200的氧化物种类、溅射功率、气压和厚度等参数，来调控M-RE薄膜100的垂直磁各向异性和退火后的性质。
本实施例中对于氧化物层200的种类和厚度并不限定，实验发现相同厚度下采用不同种类氧化物形成的氧化物层200，对TM-RE薄膜100退火后的垂直磁各向异性的提升(保持)效果并不相同。例如，在氧化物层200的厚度相同时，采用MgO的氧化物层200要优于采用SiO 2的氧化物层200对TM-RE薄膜100的垂直磁各向异性的提升效果。在氧化物种类相同时，氧化物层200厚度越大，TM-RE薄膜100退火后的垂直磁各向异性提升地越显著。
另外，实际中通过具体的实验对通过氧化物层200提升TM-RE薄膜100的垂直磁各向异性的退火耐受性进行了验证。参考图7所示，S0为TM-RE薄膜100表面未设置氧化物层200的多膜层结构在400℃、1.5h退火后的磁滞回线。S1为TM-RE薄膜100表面设置有厚度为0.4nm的MgO层(200)的多膜层结构在400℃、1.5h退火后的磁滞回线。S2为TM-RE薄膜100表面设置有厚度为1.0nm的MgO层(200)的多膜层结构在400℃、1.5h退火后的磁滞回线。
图7中的磁滞回线为在垂直TM-RE薄膜100的方向(也即z方向)施加的磁化大小(即横坐标)与霍尔电压V H(即纵坐标)的关系曲线；本领域的技术人员可以理解的是，霍尔电压V H越大，TM-RE薄膜100的z方向的磁化越大。基于此，对比S0与S1、S2可以看出，相比于未设置氧化物层200(参考S0)而言，设置氧化物层200能够明显提升TM-RE薄膜100的垂直磁各向异性的退火耐受性。对比S1和S2可以看出，在氧化物层200采用相同氧化物的情况下，氧化物层200的厚度越厚，TM-RE薄膜100的垂直磁各向异性的退火耐受性越好。
另外，需要说明的是，上述步骤11中仅是示意的以依次制作参考层1、势垒层2、铁磁层30、层间耦合层31、TM-RE薄膜100和氧化物层200为例进行说明。在另一些可能实现的方式中，可以通过步骤11依次制作氧化物层200、TM-RE薄膜100、层间耦合层31、铁磁层30、势垒层2、参考层1、结构转化层41、钉扎层4，以形成MTJ。在此情况下，自由层3位于势垒层2靠近底电极E1的一侧，而参考层1、结构转化层41、钉扎层4位于势垒层2的靠近顶电极E2一侧从下到上依次堆叠设置。
综上所述，在实施例一中，通过将TM-RE薄膜和氧化物层应用至MTJ的复合自由层 中，一方面，通过氧化物层向TM-RE薄膜提供了额外的垂直磁各向异性来源，从而提升了TM-RE薄膜的垂直磁各向异性的退火耐受性；另一方面，复合自由层基于TM-RE薄膜能够提供体垂直磁各向异性(b-PMA)。
实施例二
在该实施例提供的MTJ器件中，可以将TM-RE薄膜以及氧化物层应用至MTJ的钉扎层4中。在此情况下，MTJ的钉扎层4中可以设置一个或多个TM-RE薄膜；其中，部分或全部的TM-RE薄膜的至少一个表面设置有氧化物层。例如，在钉扎层4中，可以在至少一个TM-RE薄膜的上表面设置有氧化物层；也可以在至少一个TM-RE薄膜的下表面设置有氧化物层；还可以在至少一个TM-RE薄膜的下表面和下表面分别设置有氧化物层。
以下对钉扎层4中TM-RE薄膜和氧化物层的具体设置进行示意的说明。
例如，在一些可能实现的方式中，如图8所示，钉扎层4可以包括一个TM-RE薄膜100和一个氧化物层200；其中，氧化物层200位于TM-RE薄膜100远离势垒层2的一侧，也即氧化物层200位于TM-RE薄膜100的下表面。当然，作为另一种可能实现的方式，氧化物层200也可以设置于TM-RE薄膜100的上表面。
又例如，在一些可能实现的方式中，如图9所示，钉扎层4可以包括两个TM-RE薄膜100和一个氧化物层200；其中，氧化物层200可以设置在两个TM-RE薄膜100之间。
再例如，在一些可能实现的方式中，钉扎层4可以包括一个TM-RE薄膜100和两个氧化物层200；其中，TM-RE薄膜100可以设置在两个氧化物层200之间。
当然，钉扎层4中TM-RE薄膜100和氧化物层200并不限于上述的多种设置方式，示意的，在一些可能实现的方式中，钉扎层4中可以设置三个TM-RE薄膜100，在此情况下，可以在相邻的两个TM-RE薄膜100之间分别设置一个氧化物层200，也可以在每一TM-RE薄膜100的下表面或上表面分别设置一个氧化物层200等等，本申请对此不作限制，实际中可以根据需要设置钉扎层4中的TM-RE薄膜100和氧化物层200。
另外，由于采用非晶态的TM-RE材料形成的TM-RE薄膜能够提升后续生长薄膜的平整度，无需考虑晶格不匹配产生的应力以及粗糙度累积，因此，在将TM-RE薄膜100应用至钉扎层4的情况下，如图8和图9所示，可以设置该钉扎层4的顶层采用TM-RE薄膜100，并直接在TM-RE薄膜100的表面形成参考层1，也即参考层1与钉扎层4顶层的TM-RE薄膜100直接接触。在此情况下，无需额外单独制作结构转化层(对应可参考图5)来满足参考层1对界面平整度的要求，同时简化了制作工艺。
另外，本实施例二还提供一种如上述MTJ器件的制作方法，如图10所示，该制作方法可以包括：
步骤21、参考图8、图9所示，依次制作钉扎层4、参考层1、势垒层2、自由层3，以形成MTJ；其中，钉扎层4中包括一个或多个TM-RE薄膜100，并且在至少一个TM-RE薄膜100的表面设置有氧化物层200。
示意的，参考8所示，上述步骤21可以包括依次制作氧化物层200、TM-RE薄膜100、参考层1、势垒层2、自由层3，以形成MTJ。
示意的，参考图9所示，上述步骤21可以包括依次制作TM-RE薄膜100、氧化物层200、TM-RE薄膜100、参考层1、势垒层2、自由层3，以形成MTJ。
应当理解的是，参考图8、图9所示，对于整个MTJ器件的制作而言，在进行步骤 21之前，可以在衬底上先依次形成堆叠设置的底电极E1、结构种子层5；然后在结构转化层41的表面进行步骤21中钉扎层4、参考层1、势垒层2、自由层3的制作。在步骤11之后可以在自由层3的表面继续进行覆盖层6、顶电极E2等其他膜层的制作。
步骤22、对制作形成的MTJ进行退火处理。
示意的，在完成包含MTJ的器件(或部件)后，可以将形成包含MTJ的器件置于真空度高于10 -8Torr的真空环境中进行退火，退火时间可以为1.5h，退火温度可以大于400℃；并在退火工艺结束将器件置于真空环境中自然冷却至室温后取出。
另外，关于各膜层的具体材料、TM-RE薄膜100和氧化物层200的制作工艺以及相关解释说明，可以参考前述实施例一中的相关内容此处不再赘述。
需要说明的是，图8、图9中仅是示意的以钉扎层4位于势垒层2靠近底电极E1的一侧，自由层位于势垒层2靠近顶电极E2的一侧为例进行说明。在另一些可能实现的方式中，钉扎层4可以位于势垒层2靠近顶电极E2的一侧，自由层位于势垒层2靠近底电极E1的一侧。当然，在此情况下，可以对步骤2形成的各膜层的顺序进行调整；例如，在一些可能实现的方式中，可以通过步骤21依次制作自由层3、势垒层2、参考层1、TM-RE薄膜100、氧化物层200，以形成MTJ。又例如，在一些可能实现的方式中，可以通过步骤21依次制作自由层3、势垒层2、参考层1、TM-RE薄膜100、氧化物层200、TM-RE薄膜100，以形成MTJ。
综上所述，在该实施例二中，通过将TM-RE薄膜和氧化物层应用至MTJ的钉扎层中，一方面，通过氧化物层向TM-RE薄膜提供了额外的垂直磁各向异性来源，从而提升了TM-RE薄膜的垂直磁各向异性的退火耐受性；另一方面，形成TM-RE薄膜100的TM-RE材料为一种亚铁磁铁材料，其自身的磁矩很小，从而能够减小钉扎层的漏磁场，进而减小了对自由层的偏置场(offset)。
另外，由于采用非晶态的TM-RE材料形成的TM-RE薄膜能够提升后续生长薄膜的平整度，无需考虑晶格不匹配产生的应力以及粗糙度累积，因此上述在制作钉扎层采用TM-RE薄膜的情况下，可以直接将TM-RE薄膜与参考层直接接触，无需额外单独制作结构转化层来满足参考层对界面平整度的要求，同时简化了制作工艺。
由前述内容可知，实施例一是以TM-RE薄膜100和氧化物层200在MTJ的自由层3中的应用为例进行示意说明的。实施例二是以TM-RE薄膜100和氧化物层200在MTJ的钉扎层4中的应用为例进行示意说明的。但本申请并不限制于此，在另一些实施例中，MTJ的自由层3和钉扎层4中均可以采用TM-RE薄膜100和氧化物层200，具体设置可以参考前述实施例一以及实施例二的相关描述，此处不再赘述。
综上可知，本申请实施例中采用的MTJ器件结构和工艺都较为简单，通过在TM-RE薄膜100的表面设置氧化物层200即可实现对TM-RE薄膜100的垂直磁各向异性和退火特性的调控。氧化物层200采用常温生长即可，氧化物层200的厚度仅需一至数纳米即可起到显著的效果；不仅可以拓宽MTJ器件的集成条件，推动MTJ器件的发展与应用，也有助于MTJ器件的制备与性质的研究。
以下以本申请实施例提供的MTJ器件在磁性存储器中的应用为例，并结合电子设备进行说明。
示例的，图11为本申请实施例示例性的提供的一种电子设备的架构示意图。参考图 11所示，在一些可能实现的方式中，该电子设备01可以包括：存储装置11、处理器12、输入设备13、输出设备14等部件。存储装置11用于存储软件程序以及模块。存储装置11主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据电子设备的使用所创建的数据(比如音频数据、图像数据、电话本等)等。
上述存储装置11可以包括外存储器111和内存储器112。外存储器111和内存储器112存储的数据可以相互传输。外存储器111例如包括硬盘、U盘、软盘等。内存储器112例如包括随机存储器、只读存储器等，其中，随机存储器可以采用前述实施例中任一种可能实现的方式中提供的磁随机存储器(MRAM)。
处理器12是该电子设备01的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子设备01的各个部分，通过运行或执行存储在存储装置11内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储装置11内的数据，执行电子设备01的各种功能和处理数据，从而对电子设备01进行整体监控。
输入设备13用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与电子设备01的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出设备14用于输出输入设备13输入，并存储在内存储器112中的数据对应的信号。例如，输出设备14输出声音信号或视频信号。上述处理器12中的控制器还可以控制输出设备14输出信号或不输出信号。
应当理解的是，MRAM是一种新型非易失性存储器，其中，MRAM中的自旋转移距磁性随机存取存储器(spin transfer torque magnetic random access memory，STT MRAM)因其具有速度快、功耗低、COMS(complementary metal-oxide-semiconductor，互补式金属氧化物半导体)兼容性好等优势。
STT MRAM的读写功能由内部设置的存储单元来实现。示意的，参考图12所示，在一些可能实现的方式中，STT MRAM的存储单元可以包括晶体管T以及本申请实施例提供的任一种可能实现的方式中提供的MTJ器件。其中，MTJ器件的顶电极与位线电连接，MTJ器件的底电极与晶体管T的漏极电连接，晶体管T的栅极与字线电连接，源极与源极线电连接。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

  1. 一种磁性器件，其特征在于，包括磁性隧道结；
    所述磁性隧道结包括依次堆叠设置的钉扎层、参考层、势垒层、自由层；
    所述钉扎层或所述自由层中的至少一个包括：过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜以及位于所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜表面的氧化物层。
  2. 根据权利要求1所述的磁性器件，其特征在于，所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜中包括过渡金属-稀土亚铁磁合金材料；
    所述过渡金属-稀土亚铁磁合金材料中的过渡金属元素包括Co，Fe或Ni中的至少一种；
    所述过渡金属-稀土亚铁磁合金材料中的稀土元素包括Tb，Gd，Dy或Eu中的至少一种。
  3. 根据权利要求2所述的磁性器件，其特征在于，
    所述过渡金属-稀土亚铁磁合金材料还包括Ta，W，Si，B或C中的至少一种掺杂元素。
  4. 根据权利要求1-3任一项所述的磁性器件，其特征在于，
    所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜中包括CoTb，FeTb，CoGd，CoTbB，FeTbB或CoGdB中的至少一种。
  5. 根据权利要求1-4任一项所述的磁性器件，其特征在于，
    所述氧化物层中的氧化物包括含镁氧化物，含铜氧化物，含铝氧化物，含锌氧化物，含镍氧化物，含铬氧化物，含钛氧化物，含硅氧化物或含硒氧化物中的至少一种。
  6. 根据权利要求1-5任一项所述的磁性器件，其特征在于，
    所述氧化物层中包括MgO，SiO 2或MgAlO 3中的至少一种。
  7. 根据权利要求1-6任一项所述的磁性器件，其特征在于，
    所述自由层包括依次堆叠设置的铁磁层、层间耦合层、所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜和所述氧化物层；
    所述铁磁层与所述势垒层接触。
  8. 根据权利要求1-6任一项所述的磁性器件，其特征在于，
    所述钉扎层中包括一个或多个所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜；其中，至少一个所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜在靠近和/或远离所述势垒层一侧的表面设置有所述氧化物层。
  9. 根据权利要求8所述的磁性器件，其特征在于，
    所述钉扎层通过所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜与所述参考层直接接触。
  10. 根据权利要求8或9所述的磁性器件，其特征在于，
    所述钉扎层中包括一个所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜和一个所述氧化物层；
    所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜在远离所述势垒层一侧的表面设置有所述氧化物层。
  11. 根据权利要求8或9所述的磁性器件，其特征在于，
    所述钉扎层中包括两个所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜和一个所述氧化物层；
    所述氧化物层位于两个所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜之间。
  12. 一种磁性器件的制作方法，其特征在于，包括：
    制作磁性隧道结；其中，所述磁性隧道结包括依次堆叠设置的钉扎层、参考层、势垒层、自由层；所述钉扎层或所述自由层中的至少一个包括：过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜以及位于所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜表面的氧化物层；
    对制作形成的所述磁性隧道结进行退火处理。
  13. 根据权利要求12所述的磁性器件的制作方法，其特征在于，
    所述制作磁性隧道结包括：
    依次制作所述参考层、所述势垒层、铁磁层、层间耦合层、所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜和所述氧化物层，以形成所述磁性隧道结；其中，依次制作的所述铁磁层、所述层间耦合层、所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜和所述氧化物层形成所述自由层；
    或者，依次制作所述氧化物层、所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜、层间耦合层、铁磁层、所述势垒层、所述参考层，以形成所述磁性隧道结；其中，依次制作的所述氧化物层、所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜、所述层间耦合层、所述铁磁层形成所述自由层。
  14. 根据权利要求12所述的磁性器件的制作方法，其特征在于，包括：
    所述制作磁性隧道结包括：
    依次制作所述氧化物层、所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜、所述参考层、所述势垒层、所述自由层，以形成所述磁性隧道结；其中，依次制作的所述氧化物层、所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜形成所述钉扎层；
    或者，依次制作所述自由层、所述势垒层、所述参考层、所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜、所述氧化物层；其中，依次制作的所述过渡金属-稀土亚铁磁合金薄膜、所述氧化物层形成所述钉扎层。
  15. 一种磁性存储器，其特征在于，包括控制器以及如权利要求1-11任一项所述的磁性器件；所述磁性器件与所述控制器连接。
  16. 一种电子设备，其特征在于，包括印刷线路板以及如权利要求15所述的磁性存储器；所述磁性存储器与所述印刷线路板连接。
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