CN219087717U - 一种磁随机存储器和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及磁随机存储器领域，公开了一种磁随机存储器和电子设备，包括自由层，自由层包括磁性插层和在远离势垒层方向上层叠的第一铁磁层、间隔层、第二铁磁层；磁性插层设于第一铁磁层和间隔层之间，和/或，设于第二铁磁层和间隔层之间；磁性插层与间隔层的固体互溶度小于第一铁磁层与间隔层的固体互溶度，和/或，小于第二铁磁层与间隔层的固体互溶度；间隔层的厚度不大于
Figure DDA0004017858790000011
本申请间隔层厚度比较薄，可以降低自由层的磁阻尼因子、使自由层沿相同的晶向、减小磁死层的厚度，从而降低磁存储器的写电压、提升数据保持能力和擦写次数。磁性插层与间隔层之间的原子扩散少，形成比较平整的界面，进而可以提升隧道磁阻和矫顽力。

Description

一种磁随机存储器和电子设备
技术领域
本申请涉及磁随机存储器领域，特别是涉及一种磁随机存储器和电子设备。
背景技术
MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁随机存取存储器)是一种非易失性的磁随机存储器，其具有读写速度快，功耗低等优点，且与CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)后端工艺兼容，被认为是一种极具潜力的存储器。
磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)为磁随机存储器的核心，由数十层超薄薄膜构成，通常可分为自由层、绝缘隧穿层以及固定层三部分，其中自由层对数据保持时间、写电压，功耗以及擦写次数有重要影响。自由层包括两个铁磁层以及位于两个铁磁层之间的间隔层，间隔层将两个铁磁层耦合在一起，且会增加自由层的垂直磁各向异性，使得较厚的自由层易磁化方向仍保持在垂直于薄膜表面方向。但是，目前间隔层的厚度比较厚，一般在几个埃米，又会对磁随机存储器的性能产生不利影响。
第一，由于间隔层一般是由原子序数较大的重金属元素组成，这些元素会使得自由层的磁阻尼因子增加，进而使得写电压增加，效率降低以及擦写次数降低。第二，厚的间隔层使得两个铁磁层晶向不同，靠近势垒层的铁磁层，其晶向与势垒层的晶向一致，靠近盖帽层的铁磁层，其晶向与盖帽层的晶向一致，自由层中不同的晶向也会导致写电压的增加以及数据保持能力的降低。第三，间隔层会在与两个铁磁层的界面处会产生磁死层，间隔层厚度越大，磁死层的厚度也越大，而磁死层会降低自由层的饱和磁矩并且会影响两个铁磁层的耦合，进而对写电压和数据保持时间都会产生不利影响。
因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。
实用新型内容
本申请的目的是提供一种磁随机存储器和电子设备，以提升磁随机存储器的性能。
为解决上述技术问题，本申请提供一种磁随机存储器，包括自由层，所述自由层包括磁性插层和在远离势垒层方向上层叠的第一铁磁层、间隔层、第二铁磁层；
所述磁性插层设于所述第一铁磁层和所述间隔层之间，和/或，设于所述第二铁磁层和所述间隔层之间；所述磁性插层与所述间隔层的固体互溶度小于所述第一铁磁层与所述间隔层的固体互溶度，和/或，小于所述第二铁磁层与所述间隔层的固体互溶度；
所述间隔层的厚度不大于
Figure BDA0004017858770000021
可选的，所述第一铁磁层的厚度大于所述第二铁磁层的厚度。
可选的，所述第一铁磁层的厚度范围为
Figure BDA0004017858770000022
所述第二铁磁层的厚度范围为
Figure BDA0004017858770000023
包括所有端点值。
可选的，所述磁性插层的厚度范围为
Figure BDA0004017858770000024
包括端点值。/>
可选的，所述磁性插层为Fe层。
可选的，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层为CoFeB层、FeB层、CoFe层、Co层、Fe层、CoB层、CoFeNi层、CoFeNiB层、Ni2MnZ层、Co2MnZ层、Co2FeZ层、Fe2MnZ层、Mn3Z层、MnZ层中任一种，其中，Z为Si、Ge、Al、Ga、In、Sn、Sb中任一种。
可选的，所述间隔层为Ta层、W层、Zr层、Nb层、Ir层、Mo层、Ti层、V层、Cr层、Hf层、Ru层、Au层、Cu层、Zn层中的任一种或者为Ta、W、Zr、Nb、Ir、Mo、Ti、V、Cr、Hf、Ru、Ir、Au、Cu、Zn中任意组合的合金层。
本申请还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述任一种所述的磁随机存储器。
本申请所提供的一种磁随机存储器，包括自由层，所述自由层包括磁性插层和在远离势垒层方向上层叠的第一铁磁层、间隔层、第二铁磁层；所述磁性插层设于所述第一铁磁层和所述间隔层之间，和/或，设于所述第二铁磁层和所述间隔层之间；所述磁性插层与所述间隔层的固体互溶度小于所述第一铁磁层与所述间隔层的固体互溶度，和/或，小于所述第二铁磁层与所述间隔层的固体互溶度；所述间隔层的厚度不大于
Figure BDA0004017858770000031
可见，本申请自由层中的间隔层厚度比较薄，不大于
Figure BDA0004017858770000032
的厚度，不仅可以降低自由层的磁阻尼因子，而且可以使自由层沿相同的晶向，同时还可以减小磁死层的厚度，从而降低磁存储器的写电压、提升数据保持能力和擦写次数，进而提升磁存储器的效率。本申请中还设置有磁性插层，由于磁性插层与间隔层的固体互溶度小于第一铁磁层与间隔层的固体互溶度、和/或第二铁磁层与间隔层的固体互溶度，所以磁性插层与间隔层之间的原子扩散少，形成比较平整的界面，进而可以提升隧道磁阻和矫顽力，数据保持能力更强。
此外，本申请还提供一种具有上述优点的电子设备。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中自由层的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的一种自由层的结构示意图；
图3为本申请实施例所提供的另一种自由层的结构示意图；
图4为本申请实施例所提供的另一种自由层的结构示意图；
图中，1、势垒层，2、第一铁磁层，3、磁死层，4、间隔层，5、第二铁磁层，6、盖帽层，7、磁性插层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
目前自由层的结构示意图如图1所示，包括势垒层1、第一铁磁层2、间隔层4、第二铁磁层5、盖帽层6。正如背景技术部分所述，目前间隔层4的厚度比较厚，一般在几个埃米，导致自由层的磁阻尼因子增加，第一铁磁层2和第二铁磁层5晶向不一致，以及磁死层3的厚度较大，进而影响磁随机存储器的性能。
有鉴于此，本申请提供了一种磁随机存储器，包括自由层，请参考图2至图4，所述自由层包括磁性插层7和在远离势垒层1方向上层叠的第一铁磁层2、间隔层4、第二铁磁层5；
所述磁性插层7设于所述第一铁磁层2和所述间隔层4之间，和/或，设于所述第二铁磁层5和所述间隔层4之间；所述磁性插层7与所述间隔层4的固体互溶度小于所述第一铁磁层2与所述间隔层4的固体互溶度，和/或，小于所述第二铁磁层5与所述间隔层4的固体互溶度；
所述间隔层4的厚度不大于
Figure BDA0004017858770000041
需要指出的是，MTJ中除了自由层的其他层结构可参考相关技术，本申请中不再详细赘述。
本实施例中磁性插层7的设置方案包括三种，第一种，如图2所示，磁性插层7设于第一铁磁层2和间隔层4之间，此时，磁性插层7与间隔层4的固体互溶度小于第一铁磁层2与间隔层4的固体互溶度；第二种，如图3所示，磁性插层7设于第二铁磁层5和间隔层4之间，此时，磁性插层7与间隔层4的固体互溶度小于第二铁磁层5与间隔层4的固体互溶度；第三种，如图4所示，磁性插层7设于第一铁磁层2和间隔层4之间以及第二铁磁层5和间隔层4之间，此时，磁性插层7与间隔层4的固体互溶度小于第一铁磁层2与间隔层4的固体互溶度，且小于第二铁磁层5与间隔层4的固体互溶度。第一铁磁层2设于势垒层1的上表面，第二铁磁层5的上方设有盖帽层6。在图2所示结构中，第二铁磁层5和间隔层4之间形成有磁死层3，在图3所示结构中，第一铁磁层2和间隔层4之间形成有磁死层3。
可选的，所述磁性插层7为Fe层，但是本申请对此并不做限定，只要满足与间隔层4的固体互溶度小于第一铁磁层2与间隔层4的固体互溶度，和/或，小于第二铁磁层5与间隔层4的固体互溶度即可。
进一步地，所述磁性插层7的厚度范围可以为
Figure BDA0004017858770000051
包括端点值，例如，
Figure BDA0004017858770000052
等。
间隔层4为能产生RKKY耦合的金属单质层或合金层，例如，所述间隔层4可以为Ta(钽)层、W(钨)层、Zr(锆)层、Nb(铌)层、Ir(铱)层、Mo(钼)层、Ti(钛)层、V(钒)层、Cr(铬)层、Hf(铪)层、Ru(钌)层、Au(金)层、Cu(铜)层、Zn(锌)层中的任一种或者为Ta、W、Zr、Nb、Ir、Mo、Ti、V、Cr、Hf、Ru、Ir、Au、Cu、Zn中任意组合的合金层。
间隔层4的厚度不大于
Figure BDA0004017858770000053
例如，间隔层4的厚度可以为/>
Figure BDA0004017858770000054
Figure BDA0004017858770000055
等。
本申请中间隔层4的厚度比较薄，因此，图2和图3中所示的磁死层3的厚度也比较薄。
需要指出的是，本申请中对第一铁磁层2和第二铁磁层5不做限定。例如，所述第一铁磁层2和所述第二铁磁层5为CoFeB层、FeB层、CoFe层、Co层、Fe层、CoB层、CoFeNi层、CoFeNiB层、Ni2MnZ层、Co2MnZ层、Co2FeZ层、Fe2MnZ层、Mn3Z层、MnZ层中任一种，其中，Z为Si(硅)、Ge(锗)、Al(铝)、Ga(镓)、In(铟)、Sn(锡)、Sb(锑)中任一种。
当第一铁磁层2和第二铁磁层5为含有B的层结构时，例如CoFeB层、FeB层、CoB层、CoFeNiB层时，优选地，第一铁磁层2的B含量大于第二铁磁层5的B含量，以提升磁随机存储器的效率，其中，第一铁磁层2的B含量大于百分之二十。
本申请自由层中的间隔层4厚度比较薄，不大于
Figure BDA0004017858770000061
的厚度，不仅可以降低自由层的磁阻尼因子，而且可以使自由层沿相同的晶向，同时还可以减小磁死层3的厚度，从而降低磁存储器的写电压、提升数据保持能力和擦写次数，进而提升磁存储器的效率。本申请中还设置有磁性插层7，由于磁性插层7与间隔层4的固体互溶度小于第一铁磁层2与间隔层4的固体互溶度、和/或第二铁磁层5与间隔层4的固体互溶度，所以磁性插层7与间隔层4之间的原子扩散少，形成比较平整(sharp)的界面，进而可以提升隧道磁阻和矫顽力，数据保持能力更强。
为了进一步提升磁随机存储器的效率，在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第一铁磁层2的厚度大于所述第二铁磁层5的厚度。
可选的，所述第一铁磁层2的厚度范围为
Figure BDA0004017858770000062
所述第二铁磁层5的厚度范围为
Figure BDA0004017858770000063
包括所有端点值。例如，第一铁磁层2的厚度可以为
Figure BDA0004017858770000064
等，第二铁磁层5的厚度可以为
Figure BDA0004017858770000065
等。
下面对本申请中图2所示自由层结构的制作过程进行介绍，自由层采用射频磁控溅射工艺制造。
步骤1、在势垒层上沉积厚度为
Figure BDA0004017858770000066
的CoFeB层，沉积时气压在0.3～0.6mTor，功率130～170W，气体流量在12～17sccm；
步骤2、在CoFeB层上沉积厚度为
Figure BDA0004017858770000067
的Fe层，沉积时气压在0.3～0.6mTor，功率180～220W，气体流量在18～22sccm；
步骤3、在Fe层上沉积厚度为
Figure BDA0004017858770000068
的Ta层，沉积时气压在0.3～0.6mTor，功率<100W，气体流量在3～7sccm；其中，间隔层的沉积速率尽量小，同时沉积间隔层时衬底转速尽量大，使得间隔层尽可能均匀的沉积在Fe层上；
步骤4、在Ta层上沉积厚度为
Figure BDA0004017858770000071
的CoFeB层，沉积时气压在0.3～0.6mTor，功率180～230W，气体流量在18～13sccm。
可以理解的是，当制作图3所示的自由层结构时，将上述步骤2制作Fe层的工艺转移至步骤3和步骤4之间进行；当制作图4所示的自由层结构时，在上述骤3和步骤4之间增加上述步骤2制作Fe层的工艺。
本申请还提供一种电子设备，所述电子设备包括如上述任一实施例所述的磁随机存储器。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的磁随机存储器和电子设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种磁随机存储器，包括自由层，其特征在于，所述自由层包括磁性插层和在远离势垒层方向上层叠的第一铁磁层、间隔层、第二铁磁层；
所述磁性插层设于所述第一铁磁层和所述间隔层之间，和/或，设于所述第二铁磁层和所述间隔层之间；所述磁性插层与所述间隔层的固体互溶度小于所述第一铁磁层与所述间隔层的固体互溶度，和/或，小于所述第二铁磁层与所述间隔层的固体互溶度；
所述间隔层的厚度不大于
Figure QLYQS_1
2.如权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述第一铁磁层的厚度大于所述第二铁磁层的厚度。
3.如权利要求2所述的磁随机存储器，其特征在于，所述第一铁磁层的厚度范围为
Figure QLYQS_2
所述第二铁磁层的厚度范围为/>
Figure QLYQS_3
包括所有端点值。
4.如权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述磁性插层的厚度范围为
Figure QLYQS_4
包括端点值。
5.如权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述磁性插层为Fe层。
6.如权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层为CoFeB层、FeB层、CoFe层、Co层、Fe层、CoB层、CoFeNi层、CoFeNiB层、Ni2MnZ层、Co2MnZ层、Co2FeZ层、Fe2MnZ层、Mn3Z层、MnZ层中任一种，其中，Z为Si、Ge、Al、Ga、In、Sn、Sb中任一种。
7.如权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述间隔层为Ta层、W层、Zr层、Nb层、Ir层、Mo层、Ti层、V层、Cr层、Hf层、Ru层、Au层、Cu层、Zn层中的任一种。
8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至7任一项所述的磁随机存储器。
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