一种磁隧道结单元及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自旋电子学领域，更具体地，涉及一种磁隧道结单元及制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着新型计算机、信息和通信等电子信息技术的飞速发展，对作为其核心部件的 存储器提出了高密度、高速度、高写入效率、高可靠性等高性能要求。各种半导体存储器，如 静态随机存储器（SRAM :Static Random Access Memory)、动态随机存储器（DRAM :Static Random Access Memory)以及闪速存储器（flash)等存储器因具备各自的优点已经得到了 深入研宄和广泛的应用。然而，随着器件尺寸的缩小，上述存储器的发展遇到了各自的瓶 颈，在一定程度上限制了其发展和应用。近年来，基于磁隧道结（MTJ，Magnetic Tunnelling Junction)的磁随机存储器由于具有非易失性、存储密度大、读写速度快等特性，极大的激 发了世界范围内产业界和学术界的研宄兴趣。
[0003] 典型的磁隧道结有三层结构：自由层（free layer)，势皇层（barrier layer)和 参考层（reference layer)，如图1所示。通过改变存储单元自由层的磁化方向，就能在存 储单元中产生高、低两个阻态。MTJ结的势皇层材料的不同影响了 MTJ的TMR值，因为势皇层 材料会直接影响电子的隧穿行为，决定了 MTJ的隧穿磁阻，目前主流的势皇层材料是MgO。 而用于磁隧道结自由层（free layer)和参考层（reference layer)的材料主要是铁磁性 材料（FM)。自由层特点是易磁化，即磁化方向可改变，所以一般采用矫顽力较小的软磁性材 料。参考层要求磁化方向固定，通常由钉扎层和被钉扎层组成。被钉扎层材料和自由层一 样，采用软磁性材料。钉扎层一般采用矫顽力较大的硬磁材料，利用反铁磁耦合作用固定被 钉扎层的磁化方向。目前用于MTJ的软磁性材料主要是CoFeB，其具有低矫顽力、高自旋极 化率的特性。也有报道，可用其他Co基软磁材料或新型高自旋极化率半金属材料作为MTJ 的软磁层材料。目前可用于MTJ的硬磁材料有FePt、TbFeCo、Co (Fe) /Pt (Pd)多层膜等。
[0004] MTJ要求低功耗、小操作电流、高密度、高速度的性能要求。尽管目前MTJ已有很好 的电学特性，然而对电路性能的优化不会停歇，而且在商业化的道路上还存在相关问题：
[0005] (1)由于在超高存储密度情形下，面内磁各向异性薄膜尺寸的急剧缩小会产生磁 化卷缩或涡旋磁畴结构，从而导致存储的信息丢失。而垂直磁各向异性薄膜材料能非常有 效地克服磁化卷缩或涡旋磁畴，有利于提高信息存储的稳定性，并且理论计算也预言垂直 磁各向异性的MTJ的临界电流密度将低于面内磁各向异性存储单元。为了提高存储密度并 降低其写入电流，提高MTJ的垂直各向异性是必要的。
[0006] (2)由于MTJ膜层结构的各层厚度都很薄（最薄层不到lnm，一般膜层厚度为 I-IOnm)，因此制备工艺的难度大。另外，要得到垂直磁各向异性，CoFeB层的厚度必须很小 (小于I. 2nm)，这使得工艺制备的难度进一步增大。因此，为了降低工艺难度，提高MTJ制 备可行性，增大具有垂直各向异性的磁性层的厚度是必要的。
[0007] 现阶段人们主要是通过改变MTJ磁性层的厚度、退火温度、以及覆盖层的种类、厚 度等来优化MTJ的性能。文献中常见的覆盖层有Ta，Ti，NiFe等，覆盖层的不同以及厚度会 对CoFeB的晶化以及B的扩散有影响。而Ta是被提到最多的覆盖层，Ta除了有着极好的 抗氧化能力之外，Ta层以及Ta/CoFeB界面对Ta/CoFeB/MgO-based MTJs获得垂直各向异 性（PM)也起到关键作用。因此，通过在磁性层薄膜中增加界面来提高磁性层材料的垂直 各向异性正是本发明的出发点。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种磁隧道结单元及其制备方法， 旨在解决现有磁隧道结热稳定性低，存储密度低的问题。
[0009] 本发明提供了一种磁隧道结单元，包括衬底，附着于所述衬底上的参考层，附着于 参考层上的势皇层以及附着于势皇层上的自由层；所述参考层包括第一磁性层、金属层和 第二磁性层；通过所述金属层强化第一磁性层和第二磁性层中的界面垂直各向异性，提高 整个参考层的垂直磁各向异性。本发明通过在磁隧道结的磁性层薄膜中插入一层极薄的金 属层，形成磁性层（FM)/金属层（M)/磁性层（FM)的结构来强化磁性层中的界面垂直各向 异性，从而达到提高整个膜层结构垂直磁各向异性的目的。同时由于插入了金属层提高了 整体膜层的厚度，降低了工艺难度。
[0010] 更进一步地，第一磁性层的厚度与第二磁性层的厚度相等，金属层的厚度为 0? 5nm ~2nm〇
[0011] 更进一步地，金属层的材料为非磁性金属材料。
[0012] 更进一步地，金属层的材料为Ag、Ta、Ti、Al、Cu或Au等。由于插入了一层Ta金 属层的磁性薄膜材料，0. 5nm~2nm厚度范围内的Ta插入层由于其扩散作用和与磁性层的 界面作用，可以优化相同厚度的磁性层的垂直取向。
[0013] 更进一步地，金属层的材料为Ag，且厚度为lnm。由于插入了一层Ag金属层的磁 性薄膜材料，Inm的Ag插入层由于其扩散作用和与磁性层的界面作用，可以优化相同厚度 的CoFeB磁性层的垂直取向。
[0014] 更进一步地，磁隧道结单元还包括附着于所述自由层上的保护层。
[0015] 更进一步地，保护层的材料可以为Ta，厚度可以为5nm。
[0016] 本发明还提供了一种制备上述磁隧道结单元的方法，包括下述步骤：
[0017] (1)通过磁控溅射的方法在衬底上制备第一磁性层，在所述第一磁性层上制备金 属层，并在所述金属层上制备第二磁性层；
[0018] 其中，所述第一磁性层的厚度与所述第二磁性层的厚度相等，所述金属层的厚度 为 0? 5nm ~2nm;
[0019] (2)通过磁控溅射的方法在所述第二磁性层上制备势皇层；
[0020] (3)在所述势皇层上制备自由层；其中自由层的结构与上述参考层的结构相同， 都为磁性层，自由层包括第一磁性层，附着于第一磁性层上的金属层，附着于金属层上的第 二磁性层；
[0021] 其中，所述第一磁性层的厚度与所述第二磁性层的厚度相等，所述金属层的厚度 为 0? 5nm ~2nm;
[0022] (4)在所述自由层上制备保护层，从而获得磁隧道结单元。
[0023] 其中，金属层的材料可以为Ag、Ta、Ti、Al、Cu或Au。
[0024] 进一步优选的，金属层的材料为Ag，且厚度为lnm。
[0025] 其中，在步骤（1)中所述磁控溅射的方法中，溅射功率为直流20W ;采用低的溅射 功率可以降低溅射速率，提高成膜质量。在步骤（2)中所述磁控溅射的方法中，溅射功率为 射频100W。
[0026] 具体地，制备上述磁隧道结单元的方法包括：
[0027] (1)在MgO衬底上制备参考层，具体方法为先用CoFeB靶材通过磁控溅射在20W的 小功率下派射I. 2nm的CoFeB薄膜，再用所需要的金属祀材（Ag或者Ta等）制备厚度为t 的金属插层，然后再溅射1.2nm的CoFeB薄膜，这样形成了在CoFeB磁性层中插入了一层极 薄的金属插层的改进的磁性层结构；
[0028] (2)在已经制备好的参考层上用MgO靶材通过磁控溅射制备Inm的MgO的势皇层；
[0029] (3)在已经制备好的势皇层上制备改进的自由层，方法同步骤一中的参考层一 致；
[0030] (4)为了保护所制备的磁隧道结不被氧化，我们在顶层加了一层5nm的Ta保护层。
[0031] 其中，所有的溅射制备的薄膜样品均是以单晶MgO(OOl)为基底制备。
[0032] 其中，薄膜样品的制备环境的Ar气压均为0.5Pa。
[0033] 其中，CoFeB的溅射功率为20W，Ag的溅射功率为20W，Ta的溅射功率为40W。
[0034] 本发明通过在磁性层薄膜中插入一层极薄的金属层，增加了磁性层中的界面数， 大大强化了界面垂直磁各向异性，客观上提高了整个膜层结构垂直磁各向异性，从而使得 磁隧道结热稳定性高，存储密度高。
【附图说明】
[0035] 图1为典型的磁隧道结结构。
[0036] 图2(a)为传统的磁性层结构示意图，图2(b)为本发明改进的磁性层结构示意图。
[0037] 图3本发明实施例提供的磁隧道结单元的结构示意图。
[0038]图4本发明实施例中没有插入金属层的参照CoFeB薄膜经过400°C，Ih退火处理 之后的X射线衍射图。
[0039] 图5本发明实施例中单层的CoFeB薄膜的水平方向和垂直方向上的磁滞回线。
[0040] 图6本发明实施例中插入了 Inm和0? 5nm Ag的CoFeB薄膜的水平方向和垂直方 向上的磁滞回线；其中，（a)为插入Inm Ag，（b)为插入0. 5nm Ag。
[0041] 图7本发明实施例中单层CoFeB薄膜以及插入了 Ag金属层的薄膜的VASP计算的 ME和实验值的对比。
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