磁性随机存储器的磁性隧道结结构的制作方法

[0001]
本发明涉及存储器技术领域，特别是关于一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构。


背景技术：

[0002]
磁性随机存储器(magnetic random access memory，mram)在具有垂直各向异性(perpendicular magnetic anisotropy；pma)的磁性隧道结(magnetic tunnel junction；mtj)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”，在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向会保持不变；在写的过程中，如果与现有状态不相同的信号输入时，则自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生180度的翻转。磁随机存储器的自由层磁化方向保持不变的能力叫做数据保存能力(data retention)或者是热稳定性(thermal stability)，在不同的应用情况中要求不一样，对于一个典型的非易失存储器(non-volatile memory，nvm)而言，数据保存能力要求是在125℃的条件下可以保存数据10年，在外磁场翻转，热扰动，电流扰动或读写多次操作时，都会造成数据保持能力或者是热稳定性的降低，所以常会采用反铁磁层(synthetic anti-ferrimagnet layer，syaf)超晶格来实现参考层(reference layer，rl)的钉扎。现行厂商采用各种技术来完成反铁磁层与参考层的晶格配适，但“去铁磁耦合”的情形仍常产生。


技术实现要素：

[0003]
为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构，实现参考层钉扎、晶格转换、降低/避免“去铁磁耦合”的情形。
[0004]
本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
[0005]
依据本申请提出的一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构，由上至下结构包括自由层(free layer；fl)、势垒层(tunneling barrier layer，tbl)、参考层(reference layer，rl)、晶格隔断层(crystal breaking layer，cbl)、反铁磁层(synthetic anti-ferrimagnet layer，syaf)与种子层(seed layer；sl)，其中，所述反铁磁层包括：第一铁磁超晶格层，由具有面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；反铁磁耦合层，设置于所述第一铁磁超晶格层上，由可形成反磁耦合的金属材料形成；垂直各向异性增强层，设置于所述反铁磁耦合层上，由高电负性的金属材料形成,厚度为不足以形成连续原子层；以及，第二铁磁超晶格层，设置于所述垂直各向异性增强层上，由具有面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；其中，所述反铁磁耦合层结合所述第一铁磁超晶格层与所述第二铁磁超晶格层以进行铁磁超晶格层的反铁磁耦合，所述磁性隧道结包括所述反铁磁层与所述参考层之间進行晶格转换和强铁磁耦合。
[0006]
本申请解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
[0007]
在本申请的一实施例中，所述第一铁磁超晶格层的材料选自[钴/铂]
n
钴或[钴/
钯]
n
钴的多层结构，所述第二铁磁超晶格层的材料选自钴[铂/钴]
m
或钴[钯/钴]
m
的多层结构，其中n＞m≥0，优选为0≤m≤3。
[0008]
在本申请的一实施例中，钴、铂或钯的单层结构的厚度为0.1奈米至1.0奈米之间；优选的，铂或钯的厚度为0.1奈米至0.4奈米间，钴的厚度为0.15奈米至0.70奈米间。而在一些实施例中，钴、铂或钯的单层结构的厚度为相同或相异。
[0009]
在本申请的一实施例中，所述反铁磁耦合层的材料为钌，所述反铁磁耦合层的厚度为0.3奈米至1.5奈米间。
[0010]
在本申请的一实施例中，所述垂直各向异性增强层的材料选自铱，铂或钯，其中，铱，铂或钯的厚度为a，0<a≤0.10奈米。
[0011]
在本申请的一实施例中，所述自由层上设置有覆盖层，所述覆盖层的材料为选自(镁，氧化镁，氧化镁锌，氧化镁硼或氧化镁铝其中之一)/(钨，钼，镁，铌，钌，铪，钒,铬或铂其中之一)的双层结构，或是氧化镁/(钨，钼或铪其中之一)/钌的三层结构，或是氧化镁/铂/(钨，钼或铪其中之一)/钌的四层结构。
[0012]
在本申请的一实施例中，所述自由层的材料为选自硼化钴，硼化铁，钴铁硼单层结构，或是铁化钴/钴铁硼，铁/钴铁硼的双层结构，或是钴铁硼/(钽，钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼，钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼的三层结构，或是铁/钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼，铁化钴/钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼，铁/钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼，或铁化钴/钴铁硼/(钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼的四层结构其中之一，所述自由层的厚度为1.2奈米至3.0奈米间。
[0013]
在本申请的一实施例中，所述势垒层的材料为选自氧化镁，氧化镁锌，氧化镁硼或氧化镁铝其中之一，所述势垒层的厚度为0.6奈米至1.5奈米间。
[0014]
在本申请的一实施例中，所述参考层的材料为选自钴，铁，镍，铁钴合金，硼化钴，硼化铁，钴铁硼合金，钴铁碳合金与钴铁硼碳合金其中之一或及其组合，所述参考层的厚度为0.5奈米至2.0奈米间。
[0015]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结的晶格隔断层的材料为选自钨，钼，铪与铌其中之一或及其组合，所述参考层的厚度为0.1奈米至0.5奈米间。
[0016]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结的种子层的材料为选自钛，氮化钛，钽，氮化钽，钨，氮化钨，钌，钯，铬，氧，氮，钴化铬，镍化铬，硼化钴，硼化铁，钴铁硼等其中之一或其组合或是选自钴铁硼/钽/铂，钽/钌，钽/铂，钽/铂/钌，钴铁硼/钽/铂/钌等多层结构其中之一。
[0017]
在本申请的一实施例中，于所述磁性隧道结进行退火工艺，以使得所述参考层及所述自由层在面心立方晶体结构势垒层的模板作用下从非晶结构转变成体心立方堆积的晶体结构。
[0018]
本申请通过磁性隧道结的垂直各向异性增强层，即在钌之上，额外增加了一层铱，铂或钯，利用(铱，铂或钯)/钴具有很强的界面垂直各向异性，较能使铁磁超晶格层的厚度的降低，令磁性隧道结具有相对更强的漏磁场和写电流调控能力，有助于磁性随机存储器磁学、电学和良率的提升，以及器件的进一步缩微化。
附图说明
[0019]
图1为本申请实施例磁性随机存储器磁性存储单元结构示意图；
[0020]
图2为本申请实施例的反铁磁层结构示意图。符号说明
[0021]
10:底电极；20:磁性隧道结；21:种子层；22:反铁磁层；23:晶格隔断层；24:参考层；25:势垒层；26:自由层；27:覆盖层；30:顶电极；221:第一铁磁超晶格层；222:反铁磁耦合层；223:垂直各向异性增强层；224:第二铁磁超晶格层。
具体实施方式
[0022]
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
[0023]
附图和说明被认为在本质上是示出性的，而不是限制性的。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。另外，为了理解和便于描述，附图中示出的每个组件的尺寸和厚度是任意示出的，但是本发明不限于此。
[0024]
在附图中，为了清晰、理解和便于描述，夸大设备、系统、组件、电路的配置范围。将理解的是，当组件被称作“在”另一组件“上”时，所述组件可以直接在所述另一组件上，或者也可以存在中间组件。
[0025]
另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包括”将被理解为意指包括所述组件，但是不排除任何其它组件。此外，在说明书中，“在......上”意指位于目标组件上方或者下方，而不意指必须位于基于重力方向的顶部上。
[0026]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对依据本发明提出的一种磁性随机存储器的磁性隧道结结构，其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0027]
图1为本申请实施例磁性随机存储器磁性存储单元结构示意图。图2为本申请实施例的磁性隧道结单元结构的反铁磁层结构示意图。所述磁性存储单元结构至少包括底电极10、磁性隧道结20与顶电极30形成的多层结构。磁性隧道结20由上至下结构包括自由层(free layer；fl)26、势垒层(tunneling barrier layer，tbl)25、参考层(reference layer，rl)24、晶格隔断层(crystal breaking layer，cbl)23、反铁磁层(synthetic anti-ferrimagnet layer，syaf)22与种子层(seed layer；sl)21。
[0028]
如图1所示，在本申请的一实施例中，所述反铁磁层22包括由下至上分别的设置有第一超晶格铁磁层(the 1st ferrimagnet supper-lattice layer,1st fm-sl)221，反铁磁耦合层222，垂直各向异性增强层(perpendicular magnetic anisotropy-enhanced layer，pma-el)223与第二超晶格铁磁层(the 2nd ferrimagnet supper-lattice layer,2nd fm-sl)224。第一铁磁超晶格层221，由具有面心晶体结构的过渡金属结合铁磁材料形成；反铁磁耦合层222，设置于所述第一铁磁超晶格层221上，由可形成反铁磁耦合的金属材料形成；垂直各向异性增强层223，设置于所述反铁磁耦合层222上，由高电负性的金属材料形成,厚度为不足以形成连续原子层；以及，第二铁磁超晶格层224，设置于所述垂直各向异
nucleation of a reversed domain and propagation of a domain wall)模式转变的临界尺寸。实验表明当自由层的厚度较厚时表现为面内各向异性，较薄时，表现为垂直各向异性，k
v
一般可以忽略不计，而退磁能对垂直各向异性的贡献为负值，因此垂直各向异性完全来自界面效应(k
i
)。
[0038]
在一些实施例中，热稳定性因子亦受到静磁场-特别是来自于参考层24的漏磁场(stray field)的影响，结合静磁场施加在自由层26上的磁化方向的不同，而产生增强或减弱作用。
[0039]
在一些实施例中，第一铁磁超晶格层221和第二铁磁超晶格层224皆具有强烈垂直各向异性，反铁磁耦合层222主要材料为钌(ru)，其协助实现两层铁磁超晶格层的反铁磁耦合，业界把这种反铁磁耦合叫rkky(ruderman-kittel-kasuya-yosida)耦合。其中，反铁磁耦合层(syaf)22单位面积的能量密度j
rkky
为：j
rkky
＝m
s
th
rkky
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0040]
其中，h
rkky
为rkky反铁磁耦合场，h
rkky
越大，合成反磁铁(syaf)越稳定。在一些实施例中，h
rkky
与反铁磁耦合层222，ru的厚度具有强相关性，在0.3奈米至2.0奈米的范围内，具有两个h
rkky
振荡峰。
[0041]
在一些实施例中，通过晶格隔断层23，使得参考层24在退火后具有体心立方结构，并实现具有面心立方结构的第二铁磁超晶格层224和具有体心立方结构的参考层24的铁磁耦合。
[0042]
由于合成反铁磁层22的存在，来自参考层24和合成反铁磁层22的漏磁场可以部分抵消，定量的，定义来自参考层24和合成反铁磁层22总的漏磁场为h
stray
；
[0043]
其中，h
keff
为垂直有效各向异性场，h
keff
＝2(k
eff
/(μ0m
s
))。进一步地，定义垂直于自由层并且向上的磁化矢量为正，则垂直于自由层26向上的漏磁场为正。那么在自由层26和参考层24的磁化矢量在平行或反平行的情况下，其热稳定性因子可以分别表达为如下的方程式：
[0044]
随着磁性自由层26的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。写操作的临界电流i
c0
和热稳定性强相关，其关系可以表达如下的公式：
[0045]
其中，α为阻尼系数(damping constant)，为约化普朗克常数，η为自旋极化率。更进一步，在磁化平行和反平行的时候，临界电流可以分别表示为如下的表达式：
[0046]
在这种情况下，可以通过漏磁场(stray field)的调控，来进一步地，对平行状态和反平行状态的磁性存储器的临界电流进行调控。
[0047]
在一些实施例中，作为磁性存储器的核心存储单元的磁性隧道结20，还必须和cmos工艺相兼容，必须能够承受在400℃条件下的长时间退火。
[0048]
在本申请的一实施例中，第一铁磁超晶格层221在垂直方向上的饱和磁矩为m
s1
s1t1，第二铁磁超晶格层224在垂直方向上的饱和磁矩为m
s2
s2t2，参考层24在垂直方向上的饱和磁矩为m
s3
s3t3，通过改变每层材料的饱和磁化率(m
s
)和厚度(t)，来调控施加在自由层26之上的总的漏磁场(h
stray
)，从而达到进一步调控在磁化矢量平行和反平行状态下的热稳定因子，以及临界电流。以获得更好读，写和存储信息的能力。
[0049]
在一些實施例中，第一铁磁超晶格层221，第二铁磁超晶格层224，参考层24的饱和磁矩(α)满足以下的关系式：
[0050]
在一些實施例中，α≤100％，更優選的α≤80％，在这种情况下，对第二铁磁超晶格层224和参考层24进行减薄则变的异常重要。
[0051]
在一些實施例中，磁性随机存储器的隧穿电阻比率(tunnel magnetoresistance ratio，tmr)是對應参考层26厚度的縮減而急剧减少。这将不利于器件读性能的提升，而且由于釕(ru)/鈷(co)界面不存在界面垂直各向异性，若第二铁磁超晶格层224縮減厚度時，磁性隧道结20的垂直各向异性也会急剧降低，特别是当第二铁磁超晶格层224的多层结构中的m＝0时候，势垒层25的界面垂直各向异性不足以支撑整个第二铁磁超晶格层224和参考层24,并使其具有垂直的磁化矢量。故在一些實施例中，反铁磁层22的一个较优结构为：[co/(pt或pd)]
n
co/ru/(ir，pt或pd)/co。
[0052]
如前所述，由于铱(ir)，铂(pt)或钯(pd)的单层结构的厚度a，其小于一个原子层，更具体地，0<a≤0.10nm，在这种情况下，h
rkky
不会受较大的伤害，如果选用铱(ir)，还会增强h
rkky
。故此，第一铁磁超晶格层221和第二铁磁超晶格层224的rkky反铁磁耦合并不会因为铱(ir)，铂(pt)或钯(pd)的添加而受影响。
[0053]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的种子层21的材料为选自钛，氮化钛，钽，氮化钽，钨，氮化钨，钌，钯，铬，氧，氮，钴化铬，镍化铬，硼化钴，硼化铁，钴铁硼等其中之一或及其组合。在一些实施例中，所述种子层21可选自钴铁硼/钽/铂，钽/钌，钽/铂，钽/铂/钌，钴铁硼/钽/铂/钌等多层结构其中之一。
[0054]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结的晶格隔断层23的材料为选自钨，钼，铪与铌其中之一或及其组合，所述参考层的厚度为0.1奈米至0.5奈米间。
[0055]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的参考层24的材料为选自钴，铁，镍，铁钴合金，硼化钴，硼化铁，钴铁硼合金，钴铁碳合金与钴铁硼碳合金其中之一或及其组合，其厚度为0.5奈米至2.0奈米间。
[0056]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结20的势垒层25的材料为非磁性金属氧化物，其选自氧化镁，氧化镁锌，氧化镁硼或氧化镁铝等其中之一，其厚度为0.6奈米至1.5奈米间。
[0057]
在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结的自由层26具有可变磁极化的特性，所述自由层26的材料为选自硼化钴，硼化铁，钴铁硼等单层结构或是铁化钴/钴铁硼，铁/钴铁硼等双层结构或是钴铁硼/(钽，钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼，钴铁硼/(钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼等三层结构或是铁/钴铁硼/(钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼，铁化钴/钴铁硼/(钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼，铁/钴铁硼/(钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼或是铁化钴/钴铁硼/(钨，钼或铪等其中之一)/钴铁硼等四层结构其中之一，其厚度为1.2奈米至3.0奈米间。
[0058]
在本申请的一实施例中，所述自由层26上设置有覆盖层27，覆盖层27的材料为选自(镁，氧化镁，氧化镁锌，氧化镁硼或氧化镁铝等其中之一)/(钨，钼，镁，铌，钌，铪，钒,铬或铂等其中之一)双层结构，或是氧化镁/(钨，钼或铪等其中之一)/钌的三层结构，或氧化镁/铂/(钨，钼或铪等其中之一)/钌四层结构。在一些实施例中，选择氧化镁(mgo)能为自由层(fl)26提供了一个额外界面各向异性的来源，从而增加了热稳定。
[0059]
在本申请的一实施例中，于所述磁性隧道结20进行退火工艺，其温度介于350℃与400℃之间，以使得所述参考层24及所述自由层26在氯化钠(nacl)型面心立方晶体结构势垒层25的模板作用下，从非晶结构转变成体心立方堆积的晶体结构。
[0060]
本申请的另一目的的一种磁性随机存储器架构，包括多个存储单元，每一储存单元设置于位线与字线相交的部位，每一存储单元包括：如先前所述的任一种磁性隧道结20；底电极，位于所述磁性隧道结20下方；以及，顶电极，位于所述磁性隧道结20上方。
[0061]
在本申请的一实施例中，所述底电极10，磁性隧道结20及顶电极30皆使用物理气相沉积工艺完成。
[0062]
在本申请的一实施例中，所述底电极10的材料为选自钛，氮化钛，钽，氮化钽，钌，钨，氮化钨等其中之一或及其组合。
[0063]
在本申请的一实施例中，所述顶电极30的材料为选自钛，氮化钛，钽，氮化钽，钨，氮化钨等其中之一或及其组合。
[0064]
在一些实施例中，所述底电极10在进行沉积成型之后，会将其进行平坦化处理，以达到制作磁性隧道结20的表面平整度。
[0065]
本申请通过磁性隧道结的垂直各向异性增强层，即在钌之上，额外增加了一层铱，铂或钯，利用(铱，铂或钯)/钴具有很强的界面垂直各向异性，较能使铁磁超晶格层的厚度的降低，令磁性隧道结具有相对更强的漏磁场和写电流调控能力，有助于磁性随机存储器磁学、电学和良率的提升，以及器件的进一步缩微化。
[0066]“在本申请的一实施例中”及“在各种实施例中”等用语被重复地使用。此用语通常不是指相同的实施例；但它也可以是指相同的实施例。“包含”、“具有”及“包括”等用词是同义词，除非其前后文意显示出其它意思。
[0067]
以上所述，仅是本申请的具体实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以具体实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰
为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。