磁性隧道结的制作方法

1.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。


背景技术：

2.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(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”。
3.为了保证数据存储的可靠性，不同的温度下自由层不能随便翻转，自由层必须具有一定的热稳定性。因此，有必要提出一种具有高热稳定性的磁性隧道结结构。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供了一种磁性隧道结，能够提高器件热稳定性。
5.第一方面，本发明提供一种磁性隧道结，包括：层叠设置的自由层、势垒层和参考层，其中所述自由层包括：
6.第一磁性层，与所述势垒层相邻设置，所述第一磁性层具有可翻转的第一磁矩；
7.第一耦合层，置于所述第一磁性层远离所述势垒层的一侧；
8.第二磁性层，置于所述第一耦合层远离所述第一磁性层的一侧，所述第二磁性层具有可翻转的第二磁矩；
9.第二耦合层，置于所述第二磁性层远离所述第一耦合层的一侧；以及
10.第三磁性层，置于所述第二耦合层远离所述第二磁性层的一侧，所述第三磁性层具有可翻转的第三磁矩。
11.可选地，所述第一耦合层为反铁磁耦合层，以使所述第一磁矩与所述第二磁矩相反。
12.可选地，所述第一耦合层包括铱(ir)和钌(ru)的一种或其组合。
13.可选地，所述第二耦合层为反铁磁耦合层，以使所述第二磁矩与所述第三磁矩相反。
14.可选地，所述第二耦合层包括铱(ir)和钌(ru)的一种或其组合。
15.可选地，所述第一磁性层为单层磁性合金层或者多层磁性合金层的叠层。
16.可选地，所述第二磁性层为单层磁性合金层或者多层磁性合金层的叠层。
17.可选地，所述第三磁性层为单层磁性合金层或者多层磁性合金层的叠层。
18.可选地，所述势垒层包括氧化镁(mgo)。
19.第二方面，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上述磁性隧道结。
20.本发明提供的磁性隧道结，改变自由层的层叠结构，将自由层设计成包括三个磁性层的多层结构，不同磁性层之间加入反铁磁耦合层。一方面，本发明的磁性隧道结不会降低自由层的垂直磁各向异性hk，同时又增加了自由层磁性薄膜的厚度，能够提升器件热稳定性。另一方面，通过反铁磁耦合降低自由层的整体磁矩，从而起到降低写电流的作用。
附图说明
21.图1为本发明一实施例提供的磁性隧道结的结构示意图；
22.图2为本发明一实施例提供的磁性隧道结的结构示意图；
23.图3为本发明一实施例提供的磁性隧道结的结构示意图；
24.图4为本发明一实施例提供的磁性隧道结的结构示意图。
具体实施方式
25.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。
26.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。
27.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”。
28.研究表明，磁性隧道结的热稳定性可以用热稳定因子δ表示。δ与自由层的垂直磁各向异性场hk和自由层厚度t有关，hk越大，δ越大；t越大，δ也越大。但是，单纯地增加自由层厚度t，会使得hk降低，不利于提高δ。因此，要从自由层的层叠结构入手去提高δ。
29.图1是根据本发明的一个实施例的磁性隧道结100的截面图。在图1中，提供了磁性隧道结100的底电极101，参考层102被置于底电极101上，参考层102磁矩方向固定，可以包括cofeb，势垒层103形成在参考层102上，势垒层103一般为氧化镁(mgo)，自由层104形成在势垒层103上，以及，顶电极105被置于自由层104上。
30.作为一种实施方式，自由层104被设计成包括第一磁性层1041、第一耦合层1042、第二磁性层1043、第二耦合层1044和第三磁性层1045的层叠结构。第一磁性层1041与势垒层103相邻设置，第一磁性层1041具有可翻转的第一磁矩。第一耦合层1042置于第一磁性层1041上，第二磁性层1043置于第一耦合层1042上，第二磁性层1043具有可翻转的第二磁矩，第二耦合层1044置于第二磁性层1043上，第三磁性层1045置于第二耦合层1044上，第三磁性层1045具有可翻转的第三磁矩。
31.第一耦合层1042和第二耦合层1044可以设计成铁磁耦合，也可以设计成反铁磁耦合。例如，在本发明一个实施例中，第一耦合层1042为反铁磁耦合层，可以使得第一磁性层1041具有的第一磁矩和第二磁性层1043具有的第二磁矩相反。第二耦合层1044也设计成反铁磁耦合层，可以使得第二磁性层1043的第二磁矩和第三磁性层1045的第三磁矩相反。在这种反铁磁耦合下，能够降低自由层的整体磁矩，从而降低写电流。第一耦合层1042和第二耦合层1044可以使用的反铁磁耦合材料包括铱(ir)和钌(ru)的一种或其组合。
32.另外，第一磁性层1041可以只包括单层磁性合金层，或者，也可以包括多层磁性合金层的叠层。每个磁性合金层的材料可以包括co、fe、cofe、feb、cofeb或heusler(哈斯勒)合金材料中的一种或几种的组合。同样地，第二磁性层1043可以只包括单层磁性合金层，或者，也可以包括多层磁性合金层的叠层。第三磁性层1045可以只包括单层磁性合金层，或者，也可以包括多层磁性合金层的叠层。在具体实施时，三个磁性层的结构可以灵活实现。
33.图2示出了基于图1的磁性隧道结的一种层叠结构。其中第一磁性层1041、第二磁性层1043和第三磁性层1045包括单层磁性合金层cofeb，第一耦合层1042和第二耦合层1044可以为ir或ru，势垒层可以为mgo，参考层可以为cofeb，底电极和顶电极可以为ta电极。
34.图3示出了基于图1的磁性隧道结的另一种层叠结构。其中第一磁性层1041、第二磁性层1043和第三磁性层1045各自包括两层磁性合金层cofeb，第一耦合层1042和第二耦合层1044可以为ir或ru，势垒层可以为mgo，参考层可以为cofeb，底电极和顶电极可以为ta电极。
35.图4是根据本发明的另一个实施例的磁性隧道结200的截面图。在图4中，提供了磁性隧道结200的底电极201，自由层202被置于底电极201上，势垒层203形成在自由层202上，参考层204形成在势垒层203上，以及，顶电极205形成在参考层204上。其中，自由层202被设计成包括第一磁性层2025、第一耦合层2024、第二磁性层2023、第二耦合层2022和第三磁性层2021的层叠结构。第一磁性层2025与势垒层203相邻设置，第一磁性层2025具有可翻转的第一磁矩。第一耦合层2024置于第一磁性层2025下，第二磁性层2023置于第一耦合层2024下，第二磁性层2023具有可翻转的第二磁矩，第二耦合层2022置于第二磁性层2023下，第三磁性层2021置于第二耦合层2022下，第三磁性层2021具有可翻转的第三磁矩。
36.对于磁性隧道结200的各层的描述，可以参考前述实施例中关于磁性隧道结100的描述，在此不再赘述。
37.应用本发明实施例提供的磁性隧道结，改变自由层的层叠结构，将自由层设计成包括三个磁性层的多层结构，不同磁性层之间加入反铁磁耦合层。一方面，本发明的磁性隧道结不会降低自由层的垂直磁各向异性hk，同时又增加了自由层磁性薄膜的厚度，能够提升器件热稳定性。另一方面，通过反铁磁耦合降低自由层的整体磁矩，从而起到降低写电流的作用。
38.本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。
39.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。