一种磁性隧道结垂直反铁磁层及随机存储器

技术领域

本发明涉及磁性随机存储器技术领域，具体涉及一种磁性隧道结垂直反铁磁层及随机存储器。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic Radom Access Memory,MRAM)被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层(自由层)，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。在具有垂直各向异性(PMA)的磁性隧道结(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”。在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向保持不变；在写的过程中，如果有与现有不同状态的信号输入的时候，那么自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生一百八十度的翻转。业界把这种空置状态之下，磁性存储器的自由层保持磁化方向不变的能力叫做数据保存能力或者热稳定性。

在不同的应用场景中要求不一样。对于一个典型的非易失存储器，比如：应用于汽车电子，其热稳定性的要求是在125℃甚至150℃的条件下至少保存数据十年。

更进一步地，数据保存能力(Data Retention)可以用下面的公式进行计算：

其中，τ为在热扰动条件下磁化矢量不变的时间，τ

热稳定性因子(Thermal Stability factor)则可以表示为如下的公式：

其中，K

同时，静磁场，特别是来自于参考层的漏磁场(Stray Field)，也会影响磁性随机存储器(MRAM)磁性存储单元的热稳定性因子，根据其施加在自由层(FL)上的磁化方向的不同，既可以起增强作用也可以起减弱作用。为了减小漏磁场对自由层(FL)的影响，通常会在参考层(RL)之下增加一层具有强烈垂直各向异性(PMA)超晶格结构的合成反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnetic Layer，SyAF)

由于合成反铁磁层(SyAF)的存在，来自参考层(RL)和合成反铁磁层(SyAF)的漏磁场可以部分抵消，定量的，定义来自参考层和合成反铁磁层(SyAF)总的漏磁场为H

其中，H

此外，随着磁性自由层的体积的缩减，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

其中，α为阻尼系数(damping constant)，

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：

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MRAM的临界电流进行调控。

为了实现逻辑“0”或“1”的快速写入，一般写要求写电流密度(J)要大于临界电流密度(J

写入的时间为t

写电流(J)超过临界电流(J

其中，α为次阻尼系数，

在快速缓存中，比如：作为SRAM的替代者，则需要MRAM有与SRAM相匹配的读写速度。

另外，作为磁性存储器(MRAM)的核心存储单元的MTJ，还必须和CMOS工艺相兼容，必须能够承受在350℃或更高温条件下的长时间退火；同时，还需要MRAM的磁存储单元具有较强的磁场免疫能力(Magnetic Immunity)。

近年来，磁性隧道结的关键尺寸(Critical Dimension，CD)越来越小，为了和CMOS电路的阻抗相匹配，结电阻面积积(Resistance Area Product,RA)也越来越小，并同时要求保持相对较高的隧穿磁阻率(Tunnel Magnetoresistance Ratio，TMR)，以保证较高的读取速度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种磁性隧道结垂直反铁磁层及随机存储器，为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供一种磁性隧道结垂直反铁磁层，所述垂直反铁磁层设置于磁性随机存储器存储单元，在具有垂直反铁磁层的磁性隧道结结构中，由下至上依次设置垂直各向异性场增强层和垂直反铁磁层双层结构并堆叠在自由层的上方，所述垂直反铁磁层通过垂直各向异性增强乘实现和自由层的磁性耦合，增强自由层的热稳定性。

更进一步的，所述垂直各向异性增强层的总厚度为0.3nm～1.4nm。

更进一步的，所述垂直各向异性增强层的材料为X的氧化物或氮化物，其中，X为Mg、Co、Fe、Pt、Au、Cu、Ru、Zn、Al、Mo、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、Tc、Ru、Ni、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Si或它们的组合。

或者所述垂直各向异性增强层的材料为双层结构MgO/X，其中，X为Co、Fe、Pt、Au、Cu、Ru、Zn、Al、Mo、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、Tc、Ru、Ni、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Si或它们的组合。

更进一步的，所述自由层通过垂直各向异性获得额外界面各向异性来源，进而增强了其热稳定性。

更进一步的，所述垂直反铁磁层的总厚度为0.5nm～20nm。

更进一步的，所述垂直反铁磁层的材料为IrMn、PtMn、PdMn、NiMn、MnAu、FeRh、NiO、CoO、Cr

第二方面，本发明提供一种磁性随机存储器，包括含有如第一方面所述任一项磁性隧道结垂直反铁磁层的存储单元，还包括底电极和顶电极，所述存储单元包括层叠设置的种子层、合成反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、垂直各向异性场增强层、垂直反铁磁层、覆盖层及顶电极。

更进一步的，所述底电极组成材料为Ti，TiN，Ta，TaN，W,Ru,WN或者它们的组合，采用物理气相沉积的方式沉积之后，选择对底电极平坦化处理，以达到制作磁性隧道结的表面平整度。

更进一步的，所述顶电极选择Ta，TaN，TaN/Ta，Ti，TiN，TiN/Ti，W，WN，WN/W或它们的组合。

更进一步的，所述底电极、种子层、合成反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、垂直各向异性场增强层，垂直反铁磁层，覆盖层和顶电极沉积之后，在不小于350℃的温度下进行至少30分钟的退火操作。

本发明的有益效果为：

本发明垂直反铁磁层(pAFM)通过垂直各向异性增强层(H

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例中的磁性随机存储器存储单元的结构示意图；

图2是本发明实施例中的磁性随机存储器存储单元中，垂直各向异性增强层(H

图3是本发明实施例中的磁性随机存储器存储单元中，包含自由层(FL)，垂直各向异性增强层(H

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

实施例1

本实施例公开一种磁性隧道结垂直反铁磁层，所述垂直反铁磁层设置于磁性随机存储器存储单元，在具有垂直反铁磁层的磁性隧道结结构中，由下至上依次设置垂直各向异性场增强层和垂直反铁磁层双层结构并堆叠在自由层的上方，所述垂直反铁磁层通过垂直各向异性增强乘实现和自由层的磁性耦合，增强自由层的热稳定性。

垂直各向异性增强层的总厚度为0.3nm～1.4nm。所述垂直各向异性增强层的材料为X的氧化物或氮化物，其中，X为Mg、Co、Fe、Pt、Au、Cu、Ru、Zn、Al、Mo、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、Tc、Ru、Ni、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Si或它们的组合。

或者所述垂直各向异性增强层的材料为双层结构MgO/X，其中，X为Co、Fe、Pt、Au、Cu、Ru、Zn、Al、Mo、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、Tc、Ru、Ni、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Si或它们的组合。

自由层通过垂直各向异性获得额外界面各向异性来源，进而增强了其热稳定性。

垂直反铁磁层的总厚度为0.5nm～20nm。所述垂直反铁磁层的材料为IrMn、PtMn、PdMn、NiMn、MnAu、FeRh、NiO、CoO、Cr

垂直反铁磁层(pAFM)通过垂直各向异性增强层(H

实施例2

本实施例公开如图1所示，所述磁性随机存储器存储单元包括层叠设置的种子层21，合成反铁磁层22，晶格隔断层23，参考层24、势垒层25、自由层26，垂直各向异性场增强层27，垂直反铁磁层28，覆盖层29。

提供了一种磁性隧道结垂直反铁磁层单元结构。如图2所示在具有垂直反铁磁层(Perpendicular Anti-Ferromagnetic Layer,pAFM)28的磁性隧道结(MTJ)结构中，如图3所示垂直各向异性场增强层(H

垂直各向异性增强层(H

或者所述垂直各向异性增强层的材料为双层结构MgO/X，其中，X为Co、Fe、Pt、Au、Cu、Ru、Zn、Al、Mo、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、Tc、Ru、Ni、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Si或它们的组合。

垂直各向异性(H

垂直反铁磁层(pAFM)28的总厚度为0.5nm～20nm，所述垂直反铁磁层的材料为IrMn、PtMn、PdMn、NiMn、MnAu、FeRh、NiO、CoO、Cr

垂直反铁磁层(pAFM)28通过垂直各向异性增强层(H

实施例3

本实施例中，提供了一种磁性随机存储器，包括如上所述的存储单元，还包括底电极10和顶电极30，所述底电极10、种子层21、合成反铁磁层22、晶格隔断层23、参考层24、势垒层25、自由层26、垂直各向异性场增强层27、垂直反铁磁层28，覆盖层29及顶电极30顺序层叠设置。

其中，底电极10组成材料为Ti，TiN，Ta，TaN，W,Ru,WN或者它们的组合，一般采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)的方式实现，通常在沉积之后，选择对底电极10其平坦化处理，以达到制作磁性隧道结的表面平整度。

种子层21一般由Ta,Ti，TiN，TaN，W，WN，Ru，Pt，Ni，Cr,CrNi，CrCo，CoFeB或它们的组合构成，更进一步地，可以是Ta/Ru、CoFeB/Ta/Pt，CoFeB/Ta/Ru,CoFeB/Ta/Ru/Pt,Ta/Pt或Ta/Pt/Ru等多层结构。用以优化后续的合成反铁磁层220的晶体结构。

所述合成反铁磁层(Synthetic Anti-ferromagnetic layer，SyAF)22具有[Co/Pt]

参考层24在反合成反铁磁层22的铁磁耦合下，具有磁极化不变性，其组成材料一般为Co，Fe,Ni，CoFe，CoFeB或它们的组合等。由于合成反铁磁层(SyAF)22具有面心立方(FCC)晶体结构，而参考层24的晶体结构为体心立方(BCC)，晶格并不匹配，为了实现从合成反铁磁层(SyAF)22到参考层24的过渡和铁磁耦合，一般会在两层材料之间添加一层晶格隔断层23，其组成材料一般为Ta，W，Mo，Hf，Fe，Co(Ta，Zr,Nb，V，Cr，W，Mo或Hf)，Fe(Ta，Zr,Nb，V，Cr，W，Mo或Hf)，FeCo(Ta，Zr,Nb，V，Cr，W，Mo或Hf)或FeCoB(Ta，Zr,Nb，V，Cr，W，Mo或Hf)等。

势垒层25的总厚度为0.6nm～1.5nm。其材料为MgO，可以通过直接对MgO靶材进行溅射沉积的方式实现，或者通过先对Mg靶材进行溅射沉积Mg，然后，通过氧化工艺使Mg变为MgO的方式实现。

所述自由层26单层或多层材料结构，包含Fe，FeC，FeCo，FeCoB，FeCoBC，FeB，FeC，CoB，CoC，W，Mo，V,Nb，Cr，Hf，Ti，Zr，Ta，Sc，Y，Zn，Ru，Os，Ru，Rh，Ir，Pd或Pt结构。更进一步地，可以选择性的，采用等离子工艺在自由层沉积之后，对其进行表面等离子体处理，以进行表面修饰或选择性移除。

覆盖层29的材料为Zr、Nb、Ru、Ir、Ti、V、Cr、W、Hf、Mo、Tc、Y或它们的组合。其厚度为z，0.0

顶电极30可以选择Ta，TaN，TaN/Ta，Ti，TiN，TiN/Ti，W，WN，WN/W或它们的组合。

进一步地，在所述底电极、种子层、合成反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、垂直各向异性场增强层，垂直反铁磁层，覆盖层和顶电极沉积之后，在不小于350℃的温度下进行至少30分钟的退火操作。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。