磁性隧道结结构及磁性随机存储器

技术领域

本发明涉及存储器技术领域，特别是关于一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器。

背景技术

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一百八十度的翻转。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或者是热稳定性，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十年，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。

为了提升MRAM的存储密度，近年来，磁性隧道结的关键尺寸(CriticalDimension，CD)越来越小。当尺寸进一步缩小时，会发现磁性隧道结的热稳定性因子(▽)急剧变差。为提升超小型MRAM单元器件的热稳定性因子(▽)，可以通过降低自由层的厚度，在自由层里添加或把自由层改为低饱和磁化率的材料等一些列措施来增加有效垂直各向异性能量密度，进而维持较高的热稳定性因子(▽)，但磁性隧道结的隧穿磁阻率(TunnelMagnetoresistance Ratio，TMR)将会降低，进而会增加存储器读操作的错误率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种具有多层自由子层结构设计的磁性隧道结结构及磁性随机存储器。

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。

依据本申请提出的一种磁性隧道结结构，其由上至下结构包括覆盖层(CappingLayer，CL)、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-Ferromagnet Layer，SyAF)与种子层(Seed Layer；SL)，其中，所述自由层包括：第一自由子层，设置于所述势垒层上，所述第一自由子层为铁磁金属或其合金所形成；铁磁耦合层，设置于所述第一自由子层上，为非磁性金属层中掺杂铁磁材质所形成的复合层；第二自由子层，设置于所述铁磁耦合层上，由磁性金属或其化合物所形成；其中，所述铁磁耦合层用于实现所述第一自由子层与第二自由子层的铁磁耦合。

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。

在本申请的一实施例中，所述第一自由子层的材料为铁/钴铁硼合金、铁/铁硼合金、铁/钴硼合金、钴铁硼合金、钴硼合金或铁硼合金；所述第一自由子层的厚度为0.8纳米至2.2纳米间；在钴铁硼合金、钴硼合金或铁硼合金中，硼的含量不大于30％；在钴铁硼合金中，钴与铁的原子比例为1:3至3:1。

在本申请的一实施例中，所述铁磁耦合层的结构为X

在本申请的一实施例中，所述铁磁耦合层的结构为[X/M]

在本申请的一实施例中，所述第二自由子层的材料为钴铁硼合金、钴硼合金或铁硼合金；所述第二自由子层的厚度为0.4纳米至1.0纳米间；钴铁硼合金、钴硼合金或铁硼合金中，硼的含量不大于30％；在钴铁硼合金中，钴与铁的原子比例为1:3至3:1。

在本申请的一实施例中，所述第二自由子层形成后，可选用等离子工艺对其进行表面修饰或者选择性成分移除。

在本申请的一实施例中，所述覆盖层包括第一覆盖子层和第二覆盖子层的双层结构；所述第一覆盖子层由非磁性金属氧化物制成，其厚度为0.6纳米至1.5纳米间，所述非磁性金属氧化物包括氧化镁、镁锌氧化物、氧化锌、氧化铝、氮化镁、镁硼氧化物或镁铝氧化物；所述第二覆盖子层由钨、锌、铝、铜、钙、钛、钒、铬、钼、镁、铌、钌、铪、铂或其组合的多层材料等制成，其总厚度为0.5纳米至10.0纳米间。

本申请另一目的为提供一种磁性随机存储器，其储存单元包括如前所述磁性隧道结结构中任一者，设置于所述磁性隧道结结构上方的顶电极，及设置于所述磁性隧道结结构下方的底电极。

在本申请的一实施例中，在所述底电极、种子层、反铁磁层、晶格隔断层、参考层、势垒层、自由层、覆盖层和顶电极沉积之后，在大于350℃的温度下进行至少30分钟的退火操作。

本申请的磁性隧道结单元结构，其一，铁磁耦合层实现了两自由子层的铁磁耦合，有利于热稳定性的提升；其二，在第二自由子层沉积之后，可采用等离子工艺对其表面进行处理，如此有利于增强第二自由子层和后续的覆盖层一的界面各向异性，进一步增强了自由层的热稳定性，非常有利制作超小型的MRAM器件。

附图说明

图1为范例性的磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；

图2为本申请实施例磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；

图3A为本申请实施例含均匀掺杂铁磁耦合层的结构示意图；

图3B为本申请实施例含穿插掺杂亚层的铁磁耦合层的的结构示意图。

具体实施方式

请参照附图中的图式，其中相同的组件符号代表相同的组件。以下的说明是基于所例示的本申请具体实施例，其不应被视为限制本申请未在此详述的其它具体实施例。

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本申请可用以实施的特定实施例。本申请所提到的方向用语，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申请，而非用以限制本申请。

本申请的说明书和权利要求书以及上述附图中的述语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情形下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他譬的变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本申请说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本申请的概念。除非上下文中有明确不同的意义，否则，以单数形式使用的表达涵盖复数形式的表达。在本申请说明书中，应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本申请说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指代相同部分。

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，但是本申请不限于此。

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。

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。

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隧道结结构及磁性随机存储器，其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。

图1为范例性磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图。所述磁性存储单元结构至少包括底电极(Bottom Electrode,BE)110、磁性隧道结(MTJ)200与顶电极(TopElectrode,TE)310形成的多层结构。

在一些实施例中，底电极110为钛(Ti)，氮化钛(TiN)，钽(Ta)，氮化钽(TaN)，钌(Ru)，钨(W)，氮化钨(WN)或其组合；顶电极310组成材料为钛(Ti)，氮化钛(TiN)，钽(Ta)，氮化钽(TaN)，钨(W)，氮化钨(WN)或其组合。所述磁性存储单元结构一般采用物理气相沉积(PVD)的方式实现，通常在底电极110沉积之后，都会对其平坦化处理，以达到制作磁性隧道结200的表面平整度。

在一些实施例中，所述磁性隧道结200，由上至下结构包括覆盖层(CappingLayer，CL)290、自由层(Free Layer；FL)260、势垒层(Tunneling Barrier Layer，TBL)250、参考层(Reference Layer，RL)240、晶格隔断层(Crystal Breaking Layer，CBL)230、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)220与种子层(Seed Layer；SL)210。

如图1所示，在一些实施例中，所述自由层260由钴铁硼合金、铁化钴/钴铁硼合金、铁/钴铁硼合金、或钴铁硼合金/(钽，钨，钼或铪其中之一)/钴铁硼合金等单层或多层结构组成。为了提高磁性随机存储器的密度，磁性隧道结200的关键尺寸(Critical Dimension)做得越来越小。当尺寸进一步缩小时，会发现磁性隧道结200的热稳定性(ThermalStability Factor)急剧变差。对于超小尺寸的MRAM磁性存储单元而言，为了提高热稳定，通常可以降低自由层260的厚度，降低自由层260的饱和磁化率或者增加界面各向异性。如果降低自由层260的厚度，则隧穿磁阻率(Tunnel Magnetoresistance Ratio，TMR)将会降低，这将会增加读操作时候错误率；在厚度不变的条件下，在自由层260里添加或把自由层260改为低饱和磁化率的材料，同样会使隧穿磁阻率降低，不利于器件的读操作。

图2为本申请实施例磁性随机存储器的磁性存储单元结构示意图；图3A为本申请实施例含均匀掺杂铁磁耦合层的结构示意图；图3B为本申请实施例含穿插掺杂亚层的铁磁耦合层的结构示意图。现有技术请同时配合图1以利于理解。

如图2所示，在本申请的一实施例中，一种磁性隧道结结构200，其由上至下结构包括覆盖层(Capping Layer，CL)290、自由层(Free Layer，FL)260、势垒层(TunnelingBarrier Layer，TBL)250、参考层(Reference Layer，RL)240、晶格隔断层(CrystalBreaking Layer，CBL)230、反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet Layer，SyAF)220与种子层(Seed Layer；SL)210，其中，所述自由层260包括：第一自由子层260a，设置于所述势垒层250上，所述第一自由子层260a为铁磁金属或其合金所形成；铁磁耦合层270，设置于所述第一自由子层260a上，为非磁性金属层中掺杂铁磁材质所形成的复合层；第二自由子层260b，设置于所述铁磁耦合层270上，由磁性金属或其化合物所形成；所述铁磁耦合层270用于实现所述第一自由子层260a与第二自由子层260b的铁磁耦合。

在本申请的一实施例中，所述第一自由子层260a的材料为选自铁Fe/钴铁硼合金CoFeB、铁Fe/铁硼合金FeB、铁Fe/钴硼合金CoB、钴铁硼合金CoFeB、钴硼合金CoB或铁硼合金FeB；所述第一自由子层的厚度为0.8纳米至2.2纳米间；钴铁硼合金CoFeB、钴硼合金CoB或铁硼合金FeB中，硼B的含量不大于30％；在钴铁硼合金CoFeB中，钴Co与铁Fe的原子比例为1:3至3:1。

在本申请的一实施例中，所述第二自由子层260b的材料为钴铁硼合金CoFeB、钴硼合金CoB或铁硼FeB合金；所述第二自由子层260b的厚度为0.4纳米至1.0纳米间；钴铁硼合金CoFeB、钴硼合金CoB或铁硼合金FeB中，硼B的含量不大于30％；在钴铁硼合金CoFeB中，钴Co与铁Fe的原子比例为1:3至3:1。

在一些实施例中，所述第二自由子层260b沉积之后，可选用等离子工艺对其进行表面修饰或者选择性成分移除。

在本申请的一实施例中，所述铁磁耦合层270，设置于所述第一自由子层260a与所述第二自由子层260b之间，为非磁性金属层中掺杂铁磁材质所形成的复合层。在一些实施例中，所述铁磁耦合层270用于实现所述第一自由子层260a与所述第二自由子层260b的磁性耦合。

如图3A绘示，在一些实施例中，所述铁磁耦合层270的结构为X

如图3B绘示，在一些实施例中，所述铁磁耦合层270的结构为[X/M]

在本申请的一实施例中，所述覆盖层290包括第一覆盖子层291和第二覆盖子层292的双层结构；所述第一覆盖子层291由非磁性金属氧化物制成，其厚度为0.6纳米至1.5纳米间，所述非磁性金属氧化物包括氧化镁MgO、镁锌氧化物MgZnO、氧化锌ZnO、氧化铝Al

请同时参阅图2至图3B，在本申请的实施例中，一种磁性随机存储器，其储存单元包括如前所述磁性隧道结200结构中任一者，设置于所述磁性隧道结200结构上方的顶电极310，及设置于所述磁性隧道结200结构下方的底电极110。

在本申请的一实施例中，所述磁性隧道结200的种子层210的材料为选自钛Ti，氮化钛TiN、钽Ta、氮化钽TaN、钨W、氮化钨WN、钌Ru、钯Pt、铬Cr、钴化铬CrCo、镍Ni、镍化铬CrNi、硼化钴CoB、硼化铁FeB、钴铁硼合金CoFeB等其中之一或及其组合。在一些实施例中，所述种子层21可选自钽Ta/钌Ru，钽Ta/铂Pt，钽Ta/铂Pt/钌Ru等多层结构其中之一。

反铁磁层220，正式名称为反平行铁磁超晶格层(Anti-Parallel MagneticSupper-lattice)220也叫合成反铁磁层(Synthetic Anti-Ferromagnet，SyAF)。一般是由[钴Co/铂Pt]

在本申请的一实施例中，参考层240在反铁磁层220的铁磁耦合下，具有磁极化不变性。参考层240的材料为选自钴Co，铁Fe，镍Ni，铁化钴CoFe，硼化钴CoB，硼化铁FeB，钴铁碳CoFeC与钴铁硼合金CoFeB其中之一或及其组合，所述参考层25的厚度为0.5纳米至1.5纳米间。

由于反铁磁层220具有面心立方(FCC)晶体结构，而参考层240的晶体结构为体心立方(BCC)，晶格并不匹配，为了实现从反铁磁层220到参考层240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230，晶格隔断层230的材料为选自钽Ta、钨W、钼Mo、铪Hf、铁Fe、钴Co其中之一或其组合，组合包括但不限于钴Co(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)，铁Fe(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)，铁钴FeCo(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)或铁钴硼FeCoB(钽Ta、钨W、钼Mo或铪Hf)，所述晶格隔断层230的厚度为0.1纳米至0.5纳米间。

在一些实施例中，势垒层250为非磁性金属氧化物形成，其厚度为0.6纳米至1.5纳米之间，所述非磁性金属氧化物包括氧化镁MgO、镁锌氧化物MgZnO、氧化锌ZnO、氧化铝Al

在本申请的一实施例中，在所有膜层沉积之后，于所述磁性隧道结200进行退火工艺，其温度大于350℃，时间大于30分钟，以使得所述参考层240、第一自由子层260a和第二自由子层260b从非晶相变为体心立方(BCC)的晶体结构。

本申请的磁性隧道结单元结构，其一，铁磁耦合层实现了两自由子层的铁磁耦合，有利于热稳定性的提升；其二，在第二自由子层沉积之后，可采用等离子工艺对其表面进行处理，如此有利于增强第二自由子层和后续的覆盖层一的界面各向异性，进一步增强了自由层的热稳定性，非常有利制作超小型的MRAM器件。

“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。

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。