一種具有雙層優(yōu)化層的磁電阻元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及存儲器件領(lǐng)域，具體而言，涉及一種垂直式磁電阻元件。
【背景技術(shù)】
[0002]磁性隧道結(jié)(MTJ，Magnetic Tunnel Junct1n)是由絕緣體或半導(dǎo)體構(gòu)成的磁性多層膜，它在橫跨絕緣層的電壓作用下，其隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層磁化強度的相對取向，當(dāng)此相對取向在外磁場的作用下發(fā)生改變時，可觀測到大的隧穿磁電阻(TMR)。人們利用MTJ的特性做成的磁性隨機存取記憶體，即為非揮發(fā)性的磁性隨機存儲器(MRAM, Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一種新型固態(tài)非易失性記憶體，它有著高速讀寫、大容量、低功耗的特性。
[0003]自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT，Spin Transfer Torque)可以用于磁電阻元件的寫操作，即自旋極化的電流通過磁電阻元件時，可以通過STT改變記憶層的磁化方向。當(dāng)記憶層的磁性物體體積變小時，所需的極化電流也會同樣變小，這樣就可以同時達(dá)到小型化與低電流。
[0004]垂直式磁性隧道結(jié)(PMTJ，PerpendicularMagnetic Tunnel Junct1n)即磁矩垂直于襯底表面的磁性隧道結(jié)，在這種結(jié)構(gòu)中，由于兩個磁性層的磁晶各向異性比較強(不考慮形狀各向異性)，使得其易磁化方向都垂直于層表面。在同樣的條件下，器件的尺寸可以做得比平面式磁性隧道結(jié)(即易磁化方向在面內(nèi)的)器件更小，易磁化方向的磁極化誤差可以做的很小。因此，如果能夠找到具體有更大的磁晶各向異性的材料的話，可以在保持熱穩(wěn)定性的同時，滿足使得器件小型化與低電流要求。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)得到高的磁電阻(MR)率的方法為:在非晶態(tài)磁性膜與其緊鄰的晶態(tài)隧道勢皇層的界表面形成一層晶化加速膜。當(dāng)此層膜形成后，晶化開始從隧道勢皇層一側(cè)開始形成，這樣使得隧道勢皇層的表面與磁性表面形成匹配，這樣就可以得到高MR率。然而，這種技術(shù)和結(jié)構(gòu)在后續(xù)的工藝中對非晶態(tài)的CoFeB進行退火時，在磁性膜另一側(cè)的基礎(chǔ)層的晶格無法與晶化后得到CoFe的晶體形成良好的匹配，使得CoFe晶體無法在垂直方向產(chǎn)生強調(diào)的磁各向異性，導(dǎo)致得到的MR率較低，并且熱穩(wěn)定性較差。
[0006]中國專利200810215231.9(日本優(yōu)先權(quán))公開了一種磁阻元件，包含:基底層，其由具有NaCl構(gòu)造、并且取向于(001)面的氮化物構(gòu)成；第一磁性層，其被設(shè)置在上述基底層上，且具有垂直于膜面的方向的磁各向異性，并且由具有LlO構(gòu)造、并且取向于(001)面的鐵磁性合金構(gòu)成；非磁性層，其被設(shè)置在上述第一磁性層上；以及第二磁性層，其被設(shè)置在上述非磁性層(16)上，并且包含Pd或Pt、Au元素而具有垂直于膜面的方向的磁各向異性。該技術(shù)方案利用LlO構(gòu)型和Pd等元素可以實現(xiàn)較高的垂直磁各向異性和磁電阻率，但磁記錄層的阻尼系數(shù)高，寫入功耗高，制造成本高，難以規(guī)模應(yīng)用，且熱穩(wěn)定性也較差。
[0007]中國專利201210097760.X (日本優(yōu)先權(quán))公開一種磁阻元件和磁存儲器，包括:存儲層，其具有垂直且可變的磁化；參考層，其具有垂直且恒定的磁化；偏移調(diào)整層，其具有沿與所述參考層的磁化相反的方向的垂直且恒定的磁化；第一非磁性層，其在所述存儲層與所述參考層之間；以及第二非磁性層，其在所述參考層與所述偏移調(diào)整層之間。該技術(shù)方案解決了存儲層的磁滯曲線的偏移問題，但也未解決MR率低，熱穩(wěn)定性差的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種具有雙層優(yōu)化層的磁電阻元件，可以顯著減小阻尼系數(shù)、增大電流自旋極化率、增強磁晶垂直各向異性，進而減小寫電流及得到更高的MR率。
[0009]本發(fā)明的一種具有雙層優(yōu)化層的磁電阻元件，包括:
[0010]參考層，所述參考層的磁化方向不變且磁各向異性垂直于層表面；
[0011]記憶層，所述記憶層的磁化方向可變且磁各向異性垂直于層表面；
[0012]勢皇層，所述勢皇層位于所述參考層和所述記憶層之間且分別與所述參考層和所述記憶層相鄰(本文中的層與層的“相鄰”是指層與層緊貼設(shè)置，其間未主動設(shè)置其它層)；
[0013]相鄰設(shè)置的第一晶格優(yōu)化層和第二晶格優(yōu)化層，所述第一晶格優(yōu)化層與所述記憶層相鄰，所述第一晶格優(yōu)化層是具有NaCl晶格結(jié)構(gòu)的材料層且其(100)晶面平行于基底平面；所述第二晶格優(yōu)化層是包含至少一種摻雜元素的具有NaCl晶格結(jié)構(gòu)的材料層且其(100)晶面平行于基底平面；以及
[0014]非磁性的基礎(chǔ)層，所述基礎(chǔ)層與所述晶格優(yōu)化層相鄰。
[0015]進一步地，所述第一晶格優(yōu)化層的NaCl晶格材料是金屬氧化物、氮化物或氯化物且其中的金屬是Mg、Ca、Zn和Cd中的至少一種，優(yōu)選材料是狀態(tài)穩(wěn)定的NaCl晶格結(jié)構(gòu)的金屬氧化物，如 MgO、MgN, CaO、CaN、MgZnO, CdO, CdN、MgCdO 或 CdZnO ；
[0016]所述第二晶格優(yōu)化層的NaCl晶格材料是金屬氧化物、氮化物或氯化物且其中的金屬是Mg、Ca、Zn和Cd中的至少一種，所述摻雜元素包括Cr、Al、B、S1、P、S、Cu、Zn、Cd、In、Sn、Ag、Be、Ca、L1、Na、Sc、T1、Rb、V、Mn、Ta、Hf、W、Nb 和 N，優(yōu)選 MgXO 或 MgZnXO，其中 X為所述摻雜元素。
[0017]進一步地，所述摻雜元素在所述第二晶格優(yōu)化層中的含量小于或等于5%。
[0018]進一步地，所述第一晶格優(yōu)化層的厚度小于所述第二晶格優(yōu)化層的厚度。
[0019]進一步地，所述勢皇層的材料是非磁性金屬氧化物或氮化物，優(yōu)選MgO、ZnO或MgZnO0
[0020]進一步地，所述記憶層的材料是Co合金，優(yōu)選CoFeB或CoB，其中B含量優(yōu)選在5% -25%之間。
[0021 ] 進一步地，所述基礎(chǔ)層是單層或多層結(jié)構(gòu)，各層材料可以是非磁性金屬，如Ta、T1、W、Nb、Mo、V、Ru、Cu、Al 或 Zr ;也可以是非磁性氮化物，如 A1N、NbN, ZrN, IrN, TaN, TiN 或SiN ;還可以是非晶態(tài)合金，如CoFeB、CoB, FeB, CoNiFeB, CoNiB, NiFeB或NiB，其中B含量優(yōu)選大于20%。
[0022]進一步地，在所述第二晶格優(yōu)化層和所述基礎(chǔ)層之間增設(shè)磁性校正層，所述磁性校正層分別與第二晶格優(yōu)化層和所述基礎(chǔ)層相鄰；所述磁性校正層的磁化方向不變且磁各向異性垂直于層表面；所述磁性校正層的磁化方向與所述參考層的磁化方向相反，即兩者反平行。
[0023]進一步地，所述磁性校正層具有與所述參考層相匹配或近似匹配的凈磁矩；或者所述磁性校正層的磁各向異性值至少1.2倍于所述參考層的磁各向異性值，或者所述參考層的磁各向異性值至少1.2倍于所述磁性校正層的磁各向異性值。
[0024]進一步地，所述磁性校正層是多層結(jié)構(gòu)，其中與所述第二晶格優(yōu)化層距離最近的子層的材料是CoB、CoFeB或FeB。
[0025]進一步地，在所述磁性校正層和所述第二晶格優(yōu)化層之間增設(shè)自旋極化穩(wěn)定層，所述自旋極化穩(wěn)定層分別與所述磁性校正層和所述第二晶格優(yōu)化層相鄰；所述自旋極化穩(wěn)定層的材料是過渡金屬元素的非晶氧化物或非晶氮化物。
[0026]進一步地，所述自旋極化穩(wěn)定層的材料具體可以是MnAs、CrAs> CrSb> Cr02、NiMnSb, Co2MnS1、Co2FeS1、Cr2CoGa、CrCa7Se8、CoFeB, TaN、TaO, T1 或 TiN。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠顯著減小阻尼系數(shù)、增大電流自旋極化率、增強磁晶垂直各向異性，進而減小寫電流及得到更高的MR率。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是本發(fā)明實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖，在圖1的器件結(jié)構(gòu)中增加了磁性校正層；
[0030]圖3是本發(fā)明實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖，在圖2的器件結(jié)構(gòu)中增加了自旋極化穩(wěn)定層O
【具體實施方式】
[0031]以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0032]實施例一
[0033]圖1是基于本發(fā)明的一種MTJ元件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中包括由下至上依次相鄰設(shè)置底電極11、參考層12、勢皇層13、記憶層14、第一晶格優(yōu)化層15a、第二晶格優(yōu)化層15b和基礎(chǔ)層18。
[0034]參考層12和記憶層14是鐵磁性材料，參考層12的磁化方向不變且磁各向異性垂直于層表面，記憶層14的磁化方向可變且磁各向異性垂直于層表面。參考層12的磁垂直各向異性能量充分大于記憶層14的磁垂直各向異性能量，這可以通過對參考層12的材料、結(jié)構(gòu)以及膜厚的調(diào)整來實現(xiàn)，從而當(dāng)自旋極化電流通過MTJ時，只能改變能量壁皇較低的記憶層14的磁化方向，而參考層12的磁化方向不受影響。
[0035]記憶層14的材料是Co合金，優(yōu)選CoFeB或CoB，其中B含量優(yōu)選在5% -25%之間。本實施例中，記憶層14的材料為CoFeB (厚度約1.2nm)，其中B含量為20 %，其沉積態(tài)為非晶態(tài)；參考層12的材料結(jié)構(gòu)為CoFeB (厚度約2nm)/TbCoFe (厚度約1nm)。其中“/”表示多層結(jié)構(gòu)，左邊的材料層設(shè)置在右邊材料層之上。需要注意的是，實施例中所指的關(guān)于“上”、“下”的位置描述，是依據(jù)附圖內(nèi)元件的顯示狀態(tài)確定的，是為了更好地對附圖進行說明，當(dāng)觀察元件的角度或位置發(fā)生變化時，各層間的位置描述也可需要根據(jù)實際情況做相應(yīng)變化。
[0036]勢皇層13的材料是非磁性金屬氧化層或氮化物，比如Mg0、Zn0或MgZnO。本實施例中，勢皇層13為NaCl晶格結(jié)構(gòu)的Mg0(厚度約Inm)，且其(100)晶面平行于基底。
[0037]相鄰設(shè)置的第一晶格優(yōu)化層15a和第二晶格優(yōu)化層15b主要用于增強記憶層14的垂直磁各向異性。先假設(shè)第一晶格優(yōu)化層15a和第二晶格優(yōu)化層15b是一個單一的層，即采用單層晶格優(yōu)化層的結(jié)構(gòu)，該層使用NaCl晶格材料，且其(100)晶面平行于基底平面，如單層的NaCl晶格結(jié)構(gòu)的金屬氧化物、氮化物或氯化物，其中的金屬選自Mg、Ca、Zn和Cd中的至少一種，優(yōu)選材料是狀態(tài)穩(wěn)定的NaCl晶格結(jié)構(gòu)的金屬氧化物，如MgO、MgN、CaO、CaN、MgZnO, CdO、CdN, MgCdO或CdZnO等。這些材料具有穩(wěn)定的NaCl晶格結(jié)構(gòu)，其(100)面平行于基底平面，特別適合用于與非晶態(tài)的CoFeB(即記憶層14)間的界面結(jié)合，在增強記憶層14的垂直磁各向異性的同時，還可減小自旋泵效應(yīng)。以MgO為例，在NaCl晶格結(jié)構(gòu)中，Mg與O各自形成一套fee相子晶格，這兩套子晶格在[100]晶向上的相對位移為此方向上晶格常數(shù)的一半(它在[110]晶向的晶格常數(shù)在2.98至3.02埃米之間，此值略大于bc