c相CoFe在[100]晶向的晶格常數，兩者之間產生的晶格失配在4%至7%之間)。經過250攝氏度以上溫度的退火處理，非晶態(tài)CoFeB晶化成bcc相的CoFe晶體顆粒，它的(100)晶面平行于晶格優(yōu)化層表面，并且有面內膨脹，面外收縮的特性。當MgO厚度足夠大時(大于
1.2nm)，即可在CoFeB記憶層中形成較強的垂直各向異性，從而在CoFeB記憶層中得到垂直方向的磁化矢量。當MgO厚度太大，其電阻值也相應升高，從而導致通過器件的讀電流減小。一種方法是，可以在其中摻雜其它元素如Cr，從而形成MgCrO，其具有較小的電阻，可以減小讀電流的損耗。但是當在工藝制造中進行250攝氏度以上溫度的退火處理時，MgCrO中的Cr摻雜會趨向集中到晶格優(yōu)化層和記憶層的交界面，導致鄰接記憶層的NaCl晶體結構受到破壞，從而減弱了其垂直各向異性。
[0038]為此本發(fā)明采用第一晶格優(yōu)化層15a和第二晶格優(yōu)化層15b兩層結構，只在第二晶格優(yōu)化層15b中摻雜其它元素，所摻雜的元素可以是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 等，并且在第二晶格優(yōu)化層 15b中的含量小于或等于5%。這樣的設置使得，第一晶格優(yōu)化層15a保證了其與記憶層14的界面的NaCl晶體結構不會因為高溫退火而被破壞(摻雜元素無法越過第一晶格優(yōu)化層15a到達其與記憶層14的界面)，確保了記憶層14中形成較強的垂直各向異性；而包含摻雜元素的第二晶格優(yōu)化層15b有效地降低了整個晶格優(yōu)化層的電阻，減小了讀電流的損耗。基于這樣的設置，第一晶格優(yōu)化層15a的厚度應小于第二晶格優(yōu)化層15b的厚度。本實施例中第一晶格優(yōu)化層15a采用MgO(厚度約為0.2nm)，第二晶格優(yōu)化層15b采用MgCrO(厚度約為1.0nm)，其中摻雜元素Cr的含量為2%。
[0039]從工藝制備上來看，第一晶格優(yōu)化層15a為一層純MgO層，第二晶格優(yōu)化層15b為摻雜了 X元素(本實施例中為Cr)的摻雜復合物層MgXO。自然狀態(tài)下，如果基底面為立方晶格的(100)面，MgO易于在此基底上形成NaCl晶格結構的顆粒晶體。獨立狀態(tài)下的MgXO基于X的種類和含量的選擇，既可能形成NaCl晶體結構，也可能形成其它晶體結構。但如果以NaCl晶體結構的MgO作為外延種子層，則第二晶格優(yōu)化層MgXO也易于形成NaCl晶體結構，這樣可以在記憶層中得到較強的垂直各向異性。為了減小MgXO/MgO的電阻和讀電流的損耗，可以進行以下的處理:在比較薄的第一晶格優(yōu)化層15a的MgO的表面，進行Mg的沉積，然后暴露于氧(可為氧分子、自由基氧、離子化氧)和氬氣的混合氣體中進行氧化，然后通過濺射MgX靶材，在第一晶格優(yōu)化層上再增加一層摻雜MgXO膜作為第二晶格優(yōu)化層，根據需要可進行一次可選的自然氧氣氛圍的氧化處理。另一種形成MgXO的方法:在共濺射Mg和X金屬，或直接濺射MgX合金后，使用氧(可為氧分子、自由基氧、離子化氧)與氬氣的混合氣體進行氧化。其它形成MgXO的方法還包括:在氬氣或氬氣-氮氣混合氣體中，對MgXO復合物靶材進行濺射獲得。
[0040]基礎層18是單層或多層結構，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 %。本實施例中，基礎層18的材料結構為Ta (厚度約20nm) /Cu (厚度約20nm) /CoFeB (厚度約0.5nm) ο
[0041]實施例二
[0042]圖2是在圖1中器件結構基礎上進一步改進的一種MTJ元件的結構示意圖，其中包括由下至上依次相鄰設置底電極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、磁性校正層17和基礎層18，即在圖1中器件的第二晶格優(yōu)化層15b和基礎層18間增設了磁性校正層17。
[0043]磁性校正層17的特征與參考層12類似，均為磁化方向不變且磁各向異性垂直于層表面；磁性校正層17的磁化方向與參考層12的磁化方向相反，即兩者反平行。磁性校正層17和參考層12設置需滿足:磁性校正層17具有與參考層12相匹配或近似匹配的凈磁矩；或者磁性校正層17的磁各向異性值至少1.2倍于參考層12的磁各向異性值，或者參考層12的磁各向異性值至少1.2倍于磁性校正層17的磁各向異性值。并且磁性校正層17也可以是多層結構，其中與第二晶格優(yōu)化層15b相鄰子層的材料是CoB、CoFeB或FeB。
[0044]本實施例中，磁性校正層17的材料結構是TbCoFe (厚度約20nm) /CoFeB (厚度約2nm)，參考層12的材料結構為CoFeB (厚度約lnm)/[Co/Pd]n。具有相反方向磁化強度矢量的磁性校正層17與參考層12，使得作用在記憶層14上的雜散場幾乎為零，進一步提高了MTJ元件的熱穩(wěn)定性。
[0045]本實施例中，除磁性校正層17與參考層12以外的其余各層的設置，與實施例一中相應各層的設置相同。
[0046]實施例三
[0047]圖3是在圖2中器件結構基礎上進一步改進的一種MTJ元件的結構示意圖，其中包括由下至上依次相鄰設置底電極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、自旋極化穩(wěn)定層16、磁性校正層17和基礎層18，即在圖2中器件的磁性校正層17和第二晶格優(yōu)化層15b間增設了自旋極化穩(wěn)定層16。
[0048]自旋極化穩(wěn)定層16具有較高的電子極化傳導率，在費米能級上的電子自旋極化損耗率接近零，自旋極化穩(wěn)定層2起著穩(wěn)定晶格優(yōu)化層15的作用，其材料可以選擇MnAs、CrAs、CrSb、Cr02、CoFeB、TaN、TaO、T1、TiN等輕原子量過渡金屬元素的非晶氧化物或非晶氮化物。本實施例中，自旋極化穩(wěn)定層16的材料為TiN(厚度約1nm)。
[0049]本實施例中，除自旋極化穩(wěn)定層16以外的其余各層的設置，與實施例二中相應各層的設置相同。
[0050]以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據本發(fā)明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發(fā)明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【主權項】
1.一種磁電阻元件，包括: 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； 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； 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； 其特征在于，還包括 相鄰設置的第一晶格優(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晶格結構的材料層且其(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晶格結構的材料層且其(100)晶面平行于基底平面；以及非磁性的基礎層，所述基礎層與所述第二晶格優(yōu)化層相鄰。
2.如權利要求1所述的磁電阻元件，其特征在于，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；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。
3.如權利要求1所述的磁電阻元件，其特征在于，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%。
4.如權利要求1所述的磁電阻元件，其特征在于，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。
5.如權利要求1所述的磁電阻元件，其特征在于，所述勢皇層的材料是非磁性金屬氧化物或氮化物。
6.如權利要求1所述的磁電阻元件，其特征在于，所述記憶層的材料是Co合金。
7.如權利要求1所述的磁電阻元件，其特征在于，所述基礎層是單層或多層結構，各層材料是非磁性金屬、非磁性氮化物或非晶態(tài)合金。
8.如權利要求1所述的磁電阻元件，其特征在于，在所述第二晶格優(yōu)化層和所述基礎層之間增設磁性校正層，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。
9.如權利要求8所述的磁電阻元件，其特征在于，所述磁性校正層具有與所述參考層相匹配的凈磁矩；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。
10.如權利要求9所述的磁電阻元件，其特征在于，所述磁性校正層是多層結構，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。
11.如權利要求10所述的磁電阻元件，其特征在于，在所述磁性校正層和所述第二晶格優(yōu)化層之間增設自旋極化穩(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。
12.如權利要求11所述的磁電阻元件，其特征在于，所述過渡金屬元素的非晶氧化物或非晶氮化物包括 MnAs、CrAs、CrSb、Cr02、NiMnSb、Co2MnS1、Co2FeS1、Cr2CoGa、CrCa7Se8、CoFeB, TaN、TaO, T1 和 TiN0
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有雙層優(yōu)化層的磁電阻元件，包括依次相鄰的參考層、勢壘層、記憶層、第一晶格優(yōu)化層、第二晶格優(yōu)化層和基礎層；所述參考層的磁化方向不變且磁各向異性垂直于層表面；所述記憶層的磁化方向可變且磁各向異性垂直于層表面；所述勢壘層位于所述記憶層和所述參考層之間且分別與所述記憶層和所述參考層相鄰；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晶格結構的材料層且其(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NaCl晶格材料層且其(100)晶面平行于基底平面；進一步還包括磁性校正層和自旋極化穩(wěn)定層，它們依次設置在所述基礎層和所述第二晶格優(yōu)化層之間。
【IPC分類】H01L43-08, H01L43-10
【公開號】CN104733606
【申請?zhí)枴緾N201510152898
【發(fā)明人】郭一民, 陳峻, 肖榮福
【申請人】上海磁宇信息科技有限公司
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年4月1日