一種用于stt-mram的磁性隧道結(jié)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)，尤其涉及一種用于自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器的含有高阻尼系數(shù)亞鐵磁固定層的磁性隧道結(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002]磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)是一種非易失型的存儲(chǔ)器，由依靠電路相互連接的磁性隧道結(jié)(MTJ)陣列組成。每個(gè)MTJ含有磁性的自由層和固定層。自由層和固定層之間由非磁性的勢皇層分開。在MTJ正常工作時(shí)自由層的磁化方向可以改變，而固定層的磁化方向保持不變。MTJ的電阻與自由層和固定層的相對(duì)磁化方向有關(guān)。當(dāng)自由層的磁化方向相對(duì)于固定層的磁化方向發(fā)生改變時(shí)，MTJ的電阻值相應(yīng)改變，對(duì)應(yīng)于不同的存儲(chǔ)信息(如0或1)。電阻值發(fā)生變化的幅度稱為磁電阻。
[0003]在自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器(STT-MRAM)中，自由層的反轉(zhuǎn)通過自旋轉(zhuǎn)移扭矩(STT)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)垂直于MTJ膜層的寫電流通過自由層時(shí)，如果電流的大小超過STT效應(yīng)的閾值，電流產(chǎn)生的STT可以導(dǎo)致自由層的磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)后自由層的磁化方向由寫電流流動(dòng)的方向決定。
[0004]在STT-MRAM的寫入過程中，寫電流可能會(huì)對(duì)固定層產(chǎn)生影響，改變固定層的磁化方向。STT效應(yīng)的寫電流閾值與磁性材料的阻尼系數(shù)成正比，因此減小寫電流對(duì)固定層擾動(dòng)的一種有效方法是增加固定層的阻尼系數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為克服上述的不足之處，目的在于提供一種用于自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器的含有高阻尼系數(shù)亞鐵磁固定層的磁性隧道結(jié)，將亞鐵磁材料應(yīng)用于MTJ的固定層以增加固定層的阻尼系數(shù)。亞鐵磁材料中存在著兩組角動(dòng)量方向反向排列的子晶格。在特定的溫度(稱為角動(dòng)量補(bǔ)償溫度)下，子晶格的角動(dòng)量大小相等、相互抵消，亞鐵磁材料的凈角動(dòng)量為零。在這個(gè)溫度附近，亞鐵磁材料的阻尼系數(shù)顯著增大。通過選擇合適的亞鐵磁材料作為固定層，使得其角動(dòng)量補(bǔ)償溫度與MRAM的工作溫度范圍匹配，可以增加固定層在MRAM工作狀態(tài)下的阻尼系數(shù)，減小STT寫電流對(duì)固定層的干擾，提高STT-MRAM的可靠性。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案達(dá)到上述目的:一種用于STT-MRAM的磁性隧道結(jié)，包括:鐵磁性的自由層、勢皇層、含有亞鐵磁性的固定層，勢皇層由非磁性物質(zhì)構(gòu)成并位于鐵磁性的自由層和含有亞鐵磁性的固定層之間，含有亞鐵磁性的固定層的角動(dòng)量補(bǔ)償溫度與STT-MRAM的工作溫度匹配，所述角動(dòng)量補(bǔ)償溫度下含有亞鐵磁性的固定層具有高阻尼系數(shù)。
[0007]作為優(yōu)選，所述含有亞鐵磁性的固定層包含有SAF結(jié)構(gòu)。
[0008]作為優(yōu)選，所述含有亞鐵磁性的固定層位于勢皇層下方，鐵磁性的自由層位于勢皇層上方。
[0009]作為優(yōu)選，所述含有亞鐵磁性的固定層位于勢皇層上方，鐵磁性的自由層位于勢皇層下方。
[0010]作為優(yōu)選，所述含有亞鐵磁性的固定層和鐵磁性的自由層的磁化方向在膜層面內(nèi)。
[0011]作為優(yōu)選，所述含有亞鐵磁性的固定層和鐵磁性的自由層的磁化方向垂直于膜層。
[0012]作為優(yōu)選，所述亞鐵磁性的固定層材料包括鈷釓合金、鐵釓合金、鈷鐵釓合金、鈷鋱合金、鐵鋱合金、鈷鐵鋱合金，或鈷-釓多層膜、鐵-釓多層膜、鈷鐵-釓多層膜、鈷-鋱多層膜、鐵-鋱多層膜、鈷鐵-鋱多層膜中的一種或幾種組合。
[0013]作為優(yōu)選，所述鐵磁性的自由層的材料為:含有鐵、鈷、鐵鈷合金，以及上述元素或合金與硼、鋯、鉿、鉭、鈦、釩、鉻、鎢、鉬、鈮組成的合金，以及上述元素或合金與硼、鋯、鉿、鉭、鈦、釩、鉻、鎢、鉬、鈮組成的多層膜。
[0014]作為優(yōu)選，所述勢皇層的材料含有氧化鎂、氧化鋁、氧化鋁鎂、氧化鋅、氧化鋅鎂或氮化硼中的一種或幾種組合。
[0015]作為優(yōu)選，所述含有亞鐵磁性的固定層和勢皇層之間含有一層鐵磁性的界面層；鐵磁性的界面層的材料為:含有鐵、鈷、鐵鈷合金，以及上述元素或合金與硼、鋯、鉿、鉭、鈦、釩、鉻、鎢、鉬、鈮組成的合金，以及上述元素或合金與硼、鋯、鉿、鉭、鈦、釩、鉻、鎢、鉬、鈮組成的多層膜。
[0016]作為優(yōu)選，所述界面層的磁化方向在膜層面內(nèi)。
[0017]作為優(yōu)選，所述界面層的磁化方向垂直于膜層。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:將亞鐵磁性材料應(yīng)用于MTJ的固定層以增加固定層的阻尼系數(shù)。亞鐵磁性材料中存在著兩組角動(dòng)量方向反向排列的子晶格。在特定的溫度(稱為角動(dòng)量補(bǔ)償溫度)下，子晶格的角動(dòng)量大小相等、相互抵消，亞鐵磁材料的凈角動(dòng)量為零。在這個(gè)溫度附近，亞鐵磁性材料的阻尼系數(shù)顯著增大。通過選擇合適的亞鐵磁性材料作為固定層，使得其角動(dòng)量補(bǔ)償溫度與MRAM的工作溫度范圍匹配，可以增加固定層在MRAM工作狀態(tài)下的阻尼系數(shù)，減小STT寫電流對(duì)固定層的干擾，提高STT-MRAM的可靠性。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1提出的MTJ結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2提出的MTJ結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3提出的MTJ結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例4提出的MTJ結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此:
[0024]下文中將討論含有亞鐵磁性的固定層以增加其阻尼系數(shù)的用于STT-MRAM的MTJ的實(shí)施方案，包括一些具體的實(shí)施例。亞鐵磁性材料組成的固定層可位于勢皇層的上方或下方，相對(duì)應(yīng)的自由層位于勢皇層的下方或上方。亞鐵磁性的固定層可含有一層或多層亞鐵磁合金材料，也可含有由一層或多層鐵磁性的過渡金屬材料和一層或多層的稀土金屬材料組成的多層膜結(jié)構(gòu)。亞鐵磁性的固定層也可以是由兩層亞鐵磁層和一層反鐵磁耦合層組成的SAF結(jié)構(gòu)。
[0025]MTJ中含有亞鐵磁性的固定層和鐵磁性的自由層。固定層和自由層之間被非磁性的勢皇層分開。亞鐵磁性的固定層和鐵磁性的自由層的磁化方向可能是在膜層面內(nèi)，也可能是垂直于膜面。亞鐵磁性的固定層包含但不僅限于以下材料和結(jié)構(gòu)中的一種或幾種組合:鈷、鐵、鎳、銪、IL、鋪、釤、鏑、鈥、鈾、鈀、猛、硼、給、錯(cuò)、鉭、銀、1凡、鈦、鉬、絡(luò)、媽及由上述元素組成的合金，以及由上述元素及合金組成的多層膜結(jié)構(gòu)。亞鐵磁性的固定層還可以含有SAF結(jié)構(gòu)。SAF中的反鐵磁耦合層包含但不僅限于以下材料中的一種或幾種組合:釕、銠、錸、銥、銅、銀、金及包含上述元素的合金。勢皇層由一層或多層絕緣層組成。勢皇層包含但不僅限于以下材料中的一種或幾種組合:氧化鎂、氧化鋁、氧化鋁鎂(MgAl204)、氧化鉭、氧化鈦、氧化釓、氧化鉿、氧化鋯、氧化鎵、氧化鈧、氧化釩、氧化鋅、氧化鎂鋅、氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氮化硼或氮化鋁。自由層包含但不僅限于以下材料和結(jié)構(gòu)中的一種或幾種組合:鈷、鐵、鎳、鈾、鈀、硼、鉿、鋯、鉭、鈮、釩、鈦、鉬、鉻、鎢以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金組成的多層膜結(jié)構(gòu)。
[0026]實(shí)施例1:
[0027]如圖1所示，磁性隧道結(jié)100中含有亞鐵磁性的固定層110，非磁性的勢皇層120，以及鐵磁性的自由層130。固定層110和自由層130的磁化方向在膜層面內(nèi)或垂直于膜面。固定層110包含但不僅限于以下材料和結(jié)構(gòu)中的一種或幾種組合:鈷、鐵、鎳、銪、釓、鋱、釤、鏑、鈥、鈾、鈀、錳、硼、鉿、鋯、鉭、鈮、釩、鈦、鉬、鉻、鎢以及由上述元素組成的合金，以及由上述元素及合金組成的多層膜結(jié)構(gòu)。勢皇層120可以由一層或多層絕緣層組成。勢皇層120包含但不僅限于以下材料中的一種或幾種組合:氧化鎂、氧化鋁、氧化鋁鎂(MgAl204)、氧化鉭、氧化鈦、氧化IL、氧化給、氧化錯(cuò)、氧化鎵、氧化鈧、氧化銀、氧化鋅、氧化鎂鋅、氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氮化硼或氮化鋁。自由層130包含但不僅限于以下材料和結(jié)構(gòu)中的一種或幾種組合:鈷、鐵、鎳、鉑、鈀、硼、鉿、鋯、鉭、鈮、釩、鈦、鉬、鉻、鎢以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金組成的多層膜結(jié)構(gòu)。
[0028]實(shí)施例2:
[0029]如圖2所示，磁性隧道結(jié)200中含有亞鐵磁性的固定