一種具有強垂直磁各向異性的多層膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種具有強垂直磁各向異性的多層膜，屬于非易失性磁存儲器和磁邏輯技術(shù)領(lǐng)域。
【【背景技術(shù)】】
[0002]磁隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)具有非易失性、可無限次擦寫、讀寫速度快等優(yōu)點，有望成為下一代低功耗通用存儲器，受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
[0003]磁隨機存儲器的核心器件是磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junct1n，MTJ)。磁隧道結(jié)的主要由三層組成:參考層(Reference Layer)、氧化物勢皇層(Barrier Layer)、自由層(Free Layer)。其中，參考層和自由層由鐵磁層材料組成，氧化物勢皇層一般由金屬氧化物組成。參考層的磁化方向保持不變，用于提供參考；自由層的磁化方向可以翻轉(zhuǎn)，用于存儲數(shù)據(jù)。當(dāng)參考層和自由層的磁化方向平行時，該結(jié)構(gòu)的電阻較低；當(dāng)參考層和自由層的磁化方向相反時，該結(jié)構(gòu)的電阻較高，該現(xiàn)象被稱為隧穿磁阻效應(yīng)(T u η n e IMagnetoresistance, TMR)，相應(yīng)的低阻和高阻態(tài)可分別表征二進制數(shù)據(jù)“O”和“I”。數(shù)據(jù)寫入時需要翻轉(zhuǎn)自由層的磁化反向，此時所需的臨界電流大小稱為臨界翻轉(zhuǎn)電流。臨界翻轉(zhuǎn)電流與許多因素有關(guān)，并與磁阻尼系數(shù)成正比。
[0004]為了使磁隨機存儲器中的數(shù)據(jù)能夠保存足夠長的時間，自由層的熱穩(wěn)定性需要較高。自由層的熱穩(wěn)定性可以用熱穩(wěn)定因子Δ (Thermal Stability Factor)來衡量，可以表示為Δ =HkMsV/2KbT，其中Hk是各向異性場，Ms是飽和磁化強度，V是自由層體積，Kb是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度?？梢钥闯觯?dāng)自由層的磁各向異性較弱時，器件的熱穩(wěn)定性較低；同時，當(dāng)器件尺寸減小時，熱穩(wěn)定性會降低。
[0005]2010年，S.Ikeda等人制備了基于垂直磁各向異性(Perpendicular MagneticAnisotropy，PMA)的磁隧道結(jié)，其主要結(jié)構(gòu)為Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta( Ikeda et al.,Nature Materials 9,721(2010))。在該結(jié)構(gòu)中，Ta/CoFeB界面和CoFeB/MgO界面能夠產(chǎn)生界面垂直磁各向異性，當(dāng)鈷鐵硼(CoFeB)層足夠薄的時候(如1.3nm)，該界面垂直磁各向異性能夠克服退磁場，從而使CoFeB層的易磁化軸方向垂直于界面方向。此外，采用鉬(Mo)代替上述結(jié)構(gòu)中的鉭(Ta)后，界面垂直磁各向異性能夠增強20%左右(Liu et al.,Scientific Reports 4,5895(2014));采用給(Hf)代替上述結(jié)構(gòu)中的Ta后，界面垂直磁各向異性能夠增強 35%左右(Liu et al.,AIP Advances 2,032151 (2012)) 0
[0006]然而，Ta(MO，Hf)/CoFeB/Mg0結(jié)構(gòu)存在明顯的不足。首先，該結(jié)構(gòu)的界面垂直磁各向異性較弱，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性也較低。其次，因為界面垂直磁各向異性較弱，為了使易磁化軸垂直于界面方向，就需要采用較薄的CoFeB層來減小退磁場。例如，Hf/CoFeB/MgO結(jié)構(gòu)中CoFeB厚度必須小于I.5nm才能保持垂直磁各向異性(Liu et al.,AIP Advances 2,032151(2012))。CoFeB層較薄會導(dǎo)致磁阻尼系數(shù)較大，從而導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的臨界翻轉(zhuǎn)電流較大。最后，當(dāng)橫截面尺寸減小時熱穩(wěn)定性會降低，因此為了保持足夠的熱穩(wěn)定性，要求該結(jié)構(gòu)的尺寸較大，從而采用該結(jié)構(gòu)形成的磁隨機存儲器的存儲密度較低。
[0007]另一種獲得垂直磁各向異性的方法是采用雙界面結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該結(jié)構(gòu)中有兩個Ta/CoFeB界面和兩個CoFeB/MgO界面，可以增強垂直磁各向異性和熱穩(wěn)定性。例如，基于MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的雙界面結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定因子是MgO/CoFeB/Ta結(jié)構(gòu)的1.9倍(Sato et al.,Applied Physics LetterslOl ,022414(2012))。然而，雙界面結(jié)構(gòu)增加了薄膜層數(shù)，因此增加了工藝復(fù)雜度。同時，基于MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的雙界面結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性仍然不足。例如，當(dāng)MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO結(jié)構(gòu)的橫截面直徑為IInm時，熱穩(wěn)定因子小于30，不能滿足磁隨機存儲器的要求(Sato et al.,Applied Physics Letters105,062403(2014))。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0008]—、發(fā)明目的:
[0009]針對上述背景中提到的Ta (Mo，Hf)/CoFeB/MgO和雙界面結(jié)構(gòu)存在的問題，本發(fā)明提供了一種具有強垂直磁各向異性的多層膜。它克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有垂直磁各向異性強、熱穩(wěn)定性高、臨界翻轉(zhuǎn)電流小、尺寸小等優(yōu)點。
[0010]二、技術(shù)方案:
[0011]本發(fā)明提供了一種具有強垂直磁各向異性的多層膜，其特征在于采用鉍(Bi)或者Bi合金與鐵磁層界面的強界面垂直磁各向異性來獲得強垂直磁各向異性。本發(fā)明共提出四種實施方案。
[0012]方案一:本方案包含一種強垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)，該多層膜結(jié)構(gòu)從下到上依次是緩沖層、鐵磁層和氧化物勢皇層，如圖2所示。在該緩沖層的下面還可以有基底，在該氧化物勢皇層的上面還可以有保護層。
[0013]所述緩沖層的材料是Bi或者Bi合金，厚度為0.2-200nm。
[OOM] 所述鐵磁層的材料是CoFeB、鐵硼(FeB)、鈷鐵(CoFe)、鐵(Fe)、Heusler合金(Heusler Al1y)等材料中的一種材料或幾種材料的組合，鐵磁層的厚度為0.2_5nm。
[0015]所述氧化物勢皇層的材料是鎂氧化物、鋁氧化物、鎂鋁氧化物、鉿氧化物、鉭氧化物等材料中的一種材料或幾種材料的組合，優(yōu)選氧化鎂(MgO)、三氧化二鋁(Al2O3)或偏鋁酸鎂(MgAl2O4)等;氧化物勢皇層的厚度為0.2-5nm0
[0016]方案二:本方案包含一種強垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)，該多層膜結(jié)構(gòu)從下到上依次是氧化物勢皇層、鐵磁層和覆蓋層，如圖3所示。在該氧化物勢皇層的下面還可以有基底，在該覆蓋層的上面還可以有保護層。
[0017]所述覆蓋層的材料是Bi或者Bi合金，厚度為0.2-200nm。
[0018]所述鐵磁層的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heus Ier合金等材料中的一種材料或幾種材料的組合，鐵磁層的厚度為0.2-5nm0
[0019]所述氧化物勢皇層的材料是鎂氧化物、鋁氧化物、鎂鋁氧化物、鉿氧化物、鉭氧化物等材料中的一種材料或幾種材料的組合，優(yōu)選MgO、AI2O3或MgAh04等;氧化物勢皇層的厚度為 0.2-5nm。
[0020]方案三:本方案包含一種強垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)，該多層膜結(jié)構(gòu)從下到上依次是氧化物勢皇層一、鐵磁層一、中間層、鐵磁層二和氧化物勢皇層二。在該氧化物勢皇層一的下面還可以有基底，在該氧化物勢皇層二的上面還可以有保護層。
[0021 ]所述中間層材料是Bi或者Bi合金，厚度為0.2-2nm。
[0022]所述鐵磁層一和鐵磁層二的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heus Ier合金等材料中的一種材料或幾種材料的組合;鐵磁層一和鐵磁層二的厚度為0.2-5nm，這兩層的材料和厚度可以不一樣。
[0023]所述氧化物勢皇層一和氧化物勢皇層二的材料是鎂氧化物、鋁氧化物、鎂鋁氧化物、鉿氧化物、鉭氧化物等材料中的一種材料或幾種材料的組合，優(yōu)選Mg0、Al203或MgAl2O4等;氧化物勢皇層一和氧化物勢皇層二的厚度為0.2-5nm，這兩層的材料和厚度可以不一樣。
[0024]方案四:本方案包含一種強垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)，該多層膜結(jié)構(gòu)從下到上依次是緩沖層、鐵磁層一、氧化物勢皇層、鐵磁層二和覆蓋層，該多層膜結(jié)構(gòu)可以作為磁隧道結(jié)的核心結(jié)構(gòu)。在緩沖層的下面還可以有基底，在覆蓋層的上面還可以有保護層。
[0025]所述緩沖層的材料是金屬或者金屬合金，可選自、但不限于B1、Bi合金、Mo、Hf、銥(Ir)等，厚度為0.2-200nm;所述覆蓋層的材料是金屬或者金屬合金，可選自、但不限于B1、Bi合金、10、把、&等，厚度為0.2-20011111;且緩沖層和覆蓋層中至少有一層的材料是扮或者Bi合金。
[0026]所述鐵磁層一和鐵磁層二的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heus Ier合金等材料中的一種材料或幾種材料的組合;鐵磁層一和鐵磁層二的厚度為0.2-5nm，這兩層的材料和厚度可以不一樣。
[0027]所述氧化物勢皇層的材料是鎂氧化物、鋁氧化物、鎂鋁氧化物、鉿氧化物、鉭氧化物等材料中的一種材料或幾種材料的組合，優(yōu)選MgO、Al2O3或MgAl2O4等，厚度為0.2_5nm。
[0028]如果緩沖層和覆蓋層的材料都是Bi或者Bi合金，則可以通過控制鐵磁層一和鐵磁層二的材料和厚度來使兩個鐵磁層的磁各向異性不相等，從而垂直磁各向異性較強的鐵磁層可以作為參考層，垂直磁各向異性較弱的鐵磁層可以作為自由層。
[0029]如果緩沖層和覆蓋層中只有一層的材料是Bi或者Bi合金，則鄰近Bi或B