專利名稱：：一種雙自由層垂直鐵磁性隧道結結構的制作方法
技術領域：
：本發明屬于磁隨機存儲
技術領域：
，特別是提供了一種雙自由層垂直鐵磁性隧道結(MTJ)結構，這種新結構具有低寫入電流特性，可實現超高存儲密度，將被廣泛應用到新型磁傳感器或磁隨機存儲器件等器件中。技術背景隨著信息產業的不斷發展，對信息的存儲技術有了越來越高的要求，期望得到更高密度、更高速度、更低成本與低功耗的隨機存儲器。目前計算機隨機存儲器大多采用硅集成電路組成的易丟失性的動態及靜態隨機存儲器(DRAM及SRAM)，DRAM存儲量大，價格低，但速度較慢；SRAM的速度可達納秒量級，但存儲密度稍低且價格較貴。前幾年，利用各向異性磁電阻開發出了不易丟失性的磁電阻存儲器(MRAM)，它具有非破壞性讀出信息和耐輻射等特點，但在存儲量和存儲速度等方面卻無法與DRAM相比。巨磁電阻(GMR)效應以及隧道磁電阻(TMR)效應的發現，給這一類磁電子器件帶來了新的曙光并使之得到高速的發展。這種MRAM具有最大的優點是非易失性，可永久保存信息。此外，由于MRAM具有抗輻射性好、體積小、高集成度和低成本等優點，被廣泛用于軍事目的、航天航空以及民用中，在信息領域中發揮著舉足輕重的作用。MRAM的存儲單元實際上是表現出GMR效應的金屬多層膜或表現出TMR效應的鐵磁性隧道結(MTJ)結構。存儲的過程是通過金屬多層膜的磁化取向的改變來實現。磁性存儲元件的磁化切換場與其寬度成正比，即隨著MRAM存儲密度的提高，磁性存儲元件的尺寸大幅度減小，其切換場也迅速增加，所需要的寫電流也迅速增加。因此如何降低電流密度，從而降低能耗是進一步提高MRAM存儲量所面臨的難題。1996年，科學家們提出，當自旋電流穿過納米尺寸的單個鐵磁層或磁納米柱時，會帶來自旋角動量轉移，從而導致磁激發，甚至會帶來磁化方向的翻轉效應[JC.57o"czews權"Q^re"^Mve"o/mag"e,/c這種電流誘導磁化翻轉(CIMS)效應利用電流直接通過磁元件進行數據寫入，能大大降低能耗。運用CIMS效應不僅可以大幅度簡化和改善MRAM的設計，而且隨著存儲元件尺寸的減小，所需消耗的寫電流反而減小，使得實現高存儲密度成為可能。但是通常情況下，CIMS所需要的臨界電流密度高達107A/cm2，這么高的電流密度會破壞磁性單元。如果要將CIMS順利應用在實際器件中，臨界電流密度必須要降低到l()SA/cm2左右。理論預測表明，在MTJ等自旋器件中使用這種垂直各向異性金屬薄膜會提高器件的磁翻轉速度，帶來更快和更d、的磁存i諸單兀[/4.Z).ATe"/,及(9^yz7附az,￡cfe/5arco,"5^/"-fra"sy^"-mdwce(i;7rece5^o"fl/wag"efea"owrever^/",々少/.尸/",丄e",<H3砂7(200力.]。本發明利用垂直各向異性MTJ結構，進一步改善了MRMA的存儲結構單元，并降低寫入電流密度、大大降低能耗，使得CIMS行為更好的應用到MRAM結構中，為實現超高密度的MRAM器件提供了可能。
發明內容本發明目的在于提供了一種具有低寫入電流特性的雙自由層垂直鐵磁性隧道結(MTJ)結構，這種結構能進一步改善MRAM的存儲結構單元，從而降低寫入電流密度、大大降低能耗，使得CIMS行為更好的應用到MRAM結構中，從而實現超高密度的MRAM。本發明中的雙自由層垂直MTJ采用玻璃或單晶硅基片，通過等離子體濺射、磁控濺射或者分子束外延生長手段制備而成的一種金屬多層膜結構，然后通過照相平版印刷或電子束印刷、離子刻蝕的手段分別在金屬多層膜的頂層和底層膜面制作出兩個電極。該MRAM器件在工作時，信號電流的流動方向垂直于金屬多層膜膜面。本發明存儲單元的結構如下圖1所示。雙自由層垂直MTJ的最底層稱為底電極層，例如金屬金等，厚度為10200納米。從底電極層往上第二層為反鐵磁層，例如銥錳合金等，厚度為1020納米。從底電極層往上第三層為釘扎層，該釘扎層選取材料的特點是磁各向異性易軸垂直膜面；例如金屬鈷/鉑復合結構、金屬鈷/鎳復合結構、稀土類金屬鋱鈷鐵合金等。若為金屬鈷/鉬，則由220層的金屬鈷和金屬鉑交替重疊而成(交替結構中金屬鈷位于下層，金屬鉑位于上層，如圖2中所示)，其中金屬鈷層的厚度為O.10.4納米，金屬鉑層的厚度為13納米；若為金屬鈷/鎳復合結構，則由220層的金屬鈷和金屬鎳交替重疊而成(交替結構中金屬鈷位于下層，金屬鎳位于上層，如圖3中所示)，其中金屬鈷層的厚度為O.10.4納米，金屬鎳層的厚度為13納米；若為金屬鋱鈷鐵合金，則厚度為110納米。從底電極層往上第四層為絕緣層，例如三氧化二鋁或者氧化鎂，厚度為0.52.5納米。從底電極層往上第五層為自由層1，該自由層選取材料的特點是磁各向異性易軸垂直膜面。例如金屬鉑/鈷復合結構、金屬鎳/鈷復合結構、稀土類金屬鋱鈷鐵合金等。若為金屬鉑/鈷，則由220層的金屬鉑和金屬鈷交替重疊而成(交替結構中金屬鉑位于下層，金屬鈷位于上層，如圖4中所示)，其中金屬鉑層的厚度為13納米，金屬鈷層的厚度為0.10.4納米；若為金屬鎳/鈷復合結構，則由220層的金屬鎳和金屬鈷交替重疊而成(交替結構中金屬鎳位于下層,金屬鈷位于上層如圖中5所示)，其中金屬鎳層的厚度為l3納米，金屬鈷層的厚度為0.10.4納米；若為金屬鋱鈷鐵合金，則厚度為110納米。從底電極層往上第六層為自由層2，與第五層構成雙自由層的結構，該自由層選取的特點是面內磁各向異性材料，要求各向異性場值大于35KA/m;例如鈷鐵合金等，其厚度為110納米。從底電極層往上第七層為頂電極層，例如金屬金等，厚度為10200納米。本發明的優點在于采用了雙自由層結構，在垂直膜面自由層上面沉積一層具有強面內磁各向異性的金屬薄膜。該金屬薄膜會對自由層的磁矩產生作用，使其磁矩產生傾斜，因此大幅度的降低了MTJ中磁矩翻轉所需臨界電流，降低了能量損耗，為實現超高密度的MRAM提供了可能。圖l雙自由層MTJ示意圖圖2鉑/鈷交替結構示意圖圖3鈷/鎳交替結構示意圖圖4鈷/鉑交替結構示意圖圖5鎳/鈷交替結構示意圖具體實施方式根據上述結構，利用磁控濺射儀或分子束外延的方法制備了以下44種MTJ多層膜結構，并采用電子束印刷和離子刻蝕的方法制備出MTJ器件其特點是工作電流垂直于平面，并且釘扎層和自由層1為磁各向異性易軸垂直膜面，自由層2為磁各向異性易軸平行膜面。上述MTJ的詳細制備工藝為濺射室本底真空度為2xl(rSpa，濺射時氬氣(99.99%)壓為0.5Pa;基片用循環水冷卻，對于釘扎層和自由層l垂直于基片方向加有50Oe的磁場，以誘發垂直的易磁化方向；自由層2平行于基片方向加有250Oe的磁場，以誘發平行的易磁化方向。由于銥錳合金不需要進行退火處理，因此整個濺射過程保持在室溫25'C時進行，濺射時，通過改變功率，保持各層濺射速率控制在0.5A/s。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>通過測試，上述器件在不同程度上均可以實現CIMS，所需要的寫電流密度均低于1><106安培每平方厘米。這樣低的寫電流密度，使得該結構完全可以運用在MRAM中，并通過CIMS實現超高密度信息存儲。權利要求1.一種雙自由層垂直鐵磁性隧道結結構，其特征在于a.最底層為底電極層，厚度為10～200納米；b.從底往上第二層為反鐵磁層，厚度為10～20納米；c.從底往上第三層為釘扎層，所述釘扎層為磁各向異性易軸垂直膜面材料；d.從底往上第四層為絕緣層，厚度為0.5～2.5納米；e.從底往上第五層為第1自由層，厚度為1～10納米；f.從底往上第六層為第2自由層，厚度為1～10納米；g.從底往上第七層為頂電極層，厚度為10～200納米；其中所述第五層和所述第六層構成雙自由層結構，所述第1自由層為磁各向異性易軸垂直膜面材料，所述第2自由層為各向異性值大于35KA/m的面內磁各向異性材料。2、按照權利要求1所述的結構，其特征在于所述釘扎層選自以下結構中的至少一種金屬鉑/鈷復合結構、金屬鎳/鈷復合結構、稀土類金屬鋱鈷鐵合金結構。3、按照權利要求2所述的結構，其特征在于所述金屬鉑/鈷復合結構為由220層的金屬鉑和金屬鈷交替重疊而成；其中最底層為金屬鉑，最頂層為金屬鈷，其中每一層金屬鉑層的厚度為13納米，每一層金屬鈷層的厚度為0.10.4納米。4、按照權利要求2所述的結構，其特征在于所述金屬鎳/鈷復合結構為由220層的金屬鎳和金屬鈷交替重疊而成，其中最底層為金屬鎳，最頂層為金屬鈷，并且金屬鎳層的厚度為13納米，金屬鈷層的厚度為0.10.4納米。5、按照權利要求2所述的結構，其特征在于所述稀土類金屬鋱鈷鐵合金結構的厚度為110納米。6、權利要求l-5所述的雙自由層垂直鐵磁性隧道結結構具有低寫入電流特性，用以構成磁電阻存儲單元。全文摘要一種雙自由層垂直鐵磁性隧道結結構，屬于磁隨機存儲
技術領域：
，所提供的雙自由層垂直鐵磁性隧道結(MTJ)結構的最底層為底電極層，從底往上依次為反鐵磁層、釘扎層、為絕緣層、第1自由層、第2自由層、頂電極層。第1自由層和第2自由層構成雙自由層結構。所述釘扎層和第1自由層為磁各向異性易軸垂直膜面材料，第2自由層為各向異性值大于35KA/m的面內磁各向異性材料。這種結構具有低寫入電流特性，可實現超高存儲密度，將被廣泛應用到新型磁傳感器或磁隨機存儲器件等器件中。文檔編號H01L27/22GK101276879SQ20081010318公開日2008年10月1日申請日期2008年4月1日優先權日2008年4月1日發明者瑾包,勇姜,徐曉光申請人:北京科技大學