一種三層結構記憶層的磁電阻元件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及存儲器件領域，具體而言，涉及一種垂直式磁電阻元件。
【背景技術】
[0002]磁性隧道結(MTJ，Magnetic Tunnel Junct1n)是由絕緣體或半導體構成的磁性多層膜，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，當此相對取向在外磁場的作用下發生改變時，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，即為非揮發性的磁性隨機存儲器(MRAM, Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一種新型固態非易失性記憶體，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，這樣就可以同時達到小型化與低電流。
[0004]垂直式磁性隧道結(PMTJ，PerpendicularMagnetic Tunnel Junct1n)即磁矩垂直于襯底表面的磁性隧道結，在這種結構中，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(即易磁化方向在面內的)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，可以在保持熱穩定性的同時，滿足使得器件小型化與低電流要求。
[0005]現有技術得到高的磁電阻(MR)率的方法為:在非晶態磁性膜與其緊鄰的晶態隧道勢皇層的界表面形成一層晶化加速膜。當此層膜形成后，晶化開始從隧道勢皇層一側開始形成，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，這種技術和結構在后續的工藝中對非晶態的CoFeB進行退火時，在磁性膜另一側的基礎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生強調的磁各向異性，導致得到的MR率較低，并且熱穩定性較差。
[0006]中國專利200810215231.9(日本優先權)公開了一種磁阻元件，包含:基底層，其由具有NaCl構造、并且取向于(001)面的氮化物構成；第一磁性層，其被設置在上述基底層上，且具有垂直于膜面的方向的磁各向異性，并且由具有LlO構造、并且取向于(001)面的鐵磁性合金構成；非磁性層，其被設置在上述第一磁性層上；以及第二磁性層，其被設置在上述非磁性層(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。該技術方案利用LlO構型和Pd等元素可以實現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高，寫入功耗高，制造成本高，難以規模應用，且熱穩定性也較差。
[0007]中國專利201210097760.X (日本優先權)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整層之間。該技術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，熱穩定性差的問題。
【發明內容】
[0008]為克服上述現有技術中的問題，本發明提供了一種三層結構記憶層的磁電阻元件，可以顯著減小阻尼系數、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]本發明的一種三層結構記憶層的磁電阻元件，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”是指層與層緊貼設置，其間未主動設置其它層)；
[0013]晶格優化層，所述晶格優化層是具有NaCl晶格結構的材料層且其(100)晶面平行于基底平面；所述晶格優化層還包含至少一種摻雜元素；以及
[0014]非磁性的基礎層，所述基礎層與所述晶格優化層相鄰；
[0015]并且，所述記憶層由第一記憶子層、第二記憶子層以及介于所述第一記憶子層和所述第二記憶子層之間的插入層的三層膜組成，其中所述第一記憶子層和所述第二記憶子層是磁性材料層，所述插入層是非磁性材料層，所述第一記憶子層與所述勢皇層相鄰，所述第二記憶子層與所述晶格優化層相鄰。
[0016]進一步地，所述晶格優化層的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Na、L1、Mg、Ca、Zn或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。
[0017]進一步地，所述摻雜元素在所述晶格優化層中的含量小于或等于5%。
[0018]進一步地，所述第一記憶子層和所述第二記憶子層的材料是Co合金，優選CoFeB或CoB ;所述第一記憶子層也可以是CoFeB和CoB的復合層，即CoFeB/CoB、CoB/CoFeB ;所述插入層至少包括Ta、Hf、Zr、T1、Mg、Nb、W、Mo、Ru、Al、Cu和Si中的一種，并且所述插入層的厚度小于0.5nm，優選厚度是0.3?0.5nm。
[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，優選MgO、ZnO或MgZnO0
[0020]進一步地，所述基礎層是單層或多層結構，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 ;還可以是非晶態合金，如CoFeB、CoB, FeB, CoNiFeB, CoNiB, NiFeB或NiB，其中B含量優選大于20%。
[0021]進一步地，在所述晶格優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所述晶格優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，即兩者反平行。
[0022]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。
[0023]進一步地，所述磁性校正層是多層結構，其中與所述晶格優化層距離最近的子層的材料是CoB、CoFeB或FeB。
[0024]進一步地，在所述磁性校正層和所述晶格優化層之間增設自旋極化穩定層，所述自旋極化穩定層分別與所述磁性校正層和所述晶格優化層相鄰；所述自旋極化穩定層的材料是過渡金屬元素的非晶氧化物或非晶氮化物。
[0025]進一步地，所述自旋極化穩定層的材料具體可以是MnAs、CrAs> CrSb> Cr02、NiMnS