一種用于stt-mram的磁性隧道結的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及磁電阻隨機存儲器(MRAM)，尤其涉及一種用于自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器的含有高阻尼系數亞鐵磁固定層的磁性隧道結。
【背景技術】
[0002]磁電阻隨機存儲器(MRAM)是一種非易失型的存儲器，由依靠電路相互連接的磁性隧道結(MTJ)陣列組成。每個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磁化方向有關。當自由層的磁化方向相對于固定層的磁化方向發生改變時，MTJ的電阻值相應改變，對應于不同的存儲信息(如0或1)。電阻值發生變化的幅度稱為磁電阻。
[0003]在自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器(STT-MRAM)中，自由層的反轉通過自旋轉移扭矩(STT)效應實現。當垂直于MTJ膜層的寫電流通過自由層時，如果電流的大小超過STT效應的閾值，電流產生的STT可以導致自由層的磁化方向發生反轉。反轉后自由層的磁化方向由寫電流流動的方向決定。
[0004]在STT-MRAM的寫入過程中，寫電流可能會對固定層產生影響，改變固定層的磁化方向。STT效應的寫電流閾值與磁性材料的阻尼系數成正比，因此減小寫電流對固定層擾動的一種有效方法是增加固定層的阻尼系數。
【發明內容】
[0005]本發明為克服上述的不足之處，目的在于提供一種用于自旋轉移扭矩磁電阻隨機存儲器的含有高阻尼系數亞鐵磁固定層的磁性隧道結，將亞鐵磁材料應用于MTJ的固定層以增加固定層的阻尼系數。亞鐵磁材料中存在著兩組角動量方向反向排列的子晶格。在特定的溫度(稱為角動量補償溫度)下，子晶格的角動量大小相等、相互抵消，亞鐵磁材料的凈角動量為零。在這個溫度附近，亞鐵磁材料的阻尼系數顯著增大。通過選擇合適的亞鐵磁材料作為固定層，使得其角動量補償溫度與MRAM的工作溫度范圍匹配，可以增加固定層在MRAM工作狀態下的阻尼系數，減小STT寫電流對固定層的干擾，提高STT-MRAM的可靠性。
[0006]本發明是通過以下技術方案達到上述目的:一種用于STT-MRAM的磁性隧道結，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構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量補償溫度與STT-MRAM的工作溫度匹配，所述角動量補償溫度下含有亞鐵磁性的固定層具有高阻尼系數。
[0007]作為優選，所述含有亞鐵磁性的固定層包含有SAF結構。
[0008]作為優選，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。
[0011]作為優選，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]作為優選，所述界面層的磁化方向在膜層面內。
[0017]作為優選，所述界面層的磁化方向垂直于膜層。
[0018]本發明的有益效果在于:將亞鐵磁性材料應用于MTJ的固定層以增加固定層的阻尼系數。亞鐵磁性材料中存在著兩組角動量方向反向排列的子晶格。在特定的溫度(稱為角動量補償溫度)下，子晶格的角動量大小相等、相互抵消，亞鐵磁材料的凈角動量為零。在這個溫度附近，亞鐵磁性材料的阻尼系數顯著增大。通過選擇合適的亞鐵磁性材料作為固定層，使得其角動量補償溫度與MRAM的工作溫度范圍匹配，可以增加固定層在MRAM工作狀態下的阻尼系數，減小STT寫電流對固定層的干擾，提高STT-MRAM的可靠性。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明實施例1提出的MTJ結構示意圖；
[0020]圖2為本發明實施例2提出的MTJ結構示意圖；
[0021]圖3為本發明實施例3提出的MTJ結構示意圖；
[0022]圖4為本發明實施例4提出的MTJ結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述，但本發明的保護范圍并不僅限于此:
[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的用于STT-MRAM的MTJ的實施方案，包括一些具體的實施例。亞鐵磁性材料組成的固定層可位于勢皇層的上方或下方，相對應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構。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結構。
[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，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構中的一種或幾種組合:鈷、鐵、鎳、銪、IL、鋪、釤、鏑、鈥、鈾、鈀、猛、硼、給、錯、鉭、銀、1凡、鈦、鉬、絡、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構。亞鐵磁性的固定層還可以含有SAF結構。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構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構。
[0026]實施例1:
[0027]如圖1所示，磁性隧道結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或垂直于膜面。固定層110包含但不僅限于以下材料和結構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構。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、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構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構。
[0028]實施例2:
[0029]如圖2所示，磁性隧道結200中含有亞鐵磁性的固定