一種微型化垂直式各向異性磁電阻元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及信息存儲(chǔ)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種微型化垂直式各向異性磁電阻元件。
【背景技術(shù)】
[0002]磁阻內(nèi)存的設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，但是對(duì)材料的要求比較高，對(duì)于一般的材料而言，它是比較微弱的一種效應(yīng)，其磁場變化帶來的電阻變化并不顯著，用三極管很難判斷出來本來就很微小的電流變化。磁性隧道結(jié)(MTJ，Magnetic Tunneling Junct1n)是由絕緣體或磁性材料構(gòu)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(gè)鐵磁層磁化強(qiáng)度的相對(duì)取向，當(dāng)此相對(duì)取向在外磁場的作用下發(fā)生改變時(shí)，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(jī)存取記憶體，即為非揮發(fā)性的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一種新型固態(tài)非易失性記憶體，它有著高速讀寫、大容量、低功耗的特性。鐵磁性MTJ通常為三明治結(jié)構(gòu)，其中有磁性記憶層，它可以改變磁化方向以記錄不同的數(shù)據(jù)；隧道勢皇層為絕緣層；磁性參考層位于絕緣層的另一側(cè)，它的磁化方向是不變的。
[0003]自旋轉(zhuǎn)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(shí)，可以通過STT改變記憶層的磁化方向。當(dāng)記憶層的磁性物體體積變小時(shí)，所需的極化電流也會(huì)同樣變小，這樣就可以同時(shí)達(dá)到小型化與低電流。
[0004]垂直式磁性隧道結(jié)(PMTJ，PerpendicularMagnetic Tunnel Junct1ns)即磁矩垂直于襯底表面的磁性隧道結(jié)，在這種結(jié)構(gòu)中，由于兩個(gè)磁性層的磁晶各向異性比較強(qiáng)(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(jié)(即易磁化方向在面內(nèi)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(wěn)定性的同時(shí)，滿足使得器件小型化與低電流要求。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)得到高的磁電阻(MR)率的方法為:在非晶態(tài)磁性膜的表面形成一層晶化加速膜。當(dāng)此層膜形成后，晶化開始從隧道勢皇層一側(cè)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M(jìn)R率。然而，這種技術(shù)和結(jié)構(gòu)在后續(xù)的工藝中對(duì)非晶態(tài)的CoFeB進(jìn)行退火時(shí)，基礎(chǔ)層的晶格無法與CoFe的晶體形成良好的匹配，使得CoFe晶體無法在垂直方向產(chǎn)生強(qiáng)調(diào)的磁各向異性，導(dǎo)致得到的MR率較低，并且熱穩(wěn)定性較差。
[0006]中國專利200810215231.9(日本優(yōu)先權(quán))公開了一種磁阻元件，包含:基底層，其由具有NaCl構(gòu)造、并且取向于(001)面的氮化物構(gòu)成；第一磁性層，其被設(shè)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(gòu)造、并且取向于(001)面的鐵磁性合金構(gòu)成；非磁性層，其被設(shè)置在上述第一磁性層上；以及第二磁性層，其被設(shè)置在上述非磁性層(16)上，并且具有垂直于膜面的方向的磁各向異性。該技術(shù)方案利用LlO構(gòu)型可以實(shí)現(xiàn)較高的磁電阻比，但制造成本高，難以實(shí)現(xiàn)器件小型化與低電流。
[0007]中國專利201210097760.X (日本優(yōu)先權(quán))公開一種磁阻元件和磁存儲(chǔ)器，包括:存儲(chǔ)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(diào)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(chǔ)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(diào)整層之間。該技術(shù)方案解決了存儲(chǔ)層的磁滯曲線的偏移問題，但也未解決使得器件小型化與低電流的問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種微型化垂直式各向異性磁電阻元件，通過減小阻尼系數(shù)、增大電流自旋極化率、保持垂直各向異性、減小面積，減小寫電流，從而實(shí)現(xiàn)磁存儲(chǔ)的微型化。
[0009]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:
[0010]一種微型化垂直式各向異性磁電阻元件，包括:磁參考層、磁記憶層、隧道勢皇層、晶格優(yōu)化層；所述磁參考層的磁化方向不變，且所述磁參考層的磁各向異性垂直于層表面；所述磁記憶層的磁化方向可變，且所述磁記憶層的磁各向異性垂直于層表面；所述隧道勢皇層位于所述磁記憶層與所述磁參考層之間；所述晶格優(yōu)化層與所述磁記憶層相鄰；所述磁記憶層包括第一磁記憶層和第二磁記憶輔助層，所述第一磁記憶層和第二磁記憶輔助層為一層或多層且呈交替結(jié)構(gòu)；所述第一磁記憶層為Co合金材料；所述Co合金材料為CoFeB, CoB, CoFeSiB中的一種或多種；所述第二磁記憶輔助層為BaTi03、PbT1jP ZrT1 3中的一種。
[0011]所述微型化垂直式各向異性磁電阻元件，所述第二磁記憶輔助層還可為摻雜了金屬離子的BaTi03、PbTi0#P ZrT1 3中的一種，所摻雜的金屬離子為Nd3+，Ca2+，Sr2+，La3+，Sn4+，Zr4+，Mg2+，Co3+，Nb5+，Mn4+中的一種或多種。
[0012]所述微型化垂直式各向異性磁電阻元件，所述第二磁記憶輔助層還可以為Bi2ME0.Λ.905.5、Bi2VO5.5、Bi4Ti3O12' BiFeO3中的一種或多種。
[0013]所述第一磁記憶層的厚度為0.2-20nm，第二磁記憶輔助層的厚度0.5_6nm。
[0014]所述微型化垂直式各向異性磁電阻元件還包括:基礎(chǔ)層和頂電極，所述基礎(chǔ)層與晶格優(yōu)化層相鄰，所述頂電極與所述磁參考層相鄰。
[0015]進(jìn)一步，所述隧道勢皇層由MgO、MgN、ZnO的一種或多種形成。
[0016]所述晶格優(yōu)化層的(100)晶面平行于基面，且所述晶格優(yōu)化層的[110]晶格方向的晶格常數(shù)大于bcc相Co的[100]晶格方向的晶格常數(shù)。
[0017]所述晶格優(yōu)化層由單層的NaCl晶格結(jié)構(gòu)的氧化物X0、氮化物XN或氯化物XCl構(gòu)成；其中，所述X元素為金屬元素Mg、Zn、Ca、Na、L1、Cd、In、Sn、Cu、Ag中的任意一種；
[0018]或，所述晶格優(yōu)化層由單層的NaCl晶格結(jié)構(gòu)的金屬復(fù)合氧化物ΧΥ0、金屬復(fù)合氮化物XYN或金屬復(fù)合氯化物XYCl構(gòu)成；其中，X元素為金屬元素Mg、Na、Ag、Cu中的任意一種，Y元素為金屬元素Zn、Cd、In、Sn中的任意一種；
[0019]或，所述晶格優(yōu)化層由雙層或多層的NaCl晶格結(jié)構(gòu)的氧化物、氮化物或氯化物構(gòu)成；其中，所述晶格優(yōu)化層的與所述磁記憶層相鄰的部分為金屬氧化物MgO、MgN、CaO、ZnO、CaN、MgZnO、CdO、CdN、MgCdO, CdZnO 中的一種或多種。
[0020]進(jìn)一步，所述晶格優(yōu)化層由NaCl晶格結(jié)構(gòu)的氧化物、氮化物或氯化物的交替多層結(jié)構(gòu)與一層bcc結(jié)構(gòu)的插入層構(gòu)成，所述晶格優(yōu)化層的與所述磁記憶層相鄰的部分為由NaCl 晶格結(jié)構(gòu)的 MgO、MgN, CaO、ZnO、CaN, MgZnO、CdO、CdN, MgCdO, CdZnO 中的任意一種或多種構(gòu)成，所述插入層為Fe層或含F(xiàn)e的CoFe層。
[0021]進(jìn)一步，所述Co合金材料為B的摩爾分?jǐn)?shù)含量在5% -35%之間的CoFeB、CoB或CoFeSiB0
[0022]優(yōu)選地，所述Co合金材料為B的摩爾分?jǐn)?shù)含量為20%的CoFeB、CoB或CoFeSiB。
[0023]一定B摩爾分?jǐn)?shù)含量的CoFeB、CoB或CoFeSiB是本領(lǐng)域工藝技術(shù)中常用的靶材。
[0024]進(jìn)一步，所述晶格優(yōu)化層中的NaCl晶格結(jié)構(gòu)在[110]晶格方向的晶格常數(shù)與bcc結(jié)構(gòu)的Co在[100]晶格方向的晶格參數(shù)的晶格失配在3%與18%之間。
[0025]進(jìn)一步，所述晶格優(yōu)化層由物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、離子束沉積沉法中的一種沉積而成。
[0026]進(jìn)一步，所述晶格優(yōu)化層的與所述磁記憶層相鄰的部分沉積形成后，對(duì)所述晶格優(yōu)化層進(jìn)行氧化過程；所述氧化過程所用的氣體