[实用新型]一种具有多层辅助层的磁电阻元件

说明书

技术领域

本实用新型涉及存储器件领域，尤其涉及一种垂直式磁电阻元件。

背景技术

随着材料学的不断进步,一种新型的内存——磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)正在吸引人们的目光。它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。这种高速内存已经被视为DRAM内存的接班人。

磁性随机存储器的设计并不复杂，但是对材料的要求较高，对于一般的材料而言，它是比较微弱的一种效应，其磁场变化带来的电阻变化并不显著，用三极管很难判断出来本来就很微小的电流变化。

磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunneling Junction)是由绝缘体或磁性材料构成的磁性多层膜，它在横跨绝缘层的电压作用下,其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向，当此相对取向在外磁场的作用下发生改变时,可观测到大的隧穿磁电阻(TMR)。人们利用MTJ的特性做成的磁性随机存取记忆体，即为非挥发性的磁性随机存储器(MRAM)。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写、大容量、低功耗的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；隧道势垒层为绝缘层；磁性参考层位于绝缘层的另一侧，它的磁化方向是不变的。

自旋转移力矩(STT，Spin Transfer Torque)可以用于磁电阻元件的写操作，即自旋极化的电流通过磁电阻元件时，可以通过STT改变记忆层的磁化方向。当记忆层的磁性物体体积变小时，所需的极化电流也会同样变小，这样就可以同时达到小型化与低电流。

垂直式磁性隧道结(PMTJ，Perpendicular Magnetic Tunnel Junctions)，在这种结构中，由于两个磁性层的磁各向异性比较强(不考虑形状各向异性)，使得其易磁化方向都垂直于层表面。在同样的条件下，器件的尺寸可以做得比平面式磁性隧道结(即易磁化方向在面内的)器件更小，易磁化方向的磁极化误差可以做的很小。因此，如果能够找到具体有更大的磁各向异性的材料的话，可以在保持热稳定性的同时，满足使得器件小型化与低电流要求。

高性能的MTJ元件主要是以具有高磁阻(MR，Magnetoresistance)率为其特征，MR率＝dR/R，R是MTJ元件最小的电阻值，dR是改变记忆层的磁性状态所观察到的电阻变化值。对于PMTJ元件，提升其MR率的改进方向主要集中在使磁性记忆层具有更好的磁垂直各向异性与热稳定性，现有技术中已有多种针对上述特征进行优化的元件结构或相应工艺，但同时伴随的问题是，由于自旋泵效应，导致磁性记忆层的阻尼系数变大，无论是垂直型还是面内型自旋注入MRAM，写电流正比于阻尼系数，反比于自旋极化率，因此减小写电流的关键在于减小阻尼系数、增大自旋极化率。

实用新型内容

针对上述中同时需要兼顾MR率和减小阻尼系数的问题，本实用新型提供了一种在磁性记忆层上增加多层辅助层的磁电阻元件结构。在磁性记忆层晶化的退火工艺(常规工艺)中，多层辅助层有助于使磁性记忆层获得更好的磁垂直各向异性与热稳定性并且还具有非常小的阻尼系数。

本实用新型的磁电阻元件，包括：

磁参考层，所述磁参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；

磁记忆层，所述磁记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面，所述磁记忆层是单层或多层结构；

隧道势垒层，所述隧道势垒层设置在所述磁记忆层与所述磁参考层之间且分别与所述磁记忆层与所述磁参考层相邻(本文中的层与层的“相邻”是指层与层紧贴设置，其间未主动设置其它层)；

依次相邻设置的第1辅助层、第2辅助层……第n-1辅助层、第n辅助层，n为总层数且大于2；所述第1辅助层与所述磁记忆层相邻，所述第1辅助层是电负性低于所述磁记忆层中金属的电负性的金属层，所述第2辅助层是电负性低于所述第1辅助层中金属的电负性的金属层……所述第n辅助层是电负性低于所述第n-1辅助层中金属的电负性的金属层；

保护层，所述保护层与所述第n辅助层相邻。

进一步地，所述第2辅助层与B元素的键结合度强于所述第1辅助层与B元素的键结合度，所述第3辅助层与B元素的键结合度强于所述第2辅助层与B元素的键结合度……所述第n辅助层与B元素的键结合度强于所述第n-1辅助层与B元素的键结合度。

进一步地，所述第1辅助层的材料是Ti，厚度范围是1～10nm。