[发明专利]用于磁隧道结器件的磁性结构、磁隧道结器件和磁性随机存取存储器

说明书

本发明构思提供了用于磁隧道结(MTJ)器件的磁性结构、磁隧道结器件和磁性随机存取存储器，其中所述磁性结构包含：自由层，隧道势垒层，参考层，硬磁层，以及设置在硬磁层与参考层之间的中间层堆叠体，该中间层堆叠体包含第一铁磁亚层、第二铁磁亚层和非磁性隔片亚层，其中非磁性隔片亚层设置在第一铁磁亚层与第二铁磁亚层之间并与它们接触，该非磁性隔片亚层适合提供第一铁磁亚层的磁化和第二铁磁亚层的磁化的铁磁耦合，其中参考层的磁化方向通过硬磁层和中间层堆叠体固定。本发明构思通过引入中间层堆叠体实现了用于MTJ器件的热稳健磁性结构。

技术领域

本发明构思涉及用于磁隧道结器件的磁性结构、磁隧道结器件和磁性随机存取存储器。

背景技术

磁隧道结(MTJ)在磁性随机存取存储器(MRAM)中的应用已得到广泛研究。已经开发了不同类型的MRAM技术，包括自旋转移矩MRAM(STT-MRAM)和自旋轨道矩MRAM(SOT-MRAM)。实现MRAM大规模生产的关键挑战在于开发热稳健的MTJ，热稳健的意思是MTJ的所需电磁性质在升高温度的加工步骤中不会丧失。为了实现大规模制造，MTJ尤其应适应升高的温度，所述升高的温度可出现在半导体器件的后道工序(BEOL)加工中(通常约400℃或更高)。

发明内容

本发明构思的目标是解决这一挑战。从下文可理解其他目标和/或替代目标。

根据本发明构思的第一方面，提供了一种用于磁隧道结(MTJ)器件的磁性结构，所述磁性结构包含：

自由层，

隧道势垒层，

参考层，

硬磁层，以及

设置在硬磁层与参考层之间的中间层堆叠体，该中间层堆叠体包含第一铁磁亚层、第二铁磁亚层和非磁性隔片亚层，其中非磁性隔片亚层设置在第一铁磁亚层与第二铁磁亚层之间并与它们接触，该非磁性隔片亚层适合提供第一铁磁亚层的磁化和第二铁磁亚层的磁化的铁磁耦合，其中参考层的磁化方向通过硬磁层和中间层堆叠体固定。

根据第二方面，提供了一种MTJ器件，其包含：

底部电极和顶部电极，以及

根据第一方面的磁性结构，其中所述磁性结构设置在底部电极与顶部电极之间。

根据第三方面，提供了一种磁性随机存取存储器(MRAM)，其包括一组根据第二方面的MTJ器件。

本发明构思基于以下洞见：引入中间层堆叠体能够实现用于MTJ器件的热稳健磁性结构。本发明构思实现了用于MTJ的结构，它与常规BEOL加工的热预算相适应。因此，该磁性结构在约400℃的升高的温度下进行加工之后，还能表现出所需的电磁性能。突出的电磁性质包括参考层和钉扎层的足够程度的磁各向异性，以及用于实际器件操作的足够高的隧道磁阻比(TMR)。足够的TMR通常约为150％或更大。

虽然BEOL加工是涉及升高的温度的一个主要过程，但应当注意，升高的温度也可发生在其他加工步骤，如在退火步骤中。

升高的温度可促进磁性结构各层之间的扩散过程。这可导致原子物质被从参考层引入到钉扎层系统的硬磁层中，以及原子物质被从硬磁层引入到参考层和隧道势垒层。扩散过程可造成参考层和硬磁层损失磁各向异性，参考层和硬磁层之间的偶联弱化，以及TMR损失。

已经认识到，引入包含非磁性隔片亚层的中间层堆叠体能够使参考层与钉扎层之间的扩散受到限制。非磁性隔片亚层因而可起到扩散阻挡层的作用，即抵消或防止扩散的层。