[发明专利]具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器

说明书

本发明实施例提供了一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器，整个多膜层结构在生长完成后经历500℃以上的温度退火，确保了良好的热稳定性。在退火过程中缓冲层的金属铬结晶促进了整体结构的晶向形成。同时由于退火，在铁磁层和第一氧化物势垒层之间形成了电荷俘获，增强了两层之间由于层间耦合而形成的界面垂直磁各向异性。由于各膜层均在纳米量级，得到的多膜层结构还具有尺寸小的优点。本发明实施例提供的磁随机存储器中的磁隧道结为具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，可以使磁随机存储器的存储密度变高。

技术领域

本发明涉及磁随机存储器技术领域，更具体地，涉及具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器。

背景技术

目前，磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)和磁逻辑具有非易失性、读写速度快、功耗低和可无限次擦写等优点，受到了工业界和学术界的广泛关注。

磁随机存储器和磁逻辑的核心器件是磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)。磁隧道结的基本结构是一种三层薄膜结构，三层薄膜结构具体包括：参考层(reference layer)、势垒层(barrier layer)和自由层(free layer)。其中，参考层和自由层都为铁磁材料，当这两层的磁化方向相同时，结构呈现低阻态，当这两层的磁化方向相反时，结构呈现高阻态。这种现象被称为隧穿磁阻效应(Tunnel Magneto resistance，TMR)，两种阻态分别用于表征二进制数据“0”和“1”。通常的，参考层的磁各向异性保持不变，自由层的磁各向异性可以通过施加电流、磁场和电压等方式进行翻转。

为了使磁隧道结中存储的数据能够保存足够长的时间，自由层需要具有较强的热稳定性。自由层的热稳定性可以用热稳定因子Δ(Thermal Stability Factor)来衡量，一般可以表示为Δ＝kV/k_BT，其中k为有效磁各向异性常数，V为自由层体积，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度。显然，当自由层磁各向异性较弱时，k的取值较小，导致Δ较小，热稳定性低；当器件尺寸减小时，V的取值较小，导致Δ较小，热稳定性亦会降低。

2010年，有研究人员制备了基于垂直磁各向异性(Perpendicular MagneticAnisotropy,PMA)的磁隧道结，其主要结构是：钽/钴铁硼/氧化镁/钴铁硼/钽(即Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta)。在该磁隧道结的结构中，Ta/CoFeB界面和CoFeB/MgO界面均能够产生界面垂直磁各向异性，当钴铁硼(CoFeB)界面足够薄的时候，该界面垂直磁各向异性能够克服退磁场，从而使CoFeB层的易磁化轴方向垂直于界面方向。此外，用钼(Mo)或铪(Hf)等替代上述结构中的Ta能够将界面垂直磁各向异性增强20％～35％左右。因此，该磁隧道结的结构一直是研究磁隧道结的基础结构。

然而，Ta(Mo,Hf)/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta(Mo,Hf)结构尚存在明显的不足。首先，该结构的界面垂直磁各向异性较弱，导致该结构的热稳定性低较低；其次，因为较弱的界面垂直磁各向异性，为了使易磁化轴垂直于界面方向，就需要较薄的CoFeB层减小退磁场，这会导致磁阻尼系数较大，从而使得该结构的临界翻转电流较大。最后，当横截面尺寸减小时热稳定性会降低，为了保持足够的热稳定性，会增大结构的尺寸，将会导致采用该结构的磁随机存储器的存储密度较低。

发明内容

为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供了一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器。

第一方面，本发明实施例提供了一种具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构，包括：保护层、第一氧化物势垒层、铁磁层、第一缓冲层、覆盖层和基底；

所述覆盖层、所述第一缓冲层、所述铁磁层、所述第一氧化物势垒层以及所述保护层由下至上依次生长在所述基底上；

所述第一缓冲层的材料为金属铬；