[发明专利]一种磁性隧道结覆盖层及其制作工艺

说明书

本发明公开了一种磁性隧道结覆盖层及其制作工艺，磁性隧道结的覆盖层结构由下而上依序为覆盖层(I)，覆盖层(II)，覆盖层(III)和覆盖层(IV)叠加的结构所组成；覆盖层(I)为自由层提供一个额外的垂直各向异性来源，从而增加其热稳定性；覆盖层(II)降低所述磁性隧道结的阻尼系数，从而降低其临界电流，同时，其制作工艺有利增强自由层的热稳定性；覆盖层(III)在于实现覆盖层(II)和覆盖层(IV)之间的过渡；覆盖层(IV)作为后续的刻蚀阻挡层。如此磁性隧道结可以提供较高的热稳定性，同时也可以使临界电流有效的降低，非常有利制作超小型的磁性随机存储器。

技术领域

本发明涉及具有垂直各向异性的磁性随机存储器领域，特别涉及一种具有磁性隧道结覆盖层及其制作工艺的领域。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic Radom Access Memory，MRAM)被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性自由层(Free Layer，FL)，磁性自由层可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘隧道势垒层(Tunnel Barrier Layer，TBL)；磁性参考层(Reference Layer，RL)位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)的磁性隧道结(MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或“1”和“0”。在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向保持不变；在写的过程中，如果有与现有不同状态的信号输入的时候，那么自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生一百八十度的翻转。业界把这种空置状态之下，磁性存储器的自由层保持磁化方向不变得能力叫做数据保存能力或热稳定性因子，在不同的应用场景中要求不一样。对于一个典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)的热稳定性要求是在125℃的条件可以保存数据10年。

更进一步地，数据保存能力(Data Retention)可以用下面的公式进行计算：

其中，τ为在热扰动条件下磁化矢量不变的时间，τ₀为尝试时间(一般为1ns)，E为自由层的能量壁垒，k_B为玻尔兹曼常数，T为工作温度。

热稳定性因子(Thermal Stability Factor)则可以表示为如下的公式：

其中，K_eff为自由层的有效各向能量密度，V为自由层的体积，K_V为体各向异性常数M_s为自由层饱和磁化率，N_z垂直方向的退磁化常数，t为自由层的厚度，K_i为界面各向异性常数，D_MTJ为磁性随机存储器的关键尺寸(一般指自由层的直径)，A_s为刚度积分交换常数，D_n为自由层翻转过程中反向核的尺寸(一般指反向核的直径)。实验表明当自由层的厚度较厚时表现为面内各向异性，较薄时，表现为垂直各向异性，K_V一般可以忽略不计，而退磁能对垂直各向异性的贡献为负值，因此垂直各向异性完全来自界面效应(Ki)。

此外，随着磁性自由层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小，写操作的临界电流I_c0和热稳定性强相关，其关系可以表达如下的公式：