[发明专利]一种磁性随机存储器势垒层和自由层结构单元及其制备方法

说明书

一种磁性随机存储器势垒层和自由层结构单元及其制备方法，在溅射沉积MgO形成所述势垒层后，进行一定时间的热处理，再冷却到室温或更低温度，以使得在自由层沉积之前所述势垒层具有NaCl晶系晶体结构，并具备(001)平面晶向；自由层内部按照第一自由子层,B吸收层，第二自由子层的依次向上叠加设置；第一自由子层组成材料为CoFeB，FeB，Fe/FeB、CoFe/FeB、Fe/CoFeB或CoFe/CoFeB，其中B含量为百分比5％‑15％，以其具有晶胞尺寸不大于2nm的纳米级晶态结构；再溅射沉积一层所述B吸收层，其组成材料包含W、Zr、Ti、V、Cr、Al、Nb、Mo、Ta、Hf元素中之一；最后溅射沉积所述第二自由子层，其组成材料为CoFeB或CoB，其B含量为百分比15％‑35％，使其具有非晶态结构。

技术领域

本发明涉及磁性随机存储器领域，特别涉及一种磁性随机存储器势垒层和自由层结构单元及其制备方法。

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(FL)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。

为能在这种磁电阻组件中记录信息，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(Data Retention)或热稳定性因子(Thermal Stability Factor)，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)，例如：应用于汽车电子领域，其热稳定性要求是在125℃甚至150℃的条件可以保存数据至少10年。

另外，作为磁性随机存储器(MRAM)的核心存储单元的MTJ，还必须和CMOS工艺相兼容，必须能够承受在400℃条件下的长时间退火。

如图1为现有的磁性随机存储器存储单元的结构示意图所示，现有的磁性随机存储器存储单元的结构由下至上结构包括所述底电极10、磁性隧道结(MTJ)20及顶电极30，磁性隧道结(MTJ)20单元中，依次由下至上为种子层(Seed Layer)21，合成反铁磁层(Synthetic Anti-ferromagnetic layer，SyAF)22，晶格隔断层(Crystal BreakingLayer，CBL)23,参考层(RL)24,势垒层(TBL)25,自由层(FL)26和覆盖层(Capping Layer)27。