[发明专利]一种具有高热稳定性的磁隧道结

说明书

本发明公开了一种具有高热稳定性的磁隧道结，包括依次叠加的参考层、势垒层、第一自由层、氧化镁层和覆盖层，其中：参考层，具有方向固定的垂直磁化；势垒层，用于产生隧穿效应；第一自由层，具有方向可变的垂直磁化，且通过掺杂非金属元素改变原子磁矩，以降低饱和磁化强度并增强垂直磁各向异性；氧化镁层，用于增强与第一自由层的垂直磁各向异性；覆盖层，用于降低阻尼系数，从而降低临界电流。该磁隧道结通过在磁性金属层掺杂非金属元素改变原子磁矩，从而降低饱和磁化强度及增强垂直磁各向异性，显著提高磁隧道结的热稳定性，在保证热稳定性的同时实现磁存储器的小型化，结构简单，便于生产制造。

技术领域

本发明属于自旋电子技术领域，具体涉及一种具有高热稳定性的磁隧道结。

背景技术

磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)具有非易失性、高速读写、功耗低以及无限次擦写等优点，受到广泛关注。MRAM的核心器件是磁隧道结(MagneticTunnel Junction,MTJ)。MTJ是一种类似三明治的膜层结构，包括参考层、势垒层以及自由层。在MTJ中，信息的存储依赖于自由层中磁化状态的保持能力，也就是热稳定性。自由层的热稳定性由热稳定因子(Thermal Stability Factor)来衡量，通常可表示为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。

工业上一般要求MTJ的热稳定因子高于60，当降低到60以下时，不能满足数据长期可靠存储的要求，因而提高MTJ的热稳定性非常重要。同时，由于面内退磁场的作用，面内磁各向异性的MTJ写入电流密度过大，难以满足低功耗的要求。因此，通常使用垂直磁各向异性的磁隧道结以降低功耗，并提高其垂直磁各向异性以提高热稳定性。但现有技术往往通过增加自由层和氧化镁层之间的界面(如形成自由层/氧化镁层/自由层/氧化镁层的多界面结构)来提高磁隧道结的热稳定性，从而增加了薄膜层数，进而存在结构复杂、制备难度增大、电阻增大、隧道磁阻(TMR)降低等不利因素，尤其是当下随着器件尺寸的小型化，自由层的体积减小，热稳定性不足以使存储的数据保持足够长的时间。因此，在不增加界面的情况下提高磁隧道结的热稳定性和垂直磁各向异性显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种具有高热稳定性的磁隧道结，通过在磁性金属层掺杂非金属元素改变原子磁矩，从而降低饱和磁化强度及增强垂直磁各向异性，显著提高磁隧道结的热稳定性，在保证热稳定性的同时实现磁存储器的小型化，结构简单，便于生产制造。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

本发明提出的一种具有高热稳定性的磁隧道结，包括依次叠加的参考层、势垒层、第一自由层、氧化镁层和覆盖层，其中：

参考层，具有方向固定的垂直磁化；

势垒层，用于产生隧穿效应；

第一自由层，具有方向可变的垂直磁化，且通过掺杂非金属元素改变原子磁矩，以降低饱和磁化强度并增强垂直磁各向异性；

氧化镁层，用于增强与第一自由层的垂直磁各向异性；

覆盖层，用于降低阻尼系数，从而降低临界电流。

优选地，具有高热稳定性的磁隧道结还包括间隔层和第二自由层，间隔层位于第一自由层和第二自由层之间，用于第一自由层与第二自由层的层间交换耦合，第二自由层位于势垒层和间隔层之间，具有方向可变的垂直磁化。

优选地，参考层和第二自由层均掺杂有非金属元素，参考层的厚度为1.2～2nm，第一自由层和第二自由层的厚度均为0.6～1nm。

优选地，间隔层的材料为W、Ta、Ru、Mo其中一种，厚度为0.2～0.6nm。

优选地，非金属元素的掺杂含量为2％～20％。