[發明專利]一種垂直型磁電阻元件及其制造方法

有效

• 申請號: 201611192685.X
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN108232003B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 夏文斌;郭一民;肖榮福;陳峻;麻榆陽
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/10;H01L43/12
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務所(普通合伙) 31287
• 代理人: 于曉菁

本發明提供了一種磁電阻元件，依次包括種子層、磁固定層、勢壘層、磁記憶層和覆蓋層。其中磁固定層的磁化方向不變且磁各向異性垂直于層表面，磁固定層又細分為具有面心立方晶格結構的磁穩定層，晶格轉化結合層和磁參考層。磁采用鐵鈷硼復合材料，且其磁激化方向可變并垂直于層表面。勢壘層位于磁參考層和磁記憶層之間，是一種氧化膜。種子層材料具有幫助磁穩定層形成熱穩定的面心立方晶格結構的功能。高溫退火后磁參考層和磁記憶層中的鐵鈷硼從非晶態轉變為體心立方的晶態結構。通過引入晶格轉化結合層將具有面心立方晶格結構的磁穩定層與上面具有體心立方結構的鐵鈷硼參考層有機結合起來。本發明還提供了上述磁電阻元件的制備工藝。

技術領域

本發明涉及一種磁電阻元件，具體涉及一種垂直型磁電阻元件及其制造方法，屬于半導體存儲器技術領域。

背景技術

近年來人們利用磁性隧道結(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的特性做成磁性隨機存儲器，即為MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一種新型固態非易失性記憶體，它有著高速讀寫的特性。鐵磁性MTJ通常為三明治結構，其中有記憶層，它可以改變磁化方向以記錄不同的數據；位于中間的絕緣的勢壘層；參考層，位于勢壘層的另一側，它的磁化方向是不變的。當記憶層與參考層之間的磁化強度矢量方向平行或反平行時，MTJ元件的電阻態也相應分別為低阻態或高阻態。這樣測量MTJ元件的電阻態即可得到存儲的信息。

一般通過不同的寫操作方法來對MRAM器件進行分類。傳統的MRAM為磁場切換型MRAM：在兩條交叉的電流線的交匯處產生磁場，可改變MTJ元件的磁性記憶層的磁化強度方向。自旋轉移矩磁性隨機存儲器(STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory)則采用完全不同的寫操作，它利用的是電子的自旋角動量轉移，即自旋極化的電子流把它的角動量轉移給磁性記憶層中的磁性材料。磁性記憶層的容量越小，需要進行寫操作的自旋極化電流也越小。所以這種方法可以同時滿足器件微型化與低電流密度。STT-MRAM具有高速讀寫、大容量、低功耗的特性，有潛力在電子芯片產業，尤其是移動芯片產業中，替代傳統的半導體記憶體以實現能源節約與數據的非易失性。

垂直型磁性隧道結(pMTJ，Perpendicular Magnetic Tunnel Junction)即磁矩垂直于襯底表面的磁性隧道結，在這種結構中，由于兩個磁性層的磁晶各向異性比較強(不考慮形狀各向異性)，使得其易磁化方向都垂直于層表面。根據參考層和記憶層的相對位置，垂直型磁性隧道結有分為頂部型(參考層在上)和底部型(參考層在下)pMTJ。在同樣的條件下，元件尺寸可以做得比面內型MTJ元件更小，易磁化方向的磁極化誤差可以做的很小，并且MTJ元件尺寸的減小使所需的切換電流也可相應減小。

一種典型的底部型垂直磁電阻元件的多層膜結構如圖1所示，包括依次層疊的種子層10、參考層20、勢壘層30、記憶層40以及頂部的覆蓋層50。為了得到更優的垂直磁電阻值，必須制備高質量的磁電阻多層膜。一般來說，種子層10的質量好壞會直接影響到參考層多層膜的的生長質量。對于底部型垂直磁電阻元件，磁固定層20需要具有一個很好的面心立方(fcc)結構，從而得到一個穩定的垂直于層表面的磁化方向。對于記憶層40，出于提高垂直磁電阻效應的考量，它應該具有體心立方(bcc)結構，從而與勢壘層30(一般用MgO)的晶格有一個非常好的匹配。這樣一來，如何把兩種具有不同晶體結構的磁固定層和磁記憶層完美的結合起來就至關重要。

發明內容

鑒于現有技術的不足，本發明的第一方面，提供了一種磁電阻元件，依次包括種子層、磁固定層、勢壘層、磁記憶層、覆蓋層；

種子層采用具有面心立方晶格結構的材料；

磁固定層的磁化方向不變且磁各向異性垂直于磁固定層表面，磁固定層的厚度介于5-10納米；

磁記憶層的磁化方向可變且磁各向異性垂直于磁記憶層表面，磁記憶層具有體心立方晶格結構；