[發明專利]磁隧道結中勢壘層的制備方法、磁隧道結及其制備方法

有效

• 申請號: 201911425363.9
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN113130735B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 宮俊錄;孟凡濤;蔣信;劉波
• 申請（專利權）人: 浙江馳拓科技有限公司
• 主分類號: H10N50/80
• 分類號: H10N50/80;H10N50/10;H10N50/01
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 王曉玲

本發明提供了一種磁隧道結中勢壘層的制備方法、磁隧道結及其制備方法。該制備方法包括以下步驟：在參考層或自由層上沉積n次勢壘層材料，形成n層勢壘層薄膜，在相鄰各次沉積勢壘層材料的步驟之間，對勢壘層材料進行熱處理，n為大于2的自然數。上述制備方法中通過各次熱處理及下層勢壘層薄膜的結構母版的誘導作用，優化了熱處理后沉積形成的勢壘層薄膜的晶化質量，減少了勢壘層薄膜缺陷，提升了勢壘層薄膜及其界面的質量，進而不僅降低了磁隧道結的電阻值，還能夠保持較高的磁電阻，同時降低了寫電壓；通過上述沉積前的各次熱處理，實驗發現，磁隧道結的寫電流也得到了降低，電阻及寫電壓的均一性有所改善，MTJ器件的耐擦寫性也得到了提升。

技術領域

本發明涉及半導體制造領域，具體而言，涉及一種磁隧道結中勢壘層的制備方法、磁隧道結及其制備方法。

背景技術

磁隨機存儲器(MRAM)由磁隧道結(MTJ)陣列構成，MTJ的核心結構包括自由層、勢壘層和參考層。其中自由層和參考層為磁性層，而勢壘層為一層很薄的絕緣層。在MTJ正常工作時，參考層的磁化方向不變，自由層磁化方向可由外加磁場或輸入電流改變，MTJ的電阻值決定于自由層和參考層的相對磁化方向。當自由層與參考層磁化方向平行時，MTJ呈低電阻態；當自由層與參考層磁化方向反平行時，MTJ呈高電阻態。MTJ電阻態受自由層和參考層磁化方向相對狀態的控制，是MTJ器件工作的物理原理之一。

對單個MTJ位元來說，信息的讀取依賴于平行態電阻(Rp)和反平行態電阻(Rap)的差值，也就是依賴于磁電阻MR＝(Rap－Rp)/Rp，MR越大，MTJ器件讀取信息的信噪比就越高，性能越出色。而一個由MTJ陣列組成的器件，Rp和Rap存在一定的統計分布，當二者的分布曲線不發生交疊時，MTJ器件才能正常工作。勢壘層是MTJ結構中十分重要的膜層，其對MTJ的MR大小及電阻分布有直接的影響。勢壘層的薄膜晶化程度、界面平整度等的優化對MTJ器件性能的改善具有重要意義。因為勢壘層相對較薄，所以其結構缺陷或界面粗糙等可造成MTJ器件產生較大的漏電流，導致磁電阻(MR)很小甚至消失。再者，若勢壘層結晶不理想，相應MTJ器件的電阻會增大，MR降低，寫電壓增大，MTJ器件的耐擦寫性(endurance)相應降低。在垂直磁化的MTJ器件中，自由層的垂直磁各向異性主要來源于界面貢獻的各向異性能，勢壘層界面質量的控制對器件性能的保持和提升更為重要。然而，在現有的工藝中，MTJ器件的寫電壓、寫電流和MR等性能指標及其均一性仍不夠理想，耐擦寫性需要進一步提升。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種磁隧道結中勢壘層的制備方法、磁隧道結及其制備方法，以解決現有技術中MTJ器件的性能指標及其均一性不理想、耐擦寫性不夠高的問題。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種磁隧道結中勢壘層的制備方法，包括以下步驟：在參考層或自由層上沉積n次勢壘層材料，形成n層勢壘層薄膜，在相鄰各次沉積勢壘層材料的步驟之間，對勢壘層材料進行熱處理，n為大于2的自然數。

進一步地，2＜n＜10。

進一步地，在相鄰各次沉積勢壘層材料的步驟之間，熱處理的溫度獨立地滿足200～450℃。

進一步地，熱處理的時間獨立地滿足0.1～2min。

進一步地，各層勢壘層薄膜的厚度獨立地滿足0.01～2nm。

進一步地，各層勢壘層薄膜的沉積速率≤0.2nm/s。

進一步地，勢壘層材料為絕緣氧化物。

進一步地，形成各層勢壘層薄膜的勢壘層材料獨立地選自MgO、MgZnO、MgAlO_x、ZnO、TiO_x、ZrO_x、AlO_x和HfO_x中的任一種。