一種具有強(qiáng)垂直磁各向異性的多層膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種具有強(qiáng)垂直磁各向異性的多層膜，屬于非易失性磁存儲(chǔ)器和磁邏輯技術(shù)領(lǐng)域。
【【背景技術(shù)】】
[0002]磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)具有非易失性、可無(wú)限次擦寫、讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，有望成為下一代低功耗通用存儲(chǔ)器，受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
[0003]磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的核心器件是磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junct1n，MTJ)。磁隧道結(jié)的主要由三層組成:參考層(Reference Layer)、氧化物勢(shì)皇層(Barrier Layer)、自由層(Free Layer)。其中，參考層和自由層由鐵磁層材料組成，氧化物勢(shì)皇層一般由金屬氧化物組成。參考層的磁化方向保持不變，用于提供參考；自由層的磁化方向可以翻轉(zhuǎn)，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)參考層和自由層的磁化方向平行時(shí)，該結(jié)構(gòu)的電阻較低；當(dāng)參考層和自由層的磁化方向相反時(shí)，該結(jié)構(gòu)的電阻較高，該現(xiàn)象被稱為隧穿磁阻效應(yīng)(T u η n e IMagnetoresistance, TMR)，相應(yīng)的低阻和高阻態(tài)可分別表征二進(jìn)制數(shù)據(jù)“O”和“I”。數(shù)據(jù)寫入時(shí)需要翻轉(zhuǎn)自由層的磁化反向，此時(shí)所需的臨界電流大小稱為臨界翻轉(zhuǎn)電流。臨界翻轉(zhuǎn)電流與許多因素有關(guān)，并與磁阻尼系數(shù)成正比。
[0004]為了使磁隨機(jī)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)能夠保存足夠長(zhǎng)的時(shí)間，自由層的熱穩(wěn)定性需要較高。自由層的熱穩(wěn)定性可以用熱穩(wěn)定因子Δ (Thermal Stability Factor)來(lái)衡量，可以表示為Δ =HkMsV/2KbT，其中Hk是各向異性場(chǎng)，Ms是飽和磁化強(qiáng)度，V是自由層體積，Kb是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度?？梢钥闯?，當(dāng)自由層的磁各向異性較弱時(shí)，器件的熱穩(wěn)定性較低；同時(shí)，當(dāng)器件尺寸減小時(shí)，熱穩(wěn)定性會(huì)降低。
[0005]2010年，S.Ikeda等人制備了基于垂直磁各向異性(Perpendicular MagneticAnisotropy，PMA)的磁隧道結(jié)，其主要結(jié)構(gòu)為Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta( Ikeda et al.,Nature Materials 9,721(2010))。在該結(jié)構(gòu)中，Ta/CoFeB界面和CoFeB/MgO界面能夠產(chǎn)生界面垂直磁各向異性，當(dāng)鈷鐵硼(CoFeB)層足夠薄的時(shí)候(如1.3nm)，該界面垂直磁各向異性能夠克服退磁場(chǎng)，從而使CoFeB層的易磁化軸方向垂直于界面方向。此外，采用鉬(Mo)代替上述結(jié)構(gòu)中的鉭(Ta)后，界面垂直磁各向異性能夠增強(qiáng)20%左右(Liu et al.,Scientific Reports 4,5895(2014));采用給(Hf)代替上述結(jié)構(gòu)中的Ta后，界面垂直磁各向異性能夠增強(qiáng) 35%左右(Liu et al.,AIP Advances 2,032151 (2012)) 0
[0006]然而，Ta(MO，Hf)/CoFeB/Mg0結(jié)構(gòu)存在明顯的不足。首先，該結(jié)構(gòu)的界面垂直磁各向異性較弱，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性也較低。其次，因?yàn)榻缑娲怪贝鸥飨虍愋暂^弱，為了使易磁化軸垂直于界面方向，就需要采用較薄的CoFeB層來(lái)減小退磁場(chǎng)。例如，Hf/CoFeB/MgO結(jié)構(gòu)中CoFeB厚度必須小于I.5nm才能保持垂直磁各向異性(Liu et al.,AIP Advances 2,032151(2012))。CoFeB層較薄會(huì)導(dǎo)致磁阻尼系數(shù)較大，從而導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的臨界翻轉(zhuǎn)電流較大。最后，當(dāng)橫截面尺寸減小時(shí)熱穩(wěn)定性會(huì)降低，因此為了保持足夠的熱穩(wěn)定性，要求該結(jié)構(gòu)的尺寸較大，從而采用該結(jié)構(gòu)形成的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度較低。
[0007]另一種獲得垂直磁各向異性的方法是采用雙界面結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)Ta/CoFeB界面和兩個(gè)CoFeB/MgO界面，可以增強(qiáng)垂直磁各向異性和熱穩(wěn)定性。例如，基于MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的雙界面結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定因子是MgO/CoFeB/Ta結(jié)構(gòu)的1.9倍(Sato et al.,Applied Physics LetterslOl ,022414(2012))。然而，雙界面結(jié)構(gòu)增加了薄膜層數(shù)，因此增加了工藝復(fù)雜度。同時(shí)，基于MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的雙界面結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性仍然不足。例如，當(dāng)MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO結(jié)構(gòu)的橫截面直徑為IInm時(shí)，熱穩(wěn)定因子小于30，不能滿足磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的要求(Sato et al.,Applied Physics Letters105,062403(2014))。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0008]—、發(fā)明目的:
[0009]針對(duì)上述背景中提到的Ta (Mo，Hf)/CoFeB/MgO和雙界面結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種具有強(qiáng)垂直磁各向異性的多層膜。它克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有垂直磁各向異性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性高、臨界翻轉(zhuǎn)電流小、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。
[0010]二、技術(shù)方案:
[0011]本發(fā)明提供了一種具有強(qiáng)垂直磁各向異性的多層膜，其特征在于采用鉍(Bi)或者Bi合金與鐵磁層界面的強(qiáng)界面垂直磁各向異性來(lái)獲得強(qiáng)垂直磁各向異性。本發(fā)明共提出四種實(shí)施方案。
[0012]方案一:本方案包含一種強(qiáng)垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)，該多層膜結(jié)構(gòu)從下到上依次是緩沖層、鐵磁層和氧化物勢(shì)皇層，如圖2所示。在該緩沖層的下面還可以有基底，在該氧化物勢(shì)皇層的上面還可以有保護(hù)層。
[0013]所述緩沖層的材料是Bi或者Bi合金，厚度為0.2-200nm。
[OOM] 所述鐵磁層的材料是CoFeB、鐵硼(FeB)、鈷鐵(CoFe)、鐵(Fe)、Heusler合金(Heusler Al1y)等材料中的一種材料或幾種材料的組合，鐵磁層的厚度為0.2_5nm。
[0015]所述氧化物勢(shì)皇層的材料是鎂氧化物、鋁氧化物、鎂鋁氧化物、鉿氧化物、鉭氧化物等材料中的一種材料或幾種材料的組合，優(yōu)選氧化鎂(MgO)、三氧化二鋁(Al2O3)或偏鋁酸鎂(MgAl2O4)等;氧化物勢(shì)皇層的厚度為0.2-5nm0
[0016]方案二:本方案包含一種強(qiáng)垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)，該多層膜結(jié)構(gòu)從下到上依次是氧化物勢(shì)皇層、鐵磁層和覆蓋層，如圖3所示。在該氧化物勢(shì)皇層的下面還可以有基底，在該覆蓋層的上面還可以有保護(hù)層。
[0017]所述覆蓋層的材料是Bi或者Bi合金，厚度為0.2-200nm。
[0018]所述鐵磁層的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heus Ier合金等材料中的一種材料或幾種材料的組合，鐵磁層的厚度為0.2-5nm0
[0019]所述氧化物勢(shì)皇層的材料是鎂氧化物、鋁氧化物、鎂鋁氧化物、鉿氧化物、鉭氧化物等材料中的一種材料或幾種材料的組合，優(yōu)選MgO、AI2O3或MgAh04等;氧化物勢(shì)皇層的厚度為 0.2-5nm。
[0020]方案三:本方案包含一種強(qiáng)垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)，該多層膜結(jié)構(gòu)從下到上依次是氧化物勢(shì)皇層一、鐵磁層一、中間層、鐵磁層二和氧化物勢(shì)皇層二。在該氧化物勢(shì)皇層一的下面還可以有基底，在該氧化物勢(shì)皇層二的上面還可以有保護(hù)層。
[0021 ]所述中間層材料是Bi或者Bi合金，厚度為0.2-2nm。
[0022]所述鐵磁層一和鐵磁層二的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heus Ier合金等材料中的一種材料或幾種材料的組合;鐵磁層一和鐵磁層二的厚度為0.2-5nm，這兩層的材料和厚度可以不一樣。
[0023]所述氧化物勢(shì)皇層一和氧化物勢(shì)皇層二的材料是鎂氧化物、鋁氧化物、鎂鋁氧化物、鉿氧化物、鉭氧化物等材料中的一種材料或幾種材料的組合，優(yōu)選Mg0、Al203或MgAl2O4等;氧化物勢(shì)皇層一和氧化物勢(shì)皇層二的厚度為0.2-5nm，這兩層的材料和厚度可以不一樣。
[0024]方案四:本方案包含一種強(qiáng)垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)，該多層膜結(jié)構(gòu)從下到上依次是緩沖層、鐵磁層一、氧化物勢(shì)皇層、鐵磁層二和覆蓋層，該多層膜結(jié)構(gòu)可以作為磁隧道結(jié)的核心結(jié)構(gòu)。在緩沖層的下面還可以有基底，在覆蓋層的上面還可以有保護(hù)層。
[0025]所述緩沖層的材料是金屬或者金屬合金，可選自、但不限于B1、Bi合金、Mo、Hf、銥(Ir)等，厚度為0.2-200nm;所述覆蓋層的材料是金屬或者金屬合金，可選自、但不限于B1、Bi合金、10、把、&等，厚度為0.2-20011111;且緩沖層和覆蓋層中至少有一層的材料是扮或者Bi合金。
[0026]所述鐵磁層一和鐵磁層二的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heus Ier合金等材料中的一種材料或幾種材料的組合;鐵磁層一和鐵磁層二的厚度為0.2-5nm，這兩層的材料和厚度可以不一樣。
[0027]所述氧化物勢(shì)皇層的材料是鎂氧化物、鋁氧化物、鎂鋁氧化物、鉿氧化物、鉭氧化物等材料中的一種材料或幾種材料的組合，優(yōu)選MgO、Al2O3或MgAl2O4等，厚度為0.2_5nm。
[0028]如果緩沖層和覆蓋層的材料都是Bi或者Bi合金，則可以通過(guò)控制鐵磁層一和鐵磁層二的材料和厚度來(lái)使兩個(gè)鐵磁層的磁各向異性不相等，從而垂直磁各向異性較強(qiáng)的鐵磁層可以作為參考層，垂直磁各向異性較弱的鐵磁層可以作為自由層。
[0029]如果緩沖層和覆蓋層中只有一層的材料是Bi或者Bi合金，則鄰近Bi或B