一種垂直式磁電阻元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及信息存儲器件技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種垂直式磁電阻元件。
【背景技術(shù)】
[0002]磁阻內(nèi)存的設(shè)計并不復雜，但是對材料的要求比較高，對于一般的材料而言，它是比較微弱的一種效應(yīng)，其磁場變化帶來的電阻變化并不顯著，用三極管很難判斷出來本來就很微小的電流變化。磁性隧道結(jié)(MTJ，Magnetic Tunneling Junct1n)是由絕緣體或磁性材料構(gòu)成的磁性多層膜，它在橫跨絕緣層的電壓作用下，其隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層磁化強度的相對取向，當此相對取向在外磁場的作用下發(fā)生改變時，可觀測到大的隧穿磁電阻(TMR)。人們利用MTJ的特性做成的磁性隨機存取記憶體，即為非揮發(fā)性的磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一種新型固態(tài)非易失性記憶體，它有著高速讀寫、大容量、低功耗的特性。鐵磁性MTJ通常為三明治結(jié)構(gòu)，其中有磁性記憶層，它可以改變磁化方向以記錄不同的數(shù)據(jù)；隧道勢皇層為絕緣層；磁性參考層位于絕緣層的另一側(cè)，它的磁化方向是不變的。
[0003]自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT，Spin Transfer Torque)可以用于磁電阻元件的寫操作，即自旋極化的電流通過磁電阻元件時，可以通過STT改變記憶層的磁化方向。當記憶層的磁性物體體積變小時，所需的極化電流也會同樣變小，這樣就可以同時達到小型化與低電流。
[0004]垂直式磁性隧道結(jié)(PMTJ，PerpendicularMagnetic Tunnel Junct1ns)即磁矩垂直于襯底表面的磁性隧道結(jié)，在這種結(jié)構(gòu)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。在同樣的條件下，器件的尺寸可以做得比平面式磁性隧道結(jié)(即易磁化方向在面內(nèi)的)器件更小，易磁化方向的磁極化誤差可以做的很小。因此，如果能夠找到具體有更大的磁晶各向異性的材料的話，可以在保持熱穩(wěn)定性的同時，滿足使得器件小型化與低電流要求。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)得到高的磁電阻(MR)率的方法為:在非晶態(tài)磁性膜與其緊鄰的晶態(tài)隧道勢皇層的界表面形成一層晶化加速膜。當此層膜形成后，晶化開始從隧道勢皇層一側(cè)開始形成，這樣使得隧道勢皇層的表面與磁性表面形成匹配，這樣就可以得到高MR率。然而，這種技術(shù)和結(jié)構(gòu)在后續(xù)的工藝中對非晶態(tài)的CoFeB進行退火時，在磁性膜另一側(cè)的基礎(chǔ)層的晶格無法與晶化后得到CoFe的晶體形成良好的匹配，使得CoFe晶體無法在垂直方向產(chǎn)生強調(diào)的磁各向異性，導致得到的MR率較低，并且熱穩(wěn)定性較差。
[0006]中國專利200810215231.9(日本優(yōu)先權(quán))公開了一種磁阻元件，包含:基底層，其由具有NaCl構(gòu)造、并且取向于(001)面的氮化物構(gòu)成；第一磁性層，其被設(shè)置在上述基底層上，且具有垂直于膜面的方向的磁各向異性，并且由具有LlO構(gòu)造、并且取向于(001)面的鐵磁性合金構(gòu)成；非磁性層，其被設(shè)置在上述第一磁性層上；以及第二磁性層，其被設(shè)置在上述非磁性層(16)上，并且包含Pd或Pt、Au元素而具有垂直于膜面的方向的磁各向異性。該技術(shù)方案利用LlO構(gòu)型和Pd等元素可以實現(xiàn)較高的垂直磁各向異性和磁電阻率，但磁記錄層的阻尼系數(shù)高，寫入功耗高，制造成本高，難以規(guī)模應(yīng)用，且熱穩(wěn)定性也較差。
[0007]中國專利201210097760.X (日本優(yōu)先權(quán))公開一種磁阻元件和磁存儲器，包括:存儲層，其具有垂直且可變的磁化；參考層，其具有垂直且恒定的磁化；偏移調(diào)整層，其具有沿與所述參考層的磁化相反的方向的垂直且恒定的磁化；第一非磁性層，其在所述存儲層與所述參考層之間；以及第二非磁性層，其在所述參考層與所述偏移調(diào)整層之間。該技術(shù)方案解決了存儲層的磁滯曲線的偏移問題，但也未解決MR率低，熱穩(wěn)定性差的問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0008]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)問題，本實用新型提供了一種垂直式磁電阻元件，通過減小阻尼系數(shù)、增大電流自旋極化率、保持垂直各向異性、減小面積，以進一步減小寫電流，從而得到更高的MR率。
[0009]本實用新型的技術(shù)方案是:一種垂直式磁電阻元件，包括:磁參考層、磁記憶層、隧道勢皇層；所述磁參考層的磁化方向不變，且所述磁參考層的磁各向異性垂直于層表面；所述磁記憶層的磁化方向可變，且所述磁記憶層的磁各向異性垂直于層表面；所述隧道勢皇層位于所述磁記憶層與所述磁參考層之間；還包括晶格優(yōu)化層和自旋極化穩(wěn)定層:所述晶格優(yōu)化層為NaCl型晶格結(jié)構(gòu)且與所述磁記憶層相鄰，所述自旋極化穩(wěn)定層與所述晶格優(yōu)化層相鄰。
[0010]所述垂直式磁電阻元件還包括:基礎(chǔ)層和頂電極，所述基礎(chǔ)層與自旋極化穩(wěn)定層相鄰，所述頂電極與所述磁參考層相鄰。
[0011]所述隧道勢皇層由MgO、MgN、ZnO的一種或多種形成。
[0012]所述晶格優(yōu)化層的(100)晶面平行于基面，且所述晶格優(yōu)化層的[110]晶格方向的晶格常數(shù)大于bcc相Co的[100]晶格方向的晶格常數(shù)。
[0013]進一步，所述晶格優(yōu)化層由單層的NaCl晶格結(jié)構(gòu)的氧化物XO、氮化物XN或氯化物XCl構(gòu)成；其中，所述X元素為金屬元素Mg、Zn、Ca、Na、L1、Cd、In、Sn、Cu、Ag中的任意一種；
[0014]或，所述晶格優(yōu)化層由單層的NaCl晶格結(jié)構(gòu)的金屬復合氧化物XYO、金屬復合氮化物XYN或金屬復合氯化物XYCl構(gòu)成；其中，X元素為金屬元素Mg、Na、Ag、Cu中的任意一種，Y元素為金屬元素Zn、Cd、In、Sn中的任意一種；
[0015]或，所述晶格優(yōu)化層由雙層或多層的NaCl晶格結(jié)構(gòu)的氧化物、氮化物或氯化物構(gòu)成；其中，所述晶格優(yōu)化層的與所述磁記憶層相鄰的部分為金屬氧化物MgO、MgN、CaO、ZnO、CaN、MgZnO, CdO, CdN、MgCdO, CdZnO 中的一種或多種。
[0016]進一步，所述晶格優(yōu)化層由NaCl晶格結(jié)構(gòu)的氧化物、氮化物或氯化物的交替多層結(jié)構(gòu)與一層bcc結(jié)構(gòu)的插入層構(gòu)成，所述晶格優(yōu)化層的與所述磁記憶層相鄰的部分為由NaCl 晶格結(jié)構(gòu)的 MgO、MgN, CaO、ZnO、CaN, MgZnO, CdO, CdN, MgCdO, CdZnO 中的任意一種或多種構(gòu)成，所述插入層為Fe層或含F(xiàn)e的CoFe層。
[0017]進一步，所述自旋極化穩(wěn)定層為MnAs、CrAs、CrSb、CrO2、NiMnSb、Co2MnS1、Co2FeS1、Cr2CoGa, CrCa7Se8, CoFeB, TaN, TaO, T1, TiN或其它輕原子量過度金屬元素的非晶氧化物、非晶氮化物中的一種或多種。
[0018]進一步，所述磁記憶層為Co合金材料；所述Co合金材料為CoFeB或CoB，其中，B的摩爾分數(shù)含量在5% -35%之間，優(yōu)選值為20%。一定B摩爾分數(shù)含量的CoFeB或CoB是本領(lǐng)域工藝技術(shù)中常用的靶材。
[0019]進一步，所述晶格優(yōu)化層中的NaCl晶格結(jié)構(gòu)在[110]晶格方向的晶格常數(shù)與bcc結(jié)構(gòu)的Co在[100]晶格方向的晶格參數(shù)的晶格失配在3%與18%之間。
[0020]進一步，所述晶格優(yōu)化層和所述自旋極化穩(wěn)定層由物理氣相沉積、化學氣相沉積、等離子體增強化學氣相沉積法、離子束沉積沉法中的一種沉積而成。
[0021]進一步，所述晶格優(yōu)化層的與所述磁記憶層相鄰的部分沉積形成后，對所述晶格優(yōu)化層進行氧化過程；所述氧化過程所用的氣體為氧與氬氣的混合氣體，其中，氧指氧分子、自由基氧或離子化氧。
[0022]進一步，所述垂直式磁電阻元件在高溫中進行退火，使所述磁記憶層形成bcc結(jié)構(gòu)的CoFe或Co顆粒晶體；在所述NaCl晶格結(jié)構(gòu)的晶格優(yōu)化層一側(cè)，所述磁記憶層的(100)晶面平行于基底并且面內(nèi)膨脹、面外收縮。
[0023]進一步，所述晶格優(yōu)化層的厚度為0.5-10nm。
[0024]進一步，所述自旋極化穩(wěn)定層的厚度為0.2-10