阅读说明：本技术 磁性隧道结及其制造方法 (Magnetic tunnel junction and method of manufacturing the same ) 是由 孙一慧 孟凡涛 蒋信 韩谷昌 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种磁性隧道结及其制造方法。所述磁性隧道结包括依次层叠的第一晶种层、第二晶种层、磁固定层、势垒层、磁自由层和覆盖层,其中,所述第一晶种层包含钴、铁的一种或其组合与硼形成的非镍合金,所述第二晶种层包含镍铬合金。本发明利用包含镍铬合金的第二晶种层提高各磁性层的垂直磁各向异性。(The invention provides a magnetic tunnel junction and a method of manufacturing the same. The magnetic tunnel junction comprises a first seed layer, a second seed layer, a magnetic fixed layer, a barrier layer, a magnetic free layer and a covering layer which are sequentially stacked, wherein the first seed layer comprises a non-nickel alloy formed by one or a combination of cobalt and iron and boron, and the second seed layer comprises a nickel-chromium alloy. The invention utilizes a second seed layer comprising nichrome to increase the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layers.)

磁性隧道结及其制造方法

技术领域

本发明涉及磁性存储器技术领域，尤其涉及一种磁性隧道结及其制造方法。

背景技术

近年来人们利用磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的特性做成磁性随机存储器，即为MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有自由层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的势垒层；参考层，位于势垒层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当自由层与参考层之间的磁化强度矢量方向平行或反平行时，MTJ元件的电阻态也相应分别为低阻态或高阻态。这样测量MTJ元件的电阻态即可得到存储的信息。

垂直型磁性隧道结(pMTJ，Perpendicular Magnetic Tunnel Junction)即磁矩垂直于衬底表面的磁性隧道结，根据参考层和自由层的相对位置，垂直型磁性隧道结有分为顶部型(参考层在上)和底部型(参考层在下)pMTJ。在pMTJ结构中，由于两个磁性层的垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)比较强(不考虑形状各向异性)，使得其易磁化方向都垂直于层表面。在同样的条件下，pMTJ元件尺寸可以做得比面内型MTJ元件更小，易磁化方向的磁极化误差可以做的很小，并且MTJ元件尺寸的减小使所需的切换电流也可相应减小。

因此，利用PMA的垂直型磁性隧道结pMTJ具有高的热稳定性和低的切换电流，在实际应用中，如何提高pMTJ中各磁性层的PMA以及为pMTJ提供平整的基底，成为一个亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种磁性隧道结及其制造方法，能够提高各磁性层的垂直磁各向异性。

第一方面，本发明提供一种磁性隧道结，包括依次层叠的第一晶种层、第二晶种层、磁固定层、势垒层、磁自由层和覆盖层，其中，

所述第一晶种层包含钴、铁的一种或其组合与硼形成的非镍合金，用于为所述第二晶种层提供平整且晶格匹配的基底；

所述第二晶种层位于所述第一晶种层的顶部表面，且包含镍铬合金；

所述磁固定层与所述第二晶种层相邻，所述磁固定层的磁化方向不变且垂直于所述磁固定层薄膜表面；

所述磁自由层的磁化方向可变且垂直于所述磁自由层薄膜表面；

所述势垒层位于所述磁固定层与所述磁自由层之间；

所述覆盖层位于所述磁自由层顶部表面，用于保护所述磁自由层。

可选地，所述第一晶种层的材料包含CoB、FeB和CoFeB中的一种或几种。

可选地，所述第二晶种层的材料包含NiCr和NiFeCr中的一种或几种。

可选地，所述第一晶种层的厚度介于1-5纳米。

可选地，所述第二晶种层的厚度介于1-10纳米。

可选地，所述磁固定层包括合成反铁磁钉扎层、磁间隔层和磁参考层，其中，

所述合成反铁磁钉扎层采用的结构为[Co/X]n/Co/Y/Co/[X/Co]m，其中X为Ni、Pd或Pt中的一种，X的厚度介于0.2-1.0纳米，Y为Ru或Ir中的一种，Y的厚度介于0.4-0.9纳米，n与m为超晶格层数，n为3-8层，m为0-6层；

所述磁参考层包括各种组合的CoFeB，所述磁参考层退火前为非晶结构，退火以后转变为体心立方晶格结构；

所述磁间隔层采用Ta、W、Mo、Hf、V、Zr及其合金中的一种。

可选地，所述势垒层采用MgO、MgZnO或MgAlO，所述势垒层的厚度介于0.5-2纳米。

可选地，所述磁自由层采用CoFeB、CoFeB/Fe或CoFeB/β/CoFeB，其中β为Ta、Mo、W、Hf、Zr或Fe中的一种，所述磁自由层的厚度介于0.5-5纳米；所述磁自由层退火后由非晶结构转变为体心立方晶格结构。

可选地，所述覆盖层采用Mg、Al中至少一种的氧化物，所述覆盖层的厚度介于0.2-2纳米。

第二方面，本发明提供一种磁性隧道结的制造方法，包括以下步骤：

在衬底上沉积第一晶种层；

在所述第一晶种层上沉积第二晶种层；

在所述第二晶种层上形成合成反铁磁钉扎层；

在所述合成反铁磁钉扎层上形成磁间隔层；

在所述磁间隔层上形成磁参考层；

在所述磁参考层上形成势垒层；

在所述势垒层上形成磁自由层；

在所述磁自由层上形成覆盖层，至此形成磁性隧道结多层膜；

在所述磁性隧道结多层膜形成后进行退火，退火温度为300-450℃，退火时间为0.2-2小时。

本发明提供的磁性隧道结及其制造方法，利用两层晶种层，在钴铁硼晶种层上沉积一层NiCr晶种层，NiCr扩散进入磁固定层，使磁固定层磁矩方向更垂直、更稳定；稳定的磁固定层能使磁自由层翻转的也更加稳定，R-H loop均一性更好。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的磁性隧道结的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的磁性隧道结的制造方法的工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种磁性隧道结，如图1所示，该磁性隧道结包括：依次层叠的第一晶种层10、第二晶种层20、磁固定层30、势垒层40、磁自由层50和覆盖层60。

第一晶种层10采用包含钴、铁的一种或其组合与硼形成的非镍合金，例如CoB、FeB、CoFeB等，厚度范围为1-5纳米，第一晶种层10为第二晶种层20提供平整且晶格匹配的基底。

第二晶种层20采用包含镍铬合金的材料，例如NiCr、NiFeCr等，厚度范围为1-10纳米。

磁固定层30的磁化方向不变且垂直于磁固定层薄膜表面，依次包括：

第一超晶格多层膜301，结构为[Co/X]n，其中Co的厚度一般为0.3-0.6纳米，X为Ni、Pd或Pt，厚度一般为0.2-1.0纳米，n一般选为3-8；

第一Co层302，厚度一般为0.4-0.6纳米；

AP耦合层303，一般采用Ru或者Ir，厚度一般为0.4-0.9纳米；

第二Co层304，厚度一般为0.4-0.6纳米；

第二超晶格多层膜305，结构为[X/Co]m，其中Co的厚度一般为0.3-0.6纳米，X为Ni、Pd或Pt，厚度一般为0.2-1.0纳米，m一般选为0-6；

磁间隔层306，采用Ta、W、Mo、Hf、V、Zr及其合金中的一种，厚度一般为0.2-0.5纳米；

磁参考层307，包括各种组合的CoFeB，厚度一般为0.5-1.5纳米。磁参考层307退火前为非晶结构，退火以后转变为体心立方(BCC)晶格结构。

其中，第一超晶格多层膜301、第一Co层302、AP耦合层303、第二Co层304、第二超晶格多层膜305一起构成合成反铁磁(SAF)钉扎层，用于钉扎磁参考层307的磁化方向。

势垒层40采用介电质绝缘材料，如选择MgO、MgZnO、MgAlO等氧化物绝缘材料，优选的厚度范围为0.5-2纳米。

磁自由层50的磁化方向可变且垂直于磁自由层薄膜表面，其采用CoFeB、CoFeB/Fe或CoFeB/β/CoFeB，其中β为Ta、Mo、W、Hf、Zr或Fe中的一种，优选的厚度范围为0.5-5纳米。磁自由层50退火前为非晶结构，退火以后转变为体心立方(BCC)晶格结构。

覆盖层60采用Mg、Al中至少一种的氧化物，如MgO、MgAlO，覆盖层60的厚度介于0.2-2纳米。

上述实施例得到了磁性隧道结多层膜，最后将已经形成的磁性隧道结多层膜进行高温退火，温度范围在300-450℃之间，将磁参考层307以及磁自由层50中的非晶态的CoFeB转变为体心立方(BCC)晶格结构。上述实施例中，第一晶种层10不能太厚，第一晶种层10如果太厚会导致磁性太强，且变成面内的，影响磁固定层30的磁化方向；第二晶种层20不能太薄，第二晶种层20如果太薄，会失去其作为应力缓冲层的作用，不能为磁固定层30提供平整基底，但第一晶种层10和第二晶种层20两者没有一定的相对厚度的需求。

本实施例提供的磁性隧道结，利用两层晶种层，在钴铁硼晶种层上沉积一层NiCr晶种层，NiCr扩散进入第一超晶格多层膜(如Co/Pt)，导致晶格失配产生的弹性应力，提供给第一超晶格更强的PMA；更强的PMA通过SAF耦合后，又使磁参考层磁矩方向更垂直、更稳定；稳定的磁参考层能使自由层翻转的也更加稳定，R-H loop均一性更好。

进一步地，本发明另一实施例提供一种磁性隧道结的制造方法，用于制造上述实施例的磁性隧道结，图2展示了制造方法的整个工艺流程，具体包括以下步骤：

在衬底上沉积第一晶种层；

在第一晶种层上沉积第二晶种层；

在第二晶种层上形成合成反铁磁钉扎层，该合成反铁磁钉扎层为复合超晶格多层膜结构；

在合成反铁磁钉扎层上形成磁间隔层；

在磁间隔层上形成磁参考层；

在磁参考层上形成势垒层；

在势垒层上形成磁自由层；

在磁自由层上形成覆盖层，至此形成磁性隧道结多层膜；

在磁性隧道结多层膜形成后进行退火，退火温度为300-450℃，退火时间为0.2-2小时。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。