阅读说明：本技术 垂直磁化的mtj器件 (Perpendicular magnetized MTJ device ) 是由 何世坤 宫俊录 于 2018-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种垂直磁化的MTJ器件,包括：依次叠置的热稳定增强层、自由层、隧道层以及固定层,其中,所述自由层的厚度与MTJ器件直径的比值为0.75～2；所述热稳定增强层具有相变特性,当温度低于相变温度时,所述热稳定增强层为反铁磁相,当温度高于相变温度时,所述热稳定增强层为铁磁相。本发明能够降低基于超小直径MTJ器件的STT-MRAM的写入电流。(The invention provides a perpendicular magnetization MTJ device, comprising: the MTJ device comprises a thermal stability enhancement layer, a free layer, a tunnel layer and a fixed layer which are sequentially stacked, wherein the ratio of the thickness of the free layer to the diameter of the MTJ device is 0.75-2; the thermal stability enhancement layer has a phase change characteristic, and is an anti-ferromagnetic phase when the temperature is lower than the phase change temperature, and is a ferromagnetic phase when the temperature is higher than the phase change temperature. The invention can reduce the write current of STT-MRAM based on the ultra-small diameter MTJ device.)

垂直磁化的MTJ器件

技术领域

本发明涉及磁存储器技术领域，尤其涉及一种垂直磁化的MTJ器件。

背景技术

垂直磁化的磁隧道结MTJ具有写能量低和可微缩性的优点，已被证实为开发MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁存储器)最合适的磁化构型。最新研究发现，自由层厚度大于MTJ半径可以用于垂直磁化MTJ，该技术利用自由层的形状各向异性诱导自由层磁化方向垂直于膜面，从而获得垂直磁化的MTJ器件。这种类型的MTJ器件具有超小直径，直径可以降低至10nm或者更小尺寸。为了得到这种超小直径MTJ器件，需要加大传统MTJ结构自由层厚度。另一方面，基于MTJ的STT-MRAM在封装时需要短暂的高温处理，温度高于250℃，这一过程对应的热扰动较大。为了避免数据丢失，也需要加大传统MTJ结构自由层厚度。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：

由于超小直径MTJ增加了自由层厚度，基于这种超小直径MTJ的STT-MRAM写电流及写电压进一步加大，使得功耗增加，进而容易造成MTJ击穿，可擦写次数降低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种垂直磁化的MTJ器件，能够降低基于超小直径MTJ器件的STT-MRAM的写入电流。

本发明提供一种垂直磁化的MTJ器件，包括：依次叠置的热稳定增强层、自由层、隧道层以及固定层，其中，

所述自由层的厚度与MTJ器件直径的比值为0.75～2；

所述热稳定增强层具有相变特性，当温度低于相变温度时，所述热稳定增强层为反铁磁相，当温度高于相变温度时，所述热稳定增强层为铁磁相。

可选地，所述热稳定增强层的相变温度为50～250℃。

可选地，所述热稳定增强层的厚度与所述MTJ器件直径的比值为0.5～1.3。

可选地，所述热稳定增强层的材料为FeRh，其中，Fe原子和Rh原子各占原子总数的50％。

可选地，所述热稳定增强层的材料为FeRhX，X为Ir、Pt、V、Mn、Au、Co、Ni中的任意一种或者任意多种的组合，其中，Rh原子所占的原子总数百分比为40％～60％，X所占的原子总数百分比为0～15％。

可选地，所述自由层的材料为Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任意一种。

可选地，所述隧道层的材料为MgO、HfO₂、MgAlO和AlO_x(其中x为1.2～1.7)中的任意一种，所述隧道层厚度为0.4～1.2nm。

可选地，所述固定层包括参考磁性层和合成反铁磁钉扎层，其中，所述参考磁性层的材料为Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任意一种，所述合成反铁磁钉扎层采用Co/Pt多层膜结构或者Co/Pd多层膜结构，所述Co/Pt多层膜结构或者Co/Pd多层膜结构还包括一层耦合层，所述耦合层位于多层膜结构的中间层，所述耦合层的材料为Ru、Ir或者Cr。

可选地，还包括：连接层，所述连接层位于所述自由层和所述热稳定增强层之间，用于增加自由层磁矩与热稳定增强层磁矩的层间交换耦合。

可选地，所述连接层的材料为Cu、Cr、V、Ag、Au、Mo、Ir、Ru、Pd、W、Ta和Nd中的任意一种或者任意多种的组合，所述连接层厚度小于0.8nm。

本发明提供的垂直磁化的MTJ器件，自由层表面叠加一层具有相变特性的热稳定增强层，当温度低于相变温度时，热稳定增强层为反铁磁相，以使自由层受到水平偏置场作用，使得部分磁矩偏离垂直磁化方向，当温度高于相变温度时，热稳定增强层为铁磁相，与自由层形成铁磁耦合，以增加自由层的有效厚度。与现有技术相比，降低了低温下STT-MRAM的写入电流，进而降低了对选择管的供电能力需求，可降低选择管的尺寸，同时增强了MTJ器件在高温下的热稳定性，保证了存储信息的非易失性和降低了高温下的读扰动。另外，室温下初始的自旋转移矩STT较大，也加快了自由层的磁化翻转速度。

附图说明

图1为本发明的垂直磁化的MTJ器件的一个实施例的结构示意图；

图2a为图1所示MTJ器件当温度低于热稳定增强层的相变温度时的磁化状态示意图；

图2b为图1所示MTJ器件当温度高于热稳定增强层的相变温度时的磁化状态示意图；

图3为本发明的垂直磁化的MTJ器件与现有MTJ器件的约化后的能量势垒高度Δ随温度变化关系的对比效果图；

图4为本发明的垂直磁化的MTJ器件的另一个实施例的结构示意图。

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。

本发明实施例提供一种垂直磁化的MTJ器件，具有超小直径，MTJ器件直径D为5～30nm，如图1所示，包括：从上到下依次叠置的热稳定增强层、自由层、隧道层以及固定层，各层直径相同，MTJ器件直径D就等于各层直径，其中，自由层的厚度t₁大于或者接近MTJ器件直径D，一般取自由层的厚度t₁与MTJ器件直径D的比值为0.75～2，利用自由层的形状各向异性诱导自由层磁化方向垂直于膜面；热稳定增强层的厚度t₂与MTJ器件直径D的比值为0.5～1.3，同时热稳定增强层具有相变特性，当温度低于相变温度时，热稳定增强层为反铁磁相，以使自由层磁矩发生偏转，当温度高于相变温度时，热稳定增强层为铁磁相，以增加自由层的有效厚度。

本发明实施例的垂直磁化的MTJ器件就是利用热稳定增强层的相变特性来降低基于超小直径MTJ器件的STT-MRAM的写入电流。下面进行详细说明：

热稳定增强层的相变温度记为T₀，T₀为50～250℃，当温度低于相变温度T₀时，如图2a所示，热稳定增强层为反铁磁相，热稳定增强层磁矩呈面内反铁磁排布，从而自由层与热稳定增强层界面处会发生交换偏置效应，在交换偏置磁场的作用下，界面处的自由层磁矩会偏离垂直磁化方向，进而驱动远离界面处的自由层磁矩发生小角度偏转，因此初始的自旋转移矩STT增大，翻转电流降低，即降低了STT-MRAM的写入电流；当温度超过相变温度T₀时，如图2b所示，热稳定增强层为铁磁相，热稳定增强层磁矩呈铁磁排布，因为热稳定增强层磁矩与自由层磁矩在界面处存在交换耦合，导致热稳定增强层磁矩会垂直于膜面排布，此时热稳定增强层与自由层的整体可视为一个新的自由层，相当于增大了自由层的有效厚度，而MTJ器件的热稳定性与自由层厚度成正比，因此高温下该MTJ器件的热稳定性增强。

补充说明的是，作为非易失性存储器，MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁存储器)的一个核心指标是数据保持时间，其取决于磁隧道结MTJ中两态之间的势垒高度。依据相关理论，单个位(bit)的数据保持时间可以表达为：

τ＝τ₀expΔ＝τ₀exp(E/k_BT)

其中，τ₀为特征时间，E为能量势垒高度，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度，Δ为约化后的能量势垒高度。

可见，随着温度升高，约化后的能量势垒高度Δ会降低，热稳定性降低，因此数据保持时间是按照芯片工作的最高环境温度来定义的，保证MTJ器件在高温下的热稳定性也是十分必要的。

对比本发明的垂直磁化的MTJ器件与现有MTJ器件，约化后的能量势垒高度Δ随温度变化关系的对比效果图如图3所示，图3中以260℃时对应Δ最低要求60为例，为了达到此项指标，现有MTJ器件需要在0℃时具备Δ>122；本发明的MTJ器件，如果选取热稳定增强层厚度为自由层0.75倍，Ms(饱和磁化强度)与自由层一致，热稳定增强层相变温度100℃，由于在该相变温度存在热稳定因子突然增大，本发明对应的0℃热稳定因子可优化为Δ＝83。由于在两种结构中0℃下的热稳定因子全部由自由层提供，本发明需要的自由层厚度仅为现有MTJ器件自由层厚度的2/3左右。写电流大小大致正比于自由层厚度，且本发明还可以使得自由层磁矩发生小角度偏转，因此两个因素共同作用下可以大幅降低写电流。

通过上述分析可知，本发明实施例的垂直磁化的MTJ器件在热稳定增强层作用下，降低了低温下STT-MRAM的写入电流，进而降低了对选择管的供电能力需求，可降低选择管的尺寸，同时增强了MTJ器件在高温下的热稳定性，保证了存储信息的非易失性和降低了高温下的读扰动。另外，室温下初始的自旋转移矩STT较大，也加快了自由层的磁化翻转速度。本发明实施例的垂直磁化的MTJ器件具有很大的应用优势。

进一步地，对垂直磁化的MTJ器件各层的材料和厚度作详细介绍。

热稳定增强层的材料可以选择FeRh，其中，Fe原子和Rh原子各占原子总数的50％，也可以选择FeRhX，X为Ir、Pt、V、Mn、Au、Co、Ni中的任意一种或者任意多种的组合，其中，Rh原子所占的原子总数百分比为40％～60％，X所占的原子总数百分比为0～15％。

自由层的材料为Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任意一种，可选地，自由层中有1个或多个***层，***层材料为非磁性金属，如Mo,Ru,Ta,Pt,W中的一种。

隧道层作为绝缘层，材料从MgO、HfO₂、MgAlO和AlO_x(其中x为1.2～1.7)中选择任意一种，其厚度为0.4～1.2nm。

固定层包括参考磁性层和合成反铁磁钉扎层，其中，参考磁性层的材料为Co、Fe、Ni、CoB、FeB、NiB、CoFe、NiFe、CoNi和CoFeB中的任意一种，合成反铁磁钉扎层采用Co/Pt多层膜结构或者Co/Pd多层膜结构，Co/Pt多层膜结构或者Co/Pd多层膜结构还包括一层耦合层，耦合层位于多层膜结构的中间层，耦合层的材料为Ru、Ir或者Cr。

为了更加清楚直观，列举本发明的垂直磁化的MTJ器件的两个具体结构示例，说明各层的材料和厚度。

示例一：

垂直磁化的MTJ器件，从上到下依次为热稳定增强层、自由层、隧道层以及固定层，MTJ器件直径D为10nm，热稳定增强层的材料为Fe_0.5Rh_0.5，Fe原子和Rh原子各占原子总数的50％，其厚度为9nm；自由层的材料为FeB，其厚度为14nm；隧道层的材料为HfO₂，其厚度为0.6nm；固定层包括参考磁性层和合成反铁磁钉扎层，其中，参考磁性层的材料为CoFe，其厚度为2nm，合成反铁磁钉扎层的结构为[Pd(0.6)/Co(0.4)]₈/Ir(0.4)/[Co(0.4)/Pd(0.6)]₄多层膜结构，小括号内数值表示相应薄膜厚度，单位为nm，中括号外数值，如8,4，表示该结构重复的次数，即Pd(0.6)/Co(0.4)结构重复8次，再铺一层Ir(0.4)，接着Co(0.4)/Pd(0.6)结构重复4次，其中Ir(0.4)为耦合层。

示例二：

垂直磁化的MTJ器件，从上到下依次为热稳定增强层、自由层、隧道层以及固定层，MTJ器件直径D为12nm，热稳定增强层的材料为Fe_0.5Rh_0.45Pt_0.05，Fe原子占原子总数的50％，Rh原子占原子总数的45％，Pt原子占原子总数的5％，其厚度为10nm；自由层的材料为CoFeB，其厚度为16nm；隧道层的材料为MgO，其厚度为0.8nm；固定层包括参考磁性层和合成反铁磁钉扎层，其中，参考磁性层的材料为CoFeB，其厚度为2nm，合成反铁磁钉扎层的结构为[Pt(0.4)/Co(0.4)]₄/Ru(0.4)/[Co(0.4)/Pt(0.4)]₂多层膜结构，小括号内数值表示相应薄膜厚度，单位为nm，中括号外数值，如4,2，表示该结构重复的次数，即Pt(0.4)/Co(0.4)结构重复4次，再铺一层Ru(0.4)，接着Co(0.4)/Pt(0.4)结构重复2次，其中Ru(0.4)为耦合层。

可选地，在图1所示垂直磁化的MTJ器件结构示意图的基础上，如图4所示，MTJ器件还包括：连接层，连接层设置在热稳定增强层和自由层之间，通过连接层，可以保证自由层磁矩与热稳定增强层磁矩发生较强的层间交换耦合。连接层的材料可以为Cu、Cr、V、Ag、Au、Mo、Ir、Ru、Pd、W、Ta和Nd中的任意一种或者任意多种的组合，其厚度小于0.8nm。

另外需要说明的是，上述实施例中的MTJ器件的材料堆叠方式采用从上到下依次为热稳定增强层、自由层、隧道层和固定层的堆叠方式，但是实际应用时，根据设计需要，MTJ器件的材料堆叠方式还可以反转过来，即采用从下到上依次为热稳定增强层、自由层、隧道层和固定层的堆叠方式，这种结构也可以取得同样的技术效果，在此不再赘述。

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。