一種磁隧道結(jié)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種磁隧道結(jié)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)材料尺度和傳導(dǎo)電子的物理特征長度相當(dāng)時，出現(xiàn)一系列特殊性能的磁性材 料，如巨磁阻材料、磁性半導(dǎo)體材料等。1988年人們在磁性金屬多層膜中發(fā)現(xiàn)磁場下其電阻 變化達(dá)50%，故稱為巨磁阻效應(yīng)（GiantMagnetoResistance,GMR)?；诖诵?yīng)，20世紀(jì) 90年代發(fā)展了應(yīng)用材料一GMR自旋閥。受GMR的鼓舞，1995年人們在磁性隧道結(jié)中實現(xiàn)室 溫下巨大的隧穿磁電阻效應(yīng)（TunnelMagnetoResistance,TMR)。磁隧道結(jié)的基本結(jié)構(gòu)為 由自由層、隧穿層和參照層組成的三明治結(jié)構(gòu)。其中自由層和參照層為磁性材料，參照層的 磁化方向是固定的，而自由層的磁化方向可以改變。磁隧道結(jié)中的隧穿磁電阻效應(yīng)使得可 以通過改變器件單元的自由層相對于參照層的磁化方向在單元中產(chǎn)生高、低兩個阻態(tài)。器 件在自由層與參照層的磁化方向相同時為低阻態(tài)，而在磁化方向相反時為高阻態(tài)?；谶@ 樣一種隧穿磁電阻效應(yīng)，磁隧道結(jié)在微電子器件與芯片中具有廣泛的應(yīng)用，能用于傳感器、 高性能存儲與邏輯計算等領(lǐng)域。
[0003] 然而，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢使器件尺寸不斷小型化，進(jìn)而對器件性能提出了更 大的挑戰(zhàn)。由于垂直磁各向異性的隧道結(jié)相比面內(nèi)磁各向異性的隧道結(jié)具有更小的尺寸和 更低的功耗，因而垂直磁各向異性的隧道結(jié)更能適應(yīng)器件尺寸小型化的需求。但是在小尺 寸下熱擾動對磁性材料的影響十分突出，對于垂直磁各向異性磁隧道結(jié)而言就會表現(xiàn)在自 由層和參照層磁化方向的穩(wěn)定性會隨尺寸的減小而降低。倘若無法克服熱擾動的影響，磁 隧道結(jié)器件將無法保持其電阻狀態(tài)而失效。為了滿足應(yīng)用要求，垂直磁各向異性磁隧道結(jié) ?ζ y 中自由層和參照層的熱穩(wěn)定因子A需要滿足：Δ= & > 40，其中，Ku為磁各向異性能，v V 為磁隧道結(jié)自由層與參照層體積，kB為波爾茲曼常數(shù)，Τ為開氏溫度。然而，器件小尺寸化 的增加導(dǎo)致單元體積V減小，使得目前已有材料的磁各向異性能大小無法滿足熱穩(wěn)定性需 求，導(dǎo)致器件小尺寸化中需要使用到具有高垂直磁各向異性（PMA)的材料體系（KfKferg/ cm3)。目前高垂直磁各向異性的材料體系有：非晶稀土 /過渡金屬合金、L10 (Co,Fe)Pt合 金（Ku>107erg/cm3)、Co/(Pd，Pt)多層膜體系（Ku~106erg/cm3)、CoFeB-MgO體系（Ku略小 于106erg/cm3)等。但這些材料體系都很難兼具高熱穩(wěn)定性、高性能、并與C0MS的兼容性 好。其中，非晶稀土 /過渡金屬合金自旋極化率低，阻尼系數(shù)大，方形比不好，不適用于磁隧 道結(jié)；L10(Co，F(xiàn)e)Pt合金的退火溫度高，時間長（其典型的退火處理為600°C/h)，與CMOS 工藝的兼容性差（典型的與CMOS工藝兼容的退火處理工藝為低溫快速退火處理，退火溫度 越低、時間越短，能更有效地防止CMOS器件性能退化）；CcV(Pd，Pt)多層膜體系與當(dāng)今成熟 的CoFe/MgO-MTJ的立方晶格體系不匹配，導(dǎo)致器件信噪比降低；CoFeB-MgO體系制備條件 苛刻（膜厚精確到〇. 2nm)，磁各向異性較低。
[0004] 因此，有必要提供一種能兼顧小尺寸器件、高熱穩(wěn)定性及與現(xiàn)有CMOS工藝兼容性 好的新型磁隧道結(jié)單元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種磁隧道結(jié)，具有垂直磁 各向異性，能兼顧器件的小尺寸化、高熱穩(wěn)定性及與CMOS工藝的兼容性，由此解決現(xiàn)有技 術(shù)中磁隧道結(jié)器件不能同時兼顧小器件尺寸、熱穩(wěn)定性及與CMOS工藝的兼容性的技術(shù)問 題，因而能廣泛應(yīng)用于傳感器、存儲裝置和邏輯計算裝置中。本發(fā)明還提供了該磁隧道結(jié)的 制備方法。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種磁隧道結(jié)，包括第一電極 層，以及依次形成在所述第一電極層上的第一磁性層、絕緣隧穿層、第二磁性層和第二電極 層；所述第一磁性層和所述第二磁性層至少其中之一為CoFe(R)/FePt結(jié)構(gòu)；所述CoFe(R)/ FePt結(jié)構(gòu)由CoFe(R)層和FePt層疊加而成，CoFe(R)層較FePt層靠近所述絕緣隧穿層；所 述CoFe(R)層的材料為摻入R的CoFe，R為B、A1和Ni至少其中之一。
[0007] 優(yōu)選地，所述CoFe(R)層的厚度為1~5nm，所述FePt層的厚度為1~6nm。
[0008] 優(yōu)選地，上述磁隧道結(jié)還包括形成于所述第一電極層和所述第一磁性層之間的種 子層和/或形成于所述第二電極層和所述第二磁性層之間的覆蓋層。
[0009] 優(yōu)選地，上述磁隧道結(jié)還包括形成于所述第一電極層和所述第一磁性層之間的第 三磁性層。
[0010] 優(yōu)選地，上述磁隧道結(jié)還包括形成于所述第二電極層和所述第二磁性層之間的第 四磁性層。
[0011] 優(yōu)選地，上述磁隧道結(jié)還包括形成于所述第一電極層和所述第一磁性層之間的反 鐵磁層。
[0012] 優(yōu)選地，上述磁隧道結(jié)還包括形成于所述第一磁性層和所述絕緣隧穿層之間的鐵 磁耦合層，所述鐵磁耦合層由第五磁性層和金屬層疊加而成，所述第五磁性層較所述金屬 層靠近所述絕緣隧穿層，所述第一磁性層與所述第五磁性層通過所述金屬層形成反鐵磁耦 合結(jié)構(gòu)。
[0013] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種上述磁隧道結(jié)的制備方法，在完成包括第一 電極層、第一磁性層、絕緣隧穿層、第二磁性層和第二電極層在內(nèi)的結(jié)構(gòu)單元的制備后，在 300~500°C下退火處理5~10min，得到磁隧道結(jié)。
[0014] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：采用基于CoFe(R)/FePt的垂直磁化結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的垂直磁化結(jié)構(gòu)不同，CoFe(R)/FePt 垂直磁化結(jié)構(gòu)的垂直磁化起源于CoFe(R)膜和FePt膜界面的磁各向異性，具有高垂直磁各 向異性，磁隧道結(jié)能兼顧器件的小尺寸化與高熱穩(wěn)定性，此外，磁隧道結(jié)的退火溫度低，退 火時間顯著縮短，能很好地與CMOS工藝兼容。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明一個實施例的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是CoFe(R)/FePt結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0017] 圖3是本發(fā)明又一個實施例的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖4是本發(fā)明又一個實施例的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖5是本發(fā)明又一個實施例的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖6是本發(fā)明又一個實施例的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖7是本發(fā)明實施例及比較例制得的CoFe(R) /FePt結(jié)構(gòu)的磁滯回線；
[0022] 圖8是本發(fā)明實施例制得的CoFe(R)/FePt結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩曲線。
[0023] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：10_第二電極 層，11-第一電極層，20-第二磁性層，21-第五磁性層，30-絕緣隧穿層，40-第一磁性層， 41-CoFe(R)層，42-FePt層，50-金屬層，51-鐵磁耦合層，60-覆蓋層，61-種子層，70-基片， 80-反鐵磁層。
【具體實施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0025] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的磁隧道結(jié)包括：第一電極層11，以及依次形成在第一 電極層11上的第一磁性層40、絕緣隧穿層30、第二磁性層20和第二電極層10 ;第一磁性 層40和第二磁性層20至少其中之一為CoFe(R) /FePt結(jié)構(gòu)。具體地，絕緣隧穿層30的材 料為氧化鎂、氧化鋁