磁性隧道结单元及其制备方法、磁性隧道结器件和磁性随机存取存储器与流程

1.本技术涉及半导体器件领域，尤指一种具有多层合成反铁磁亚层的磁性隧道结单元及其制备方法、磁性隧道结器件和磁性随机存取存储器。


背景技术：

2.磁性随机存取存储器(magnetic random access memory，mram)是以磁电阻性质来存储数据的随机存储器。mram的核心存储器件是磁性隧道结(magnetic tunnel junction，mtj)。
3.磁性隧道结(mtj)一般为三明治结构。图1为目前的磁性隧道结的结构示意图。如图1所示，目前的磁性隧道结包括：自由层(free layer，fl)70，参考层(reference layer，rl)50以及夹在之间的隧穿势垒层(tunnel barrier layer，tbl)60；为了实现参考层rl的有效钉扎，一般会在参考层rl的下方设置合成反铁磁(synthetic antiferromagnetic，syaf)层30。在传统结构中，syaf层可以由第一合成反铁磁亚层310和第二合成反铁磁亚层330构成，第一合成反铁磁亚层310和第二合成反铁磁亚层330通过rkky(ruderman-kittel-kasuya-yosida)反铁磁耦合效应实现参考层rl的有效钉扎。
4.当mtj的尺寸越来越小时(比如：缩小到sub-45nm)，在对mram进行写操作时，回跳(back-hopping)现象将会越来越严重，如图2所示。在这种情况下，写“0”或“1”都不会成功；而且，回跳现象将会伴随着写脉冲的变短而变得越来越明显，非常不利于mram作为高速缓存使用。
5.为了减少在写操作时的回跳，可以采用ru或ir rkky第一震荡峰作为第一合成反铁磁亚层与第二合成反铁磁亚层的耦合层，其中，ru或ir的厚度为0.35nm-0.50nm。超薄的ru或ir层为超晶格syaf层的制作提出了严格的挑战：在大多数情况下，如图3所示，由于原子层间扩散现象的存在，在高温退火后，ru rkky第一震荡峰已经消失殆尽，在这种情况下，第一合成反铁磁亚层和第二合成反铁磁亚层将会去耦合。去耦合现象同样适合于ir rkky第一震荡峰。故而，采用ru或ir第一震荡峰来增强rl的稳定性，将会对mtj的沉积工艺带来非常大的挑战，而且，也不利于工艺窗口的增加。
6.图4(a)为在自由层上产生漏磁场(h
stray
)的原理示意图；图4(b)为翻转电流密度与临界翻转电流密度的比值(jc/j
c0
)随脉冲宽度的变化曲线。如图4(a)所示，参考层rl和合成反铁磁syaf层的双层结构会产生一个漏磁场(h
stray
)，当h
stray
的磁化方向与自由层fl的磁矩平行时，自由层fl的热稳定(δ)会增加，进一步地，数据保留时间(τ)也会增加；反之，当h
stray
的磁化方向与自由层fl的磁矩反向平行时，自由层fl的热稳定(δ)会降低，进一步地，数据保留时间(τ)也会降低。涉及的公式如下：
7.[0008][0009][0010]
其中，τ为数据保留时间；τ0为尝试时间(attempt time)或特征弛豫时间(characteristic relaxation time)，其中，当脉冲时间较长的时候，一般取τ0的1ns；h
stray
为漏磁场；hk为自由层的磁各向异性场；α为自由层阻尼系数；e为电荷；μ0为真空磁导率；η为电荷自旋转化效率；为约化普朗克常数；ms为自由层的饱和磁化率。
[0011]
更进一步地，根据脉冲宽度的不同，如图4(b)所示，对于磁性隧道结自由层的翻转行为可以分为三个区间，即：“热辅助翻转”(thermal assisted switching)模式，“进动翻转”(precessional switching)模式和介于之间的“动态翻转”(dynamic switching)模式，一般认为当脉冲宽度大于10ns时为“热辅助”翻转模式，当脉冲宽度大于1ns小于10ns时为“动态翻转”模式，当脉冲宽度小于1ns时为“进动翻转”模式；当脉冲时间接近或小于尝试时间的时候，需要添加较大的“过驱动”电流，才能使自由的磁矩发生翻转，故而，维持漏磁的平衡对低脉冲宽度的写入过程非常有帮助。
[0012]
j＝jc/j
c0-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0013]
其中，jc为翻转电流密度；j
c0
为临界翻转电流密度；j为“过驱动”(over drive)因子。
[0014]
总之，只要漏磁场存在，都会使状态“1”或“0”的热稳定性降低，非常不利于mtj器件的开发。另外，漏磁场的存在也会对翻转电流造成不良影响。随着mtj器件的缩微化，怎样减小h
stray
变的越来越重要，传统的包含双合成反铁磁亚层的(double syaf sub-layers)的结构，由于工艺窗口的问题非常不利于h
stray
的减低。


技术实现要素：

[0015]
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本技术的保护范围。
[0016]
本技术提供了一种磁性隧道结单元及其制备方法以及包括该磁性隧道结单元的磁性隧道结器件和磁性随机存取存储器，该磁性隧道结单元不但可以解决磁性随机存取存储器在写过程中的回跳(back-hopping)问题，还可以避免参考层和合成反铁磁层产生的漏磁场对自由层的影响。
[0017]
本技术提供了一种磁性隧道结器件的磁性隧道结单元，所述磁性隧道结单元包括依次层叠设置的自由层、隧穿势垒层、参考层和合成反铁磁层，所述合成反铁磁层包括至少三层合成反铁磁亚层，相邻两个合成反铁磁亚层的磁化矢量相反，并且相邻两个合成反铁磁亚层通过钌反铁磁耦合层耦合在一起，所述钌反铁磁耦合层的厚度为0.75nm-0.89nm，对应rkky第二震荡峰。
[0018]
在本技术的实施例中，沿着远离所述参考层的方向，所述合成反铁磁层依次包括第一合成反铁磁亚层、第二合成反铁磁亚层、
……
第n合成反铁磁亚层，n为整数并且3≤n≤10。
[0019]
在本技术的实施例中，所述合成反铁磁亚层可以为由具有单一磁化矢量的铁磁材料形成并且包含co的层。
[0020]
在本技术的实施例中，第一合成反铁磁亚层的材料可以为co[pt/co]a、co[pd/co]a、co[ni/co]a、cofe[pt/cofe]a、cofe[pd/cofe]a或cofe[ni/cofe]a，其中，0≤a≤3。
[0021]
在本技术的实施例中，所述第二合成反铁磁亚层到第n合成反铁磁亚层的材料可以各自独立地为co[pt/co]b、co[pd/co]b、co[ni/co]b、cofe[pt/cofe]b、cofe[pd/cofe]b或cofe[ni/cofe]b，其中，1≤b≤4。
[0022]
在本技术的实施例中，在所述第一合成反铁磁亚层中，co、cofe、pt、pd或ni的厚度可以为0.15nm-0.80nm。
[0023]
在本技术的实施例中，在同一个第一合成反铁磁亚层中，co、cofe、pt、pd或ni的厚度可以是相同的或不同的。
[0024]
在本技术的实施例中，在所述第二合成反铁磁亚层或所述第n合成反铁磁亚层中，co、cofe、pt、pd或ni的厚度可以为0.15nm-0.80nm。
[0025]
在本技术的实施例中，在同一个第二合成反铁磁亚层或在同一个第n合成反铁磁亚层中，co、cofe、pt、pd或ni的厚度可以是相同的或不同的。
[0026]
在本技术的实施例中，所述磁性隧道结单元的结构可以为以下任意一种：
[0027]
(1)co[pt/co]
b2
/ru/co[pt/co]
b1
/ru/co[pt/co]
a1
；
[0028]
(2)co[pt/co]
b5
/ru/co[pt/co]
b4
/ru/co[pt/co]
b3
/ru/co[pt/co]
a2
；
[0029]
(3)co[pt/co]
b9
/ru/co[pt/co]
b8
/ru/co[pt/co]
b7
/ru/co[pt/co]
b6
/ru/co[pt/co]
a3
；
[0030]
其中，在每一个磁性隧道结单元中，从右到左依次为第一合成反铁磁亚层、第一钌反铁磁耦合层、第二合成反铁磁亚层、第二钌反铁磁耦合层、
……
第n合成反铁磁亚层，a1至a3各自独立地为0-3，b1至b9各自独立地为1-4。
[0031]
在本技术的实施例中，所述合成反铁磁亚层可以具有fcc(111)超晶格结构、bcc结构或hcp结构。
[0032]
在本技术的实施例中，所述磁性隧道结单元还可以包括种子层，所述种子层设置在所述合成反铁磁层远离所述参考层的一侧。
[0033]
在本技术的实施例中，所述种子层的材料可以选自铂、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钌、钨、氮化钨、钯、铬、氧、氮、硼化钴、硼化铁、镍铬合金和钴铁硼中的任意一种或多种。
[0034]
在本技术的实施例中，所述磁性隧道结单元还可以包括铁磁耦合层，所述铁磁耦合层设置在所述参考层与所述合成反铁磁层之间。
[0035]
在本技术的实施例中，所述铁磁耦合层的材料可以选自钨、钼和钽中的任意一种或多种。
[0036]
本技术还提供了一种磁性隧道结器件，包括：底电极、顶电极和设置在所述底电极与所述顶电极之间的磁性隧道结单元，所述磁性隧道结单元为如上所述的磁性隧道结单元。
[0037]
本技术还提供了一种磁性随机存取存储器，包括如上所述的磁性隧道结器件。
[0038]
本技术还提供了如上所述的磁性隧道结单元的制备方法，包括：采用溅射沉积工艺形成所述磁性隧道结单元的各个层；沉积完之后，采用高温退火工艺，使所述参考层和所
述自由层由非晶态转化为晶态结构。
[0039]
本技术采用具有至少三层合成反铁磁亚层的磁性隧道结结构，并且采用具有rkky第二震荡峰的钌反铁磁耦合层将相邻两个合成反铁磁亚层耦合在一起，可以有效的避免mram在写过程中的回跳(back-hopping)现象，减小参考层和合成反铁磁层产生的漏磁场对自由层的影响，该结构的磁性隧道结单元非常适合超小型磁性隧道结阵列。
[0040]
本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
[0041]
附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
[0042]
图1为目前的磁性隧道结的结构示意图；
[0043]
图2为磁性隧道结出现回跳现象的示意图；
[0044]
图3为ru在沉积过程中形成rkky第一震荡峰/第二震荡峰和在高温退火后rkky第一震荡峰消失的原理示意图；
[0045]
图4(a)为在自由层上产生漏磁场(h
stray
)的原理示意图；
[0046]
图4(b)为翻转电流密度与临界翻转电流密度的比值(jc/j
c0
)随脉冲宽度的变化曲线；
[0047]
图5为本技术实施例的磁性隧道结单元的结构示意图；
[0048]
图6为本技术示例性实施例的磁性隧道结器件的结构示意图；
[0049]
图7为本技术示例性实施例的磁性隧道结器件的磁场和磁矩的调整示意图。
[0050]
附图中的标记符号的含义为：
[0051]
10-底电极；20-种子层；30-合成反铁磁层；310-第一合成反铁磁亚层；320-第一钌反铁磁耦合层；330-第二合成反铁磁亚层；340-第二钌反铁磁耦合层；350-第三合成反铁磁亚层；360-第三钌反铁磁耦合层；370-第四合成反铁磁亚层；m-第n合成反铁磁亚层；40-铁磁耦合层；50-参考层；60-隧穿势垒层；70-自由层；80-覆盖层；90-顶电级。
具体实施方式
[0052]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本技术的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
[0053]
本技术实施例提供一种磁性隧道结器件的磁性隧道结单元。图5为本技术实施例的磁性隧道结单元的结构示意图。如图5所示，所述磁性隧道结单元包括自由层70、隧穿势垒层60、参考层50和合成反铁磁层30；所述隧穿势垒层60设置在所述自由层70的一侧，所述参考层50设置在所述隧穿势垒层60远离所述自由层70的一侧，所述合成反铁磁层30设置在所述参考层50远离所述自由层70的一侧；所述合成反铁磁层30包括至少三层合成反铁磁亚层，分别为第一合成反铁磁亚层310、第二合成反铁磁亚层330、第n合成反铁磁亚层m，相邻两个合成反铁磁亚层的磁化矢量相反，并且相邻两个合成反铁磁亚层通过钌反铁磁耦合层
耦合在一起(例如，第一合成反铁磁亚层310与第二合成反铁磁亚层330通过第一钌反铁磁耦合层320耦合在一起，以此类推)，所述钌反铁磁耦合层的厚度为0.75nm-0.89nm，对应rkky第二震荡峰。
[0054]
本技术采用具有至少三层合成反铁磁亚层的磁性隧道结结构，并且采用具有rkky第二震荡峰的钌反铁磁耦合层将相邻两个合成反铁磁亚层耦合在一起，可以避免mram在写过程中的回跳(back-hopping)现象，减小参考层和合成反铁磁层产生的漏磁场对自由层的影响，该结构的磁性隧道结单元非常适合超小型磁性隧道结阵列。
[0055]
在本技术的实施例中，所述钌反铁磁耦合层的厚度可以为0.75nm、0.77nm、0.79nm、0.81nm、0.83nm、0.85nm、0.87nm、0.89nm。
[0056]
在本技术的实施例中，沿着远离所述参考层的方向，所述合成反铁磁层依次包括第一合成反铁磁亚层、第二合成反铁磁亚层、
……
第n合成反铁磁亚层，n为整数并且3≤n≤10。
[0057]
在本技术的实施例中，所述合成反铁磁亚层可以为由具有单一磁化矢量的铁磁材料形成并且包含co的层。
[0058]
在本技术的实施例中，第一合成反铁磁亚层的材料可以为co[pt/co]a、co[pd/co]a、co[ni/co]a、cofe[pt/cofe]a、cofe[pd/cofe]a或cofe[ni/cofe]a，其中，0≤a≤3，例如，a可以为0、1、2、3。
[0059]
在本技术的实施例中，在第一合成反铁磁亚层中，co、cofe、pt、pd或ni的厚度可以为0.15nm-0.80nm，例如，可以为0.15nm、0.20nm、0.25nm、0.30nm、0.35nm、0.40nm、0.45nm、0.50nm、0.55nm、0.60nm、0.65nm、0.70nm、0.75nm、0.80nm。
[0060]
在本技术的实施例中，在同一个第一合成反铁磁亚层中，每层co、cofe、pt、pd或ni的厚度可以相同，也可以不相同。
[0061]
在本技术的实施例中，第二合成反铁磁亚层到第n合成反铁磁亚层的材料可以各自独立地为co[pt/co]b、co[pd/co]b、co[ni/co]b、cofe[pt/cofe]b、cofe[pd/cofe]b或cofe[ni/cofe]b，其中，1≤b≤4，例如，b可以为1、2、3、4。
[0062]
在本技术的实施例中，在第二合成反铁磁亚层或第n合成反铁磁亚层中，co、cof、pt、pd或ni的厚度可以为0.15nm-0.80nm，例如，可以为0.15nm、0.20nm、0.25nm、0.30nm、0.35nm、0.40nm、0.45nm、0.50nm、0.55nm、0.60nm、0.65nm、0.70nm、0.75nm、0.80nm。
[0063]
在本技术的实施例中，在同一个第二合成反铁磁亚层或在同一个第n合成反铁磁亚层中，每层co、cofe、pt、pd或ni的厚度可以相同，也可以不相同。
[0064]
在本技术的实施例中，所述磁性隧道结单元的结构可以为以下任意一种：
[0065]
(1)co[pt/co]
b2
/ru/co[pt/co]
b1
/ru/co[pt/co]
a1
；
[0066]
(2)co[pt/co]
b5
/ru/co[pt/co]
b4
/ru/co[pt/co]
b3
/ru/co[pt/co]
a2
；
[0067]
(3)co[pt/co]
b9
/ru/co[pt/co]
b8
/ru/co[pt/co]
b7
/ru/co[pt/co]
b6
/ru/co[pt/co]
a3
；
[0068]
其中，在每一个磁性隧道结单元中，从右到左依次为第一合成反铁磁亚层、第一钌反铁磁耦合层、第二合成反铁磁亚层、第二钌反铁磁耦合层、
……
第n合成反铁磁亚层，a1至a3可以各自独立地为0-3，b1至b9可以各自独立地为1-4。
[0069]
在本技术的实施例中，所述合成反铁磁亚层可以具有fcc(111)超晶格结构、bcc超
晶格结构或hcp超晶格结构等。
[0070]
优选地，所述合成反铁磁亚层具有fcc(111)超晶格结构。
[0071]
在本技术的实施例中，所述磁性隧道结单元还可以包括种子层，所述种子层设置在所述合成反铁磁层远离所述参考层的一侧。种子层的存在有利于采用溅射沉积工艺使所述合成反铁磁亚层生长出fcc(111)的超晶格结构。
[0072]
在本技术的实施例中，所述种子层的材料可以选自铂(pt)、钛(ti)、氮化钛(tin)、钽(ta)、氮化钽(tan)、钌(ru)、钨(w)、氮化钨(w2n)、钯(pd)、铬(cr)、氧(o)、氮(n)、硼化钴(cob)、硼化铁(feb)、镍铬合金(nicr)和钴铁硼(cofeb)中的任意一种或多种，例如，所述种子层的材料可以选自铂(pt)、钯(pd)、钌(ru)、镍铬合金(nicr)和钴铁硼(cofeb)中的任意一种或多种。所述种子层可以包括由上述材料形成的多层结构。
[0073]
在本技术的实施例中，所述种子层的厚度可以为1.0nm-5.0nm，例如，可以为1.0nm、1.5nm、2.0nm、2.5nm、3.0nm、3.5nm、4.0nm、4.5nm、5.0nm。
[0074]
在本技术的实施例中，所述磁性隧道结单元还可以包括铁磁耦合层，所述铁磁耦合层设置在所述参考层与所述合成反铁磁层之间。所述铁磁耦合层可以实现所述参考层与所述合成反铁磁层的铁磁耦合。
[0075]
在本技术的实施例中，所述铁磁耦合层的材料可以选自钨(w)、钼(mo)和钽(ta)中的任意一种或多种。
[0076]
在本技术的实施例中，所述铁磁耦合层的厚度可以为0.15nm-0.7nm，例如，可以为0.15nm、0.2nm、0.25nm、0.3nm、0.35nm、0.4nm、0.45nm、0.5nm、0.55nm、0.6nm、0.65nm、0.7nm。
[0077]
在本技术的实施例中，所述参考层的材料可以选自硼化钴(cob)、硼化铁(feb)、钴铁硼(cofeb)、碳化钴(coc)、钴铁碳(cofec)、铁(fe)和钴铁合金(feco)中的任意一种或多种。
[0078]
在本技术的实施例中，所述参考层的厚度可以为0.7nm-1.4nm，例如，可以为0.7nm、0.8nm、0.9nm、1.0nm、1.1nm、1.2nm、1.3nm、1.4nm。
[0079]
在本技术的实施例中，所述隧穿势垒层的材料可以为非磁性金属氧化物，例如，可以为氧化镁(mgo)、氧化镁锌(mgzno)、氧化镁硼(mgbo)、氧化镁铝(mgalo)。
[0080]
在本技术的实施例中，所述隧穿势垒层的厚度可以为0.8nm-2.0nm，例如，可以为0.8nm、0.9nm、1.0nm、1.1nm、1.2nm、1.3nm、1.4nm、1.5nm、1.6nm、1.7nm、1.8nm、1.9nm、2.0nm。
[0081]
在本技术的实施例中，所述自由层可以为硼化钴(cob)、硼化铁(feb)、钴铁硼(cofeb)的单层结构；还可以为铁化钴(cofe)/钴铁硼(cofeb)、铁(fe)/钴铁硼(cofeb)的双层结构其中之一；还可以为钴铁硼(cofeb)/钽(ta)/钴铁硼(cofeb)、钴铁硼(cofeb)/钨(w)/钴铁硼(cofeb)、钴铁硼(cofeb)/钼(mo)/钴铁硼(cofeb)、钴铁硼(cofeb)/铪(hf)/钴铁硼(cofeb)的三层结构其中之一；还可以为铁化钴(cofe)/钴铁硼(cofeb)/钨(w)/钴铁硼(cofeb)、铁化钴(cofe)/钴铁硼(cofeb)/钼(mo)/钴铁硼(cofeb)、铁化钴(cofe)/钴铁硼(cofeb)/铪(hf)/钴铁硼(cofeb)、铁(fe)/钴铁硼(cofeb)/钨(w)/钴铁硼(cofeb)、铁(fe)/钴铁硼(cofeb)/钼(mo)/钴铁硼(cofeb)、铁(fe)/钴铁硼(cofeb)/铪(hf)/钴铁硼(cofeb)的四层结构其中之一。
[0082]
在本技术的实施例中，所述自由层的厚度可以为1.5nm-2.5nm，例如，可以为1.5nm、1.6nm、1.7nm、1.8nm、1.9nm、2.0nm、2.1nm、2.2nm、2.3nm、2.4nm、2.5nm。
[0083]
本技术实施例还提供一种磁性隧道结器件，所述磁性隧道结器件包括：底电极、顶电极和设置在所述底电极与所述顶电极之间的磁性隧道结单元，所述磁性隧道结单元为如上所述的磁性隧道结单元。
[0084]
在本技术的实施例中，所述底电极的材料可以选自钛(ti)、氮化钛(tin)、钨(w)、氮化钨(wn)、钽(ta)和氮化钽(tan)中的任意一种或多种。
[0085]
在本技术的实施例中，所述底电极的厚度可以为10nm-100nm，例如，可以为10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm。
[0086]
在本技术的实施例中，所述顶电极的材料可以选自钛(ti)、氮化钛(tin)、钨(w)、氮化钨(wn)、钽(ta)和氮化钽(tan)中的任意一种或多种。
[0087]
在本技术的实施例中，所述顶电极的厚度可以为10nm-100nm，例如，可以为10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm。
[0088]
在本技术的实施例中，所述磁性隧道结器件还可以包括覆盖层，所述覆盖层设置在所述顶电极与所述磁性隧道结单元的自由层之间，所述覆盖层可以包括氧化镁(mgo)、钴铁硼(cofeb)、钨(w)、铂(pt)、钌(ru)、钽(ta)、铁(fe)、钴(co)、硼化钴(cob)和硼化铁(feb)中的任意两种或更多种材料形成的多层结构。
[0089]
在本技术的实施例中，述覆盖层的厚度可以为1.0nm-7.0nm，例如，可以为1.0nm、2.0nm、3.0nm、4.0nm、5.0nm、6.0nm、7.0nm。
[0090]
本技术实施例还提供一种磁性随机存取存储器，所述磁性随机存取存储器包括如上所述的磁性隧道结器件。
[0091]
本技术实施例还提供如上所述的磁性隧道结单元的制备方法，所述制备方法包括：采用溅射沉积工艺形成所述磁性隧道结单元的各个层；沉积完之后，采用高温退火工艺，使所述参考层和所述自由层由非晶态转化为晶态结构，以获得完整晶体结构的磁性隧道结，并提高其传输和磁学性能。
[0092]
在本技术的实施例中，在持续的真空条件下形成所述磁性隧道结单元的各个层。
[0093]
在本技术的实施例中，所述高温退火工艺的退火温度可以为350℃-450℃，例如，可以为350℃、375℃、400℃、425℃或450℃；退火时间可以为15min-180min，例如，可以为15min、30min、50min、100min、150min或180min。
[0094]
实施例1
[0095]
图6为本技术示例性实施例的磁性隧道结器件的结构示意图。如图6所示，本实施例的磁性隧道结器件包括：依次层叠设置的底电极10、种子层20、合成反铁磁层30、铁磁耦合层40、参考层50、隧穿势垒层60、自由层70、覆盖层80和顶电级90。
[0096]
其中，所述合成反铁磁层30包括四层反铁磁亚层，相邻两个合成反铁磁亚层的磁化矢量相反，并且相邻两个合成反铁磁亚层通过钌反铁磁耦合层耦合在一起，所述钌反铁磁耦合层的厚度为0.75nm-0.89nm，对应rkky第二震荡峰。
[0097]
具体地，沿着远离所述参考层50的方向(即图6中的由上至下)，所述合成反铁磁层30包括第一合成反铁磁亚层310、第一钌反铁磁耦合层320、第二合成反铁磁亚层330、第二钌反铁磁耦合层340、第三合成反铁磁亚层350、第三钌反铁磁耦合层360和第四合成反铁磁
亚层370的多层结构。
[0098]
所述合成反铁磁层30的具体结构为：co[pt/co]
b5
/ru/co[pt/co]
b4
/ru/co[pt/co]
b3
/ru/co[pt/co]
a2
，其中，0≤a2≤3，1≤b3≤4，1≤b4≤4，1≤b5≤4，即，第一合成反铁磁亚层310为co[pt/co]
a2
，第二合成反铁磁亚层330为co[pt/co]
b3
，第三合成反铁磁亚层350为co[pt/co]
b4
，第四合成反铁磁亚层370为co[pt/co]
b5
；
[0099]
co的厚度为0.30nm-0.80nm，pt的厚度为0.15nm-0.50nm，在同一个合成反铁磁亚层中，co或pt的厚度可以相同也可以不相同。此外，可以通过调整合成反铁磁层30的结构、材料参数，完成对h
ex
和h
stray
的调整，如图7所示，从而避免回跳(back-hopping)现象和降低漏磁场对自由层的影响。
[0100]
涉及的公式如下：
[0101][0102]
其中，h
ex
为交换耦合场(exchange coupling field)；j
ex
为交换耦常数(exchange coupling constant)；mst为合成反铁磁亚层的磁矩。
[0103]
交换耦合场(h
ex
)越大，参考层的钉扎越稳定，在电流脉冲下，发生回跳(back-hopping)的机会越小，甚至可以避免回跳(back-hopping)现象的产生。
[0104]
进一步地，一般认为h
ex
翻转与参考层50和第一合成反铁磁亚层310的关联度比较大，h
ex
越大，参考层越是稳定。如图7所示，最外的翻转磁场一般叫作饱和翻转磁场(h
sat
)，其物理来源比较复杂，在此并不做详细论述。
[0105]
对于整个合成反铁磁层30来说，一般具有fcc(111)的超晶格结构，如果整体膜层厚度太薄的化，非常不利于形成fcc(111)超晶格结构，在这种情况下，相比于具有双层合成反铁磁亚层合成反铁磁层，具有多层合成反铁磁亚层的合成反铁磁层更容易形成fcc(111)的超晶格结构，同时，也具有更大的工艺窗口；为了获得较大的h
ex
，相比于具有双层合成反铁磁亚层合成反铁磁层，具有多层合成反铁磁亚层的合成反铁磁层更有机会把每合成反铁磁亚层做的相对较薄。
[0106]
同时，在具有多层的合成反铁磁层内部，相邻合成反铁磁亚层的磁化矢量方向平行，相比于具有双层合成反铁磁亚层的磁性隧道结，具有多层合成反铁磁亚层的磁性隧道结具有更大的漏磁场(h
stray
)平衡调整窗口。
[0107]
底电极10的材料可以选自钛(ti)、氮化钛(tin)、钨(w)、氮化钨(wn)、钽(ta)和氮化钽(tan)中的任意一种或多种，厚度可以为10nm-100nm。
[0108]
种子层20的材料可以选自铂(pt)、钯(pd)、镍铬合金(nicr)、钌(ru)和钴铁硼(cofeb)中的任意一种或多种，厚度可以为1.0nm-5.0nm。
[0109]
铁磁耦合层40的材料可以选自钨(w)、钼(mo)和钽(ta)中的任意一种或多种，厚度可以为0.15nm-0.7nm。
[0110]
参考层50的材料可以选自硼化钴(cob)、硼化铁(feb)、钴铁硼(cofeb)、碳化钴(coc)、钴铁碳(cofec)、铁(fe)和钴铁合金(feco)中的任意一种或多种，厚度可以为0.7nm-1.4nm。
[0111]
隧穿势垒层60的材料可以为非磁性金属氧化物，例如，可以为氧化镁(mgo)、氧化镁锌(mgzno)、氧化镁硼(mgbo)、氧化镁铝(mgalo)，厚度可以为0.8nm-2.0nm。
[0112]
自由层70可以为硼化钴(cob)、硼化铁(feb)、钴铁硼(cofeb)的单层结构；还可以为铁化钴(cofe)/钴铁硼(cofeb)、铁(fe)/钴铁硼(cofeb)的双层结构其中之一；还可以为钴铁硼(cofeb)/钽(ta)/钴铁硼(cofeb)、钴铁硼(cofeb)/钨(w)/钴铁硼(cofeb)、钴铁硼(cofeb)/钼(mo)/钴铁硼(cofeb)、钴铁硼(cofeb)/铪(hf)/钴铁硼(cofeb)的三层结构其中之一；还可以为铁化钴(cofe)/钴铁硼(cofeb)/钨(w)/钴铁硼(cofeb)、铁化钴(cofe)/钴铁硼(cofeb)/钼(mo)/钴铁硼(cofeb)、铁化钴(cofe)/钴铁硼(cofeb)/铪(hf)/钴铁硼(cofeb)、铁(fe)/钴铁硼(cofeb)/钨(w)/钴铁硼(cofeb)、铁(fe)/钴铁硼(cofeb)/钼(mo)/钴铁硼(cofeb)、铁(fe)/钴铁硼(cofeb)/铪(hf)/钴铁硼(cofeb)的四层结构其中之一，厚度可以为1.5nm-2.5nm；
[0113]
覆盖层80可以包括氧化镁(mgo)、钴铁硼(cofeb)、钨(w)、铂(pt)、钌(ru)、钽(ta)、铁(fe)、钴(co)、硼化钴(cob)和硼化铁(feb)中的任意两种或更多种材料形成的多层结构，厚度可以为1.0nm-7.0nm；
[0114]
顶电极90的材料可以选自钛(ti)、氮化钛(tin)、钨(w)、氮化钨(wn)、钽(ta)和氮化钽(tan)中的任意一种或多种，厚度可以为10nm-100nm。
[0115]
本实施例的磁性隧道结器件的磁性隧道结可以采用溅射沉积工艺形成，沉积完之后，采用高温退火工艺，使参考层50和自由层70由非晶态转化为晶态结构，并提高其传输和磁学性能。还可以采用图形化技术，制作相应尺寸的mtj阵列器件。
[0116]
虽然本技术所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本技术而采用的实施方式，并非用以限定本技术。任何本技术所属领域内的技术人员，在不脱离本技术所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本技术的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

技术特征：
1.一种磁性隧道结器件的磁性隧道结单元，其特征在于，包括依次层叠设置的自由层、隧穿势垒层、参考层和合成反铁磁层，所述合成反铁磁层包括至少三层合成反铁磁亚层，相邻两个合成反铁磁亚层的磁化矢量相反，并且相邻两个合成反铁磁亚层通过钌反铁磁耦合层耦合在一起，所述钌反铁磁耦合层的厚度为0.75nm-0.89nm，对应rkky第二震荡峰。2.根据权利要求1所述的磁性隧道结单元，其中，沿着远离所述参考层的方向，所述合成反铁磁层依次包括第一合成反铁磁亚层、第二合成反铁磁亚层、
……
第n合成反铁磁亚层，n为整数并且3≤n≤10。3.根据权利要求2所述的磁性隧道结单元，其中，所述合成反铁磁亚层为由具有单一磁化矢量的铁磁材料形成并且包含co的层；任选地，所述第一合成反铁磁亚层的材料为co[pt/co]
a
、co[pd/co]
a
、co[ni/co]
a
、cofe[pt/cofe]
a
、cofe[pd/cofe]
a
或cofe[ni/cofe]
a
，其中，0≤a≤3；任选地，所述第二合成反铁磁亚层到第n合成反铁磁亚层的材料各自独立地为co[pt/co]
b
、co[pd/co]
b
、co[ni/co]
b
、cofe[pt/cofe]
b
、cofe[pd/cofe]
b
或cofe[ni/cofe]
b
，其中，1≤b≤4。4.根据权利要求3所述的磁性隧道结单元，其中，在所述第一合成反铁磁亚层中，co、cofe、pt、pd或ni的厚度为0.15nm-0.80nm；任选地，在同一个第一合成反铁磁亚层中，co、cofe、pt、pd或ni的厚度是相同的或不同的；任选地，在所述第二合成反铁磁亚层或所述第n合成反铁磁亚层中，co、cofe、pt、pd或ni的厚度为0.15nm-0.80nm；还任选地，在同一个第二合成反铁磁亚层或在同一个第n合成反铁磁亚层中，co、cofe、pt、pd或ni的厚度是相同的或不同的。5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁性隧道结单元，其中，所述磁性隧道结单元的结构为以下任意一种：(1)co[pt/co]
b2
/ru/co[pt/co]
b1
/ru/co[pt/co]
a1
；(2)co[pt/co]
b5
/ru/co[pt/co]
b4
/ru/co[pt/co]
b3
/ru/co[pt/co]
a2
；(3)co[pt/co]
b9
/ru/co[pt/co]
b8
/ru/co[pt/co]
b7
/ru/co[pt/co]
b6
/ru/co[pt/co]
a3
；其中，在每一个磁性隧道结单元中，从右到左依次为第一合成反铁磁亚层、第一钌反铁磁耦合层、第二合成反铁磁亚层、第二钌反铁磁耦合层、
……
第n合成反铁磁亚层，a1至a3各自独立地为0-3，b1至b9各自独立地为1-4。6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁性隧道结单元，其中，所述合成反铁磁亚层具有fcc(111)超晶格结构、bcc结构或hcp结构。7.根据权利要求1至5中任一项所述的磁性隧道结单元，还包括种子层，所述种子层设置在所述合成反铁磁层远离所述参考层的一侧；任选地，所述种子层的材料选自铂、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钌、钨、氮化钨、钯、铬、氧、氮、硼化钴、硼化铁、镍铬合金和钴铁硼中的任意一种或多种。8.根据权利要求1至5中任一项所述的磁性隧道结单元，还包括铁磁耦合层，所述铁磁耦合层设置在所述参考层与所述合成反铁磁层之间；任选地，所述铁磁耦合层的材料选自钨、钼和钽中的任意一种或多种。9.一种磁性隧道结器件，其特征在于，包括：底电极、顶电极和设置在所述底电极与所
述顶电极之间的磁性隧道结单元，所述磁性隧道结单元为根据权利要求1至8中任一项所述的磁性隧道结单元。10.一种磁性随机存取存储器，其特征在于，包括根据权利要求9所述的磁性隧道结器件。11.根据权利要求1至8中任一项所述的磁性隧道结单元的制备方法，其特征在于，包括：采用溅射沉积工艺形成所述磁性隧道结单元的各个层；沉积完之后，采用高温退火工艺，使所述参考层和所述自由层由非晶态转化为晶态结构。

技术总结
一种磁性隧道结单元及其制备方法、磁性隧道结器件和磁性随机存取存储器，所述磁性隧道结器件的磁性隧道结单元包括依次层叠设置的自由层、隧穿势垒层、参考层和合成反铁磁层，所述合成反铁磁层包括至少三层合成反铁磁亚层，相邻两个合成反铁磁亚层的磁化矢量相反，并且相邻两个合成反铁磁亚层通过钌反铁磁耦合层耦合在一起，所述钌反铁磁耦合层的厚度为0.75nm-0.89nm，对应RKKY第二震荡峰。本申请的磁性隧道结单元或器件不但可以解决磁性随机存取存储器在写过程中的回跳问题，还可以避免参考层和合成反铁磁层产生的漏磁场对自由层的影响。的影响。的影响。


技术研发人员：张云森 李辉辉
受保护的技术使用者：北京超弦存储器研究院
技术研发日：2022.01.24
技术公布日：2023/8/5