[发明专利]一种垂直型磁电阻元件及其制造方法

说明书

本发明提供了一种磁电阻元件，依次包括种子层、磁固定层、势垒层、磁记忆层和覆盖层。其中磁固定层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面，磁固定层又细分为具有面心立方晶格结构的磁稳定层，晶格转化结合层和磁参考层。磁采用铁钴硼复合材料，且其磁激化方向可变并垂直于层表面。势垒层位于磁参考层和磁记忆层之间，是一种氧化膜。种子层材料具有帮助磁稳定层形成热稳定的面心立方晶格结构的功能。高温退火后磁参考层和磁记忆层中的铁钴硼从非晶态转变为体心立方的晶态结构。通过引入晶格转化结合层将具有面心立方晶格结构的磁稳定层与上面具有体心立方结构的铁钴硼参考层有机结合起来。本发明还提供了上述磁电阻元件的制备工艺。

技术领域

本发明涉及一种磁电阻元件，具体涉及一种垂直型磁电阻元件及其制造方法，属于半导体存储器技术领域。

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，其中有记忆层，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。当记忆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。

一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型MRAM：在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变MTJ元件的磁性记忆层的磁化强度方向。自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极化的电子流把它的角动量转移给磁性记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。

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，在这种结构中，由于两个磁性层的磁晶各向异性比较强(不考虑形状各向异性)，使得其易磁化方向都垂直于层表面。根据参考层和记忆层的相对位置，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。在同样的条件下，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。

一种典型的底部型垂直磁电阻元件的多层膜结构如图1所示，包括依次层叠的种子层10、参考层20、势垒层30、记忆层40以及顶部的覆盖层50。为了得到更优的垂直磁电阻值，必须制备高质量的磁电阻多层膜。一般来说，种子层10的质量好坏会直接影响到参考层多层膜的的生长质量。对于底部型垂直磁电阻元件，磁固定层20需要具有一个很好的面心立方(fcc)结构，从而得到一个稳定的垂直于层表面的磁化方向。对于记忆层40，出于提高垂直磁电阻效应的考量，它应该具有体心立方(bcc)结构，从而与势垒层30(一般用MgO)的晶格有一个非常好的匹配。这样一来，如何把两种具有不同晶体结构的磁固定层和磁记忆层完美的结合起来就至关重要。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的第一方面，提供了一种磁电阻元件，依次包括种子层、磁固定层、势垒层、磁记忆层、覆盖层；

种子层采用具有面心立方晶格结构的材料；

磁固定层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于磁固定层表面，磁固定层的厚度介于5-10纳米；

磁记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于磁记忆层表面，磁记忆层具有体心立方晶格结构；