[发明专利]磁性隧道结的自由层的制备方法及磁性隧道结的制备方法

说明书

本发明提供了一种磁性隧道结的自由层的制备方法及磁性隧道结的制备方法。该磁性隧道结的自由层的制备方法包括采用沉积工艺设置自由层的各膜层，采用第一等离子体处理各膜层中的一层或多层，以及对第一等离子体处理后的各膜层中的一层或多层进行第一退火处理。利用第一退火处理对第一等离子体处理之后的一层或多层膜层进行原位热处理，进而减少或者消除第一等离子体处理可能造成的损伤或缺陷，改善自由层的表面特性，进而提高具有该自由层的磁性隧道结的综合性能，比如提高磁性隧道结的TMR值，降低其RA值。

技术领域

本发明涉及磁性随机存储器(spin transfer torque magnetic random accessmemory，STT-MRAM)领域，具体而言，涉及一种磁性隧道结的自由层的制备方法及磁性隧道结的制备方法。

背景技术

STT-MRAM是一种潜在的、革命性的通用存储技术，可直接利用自旋极化电流驱动纳米磁体磁矩反转，完成信息写入。它集成了DRAM的高存储密度、SRAM的快速读写能力、Flash的非易失性和低功耗以及高稳定性等优越性能，此外，它具有无限次使用的优势；与传统MRAM相比，有着更好的扩展性、更低的写信息电流，特别是，它与更先进的半导体工艺兼容。

它主要包括自由层40、参考层20以及二者之间超薄的隧穿势垒层30，具体可参考图1。该磁性隧道结主要包括磁性参考层20、自由层40以及二者之间的超薄隧穿势垒层30，此外，还包括最底层的缓冲层10，以及最顶层的保护层50。参考层20的磁化方向是固定的，而自由层40的磁化方向可以自由转动，当自由层40的磁化方向与参考层20的磁化方向平行时，磁性隧道结呈现低阻态R_P，当自由层40的磁化方向与参考层20的磁化方向反平行时，磁性隧道结呈现高阻态R_AP。将磁性隧道结应用到STT-MRAM时，其高低阻态可代表不同的逻辑状态“1”和“0”。极化电流60可以从垂直薄膜平面的方式通过磁性隧道结，完成STT-MRAM不同逻辑状态“1”和“0”的写入。

具体地，MTJ的TMR(隧道磁电阻)定义为(R_AP/R_P-1)×100％，一个MTJ单元可作为STT-MRAM的一个数据存储位，其高、低电阻态可分别代表位元中不同的逻辑状态“0”和“1”。在信息读取的时候，将MTJ的电阻态与参考信号进行对比，判断出位元不同的逻辑状态，完成“读”操作。电流流过磁性层时，电流将被极化，形成自旋极化电流。自旋电子将自旋动量传递给自由层的磁矩，使自旋磁性层的磁矩获得自旋动量后改变方向，这个过程称为自旋传输矩(Spin transfer torque，STT)，利用自旋转移力矩效应可以使得MTJ的自由层40磁矩与参考层20磁矩平行或反平行排列，从而实现“写”操作。

应用于STT-MRAM的MTJ是由多层超薄的薄膜组成，薄膜间尤其是自由层的界面特性如粗糙度、缺陷、晶体结构等会对MTJ器件的性能产生明显的影响。例如，自由层与隧穿势垒层之间的界面自旋极化会对MTJ的TMR产生很大的影响，自由层的各薄膜之间、自由层与隧穿势垒层之间、自由层与保护层之间的界面各向异性会直接影响自由层的转动能量势垒。因此，一种可优化薄膜间性能的MTJ制备方法是非常重要的。提高自由层的表面特性的一种方法是在薄膜沉积之后对其进行一次或多次温和的等离子体处理。等离子体处理会改善薄膜表面的应力状态以及晶化结构，降低界面的粗糙度，从而获得高的TMR以及更好的数据保持能力。但同时，这种等离子体处理过程也可能会在薄膜的表面引入新的损伤及缺陷，使薄膜的表面特性变差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁性隧道结的自由层的制备方法、磁性隧道结的制备方法，以解决现有技术中采用等离子体处理的自由层表面特性较差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种磁性隧道结的自由层的制备方法，包括采用沉积工艺设置自由层的各薄膜，对各薄膜中的一层或多层进行第一等离子体处理，以及对第一等离子体处理后的各薄膜中的一层或多层进行第一退火处理。