專利名稱：包括分層鐵磁結(jié)構(gòu)的磁阻器件及制造該磁阻器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁阻器件(magnetoresitance device)，并且尤其涉及具有這樣一種結(jié)構(gòu)的磁阻器件，其中自由磁層(free magnetic layer)和固定磁層至少之一是由被一個(gè)或多個(gè)非磁層隔開(kāi)的多個(gè)鐵磁層組成的。
背景技術(shù)：
磁阻器件，如磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)的存儲(chǔ)單元和記錄裝置的磁頭，常常由一種具有多個(gè)鐵磁層的結(jié)構(gòu)組成，這些鐵磁層的相鄰部分由非磁層隔開(kāi)；以下，這種結(jié)構(gòu)被稱為分層鐵磁結(jié)構(gòu)。分層鐵磁結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成，利用相鄰鐵磁層之間的交換耦合來(lái)獲得期望的功能。
分層鐵磁結(jié)構(gòu)應(yīng)用的一個(gè)例子是包括存儲(chǔ)單元的MRAM，其中自由磁層由合成反鐵磁體(SAF)組成。SAF表示相鄰的鐵磁層反鐵磁地耦合的一種分層鐵磁結(jié)構(gòu)。圖1A是示出其中自由磁層由SAF組成的MRAM的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的橫斷面圖，圖1B是其頂視圖。
如圖1A所示，磁隧道結(jié)(MTJ)元件101被設(shè)置在字線102和位線103的交點(diǎn)處。MTJ元件101由反鐵磁層104、固定磁層105、隧道阻擋層106和自由磁層107組成。
自由磁層107由SAF組成。具體地說(shuō)，自由磁層107由鐵磁層108、110以及位于它們之間的非磁層109組成。鐵磁層108和110利用通過(guò)非磁層109的交換耦合，來(lái)反鐵磁地耦合。如圖1B所示，MTJ元件101在字線102延伸的方向上較長(zhǎng)。鐵磁層108和110的易磁化軸指向字線102延伸的方向。
回過(guò)來(lái)參考圖1A，鐵磁層108和110分別具有不同的磁化強(qiáng)度M1和M2。這意味，即使當(dāng)沒(méi)有施加外部磁場(chǎng)時(shí)，整個(gè)自由磁層107的凈磁化強(qiáng)度MR也不等于0。通過(guò)施加比切換磁場(chǎng)(switching magneticfield)Hc大的外部磁場(chǎng)，可以使自由磁層107的凈磁化強(qiáng)度MR反轉(zhuǎn)。MTJ元件101存儲(chǔ)一比特?cái)?shù)據(jù)，作為自由磁層107的凈磁化強(qiáng)度MR的取向(orientation)。
圖1C是這樣構(gòu)成的自由磁層107的磁化強(qiáng)度曲線。在外部磁場(chǎng)H較小的范圍內(nèi)，在鐵磁層108和110之間維持反鐵磁耦合。自由磁層107表現(xiàn)出類似于單鐵磁層的行為。具體地說(shuō)，在磁化強(qiáng)度曲線中自由磁層107表現(xiàn)出磁滯特性。通過(guò)施加比切換磁場(chǎng)HcX大的外部磁場(chǎng)，可以使自由磁層107的凈磁化強(qiáng)度MR反轉(zhuǎn)。
切換磁場(chǎng)Hc的大小取決于外部磁場(chǎng)的方向，即易磁化軸和難磁化軸方向外部磁場(chǎng)分量的大小。詳細(xì)地說(shuō)，如圖1D所示，在水平軸代表易磁化軸方向磁場(chǎng)、垂直軸代表難磁化軸方向磁場(chǎng)的坐標(biāo)系中，切換磁場(chǎng)Hc表現(xiàn)出星形曲線。
回過(guò)來(lái)參考圖1C，通過(guò)施加稍微超過(guò)切換磁場(chǎng)Hc的外部磁場(chǎng)，并不能增大自由磁層107的凈磁化強(qiáng)度MR。這是因?yàn)?，鐵磁層108和110的磁化強(qiáng)度通過(guò)鐵磁層108和110之間的反鐵磁耦合而保持反平行，并且外部磁場(chǎng)的增大并不有助于自由磁層107的凈磁化強(qiáng)度MR的增大。
當(dāng)外部磁場(chǎng)HE進(jìn)一步增大到超過(guò)某一磁場(chǎng)時(shí)，自由磁層107的凈磁化強(qiáng)度MR開(kāi)始增大。這是因?yàn)?，鐵磁層108和110的磁化強(qiáng)度方向重新定向?yàn)槟嬷磋F磁耦合，并且各個(gè)鐵磁層的磁化強(qiáng)度脫離反平行狀態(tài)。此后，在說(shuō)明書中，SAF內(nèi)鐵磁層的磁化強(qiáng)度脫離反平行狀態(tài)時(shí)的磁場(chǎng)被稱為閾值磁場(chǎng)H1。當(dāng)施加超過(guò)閾值磁場(chǎng)H1的外部磁場(chǎng)時(shí)，鐵磁層108和110的磁化強(qiáng)度既不平行，也不反平行。鐵磁層108和110的磁化強(qiáng)度角度取決于外部磁場(chǎng)的大小。
當(dāng)外部磁場(chǎng)HE進(jìn)一步增大時(shí)，鐵磁層108和110的磁化強(qiáng)度方向平行，并且自由磁層107的凈磁化強(qiáng)度MR飽和了。在鐵磁層的磁化強(qiáng)度變得平行之后，各個(gè)鐵磁層磁化強(qiáng)度方向的改變將不造成凈磁化強(qiáng)度MR的增大，并且自由磁層的凈磁化強(qiáng)度MR的大小將不再增大。
通過(guò)經(jīng)由字線102和位線103兩者發(fā)送寫電流，來(lái)把數(shù)據(jù)寫到SAF內(nèi)的自由磁層107上，由此向自由磁層107施加磁場(chǎng)，類似于典型的MRAM。因?yàn)橥ㄟ^(guò)字線102和位線103兩者來(lái)發(fā)送寫電流，所以在與易磁化軸傾斜的方向上，理想地在與易磁化軸成45°角的方向上，產(chǎn)生合成磁場(chǎng)。根據(jù)要寫的數(shù)據(jù)來(lái)確定寫電流的方向，即合成磁場(chǎng)的方向。取決于所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)，自由磁層107內(nèi)的鐵磁層108和110的磁化強(qiáng)度翻轉(zhuǎn)(flip)到期望的方向，以便將期望的數(shù)據(jù)寫到自由磁層107上。
選擇通過(guò)字線102和位線103的寫電流的大小，使得合成磁場(chǎng)超過(guò)切換磁場(chǎng)Hc。具體地說(shuō)，這樣選擇合成磁場(chǎng)的方向和大小，以至合成磁場(chǎng)與圖1D所示坐標(biāo)系中的星形曲線外的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。在這種意義下，上述寫操作以下被稱為星形寫。當(dāng)使用星形寫時(shí)，要求在自由磁層的SAF內(nèi)維持相鄰兩個(gè)鐵磁層之間的反平行耦合。這要求足夠大的交換耦合，即足夠大的閾值磁場(chǎng)H1。
可以把自旋電流注入(spin-current injection)用于位寫(bit-writing)來(lái)代替星形寫(asteroid writing)，這涉及向自由磁層107注入自旋極化電流來(lái)使自由磁層107的磁化強(qiáng)度反轉(zhuǎn)，由此傳送自旋極化電子的自旋扭矩。在圖1A所示結(jié)構(gòu)中，在垂直方向通過(guò)隧道阻擋層106的自旋極化電流在自由磁層107和固定磁層105之間施加自旋扭矩。通過(guò)自旋極化電流的方向，可以控制磁化強(qiáng)度方向。自旋電流注入的切換電流也取決于SAF的切換磁場(chǎng)Hc。把自旋電流注入用于MRAM有利于減小寫電流以及避免寫錯(cuò)誤。尤其是，容易在SAF內(nèi)的各個(gè)鐵磁層中建立單磁疇，并且可以容易減小SAF的凈磁化強(qiáng)度MR。這在自旋翻轉(zhuǎn)中是有利的。
分層鐵磁結(jié)構(gòu)應(yīng)用的另一個(gè)例子是美國(guó)專利No.6,545,906中所公開(kāi)的輪轉(zhuǎn)寫(toggle writing)MRAM。在該MRAM中，不同于采用星形寫(asteroid writing)的MRAM，自由磁層由一種當(dāng)沒(méi)有施加外部磁場(chǎng)時(shí)、表現(xiàn)出基本上為0的凈磁化強(qiáng)度的SAF組成。
圖2A是示出美國(guó)專利No.6,545,906中所公開(kāi)的MRAM結(jié)構(gòu)的平面圖。該MRAM具有自由磁層201、在與自由磁層201的易磁化軸成45°角的方向上延伸的字線202、以及垂直于字線202的位線203。自由磁層201由這樣的SAF組成，該SAF包括由具有相同磁化強(qiáng)度的兩個(gè)鐵磁層組成的自由磁層。
圖2B是示出自由磁層201磁化強(qiáng)度曲線的簡(jiǎn)圖。當(dāng)所施加的外部磁場(chǎng)小時(shí)，自由磁層201的凈磁化強(qiáng)度MR基本上為0。這是因?yàn)?，鐵磁層的磁化強(qiáng)度通過(guò)鐵磁層之間的反鐵磁耦合而保持反平行。
當(dāng)外部磁場(chǎng)的大小進(jìn)一步增大到某一大小時(shí)，外部磁場(chǎng)突然打破兩個(gè)鐵磁層之間的反鐵磁耦合，然后這兩個(gè)鐵磁層的磁化強(qiáng)度重新排列成某一角度，使得兩個(gè)鐵磁層的合成磁化強(qiáng)度矢量的方向與外部磁場(chǎng)方向一致。以下，這種磁場(chǎng)被稱為自旋翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(spin flop field)Hflop。當(dāng)外部磁場(chǎng)的大小在自旋翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Hflop到飽和磁場(chǎng)Hs的范圍內(nèi)進(jìn)一步增大時(shí)，所施加的外部磁場(chǎng)的增大將增大自由磁層的合成磁化強(qiáng)度。這是因?yàn)?，鐵磁層的磁化強(qiáng)度方向重新指向?yàn)閹缀跆幱谄叫袪顟B(tài)。當(dāng)所施加的磁場(chǎng)進(jìn)一步增大、然后超過(guò)飽和磁場(chǎng)Hs時(shí)，鐵磁層的磁化強(qiáng)度變得完成平行，并且自由鐵磁層的合成磁化強(qiáng)度飽和了。
圖3是示出專利文獻(xiàn)1中所公開(kāi)的MRAM的寫操作的簡(jiǎn)圖。應(yīng)該理解，符號(hào)M1、M2表示自由磁層201內(nèi)的各個(gè)鐵磁層的磁化強(qiáng)度。
通過(guò)旋轉(zhuǎn)施加于自由磁層的磁場(chǎng)的平面內(nèi)方向、以及從而使自由磁層201內(nèi)的鐵磁層的磁化強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)到期望方向，來(lái)實(shí)現(xiàn)該MRAM的數(shù)據(jù)寫。具體地說(shuō)，首先，通過(guò)字線202發(fā)送寫電流，使得在時(shí)間t1在垂直于字線202的方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)HWL。然后，當(dāng)維持通過(guò)字線202的寫電流時(shí)，在時(shí)間t2通過(guò)位線203發(fā)送另一寫電流。因此，在與字線202和位線203都傾斜的方向上，典型地在與字線202和位線203成45°角的方向上，產(chǎn)生磁場(chǎng)HWL+HBL。接著，在維持通過(guò)位線203的寫電流的情況下，在時(shí)間t3終止發(fā)送到字線的寫電流。因此，在與位線203正交的方向上，即在平行于字線202的方向上，產(chǎn)生磁場(chǎng)HBL。這樣描述的過(guò)程實(shí)現(xiàn)了使施加于自由磁層201的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致自由磁層201內(nèi)的鐵磁層的磁化強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)180度。以下，該過(guò)程中的數(shù)據(jù)寫可以被稱為輪轉(zhuǎn)寫(toggle writing)。
在采用輪轉(zhuǎn)寫的MRAM中，當(dāng)向字線202和位線203發(fā)送寫電流時(shí)，要求施加于自由磁層的磁場(chǎng)大于自旋翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Hflop、并小于飽和磁場(chǎng)Hs。如果不這樣，則自由磁層201內(nèi)的鐵磁層的磁化強(qiáng)度不指向期望方向。
采用輪轉(zhuǎn)寫的MRAM具有各種優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，輪轉(zhuǎn)寫實(shí)現(xiàn)了優(yōu)越的選擇性。原則上，當(dāng)只通過(guò)字線202和位線203之一發(fā)送寫電流時(shí)，輪轉(zhuǎn)寫不造成SAF內(nèi)鐵磁層的磁化強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)。換句話說(shuō)，一半選擇的(half-selected)存儲(chǔ)單元的磁化強(qiáng)度不會(huì)不合需要地反轉(zhuǎn)。從MRAM的操作可靠性的觀點(diǎn)來(lái)看，這是重要的。
輪轉(zhuǎn)寫的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在自由磁層凈磁化強(qiáng)度減小的情況下改善熱激活容限(tolerance for thermal activation)。為了改善熱激活容限，需要增大自由磁層的體積。然而，在把單層鐵磁膜用作自由磁層的MRAM中，自由磁層體積的增大將不合需要地增大自由磁層的磁化強(qiáng)度和厚度積(即，磁膜的厚度與飽和磁化強(qiáng)度的積)。磁化強(qiáng)度和厚度積的增加增大了由磁化強(qiáng)度產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并由此不合需要地造成相鄰存儲(chǔ)單元之間的磁干擾。而且，自由磁層的磁化強(qiáng)度與厚度積的增大使得難以反轉(zhuǎn)自由磁層的磁化強(qiáng)度。這些現(xiàn)象對(duì)于MRAM操作是不可取的。另一方面，基于輪轉(zhuǎn)寫的、包括作為自由磁層的SAF的MRAM，允許在減小自由磁層凈磁化強(qiáng)度的情況下增大自由磁層的體積。例如，增加SAF內(nèi)鐵磁層的數(shù)目和/或膜厚度，允許增大自由磁層的體積。然而，利用合理設(shè)計(jì)的SAF結(jié)構(gòu)，理想地可以將SAF的凈磁化強(qiáng)度保持為0。
分層鐵磁結(jié)構(gòu)應(yīng)用的又一個(gè)例子是，由兩個(gè)反鐵磁地耦合的鐵磁層組成的固定磁層(例如，參考日本待審專利申請(qǐng)No.P2004-87870A和No.P2004-253807)。這樣設(shè)計(jì)的固定磁層的優(yōu)點(diǎn)是，由于凈磁化強(qiáng)度的減小，使得外部磁場(chǎng)不容易造成不希望的磁化強(qiáng)度反轉(zhuǎn)；包括SAF的固定磁層的凈磁化強(qiáng)度理想地為0。為了使固定磁層的凈磁化強(qiáng)度更接近于0，兩個(gè)鐵磁層以反鐵磁的方式耦合，并且被設(shè)計(jì)成具有相同的磁化強(qiáng)度。兩個(gè)鐵磁層以反鐵磁的方式耦合對(duì)于提供0凈磁化強(qiáng)度是重要的。
分層鐵磁結(jié)構(gòu)(典型地為SAF)的一個(gè)要求是，在相鄰的鐵磁層之間有足夠大的交換耦合起作用。例如，把SAF用作自由磁層、并執(zhí)行星形寫的MRAM要求鐵磁層之間足夠大的反鐵磁交換耦合。如果不是這樣，則自由磁層不起SAF的作用。類似，把SAF用作固定磁層的MRAM要求SAF鐵磁層之間足夠大的反鐵磁交換耦合。
實(shí)現(xiàn)足夠大的交換耦合可能是個(gè)問(wèn)題，尤其是在分層鐵磁結(jié)構(gòu)被形成在隧道阻擋層上的情況下。隧道阻擋層常常由非晶形層或差取向?qū)?poorly oriented layer)如AlOx形成。結(jié)果，隧道阻擋層上形成的鐵磁層常常表現(xiàn)差的取向。差取向鐵磁層使它上面形成的非磁層也變成差取向。這削弱了鐵磁層之間的交換耦合，并阻止在分層鐵磁結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)期望的特性。當(dāng)SAF內(nèi)的鐵磁層由NiFe形成時(shí)，這種情況尤其嚴(yán)重。難以在SAF內(nèi)的NiFe之間獲得足夠大的交換耦合。
上述情況也適用于以下情況隧道阻擋層的晶體結(jié)構(gòu)不適于在它上面生長(zhǎng)SAF膜，即使隧道阻擋層由高度取向絕緣膜、如具有NaCl晶體結(jié)構(gòu)的MgO膜形成。在這種情況下，不能獲得大交換耦合，這造成了相同問(wèn)題。在許多情況下，SAF膜的晶體結(jié)構(gòu)不能良好地匹配下面的結(jié)晶隧道阻擋膜。
雖然需要一種與下面隧道阻擋層的晶體結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)地實(shí)現(xiàn)SAF膜晶體生長(zhǎng)的改善的技術(shù)，但是當(dāng)前還沒(méi)有提出方法。
在SAF的每個(gè)鐵磁層內(nèi)包括一種由CoFe和NiFe膜組成的層結(jié)構(gòu)，可能實(shí)現(xiàn)交換耦合的增強(qiáng)；然而，使用CoFe膜導(dǎo)致了飽和磁化強(qiáng)度和SAF晶體磁各向異性的增大。這對(duì)于MRAM操作是不可取的。對(duì)于采用星形寫(asteroid writing)的MRAM，飽和磁化強(qiáng)度和晶體磁各向異性的增大不合需要地增大了切換磁場(chǎng)Hc，并由此增大寫電流。
強(qiáng)加于分層鐵磁結(jié)構(gòu)的另一個(gè)要求是，應(yīng)該能夠容易控制鐵磁層之間的交換耦合強(qiáng)度。例如，在輪轉(zhuǎn)寫中，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)每個(gè)鐵磁層的各向異性磁場(chǎng)Hk及相鄰鐵磁層之間的交換耦合能量J是重要的。這是因?yàn)?，決定輪轉(zhuǎn)寫操作裕度的自旋翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Hflop和飽和磁場(chǎng)Hs取決于交換耦合能量J。具體地說(shuō)，由兩個(gè)鐵磁層組成的SAF的自旋翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Hflop和飽和磁場(chǎng)Hs由以下方程式表示Hs＝2J/Ms·(1/t1+1/t2)-2K/M， ...(1)
Hflop＝2/Ms·[K(2J/t-K)]0.5，...(2)其中J是通過(guò)SAF內(nèi)的非磁層起作用的交換耦合能量，Ms是SAF的飽和磁化強(qiáng)度，K是各向異性能量，以及t1和t2是SAF內(nèi)各個(gè)鐵磁層的膜厚度。應(yīng)該注意，各向異性能量K隨各向異性磁場(chǎng)Hk的增大而增大，并且當(dāng)t1和t2不等時(shí)，方程式(1)所給出的飽和磁場(chǎng)Hs可以僅由第一項(xiàng)來(lái)近似。而且，只有當(dāng)t1和t2相等時(shí)，才能夠定義方程式(2)。即，如果可以定義方程式(2)，則t＝t1＝t2成立。
可以把方程式(2)改寫為如下所示Hflop＝(Hs×Hk)0.5(2)’如同可以從方程式(1)、(2)理解的，輪轉(zhuǎn)寫要求足夠增大的交換耦合能量J，以便鐵磁層起SAF的作用。然而，過(guò)度增大交換耦合能量J將不合需要地導(dǎo)致自旋翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Hflop的增大。因此，需要將交換耦合能量J控制為適當(dāng)值。另外，優(yōu)選地，可以與交換耦合能量J無(wú)關(guān)地控制各向異性磁場(chǎng)Hk，即各向異性能量K，因?yàn)樗试S與飽和磁場(chǎng)Hs無(wú)關(guān)地控制自旋翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Hflop，如同可以從方程式(2)’理解的。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所周知的，可以根據(jù)在鐵磁層之間形成的非磁層的厚度，來(lái)稍微控制在鐵磁層之間起作用的交換耦合能量，如圖4所示。然而，為了使交換耦合能量的大小穩(wěn)定，應(yīng)該調(diào)節(jié)非磁層的厚度，使得交換耦合能量顯示出極值。這意味，不可以通過(guò)非磁層的厚度來(lái)隨意控制交換耦合能量的大小。有利的是，提供一種通過(guò)除非磁層厚度以外的參數(shù)來(lái)控制交換耦合能量、以獲得基于輪轉(zhuǎn)寫的高可靠MRAM的技術(shù)。
美國(guó)專利No.6,714,446公開(kāi)了一種改進(jìn)的SAF結(jié)構(gòu)，其中SAF內(nèi)的兩個(gè)鐵磁層每一個(gè)都由兩個(gè)反鐵磁地耦合的鐵磁膜組成。然而，該公開(kāi)的SAF結(jié)構(gòu)沒(méi)有致力于增強(qiáng)或控制交換耦合能量。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供一種在分層鐵磁結(jié)構(gòu)內(nèi)的鐵磁層之間提供足夠大交換耦合的技術(shù)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供一種優(yōu)選地與每個(gè)鐵磁層的磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk無(wú)關(guān)地靈活控制分層鐵磁結(jié)構(gòu)內(nèi)鐵磁層之間的交換耦合強(qiáng)度的技術(shù)。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，一種分層鐵磁結(jié)構(gòu)包括位于襯底上方的第一鐵磁層；位于第一鐵磁層上方的第二鐵磁層；以及位于第一和第二鐵磁層之間的第一非磁層。第一鐵磁層的頂表面和第一非磁層接觸。第一鐵磁層包括第一取向控制緩沖器，該第一取向控制緩沖器表現(xiàn)出提高它上面形成的膜的結(jié)晶取向的作用。
在這種分層鐵磁結(jié)構(gòu)中，第一取向控制緩沖器通過(guò)提高第一鐵磁層的至少頂部的結(jié)晶取向、或者通過(guò)直接提高第一非磁層的結(jié)晶取向，來(lái)有效提高第一非磁層的結(jié)晶取向。第一非磁層的結(jié)晶取向提高有效實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)第一和第二鐵磁層之間的交換耦合。
在一個(gè)實(shí)施例中，第一鐵磁層可以進(jìn)一步包括第一鐵磁膜；以及位于第一鐵磁膜上方的第二鐵磁膜。在該情況下，第一取向控制緩沖器位于第一和第二鐵磁膜之間，并被設(shè)計(jì)成在第一和第二鐵磁膜之間提供鐵磁耦合。
第一取向控制緩沖器優(yōu)選地具有1.0nm或更小的厚度。這允許第一和第二鐵磁層之間的鐵磁耦合。
在該情況下，第一取向控制緩沖器優(yōu)選地由從包括鉭(Ta)、釕(Ru)、鈮(Nb)、釩(V)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、鋁(Al)、鎂(Mg)、硅(Si)、釔(Y)、鈰(Ce)、鈀(Pd)、錸(Re)、其合金的組中選擇的材料形成。而且，優(yōu)選地第一取向控制緩沖器由從包括鉭(Ta)、釕(Ru)、鈮(Nb)、釩(V)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、鋁(Al)、鎂(Mg)、硅(Si)、釔(Y)、鈰(Ce)、鈀(Pd)、錸(Re)、其合金的組中選擇的材料的化合物形成。
更為優(yōu)選地，第一取向控制緩沖器由從包括鉭(Ta)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、鎢(W)、及其合金的組中選擇的材料形成。這些材料提供優(yōu)越的提高它上面形成的膜的結(jié)晶取向的作用，尤其是當(dāng)它上面形成的膜主要由NiFe或CoFe組成時(shí)。因此，使用以上列出的材料有效增強(qiáng)了第一和第二鐵磁層之間的交換耦合。
第一取向控制緩沖器可以被配置成，允許第一和第二鐵磁膜相互部分地直接接觸。部分接觸有效地在第一和第二鐵磁膜之間提供鐵磁耦合。
第一取向控制緩沖器可以由從包括釕(Ru)、鉻(Cr)、錸(Re)、銠(Rh)、銥(Ir)、釔(Y)、銀(Ag)、銅(Cu)、其合金、及其化合物的組中選擇的材料形成。當(dāng)?shù)谝蝗∠蚩刂凭彌_器上形成的膜主要由NiFe或CoFe組成時(shí)，這些材料有效提高了它上面形成的膜的結(jié)晶取向。另外，即使當(dāng)?shù)谝蝗∠蚩刂凭彌_器具有增加的厚度，這些材料也允許第一和第二鐵磁膜之間的鐵磁耦合。調(diào)節(jié)第一取向控制緩沖器的厚度，以表現(xiàn)出足夠強(qiáng)的鐵磁耦合。
在另一個(gè)實(shí)施例中，把第一取向控制緩沖器直接形成在隧道阻擋層上，以便表現(xiàn)出鐵磁性，并且第一鐵磁層進(jìn)一步包括在第一取向控制緩沖器上的鐵磁膜。
在又一個(gè)實(shí)施例中，第一鐵磁層進(jìn)一步包括鐵磁膜，并且第一取向控制緩沖器被形成在該鐵磁膜上，表現(xiàn)出鐵磁性。在該情況下，第一非磁層被形成在第一取向控制緩沖器上。
在這些實(shí)施例中，優(yōu)選地第一取向控制緩沖器被配置成表現(xiàn)鐵磁性，并且包括鐵磁材料如NiFe和CoFe、以及從包括鉭、鈮、鋯、鉿、鉬和鎢的組中選擇的至少一種材料。
在優(yōu)選實(shí)施例中，第一取向控制緩沖器由摻有鉭或鋯的NiFe形成，并且第一取向控制緩沖器的鉭或鋯含量在從5到25原子百分?jǐn)?shù)的范圍內(nèi)。
如這樣描述的，本發(fā)明通過(guò)提高第一非磁層的結(jié)晶取向，來(lái)實(shí)現(xiàn)交換耦合的增強(qiáng)。通過(guò)第一非磁層的交換耦合強(qiáng)度取決于分別與第一和第二鐵磁層接觸的第一非磁層的表面狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)谝环谴艑拥淖罹o密堆積面(clostest-packed face)平行于第一非磁層的表面時(shí)，即當(dāng)?shù)谝环谴艑拥淖罹o密堆積面取向于膜平面的垂線時(shí)，獲得了最強(qiáng)的交換耦合。因此，獲得足夠強(qiáng)交換耦合的一種方法是，在第一非磁層的最緊密堆積面取向于膜平面的垂線的情況下提高第一非磁層的結(jié)晶取向。
一種期望的方法是，提高第一鐵磁層的結(jié)晶取向，使得第一鐵磁層的最緊密堆積面取向于膜平面的垂線。把第一非磁層沉積在鐵磁下層的最緊密堆積面上有助于第一非磁層和鐵磁下層之間的晶格匹配，由此在最緊密堆積面垂直于膜平面取向的情況下提高第一非磁層的結(jié)晶取向。
當(dāng)?shù)谝蝗∠蚩刂凭彌_器位于第一和第二鐵磁膜之間、以便在它們之間提供鐵磁耦合時(shí)，在第二鐵磁膜的最緊密堆積面取向于膜平面的垂線的情況下，第二鐵磁膜表現(xiàn)出比第一鐵磁膜告的結(jié)晶取向。這是因?yàn)?，在第二鐵磁膜的最緊密堆積面取向于膜平面的垂線的情況下，第一取向控制緩沖器提高了第二鐵磁膜的結(jié)晶取向，由此在第一非磁膜的最緊密堆積面取向于膜平面的垂線的情況下提高了第一非磁膜的結(jié)晶取向。這實(shí)現(xiàn)了交換耦合的增強(qiáng)。當(dāng)?shù)诙F磁膜具有面心立方(FCCface-centered cubic)結(jié)構(gòu)時(shí)，第二鐵磁膜優(yōu)選地被配置成表現(xiàn)高FCC(111)取向。當(dāng)?shù)诙F磁膜具有體心立方(BCCbody-centeredcubic)結(jié)構(gòu)時(shí)，第二鐵磁膜優(yōu)選地被配置成表現(xiàn)高BCC(110)取向。最后，當(dāng)?shù)诙F磁膜具有六方緊密堆積(HCPhexagonal closed packed)結(jié)構(gòu)時(shí)，第二鐵磁膜優(yōu)選地被配置成表現(xiàn)高HCP(001)取向。當(dāng)?shù)诙F磁膜由從包括Ni、Fe、Co及其合金的組中選擇的材料形成、并且當(dāng)?shù)谝环谴拍び舍懟蜥懞辖鹦纬蓵r(shí)，這些尤其有效。如從晶格常數(shù)理解的，在釕膜的HCP(001)面和NiFeCo合金膜的最緊密堆積面之間實(shí)現(xiàn)了晶格匹配的提高。
為了減小第一和第二鐵磁層之間的結(jié)構(gòu)差異，第二鐵磁層優(yōu)選地包括第三鐵磁膜、位于第三鐵磁膜上方的第四鐵磁膜、以及位于第三和第四鐵磁膜之間的第二取向控制緩沖器。
在這種情況下，第二取向控制緩沖器優(yōu)選地由非晶形材料如NiFeTaOx、NiFeTaNx、CoFeB和NiFeB形成，以避免過(guò)度提高第四鐵磁膜的結(jié)晶取向。
同樣，第二鐵磁膜優(yōu)選地包括位于第二取向控制緩沖器和第四鐵磁膜之間的第三取向控制緩沖器，第三取向控制緩沖器被配置成增強(qiáng)第四鐵磁膜。
為了在總體上抑止第二鐵磁層結(jié)晶取向的過(guò)度提高，第二鐵磁層優(yōu)選地包括第一非磁層上的非晶形鐵磁膜、非晶形鐵磁膜上的第四取向控制緩沖器、以及第四取向控制緩沖器上的附加鐵磁膜，第四取向控制緩沖器被配置成提高附加鐵磁膜的結(jié)晶取向。
當(dāng)?shù)诙F磁層包括第三和第四鐵磁膜以及位于第三和第四鐵磁膜之間的第五取向控制緩沖器時(shí)，優(yōu)選地使第三鐵磁膜受到等離子處理，并將所放置的第五取向控制緩沖器配置成提高第四鐵磁膜的結(jié)晶取向。
當(dāng)分層鐵磁結(jié)構(gòu)包括三個(gè)或更多鐵磁層時(shí)，具體地說(shuō)，當(dāng)分層鐵磁結(jié)構(gòu)包括第二鐵磁層上的第二非磁層以及第二非磁層上的第三鐵磁層時(shí)，使用避免第二鐵磁層結(jié)晶取向過(guò)度提高的技術(shù)尤其可取。
在這種情況下，第三鐵磁層優(yōu)選地包括第五鐵磁膜、位于第五鐵磁膜上方的第六鐵磁膜、以及由非晶形材料形成且位于第五和第六鐵磁膜之間的第六取向控制緩沖器。
當(dāng)?shù)谌F磁層包括第五和第六鐵磁膜以及位于它們之間的第六取向控制緩沖器時(shí)，優(yōu)選地使第五鐵磁膜受到等離子處理，并將第六取向控制緩沖器配置成提高第六鐵磁膜的結(jié)晶取向。
當(dāng)分層鐵磁結(jié)構(gòu)包括三個(gè)鐵磁層時(shí)，第二鐵磁層優(yōu)選地由摻有非鐵磁性材料的鐵磁材料形成。在該情況下，更為優(yōu)選的是，第三鐵磁層由摻有非鐵磁性材料的鐵磁材料形成。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，分層鐵磁結(jié)構(gòu)包括第一和第二鐵磁層，以及位于第一和第二鐵磁層之間的第一非磁層。第一鐵磁層的頂表面和第一非磁層接觸。第一鐵磁層包括相互反鐵磁耦合的第一和第二鐵磁膜。第二鐵磁膜位于第一鐵磁膜和第一非鐵磁膜之間。第二鐵磁膜的結(jié)晶取向不同于第一鐵磁膜的結(jié)晶取向。
這樣設(shè)計(jì)的分層鐵磁結(jié)構(gòu)允許通過(guò)適當(dāng)控制第二鐵磁膜來(lái)控制第一非鐵磁層，由此提供對(duì)第一和第二鐵磁層之間的交換耦合強(qiáng)度的控制。
當(dāng)分層鐵磁結(jié)構(gòu)用作SAF時(shí)，第一非磁層被配置成在第一和第二鐵磁層之間提供反鐵磁耦合。
在一個(gè)實(shí)施例中，第二鐵磁膜被配置成表現(xiàn)出比第一鐵磁膜高的結(jié)晶取向。這實(shí)現(xiàn)了第二鐵磁層上的第一非磁層的結(jié)晶取向提高，由此增強(qiáng)通過(guò)第一非磁層的交換耦合。當(dāng)?shù)谝昏F磁膜和非晶形膜接觸時(shí)，這是尤其有利的。
第二鐵磁層優(yōu)選地包括相互鐵磁地耦合的第三和第四鐵磁膜。在該情況下，第四鐵磁膜優(yōu)選地被配置成表現(xiàn)出比第三鐵磁膜差的結(jié)晶取向?？梢允沟谌F磁膜受到等離子處理。
當(dāng)分層鐵磁結(jié)構(gòu)包括第二鐵磁層上的第二非磁層以及第二非磁層上的第三鐵磁層時(shí)，其中第四鐵磁膜表現(xiàn)出比第三鐵磁膜差的結(jié)晶取向的結(jié)構(gòu)、以及其中第三鐵磁膜受到等離子處理的結(jié)構(gòu)尤其有效。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)分層鐵磁結(jié)構(gòu)由三個(gè)或更多鐵磁層以及被插入它們之中的非磁層形成時(shí)，當(dāng)沉積的次序靠后時(shí)、非磁層表現(xiàn)出更高的結(jié)晶取向。這不合需要地造成通過(guò)各個(gè)非磁層的交換耦合的不均勻性。然而，利用其中第四鐵磁膜表現(xiàn)出比第三鐵磁膜差的結(jié)晶取向的結(jié)構(gòu)、或其中第三鐵磁膜受到等離子處理的結(jié)構(gòu)，有效避免了交換耦合的不均勻性，這是因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)有效避免了第二非磁層結(jié)晶取向的過(guò)度提高。
應(yīng)該注意，當(dāng)分層鐵磁結(jié)構(gòu)用作SAF時(shí)，第二非磁層被形成為在第二和第三鐵磁層之間提供反鐵磁耦合。
第三鐵磁層優(yōu)選地包括第五鐵磁層以及與第五鐵磁層鐵磁地耦合的第六鐵磁層。在該情況下，第六鐵磁層優(yōu)選地被配置成表現(xiàn)出比第五鐵磁膜差的結(jié)晶取向。同樣，優(yōu)選地使第五鐵磁膜受到等離子處理。
為了避免通過(guò)各個(gè)非磁層的交換耦合的不均勻性，同樣第二鐵磁層優(yōu)選地由摻有非磁性材料的鐵磁材料形成。在該情況下，優(yōu)選地第三鐵磁材料也由摻有非磁性材料的鐵磁材料形成。
在替換實(shí)施例中，第二鐵磁膜被配置成表現(xiàn)出比第一鐵磁膜差的結(jié)晶取向。這種結(jié)構(gòu)允許位于第一鐵磁膜上方的第二非磁層的結(jié)晶取向的惡化。
這樣設(shè)計(jì)的分層鐵磁結(jié)構(gòu)優(yōu)選地應(yīng)用于自由磁層和固定磁層。
當(dāng)上述分層鐵磁結(jié)構(gòu)用作SAF時(shí)，控制非磁層的厚度以獲得期望強(qiáng)度的反鐵磁耦合。當(dāng)上述分層鐵磁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于除SAF以外的產(chǎn)品時(shí)，控制非磁層的厚度以獲得期望強(qiáng)度的鐵磁耦合。


由以下連同附圖一起考慮的說(shuō)明，本發(fā)明的以上及其它優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更加顯而易見(jiàn)，其中圖1A是示出常規(guī)MRAM的示范性結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖1B是示出圖1A所示常規(guī)MRAM的示范性結(jié)構(gòu)的平面圖；圖1C是用作采用星形寫的MRAM中的自由磁層的SAF的磁化強(qiáng)度曲線；圖1D是示出與切換磁場(chǎng)(Hc)相對(duì)應(yīng)的星形曲線的曲線圖；圖2A是示出常規(guī)MRAM的另一個(gè)示范性結(jié)構(gòu)的平面圖；圖2B是示出一種在常規(guī)MRAM中實(shí)現(xiàn)輪轉(zhuǎn)寫的過(guò)程的概念圖；圖3是示出SAF的理想磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖；圖4是示出非磁層厚度和交換耦合能量之間的關(guān)系的曲線圖；圖5A是示出本發(fā)明第一實(shí)施例中的MRAM的結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖5B是示出本發(fā)明第一實(shí)施例中的MRAM的另一種結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖6是示出緩沖膜典型結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖7A是示出本發(fā)明第一實(shí)施例中的MRAM的又一種結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖7B是示出本發(fā)明第一實(shí)施例中的MRAM的又一種結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖8是示出本發(fā)明第二實(shí)施例中的MRAM的示范性結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖9是示出本發(fā)明第二實(shí)施例中的MRAM的優(yōu)選結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖10是示出本發(fā)明第二實(shí)施例中的MRAM的另一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；
圖11A是示出本發(fā)明第二實(shí)施例中的MRAM的又一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖11B是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的MRAM的又一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖12是示出本發(fā)明第三實(shí)施例中的MRAM的示范性結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖13是示出本發(fā)明第三實(shí)施例中的MRAM的優(yōu)選結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖14是示出本發(fā)明第三實(shí)施例中的MRAM的另一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖15是示出本發(fā)明第三實(shí)施例中的MRAM的又一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖16是示出本發(fā)明第四實(shí)施例中的MRAM的示范性結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖17A是示出本發(fā)明第四實(shí)施例中的MRAM的另一種結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖17B是示出第五實(shí)施例中的MRAM的優(yōu)選結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖17C是示出第五實(shí)施例中的MRAM的另一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)的橫斷面圖；圖18A是示出實(shí)施例1和比較例1的SAF的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖；圖18B是示出實(shí)施例2和比較例2的SAF的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖；圖19A是示出實(shí)施例3和比較例3的SAF的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖；圖19B是示出實(shí)施例4和比較例4的SAF的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖；圖20是示出緩沖膜的材料和厚度與在SAF內(nèi)的鐵磁層之間起作用的交換耦合能量J的大小之間的關(guān)系的表；圖21A是本發(fā)明實(shí)施例的SAF的透射電子顯微鏡(TEM)圖像；
圖21B是本發(fā)明實(shí)施例的SAF的TEM圖像；圖22A是示出通過(guò)能量分散X射線光譜學(xué)(EDX)技術(shù)測(cè)量的、本發(fā)明實(shí)施例的SAF中的Ta分布的曲線圖；圖22B是示出通過(guò)EDX技術(shù)測(cè)量的、本發(fā)明實(shí)施例的SAF中的Ni分布的曲線圖；圖22C是示出通過(guò)EDX技術(shù)測(cè)量的、本發(fā)明實(shí)施例的SAF中的Ru分布的曲線圖；圖23A是示出(Ni81Fe19)100-xTax膜的磁化強(qiáng)度M與Ta含量x的相關(guān)性的曲線圖；圖23B是示出(Ni81Fe19)100-xZrx膜的磁化強(qiáng)度M與Zr含量x的相關(guān)性的曲線圖；圖24是示出實(shí)施例5的交換耦合能量J及飽和磁場(chǎng)Hs與Ta含量x的相關(guān)性的曲線圖；圖25是示出實(shí)施例6的交換耦合能量J及飽和磁場(chǎng)Hs與Ta含量x的相關(guān)性的曲線圖；圖26是示出實(shí)施例7的交換耦合能量J及飽和磁場(chǎng)Hs與Ta含量x的相關(guān)性的曲線圖；圖27是示出本發(fā)明實(shí)施例8的包括Ta膜作為緩沖膜的SAF的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖；圖28是示出飽和磁場(chǎng)Hs與用作實(shí)施例8的SAF緩沖膜的Ta膜的厚度之間的關(guān)系的曲線圖；圖29是示出比較例5的、在鐵磁層內(nèi)包括CoFe膜的SAF的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖；圖30是示出飽和磁場(chǎng)Hs與比較例5的SAF的CoFe膜厚度之間的關(guān)系的曲線圖；圖31A是示出磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk與本發(fā)明實(shí)施例8的SAF的Ta膜厚度之間的關(guān)系的曲線圖；圖31B是示出磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk與比較例5的SAF的CoFe膜厚度之間的關(guān)系的曲線圖；圖32是示出實(shí)施例8和比較例5的SAF的交換耦合能量J和磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的表；圖33是示出交換耦合能量J與用作非晶形緩沖膜的SiO2膜的厚度之間的關(guān)系的曲線圖；圖34A是示出本發(fā)明實(shí)施例9的SAF的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖；圖34B是示出比較例6的SAF的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖；圖35A是示出本發(fā)明實(shí)施例10和11的SAF的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖；圖35B是示出比較例7和8的SAF的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖；以及圖36是示出本發(fā)明實(shí)施例12的、包括Ta膜作為緩沖膜的SAF的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的分層鐵磁結(jié)構(gòu)優(yōu)選地應(yīng)用于MRAM存儲(chǔ)單元中的自由磁層和/或固定磁層。在以下實(shí)施例中，詳細(xì)地說(shuō)明優(yōu)選的MRAM存儲(chǔ)單元(memory cell)結(jié)構(gòu)。
第一實(shí)施例圖5A是示出本發(fā)明第一實(shí)施例中的MRAM存儲(chǔ)單元示例結(jié)構(gòu)的橫斷面圖。MRAM由以下組成襯底1、在襯底1上形成的底電極2、由反鐵磁材料形成的反鐵磁層3、固定磁層4、隧道阻擋層5、自由磁層6及頂部接觸層7。通過(guò)反鐵磁層3和固定磁層4之間的交換相互作用，來(lái)固定固定磁層4的磁化強(qiáng)度。固定磁層4由單鐵磁層或SAF組成，并且其磁化強(qiáng)度由反鐵磁層3固定。
隧道阻擋層5由超薄非磁性絕緣層組成。在該實(shí)施例中，許多材料可以用于隧道阻擋層5。就晶體結(jié)構(gòu)而論，隧道阻擋層5可以由非晶形或晶體材料形成。具體地說(shuō)，隧道阻擋層5可以由通過(guò)使鋁膜氧化而形成的非晶形AlOx層組成。作為選擇，可以把具有NaCl結(jié)構(gòu)的高度取向結(jié)晶MgO層用作隧道阻擋層5。把表現(xiàn)出高(001)取向的結(jié)晶MgO層用作隧道阻擋層5有利地獲得高的磁隧道結(jié)MR比(highMR ratio of the magnetia tunnel junction)。應(yīng)該注意，本發(fā)明產(chǎn)生其有利的效果，而與隧道阻擋層5的材料和晶體結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。
自由磁層6由包括具有可反轉(zhuǎn)磁化強(qiáng)度的鐵磁層的SAF組成。自由磁層6的磁化強(qiáng)度指向與要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的方向。固定磁層4、隧道阻擋層5和自由磁層6組成了MTJ元件。由于隧道磁阻效應(yīng)，MTJ元件的電阻在自由磁層6內(nèi)的鐵磁層的磁化強(qiáng)度方向上改變，即在存儲(chǔ)到自由磁層6上的數(shù)據(jù)的方向上改變。根據(jù)MTJ元件的電阻變化，來(lái)識(shí)別數(shù)據(jù)。
具體地說(shuō)，自由磁層6由第一鐵磁層11、第二鐵磁層13和位于它們之間的非磁層12組成。第一鐵磁層11被形成在隧道阻擋層5上。第一鐵磁層11和第二鐵磁層13都被配置成表現(xiàn)出鐵磁行為。非磁層12被配置成在第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間提供反鐵磁交換耦合。詳細(xì)地說(shuō)，選擇非磁層12的材料和膜厚度，使得第一鐵磁層11和第二鐵磁層13反鐵磁地耦合。在優(yōu)選實(shí)施例中，非磁層12由具有大約0.9nm厚度的釕膜組成。如以下詳細(xì)描述的，該實(shí)施例中的MRAM結(jié)構(gòu)致力于提高非磁層12的結(jié)晶取向。非磁層12結(jié)晶取向的提高對(duì)于增強(qiáng)第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的交換耦合是重要的。
在圖5A所示的MRAM結(jié)構(gòu)中，第一鐵磁層11由兩個(gè)鐵磁膜21、23以及位于它們之間的緩沖膜22組成。鐵磁膜21和23由鐵磁材料如坡莫合金(NiFe)和CoFe構(gòu)成。選擇緩沖膜22的材料和沉積方法，使得沉積在緩沖膜22上的鐵磁膜23的結(jié)晶取向得以提高。緩沖膜22允許鐵磁膜23表現(xiàn)出比位于緩沖膜22下面的鐵磁膜21更高的結(jié)晶取向。鐵磁膜23結(jié)晶取向的提高導(dǎo)致了它上面形成的非磁層12的結(jié)晶取向提高，并由此有效增強(qiáng)第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的交換耦合?？梢酝ㄟ^(guò)濺射法由鉭或釕形成緩沖膜。稍后將描述緩沖膜22的細(xì)節(jié)。
通過(guò)緩沖膜22來(lái)提高鐵磁膜23的結(jié)晶取向本質(zhì)上對(duì)于增強(qiáng)第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的交換耦合是重要的。鐵磁膜21表現(xiàn)出差結(jié)晶取向，這是因?yàn)樗恍纬稍诜蔷嗡淼雷钃鯇?上。因?yàn)殍F磁膜21的差結(jié)晶取向，所以緩沖膜22有效避免了非磁層12變成差取向。在鐵磁膜21上形成的緩沖膜22提高了在緩沖膜22上形成的鐵磁膜23的結(jié)晶取向，并因此提高了鐵磁膜23上形成的非磁層12的結(jié)晶取向。非磁層12結(jié)晶取向的提高有效增強(qiáng)了第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的交換耦合。
這樣形成緩沖膜22，使得鐵磁膜21和23反鐵磁地耦合。應(yīng)該注意，雖然第一鐵磁層11包括多個(gè)鐵磁膜21和23，但是第一鐵磁層11起單鐵磁層的作用。
如上所述，緩沖膜22要滿足的一個(gè)要求是提高在它上面形成的鐵磁膜23的結(jié)晶取向，另一個(gè)要求是鐵磁地耦合鐵磁膜21和23。滿足這些要求的第一種方法是，根據(jù)以下兩個(gè)條件(A1)和(A2)來(lái)形成緩沖膜22(A1)由從包括鉭(Ta)、釕(Ru)、鈮(Nb)、釩(V)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、鋁(Al)、鎂(Mg)、硅(Si)、釔(Y)、鈰(Ce)、鈀(Pd)、錸(Re)及其合金的組中選擇的一種材料，來(lái)構(gòu)成緩沖膜22。
(A2)極度減小緩沖膜22的厚度。優(yōu)選地，把緩沖膜的平均厚度減小到1.0nm或更小，更為優(yōu)選地，減小到0.7nm或更小。
使用條件(A1)中列出的材料有效提高了緩沖膜22上形成的鐵磁膜23的結(jié)晶取向。如上所述，鐵磁膜23結(jié)晶取向的提高對(duì)于提高它上面形成的非磁層12的結(jié)晶取向，是重要的。
另外，緩沖膜22厚度的減小對(duì)于允許鐵磁膜21和23起單鐵磁層的作用，是重要的。
當(dāng)鐵磁膜21和23由坡莫合金(NiFe)或CoFe形成時(shí)，尤其優(yōu)選的是，緩沖膜22由從包括以下的組中選擇的一種材料形成鉭(Ta)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、鎢(W)、其合金、以及任何元素和合金的化合物。這些材料尤其表現(xiàn)出以下增強(qiáng)效果提高具有面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)的坡莫合金(NiFe)膜和CoFe膜以及具有體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)的富鐵NiFe膜的結(jié)晶取向。因此，把以上列出的材料用于緩沖膜22有效提高緩沖膜22上形成的鐵磁膜23的結(jié)晶取向，并由此提高鐵磁膜23上形成的非磁層12的結(jié)晶取向。另外，當(dāng)把元素包括在緩沖膜22內(nèi)作為化合物如氧化物、氮化物和碳化物，并且當(dāng)緩沖膜22這樣薄、以至其厚度減小到1.0nm或更小時(shí)，使用從包括(Ta)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、鎢(W)的組中選擇的元素，提供了提高鐵磁膜23和它上面形成的非磁層12的結(jié)晶取向的效果。
滿足上述兩個(gè)要求的第二種方法是，根據(jù)以下兩個(gè)條件(B1)和(B2)來(lái)形成緩沖膜22(B1)由從包括釕(Ru)、鉻(Cr)、錸(Re)、銠(Rh)、銥(Ir)、釔(Y)、銀(Ag)和銅(Cu)的組中選擇的一種材料，來(lái)構(gòu)成緩沖膜22。
(B2)把緩沖膜22的厚度選為允許緩沖膜22表現(xiàn)出鐵磁交換耦合的厚度。
如參考圖4所說(shuō)明的，當(dāng)把以上列出的材料之一用作緩沖膜22時(shí)，取決于緩沖膜22的厚度，緩沖膜22提供反鐵磁或鐵磁交換耦合。通過(guò)適當(dāng)選擇緩沖膜22的厚度，來(lái)獲得鐵磁交換耦合。
該方法不需要極度減小緩沖膜的厚度來(lái)提供鐵磁膜21和23之間的鐵磁耦合。因此，該方法的可取之處在于，允許緩沖膜22具有要控制的足夠膜厚度。緩沖膜22具有足夠厚度有以下功效進(jìn)一步提高它上面形成的鐵磁膜23的結(jié)晶取向、并由此提高非磁層12的結(jié)晶取向。
滿足上述兩個(gè)要求的第三種方法是，用這樣的鐵磁材料來(lái)形成緩沖膜22，該鐵磁材料摻有表現(xiàn)出提高設(shè)置在其上面的薄膜的結(jié)晶取向的作用的材料。具體地說(shuō)，緩沖膜22優(yōu)選地由其組成由組成公式(FM)1-xMx表示的材料形成，其中材料“FM”是從表現(xiàn)出鐵磁特性的材料中選擇的，具體地說(shuō)，是從包括Ni、Fe和Co及其合金的組中選擇的，并且材料“M”是從包括鉭(Ta)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、鎢(W)及其合金的組中選擇的。這樣確定組成公式中的索引“x”，使得緩沖膜22在鐵磁膜21和23之間提供交換耦合，并表現(xiàn)出其鐵磁特性。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，把坡莫合金(NiFe)選為材料“FM”，并把鉭(Ta)或鋯(Zr)選為材料“M”。索引“x”大于5％，并且等于或小于25％。
具有這種組成的緩沖膜22通過(guò)以上列出的元素(即Ta、Nb、Zr、Hf、Mo和W)的作用，來(lái)有效提高鐵磁膜23的結(jié)晶取向，并因此提高非磁層12的結(jié)晶取向。另外，因?yàn)榫彌_膜22自身由鐵磁材料形成，所以鐵磁膜21和23與其膜厚度無(wú)關(guān)地、自動(dòng)地鐵磁耦合。這有以下功效通過(guò)增加緩沖膜22的膜厚度，來(lái)提高緩沖膜22上形成的鐵磁膜23以及非磁層12的結(jié)晶取向。
與僅由非磁性元素構(gòu)成的緩沖膜22相比，由摻有從Ta、Nb、Zr、Hf、Mo和W中選擇的一種或多種材料的鐵磁材料構(gòu)成的緩沖膜22的優(yōu)點(diǎn)是，利用較少量的非磁性元素來(lái)實(shí)現(xiàn)第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間交換耦合的增強(qiáng)。具有提高結(jié)晶取向作用的元素典型地是難以蝕刻的耐高溫金屬。因而，減少以上列出的材料的總量對(duì)于使MRAM制造過(guò)程變得容易是有效的。
本發(fā)明者在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了由摻有從Ta、Nb、Zr、Hf、Mo和W中選擇的一種材料的鐵磁材料構(gòu)成的緩沖膜22的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明者測(cè)量了以下兩種SAF結(jié)構(gòu)的飽和磁場(chǎng)Hs和交換耦合能量J其中第一鐵磁層11由兩個(gè)被0.3nm的Ta膜所組成的緩沖膜隔開(kāi)的NiFe膜組成的一種SAF結(jié)構(gòu)；以及其中第一鐵磁層11由兩個(gè)被1.0nm的(NiFe)85Ta15膜所組成的緩沖膜隔開(kāi)的NiFe膜組成的另一種SAF結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意，從Ta元素總量的觀點(diǎn)來(lái)看，1nm的(NiFe)85Ta15膜對(duì)應(yīng)于0.15nm的Ta膜。當(dāng)緩沖膜22由0.3nm的Ta膜組成時(shí)，飽和磁場(chǎng)Hs為203(Oe)，并且交換耦合能量J為0.01166(爾格/cm2)。另一方面，當(dāng)緩沖膜22由1.0nm的(NiFe)85Ta15膜組成時(shí)，飽和磁場(chǎng)Hs為192(Oe)，并且交換耦合能量J為0.01519(爾格/cm2)。如這樣描述的，這兩個(gè)SAF的飽和磁場(chǎng)Hs和交換耦合能量J基本上相同。這意味，把摻有表現(xiàn)出結(jié)晶取向提高作用的元素的鐵磁元素用作緩沖膜22有效實(shí)現(xiàn)了以下效果利用減小數(shù)量的非磁性元素來(lái)增加交換耦合能量J。
當(dāng)緩沖膜22由摻有具有結(jié)晶取向提高作用的元素(即Ta、Nb、Zr、Hf、Mo和W)的鐵磁材料形成時(shí)，如圖7A所示，可以把緩沖膜22直接形成在隧道阻擋層5上。在該情況下，從第一鐵磁層11除去鐵磁膜21。這種結(jié)構(gòu)也提高了緩沖膜22上形成的鐵磁膜23的結(jié)晶取向，并因此提高非磁層12的結(jié)晶取向。圖7A所示結(jié)構(gòu)的相當(dāng)可取之處在于，第一鐵磁層11內(nèi)的膜數(shù)目減少了。
應(yīng)該注意，當(dāng)如圖7A所示把緩沖膜22直接形成在隧道阻擋層5上時(shí)，緩沖膜22由鐵磁材料形成具有特殊重要性。在圖7A所示結(jié)構(gòu)中，當(dāng)緩沖膜22由非磁性材料(例如Ta、Nb、Zr、Hf、Mo、W等)形成時(shí)，MTJ元件的MR比將不合需要地減小。MR比的減小是不希望的，這是因?yàn)樗鼝夯疢RAM的讀操作可靠性。
而且，當(dāng)緩沖膜22由摻有具有結(jié)晶取向提高作用的元素的鐵磁材料形成時(shí)，可以把緩沖膜22形成為直接和非磁層12接觸，如圖7B所示。在該情況下，從第一鐵磁層11除去鐵磁膜23。由于緩沖膜22的作用，這種結(jié)構(gòu)也提高非磁層12的結(jié)晶取向。圖7B結(jié)構(gòu)的相當(dāng)可取之處在于，第一鐵磁層11內(nèi)的膜數(shù)目減少了。
應(yīng)該注意，當(dāng)如圖7B所示使緩沖膜22直接和非磁層12接觸時(shí)，緩沖膜22由鐵磁材料形成具有特殊重要性。如果緩沖膜22由非磁性材料形成，則不能通過(guò)非磁層12在第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間施加反鐵磁交換耦合。這不合需要地阻止了自由磁層6起SAF的作用。
應(yīng)該注意，當(dāng)緩沖膜22的厚度極薄時(shí)，緩沖膜22可以不連續(xù)，如圖6所示，典型地表現(xiàn)出島生長(zhǎng)(island growth)。不連續(xù)緩沖膜22也提高它上面形成的鐵磁膜23的結(jié)晶取向。不連續(xù)緩沖膜22對(duì)于在鐵磁膜21和23之間提供鐵磁耦合相當(dāng)有效。不連續(xù)的緩沖膜22結(jié)構(gòu)允許鐵磁膜21和23彼此部分地直接接觸。部分直接接觸在鐵磁膜21和23之間提供了鐵磁耦合。
在該實(shí)施例中，可以把多個(gè)緩沖層插入第一鐵磁層11中。例如，如圖5B所示，第一鐵磁層11可以由三個(gè)鐵磁膜21、23和25以及位于它們之間的緩沖層22和24組成。插入多個(gè)緩沖層有效提高了位于第一鐵磁層11頂部的鐵磁層25的結(jié)晶取向，并由此進(jìn)一步提高非磁層12的結(jié)晶取向。
如這樣描述的，提高非磁層12的結(jié)晶取向是重要的。此外，極為優(yōu)選地，非磁層12是高度取向的，使得最緊密堆積面取向于膜平面的垂線。例如，當(dāng)非磁層12由表現(xiàn)出六方緊密堆積(HCP)結(jié)構(gòu)的釕(Ru)膜形成時(shí)，有利地提高釕膜的HCP(001)取向。當(dāng)把NiFe合金膜用作分層鐵磁結(jié)構(gòu)內(nèi)的鐵磁層11和12、并把非晶形AlOx膜用作隧道阻擋層5時(shí)，第一鐵磁層11不表現(xiàn)清晰的結(jié)晶取向平面，從而非磁層12也表現(xiàn)出差取向。這不合需要地惡化了鐵磁層11和12之間的交換耦合。上述情況也適用于把結(jié)晶MgO膜用作隧道阻擋層5時(shí)的情況。雖然向第一鐵磁層11提供了垂直于膜平面的較高(111)取向，但是與非晶形AlOx膜相比，使用用于獲得高M(jìn)R比的、表現(xiàn)出高(001)取向的結(jié)晶MgO膜未提供垂直于膜平面的足夠高的(111)取向。具體地說(shuō)，本發(fā)明者的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了，第一鐵磁層11包括以下區(qū)域除最緊密堆積面以外的平面，如(001)平面等垂直于膜平面取向的區(qū)域；以及(111)方向與膜平面的垂線稍微傾斜的區(qū)域。這阻止了第一鐵磁層11表現(xiàn)足夠高的(111)取向。根據(jù)由于MgO和NiFe合金的晶體結(jié)構(gòu)而不能獲得良好的晶格匹配這一事實(shí)，可以推斷這一點(diǎn)。這使得難以沉積在膜表面上提供最緊密堆積面并表現(xiàn)出(001)取向的釕膜。本發(fā)明的SAF結(jié)構(gòu)處理這種情況；該實(shí)施例中的SAF結(jié)構(gòu)切換結(jié)晶取向以及/或者提高SAF內(nèi)的優(yōu)選結(jié)晶取向，由此提高釕膜的(001)取向，因此獲得強(qiáng)反鐵磁耦合?？傊搶?shí)施例中的SAF結(jié)構(gòu)與下層結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)地穩(wěn)定提高釕膜的(001)結(jié)晶取向。
第二實(shí)施例圖5A所示自由磁層6的結(jié)構(gòu)的一個(gè)問(wèn)題在于，由第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的結(jié)構(gòu)差異產(chǎn)生的、第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的特性差異。第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的大特性差異，尤其是晶體磁各向異性和磁化強(qiáng)度與厚度乘積的大差異，對(duì)于實(shí)現(xiàn)輪轉(zhuǎn)寫是不希望的。
在第二實(shí)施例中，提供一種減小第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間特性差異的技術(shù)。具體地說(shuō)，在第二實(shí)施例中，如圖8所示，第二鐵磁層13由多個(gè)鐵磁膜26、28以及位于它們之間的緩沖膜27組成。應(yīng)該注意，第一鐵磁層11的結(jié)構(gòu)可以是圖5A、5B、7A和7B所示的任何一種結(jié)構(gòu)。鐵磁膜26和28由諸如坡莫合金(NiFe)和CoFe的鐵磁材料形成。緩沖膜27由用于提高鐵磁膜28結(jié)晶取向、并由此維持鐵磁膜26和28之間鐵磁耦合的材料形成，如鉭或釕。適當(dāng)選擇緩沖膜27的厚度，以便在鐵磁膜26和28之間提供鐵磁耦合。這種結(jié)構(gòu)允許第二鐵磁層13具有一種類似于/或等同于第一鐵磁層11的結(jié)構(gòu)，并由此減小第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的特性差異。
圖9示出了另一種用于進(jìn)一步減小第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間特性差異的結(jié)構(gòu)。在圖8的結(jié)構(gòu)中，第二鐵磁層13中包括的鐵磁膜26和28都是高度取向的，這是因?yàn)殍F磁膜26和28都被形成在表現(xiàn)出高結(jié)晶取向的非磁層12上。另一方面，關(guān)于第一鐵磁層11，如上所述，鐵磁膜21表現(xiàn)差結(jié)晶取向。這得出結(jié)論在第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間存在晶體結(jié)構(gòu)差異。從鐵磁層中包括的鐵磁膜的結(jié)晶取向的觀點(diǎn)來(lái)看，圖9的結(jié)構(gòu)意圖減小第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的結(jié)構(gòu)差異。
詳細(xì)地說(shuō)，在圖9的結(jié)構(gòu)中，第二鐵磁層13由鐵磁膜26、28A以及位于它們之間的非晶形(amorphous)緩沖膜27A組成。非晶形緩沖膜27A被形成為非晶形的，也就是被形成為沒(méi)有結(jié)晶取向。在這種結(jié)構(gòu)中，因?yàn)殍F磁膜28A被形成在沒(méi)有結(jié)晶取向的非晶形緩沖膜27A上，所以鐵磁膜28A表現(xiàn)出差結(jié)晶取向。因而，在圖9的結(jié)構(gòu)中，第一鐵磁層11和第二鐵磁層13每一個(gè)都由一個(gè)差取向鐵磁膜(即鐵磁膜21或28A)和一個(gè)高度取向鐵磁膜(即鐵磁膜23或26)組成，這減小了第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的結(jié)構(gòu)差異。結(jié)構(gòu)差異的減小對(duì)于減小第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的特性差異是優(yōu)選的。
非晶形緩沖膜27A可以是由非磁非晶形材料如SiN、AlN和AlOx形成的超薄膜。當(dāng)非晶形緩沖膜27A由非磁性材料構(gòu)成時(shí)，以超薄膜厚來(lái)形成非晶形緩沖膜27A對(duì)于在鐵磁膜26和28A之間提供鐵磁耦合是重要的。非晶形緩沖膜27A不必是連續(xù)的、以便鐵磁地耦合鐵磁膜26和28A。而是如上所述，優(yōu)選地非晶形緩沖膜27A表現(xiàn)出島結(jié)構(gòu)。
非晶形緩沖膜27A也可以由非晶形鐵磁材料如NiFeTaOx、NiFeTaNx、CoFeB和NiFeB構(gòu)成。用非晶形鐵磁材料來(lái)形成非晶形緩沖膜27A的有利之處在于，即使當(dāng)非晶形緩沖膜27A的厚度增加時(shí)，鐵磁膜26和28A也鐵磁地耦合。
雖然非晶形緩沖膜27A使它上面形成的鐵磁膜28A的結(jié)晶取向惡化，但是有一種情況，鐵磁膜28A結(jié)晶取向的過(guò)度惡化是不可取的。希望可以根據(jù)期望的特性，來(lái)靈活地控制鐵磁膜28A的結(jié)晶取向。
為了控制鐵磁膜28A的結(jié)晶取向，如圖10所示，優(yōu)選地把取向控制緩沖膜27B插入非晶形緩沖膜27A和鐵磁膜28A之間。取向控制緩沖膜27B可以由用于提高它上面形成的鐵磁膜的結(jié)晶取向的膜形成，如鉭膜或釕膜。這種結(jié)構(gòu)允許鐵磁膜28A表現(xiàn)出適當(dāng)控制的結(jié)晶取向。具體地說(shuō)，厚取向控制緩沖膜27B的形成提高鐵磁膜28A的結(jié)晶取向。相反，薄取向控制緩沖膜27B的形成惡化鐵磁膜28A的結(jié)晶取向。
圖11A示出了另一種用于進(jìn)一步減小第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間特性差異的結(jié)構(gòu)。在圖11A的結(jié)構(gòu)中，第二鐵磁層13由非晶形鐵磁層26B、緩沖膜27和鐵磁膜28組成。非晶形鐵磁層26B典型地由NiFeTaOx、NiFeTaNx、CoFeB和NiFeB形成。緩沖膜27由用于提高鐵磁膜28結(jié)晶取向、并由此維持鐵磁膜26和28之間鐵磁耦合的材料形成，如鉭和釕。在這種結(jié)構(gòu)中，第二鐵磁層13由一個(gè)不表現(xiàn)結(jié)晶取向的鐵磁膜(即鐵磁膜26B)和另一個(gè)高度取向鐵磁膜(即鐵磁膜28)組成，并且由結(jié)晶取向來(lái)看，第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的結(jié)構(gòu)差異減小了。
圖11B示出了又一種用于減小第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間特性差異的結(jié)構(gòu)。在圖11B的結(jié)構(gòu)中，第二鐵磁層13由鐵磁膜26A、28以及位于它們之間的緩沖膜27組成。鐵磁膜26A在被沉積之后受到等離子處理，以惡化其結(jié)晶取向。緩沖膜27由用于提高鐵磁膜28結(jié)晶取向、并由此維持鐵磁膜26A和28之間鐵磁耦合的材料形成。在這種結(jié)構(gòu)中，第二鐵磁層13由一個(gè)差取向鐵磁膜(即鐵磁膜26A)和一個(gè)高度取向鐵磁膜(即鐵磁膜28)組成。從結(jié)晶取向的觀點(diǎn)看，這有效減小了第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的結(jié)構(gòu)差異，并由此減小了第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的特性差異。
第三實(shí)施例在第三實(shí)施例中，提供這樣一種技術(shù)把三個(gè)或更多鐵磁層包括在自由磁層6中。自由磁層6內(nèi)鐵磁層數(shù)目的增加對(duì)于避免由于熱活化而造成的不希望的自由磁層6磁化強(qiáng)度反轉(zhuǎn)是有效的，因?yàn)樗龃罅俗杂纱艑?內(nèi)鐵磁層的總體積。如后面所述，應(yīng)該注意，在此描述的術(shù)語(yǔ)“鐵磁層”表示包括這樣的層，該層中相鄰兩個(gè)鐵磁膜反鐵磁地耦合。
圖12示出了一種示范性MRAM結(jié)構(gòu)，其中自由磁層6由三個(gè)鐵磁層組成第一鐵磁層11、第二鐵磁層13和第三鐵磁層15。非磁層12被插入第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間，另一非磁層14被插入第二鐵磁層13和第三鐵磁層15之間。非磁層12被設(shè)計(jì)成，在第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間提供反鐵磁耦合。相應(yīng)地，非磁層14被設(shè)計(jì)成在第二鐵磁層13和第三鐵磁層15之間提供反鐵磁耦合。第一鐵磁層11由以下組成鐵磁膜21、23；以及位于鐵磁膜21和23之間的緩沖膜22。緩沖膜22被設(shè)計(jì)成提高鐵磁膜23的結(jié)晶取向，以及由此提高鐵磁膜23上形成的非磁層12的結(jié)晶取向。第二鐵磁層13和第三鐵磁層15每一個(gè)都由單層鐵磁膜組成。
在圖12的結(jié)構(gòu)中，位于緩沖膜22上或上方的所有層，即鐵磁膜23、非磁層12、第二鐵磁層13、非磁層14和第三鐵磁層15，都表現(xiàn)出高結(jié)晶取向。這是可取的，因?yàn)閺?qiáng)反鐵磁耦合被施加于第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間、以及第二鐵磁層13和第三鐵磁層15之間。
然而，圖12所示的結(jié)構(gòu)遭受的問(wèn)題是，當(dāng)?shù)骄彌_膜22的距離增大時(shí)，各層(或膜)的結(jié)晶取向提高得更多。即，后面沉積的層表現(xiàn)出比之前沉積的另一層更高的結(jié)晶取向。詳細(xì)地說(shuō)，圖12的結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致以下兩個(gè)問(wèn)題。
一個(gè)問(wèn)題是，非磁層14的結(jié)晶取向可能比非磁層12的結(jié)晶取向高。非磁層12和14之間的結(jié)晶取向差異可能造成，第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的反鐵磁耦合強(qiáng)度不同于第二鐵磁層13和第三鐵磁層15之間的反鐵磁耦合強(qiáng)度。當(dāng)執(zhí)行輪轉(zhuǎn)寫時(shí)，這可能造成寫錯(cuò)誤。在輪轉(zhuǎn)寫中，自由磁層6內(nèi)的鐵磁層作為單磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作是重要的。反鐵磁耦合大小的不均勻性是不可取的，因?yàn)樗赡茉斐勺杂纱艑?內(nèi)只有某些、而非全部鐵磁層選擇性地翻轉(zhuǎn)。
另一個(gè)問(wèn)題是，從結(jié)晶取向的觀點(diǎn)看，第一至第三鐵磁層11、13和15之間的結(jié)構(gòu)差異可能太大。第一鐵磁層11包括差取向的鐵磁膜21。另一方面，第二鐵磁層13由高度取向的鐵磁膜組成。另外，第三鐵磁層15由具有比第二鐵磁層13高的結(jié)晶取向的鐵磁膜組成。這不希望地加大了第一至第三鐵磁層11、13和15之間的特性差異，尤其是晶體磁各向異性的差異。
圖13示出了一種處理這些問(wèn)題的示范性結(jié)構(gòu)。圖13的結(jié)構(gòu)致力于控制第二鐵磁層13內(nèi)鐵磁膜的結(jié)晶取向，以及由此控制第二鐵磁層13和第三鐵磁層15之間的反鐵磁耦合強(qiáng)度，即第二鐵磁層13和第三鐵磁層15之間的交換耦合能量J。具體地說(shuō)，在圖13所示的MRAM中，第二鐵磁層13由鐵磁膜21和23、非晶形緩沖膜27A和取向控制緩沖膜27B組成。非晶形緩沖膜27A和取向控制緩沖膜27B被插入鐵磁膜21和23之間。相應(yīng)地，第三鐵磁層15由鐵磁膜29和31、非晶形緩沖膜30A和取向控制緩沖膜30B組成。非晶形緩沖膜30A和取向控制緩沖膜30B被插入鐵磁膜29和31之間。
被插入第二鐵磁層13中的非晶形緩沖膜27A和取向控制緩沖膜27B有效減小非磁層12和14之間的結(jié)晶取向差異。非晶形緩沖膜27A由非晶形薄膜如SiOx組成，而取向控制緩沖膜27B由用于提高結(jié)晶取向的材料組成，如鉭膜和釕膜。非晶形緩沖膜27A避免了鐵磁膜28的結(jié)晶取向受鐵磁膜26結(jié)晶取向的影響。詳細(xì)地說(shuō)，由于第一鐵磁層11內(nèi)緩沖膜22的作用，使得第二鐵磁層13內(nèi)的鐵磁膜26是高度取向的；然而，被插入鐵磁膜26和鐵磁膜28之間的非晶形緩沖膜27A把鐵磁膜28的晶體結(jié)構(gòu)和鐵磁膜26的晶體結(jié)構(gòu)隔開(kāi)。取向控制緩沖膜27B為鐵磁膜28提供期望的結(jié)晶取向。取向控制緩沖膜27B的厚度增加允許它上面形成的鐵磁膜28具有高結(jié)晶取向。另一方面，取向控制緩沖膜27B的厚度減小允許鐵磁膜28具有差結(jié)晶取向。如這樣描述的，非晶形緩沖膜27A和取向控制緩沖膜27B對(duì)鐵磁膜28的結(jié)晶取向提供靈活的控制，并由此減小非磁層12和14之間的結(jié)晶取向差異。另外，非晶形緩沖膜27A和取向控制緩沖膜27B對(duì)鐵磁膜28的結(jié)晶取向提供靈活的控制，由此，從結(jié)晶取向的觀點(diǎn)看，減小了第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的結(jié)構(gòu)差異。應(yīng)該注意，可以用圖11A所示的第二鐵磁層13的結(jié)構(gòu)來(lái)代替圖13所示的第二鐵磁層13結(jié)構(gòu)。
另一方面，被插入第三鐵磁層15中的非晶形緩沖膜30A和取向控制緩沖膜30B致力于控制第三鐵磁層15內(nèi)鐵磁膜的結(jié)晶取向。類似于第二鐵磁層13，非晶形緩沖膜30A由非晶形薄膜如SiOx組成。取向控制緩沖膜30B由用于提高它上面形成的薄膜的結(jié)晶取向的材料形成，如鉭膜和釕膜。由于類似于第二鐵磁層13內(nèi)的非晶形緩沖膜27A和取向控制緩沖膜27B的作用，非晶形緩沖膜30A和取向控制緩沖膜30B對(duì)它們上面形成的鐵磁膜31的結(jié)晶取向提供靈活的控制。從結(jié)晶取向的觀點(diǎn)看，這有效減小了第一至第三鐵磁層11、13和15之間的結(jié)構(gòu)差異。
圖14示出了另一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)減小第一至第三鐵磁層11、13和15之間的結(jié)構(gòu)差異，同時(shí)處理緩沖膜22上或上方形成的層(或膜)的結(jié)晶取向問(wèn)題。在圖14所示的MRAM中，第二鐵磁層13由鐵磁膜26A和28以及插入它們之間的緩沖膜27組成。鐵磁膜26A在被沉積之后受到等離子處理，由此惡化其結(jié)晶取向。緩沖膜27由用于提高鐵磁膜28結(jié)晶取向、并由此增強(qiáng)鐵磁膜26A和28之間鐵磁耦合的材料形成?？梢愿鶕?jù)緩沖膜27的厚度來(lái)控制鐵磁膜28的結(jié)晶取向。相應(yīng)地，第三鐵磁層15鐵磁膜29A和31以及插入它們之間的緩沖膜30組成。鐵磁膜29A在被沉積之后受到等離子處理，由此惡化其結(jié)晶取向。緩沖膜30由用于提高鐵磁膜31結(jié)晶取向、并由此維持鐵磁膜29A和31之間鐵磁耦合的材料形成?？梢愿鶕?jù)緩沖膜30的厚度來(lái)控制鐵磁膜31的結(jié)晶取向。
在這種結(jié)構(gòu)中，借助于對(duì)鐵磁膜26A執(zhí)行的等離子處理的程度，來(lái)控制非磁層14的結(jié)晶取向，從而有效減小非磁層12和14之間的結(jié)晶取向差異。例如，通過(guò)使鐵磁膜26A受到長(zhǎng)時(shí)間的等離子處理，來(lái)使非磁層14的結(jié)晶取向更加惡化。相反，當(dāng)鐵磁膜26A受到短時(shí)間的等離子處理時(shí)，非磁層14的結(jié)晶取向惡化得更輕。
另外，因?yàn)閷?duì)第二鐵磁層13的鐵磁膜26A和第三鐵磁層15的鐵磁膜29A執(zhí)行的等離子處理，所以從結(jié)晶取向的觀點(diǎn)看，圖14A所示的結(jié)構(gòu)有效減小了第一至第三鐵磁層11、13和15之間的結(jié)構(gòu)差異。應(yīng)該注意，如從圖14理解的，對(duì)鐵磁膜26A和29A執(zhí)行的等離子處理允許第一至第三鐵磁層11、13和15的每一個(gè)都包括一個(gè)高度取向鐵磁膜(即鐵磁膜21、26A或29A)和另一個(gè)差取向鐵磁膜(即鐵磁膜23、28或31)。
雖然圖13和14所示的結(jié)構(gòu)對(duì)于處理緩沖膜22上或上方形成的層(或膜)的結(jié)晶取向問(wèn)題是可取的，但是圖13和14所示的結(jié)構(gòu)遭受結(jié)構(gòu)復(fù)雜性問(wèn)題。圖15示出了一種致力于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、處理緩沖膜22上或上方形成的層(或膜)的結(jié)晶取向問(wèn)題的示范性MRAM結(jié)構(gòu)。
在圖15所示的MRAM中，自由磁層6由第一至第三鐵磁層11、13A、15A以及位于它們之間的非磁層12和14組成。第二鐵磁層13A和第三鐵磁層15A是在以下條件下沉積的第二鐵磁層13A和第三鐵磁層15A不表現(xiàn)過(guò)高的結(jié)晶取向。具體地說(shuō)，利用添加了微量氧或氮的濺射氣體，通過(guò)濺射方法來(lái)形成第二鐵磁層13A和第三鐵磁層15A。作為選擇，可以用摻有微量非磁性材料的鐵磁材料，來(lái)形成第二鐵磁層13A和第三鐵磁層15A。
由于適當(dāng)控制的第二鐵磁層13A的結(jié)晶取向，使得圖15所示的結(jié)構(gòu)有效防止了非磁層14具有過(guò)高的結(jié)晶取向。因此，有效減小了非磁層12和14之間的結(jié)晶取向差異。
另外，在圖15所示的結(jié)構(gòu)中，第二鐵磁層13A和第三鐵磁層15A的結(jié)晶取向得到適當(dāng)?shù)目刂?，并且從結(jié)晶取向的觀點(diǎn)看，第一至第三鐵磁層11、13和15之間的結(jié)構(gòu)差異得到有效減小。
應(yīng)該理解，雖然圖12至14示出了鐵磁層數(shù)目為3的結(jié)構(gòu)，但是鐵磁層的數(shù)目不限于3。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然自由磁層6可以包括4個(gè)或更多鐵磁層。在這種情況下，類似于第二鐵磁層13(或第三鐵磁層15)的結(jié)構(gòu)，來(lái)配置除了與隧道阻擋層5(即第一鐵磁層11)接觸的鐵磁層以外的鐵磁層。
第四實(shí)施例在第四實(shí)施例中，如圖16所示，本發(fā)明應(yīng)用于位于隧道阻擋層上的、由SAF組成的固定磁層。這種結(jié)構(gòu)消除了在典型地為非晶形的隧道阻擋層上形成自由磁層的必要性，由此有效改善自由磁層的特性。
然而，把SAF固定磁層形成在隧道阻擋層上可能造成以下問(wèn)題在固定磁層內(nèi)的鐵磁層之間形成的非磁層的結(jié)晶取向使鐵磁層之間的反鐵磁耦合惡化。鐵磁層之間的反鐵磁耦合的惡化是不可取的，這是因?yàn)楣潭ù艑觾?nèi)的鐵磁層的磁化強(qiáng)度可能不合需要地反轉(zhuǎn)。
另外，固定磁層被形成在隧道阻擋層上的結(jié)構(gòu)不合需要地惡化在固定磁層上形成的反鐵磁層的結(jié)晶取向。這可能導(dǎo)致以下問(wèn)題由反鐵磁層施加于固定磁層上的交換相互作用惡化了，并且固定磁層的磁化強(qiáng)度不是足夠地固定。
第四實(shí)施例中的MRAM結(jié)構(gòu)旨在處理這種問(wèn)題。具體地說(shuō)，第四實(shí)施例中的MRAM結(jié)構(gòu)由底電極2、自由磁層6A、隧道阻擋層5固定磁層4A、反鐵磁層3A和頂部接觸層7組成。自由磁層6A由單鐵磁層或SAF形成，并且被設(shè)計(jì)成其磁化強(qiáng)度可以反轉(zhuǎn)。隧道阻擋層5由超薄非磁性絕緣膜形成。類似于第一至第三實(shí)施例，隧道阻擋層5可以由通過(guò)鋁膜的氧化而形成的AlOx層組成。應(yīng)該注意，這樣形成的AlOx層是非晶形的。
固定磁層4A由SAF形成，其合成磁化強(qiáng)度通過(guò)反鐵磁層3A來(lái)固定。詳細(xì)地說(shuō)，固定磁層4A由第一鐵磁層41、第二鐵磁層43和位于它們之間的非磁層42組成。第二鐵磁層43由磁性硬鐵磁材料如CoFe形成。非磁層42被設(shè)計(jì)成，在第一鐵磁層41和第二鐵磁層43之間提供反鐵磁交換耦合。在優(yōu)選實(shí)施例中，非磁層42由具有大約0.9nm厚度的釕膜組成。
第一鐵磁層41由鐵磁層51和53以及位于它們之間的緩沖層52組成。鐵磁層51和53由磁性硬鐵磁材料如CoFe形成。緩沖層52通過(guò)適當(dāng)沉積方法由材料形成，使得它上面形成的鐵磁膜53的結(jié)晶取向得到提高。緩沖層52被形成為，在鐵磁膜51和53之間提供鐵磁耦合。雖然第一鐵磁層41包括多個(gè)鐵磁膜51和53，但是第一鐵磁層41的磁性行為就象單鐵磁層一樣。
類似于第一實(shí)施例，位于鐵磁膜51和53之間的緩沖層52本質(zhì)上對(duì)于提高第一鐵磁層41和第二鐵磁層43之間的交換耦合是重要的。在鐵磁膜51上形成的緩沖層52提高了它上面形成的鐵磁膜53的結(jié)晶取向，并因此提高鐵磁膜53上形成的非磁層42的結(jié)晶取向。非磁層42結(jié)晶取向的提高增強(qiáng)了第一鐵磁層41和第二鐵磁層43之間的反鐵磁交換耦合。這允許固定磁層4A的凈磁化強(qiáng)度為0，這樣優(yōu)選地避免了固定磁層4A的磁化強(qiáng)度不合需要地反轉(zhuǎn)。
緩沖層52的形成對(duì)于提高固定磁層4A上形成的反鐵磁層3A的結(jié)晶取向也是可取的。緩沖層52的形成不僅提高了非磁層42的結(jié)晶取向，而且也提高了第二鐵磁層43和反鐵磁層3A的結(jié)晶取向。反鐵磁層3A的結(jié)晶取向的提高增大了由反鐵磁層3A施加于固定磁層4A上的交換耦合的大小，并由此實(shí)現(xiàn)強(qiáng)有力地固定固定磁層4A的磁化強(qiáng)度。這有利于避免固定磁層4A的凈磁化強(qiáng)度不合需要地反轉(zhuǎn)。
如圖17A所示，也可以通過(guò)在第二鐵磁層43內(nèi)形成緩沖層的結(jié)構(gòu)，來(lái)獲得反鐵磁層3A的結(jié)晶取向提高。具體地說(shuō)，在圖17A的結(jié)構(gòu)中，第二鐵磁層43由多個(gè)鐵磁膜54和56以及位于它們之間的緩沖層55組成。緩沖層55由通過(guò)適當(dāng)方法沉積的材料形成，使得它上面形成的鐵磁膜56的結(jié)晶取向得以提高。另外，緩沖層55被形成為在鐵磁膜54和56之間提供鐵磁耦合，使得雖然第二鐵磁層43包括多個(gè)鐵磁膜54和56，但是第二鐵磁層43的行為就象單層鐵磁膜一樣。在這種配置中，緩沖層55提高了它上面形成的鐵磁膜56的結(jié)晶取向，并由此提高了進(jìn)一步在鐵磁膜56上形成的反鐵磁層3A的結(jié)晶取向。如上所述，反鐵磁層3A的結(jié)晶取向提高實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)有力地固定固定磁層4A的磁化強(qiáng)度，并且這有利于避免固定磁層4A的磁化強(qiáng)度不合需要地反轉(zhuǎn)。
其它應(yīng)用本發(fā)明的分層鐵磁結(jié)構(gòu)與下層結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)地有效增強(qiáng)交換耦合。因而，本發(fā)明的分層鐵磁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不限于MRAM內(nèi)的隧道阻擋層。在第五實(shí)施例中，將提出本發(fā)明分層鐵磁結(jié)構(gòu)的另一種示范性應(yīng)用。如圖17B所示，可以把自由磁層置于隧道阻擋層下面。在替換實(shí)施例中，本發(fā)明的分層鐵磁結(jié)構(gòu)可以用作除自由磁層和固定磁層之外的磁結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明的分層鐵磁結(jié)構(gòu)可以用作用于向自由磁層提供穩(wěn)定靜態(tài)磁場(chǎng)的層。
作為選擇，本發(fā)明的分層鐵磁結(jié)構(gòu)可以用作用于集中由通過(guò)互連的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的層。圖17C示出了一種用于集中磁場(chǎng)的示范性MRAM結(jié)構(gòu)。如圖17C所示，磁增強(qiáng)層17被形成在位線14的頂表面上。磁增強(qiáng)層17由本發(fā)明的分層鐵磁結(jié)構(gòu)組成，因此與下層保護(hù)層16的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)地，對(duì)磁增強(qiáng)層17是提供鐵磁還是反鐵磁交換耦合實(shí)現(xiàn)靈活的控制，并且也提供對(duì)交換耦合大小的靈活控制。結(jié)果，磁增強(qiáng)層17可以起這樣的高磁滲透性層的作用該高磁滲透性層集中由通過(guò)位線14的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，由此增強(qiáng)施加于自由磁層的磁場(chǎng)。作為選擇，磁增強(qiáng)層17可以起用于向自由層施加偏置磁場(chǎng)的磁層的作用。這種技術(shù)不僅對(duì)MRAM有效，而且對(duì)磁頭也有效。
以下，將根據(jù)各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的有利效果。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.第一實(shí)驗(yàn)以下描述的第一實(shí)驗(yàn)致力于證明，圖5A所示的結(jié)構(gòu)(其中緩沖膜22被插入第一鐵磁層11中)增大了交換耦合能量J，以增強(qiáng)第一鐵磁層和第二鐵磁層13之間的交換耦合。如上所述，交換耦合能量J的增大對(duì)于獲得星形寫(asteroid wirting)尤其重要。
首先，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便證明緩沖膜22由超薄Ta膜組成的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。具體地說(shuō)，已經(jīng)制造了在自由磁層內(nèi)包括不同結(jié)構(gòu)的SAF的MTJ元件，并且測(cè)量了各個(gè)自由磁層的磁化強(qiáng)度曲線。SAF結(jié)構(gòu)如下比較例1Ni81Fe19(4nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)實(shí)施例1(本發(fā)明)Ni81Fe19(2nm)/Ta(0.4nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)應(yīng)該注意，在該說(shuō)明書中的SAF結(jié)構(gòu)和MTJ元件結(jié)構(gòu)的描述中，斜杠表示左邊的膜位于下面位置(即在襯底側(cè))。而且，所有樣品，包括本發(fā)明實(shí)施例和比較例，都是通過(guò)在磁場(chǎng)中進(jìn)行磁控管濺射和自由基氧化來(lái)制造的。膜沉積之后是275℃下5小時(shí)的熱處理。
關(guān)于實(shí)施例1的SAF，0.4nm的Ta膜對(duì)應(yīng)于緩沖膜22，由Ta膜隔開(kāi)的2.0nm NiFe膜分別對(duì)應(yīng)于鐵磁膜21和23。NiFe膜和Ta膜對(duì)應(yīng)于第一鐵磁層11。而且，2.1nm的Ru膜對(duì)應(yīng)于非磁層12，并且4nm的NiFe膜對(duì)應(yīng)于第二鐵磁層13。應(yīng)該注意，2.1nm的Ru膜提供反鐵磁交換耦合。另外，期望0.4nm的Ta膜不是連續(xù)的，而是具有如圖6所示的島結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意，0.4nm的Ta膜表示具有0.4nm的平均厚度。
所測(cè)量的MTJ元件的整個(gè)結(jié)構(gòu)如下襯底/Ta(20nm)/NiFe(3nn)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)Ox/SAF/Al(0.7nm)Ox/Ta(5nm)/Al(20nm)/Ta(70nm)表達(dá)式“Al(1nm)Ox”表示，AlOx膜是通過(guò)使1nm的Al膜氧化而形成的。類似，表達(dá)式“Al(0.7nm)Ox”表示，AlOx膜是通過(guò)使0.7nm的Al膜氧化而形成的。而且，所有樣品的CoFe層的組成都是Co90Fe10，包括實(shí)施例和比較例。
應(yīng)該注意，磁化強(qiáng)度最終飽和處的磁場(chǎng)被定義為飽和磁場(chǎng)Hs，并且飽和磁場(chǎng)Hs的增大意味交換耦合能量J的增大，如參考圖3所說(shuō)明的。
圖18A是比較例1和實(shí)施例1的SAF磁化強(qiáng)度曲線。細(xì)線表示比較例1的SAF磁化強(qiáng)度曲線，粗線表示實(shí)施例1的SAF磁化強(qiáng)度曲線。如可以從圖18A看到的，實(shí)施例1的SAF具有比比較例1的SAF高的飽和磁場(chǎng)Hs。具體地說(shuō)，實(shí)施例1的SAF的飽和磁場(chǎng)Hs大約為200(Oe)，而比較例1的SAF的飽和磁場(chǎng)Hs大約為50(Oe)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果意味著，把薄Ta膜(對(duì)應(yīng)于緩沖膜22)插入第一鐵磁層11中有效增大了第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的交換耦合；換句話說(shuō)，插入薄Ta膜有效增大了交換耦合能量J。
而且，對(duì)以下的SAF執(zhí)行類似的評(píng)價(jià)其中非磁層12由Ru膜形成，第一鐵磁層11和第二鐵磁層13每一個(gè)都由NiFe膜和CoFe膜的分層結(jié)構(gòu)形成，并且第一鐵磁層11和第二鐵磁層13的CoFe膜由Ru膜隔開(kāi)。具體地說(shuō)，已經(jīng)制造了在自由磁層內(nèi)包括具有以下兩種不同結(jié)構(gòu)的SAF的MTJ元件，并且測(cè)量了自由磁層的磁化強(qiáng)度曲線比較例2Ni81Fe19(3nm)/CoFe(0.5nm)/Ru(2.1nm)/CoFe(0.5nm)/Ni81Fe19(3nm)實(shí)施例2(本發(fā)明)Ni81Fe19(1.5nm)/Ta(0.4nm)/Ni81Fe19(1.5nm)/CoFe(0.5nm)/Ru(2.1nm)/CoFe(0.5nm)/Ni81Fe19(3nm)對(duì)于實(shí)施例2的SAF，0.4nm的Ta膜對(duì)應(yīng)于緩沖膜22，位于它下面的1.5nm NiFe膜對(duì)應(yīng)于鐵磁膜21，位于Ta膜上方的1.5nm NiFe膜和0.5nm CoFe膜對(duì)應(yīng)于鐵磁層23。由NiFe膜、CoFe膜和Ta膜組成的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第一鐵磁層11。而且，2.1nm Ru膜對(duì)應(yīng)于非磁層12，3nm NiFe膜對(duì)應(yīng)于第二鐵磁層13。應(yīng)該注意，SAF內(nèi)由Ru膜隔開(kāi)的CoFe膜用于增大比較例2和實(shí)施例2的樣品中的交換耦合能量J。
圖18B示出了比較例2和實(shí)施例2的SAF磁化強(qiáng)度曲線。細(xì)線表示比較例2的SAF磁化強(qiáng)度曲線，而粗線表示實(shí)施例2的SAF磁化強(qiáng)度曲線。如可以從圖18B看到的，實(shí)施例2的SAF具有比比較例2的SAF高的飽和磁場(chǎng)Hs。具體地說(shuō)，實(shí)施例2中的SAF的飽和磁場(chǎng)Hs大約為650(Oe)，而比較例2的SAF的飽和磁場(chǎng)大約為250(Oe)。圖18B也證明了，把薄Ta膜(對(duì)應(yīng)于緩沖膜22)插入第一鐵磁層11中有效增大了第一鐵磁層11和第二鐵磁層13之間的交換耦合，即，插入薄Ta膜有效增大了交換耦合能量J。
此外，檢驗(yàn)了在其頂表面和底表面上的鐵磁膜之間提供鐵磁耦合的Ru膜被用作緩沖膜22的結(jié)構(gòu)，以證明該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。如上所述，對(duì)于Ru膜在兩個(gè)鐵磁層之間提供鐵磁耦合，有兩種不同的實(shí)現(xiàn)。一種實(shí)現(xiàn)是超薄地形成Ru膜，另一種實(shí)現(xiàn)是調(diào)節(jié)Ru膜的厚度，使得Ru膜鐵磁地提供交換耦合。以下都將評(píng)價(jià)這兩種實(shí)現(xiàn)。
更具體地說(shuō)，把以下4種不同的SAF包括在具有上述結(jié)構(gòu)的MTJ元件內(nèi)，然后測(cè)量了SAF的磁化強(qiáng)度曲線比較例3Ni81Fe19(4nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)實(shí)施例3(本發(fā)明)Ni81Fe19(2nm)/Ru(0.5nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)比較例4Ni81Fe19(2nm)/Ru(1.2nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)實(shí)施例4(本發(fā)明)Ni81Fe19(2nm)/Ru(1.4nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)在實(shí)施例3、比較例4和實(shí)施例4的SAF中，下面的Ru膜對(duì)應(yīng)于緩沖膜22，其頂表面和底表面上的NiFe膜對(duì)應(yīng)于鐵磁膜21和23。而且，2.1nm Ru膜對(duì)應(yīng)于非磁層12，2.1nm Ru膜上形成的4nm NiFe膜對(duì)應(yīng)于第二鐵磁層13。
應(yīng)該注意，實(shí)施例3、比較例4和實(shí)施例4的SAF的不同之處在于下面Ru膜的厚度。在實(shí)施例3的SAF中，Ru膜具有超薄厚度，具體地說(shuō)，具有0.5nm厚度。這意味，預(yù)期實(shí)施例3的SAF內(nèi)的下面Ru膜是具有島結(jié)構(gòu)的不連續(xù)膜。因?yàn)橄旅鍾u膜的厚度超薄，所以由于部分直接接觸，使得其頂表面和底表面上的2nm NiFe膜鐵磁地耦合。另一方面，在比較例4的SAF中，下面Ru膜具有1.2nm厚度。具有1.2nm厚度的下面Ru膜不在其頂表面和底表面上的鐵磁膜之間提供交換耦合。因此，在比較例4的SAF中，Ru膜的頂表面和底表面上的2nm NiFe膜不鐵磁地耦合。最后，在實(shí)施例4的SAF中，下面Ru膜具有1.4nm的厚度。具有1.4nm厚度的Ru膜在其頂表面和底表面上的鐵磁膜之間有效地提供鐵磁交換耦合。結(jié)果，在實(shí)施例4的SAF中，Ru膜的頂表面和底表面上的2nm NiFe膜鐵磁地耦合。
圖19A是示出比較例3和實(shí)施例3的SAF磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖。如可以從該圖理解的，把Ru膜作為緩沖膜22的實(shí)施例3的SAF的飽和磁場(chǎng)Hs大于沒(méi)有緩沖膜22的比較例3的SAF的飽和磁場(chǎng)。
圖19B是示出比較例4和實(shí)施例4的SAF磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖。實(shí)施例4的SAF具有比比較例3的SAF大的飽和磁場(chǎng)Hs。具體地說(shuō)，比較例3的SAF具有大約為40(Oe)的飽和磁場(chǎng)，而實(shí)施例4的SAF具有大約為100(Oe)的飽和磁場(chǎng)。應(yīng)該注意，即使當(dāng)外部磁場(chǎng)近似為0時(shí)，比較例4的SAF也具有自發(fā)磁化強(qiáng)度。這意味，比較例4的SAF不滿足輪轉(zhuǎn)寫所要求的要求，沒(méi)有表現(xiàn)出翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這是因?yàn)?，因?yàn)樽鳛榫彌_膜22被插入的Ru膜不提供交換耦合，所以位于最低位置的NiFe膜不和相鄰的鐵磁膜進(jìn)行磁耦合。
這些結(jié)果意味，在鐵磁膜的頂表面和底表面上使用用于在鐵磁膜之間提供鐵磁耦合的Ru膜來(lái)作為緩沖膜22，有效提高了飽和磁場(chǎng)Hs，即增大了交換耦合能量J。而且，圖19B的曲線圖指示，要求作為緩沖膜22被插入的Ru膜提供鐵磁交換耦合。
此外，對(duì)具有以下結(jié)構(gòu)的SAF，檢查了緩沖層的材料和厚度與SAF內(nèi)的鐵磁層之間的交換耦合能量J的相關(guān)性Ni81Fe19(2nm)/緩沖層/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)由所測(cè)量的SAF的磁化強(qiáng)度曲線，根據(jù)方程式(1)確定了交換耦合能量J。
圖20是示出測(cè)量結(jié)果的表。如可以從圖20理解的，當(dāng)用作緩沖層時(shí)，所有被檢查的非磁性材料都表現(xiàn)出可提高交換耦合能量J的作用。這是因?yàn)椋彌_層的插入改變了SAF內(nèi)鐵磁膜23的頂表面的表面能，由此終止無(wú)取向晶體生長(zhǎng)，導(dǎo)致在它上面沉積的磁層的晶體生長(zhǎng)方式的改變。另外，圖20所示的測(cè)量結(jié)果暗示，實(shí)施例中的所有材料都表現(xiàn)出提高非磁層12的結(jié)晶取向的作用。
另外，圖20所示的結(jié)果指示，至少當(dāng)NiFe膜用作鐵磁層時(shí)，把鉭和鋯用作緩沖層顯著提高了交換耦合能量J。這意味，鉭和鋯以及在周期表中位于它們附近的元素(即Nb、Hf、Mo和W)表現(xiàn)出顯著的提高交換耦合能量J的作用。由于緩沖層至少包括從Ta、Zr、Nb、Hf、Mo和W所組成的組中選擇的任一種元素，使得鐵磁膜23和它上面沉積的非磁層12的結(jié)晶取向大大提高。尤其是，使用鋯特別可取，因?yàn)榕c其它材料相比，鋯緩沖層可以在厚度減小的情況下提供大交換耦合能量J。
本發(fā)明者認(rèn)為，由插入緩沖層造成的交換耦合能量J提高的效果是由緩沖層上形成的鐵磁膜以及鐵磁膜上形成的非磁層的結(jié)晶取向的提高而產(chǎn)生的。這是從SAF的斷面透射電子顯微鏡(TEM)觀測(cè)圖像得出的結(jié)論。
圖21A、21B是根據(jù)本發(fā)明的SAF的斷面TEM圖像。SAF的結(jié)構(gòu)如下圖21A的樣品Ta(10nm)/Al(1nm)Ox/NiFe(4nm)/Ta(0.3nm)/NiFe(4nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(4nm)/Ta(0.3nm)/NiFe(4nm)/Ru(3nm)圖21B的樣品Ta(10nm)/NiFe(3nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)Ox/NiFe(2.5nm)/Ta(0.3nm)/NiFe(2nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(2.5nm)/Ta(0.3nm)/NiFe(2nm)/Al(0.7nm)Ox/Ta(10nm)應(yīng)該注意，在每種SAF中，都把0.3nm的Ta膜用作緩沖層。
對(duì)圖21B中的位置“1”至“13”執(zhí)行基于能量分散X射線光譜學(xué)(EDX)技術(shù)的成分分析，以證實(shí)上述結(jié)構(gòu)被維持在各自的SAF中。圖22A至22C示出了基于EDX的成分分析結(jié)果。圖22A至22C所示的曲線圖清楚地描述了，釕、鎳和鉭存在于SAF內(nèi)的期望位置。例如，圖21的TEM圖像中的位置“3”是0.3nm Ta膜所要定位的位置。而且，從Ta含量在位置“3”具有峰值這一事實(shí)，顯然Ta膜存在于位置“3”。
圖21A和21B的TEM圖像清楚地指示，0.3nm的Ta膜起用于提高它上面形成的層的結(jié)晶取向的緩沖層的作用。參考圖21A，在AlOx膜上形成的4nm NiFe膜中，沒(méi)有觀測(cè)到結(jié)晶取向；與其它部分中的NiFe膜相比，對(duì)比度不同。上述情況也適用于圖21B所示TEM圖像中的AlOx膜上形成的2.5nm NiFe膜。相反，在用作緩沖膜22的Ta膜上形成的NiFe膜中，清楚地觀測(cè)到具有FCC(111)取向的晶體結(jié)構(gòu)。另外，在NiFe膜上形成的2.1nm Ru膜中，清楚地觀測(cè)到具有HCP(001)取向的晶體結(jié)構(gòu)。此外，對(duì)把緩沖層排除在外的常規(guī)NiFe(8nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(8nm)SAF結(jié)構(gòu)執(zhí)行的TEM分析得出以下結(jié)論與圖21A和21B所示的圖像相反，在TEM圖像中沒(méi)有觀測(cè)到晶格圖像對(duì)比度的鋒銳變化、NiFe膜的明顯FCC(111)取向以及Ru膜的明顯HCP(001)取向。這暗示，0.3nm Ta膜顯著提高了作為它上面形成的NiFe膜的最緊密堆積面的(111)平面的結(jié)晶取向，由此提高了作為NiFe膜上面形成的Ru膜的最緊密堆積面的(001)平面的結(jié)晶取向。
2.第二實(shí)驗(yàn)第二實(shí)驗(yàn)致力于證明圖5A、7A和7B所示結(jié)構(gòu)的有利效果，其中緩沖膜22由摻有用于提高它上面形成的鐵磁膜的結(jié)晶取向的元素的鐵磁材料形成。詳細(xì)地說(shuō)，第二實(shí)驗(yàn)致力于證實(shí)，由(Ni81Fe19)100-xTax膜和(Ni81Fe19)100-xZrx膜組成的緩沖層有效提高了飽和磁場(chǎng)Hs和交換耦合能量J。索引x表示以原子百分?jǐn)?shù)表示的Ta或Zr的組成。
具體地說(shuō)，在第二實(shí)驗(yàn)中制造了具有以下結(jié)構(gòu)的樣品襯底/Ta(5nm)/Al(1nm)Ox/SAF/Al(0.7nm)Ox/Ta(10nm)從以下選擇SAF結(jié)構(gòu)實(shí)施例5NiFe(1nm)/(Ni81Fe19)100-xTax(1nm)/NiFe(3nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(3nm)/(Ni81Fe19)100-xTax(1nm)/NiFe(1nm)實(shí)施例5bNiFe(1.5nm)/(Ni81Fe19)85Zr15(1nm)/NiFe(1.5nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(1.5nm)/(Ni81Fe19)85Zr15(1nm)/NiFe(1.5nm)實(shí)施例6(Ni81Fe19)100-xTax(1nm)/NiFe(3nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(3nm)/(Ni81Fe19)100-xTax(1nm)實(shí)施例6b
(Ni81Fe19)85Zr15(1nm)/NiFe(3nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(3nm)/(Ni81Fe19)85Zr15(1nm)實(shí)施例7NiFe(2nm)/(Ni81Fe19)100-xZrx(3nm)/Ru(2.1nm)/(Ni81Fe19)100-xZrx(3nm)/NiFe(2nm)應(yīng)該注意，在樣品的所有NiFe膜中，Ni含量都是81％，且Fe含量都是19％。
實(shí)施例5和5b中的SAF一般對(duì)應(yīng)于圖5A所示的自由磁層6。具體地說(shuō)，關(guān)于實(shí)施例5，下面的NiFe/(Ni81Fe19)100-xTax/NiFe結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第一鐵磁層11。在該結(jié)構(gòu)中，1nm的NiFe膜、1nm的(Ni81Fe19)100-xTax膜和3nm的NiFe膜分別對(duì)應(yīng)于鐵磁膜21、緩沖膜22和鐵磁膜23。另外，Ru膜對(duì)應(yīng)于非磁層12，并且上面的NiFe/(Ni81Fe19)100-xTax/NiFe結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第二鐵磁層13。關(guān)于實(shí)施例5b，NiFe(1.5nm)/(Ni81Fe19)85Zr15(1nm)/NiFe(1.5nm)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第一鐵磁層11，并且1.5nm的NiFe膜、1nm的(Ni81Fe19)85Zr15膜和1.5nm的NiFe膜分別對(duì)應(yīng)于鐵磁膜21、緩沖膜22和鐵磁膜23。
實(shí)施例6和6b的SAF一般對(duì)應(yīng)于圖7A所示的自由磁層6。具體地說(shuō)，關(guān)于實(shí)施例6，下面的(Ni81Fe19)100-xTax/NiFe結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第一鐵磁層11。在該結(jié)構(gòu)中，(Ni81Fe19)100-xTax膜對(duì)應(yīng)于緩沖膜22，并且NiFe膜對(duì)應(yīng)于鐵磁膜23。另外，Ru膜對(duì)應(yīng)于非磁層12，并且上面的NiFe/(Ni81Fe19)100-xTax膜結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第二鐵磁層13。關(guān)于實(shí)施例6b，(Ni81Fe19)85Zr15(1nm)/NiFe(3nm)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第一鐵磁層11，并且1nm的(Ni81Fe19)85Zr15膜和3nm的NiFe膜分別對(duì)應(yīng)于緩沖膜22和鐵磁膜23。
實(shí)施例7的SAF一般對(duì)應(yīng)于圖7B所示的自由磁層6。具體地說(shuō)，下面的NiFe/(Ni81Fe19)100-xZrx結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第一鐵磁層。在該結(jié)構(gòu)中，NiFe膜對(duì)應(yīng)于鐵磁膜21，并且(Ni81Fe19)100-xZrx膜對(duì)應(yīng)于緩沖膜22。另外，Ru膜對(duì)應(yīng)于非磁層12，并且上側(cè)的(Ni81Fe19)100-xZrx/NiFe結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第二鐵磁層13。
圖23A是示出(Ni81Fe19)100-xTax膜的磁化強(qiáng)度M與Ta含量x的相關(guān)性的曲線圖。如可以從圖23A理解的，當(dāng)Ta含量x為20原子百分?jǐn)?shù)或更少時(shí)，(Ni81Fe19)100-xTax膜表現(xiàn)出穩(wěn)定的鐵磁性。這意味，當(dāng)緩沖膜22由(Ni81Fe19)100-xTax膜組成時(shí)，Ta含量x優(yōu)選地為20原子百分?jǐn)?shù)或更少。
圖23B是示出(Ni81Fe19)100-xZrx膜的磁化強(qiáng)度M與Zr含量x的相關(guān)性的曲線圖。當(dāng)Zr含量為25原子百分?jǐn)?shù)或更少時(shí)，(Ni81Fe19)100-xZrx膜表現(xiàn)出大磁化強(qiáng)度和穩(wěn)定鐵磁性。這意味，Zr含量x優(yōu)選地為25原子百分?jǐn)?shù)或更少。
圖24是示出實(shí)施例5中的SAF的交換耦合能量J及飽和磁場(chǎng)Hs與Ta含量x的相關(guān)性的曲線圖。如可以從圖24理解的，當(dāng)(Ni81Fe19)100-xTax膜的鉭含量x超過(guò)5原子百分?jǐn)?shù)時(shí)，飽和磁場(chǎng)Hs和交換耦合能量J增大。這意味，(Ni81Fe19)100-xTax膜中所包含的鉭量的增加導(dǎo)致它上面形成的Ru膜和NiFe膜的結(jié)晶取向的提高。換句話說(shuō)，這證明了在緩沖膜22中使用(Ni81Fe19)100-xTax膜的有效性。
這些結(jié)果表示，(Ni81Fe19)100-xTax膜的Ta含量x優(yōu)選地在從5到20原子百分?jǐn)?shù)的范圍內(nèi)變化，以便提高飽和磁場(chǎng)Hs和交換耦合能量J。
圖25是示出實(shí)施例6中的SAF的交換耦合能量J及飽和磁場(chǎng)Hs與Ta含量x的相關(guān)性的曲線圖。類似于實(shí)施例5，當(dāng)Ta含量x超過(guò)5原子百分?jǐn)?shù)時(shí)，把(Ni81Fe19)100-xTax膜(即緩沖膜22)直接形成在AlOx膜(即隧道阻擋層5)上的結(jié)構(gòu)有效提高了飽和磁場(chǎng)Hs和交換耦合能量J。這證明了，當(dāng)把由(Ni81Fe19)100-xTax膜組成的緩沖膜22直接形成在隧道阻擋層5上時(shí)，把(Ni81Fe19)100-xTax膜用作緩沖膜22也是有效的。
另外，測(cè)量了其中把1nm的(Ni81Fe19)85Zr15膜用作緩沖層的實(shí)施例5b和6b的SAF的磁化強(qiáng)度曲線。該測(cè)量結(jié)果描述了，實(shí)施例5b和6b中的SAF的飽和磁場(chǎng)Hs分別為125(Oe)和151(Oe)。如圖24所示，與(Ni81Fe19)100-xTax膜的情況下一樣，(Ni81Fe19)100-xZrx膜也有效地用作緩沖膜22，使得反鐵磁耦合強(qiáng)度提高了3倍或更多；沒(méi)有插入緩沖層(即鐵磁膜的Ta含量為0％)的常規(guī)SAF具有420(Oe)的飽和磁場(chǎng)。另外，如圖23B所示，在(Ni81Fe19)100-xZrx膜表現(xiàn)穩(wěn)定鐵磁性的條件下，Zr含量x優(yōu)選地為25原子百分?jǐn)?shù)或更少。
圖26是示出實(shí)施例7的SAF的交換耦合能量J和飽和磁場(chǎng)Hs與Zr含量x的相關(guān)性的曲線圖。從0、5和10原子百分?jǐn)?shù)中選擇Zr含量x。應(yīng)該注意，在Zr含量x為0、5和10原子百分?jǐn)?shù)的情況下，(Ni81Fe19)100-xZrx膜表現(xiàn)出鐵磁性。如可以從圖26看到的，當(dāng)(Ni81Fe19)100-xZrx膜的Zr含量x超過(guò)5原子百分?jǐn)?shù)時(shí)，飽和磁場(chǎng)Hs和交換耦合能量J增大了。這證明了把(Ni81Fe19)100-xZrx膜用作直接與非磁層12接觸的緩沖膜22的有效性。
3.第三實(shí)驗(yàn)第三實(shí)驗(yàn)致力于證明，圖8所示的結(jié)構(gòu)允許通過(guò)控制緩沖膜22(以及緩沖膜27)的厚度來(lái)控制交換耦合能量J，以及交換耦合能量J的變化僅僅伴隨著磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的減小變化。如上所述，獨(dú)立于磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)來(lái)控制交換耦合能量J尤其有利于實(shí)現(xiàn)輪轉(zhuǎn)寫。
具體地說(shuō)，利用一組具有以下結(jié)構(gòu)的SAF來(lái)評(píng)價(jià)其中在第一鐵磁層11中形成緩沖膜22的SAF的交換耦合能量J實(shí)施例8襯底/Ta(20nm)/NiFe(3nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)Ox/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Al(0.7nm)Ox/Ta(5nm)/Al(20nm)/Ta(70nm)AlOx膜的頂表面上由Ni81Fe19膜、Ta膜和Ni81Fe19膜組成的分層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第一鐵磁層11。在AlOx膜上的分層結(jié)構(gòu)中，具有dTa(nm)厚度的Ta膜對(duì)應(yīng)于緩沖膜22。相應(yīng)地，2.1nm Ru膜(對(duì)應(yīng)于非磁層12)的頂表面上由Ni81Fe19膜、Ta膜和Ni81Fe19膜組成的分層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第二鐵磁層13。在2.1nm Ru膜上的分層結(jié)構(gòu)中，具有dTa(nm)厚度的Ta膜對(duì)應(yīng)于緩沖膜227。從0至0.4nm范圍中選擇Ta膜的厚度dTa。Ta膜具有0nm厚度的樣品對(duì)應(yīng)于其中沒(méi)有形成緩沖膜22的SAF，即比較例的SAF。
圖27是實(shí)施例8的SAF的磁化強(qiáng)度曲線。如圖27所示，飽和磁場(chǎng)Hs根據(jù)用作緩沖膜22(和緩沖膜27)的Ta膜的厚度dTa而變。圖28是示出交換耦合能量J及飽和磁場(chǎng)Hs與Ta膜厚度的相關(guān)性的曲線圖。當(dāng)起緩沖膜22的作用的Ta膜的厚度從0nm增大到0.4nm時(shí)，飽和磁場(chǎng)Hs從42(Oe)增大到295(Oe)，并且交換耦合能量J也從0.00317(爾格/cm2)增大到0.01601(爾格/cm2)。這表示，可以通過(guò)控制緩沖膜22(和緩沖膜27)的厚度來(lái)控制交換耦合能量J。
交換耦合能量J的可控性的確是本發(fā)明的一個(gè)重要特征。然而，常規(guī)技術(shù)也允許控制交換耦合能量J。例如，眾所周知，可以通過(guò)在第一鐵磁層11和第二鐵磁層13內(nèi)把CoFe膜直接形成在非磁層12上、然后控制CoFe膜的厚度，來(lái)獲得對(duì)交換耦合能量J的控制。
具體地說(shuō)，具有以下結(jié)構(gòu)的SAF提供利用CoFe膜的厚度dCoFe來(lái)控制交換耦合能量J。
比較例5襯底/Ta(20nm)/NiFe(3nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)Ox/Ni81Fe19(4nm)/CoFe(dCoFe)/Ru(2.1nm)/CoFe(dCoFe)/Ni81Fe19(4nm)/Al(0.7nm)Ox/Ta(5nm)/Al(20nm)/Ta(70nm)圖29是具有上述結(jié)構(gòu)的SAF的磁化強(qiáng)度曲線。如圖29所示，飽和磁場(chǎng)Hs根據(jù)CoFe膜的厚度dCoFe而變。圖30是示出交換耦合能量J和飽和磁場(chǎng)Hs與Ta膜厚度的相關(guān)性的曲線圖。當(dāng)CoFe膜的厚度從0nm增大到0.4nm時(shí)，飽和磁場(chǎng)Hs從42(Oe)增大到249(Oe)，并且交換耦合能量J也從0.00317(爾格/cm2)增大到0.02114(爾格/cm2)。
然而，與通過(guò)CoFe膜的厚度dCoFe來(lái)控制交換耦合能量J的技術(shù)相比，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，交換耦合能量J伴隨著小的磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk變化。利用具有以下結(jié)構(gòu)的樣品來(lái)證明這一事實(shí)實(shí)施例8’襯底/Ta(20nm)/Al(1nm)Ox/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ta(10nm)比較例5’襯底/Ta(20nm)/Al(1nm)Ox/Ni81Fe19(4nm)/CoFe(dCoPe)/Ru(2.1nm)/Ta(10nm)應(yīng)該注意，實(shí)施例8’的樣品具有對(duì)應(yīng)于實(shí)施例8的結(jié)構(gòu)，而比較例5’的樣品具有對(duì)應(yīng)于比較例5的結(jié)構(gòu)。詳細(xì)地說(shuō)，實(shí)施例8’的樣品是用于測(cè)量與實(shí)施例8中的第一鐵磁層11相對(duì)應(yīng)的部分的磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的樣品。相應(yīng)地，比較例5’的樣品是用于測(cè)量比較例5中的相應(yīng)部分的磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的樣品。
圖31A是示出實(shí)施例8’的磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的曲線圖，并且圖31B是示出比較例5’的磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的曲線圖。如圖31B所示，比較例5’表現(xiàn)出磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk隨CoFe膜厚度的增加而顯著增大。這意味，根據(jù)CoFe膜的厚度來(lái)控制交換耦合能量J不合需要地伴隨著磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的變化。相反，如圖31A所示，實(shí)施例8’表現(xiàn)出磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk隨Ta膜厚度增加的減小變化。這意味，可以在不大大改變磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的情況下，根據(jù)Ta膜的厚度來(lái)控制交換耦合能量J。
精密構(gòu)圖的自由磁層(minutely patterned free magnetic layer)要求形狀磁各向異性(shape magnetic anisotropy)的減小，以減小其切換磁場(chǎng)Hc。這是通過(guò)減小磁化強(qiáng)度與厚度乘積(即自由磁層的膜厚度與飽和磁化強(qiáng)度的乘積)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，不可取的是，磁化強(qiáng)度與厚度乘積的減小伴隨著磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的變化。交換耦合能量J也不合需要地隨之減小。以下，相對(duì)于實(shí)施例8和比較例5，從磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk和交換耦合能量J的觀點(diǎn)，來(lái)檢查磁化強(qiáng)度與厚度乘積的減小的容許性。
圖32是示出對(duì)于實(shí)施例8和比較例5的樣品、磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk及交換耦合能量J與Ni81Fe19膜厚度的相關(guān)性的表。如可以從圖32理解的，實(shí)施例8的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)減小自由磁層的厚度、由此減小形狀磁各向異性時(shí)，在沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)的磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk變化的情況下，維持足夠的交換耦合能量J。當(dāng)減小Ni81Fe19膜的膜厚度以減小磁化強(qiáng)度與厚度乘積時(shí)，比較例5的結(jié)構(gòu)遭受了顯著的磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk增加。這是由CoFe膜的體積與SAF體積之比的增大造成的。如上所述，CoFe的膜厚度減小伴隨著交換耦合能量J的大大減小，雖然它可以避免磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的增大。另一方面，即使當(dāng)Ni81Fe19膜的膜厚度減小時(shí)，實(shí)施例8的結(jié)構(gòu)也在磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的變化減小的情況下，獲得了150(Oe)或更大的飽和磁場(chǎng)Hs、以及足夠大的交換耦合能量J。另外，與比較例5的結(jié)構(gòu)相比，實(shí)施例8的結(jié)構(gòu)允許磁化強(qiáng)度與厚度乘積大大減小。
如上所說(shuō)明的，本發(fā)明的實(shí)施例8的結(jié)構(gòu)允許根據(jù)緩沖層的Ta膜厚度來(lái)靈活控制交換耦合能量J。另外，根據(jù)Ta膜厚度和NiFe膜厚度來(lái)控制交換耦合能量J僅僅伴隨著磁結(jié)晶各向異性場(chǎng)Hk的小變化。而且，實(shí)施例8的結(jié)構(gòu)允許磁化強(qiáng)度與厚度乘積大大減小。比較例5的結(jié)構(gòu)不能獲得這些優(yōu)點(diǎn)。
4.第四實(shí)施例第四實(shí)驗(yàn)致力于證明，其中非晶形緩沖層被插入第二鐵磁層中的結(jié)構(gòu)、如圖13所示的結(jié)構(gòu)，允許可控地減小交換耦合能量J。在該實(shí)驗(yàn)中，把超薄SiO2膜用作非晶形緩沖層。
具體地說(shuō)，制造了一組具有以下結(jié)構(gòu)的SAF，并且測(cè)量了其交換耦合能量J襯底/Ta(20nm)/NiFe(3nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/下層/Ni81Fe19(1.5nm)/SiO2(dSiO2)/Ta(0.3nm)/Ni81Fe19(1.5nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(2.5nm)/Al(0.7nm)Ox/Ta(5nm)/Al(20nm)/Ta(70nm)下層是從Al(1nm)Ox層和Al(1nm)Ox/Ru(3nm)分層結(jié)構(gòu)之間選取的。應(yīng)該注意，如上所述，Al(1nm)Ox層是通過(guò)使1nm的Al膜氧化而獲得的層。在下層上形成的NiFe/SiO2/Ta/NiFe膜堆對(duì)應(yīng)于圖13中的第二鐵磁層13。詳細(xì)地說(shuō)，SiO2膜對(duì)應(yīng)于非晶形緩沖膜27A，并且Ta膜對(duì)應(yīng)于取向控制緩沖膜27B。SiO2膜的厚度dSiO2是從0到1nm范圍中選取的。
圖33是示出上述結(jié)構(gòu)的SAF的交換耦合能量J與SiO2膜的膜厚度的相關(guān)性的曲線圖。當(dāng)沒(méi)有插入SiO2膜時(shí)(即當(dāng)dSiO2為0nm時(shí))，SAF提供0.0144(爾格/cm2)的交換耦合能量J。當(dāng)SiO2膜的厚度增加時(shí)，交換耦合能量J減小。當(dāng)SiO2膜的厚度增大到1nm時(shí)，交換耦合能量J減小到近似為0。
圖33的結(jié)果證明了，可以通過(guò)把非晶形緩沖層插入鐵磁層中，來(lái)可控地減小交換耦合能量J。
5.第五實(shí)驗(yàn)第五實(shí)驗(yàn)致力于證明，插入非晶形緩沖層允許控制交換耦合能量J，由此提供堆SAF飽和磁場(chǎng)Hs的靈活控制。
具體地說(shuō)，制造了包括具有以下結(jié)構(gòu)的SAF的MTJ元件，并且測(cè)量了SAF的磁化強(qiáng)度曲線(及飽和磁場(chǎng)Hs)實(shí)施例9(本發(fā)明)的SAFNi81Fe19(2nm)/Ta(0.225nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(0.225nm)/Ni81Fe19(2nm)/SiO2(dSiO2)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)比較例6的SAFNi81Fe19(3nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(3nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(dRu)/Ni81Fe19(3.7nm)實(shí)施例9的SAF的SiO2膜的厚度dSiO2是從0、0.04和0.24nm中選取的。Ta膜的厚度dTa是從0.225nm和0.30nm中選取的。
另一方面，比較例6的SAF的Ru膜的厚度dRu是從3.5nm和4.9nm中選取的。這種選擇致力于檢查交換耦合大小的可控性，換句話說(shuō)，檢查基于Ru膜厚度dRu的飽和磁場(chǎng)Hs的可控性。應(yīng)該注意，允許Ru膜具有與反鐵磁交換耦合能量的峰值相對(duì)應(yīng)的厚度。3.5nm的厚度對(duì)應(yīng)于二階峰值，而4.9nm的厚度對(duì)應(yīng)于三階峰值。當(dāng)Ru膜的厚度與對(duì)應(yīng)于反鐵磁交換耦合能量峰值的厚度不同時(shí)，不穩(wěn)定的反鐵磁耦合阻止了SAF表現(xiàn)出期望的功能。
包括具有上述結(jié)構(gòu)的SAF的MTJ元件總體上被設(shè)計(jì)成具有以下結(jié)構(gòu)襯底/Ta(20nm)/NiFe(3nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)Ox/SAF/Al(0.7nm)Ox/Ta(5nm)/Al(20nm)/Ta(70nm)如圖34A所示，實(shí)施例9的SAF結(jié)構(gòu)允許根據(jù)SiO2膜的厚度dSiO2和Ta膜的厚度dTa來(lái)控制飽和磁場(chǎng)Hs。具體地說(shuō)，在SiO2膜厚度dSiO2為0.24nm、且Ta膜厚度dTa為0.225nm的情況下，實(shí)施例9的SAF獲得68(Oe)的飽和磁場(chǎng)Hs。通過(guò)減小SiO2的厚度、或者增加Ta膜的厚度(在NiFe膜之間的鐵磁耦合未被擾亂的范圍內(nèi))，使飽和磁場(chǎng)Hs增加直到188(Oe)。具體地說(shuō)，在SiO2膜厚度dSiO2為0.04nm、且Ta膜厚度dTa為0.3nm的情況下，實(shí)施例9的SAF獲得188(Oe)的飽和磁場(chǎng)Hs。圖34A所示的結(jié)果表示，對(duì)SiO2膜的厚度dSiO2和Ta膜的厚度dTa的適當(dāng)控制，允許控制通過(guò)Ru膜的反鐵磁交換耦合的大小，從而使能對(duì)飽和磁場(chǎng)Hs的靈活控制。
另一方面，如圖34B所示，在Ru膜厚度dRu為3.5nm的情況下，比較例6的SAF表現(xiàn)出90(Oe)的飽和磁場(chǎng)Hs。然而，當(dāng)Ru膜的厚度dRu增大直到4.9nm時(shí)，比較例6的SAF不提供期望的功能。這是因?yàn)?，?dāng)Ru膜的厚度dRu增大到4.9nm時(shí)，沒(méi)有通過(guò)Ru膜施加足夠強(qiáng)的反鐵磁交換耦合。圖34B的結(jié)果表示，本質(zhì)困難在于通過(guò)Ru膜的厚度dRu來(lái)控制比較例6的SAF的飽和磁場(chǎng)Hs。
6.第六實(shí)驗(yàn)第六實(shí)驗(yàn)致力于證明，把緩沖層插入被用作隧道阻擋層的頂表面上所形成的固定磁層的SAF中的優(yōu)點(diǎn)(即，圖16的結(jié)構(gòu)的有效性)。如上所述，當(dāng)用作固定磁層的SAF被形成在隧道阻擋層的頂表面上時(shí)，在SAF內(nèi)鐵磁層和位于鐵磁層之間的非磁層表現(xiàn)出差結(jié)晶取向。這不合需要地導(dǎo)致鐵磁層之間的反鐵磁耦合惡化。惡化的反鐵磁耦合可能不合需要地造成鐵磁層的磁化強(qiáng)度取向指向和外部磁場(chǎng)相同的方向。這對(duì)于把SAF用作固定磁層是不可取的。第五實(shí)驗(yàn)證明了，插入緩沖層增強(qiáng)了反鐵磁交換耦合，由此允許提供不受外部磁場(chǎng)影響的基于SAF的固定磁層。
具體地說(shuō)，制造了具有以下結(jié)構(gòu)的MTJ元件，并且測(cè)量了其中包括的SAF的磁化強(qiáng)度曲線襯底/Ta(20nm)/Ni81Fe19(4nm)/Al(0.99nm)Ox/SAF固定磁層/PtMn(20nm)/Ta(10nm)
SAF固定磁層的結(jié)構(gòu)如下實(shí)施例10Ni81Fe19(2nm)/Ta(0.3nm)/Ni81Fe19(2.8nm)/Ru(0.9nm)/Ni81Fe19(4nm)實(shí)施例11Ni81Fe19(2nm)/Ta(0.4nm)/Ni81Fe19(2.8nm)/Ru(0.9nm)/Ni81Fe19(4nm)比較例7Ni81Fe19(4nm)/Ru(0.9nm)/Ni81Fe19(4nm)比較例8Ni81Fe19(3nm)/Ru(0.9nm)/Ni81Fe19(3nm)關(guān)于實(shí)施例10和11中的SAF固定磁層，應(yīng)該注意，具有0.3nm或0.4nm厚度的Ta膜對(duì)應(yīng)于圖16中的緩沖層52，并且其頂表面和底表面上的NiFe膜對(duì)應(yīng)于鐵磁膜51和53。而且，Ru膜對(duì)應(yīng)于非磁層42，它上面形成的4nm厚度的NiFe膜對(duì)應(yīng)于第二鐵磁層42。
圖35A是示出實(shí)施例10和11的SAF固定磁層的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖，圖35B是示出比較例7和8中的SAF固定磁層的磁化強(qiáng)度曲線的曲線圖。如圖35B所示，只有當(dāng)外部磁場(chǎng)Hex為正時(shí)，比較例7和8的SAF固定磁層才表現(xiàn)出所要求的SAF特性；如可以從圖35B所示曲線圖中出現(xiàn)大磁滯來(lái)理解，當(dāng)外部磁場(chǎng)Hex為負(fù)時(shí)，鐵磁層之間的反鐵磁耦合容易被釋放。另外，當(dāng)外部磁場(chǎng)Hex為正時(shí)，施加較小的外部磁場(chǎng)Hex將不合需要地釋放反鐵磁耦合。具體地說(shuō)，在比較例7的SAF固定磁層中，在202(Oe)的外部磁場(chǎng)Hex下，鐵磁層磁化強(qiáng)度的反鐵磁耦合被釋放。關(guān)于比較例8，在168(Oe)的外部磁場(chǎng)Hex下，反鐵磁耦合被釋放。
另一方面，對(duì)于負(fù)外部磁場(chǎng)Hex，實(shí)施例10和11中的SAF固定磁層表現(xiàn)出減小的磁滯。另外，反鐵磁耦合未被釋放，除非施加過(guò)大的正外部磁場(chǎng)Hex。具體地說(shuō)，在實(shí)施例10的SAF固定磁層中，在475(Oe)的外部磁場(chǎng)Hex下，鐵磁層磁化強(qiáng)度的反鐵磁耦合被釋放。關(guān)于實(shí)施例11，在706(Oe)的外部磁場(chǎng)Hex下，反鐵磁耦合被釋放。
該結(jié)果指示(1)插入緩沖層提高了Ru膜的結(jié)晶取向，并增加了SAF固定磁層中鐵磁層之間的交換耦合；以及(2)插入緩沖層提高了提高了Ru膜上形成的NiFe膜以及NiFe膜上形成的PtMn膜的結(jié)晶取向，由此增強(qiáng)了PtMn膜和SAF固定磁層之間的交換耦合。
7.第七實(shí)驗(yàn)第七實(shí)驗(yàn)致力于證明把緩沖層插入以下MTJ元件中的有效性其中表現(xiàn)高(001)取向的結(jié)晶MgO膜被用作隧道阻擋層，并且SAF膜堆被用作隧道阻擋層上形成的自由磁層。在該實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)磁控管濺射制造了具有以下結(jié)構(gòu)的MTJ元件實(shí)施例12襯底/Ta(10nm)/PtMn(15nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/Co40Fe40B20(2.5nm)/MgO(2nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Al(0.7nm)Ox/Ta(10nm)MgO隧道阻擋層上由Ni81Fe19膜、Ta膜和Ni81Fe19膜組成的分層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第一鐵磁層11。在MgO隧道阻擋層上的分層結(jié)構(gòu)中，具有dTa(nm)厚度的Ta膜對(duì)應(yīng)于緩沖膜22。類似，2.1nm Ru膜(對(duì)應(yīng)于非磁層12)上由Ni81Fe19膜、Ta膜和Ni81Fe19膜組成的分層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第二磁層13。在Ru膜上的分層結(jié)構(gòu)中，具有dTa(nm)厚度的Ta膜對(duì)應(yīng)于緩沖膜27。Ta膜的厚度dTa是從0到0.35nm的范圍中選取的。其中Ta膜具有0nm厚度dTa的樣品表示其中沒(méi)有形成緩沖膜22的SAF，即比較例的SAF。自由磁層具有和第三實(shí)驗(yàn)中給出的AlOx阻擋層上的自由磁層相同的結(jié)構(gòu)。通過(guò)濺射MgO目標(biāo)形成了MgO阻擋膜。利用TEM分析來(lái)證實(shí)所形成的MgO膜表現(xiàn)出具有高(001)取向的晶體結(jié)構(gòu)。然后，在1mV的偏置電壓下，實(shí)施例12的MTJ元件的磁阻比在從50％到55％的范圍內(nèi)變化，而實(shí)施例8的包括AlOx阻擋層的MTJ元件的磁阻比在從30％到35％的范圍內(nèi)變化。這意味著，與AlOx阻擋層相比，具有MgO阻擋層的MTJ元件表現(xiàn)出優(yōu)良的磁阻比(magnetoresistance ratio)。這種高磁阻比是由MgO阻擋層的高(001)取向產(chǎn)生的。
圖36是上述結(jié)構(gòu)的SAF的磁化強(qiáng)度曲線。所獲得的磁化強(qiáng)度曲線代表與圖27所示的曲線類似的特性。飽和磁場(chǎng)Hs根據(jù)用作緩沖膜22(和緩沖膜27)的Ta膜的厚度dTa而變。當(dāng)緩沖膜厚度增加時(shí)，飽和磁場(chǎng)Hs增大。具體地說(shuō)，當(dāng)起緩沖膜22的作用的Ta膜的厚度從0nm增加到0.35nm時(shí)，飽和磁場(chǎng)Hs從33(Oe)增大到255(Oe)。這一事實(shí)表示，當(dāng)隧道阻擋層由結(jié)晶MgO膜組成時(shí)，Ta緩沖層增強(qiáng)了SAF內(nèi)通過(guò)非磁層Ru的交換耦合，并且通過(guò)緩沖膜22(和緩沖膜27)的厚度可以控制交換耦合能量J。
另外，用Zr緩沖層代替Ta緩沖層也實(shí)現(xiàn)飽和磁場(chǎng)Hs的大大增加。
如這樣描述的，第一至第五實(shí)驗(yàn)證明了，本發(fā)明的技術(shù)與SAF下的下層結(jié)構(gòu)和/或材料無(wú)關(guān)地實(shí)現(xiàn)了SAF內(nèi)的交換耦合增強(qiáng)。
顯然，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下更改和改變本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種分層鐵磁結(jié)構(gòu)，包括位于襯底上方的的第一鐵磁層；位于所述第一鐵磁層上方的第二鐵磁層；以及位于所述第一和第二鐵磁層之間的第一非磁層，其中所述第一鐵磁層的頂表面和所述第一非磁層接觸，以及其中所述第一鐵磁層包括第一取向控制緩沖器，該第一取向控制緩沖器表現(xiàn)出提高它上面形成的膜的結(jié)晶取向的作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一鐵磁層進(jìn)一步包括第一鐵磁膜；以及位于所述第一鐵磁膜上方的第二鐵磁膜，以及其中所述第一取向控制緩沖器位于所述第一和第二鐵磁膜之間，并被設(shè)計(jì)成在所述第一和第二鐵磁膜之間提供鐵磁耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一取向控制緩沖器具有1.0nm或更小的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一取向控制緩沖器由從包括鉭(Ta)、釕(Ru)、鈮(Nb)、釩(V)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、鋁(Al)、鎂(Mg)、硅(Si)、釔(Y)、鈰(Ce)、鈀(Pd)、錸(Re)、其合金、及其化合物的組中選擇的材料形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一取向控制緩沖器具有0.7nm或更小的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一取向控制緩沖器由從包括鉭(Ta)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、鎢(W)、及其合金的組中選擇的材料形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一取向控制緩沖器被形成為，允許所述第一和第二鐵磁膜相互部分地接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一取向控制緩沖器由從包括釕(Ru)、鉻(Cr)、錸(Re)、銠(Rh)、銥(Ir)、釔(Y)、銀(Ag)、銅(Cu)、其合金、及其化合物的組中選擇的材料形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中調(diào)節(jié)所述第一取向控制緩沖器的厚度，使得所述第一取向控制緩沖器在所述第一和第二鐵磁膜之間表現(xiàn)出鐵磁耦合。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中與所述第一鐵磁膜相比，所述第二鐵磁膜的最緊密堆積面高度取向于膜平面的垂線。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁膜具有FCC結(jié)構(gòu)，并且與所述第一鐵磁膜相比，表現(xiàn)出更高的FCC(111)取向。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁膜具有BCC結(jié)構(gòu)，并且與所述第一鐵磁膜相比，表現(xiàn)出更高的BCC(110)取向。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁膜具有HCP結(jié)構(gòu)，并且與所述第一鐵磁膜相比，表現(xiàn)出更高的HCP(001)取向。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁膜由從包括鎳、鐵、鈷及其合金的組中選擇的材料形成，以及其中所述第一非磁層由釕或其合金形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁膜由從包括鎳、鐵、鈷及其合金的組中選擇的材料形成，以及其中所述第一非磁層由釕或其合金形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一取向控制緩沖器是鐵磁性的，并且直接被形成在非晶形層上，以及其中所述第一鐵磁層包括被形成在所述第一取向控制緩沖器上的鐵磁膜。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一鐵磁層包括鐵磁膜，其中所述第一取向控制緩沖器是鐵磁性的，并被形成在所述鐵磁膜上，以及其中所述第一非磁層被形成在所述第一取向控制緩沖器上。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一取向控制緩沖器被配置為鐵磁性的，并包括鐵磁材料；以及從包括鉭、鈮、鋯、鉿、鉬和鎢的組中選擇的至少一種材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一取向控制緩沖器被配置為鐵磁性的，并包括鐵磁材料；以及從包括鉭、鈮、鋯、鉿、鉬和鎢的組中選擇的至少一種材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一取向控制緩沖器被配置為鐵磁性的，并包括鐵磁材料；以及從包括鉭、鈮、鋯、鉿、鉬和鎢的組中選擇的至少一種材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述鐵磁材料是NiFe，其中所述至少一種材料是鉭或鋯，以及其中所述第一取向控制緩沖器的鉭或鋯含量在從5到25原子百分?jǐn)?shù)的范圍內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁層包括第三鐵磁膜；位于所述第三鐵磁膜上方的第四鐵磁膜；以及位于所述第三和第四鐵磁膜之間的第二取向控制緩沖器。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二取向控制緩沖器是非晶形的。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二取向控制緩沖器由鐵磁材料形成。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁層進(jìn)一步包括位于所述第二取向控制緩沖器和所述第四鐵磁膜之間的第三取向控制緩沖器，以及其中所述第三取向控制緩沖器被配置成提高所述第四鐵磁膜的結(jié)晶取向。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁層包括在所述第一非磁層上形成的非晶形鐵磁膜；在所述非晶形鐵磁膜上形成的第四取向控制緩沖器；以及附加鐵磁膜，其中所述第四取向控制緩沖器被配置成提高所述附加鐵磁膜的結(jié)晶取向。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁層包括第三鐵磁膜；第四鐵磁膜；位于所述第三和第四鐵磁膜之間的第五取向控制緩沖器，其中所述第三鐵磁膜經(jīng)過(guò)了等離子處理，以及其中所述第五取向控制緩沖器被配置成提高所述第四鐵磁膜的結(jié)晶取向。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括在所述第二鐵磁層上形成的第二非磁層；以及在所述第二非磁層上形成的第三鐵磁層。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第三鐵磁層包括非晶形的第六取向控制緩沖器。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第三鐵磁層進(jìn)一步包括第五鐵磁膜；以及位于所述第五鐵磁膜上方的第六鐵磁膜，以及其中所述第六取向控制緩沖器位于所述第五和第六鐵磁膜之間。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第三鐵磁層包括第五鐵磁膜；第六鐵磁膜；以及位于所述第五和第六鐵磁膜之間的第五取向控制緩沖器，其中所述第五鐵磁膜經(jīng)過(guò)了等離子處理，以及其中所述第五取向控制緩沖器被配置成增強(qiáng)所述第六鐵磁膜的結(jié)晶取向。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括在所述第二磁層上形成的第二非磁層；以及在所述第二非磁層上形成的第三鐵磁層，其中所述第二鐵磁層由摻有非磁性材料的鐵磁材料形成。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第三鐵磁層由摻有非磁性材料的鐵磁材料形成。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一非磁層被配置成在所述第一和第二鐵磁層之間提供反鐵磁耦合。
35.根據(jù)權(quán)利要求28所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一非磁層被配置成在所述第一和第二鐵磁層之間提供反鐵磁耦合，以及其中所述第二非磁層被配置成在所述第二和第三鐵磁層之間提供反鐵磁耦合。
36.一種分層鐵磁結(jié)構(gòu)，包括第一鐵磁層；第二鐵磁層；以及位于所述第一和第二鐵磁層之間的第一非磁層，其中所述第一鐵磁層的頂表面和所述第一非磁層接觸，其中所述第一鐵磁層包括第一鐵磁膜；和所述第一鐵磁膜反鐵磁地耦合的第二鐵磁膜，其中所述第二鐵磁膜位于所述第一鐵磁膜和所述第一非磁層之間，以及其中所述第二鐵磁膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同于所述第一鐵磁膜。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁膜的所述結(jié)晶取向高于所述第一鐵磁膜的所述結(jié)晶取向。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一鐵磁膜的底表面和非晶形膜接觸。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁層包括第三鐵磁膜；以及和所述第三鐵磁膜反鐵磁耦合的第四鐵磁膜。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第四鐵磁膜表現(xiàn)出比所述第三鐵磁膜差的結(jié)晶取向。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第四鐵磁膜經(jīng)過(guò)了等離子處理。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括在所述第二鐵磁層上形成的第二非磁層；以及在所述第二非磁層上形成的第三鐵磁層。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第三鐵磁層包括第五鐵磁膜；以及和所述第五鐵磁膜反鐵磁耦合的第六鐵磁膜。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第六鐵磁膜表現(xiàn)出比所述第五鐵磁膜差的結(jié)晶取向。
45.根據(jù)權(quán)利要求43所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第六鐵磁膜經(jīng)過(guò)了等離子處理。
46.根據(jù)權(quán)利要求36所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第二鐵磁膜表現(xiàn)出比所述第一鐵磁膜差的結(jié)晶取向。
47.根據(jù)權(quán)利要求36所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一非磁層被配置成在所述第一和第二鐵磁層之間提供反鐵磁耦合。
48.根據(jù)權(quán)利要求42所述的分層鐵磁結(jié)構(gòu)，其中所述第一非磁層被配置成在所述第一和第二鐵磁層之間提供反鐵磁耦合，以及其中所述第二非磁層被配置成在所述第二和第三鐵磁層之間提供反鐵磁耦合。
49.一種磁隧道結(jié)元件，包括位于襯底上方的固定磁層；位于所述襯底上方的自由磁層；位于所述固定和自由磁層之間的隧道阻擋層，其中所述固定磁層和自由磁層之一位于所述隧道阻擋層上方，以及其中所述固定磁層和自由磁層所述之一包括在所述隧道阻擋層上形成的第一鐵磁層；在所述隧道阻擋層上形成的第一非磁層；以及在所述第一非磁層上形成的第二鐵磁層，所述第一鐵磁層的頂表面和所述第一非磁層接觸，以及其中所述第一鐵磁層包括第一取向控制緩沖器，該第一取向控制緩沖器表現(xiàn)出提高它上面形成的膜的結(jié)晶取向的作用。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的磁隧道結(jié)元件，其中所述第一鐵磁層進(jìn)一步包括第一鐵磁膜；以及位于所述第一鐵磁膜上方的第二鐵磁膜，以及其中所述第一取向控制緩沖器位于所述第一和第二鐵磁膜之間，并被設(shè)計(jì)成在所述第一和第二鐵磁膜之間提供鐵磁耦合。
51.根據(jù)權(quán)利要求49所述的磁隧道結(jié)元件，其中所述第一取向控制緩沖器是鐵磁性的，并且直接被形成在所述隧道阻擋層上，以及其中所述第一鐵磁層包括在所述第一取向控制緩沖器上形成的鐵磁膜。
52.根據(jù)權(quán)利要求49所述的磁隧道結(jié)元件，其中所述第一鐵磁層進(jìn)一步包括在所述隧道阻擋層上形成的鐵磁膜，以及其中所述第一取向控制緩沖器是鐵磁性的，并被形成在所述鐵磁膜上，以及其中所述第一非磁層被形成在所述第一取向控制緩沖器上。
53.根據(jù)權(quán)利要求49所述的磁隧道結(jié)元件，其中所述第二鐵磁層包括非晶形的第二取向控制緩沖器。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的磁隧道結(jié)元件，其中所述第二鐵磁層進(jìn)一步包括第三鐵磁膜；以及位于所述第三鐵磁膜上方的第四鐵磁膜，以及其中所述第二取向控制緩沖器位于所述第三和第四鐵磁膜之間。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述的磁隧道結(jié)元件，其中所述第二取向控制緩沖器由鐵磁材料形成。
56.根據(jù)權(quán)利要求53所述的磁隧道結(jié)元件，其中所述第二鐵磁層包括位于所述第二取向控制緩沖器和所述第四鐵磁膜之間的第三取向控制緩沖器，以及其中所述第三取向控制緩沖器被配置成提高所述第四鐵磁膜的結(jié)晶取向。
57.根據(jù)權(quán)利要求49所述的磁隧道結(jié)元件，其中所述第二鐵磁層包括在所述第一非磁層上形成的非晶形鐵磁膜；在所述非晶形鐵磁膜上形成的第四取向控制緩沖器；以及在所述第四取向控制緩沖器上形成的附加鐵磁膜，其中所述第四取向控制緩沖器被配置成提高所述附加鐵磁膜的結(jié)晶取向。
58.一種磁隧道結(jié)元件，包括固定磁層；在所述固定磁層的頂表面上形成的隧道阻擋層；以及在所述隧道阻擋層的頂表面上形成的自由磁層；其中所述固定磁層包括第一和第二鐵磁層；位于所述第一和第二鐵磁層之間的第一非磁層，其中所述第一鐵磁層的頂表面和所述第一非磁層接觸，以及所述第一鐵磁層包括取向控制緩沖器，該取向控制緩沖器表現(xiàn)出提高它上面形成的膜的結(jié)晶取向的作用。
59.一種磁隧道結(jié)元件，包括自由磁層；在所述自由磁層的頂表面上形成的隧道阻擋層；以及在所述隧道阻擋層的頂表面上形成的固定磁層；其中所述固定磁層包括第一和第二鐵磁層；位于所述第一和第二鐵磁層之間的第一非磁層，其中所述第一鐵磁層的頂表面和所述第一非磁層接觸，以及其中所述第一鐵磁層包括取向控制緩沖器，該取向控制緩沖器表現(xiàn)出提高它上面形成的膜的結(jié)晶取向的作用。
60.一種制造分層鐵磁結(jié)構(gòu)的方法，包括形成第一鐵磁層；在所述第一鐵磁層上形成第一非磁層；在所述第一非磁層上形成第二鐵磁層；在所述第二鐵磁層上形成第二非磁層；以及在所述第二非磁層上形成第三鐵磁層，其中所述形成所述第一鐵磁層包括在所述第一鐵磁層的任何部分中形成第一取向控制緩沖器，所述第一取向控制緩沖器具有提高它上面形成的膜的結(jié)晶取向的作用，其中所述形成所述第二鐵磁層包括形成第三鐵磁膜；使所述第三鐵磁膜受到等離子處理；以及在所述第三鐵磁膜上方形成第四鐵磁膜，所述第四鐵磁膜和所述第三鐵磁膜反鐵磁耦合。
61.一種制造分層鐵磁結(jié)構(gòu)的方法，包括形成第一鐵磁層；在所述第一鐵磁層上形成第一非磁層；在所述第一非磁層上形成第二鐵磁層；在所述第二鐵磁層上形成第二非磁層；以及在所述第二非磁層上形成第三鐵磁層，其中所述形成所述第一鐵磁層包括在所述第一鐵磁層的任何部分中形成第一取向控制緩沖器，所述第一取向控制緩沖器具有提高它上面形成的膜的結(jié)晶取向的作用，其中利用添加了氧或氮的濺射氣體，通過(guò)濺射方法來(lái)形成所述第二鐵磁層。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，其中利用添加了氧或氮的濺射氣體，通過(guò)濺射方法來(lái)形成所述第三鐵磁層。
63.一種制造分層鐵磁結(jié)構(gòu)的方法，包括形成第一鐵磁層；在所述第一鐵磁層上形成第一非磁層；在所述第一非磁層上形成第二鐵磁層；在所述第二鐵磁層上形成第二非磁層；以及在所述第二非磁層上形成第三鐵磁層，其中所述形成所述第一鐵磁層包括在所述第一鐵磁層的任何部分中形成第一取向控制緩沖器，所述第一取向控制緩沖器具有提高它上面形成的膜的結(jié)晶取向的作用，其中所述第二鐵磁層由摻有非磁性材料的鐵磁材料形成。
64.根據(jù)權(quán)利要求63所述的方法，其中所述第三鐵磁層由摻有非磁性材料的鐵磁材料形成。
全文摘要
公開(kāi)了一種包括分層鐵磁結(jié)構(gòu)的磁阻器件及制造該磁阻器件的方法，該分層鐵磁結(jié)構(gòu)包括位于襯底上方的第一鐵磁層(11)；位于第一鐵磁層(11)上方的第二鐵磁層(13)；以及位于第一和第二鐵磁層(11、13)之間的第一非磁層(12)。第一鐵磁層(11)的頂表面和第一非磁層(12)接觸。第一鐵磁層(11)包括第一取向控制緩沖器(22)，該第一取向控制緩沖器(22)表現(xiàn)出提高它上面形成的膜的結(jié)晶取向的作用。
文檔編號(hào)H01F10/32GK1822219SQ200610008529
公開(kāi)日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2006年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月16日
發(fā)明者福本能之, 五十嵐忠二 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社