專利名稱：磁存儲器元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁存儲器元件，其具有包括多個用作存儲層和參照層(reference layer)的垂直磁化膜的層結(jié)構(gòu)，在垂直磁化膜之間層積有非磁性材料，更具體地涉及參照層的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在諸如計算機的信息設(shè)備中，具有高運算速度和高密度的DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)被廣泛用作RAM(隨機存取存儲器)。然而，DRAM是易失性存儲器，當(dāng)電源供給關(guān)斷時丟失信息，并且因此需要保存信息的非易失性存儲器。通過磁性材料的磁化來存儲信息的MRAM(磁性隨機存取存儲器)作為非易失性存儲器的候選已引起關(guān)注并正被開發(fā)。MRAM的存儲方法包括通過電流磁場進(jìn)行磁化反轉(zhuǎn)的方法，和例如日本未審查專利申請公開第2004-193595號中公開的通過將自旋極化電子直接注入存儲層以引起磁化反轉(zhuǎn)的方法。特別地，能夠隨元件尺寸的減小來減小存儲電流的自旋注入磁化反轉(zhuǎn)引起關(guān)注。進(jìn)一步地，存在為了使元件小型化使用由具有垂直磁化方向的磁性材料組成垂直磁化膜的方法的研究，例如，日本未審查專利申請公開第2009-81215號中所公開的方法。磁存儲器元件具有包括作為磁化層的存儲層和參照層的層結(jié)構(gòu)，在磁化層之間層積有非磁性材料。作為具有垂直磁化的磁存儲器元件的垂直磁化膜，所提出的用于參照層和存儲層的材料基本上相同，包括TWeCo、FePt, CoPt, Co/Pt連續(xù)層積膜和Co/Pd連續(xù)層積膜。

發(fā)明內(nèi)容
然而，對于參照層所期望的特性顯著地不同于對于存儲層所期望的特性，因此通過使用現(xiàn)有的材料很難滿足參照層的特性。對于參照層所期望的特性包括在微型元件中對熱、外部磁場或存儲電流穩(wěn)定的垂直磁化。進(jìn)一步地，為了實行精細(xì)加工，對于盡可能薄的膜需要實現(xiàn)高的矯頑力，并且期望的矯頑力至少是^Oe或更大。期望在具有垂直磁化的磁存儲器元件中實現(xiàn)具有耐制造加工性、小的厚度、高矯頑力以及高耐熱性的磁化參照層。根據(jù)本發(fā)明實施方式的磁存儲器元件包括具有垂直于膜表面的磁化并相應(yīng)于信息而改變磁化方向的存儲層、具有垂直于膜表面的磁化并用作信息的基準(zhǔn)的參照層、由非磁性材料構(gòu)成的且設(shè)置在存儲層和參照層之間的自旋注入層。當(dāng)電流穿過包括存儲層、自旋注入層和參照層的層結(jié)構(gòu)時，產(chǎn)生自旋扭矩從而在存儲層中通過自旋扭矩引起的磁化反轉(zhuǎn)來存儲數(shù)據(jù)。參照層具有其中層積有至少兩個包含20原子％以上50原子％以下的Pt并且厚度為Inm以上5nm以下的CoPt層的結(jié)構(gòu)，并且在這兩個CoPt層之間設(shè)置有Ru層。Ru 層的厚度是0. 45 士0. 05nm或0. 9 士0. lnm。另外，CoPt層的三重晶體對稱軸垂直地指向膜表面。進(jìn)一步地，參照層和自旋注入層之間的界面包括含有Co或狗作為主要組分的1. 5nm 以下的高自旋極化層。參照層中的高自旋極化層是CoFeB層。參照層中的CoPt層可由Ni代替小于50%的Pt。參照層通過順次層積第一 CoPt層、Ru層、第二 CoPt層、Ru層和高自旋極化層而構(gòu)成。在此情形中，第二 CoPt層的厚度比第一 CoPt層的厚度大Inm以上且2nm以下。參照層通過順次層積第一 CoPt層、Ru層、第二 CoPt層、緩沖層和高自旋極化層構(gòu)成。在此情形中，緩沖層具有0. 3nm以下的厚度，并且由Ti、Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Zr、Hf、Si、 Ge、Zn、Mg、Gd、Tb、Dy、Ho、Re、Ru、MgO、A1203、TiO2 和 SiO2 中的至少一種構(gòu)成。另外，第一 CoPt層的厚度比第二 CoPt層的厚度大Inm以上且2nm以下。參照層通過順次層積第一 CoPt層、Ru層、第二 CoPt層、Ru層、第三CoPt層、Ru層和高自旋極化層構(gòu)成。在此情形中，第一 CoPt層和第三CoPt層的總厚度比第二 CoPt層的厚度大Inm以上且2nm以下。參照層通過順次層積第一 CoPt層、Ru層、第二 CoPt層、Ru層、第三CoPt層、緩沖層和高自旋極化層構(gòu)成。在此情形中，緩沖層具有0.3nm以下的厚度，并且由Ti、Cr、V、Nb、 Ta、Mo、W、Zr、Hf、Si、Ge、Zn、Mg、Gd、Tb、Dy、Ho、Re、Ru、MgO、A1203、TiO2 禾口 SiO2 中的至少一種組成。另外，第二 CoPt層的厚度比第一 CoPt層和第三CoPt層的總厚度大Inm以上且 2nm以下。在包括具有垂直磁化并且其間設(shè)置有非磁性層(自旋極化層)而層積的參照層和存儲層的磁存儲器元件中，參照層由CoPt合金構(gòu)成，該CoPt合金具有熱穩(wěn)定的六方晶體、 或者六方晶體和面心立方晶體的混合物，并且具有20原子％以上且50原子％以下的Pt含量，并且三次對稱軸垂直指向膜表面。在此情形中，可獲得穩(wěn)定的垂直磁各向異性。然而，僅由此構(gòu)造不能充分獲得參照層的矯頑力。因此，矯頑力通過經(jīng)由設(shè)置在至少兩個CoPt層之間的Ru層進(jìn)行反鐵磁性耦合而增大。特別地，當(dāng)CoPt合金層具有Inm以上且5nm以下的厚度，并且Ru層具有0. 45士0. 05nm或0. 9士0. Inm的厚度時，可獲得直到高處理溫度的穩(wěn)定的特性，且同時保持優(yōu)異的矯頑力增大效果。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，可實現(xiàn)具有小的厚度、高矯頑力和高耐熱性的參照層，并且可實現(xiàn)不易受溫度和外部磁場影響并且能夠穩(wěn)定運行的磁存儲器。


圖1是使用根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器元件的磁存儲器的說明圖；圖2中的(A)、(B)和(C)是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器元件的構(gòu)造例的說明圖；圖3中的(A)、(B)和(C)是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器元件的構(gòu)造例的說明圖；圖4是說明垂直各向異性磁場與MgO單晶上形成的CoPt膜的Pt組分之間的關(guān)系的曲線圖；圖5A和圖5B是示出MgO(Ill)平面上沉積的CoPt的電子束點陣(lattice，晶格) 圖像和衍射圖像的照片；
圖6是示出垂直各向異性磁場隨CoPt的Pt被Ni代替而變化的曲線圖；圖7是示出CoPt層的厚度和矯頑力之間的關(guān)系的曲線圖；圖8A和圖8B是示出通過兩個CoPt膜隔著Ru而磁性耦合的磁光Kerr效應(yīng)來測量的結(jié)果的曲線圖；圖9A和圖9B是示出在CoPt/Ru/CoPt膜中矯頑力隨著Ru膜的厚度變化的曲線圖；圖IOA和圖IOB是示出在CoPt/Ru/CoPt膜中矯頑力隨著CoPt膜的厚度變化的曲線圖； 圖1IA和圖1IB是示出通過在CoPt/Ru/CoPt/Ru/CoFeB膜中隨著CoFeB膜的厚度變化的磁光Kerr效應(yīng)來測量的結(jié)果的曲線圖；圖12是在垂直磁化膜的鐵磁性隧道結(jié)(ferromagnetic tunnel junction)處 CoPt和CoFeB之間所插入的各種緩沖層的磁阻比(magnetoresistance ratios)的說明圖；圖13A、圖1 和圖13C是示出矯頑力隨根據(jù)本發(fā)明實施方式的樣品1和2中的每一個的第一 CoPt層和第二 CoPt層之間的厚度差異而變化的曲線圖；和圖14A、圖14B和圖14C圖是示出矯頑力隨本發(fā)明的實施方式的樣品3和4中的每一個的第三CoPt層的厚度變化的曲線圖。
具體實施例方式下面按照下列順序描述本發(fā)明的實施方式<1.磁存儲器的結(jié)構(gòu)概要><2.根據(jù)實施方式的磁存儲器元件的結(jié)構(gòu)例><3.各種研究結(jié)果>[3-1 =CoPt 層的 Pt 組分][3-2 =Ni添加到CoPt合金的效果][3-3 包括通過Ru層層積的至少兩個CoPt層的結(jié)構(gòu)][3_4:Ru 層的厚度][3-5 =CoPt 層的厚度][3-6 高自旋極化層的厚度][3-7 緩沖層][3-8 各種CoPt層的厚度比][3-9:總結(jié)]<1.磁存儲器的結(jié)構(gòu)概要>首先，描述使用根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器元件的磁存儲器的結(jié)構(gòu)。圖1 示意性地示出磁存儲器的結(jié)構(gòu)的概要。磁存儲器10包括彼此交叉的兩種地址線(例如字線和位線)以及設(shè)置在這兩種地址線之間靠近各交叉點的磁存儲器元件1。磁存儲器元件1具有如下所述根據(jù)本發(fā)明實施方式的結(jié)構(gòu)。在磁存儲器10中，構(gòu)成用于選擇各存儲器元件1的選擇晶體管的漏極區(qū)8、源極區(qū)7和柵電極3形成在由Si等構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底的通過元件隔離層2分隔的區(qū)域中。柵電極3還用作地址線之一(例如，字線)，其在圖中的縱向方向上延伸。漏極區(qū)8在圖中的橫向方向上的相鄰的選擇晶體管上公共形成，配線9連接到漏極區(qū)8。各磁存儲器元件1被設(shè)置在源極區(qū)7和另一個地址線(例如，位線)6之間，地址線6設(shè)置在磁存儲器元件1上，并且在圖中的橫向方向上延伸。各磁存儲器元件1包括存儲層、參照層和自旋注入層，存儲層包括具有垂直磁化且通過自旋注入來反轉(zhuǎn)磁化方向的強磁化層，參照層具有用作存儲層中保存的信息的參照的磁化方向，自旋注入層設(shè)置在存儲層和參照層之間并包括非磁性材料。磁存儲器元件1被設(shè)置在用作兩種配線的柵電極3和配線6之間的交叉點附近， 并且通過上、下接觸層4連接到這兩種配線。結(jié)果，通過穿過柵電極3和配線6在垂直方向上流過電流而引起的自旋注入，各磁存儲器元件1的存儲層的磁化方向可根據(jù)信息而被反轉(zhuǎn)。圖1所示的結(jié)構(gòu)只是用于解釋磁存儲器的實例。例如，配線6可形成在磁存儲器元件1上而沒有上接觸層4。<2.根據(jù)實施方式的磁存儲器元件的結(jié)構(gòu)例>如上所述，在本發(fā)明的實施方式中，實現(xiàn)了具有耐制造加工性、小的厚度、高矯頑力和高耐熱性的磁化參照層，由此實現(xiàn)了使用垂直磁化膜并且能夠作為磁存儲器元件穩(wěn)定運行的磁存儲器元件。作為重復(fù)研究的結(jié)果，本發(fā)明人在包括具有垂直磁化并經(jīng)由非磁性層(自旋注入層)而層積的參照層和存儲層的磁存儲器元件中發(fā)現(xiàn)下列問題。當(dāng)參照層由下述CoPt合金構(gòu)成、且三次對稱軸垂直指向膜表面時，可獲得穩(wěn)定的垂直磁各向異性。其中，該CoPt合金包括具有熱穩(wěn)定性的六方晶體或六方晶體和面心立方晶體的混合物，并且CoPt中的Pt含量為20原子％以上且50原子％以下。然而，僅由此構(gòu)造不能充分得到參照層的矯頑力。因此，進(jìn)行以下研究通過其間設(shè)置有Ru層的至少兩個CoPt合金層之間的反鐵磁性耦合來增大矯頑力。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)特別是當(dāng)CoPt合金層具有Inm以上且5nm以下的厚度，并且Ru層具有0. 45士0. 05nm或 0. 9士0. Inm的厚度時，可獲得直到高處理溫度的穩(wěn)定的特性，且同時保持優(yōu)異的矯頑力增大效果。圖2㈧至圖2(C)以及圖3㈧至圖3(C)示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器元件1的基本構(gòu)造的實例。具體地，給出構(gòu)造例I、II、III和IV作為參照層的構(gòu)造。圖2(A)示出磁存儲器元件1的層結(jié)構(gòu)的實例。通常磁存儲器元件1形成為例如圓柱形、橢圓柱形或圓錐臺形。這個圖示出圓柱形磁存儲器元件1中的包括順次層積的許
多層的層結(jié)構(gòu)。如圖2(A)所示，根據(jù)本實施方式的具有垂直磁化的磁存儲器元件1包括下底層 (underlayer) 11、參照層12、自旋注入層13、存儲層14和保護(hù)層15，它們順次層積在下電極 16和上電極17之間。存儲層14由具有磁化方向在垂直于層表面方向上自由變化的磁矩的鐵磁材料組成。作為存儲層14，例如，可使用具有垂直各向異性的磁性材料，諸如稀土過渡金屬合金(如TbCoi^e)、如Co/Pd多層膜的金屬多層膜、或如!^ePt的規(guī)則合金。為了減小矯頑力或減小磁阻尼常數(shù)，可控制組分，或可添加附加的元素。參照層12由具有磁化被固定在垂直膜表面的方向上的磁矩的鐵磁材料組成。稍后描述參照層12的構(gòu)造。存儲層14和參照層12被設(shè)置為其間放置自旋注入層13。作為自旋注入層13的材料，可使用Cu、Ag等的金屬膜、或A1203、Ti02、MgO等的氧化物膜。根據(jù)具有單軸各向異性的存儲層14的磁化方向來執(zhí)行信息存儲。通過在垂直于膜表面的方向上施加電流并且弓I起自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來執(zhí)行寫入。在通過自旋注入來反轉(zhuǎn)磁化方向的存儲層14的下面，設(shè)置作為磁化固定層的參照層12。參照層12被用作存儲層 14所存儲的信息(磁化方向)的參照。由于參照層14用作信息的參照，因此其磁化方向不因存儲或讀取而變化。然而， 磁化方向不是必需固定在指定方向，而是可以與存儲層14相比，通過增加矯頑力、厚度或磁阻尼常數(shù)來使其磁化方向比存儲層14更難移動。當(dāng)固定磁化時，可通過與諸如PtMn或IrMn的反鐵磁性材料接觸、或通過經(jīng)由諸如 Ru的非磁性材料來磁性耦合與這些反鐵磁性材料接觸的磁性材料，來間接地固定參照層 12。保護(hù)層15例如由1^、86、妝、]\%、恥、11、￥、1^和83中的至少一種元素、或包含這些元素之一的氧化物、或Ti和V中的一種元素的氮化物構(gòu)成。下底層11例如由Ru、Mg、Ca、V、Nb、Mn、Fe、Co和Ni中的至少一種元素、或含有這些元素之一的氧化物構(gòu)成。當(dāng)下底層11過厚時，平滑度降低，而當(dāng)下底層11過薄時，其不起作用。因此，下底層11形成為厚度為3至30nm。盡管圖2(A)示出在存儲層14下面設(shè)置參照層12的情形，但是參照層12也可設(shè)置在存儲層14上面。圖2(A)僅示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器元件1的層結(jié)構(gòu)的實例。包括具有垂直磁化的存儲層14的磁存儲器元件1的存儲層14優(yōu)選地具有圓柱形、具有略微窄的上部寬度的圓錐臺形、或具有低縱橫比的橢圓柱或者橢圓錐臺形。參照層的形狀12可與存儲層14相同，但是當(dāng)參照層12設(shè)置在存儲層14下面時， 可使用任何期望的形狀，只要其大于存儲層14。另外，磁存儲器元件1通常由絕緣層包圍。此實施方式的特征在于參照層12的構(gòu)造。圖2⑶示出參照層12的構(gòu)造例I。這是具有兩個CoPt層的實例，其中，參照層12包括第一 CoPt層21、Ru (釕)層 22、第二 CoPt層23、Ru層M和高自旋極化層25，這些層從下底層11側(cè)順次層積。高自旋極化層25是位于與自旋注入層13的界面處的層。圖2 (C)示出參照層12的構(gòu)造例II。這是具有兩個CoPt層和緩沖層的實例。參照層12包括第一 CoPt層21、Ru層22、 第二 CoPt層23、緩沖層沈和高自旋極化層25，這些層從下底層11側(cè)順次層積。高自旋極化層25是位于與自旋注入層13的界面處的層。圖3(B)示出參照層12的構(gòu)造例III。圖3㈧示出與圖2(A)中相同的磁存儲器元件1的層結(jié)構(gòu)。圖3(B)示出具有三個CoPt層的實例。在此情形中，參照層12包括第一 CoPt層 21、Ru層22、第二 CoPt層23、Ru層對、第三CoPt層27、Ru層觀和高自旋極化層25，這些層從下底層U側(cè)順次層積。高自旋極化層25是位于與自旋注入層13的界面處的層。圖3 (C)示出參照層12的構(gòu)造例IV。圖3(C)示出具有三個CoPt層和緩沖層的實例。在此情形中，參照層12包括第一 CoPt層21、Ru層22、第二 CoPt層23、如層M、第三CoPt層27、緩沖層沈和高自旋極化層 25，這些層從下底層11側(cè)順次層積。高自旋極化層25是位于與自旋注入層13的界面處的層。類似地，可使用具有四個CoPt層的構(gòu)造。然而，這個構(gòu)造不是特別有效，因為盡管在特性上有小的改進(jìn)，但膜構(gòu)造變得復(fù)雜。如上所述，當(dāng)參照層12由具有熱穩(wěn)定性的六方晶體或六方晶體和面心立方晶體的混合物、并且具有20原子％以上且50原子％以下的Pt含量的CoPt合金構(gòu)成，且三次對稱軸垂直指向膜表面時，可獲得穩(wěn)定的垂直磁各向異性。另外，為了在參照層12中獲得充分的矯頑力，通過在至少兩個CoPt層Ql、23、27) 之間經(jīng)由Ru層(22、24)進(jìn)行反鐵磁性耦合來增大矯頑力。在此情形中，CoPt合金層Ql、23、27)具有Inm以上且5nm以下的厚度，并且Ru 層(22、24)具有0. 45 士 0. 05nm或0. 9 士 0. Inm的厚度，從而獲得直到高處理溫度的穩(wěn)定的特性，同時保持優(yōu)異的矯頑力增大效果。然而，當(dāng)至少兩個CoPt層Ql、23、27)之間的Ru層Q2J4)的厚度超過上述范圍時，或者當(dāng)CoPt合金層的厚度小于Inm或大于5nm時，由于垂直磁各向異性和經(jīng)由Ru層的磁相互作用之間的平衡惡化，因此在CoPt合金層中未獲得穩(wěn)定的矯頑力。具體地，當(dāng)通過使用由高自旋極化的Co或狗作為主要成分的材料以在與自旋注入層13的界面處形成高自旋極化層25時，除非在上述條件下，否則不能形成穩(wěn)定的參照層。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器元件1的參照層12可進(jìn)一步含有小于10原子％的Cr、Fe、Cu、Pd或者Au作為添加元素，用于改善耐腐蝕性和控制飽和磁通密度的磁各向異性。進(jìn)一步，為了降低材料成本，在CoPt合金中多達(dá)50%的Pt可由Ni代替。另外，作為用于高自旋極化層25的材料，可使用元素！^或Co、FeCo合金、或進(jìn)一步含硼的CoFeB合金。進(jìn)一步地，可添加小于10原子％的其他元素，用于改進(jìn)耐腐蝕性等。構(gòu)造例II和IV中的每一個的緩沖層沈適用于減小CoPt層和高自旋極化層25之間相互擴(kuò)散的影響。緩沖層沈至少具有作為參照層12的功能，但若使用由Ti、Cr、V、Nb、 Ta、Mo、W、Zr、Hf、Si、Ge、Zn、Mg、Gd、Tb、Dy、Ho、Re、Ru、MgO、A1203、TiO2 和中的至少一種構(gòu)成的材料，則對于改進(jìn)磁阻比是有效的。然而，為了維持磁相互作用，緩沖層26的厚度優(yōu)選為0. 3nm以下。<3.各種研究結(jié)果>下面描述關(guān)于根據(jù)本實施方式的參照層12的構(gòu)造的各種調(diào)查研究的結(jié)果。[3-1 =CoPt 層的 Pt 組分]
圖4示出Pt組分和CoPt合金膜的垂直各向異性的磁場(Hk)之間的關(guān)系，其中 CoPt合金膜的厚度為lOnm，并且在單晶MgO的(100)面和(111)面中的每一個上形成。垂直各向異性的磁場通過在樣品的膜面內(nèi)方向中施加的磁場并且飽和磁化來示出。此圖表明，在MgO(IOO)面上形成的CoPt合金膜中基本上沒有觀察到垂直磁各向異性。另一方面，在MgO(Ill)面上形成的CoPt合金膜中觀察到垂直磁各向異性。具體地， 在20原子％至50原子％的Pt組分的情況下觀察到大的垂直磁各向異性(例如，5kOe以上)。在30原子％至40原子％的Pt組分的情況下垂直磁各向異性特別大，其優(yōu)選用于參照層12。然而，考慮^Oe以上的情況，Pt組分適當(dāng)?shù)卦?0原子％至50原子％的范圍內(nèi)。圖5A和圖5B示出用電子顯微鏡觀察的單晶MgO(Ill)上形成的Co8tlPt2tl膜的點陣圖像和衍射圖像。晶體結(jié)構(gòu)由含有相當(dāng)于密集排列六方點陣和面心立方點陣之間的中間態(tài)的堆垛層錯(stacking fault)的密集排列六方點陣構(gòu)成，并且具有關(guān)于垂直于膜表面的方向的三次晶體對稱。用于定向CoPt合金膜的三次晶體對稱軸的方法包括在單晶的三次對稱軸平面上沉積，例如在MgO(Ill)上。然而，更便利的方法可包括在具有密集排列六方結(jié)構(gòu)的Ru或 Re、或具有面心立方結(jié)構(gòu)的Cu、Au或Pt的基底材料上沉積。特別地，Ru適用于下底層11，因為可容易地形成和定向薄膜。[3-2 =Ni添加到CoPt合金的效果]下面，檢驗Ni添加到CoPt合金的效果。圖6示出垂直磁各向異性(Hk)隨著在厚度5nm的Ru膜上形成的厚度IOnm的 CoNiPt膜中的Pt/Ni比的變化。在這個圖中，“X”表示添加的Ni的比，并且在橫坐標(biāo)上示出。該圖示出Ni在比率 “X”處代替Pt的Co7tlPt3tl膜和Co5tlPt5tl膜中的每一個樣品的垂直磁各向異性(Hk)。通過由Ni代替Pt，垂直磁各向異性(Hk)趨于逐漸減小，但是代替直到大約50%， 均可獲得^Oe以上的垂直磁各向異性。因此，發(fā)現(xiàn)CoPt層Ql、23、27)的CoPt合金可由Ni代替Pt直到50%。這在降低材料成本中特別有效。[3-3 包括經(jīng)由Ru層層積的至少兩個CoPt層的結(jié)構(gòu)]圖7示出矯頑力根據(jù)厚度5nm的Ru基底上所形成的Co7tlPt3tl膜的厚度的變化。圖7示出，通過增加Co70Pt30的厚度到2nm以上，矯頑力很少增加，并因此這種 Co70Pt30膜不適用于參照層12。圖8A示出通過磁光效應(yīng)測量兩個Co7tlPt3tl層的磁化的結(jié)果，其中，如圖8B所示， Co70Pt30層厚度為3nm，并且層積在厚度5nm以上的Ru下底層上，其間設(shè)置有厚度0. 9nm的 Ru層。圖8B所示的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于包括圖2(A)至圖2(C)以及圖3㈧至圖3(C)中所示的構(gòu)造例中的下底層11、第一 CoPt層21、Ru層22和第二 CoPt層23的構(gòu)造例。在圖8A中，通過磁Kerr效應(yīng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角在縱坐標(biāo)上示出，并且相當(dāng)于磁化量。 在該圖中，上CoPt層和下CoPt層的磁化方向由箭頭示出。在這個狀態(tài)中，直到由圖8A中Hc所示的磁場為止，磁化狀態(tài)均未改變，并且層積結(jié)構(gòu)(stacked structure)充分穩(wěn)定地具有作為磁存儲器元件1的參照層12的功能。也就是說，發(fā)現(xiàn)包括經(jīng)由其間設(shè)置的Ru層而層積至少兩個CoPt層的結(jié)構(gòu)可有效地用作參照層12。另外，本發(fā)明的實施方式中所使用的磁化膜不響應(yīng)于簡單磁場產(chǎn)生簡單的磁化變化。因此，當(dāng)通過增大磁場，磁化構(gòu)造發(fā)生不可逆變化并且不回到初始狀態(tài)時，該磁場被定義為矯頑力He。[3_4:Ru 層的厚度]其次，對包括其間層積有Ru層的至少兩個CoPt層的結(jié)構(gòu)中的Ru層的厚度進(jìn)行試驗。圖9A示出矯頑力Hc隨圖9B所示的兩個CoPt層之間設(shè)置的Ru層的厚度變化的變化。在圖9A中，矯頑力Hc在縱坐標(biāo)上示出，并且Ru層的厚度tRu在橫坐標(biāo)上示出。圖9A示出Ru層厚度為0.45nm和0.9nm處的兩個峰值。因此，用于獲得^Oe以上的充分的矯頑力的厚度范圍是0. 45nm士0. 05nm或0. 9nm士0. lnm。也就是說，在相當(dāng)于圖2(A)至圖2(C)以及圖3(A)至圖3(C)中所示的均包括第一 CoPt層21、Ru層22和第二 CoPt層23的構(gòu)造例I至IV、或者圖3㈧至圖3 (C)中所示的均包括第二 CoPt層23、Ru層M和第三CoPt層27的構(gòu)造例III和IV的構(gòu)造中，Ru層的適當(dāng)厚度是 0. 45nm士0. 05nm 或 0. 9nm士0. lnm。[3-5 :CoPt 層的厚度]下面，對包括其間層積有Ru層的至少兩個CoPt層的結(jié)構(gòu)中的CoPt層的厚度進(jìn)行試驗。圖IOA示出矯頑力Hc隨包括其間層積有Ru層的兩個CoPt層的結(jié)構(gòu)中的CoPt層 (Co70Pt30)的厚度t。。pt變化的變化，Ru層的厚度固定在0. 45nm,如圖IOB所示。在圖IOA中，矯頑力Hc在縱坐標(biāo)上示出，并且CoPt層的厚度t。。pt在橫坐標(biāo)上示出ο當(dāng)CoPt合金的厚度是Inm以上且5nm以下時，可獲得^Oe以上的大的矯頑力。特別地，厚度在2nm附近可獲得測量極限處的17k0e以上的矯頑力。這個結(jié)果揭示出，在圖2(A)至圖2(C)以及圖3㈧至圖3(C)所示的構(gòu)造例I至 IV中，第一 CoPt層21、第二 CoPt層23和第三CoPt層27的適當(dāng)?shù)暮穸仁荌nm以上且5nm 以下。[3-6 高自旋極化層的厚度]當(dāng)通過使用隧道磁阻效應(yīng)從磁存儲器元件1讀出信息時，磁阻比(MR比)優(yōu)選盡可能高。用于改進(jìn)MR比的優(yōu)選方法在自旋注入層13和參照層12之間的界面處使用具有高自旋極化率的I^e-Co合金。特別地，當(dāng)自旋注入層13由MgO構(gòu)成時，高自旋極化層25適合使用CoFeB合金。然而，具有高自旋極化率的材料具有弱的垂直磁各向異性或面內(nèi)磁各向異性。在根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器元件1中，在參照層12中，高自旋極化材料被用于高自旋極化層25，并且通過與垂直磁化膜磁性耦合而被垂直磁化。圖IlA示出隨用于高自旋極化層25的CoFeB層的厚度變化的磁光Kerr曲線。
在此情形中，如圖IlB所示，厚度5nm的Ta層和厚度5nm的Ru層被設(shè)置作為下底層11。自旋注入層13由厚度Inm的MgO構(gòu)成，并且參照層12具有相當(dāng)于圖2 (B)中所示的構(gòu)造例I的結(jié)構(gòu)。也就是說，設(shè)置厚度2nm的Co7tlPt3tl層(第一 CoPt層21)、厚度0. 45nm的Ru層22、 厚度4nm的Co7tlPt3tl層(第二 CoPt層23)、厚度0. 9nm的Ru層M以及作為高自旋極化層 25 的厚度為 “t” 的 Co5c^e3ciB2tl 層。Co50Fii30B20 層的厚度 t 變?yōu)?2nm、l. 5nm、lnm 禾口 0. 5nm。在圖IlA所示的隨著厚度的磁光Kerr曲線中，平行區(qū)域是CoFeB膜的磁化維持垂直的區(qū)域。在圖IlA中，在Hf以上的磁場處CoFeB膜的磁化未維持垂直。因此，需要Hf高于零磁場并且充分高。這個結(jié)果揭示出，高自旋極化層25的厚度優(yōu)選為1.5nm以下。高自旋極化層25的厚度可為0. 5nm以下，但是磁化隨著厚度小于這個值而消失。因此，限制Coi^eB 層的適當(dāng)厚度以使磁化不消失，實際優(yōu)選在0. 5nm至1. 5nm的范圍內(nèi)。[3-7:緩沖層]在圖2 (C)和圖3 (C)所示的構(gòu)造例II和IV中，設(shè)置有緩沖層26。此處描述緩沖層26的材料。此處，沉積有厚度5nm的I1a層、厚度5nm的Ru層、厚度4nm的Co7tlPt3tl層、厚度 0. 45nm的Ru層、厚度2nm的Co70Pt30層、緩沖層、厚度Inm的Co50Fe30B20層、厚度1. 5nm的
MgO 層和厚度 2nm 的 Co5c^e3ciB2tl 層。在沉積這些層之后，在400°C熱處理這些層，并且為了使CoFeB磁化垂直，在其上沉積IOnm的TWeCo膜，以測量隧道磁阻。圖12示出各種緩沖層材料和厚度的樣品的MR比。當(dāng)將沒有緩沖層的20%的MR比作為參照時，陰影部分描述的材料和厚度不適用
于緩沖層。如圖12所示，具有面心立方結(jié)構(gòu)的材料較差，并且其他材料具有效果。當(dāng)厚度超過0. 3nm時，磁相互作用被削弱，并且因此高自旋極化層25不維持垂直磁化。[3-8:各CoPt層的厚度比]下面，通過改變CoPt層的厚度比來進(jìn)行研究。圖13A到圖13C示出均包括兩個CoPt層的樣品1和2，相當(dāng)于圖2(B)和圖2(C) 所示的構(gòu)造例I和II。圖1 示出樣品1的層結(jié)構(gòu)。樣品1包括組成下底層11的厚度5nm的Ta層和厚度5nm的Ru層。另外，自旋注入層13包括厚度Inm的MgO。參照層12包括厚度為“tl”nm的Co70Pt30層(第一 CoPt層21)、厚度0. 45nm的Ru 層22、厚度為“t2，，nm的Co70Pt30層(第二 CoPt層23)、厚度0. 9nm的Ru層24和厚度Inm 的Co5tlFe3tlB2C1層(高自旋極化層25)，這些層順次層積。圖13C示出樣品2的層結(jié)構(gòu)。樣品2包括組成下底層11的厚度5nm的Ta層和厚度5nm的Ru層。
此外，自旋注入層13包括厚度Inm的MgO層。參照層12包括厚度為“tl”nm的Co70Pt30層(第一 CoPt層21)、厚度0. 45nm的Ru 層22、厚度為‘42”_的Co7tlPt3tl層(第二 CoPt層23)、厚度0. 2nm的Ta層(緩沖層26)和厚度Inm的Co5tlFe3ciB2tl層(高自旋極化層25)，這些層順次層積。圖13A示出矯頑力隨著樣品1和2中的每一個的第一 CoPt層21的厚度tl和第二 CoPt層23的厚度t2之間的差異的變化。矯頑力在縱座標(biāo)上示出，并且值(tl-U)在橫坐標(biāo)上示出。樣品1中，固定第一 CoPt層21的厚度tl，而在樣品2中，固定第二 CoPt層23的厚度t2。也就是說，關(guān)于樣品1，在厚度tl為2nm和3nm中的每一個的第一 CoPt層21的情況下，示出矯頑力隨第二 CoPt層23的厚度變化的變化。另外，關(guān)于樣品2，在厚度t2為2nm、3nm和4nm中的每一個的第二 CoPt層23的情況下，示出矯頑力隨第一 CoPt層21的厚度變化的變化。這些圖表明，在樣品1中，矯頑力Hc在橫坐標(biāo)上-1至-2的范圍內(nèi)最大化，即當(dāng)厚度t2比厚度tl大1至2nm時。S卩，這個情形是，第二 CoPt層23的厚度比第一 CoPt層21的厚度大Inm以上且 2nm以下。在樣品2中，矯頑力Hc在橫坐標(biāo)上1至2的范圍內(nèi)最大化，即，當(dāng)厚度tl比厚度 t2大1至2nm時。即，這個情形是，第一 CoPt層21的厚度比第二 CoPt層23的厚度大Inm 以上且2nm以下。圖14A到圖14C示出樣品3和4作為包括三個CoPt層的實例，相當(dāng)于圖3 (B)和圖3 (C)所示的構(gòu)造例III和IV。圖14B示出樣品3的層結(jié)構(gòu)。樣品3包括組成下底層11的厚度5nm的Ta層和厚度5nm的Ru層。此外，自旋注入層13包括厚度Inm的MgO層。參照層22包括厚度2nm的Co7tlPt3tl層(第一 CoPt層21)、厚度0. 45nm的Ru層 22、厚度為“t2”nm的Co7tlPt3tl層(第二 CoPt層23)、厚度0. 45nm的Ru層對、厚度2nm的 Co70Pt30層(第三CoPt層27)、厚度0. 9nm的Ru層28和厚度Inm的Co50Fe30B20層(高自旋極化層25)，這些層順次層積。圖14C示出樣品4的層結(jié)構(gòu)。樣品4包括組成下底層11的厚度5nm的Ta層和厚度5nm的Ru層。此外，自旋注入層13包括厚度Inm的MgO層。參照層12包括厚度2nm的Co7tlPt3tl層(第一 CoPt層21)、厚度0. 45nm的Ru層 22、厚度為“t2”nm的Co7tlPt3tl層(第二 CoPt層23)、厚度0. 45nm的Ru層對、厚度Inm的 Co70Pt30層(第三CoPt層27)、厚度0. 2nm的Ta層(緩沖層26)和厚度Inm的Co50Fe30B20層 (高自旋極化層25)，這些層順次層積。圖14A示出矯頑力對樣品3和4中的每一個的第二 CoPt層23的厚度t2的依賴關(guān)系。矯頑力在縱座標(biāo)上示出，并且t2值在橫坐標(biāo)上示出。關(guān)于樣品3和4，示出矯頑力隨第二 CoPt層23的厚度變化的變化。
在樣品3中，在2nm至3nm的厚度t2處矯頑力增大。即，在樣品3中，當(dāng)?shù)谝?CoPt 層21和第三CoPt層27的總厚度比第二 CoPt層23的厚度大Inm至2nm時，獲得充分的矯頑力。在樣品4中，在4nm至5nm的厚度t2處矯頑力增大。即，在樣品4中，當(dāng)?shù)诙?CoPt 層23的厚度比第一 CoPt層21和第三CoPt層27的總厚度大Inm至2nm時，獲得充分的矯頑力。[3-9:總結(jié)]研究的上述結(jié)果表明以下問題。期望參照層12包括Pt含量為20原子％以上且50原子％以下的CoPt層，并且該 CoPt層的三次晶體對稱軸垂直指向膜表面。適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)包括厚度為Inm以上且5nm以下的至少兩個CoPt層，并且其間層積有 Ru層。還期望CoPt層之間所夾持的Ru層的厚度是0. 45 士0. 05nm或0. 9 士0. lnm。還期望參照層12和自旋注入層13之間的界面包括由Co或狗作為主要組分而構(gòu)成的厚度為1. 5nm以下的高自旋極化層25。也就是說，當(dāng)參照層12具有相當(dāng)于圖2(A)至圖2(C)以及圖3㈧至圖3(C)所示的參照層的構(gòu)造例I至IV的結(jié)構(gòu)，并且滿足上述條件時，可實現(xiàn)用于即使具有小的厚度也能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的矯頑力的垂直磁化存儲器的參照層12。另外，通過使用參照層12，可實現(xiàn)不易受到溫度變化和外部磁場的影響并且能夠穩(wěn)定運行的磁存儲器元件1。進(jìn)一步，在參照層的構(gòu)造例I中，當(dāng)?shù)诙?CoPt層23的厚度比第一 CoPt層21的厚度大Inm以上且2nm以下時，獲得充分的矯頑力。在參照層的構(gòu)造例II中，當(dāng)?shù)谝?CoPt層21的厚度比第二 CoPt層23的厚度大 Inm以上且2nm以下時，獲得充分的矯頑力。在參照層的構(gòu)造例III中，當(dāng)?shù)谝?CoPt層21和第三CoPt層27的總厚度比第二 CoPt層23的厚度大Inm以上且2nm以下時，獲得充分的矯頑力。在參照層的構(gòu)造例IV中，當(dāng)?shù)诙?CoPt層23的厚度比第一 CoPt層21和第三CoPt 層27的總厚度大Inm以上且2nm以下時，獲得充分的矯頑力。盡管以上描述了實施方式，但根據(jù)本發(fā)明的實施方式的磁存儲器元件1的形狀、 各層的厚度、膜材料等不限于上述實例，并且可考慮各種實例。本發(fā)明包含與2010年8月19日向日本專利局提交的日本在先專利申請JP 2010-183631相關(guān)的主題，其全部內(nèi)容結(jié)合于此以供參考。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，根據(jù)設(shè)計要求和其他因素，可進(jìn)行各種修改、組合、子組合和變更，其均在所附權(quán)利要求或其等價物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲器元件，包括存儲層，具有垂直于膜表面的磁化，并且響應(yīng)于信息來改變磁化方向； 參照層，具有垂直于所述膜表面的磁化，并且用作信息的基準(zhǔn)；以及自旋注入層，由非磁性材料構(gòu)成，并設(shè)置在所述存儲層和所述參照層之間， 其中，當(dāng)電流流過包括所述存儲層、所述自旋注入層和所述參照層的層結(jié)構(gòu)時，產(chǎn)生自旋扭矩，從而通過由所述自旋扭矩引起的磁化反轉(zhuǎn)來在所述存儲層中存儲信息；所述參照層具有層積至少兩個CoPt層的結(jié)構(gòu)，所述至少兩個CoPt層包含20原子％以上且50原子％以下的Pt，厚度為Inm以上且5nm以下，并且其間設(shè)置有Ru層； 所述Ru層的厚度是0. 45 士 0. 05nm或0. 9 士 0. Inm ； 所示CoPt層的三次晶體對稱軸垂直地指向所述膜表面；以及所述參照層包括位于與所述自旋注入層的界面處的高自旋極化層，所述高自旋極化層的厚度為1. 5nm以下且包含Co或!^e作為主要組分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲器元件，其中，所述參照層中的所述高自旋極化層是 CoFeB 層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲器元件，其中，所述參照層中的每個CoPt層中的少于 50%的Pt被Ni代替。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲器元件，其中，所述參照層通過順次層積第一 CoPt層、Ru層、第二 CoPt層、Ru層以及高自旋極化層構(gòu)成；并且所述第二 CoPt層的厚度比所述第一 CoPt層的厚度大Inm以上且2nm以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲器元件，其中，所述參照層通過順次層積第一 CoPt層、Ru層、第二 CoPt層、緩沖層以及高自旋極化層構(gòu)成，所述緩沖層具有0. 3nm以下的厚度，并且由Ti、Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Zr、Hf、Si、Ge、Zn、 Mg、Gd、Tb、Dy、Ho、Re、Ru、Mg0、Al203、Ti02 以及 SiO2 中的至少一種構(gòu)成；并且所述第一 CoPt層的厚度比所述第二 CoPt層的厚度大Inm以上且2nm以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲器元件，其中，所述參照層通過順次層積第一 CoPt層、Ru層、第二 CoPt層、Ru層、第三CoPt層、 Ru層以及高自旋極化層構(gòu)成；并且所述第一 CoPt層和所述第三CoPt層的總厚度比所述第二 CoPt層的厚度大Inm以上且aim以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲器元件，其中，所述參照層通過順次層積第一 CoPt層、Ru層、第二 CoPt層、Ru層、第三CoPt層、 緩沖層以及高自旋極化層構(gòu)成；所述緩沖層具有0. 3nm以下的厚度，并且由Ti、Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Zr、Hf、Si、Ge、Zn、 Mg、Gd、Tb、Dy、Ho、Re、Ru、Mg0、Al203、Ti02 以及 SiO2 中的至少一種構(gòu)成；并且所述第二 CoPt層的厚度比所述第一 CoPt層和所述第三CoPt層的總厚度大Inm以上且2nm以下。
全文摘要
一種磁存儲器元件，包括存儲層、參照層以及設(shè)置在存儲層和參照層之間的自旋注入層。參照層具有層積至少兩個CoPt層的結(jié)構(gòu)，該至少兩個CoPt層包含20原子％以上且50原子％以下的Pt，厚度為1nm以上且5nm以下，并且其間層積有Ru層。Ru層的厚度是0.45±0.05nm或0.9±0.1nm。另外，CoPt層的三次晶體對稱軸垂直地指向膜表面。參照層包括位于與自旋注入層的界面處的含有Co或Fe作為主要組分、厚度為1.5nm以下的高自旋極化層。
文檔編號G11C11/16GK102376873SQ201110228869
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者內(nèi)田裕行, 別所和宏, 大森廣之, 山根一陽, 細(xì)見政功, 肥后豐 申請人:索尼公司