用于霍斯勒化合物的織構(gòu)化膜的底層的制作方法
【專利摘要】一種結(jié)構(gòu)體，包括Mn1+cX形式的四方霍斯勒，其中X包括選自Ge和Ga的元素，以及0≤c≤3。所述四方霍斯勒直接在沿(001)方向取向的且以YMn1+d形式的基底上(或更通常地，在基底上面)生長(zhǎng)，其中Y包括選自Ir和Pt的元素，以及0≤d≤4。所述四方霍斯勒和所述基底彼此鄰近，從而容許自旋極化電流從一個(gè)穿過(guò)另一個(gè)。所述結(jié)構(gòu)體可形成磁性隧道結(jié)磁阻器件的部件，且這樣的磁阻器件的陣列可共同形成MRAM。
【專利說(shuō)明】
用于霍斯勒化合物的織構(gòu)化膜的底層
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及磁性隧道結(jié)磁阻器件（裝置，device),且更具體地設(shè)及采用運(yùn)樣的器 件的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁性隧道結(jié)(MTJ)形成保證高的性能和耐久性的非易失性(非揮發(fā)性)磁性隨機(jī)存 取存儲(chǔ)器(MRAM)的基礎(chǔ)記憶(存儲(chǔ)，memo巧)元件，而且還具有按比例縮?。╯cale)至極小尺 寸的潛力。磁性隧道結(jié)(MTJ)由被超薄絕緣層分隔的兩個(gè)磁性層的夾層結(jié)構(gòu)(S明治結(jié)構(gòu)， sandwich)構(gòu)成。運(yùn)些層之一形成記憶或存儲(chǔ)層，且另一層形成其磁性結(jié)構(gòu)在MRAM操作期間 不變化的參考層(ref erence layer)。在參考層和記憶磁性層之間隧穿（tunne 1)的電流被 自旋極化：自旋極化的大小由磁性電極的電子性質(zhì)和隧道阻擋物(屏障，勢(shì)壘，barrier)的 "自旋-過(guò)濾(spin-filtering)"性質(zhì)的組合確定。（運(yùn)些磁性層與電極接觸;替代地，運(yùn)些磁 性層可視作電極本身的形成部分）
[0003] 在現(xiàn)有的MRAM中，MTJ的磁性狀態(tài)通過(guò)使電流穿過(guò)其而改變。固有地自旋極化的電 流傳遞自旋角動(dòng)量使得一旦超過(guò)闊值電流就切換（SWi t Ch)記憶層矩(磁矩，力矩，moment) 的方向。所要求的切換電流的大小在電極的磁化(磁化強(qiáng)度，magneti zation)垂直于所述層 被取向時(shí)較小。
[0004] 針對(duì)用于密集MRAM的MTJ正在研究的最有前途的材料包括由Co、Fe和B的合金形成 的鐵磁電極和由MgO形成的隧道阻擋物（參見(jiàn)例如名稱為"MgO tunnel barriers and method of formation"的美國(guó)專利7598555)。所述鐵磁電極由足夠薄的層制成，使得運(yùn)些 電極的磁化垂直于運(yùn)些層被取向。Co-Fe-B層的垂直磁各向異性(PMA)起因于運(yùn)些層和其上 沉積Co-Fe-B層的隧道阻擋物和/或底層之間的界面。因此，必須使運(yùn)些層足夠薄使得界面 PMA克服去磁能，其起因于Co-Fe-B層的磁體積(magnetic volume)并與該磁體積成比例地 增加。在實(shí)踐中，運(yùn)意味著當(dāng)器件在尺寸上具有小于~20皿的臨界尺寸時(shí)所述PMA過(guò)弱W致 于不能克服熱波動(dòng)，因?yàn)榇判詫拥暮穸炔坏貌唬╥)低于保持其矩垂直而要求的厚度，W及 (ii)低于用合理的電流密度切換所述磁性層而需要的厚度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 公開(kāi)了作為鐵磁電極使用的材料，其呈現(xiàn)出比Co-Fe-B表現(xiàn)出的PMA大得多的PMA， 其中該P(yáng)MA起因于電極的體積而不是界面。運(yùn)些稱為霍斯勒化eusler)合金1的化合物是具 有化學(xué)式XsYZ或x'r YZ的化合物，其中X和X'和r和Y為過(guò)渡金屬或銅系元素(稀±金屬）， 且Z來(lái)自主族金屬?；羲估栈衔锞哂蠧usMnAl類型（在化arson表中定義）的結(jié)構(gòu)，其中所述 元素位于4個(gè)互相貫通的面屯、立方(fee)晶格上。在該家族中已知很多化合物（~800) 2。運(yùn) 些化合物的一些由于在X和/或Y位點(diǎn)（site)上的磁矩而是鐵磁性的或亞鐵磁性的。此外，盡 管母體霍斯勒化合物是立方的且表現(xiàn)出弱的或不顯著的磁各向異性，但是發(fā)現(xiàn)運(yùn)些化合物 的一些的結(jié)構(gòu)是四方扭曲的：由于運(yùn)種扭曲，由運(yùn)些化合物表現(xiàn)出的磁化可沿著四方軸定 位(對(duì)準(zhǔn)，成直線，align)。因此，由運(yùn)樣的材料形成的薄膜可由于與所述四方扭曲的結(jié)構(gòu)相 關(guān)的磁晶各向異性而表現(xiàn)出PMA。運(yùn)樣的四方霍斯勒化合物的一些實(shí)例為Mri3-xGa和Mri3-xGe。 運(yùn)些材料的薄膜表現(xiàn)出大的PMA，但是迄今為止，關(guān)于運(yùn)些材料的所有工作已經(jīng)設(shè)及使用由 各種材料但優(yōu)選化或Pt3形成的種層(seed layer)在單晶基底(例如MgO(IOO))上外延生長(zhǎng) 的膜。運(yùn)樣的單晶基底不可用于其中必須將MTJ沉積在由多晶銅形成的線路(wire)上的 MRAM應(yīng)用，所述線路可被其它層覆蓋，該其它層也是多晶的或無(wú)定形的。
[0006] 發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式是包括Mm+cX形式的四方霍斯勒的器件，其中X包括選自 Ge和Ga的元素，W及0含C含3。所述器件還包括在(OOl)方向上取向的且WYMnw形式的基底 (襯底），其中Y包括選自Ir和Pt的元素，W及0含cK 4。所述四方霍斯勒和所述基底彼此鄰 近，從而容許自旋-極化電流從一個(gè)穿過(guò)另一個(gè)。在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施方式中，X為Ge, Y為 Ir,所述四方霍斯勒是WMmGe形式的，W及所述基底是WlrMns形式的。所述霍斯勒化合物 的磁化優(yōu)選垂直于膜平面被取向且具有在10埃和500埃之間的厚度。
[0007] 發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式是包括如下的器件:第一電極、與第一電極接觸的磁性 自由層、在自由磁性層之下的隧道阻擋物、和在隧道阻擋物之下的磁性參考層，其中所述磁 性參考層包括Mm+cX形式的四方霍斯勒，X包括選自Ge和Ga的元素，W及0含C含3。所述器件 還包括在所述磁性參考層之下的第二電極，其中所述第二電極包括在(OOl)方向上取向的 且WYMnw形式的基底，其中Y包括選自Ir和Pt的元素，W及0含cK 4。穿過(guò)所述第一電極和 所述第二電極的電流穿過(guò)所述磁性自由層、所述隧道阻擋物和所述磁性參考層。
[0008] 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是使用剛剛描述的器件的方法，其中在所述第一電極和所述 第二電極之間施加電壓，從而促使電流流過(guò)所述磁性層和所述隧道阻擋物。結(jié)果，所述自由 磁性層的取向可由于來(lái)自電流的自旋轉(zhuǎn)移扭矩（自旋轉(zhuǎn)移矩，spin transfer torque)而變 化。所述器件可為一起形成MRAM的多個(gè)磁性隧道結(jié)器件之一，其中所述隧道結(jié)器件的每一 個(gè)包括具有各自的取向的自由層?？赏ㄟ^(guò)檢測(cè)所述自由層的取向從MRAM讀取信息。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1 .MnsGe霍斯勒膜:結(jié)構(gòu)和形貌(topogra曲ical)性質(zhì)
[0010] 圖1A:在不同溫度在其上首先沉積TaN/IrMn3膜的Si(001)/Si化基底上沉積的 3備A厚的Mn沁e膜的X-射線衍射目-2目圖案。所述Mn沁e層被覆W 3(接厚的化層。為了進(jìn)行 比較，上面兩條曲線對(duì)應(yīng)于在W下膜上取得的數(shù)據(jù)：（i)在室溫(RT)沉積，隨后原位退火的 膜;和(ii)使用3-步法制備的膜。運(yùn)些樣品的數(shù)據(jù)也包含在圖IB中。
[0011] 圖1B:(上部圖片）晶體結(jié)構(gòu)有序性(ordering)(從圖IA外推)和(下部圖片)通過(guò)原 子力顯微鏡(AFM)測(cè)量的均方根(RMS)表面粗糖度的沉積溫度依賴性。上部圖片顯示了 S種 不同沉積方法的MnsGe (00 2)峰對(duì)MnsGe (004)峰的測(cè)量強(qiáng)度之比。
[001^ 圖2.具有和不具有TaN擴(kuò)散阻擋物的MmCie膜的高分辨透射電子顯微鏡化RTEM)圖 像和電子能量損耗能譜化化S)。
[OOU]具有如下結(jié)構(gòu)的膜的HRTEM圖像：（圖2A)Si/25()ASi〇2/：2〇〇A TaN/20〇A IrMW 30〇AMn3Ge(RT+450C 退火）/撕ATa，和（圖2C)Si/250ASiO2/2㈱ATaN/撕0AIrMn3/ 20A TaN/3〇:()A Mn沁e (3-步法）/2QA計(jì)-Mg0/:12A C〇2〇Fe6()B2()/5〇A Ta/沸A Ru。邸LS數(shù)據(jù) 顯示于圖2B和圖2D中，其是分別針對(duì)圖2A和圖2C中的樣品取得的。（在各情形中，在被所述 圖像中的方框示出的區(qū)域上面和沿由該方框內(nèi)的箭頭示出的方向采集所述數(shù)據(jù)）。顯示了 Ta、N、Mn、Ir和Ge的濃度對(duì)膜厚度的數(shù)據(jù)。運(yùn)些數(shù)據(jù)顯示了 Ir和Ge相互擴(kuò)散的明顯的差異。 當(dāng)在IrMns層和MnsGe層之間沉積化府廣散阻擋物時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相互擴(kuò)散的跡象。
[0014] 圖3.具有巨垂直磁各向異性的MnsGe霍斯勒膜
[0015] 圖3A:磁化強(qiáng)度對(duì)在不同底層/基底上生長(zhǎng)的MmGe膜的磁場(chǎng)滯后回線?？胀?、正方 形屬于在平行于膜平面定位的施加磁場(chǎng)下的測(cè)量結(jié)果。上面四個(gè)圖片是指具有W下結(jié)構(gòu)的 樣品：Si (001)/SiO2/200 A TaN/20〇A IrMns/lOATaN/xAMnsGe (3-步）/30ATa，其中 X二50A、70A、IOOA和30〇A。實(shí)線表示平面外回線。左下圖片是指在沒(méi)有IOA的TaN 擴(kuò)散阻擋物的情況下生長(zhǎng)的MmGe膜，而右下圖片是指在MgO/經(jīng)Cr緩沖的MgO(OOl)單晶基 底上沉積的MnsGe膜。測(cè)量在環(huán)境溫度下進(jìn)行。
[0016] 圖3C:上部圖片-由圖3A中的數(shù)據(jù)外推的每單位面積的磁矩m。實(shí)線示出了D022-MnsGe的預(yù)測(cè)的本體(bu化)面積矩(area 1 moment)。下部圖片-矯頑磁場(chǎng)Hg (左軸，實(shí)屯、S角 形)和單軸各向異性常數(shù)Ku(右軸，空屯、正方形）。為了由關(guān)系Ku = Heff ? Ms/化如Ms2確定單軸 各向異性常數(shù)，出ff通常由在磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和的磁場(chǎng)下的M對(duì)取隹磁化軸化ard-axi S)回線 進(jìn)行評(píng)價(jià)。如在圖3A(空屯、正方形）中顯而易見(jiàn)的，磁化強(qiáng)度預(yù)期在通過(guò)測(cè)量工具不能達(dá)到 的高磁場(chǎng)值下飽和；因此，出ff假定為(下界)7T。
[0017] 圖3B和3D:在51(001)/510盛底（圖38巧咖旨0(001)單晶基底（圖30)上生長(zhǎng)的膜的 標(biāo)稱結(jié)構(gòu)的示意圖。為了考察運(yùn)些膜的結(jié)構(gòu)、形貌和磁性，在各情形中使用30A的化(所述 圖中未示出）作為包覆層(保護(hù)層，capping layer)。
[001引圖4.基于MnsGe的磁性隧道結(jié)的特性
[0019] 圖4A:RapA乘積(實(shí)屯、符號(hào)）和TMR(空屯、符號(hào)）的MgO厚度依賴性。對(duì)Si/Si〇2/TaN/ IrMn3、Si/Si〇2AaN/IrMn3/TaN、MgO(100)/Cr種層進(jìn)行比較。實(shí)線和虛線分別是對(duì)于RapA乘 積和TMR的看起來(lái)的引導(dǎo)線(guide to the eye)。
[0020] 圖4B:通過(guò)電子束平版印刷術(shù)圖案化的具有~27nm結(jié)尺寸的基于MmGe的器件的 HRTEM圖像。
[0021] 圖4C:在300K(較小正方形)和3K(較大正方形)測(cè)量的2-末端結(jié)電阻對(duì)垂直于器件 施加的磁場(chǎng)。對(duì)具有化府廣散阻擋物(實(shí)屯、正方形)和不具有化府廣散阻擋物(空屯、正方形）的 結(jié)的TMR進(jìn)行比較。對(duì)于具有化府廣散阻擋物的MTJ，在使所述器件從300K冷卻后，分別在+9T 的磁場(chǎng)和-9T的磁場(chǎng)，在3K測(cè)量了兩組數(shù)據(jù)(較大的實(shí)屯、正方形）。正如可在所述圖中看出 的，運(yùn)些數(shù)據(jù)彼此為鏡像。
[0022] 圖4D:針對(duì)化N/IrMri3和化N/IrMns/TaN的化和Rap(下部圖片）W及TMR(上部圖片）的 溫度依賴性。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 在具有~2xl〇-9托的底壓的超高真空化HV)室中，通過(guò)離子束沉積（I抓)或通過(guò)直 流磁控管瓣射在覆蓋有250乂的無(wú)定形Si化的Si(IOO)基底上面生長(zhǎng)霍斯勒化合物Mn3-xGe 的膜W及其它層。針對(duì)用于MRAM應(yīng)用的MTJ，所述膜的磁化應(yīng)該表現(xiàn)出良好限定的（界限分 明的，well-defined)磁化強(qiáng)度對(duì)垂直磁場(chǎng)滯后回線，其為正方形(剩余磁化強(qiáng)度等于或者 近似等于膜在大的磁場(chǎng)中的飽和磁化強(qiáng)度），其中在良好限定的矯頑磁場(chǎng)(其中膜的磁化強(qiáng) 度為零的磁場(chǎng))下磁化從一個(gè)垂直于膜平面的方向突然地切換至相反方向。而且，當(dāng)所述磁 場(chǎng)W在膜平面內(nèi)的方向施加時(shí)，在所施加磁場(chǎng)的方向上的磁化強(qiáng)度從大約零幾乎線性地增 加至飽和磁化強(qiáng)度的值。當(dāng)將Mm-xGe膜直接沉積在無(wú)定形Si化的表面上時(shí)，發(fā)現(xiàn)所述膜沒(méi) 有表現(xiàn)出良好限定的晶體織構(gòu)，并且由于該原因，所述膜的磁化不是垂直于膜平面良好取 向的，使得磁化強(qiáng)度對(duì)垂直施加的磁場(chǎng)不是如最佳性能所要求的正方形。
[0024] 對(duì)于一些材料，通過(guò)在適當(dāng)制備的合適底層上沉積運(yùn)些材料可形成甚至高度織構(gòu) 化的膜。例如，典型地，fee材料(如Cu或Pt)將優(yōu)先地W(Ill)晶面平行于膜表面織構(gòu)化，而 體屯、立方材料將傾向于W(IlO)晶面平行于膜表面生長(zhǎng)。然而，在氧化物表面上生長(zhǎng)的運(yùn)樣 的金屬(如Cu和Pt)經(jīng)常是非常粗糖的，因?yàn)檫\(yùn)些金屬可能不"潤(rùn)濕"所述氧化物表面。因此， 為了使它們的表面能最小化，它們可最初W不連接的島狀物（island)的形式生長(zhǎng)，所述島 狀物可最終合并W形成連續(xù)的薄膜，此時(shí)使所述膜足夠厚。
[0025] 在發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，Mm+cGe或Mm+cGa(其中對(duì)于各情形，0 < C < 3(或者 在Ge化合物的情形中，1含C含3是甚至更優(yōu)選的））的高度織構(gòu)化的(OOl)取向的膜是通過(guò)使 用當(dāng)沉積在Si化無(wú)定形層上時(shí)其本身高度織構(gòu)化的底層而制備。具有運(yùn)種性質(zhì)的底層包括 TafVIrMn沸化N/IrMmAaN。在無(wú)定形Si化上的化N種層上沉積的IrMM膜W (OOn軸垂直于 IrMm膜的平面高度織構(gòu)化。（使用Pt代替Ir將預(yù)期到類似結(jié)果）。在沒(méi)有TaN種層的情況下， IrMm層的織構(gòu)化差，其中膜中的晶粒(grain) W(Ill)平面或者(OOl)或（110)平面平行于 所述基底進(jìn)行取向。需要所述晶粒在多晶IrMm層內(nèi)的（OOl)取向，W促進(jìn)其中四方軸垂直 于MmCie層的平面的（OOl)取向的MmCie層的生長(zhǎng)。盡管在IrMM和MmGg之間的晶格失配小（< 1%)，但是發(fā)現(xiàn)運(yùn)些相同的TarVlrMn3(和等同的化NArMmAaN)底層促進(jìn)具有較大晶格失 配的立方和四方霍斯勒兩者的大范圍的生長(zhǎng)。（通過(guò)假定霍斯勒化合物在IrMm上的外延的 45°平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)生長(zhǎng)，即在對(duì)于霍斯勒的L2i晶胞和對(duì)于IrMM的L12晶胞中<110〉覆滿)//<100 〉Mn3,估算出甚至高至~7%的晶格失配）。運(yùn)些化合物包括C〇2MnSi、C〇2MnGe、Ni2MnGe、 化2CuSn JesCuSb、Mri3Ga、Mri2Ni Sb、Mn2CuSb、(：〇2化訊和化2CoSb。運(yùn)些霍斯勒化合物的薄膜在 TarvirMns和化N/IrMm/TaN底層上生長(zhǎng)，并發(fā)現(xiàn)在各情形中其由于所述底層的性質(zhì)而表現(xiàn) 出良好限定的(OOl)結(jié)晶織構(gòu)。
[0026] 實(shí)現(xiàn)高度織構(gòu)化的MmGe膜的結(jié)構(gòu)的實(shí)例的數(shù)據(jù)顯示于圖1中。首先，在環(huán)境溫度 通過(guò)反應(yīng)性直流磁控管瓣射在SiQOOVSi化基底上沉積20QA厚的化N種層。然后，在環(huán)境 溫度通過(guò)直流磁控管瓣射沉積100A-200A悍的IrMm底層。運(yùn)些層也可通過(guò)離子束沉積 (IBD)被沉積。對(duì)于磁控管瓣射，使用3毫托的瓣射氣體壓力;使用氣氣和氮?dú)獾陌晟錃怏w混 合物生長(zhǎng)化N?；?xùn)莫的組成（即Tai-xNx)對(duì)所述瓣射氣體的組成是敏感的：使用優(yōu)選的90% Ar和10%化的組成(按進(jìn)入到室中的氣體流量計(jì)）W獲得具有接近于化50化0的組成的膜。
[0027] 實(shí)施了一系列研究W確定用于制備由MmGe化合物構(gòu)成的膜的最佳條件，如圖1中 顯示的。（對(duì)于MmGa,記錄了和圖1中顯示的數(shù)據(jù)類似的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)未顯示但是在外形 上是類似的）。在一組實(shí)驗(yàn)中，在屯個(gè)不同沉積溫度(Td或T生長(zhǎng))（其從室溫(RT)至550°C變化） 在Sia00)/Si02/200A化N/200AIrMn3上沉積各自300 A厚的Mn沁e膜，但是沒(méi)有隨后的 退火步驟(參見(jiàn)圖IA中下面的屯條曲線）。運(yùn)些膜的粗糖度取決于Td(參見(jiàn)圖IB中標(biāo)記為"沒(méi) 有退火"的曲線）。對(duì)于大于200°C的Td,獲得了粗糖的膜(均方根(RMS)粗糖度〉5A)，其中所 述RMS粗糖度隨著Td的增大而單調(diào)地增大。對(duì)于作為在用于MRAM應(yīng)用的MTJ中的磁電極的用 途，隧道阻擋物優(yōu)選非常薄，在~l-2nm的范圍內(nèi)，并因此所述磁電極理想地是非常光滑的。 同時(shí)，為了所述霍斯勒化合物的最佳磁性，Mn和Ge原子在所述霍斯勒化合物的晶胞中的各 自原子位點(diǎn)上必須是在原子上良好有序的。為了獲得光滑的膜，必須使Td保持盡可能低，但 是為了實(shí)現(xiàn)化學(xué)有序的霍斯勒化合物，優(yōu)選必須使Td保持盡可能高。同時(shí)，存在由如下溫度 決定的對(duì)Td的最大值的限制：高于該溫度時(shí)，元素從底層擴(kuò)散至MmGe層中變得顯著。形成 MmGe的第二種替代方法包括在環(huán)境溫度或者足夠低的沉積溫度（例如<200°C)沉積所述 層，并然后接著在升高的溫度下對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火(參見(jiàn)圖IA中的標(biāo)記為"RT+退火"的曲 線)。
[002引第S種方法組合了運(yùn)兩種方法的各方面，其中使用3-步法生長(zhǎng)所述MnsGe膜(參見(jiàn) 圖IA中標(biāo)記為"3-步"的曲線）。第一，在高溫下生長(zhǎng)由MnsGe形成的種層，例如，在450°C沉積 20A厚的層。第二，在較低的溫度沉積MmGe層。所述種層和所述第二MnsGe層的組合的厚度 等于期望厚度。例如，在150°C沉積由:28:0A的MnsGe形成的層。第立，將經(jīng)沉積的結(jié)構(gòu)原位退 火:例如在沉積室中在超高真空中在450°C進(jìn)行1小時(shí)。通過(guò)運(yùn)種3-步法生長(zhǎng)的膜在具有與 在450°C直接生長(zhǎng)的膜相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)有序性的同時(shí)具有顯著較低的RMS粗糖度(~3A)。（如在 圖IB中示出的，在D022-Mn3Ge結(jié)構(gòu)中的MnMn平面和MnGe平面之間的化學(xué)有序性與X-射線衍 射峰的強(qiáng)度比1(002)/1(004)直接關(guān)聯(lián);MmGe和更高的化學(xué)有序性暗示改進(jìn)的磁性，例如 流過(guò)MmGe電極的電子的更高的自旋磁化）。運(yùn)顯示于圖IB中，其比較了剛描述的S種方法 的RMS粗糖度。
[0029] 在退火步驟期間，如圖2中顯示的，在IrMm層和MmGe層之間可存在顯著的相互擴(kuò) 散。運(yùn)可導(dǎo)致所述MmCie層的磁性的劣化。例如，可使所述MnsGe膜的磁矩顯著降低。使用W上 提到的條件，具有最高達(dá).~IOOA厚度的MnsGe膜呈現(xiàn)幾乎零磁矩。為了減少在所述底層和所 述MmGe層之間的元素的相互擴(kuò)散W及由此的所述MnsCie的性質(zhì)的惡化，可在IrMns層之上沉 積薄的化N層，之后沉積所述MmGe層。薄至20 A或者甚至10 A的化N層足W相當(dāng)大地限制 相互擴(kuò)散。在透射電子顯微鏡中在I'aN/IrMm/MmGe (參見(jiàn)圖2B)和hN/ IrMnsAaN/MnsGe (參 見(jiàn)圖2D)薄膜結(jié)構(gòu)的橫截面樣品上實(shí)施的電子能量損耗能譜法化化S)研究顯示，在第一種 情形中，存在Ir進(jìn)入所述MnsGe層的顯著的擴(kuò)散，而在第二種情形中，不存在Ir擴(kuò)散進(jìn)入 MmCie層的證據(jù)(參見(jiàn)圖2B和2D)。圖2A和2C是分別對(duì)應(yīng)于圖2B和圖2D中顯示的數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu) 的高分辨率橫截面TEM圖像。
[0030] 在圖3中，對(duì)于幾種厚度的MmGe層，比較了TaN/IrMm/MmGe和TaN/IrMns/TaN/ Mn沁e樣品的磁性。圖3A顯示了對(duì)于具有和不具有20A的化N的在Si(001)/Si化基底上生長(zhǎng) 的MnsCie膜，使用SQUID-VSM測(cè)量的平面內(nèi)（空屯、正方形)和平面夕K實(shí)線)磁滯回線。在化N擴(kuò) 散阻擋物上沉積的MmGe膜顯示出隨膜厚度增大的磁化強(qiáng)度。圖3A中的右下圖片對(duì)應(yīng)于圖 3D中顯示的全MTJ結(jié)構(gòu)的無(wú)在MmGe之上的上部自由層結(jié)構(gòu)的下部部分（即在MmGe上沉積 30A的化包覆層，而不是MgO/CoFeBAa/Ru)，而圖3A中其它五個(gè)圖片對(duì)應(yīng)于圖3B中顯示的 結(jié)構(gòu)的下部部分（同樣，在MnsGe上沉積3.0;A的化包覆層，而不是MgO/Co化BAa/Ru)。在顯示 了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的圖3B中，Ta/Ru可形成上電極的一部分，且TaNArMm可形成下 電極的一部分。磁性自由層和磁性參考層分別由結(jié)構(gòu)CoFeB和MmGe表示，而隧道阻擋物為 MgO。在所述磁性參考層MmGe之下的另外的化N層為任選的擴(kuò)散阻擋物。在MRAM器件中，所 述自由層在MTJ結(jié)構(gòu)(例如參見(jiàn)圖3B的示例性結(jié)構(gòu)）的陣列中的取向代表可寫入MTJ結(jié)構(gòu)中 和/或從其中讀取的數(shù)據(jù)(信息）（通過(guò)檢測(cè)所述自由層的取向）。
[003。 圖3A的右下圖片中圖示了在MgO/經(jīng)化緩沖的MgO(OOl)單晶基底上生長(zhǎng)的300A厚 的MmGe膜的磁滯回線;使運(yùn)種膜生長(zhǎng)W便比較生長(zhǎng)于無(wú)定形和單晶基底上的MmGe膜之間 的品質(zhì)。全部MmGe膜呈現(xiàn)非常強(qiáng)的PMA，盡管在它們生長(zhǎng)于MgO/經(jīng)化緩沖的單晶MgO (OOl) 上時(shí)各向異性顯著較小，運(yùn)大概是由于Cr和霍斯勒合金之間的晶格失配。相反，IrMm緩沖 層容許MmGe的"無(wú)應(yīng)變"生長(zhǎng)，產(chǎn)生了巨大的PMA，其中矯頑磁場(chǎng)出的值最大為6T，如在圖3C 的底部圖片中W實(shí)屯、S角形顯示的（對(duì)于化N/IrMm/TaN/MmGe結(jié)構(gòu)）。作為MmGe厚度的函 數(shù)的每單位面積的磁矩m由磁化強(qiáng)度對(duì)場(chǎng)回線估算并圖示于圖3C的上部圖片中。運(yùn)里，直實(shí) 線是指本體D022-Mn3Ge的計(jì)算值。在具有化府廣散阻擋物的Si/Si02基底上生長(zhǎng)的MmGe膜的 實(shí)驗(yàn)值（圖3C的上部圖片，被虛線連接的圓圈）遵循理論趨勢(shì)；然而，與運(yùn)些值相比，對(duì)于不 具有化N阻擋物的膜和生長(zhǎng)于MgO(OOl)單晶基底上的膜，m僅為理論值的~80%和~65% (也參見(jiàn)圖3C的上部圖片）。甚至在MmGa的情形中，使用TaN/IrMm/MmGa結(jié)構(gòu)觀察到大的 PMA 值。
[0032]在圖3C的下部圖片中，顯示了作為MmGe厚度的函數(shù)的單軸各向異性常數(shù)Ku(空屯、 正方形）。時(shí)隨著將更厚的膜沉積至所述化府廣散阻擋物上而單調(diào)地增大，運(yùn)是由于磁化強(qiáng) 度隨MnsCie厚度增大。Ku由關(guān)系Ku =出ff ? Ms/2+23tMs2化eff為有效磁場(chǎng)，和Ms為飽和磁化強(qiáng)度） 估算，其中第一項(xiàng)代表有效磁各向異性，和第二項(xiàng)與起因于所述樣品的橫向尺寸的形狀各 向異性有關(guān)(注意，出ff = 7T被視為下界一參見(jiàn)在【附圖說(shuō)明】中的圖3C的描述）。
[00削 MTJ器件是使用標(biāo)準(zhǔn)平版印刷技術(shù)由其結(jié)構(gòu)為Si/250ASi02/?)0ATaN 200A IrMm/10-20A TaN/3 OOAMmGe (3-步法）/8_28A rf-MgO/10-15 A CoFeB/50A TV50A Ru 的膜制作的。在圖案化之前，將運(yùn)些膜在具有指向所述樣品的平面外的IT的施加磁場(chǎng)的高 真空室中在350°C后退火60分鐘。分別通過(guò)光學(xué)平版印刷和電子束平版印刷制作尺寸為1x2 Mi 2和直徑為~30nm的器件。只將所述自由層圖案化W限定所述結(jié)大小一所述參考層沒(méi)有 被圖案化。所述參考層由MnsGe霍斯勒化合物形成，且所述自由層由組成為20 :60:20的 CoFeB的超薄層形成。
[0034]圖4C顯示了對(duì)于具有化府廣散阻擋物(實(shí)屯、正方形;MgO阻擋物是25A厚)和不具有 TaN擴(kuò)散阻擋物(空屯、正方形;MgO阻擋物是巧A厚）的1x2皿％MTJ器件，在300K(較小正方 形)和3K(較大正方形）下測(cè)量的圖案化MTJ器件的隧道磁阻（TMR)對(duì)施加的垂直磁場(chǎng)。在運(yùn) 兩個(gè)溫度下，由于MnsGe參考層的巨單軸各項(xiàng)異性，需要非常高的施加磁場(chǎng)（±9T) W使 CoFeB層和霍斯勒的矩彼此平行地定位(P態(tài)）。在所述P態(tài)下，結(jié)電阻高，且在Co化B自由層矩 切換其方向?yàn)槟嫫叫袠?gòu)型(AP態(tài))時(shí)切換至接近于零場(chǎng)的低電阻。因此，使用公式[(化-Rap)/ 1^^100確定的隧穿磁阻巧110為負(fù)的，在3001(的值為~-35%，且在31(的值為~-74%抓和 Rap分別為在P態(tài)和AP態(tài)中的結(jié)電阻）。運(yùn)種負(fù)的TMR指示MmGe層負(fù)的自旋極化。運(yùn)是迄今為 止報(bào)道的用四方霍斯勒合金由垂直磁化的磁性隧道結(jié)獲得的最高TMR。
[0035] 對(duì)于相同的器件，在將所述器件從300K冷卻至3K的同時(shí)測(cè)量P和AP態(tài)的TMR(圖4D， 上部圖片）和電阻（圖4D，下部圖片KRap幾乎沒(méi)有變化，而Rp隨T降低而單調(diào)地增大，從而導(dǎo) 致在低溫下較高的TMR(參見(jiàn)圖4D的下部圖片）。
[0036] 將在RT測(cè)量的MTJ的電阻-面積乘積RapA(實(shí)屯、符號(hào)）和TMR(空屯、符號(hào)）對(duì)隧道阻擋 物厚度的依賴性對(duì)>20個(gè)器件取平均并總結(jié)于圖4A中。（注意圖4A中的TMR值比圖4C中顯示 的TMR值小:在圖4A中，為了快速評(píng)價(jià)TMR，Rap和Rp值分別在+0.3T和-0.3T下測(cè)量，而不是在 整個(gè)±9T范圍掃描磁場(chǎng)）"Rap A隨阻擋物厚度按指數(shù)增大(A =器件面積）。
辨率透射電子顯微（HRTEM)圖像圖示于圖4B中。所述多層疊層（stack)通過(guò)向下Ar銳 (milling)至MgO隧道阻擋物而蝕刻，賦予CoFeB自由層W期望的尺寸(運(yùn)里器件寬度為~ 27皿）；之后，將所述結(jié)的橫向側(cè)用Al2〇3(該圖像中明亮的無(wú)定形層)填充W使所述結(jié)與通過(guò) I抓原位沉積的頂部5QARu/65〇或Au觸點(diǎn)隔開(kāi)。
[0038] 盡管對(duì)于有利于（OOl)織構(gòu)化的霍斯勒薄膜的底層優(yōu)選的材料為TaN/IrMn3和 化N/IrMm/化N，但是化N可由其它產(chǎn)生光滑表面的金屬氮化物代替。運(yùn)些包括師N(晶格常 數(shù)
JrMn：3可由具有與AuCu3家族的化合物 相同的結(jié)構(gòu)的其它類似材料所替代。運(yùn)些特別地包括基于Mn的化合物，其包括Mn3Rh( 貧=3.81 A )和MmOs,其特別適用于包括MnsGe和MnsGa的基于Mn的霍斯勒的生長(zhǎng)。其它可替
[0039] 注意，所述底層和霍斯勒化合物的元素組成為標(biāo)稱組成。運(yùn)通過(guò)精確至約±1原子 百分比的盧瑟福背散射(RBS)進(jìn)行測(cè)量?；羲估栈衔锏男再|(zhì)典型地對(duì)元素組成、W及構(gòu)成 元素的化學(xué)有序性和任何雜質(zhì)敏感。對(duì)于IrMm底層，所述組成可在寬的原子范圍內(nèi)變化， 但是優(yōu)選地Ir:Mn的比例與所述標(biāo)稱比例1:3的偏差在±10% W內(nèi)，或者較不優(yōu)選地，與所 述標(biāo)稱比例1:3的偏差在± 20 % W內(nèi)。
[0040] 本文公開(kāi)的優(yōu)選組成理想上是純的，具有很少的雜質(zhì)或者沒(méi)有雜質(zhì)。然而，實(shí)際 上，偏離該理想情形是可容忍的。盡管最大10原子百分比的雜質(zhì)含量是可容忍的，但是雜質(zhì) 水平優(yōu)選小于1原子百分比。
[0041 ] 參考文獻(xiàn)
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【主權(quán)項(xiàng)】
1. 器件，包括： Mm+cX形式的四方霍斯勒，其中X包括選自Ge和Ga的元素，且其中0 < c < 3;和 在(001)方向上取向的且以YMm+d形式的基底，其中Y包括選自Ir和Pt的元素，且OScK 4， 其中所述四方霍斯勒和所述基底彼此鄰近，從而容許自旋極化電流從一個(gè)穿過(guò)另一 個(gè)。2. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中X為Ge且Y為Ir。3. 如權(quán)利要求1所述的器件，其進(jìn)一步包括與所述四方霍斯勒接觸的隧道阻擋物。4. 如權(quán)利要求3所述的器件，其中所述隧道阻擋物為MgO。5. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中在所述四方霍斯勒和所述基底之間有TaN層且該TaN 層接觸所述四方霍斯勒和所述基底兩者。6. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述四方霍斯勒是以MmGe形式的，且所述基底是以 IrMri3形式的。7. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中霍斯勒化合物的磁化與膜平面垂直取向。8. 如權(quán)利要求7所述的器件，其中所述霍斯勒化合物的厚度在10埃和500埃之間。9. 如權(quán)利要求1所述的器件，其中在所述基底的下面有TaN層且該TaN層與所述基底接 觸。10. 器件，包括： 第一電極； 與所述第一電極接觸的磁性自由層； 在所述自由磁性層之下的隧道阻擋物； 在所述隧道阻擋物之下的磁性參考層，其中該磁性參考層包括Mm+J(形式的四方霍斯 勒，X包括選自Ge和Ga的元素，且0 < c < 3;和 在所述磁性參考層之下的第二電極，該第二電極包括在(001)方向上取向的且以YMm+d 形式的基底，其中Y包括選自Ir和Pt的元素，且0 < cK 4， 其中穿過(guò)所述第一電極和所述第二電極的電流穿過(guò)所述磁性自由層、所述隧道阻擋物 和所述磁性參考層。11. 如權(quán)利要求10所述的器件，其中X為Ge且Y為Ir。12. 如權(quán)利要求10所述的器件，其進(jìn)一步包括與所述四方霍斯勒接觸的隧道阻擋物。13. 如權(quán)利要求10所述的器件，其中在所述四方霍斯勒和所述基底之間有TaN層且該 TaN層接觸所述四方霍斯勒和所述基底兩者。14. 如權(quán)利要求10所述的器件，其中所述四方霍斯勒是以MmGe形式的，且所述基底是以 IrMri3形式的。15. 如權(quán)利要求10所述的器件，其中在所述基底的下面有TaN層且該TaN層與所述基底 接觸。16. 使用如權(quán)利要求10所述的器件的方法，包括： 在所述第一電極和所述第二電極之間施加電壓，從而促使電流流過(guò)磁性層和隧道阻擋 物。17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述自由磁性層的取向是由于來(lái)自所述電流的自 旋轉(zhuǎn)移扭矩而變化的。18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述器件是共同形成磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM) 的多個(gè)磁性隧道結(jié)器件之一，所述隧道結(jié)器件的每一個(gè)均包括具有各自的取向的自由層， 所述方法還包括： 通過(guò)檢測(cè)所述自由層的取向從所述MRAM讀取信息。
【文檔編號(hào)】H01L43/10GK105826462SQ201610048540
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年1月25日
【發(fā)明人】鄭在佑, S.S.P.帕金, M.G.薩曼特
【申請(qǐng)人】國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司