倒置正交自旋轉(zhuǎn)移疊層的制作方法
【專利說明】倒置正交自旋轉(zhuǎn)移疊層
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002] 本申請(qǐng)要求于2012年10月17日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/715, 111的優(yōu) 先權(quán)，其通過參考全文并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003] 正交自旋轉(zhuǎn)移磁隨機(jī)存取器件（0ST-MRAM?)包含極化器（polarizer)。在美國 專利No. 6, 980, 469中論述了器件和疊層，其整體通過參考并入本文。疊層的磁隧穿結(jié)內(nèi) 和附近的粗糙度影響0ST?器件的性能。增大的粗糙度可能對(duì)于磁隧穿結(jié)的擊穿有負(fù)面 影響。在堆疊頂上具有極化器的0ST?疊層可以減小磁隧穿結(jié)的粗糙度，增大器件磁阻 (magnetoresistance)，并改進(jìn)0ST?存儲(chǔ)器件的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 總體上，本說明書中所述的主題的一個(gè)方面體現(xiàn)為一種磁性器件，該磁性器件包 括釘扎磁性層，釘扎磁性層具有第一固定磁化向量，所述第一固定磁化向量具有第一固定 磁化方向。磁性器件還包括自由磁性層，自由磁性層具有可變磁化向量，所述可變磁化向量 至少具有第一穩(wěn)態(tài)和第二穩(wěn)態(tài)。磁性器件還具有第一非磁性層和參考磁性層。第一非磁性 層在空間上分離釘扎磁性層與自由磁性層。參考磁性層具有第二固定磁化向量，第二固定 磁化向量具有第二固定磁化方向。磁性器件還包括第二非磁性層，所述第二非磁性層在空 間上分離自由磁性層與參考磁性層。由自由磁性層、第二非磁性層和參考磁性層形成磁隧 穿結(jié)。穿過磁性器件施加具有正或負(fù)極性與選定的振幅和持續(xù)時(shí)間的電流脈沖切換可變磁 化向量。磁隧穿結(jié)在空間上位于釘扎磁性層下。下文中更詳細(xì)地描述了存儲(chǔ)器件與存儲(chǔ)系 統(tǒng)的其他實(shí)施方式。
[0005] 前述
【發(fā)明內(nèi)容】
僅是說明性的，絕非旨在是限制性的。除了上述說明性方面、實(shí)施方 式和特征以外，通過參考以下附圖和【具體實(shí)施方式】，其他方面、實(shí)施方式和特征將會(huì)變得更 加清楚。
【附圖說明】
[0006] 依據(jù)以下說明和所附權(quán)利要求書并結(jié)合附圖，本公開內(nèi)容的前述及其他特征會(huì)變 得更加清楚。應(yīng)理解這些附圖僅示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的幾個(gè)實(shí)施方式，因此不應(yīng)認(rèn)為是 限制其范圍，通過使用附圖，將借助額外的特征和細(xì)節(jié)來描述本公開內(nèi)容。
[0007] 圖1是磁性器件的圖示。
[0008] 圖2是根據(jù)說明性實(shí)施方式的具有倒置疊層的磁性器件的圖示。
[0009] 圖3是根據(jù)說明性實(shí)施方式的在堆疊頂部具有極化器（FMl)的倒置疊層的圖示。
[0010] 圖4是根據(jù)說明性實(shí)施方式的具有合成反鐵磁體（antiferromagnet)極化器的倒 置疊層的圖示。
[0011] 圖5是根據(jù)說明性實(shí)施方式的具有釘扎（pinned)合成反鐵磁體極化器的倒置疊 層的圖示。
[0012] 圖6A和6C是非倒置疊層的透射電子顯微鏡截面。
[0013] 圖6B和6D是根據(jù)說明性實(shí)施方式的倒置疊層的透射電子顯微鏡截面。
[0014] 圖7是根據(jù)說明性實(shí)施方式的在頂上沒有極化器的倒置磁隧穿結(jié)的圖示。
[0015] 圖8是根據(jù)說明性實(shí)施方式的倒置疊層的圖示。
[0016] 圖9是根據(jù)說明性實(shí)施方式的用于倒置疊層中的fee非磁性層的圖示。
[0017] 圖10是根據(jù)說明性實(shí)施方式的用于倒置疊層中的bee非磁性層的圖示。
[0018] 圖11是根據(jù)說明性實(shí)施方式的用于倒置疊層中的fee和bee非磁性層的圖示。
[0019] 圖12是根據(jù)說明性實(shí)施方式的兩個(gè)疊層的磁阻的平面隧穿效應(yīng)測(cè)量中的電流的 曲線圖。
[0020] 圖中所示的全部數(shù)值厚度為納米（nm)。在以下【具體實(shí)施方式】中參考了附圖。在附 圖中，相似的符號(hào)通常標(biāo)識(shí)相似的組件，除非上下文另有規(guī)定?！揪唧w實(shí)施方式】、附圖和權(quán)利 要求書中所述的說明性實(shí)施方式并非意圖是限制性的。在不脫離本文提出的主題的精神或 范圍的情況下，可以使用其他實(shí)施方式，可以做出其他變化。容易理解，本文總體說明的且 在附圖中示出的本公開內(nèi)容的方面可以以各種不同結(jié)構(gòu)來布置、替代、組合和設(shè)計(jì)，它們?nèi)?都是可以明確地預(yù)料到的，并且是本公開內(nèi)容的部分。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 基本磁性器件的結(jié)構(gòu)
[0022] 圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的多層的、柱狀磁性器件，該磁性器件包括具有固定磁化方 向的釘扎磁性層FMl和具有自由磁化方向的自由磁性層FM2。Iii 1是釘扎磁性層FMl的磁化 向量，m2是自由磁性層FM2的磁化向量。釘扎磁性層FMl充當(dāng)自旋角動(dòng)量的源。
[0023] 釘扎磁性層FMl和自由磁性層FM2由第一非磁性層Nl分隔，第一非磁性層Nl在 空間上分隔兩個(gè)層FMl和FM2。Nl可以是非磁性金屬（Cu、CuN、Cr、Ag、Au、Al、Ru、Ta、TaN 等），或者是薄非磁性絕緣體，例如Al2O3或MgO。當(dāng)NI是非磁性金屬時(shí)，其厚度必須小于或 近似等于材料在處于器件溫度處的自旋擴(kuò)散長度。這允許當(dāng)電子在橫穿（traverse)Nl時(shí)， 電子自旋極化被基本保持。在使用Cu的一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)于在室溫或室溫附近工作的器 件，層的厚度小于或近似等于0. 5到50nm。當(dāng)Nl是絕緣層時(shí)，其厚度必須使得電子能夠借 助量子力學(xué)隧穿效應(yīng)橫穿該層，并在該過程中大體保持其自旋極化的方向。在Nl是MgO或 Al2O3的實(shí)施方式中，層厚度應(yīng)近似等于0.3到4nm。非磁性層Nl的厚度應(yīng)使得在大致小于 層厚度的短長度級(jí)別上電子自旋方向無散射。柱狀磁性器件的尺寸通常在納米級(jí)別，例如， 它在橫向上可以小于約200nm。
[0024] 自由磁性層FM2實(shí)質(zhì)上是磁性薄膜元件，與另外的兩個(gè)層-釘扎磁性層FMl和非 磁性層Nl -起嵌入到柱狀磁性器件中。層厚度通常約為0· 7nm到10nm。
[0025] 這些柱狀磁性器件可以借助許多不同方式（包括通過亞微米鏤空掩模的物理氣 相沉積（濺射法）、熱和電子束蒸發(fā)）按照層的堆疊順序來制造。也可以如下來制造這些 磁性器件：按照堆疊順序使用濺射、熱和電子束蒸發(fā)來形成多層膜，之后使用消減納米制造 (subtractive nanofabrication)工藝，消減納米制造工藝去除材料以在襯底（例如其它 半導(dǎo)體或者絕緣晶片的硅的襯底）表面上留下柱狀磁性器件。半導(dǎo)體晶片可以已經(jīng)包括 CMOS電路的部分，用于讀寫磁性器件。在疊層包含磁隧穿結(jié)時(shí)，可以使用退火。退火可以使 得MgO絕緣阻擋層晶化，并增強(qiáng)結(jié)的磁阻。在不同實(shí)施方式中，使用單一的退火過程。在一 個(gè)實(shí)施方式中，在300°C到450°C的溫度對(duì)疊層退火，以熱晶化MgO層。退火的持續(xù)時(shí)間是 幾分鐘（快速熱退火）到幾小時(shí)，較高退火溫度需要的退火時(shí)間較短。退火常常在1特斯 拉或更大的磁場(chǎng)中進(jìn)行，以設(shè)定參考層（FM3)的磁化狀態(tài)。退火提供了自由層（FM2)的磁 各向異性的優(yōu)選方向和增強(qiáng)的單軸磁各向異性。
[0026] 用于鐵磁體層的材料包括（但不限于）：Fe、Co、Ni ;這些元素的合金，例如Ni1 xFex 和CoFe ;這些鐵磁體金屬與例如B、Cu、V、Pd和Pt的非磁性金屬的合金，其組成使得材料在 室溫下是鐵磁性排序的；導(dǎo)電材料；導(dǎo)磁氧化物，例如〇0 2和Fe 304;和完全自旋極化材料， 例如赫斯勒合金NiMnSb。對(duì)于非磁性層，材料包括（但不限于）Cu、CuN、Cr、Ag、Au、Al、Ru、 Ta 和 TaN。
[0027] 電流源連接到釘扎磁性層FMl和自由磁性層FM2,以使得電流I可以橫穿柱狀器 件。在另一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)包含疊層的柱的頂部和底部形成電接觸。
[0028] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施方式的倒置疊層200的圖示。在該實(shí)施方式中，倒 置疊層200包含釘扎層FMl。釘扎層FMl可以被垂直于層的平面來磁化，在圖2中由叫表 示該磁化。釘扎層FMl可以相對(duì)于自由磁性層FM2倒置。換句話說，在自由磁性層FM2和 參考層