場響應增強的磁元件及其制造方法

專利名稱：場響應增強的磁元件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及用于進行信息保存和／或者感知的磁元件及其制造方法，更特別地，涉及制造并且這樣定義能夠改善磁場響應的磁元件的一個方法。
典型地，一個磁元件，例如一個磁存儲元件，具有包括被一個非磁層隔開的鐵電層。在磁體層中，信息是作為磁化矢量方向而被保存的。例如，在一個磁體層中的磁場矢量方向在磁場上是固定的或者阻塞的(pinned)，而另一個磁體層的磁化矢量方向是自由的，并且可以在分別稱作“平行”和“反平行”狀態的相同和相反方向之間進行切換。對平行和反平行狀態作出響應，磁存儲元件表示兩個不同的阻抗。當兩個磁體層的磁化矢量在分別指向相同的和相反的方向時，這個阻抗具有最小值和最大值。所以，對阻抗改變的檢測就允許一個器件，例如一個MRAM器件，提供被保存在磁體存儲元件中的信息。最小和最大阻抗值之間的差異除以最小阻抗值就是熟知的磁阻比(MR)。
一個MRAM器件集成了磁元件，更特別地，集成了磁體存儲元件，和其它電路，例如用于磁體存儲元件的一個控制電路，用于檢測一個磁存儲元件中狀態的比較器，輸入／輸出電路，等等。為了降低器件的功率消耗，使用CMOS處理(互補金屬氧化物半導體)技術來制造這些電路。
另外，磁元件的結構包括非常薄的層，其中某些層的厚度是幾十個埃。磁元件的性能對在其上淀積磁體層的表面條件非常敏感。所以，必須制造一個很平的表面來避免一個磁元件的性能降低。
在典型的磁元件的制造過程中，例如MRAM元件制造，包括通過濺射淀積，蒸發，或者外延生長技術進行生長的金屬薄膜，這個薄膜表面不是絕對的平，而是有表面或者界面的粗糙性。這個鐵磁層的表面和／或者界面的粗糙性是在自由鐵磁層和其它鐵磁層，例如固定層或者阻塞層之間產生的磁耦合原因引起的，這被稱作拓撲耦合或者Neel橘子皮耦合。在磁元件中，這樣的耦合通常是不希望出現的，因為在自由層對一個外部磁場的響應中產生了一個偏移。
當在隔離層以前形成了固定層，并且在隔離層后形成了自由層時，這種磁結構被稱作底部阻塞(bottom-pinned)。在這樣一個底部阻塞的結構中，抗鐵磁(AF)阻塞層被包括在底部的磁極中。傳統的底部阻塞的磁隧道結(MTJ)和旋轉閥結構(spin valve structure)使用子晶和模板層來產生一個用于強力阻塞的有方向的結晶AF層。一個典型的底部阻塞MTJ結構的底部電極包括Ta／NiFe／FeMn／NiFe的層疊結構，Ta／NiFe／FeMn／NiFe的層疊結構的后面是AlOx隧道壁壘層，并且頂部電極包括一個自由的NiFe層，其中Ta／NiFe子晶／模板層導致一個方向性極高的FeMn(111)層的生長。這個方向性極高的FeMn層在AlOx隧道壁壘下提供了用于強阻塞的NiFe層。FeMn層，或者其它有方向的多晶體AF層產生了促使在阻塞的NiFe層和頂部自由的NiFe層之間不希望的Neel耦合增加的粗糙性。
在實際的MTJ元件中，底部電極形成在為這個結提供了一個低電阻接觸的一個底部金屬層。這個底部金屬層典型地是多晶體，并且產生可以傳遞到底部電極，并在隔離層界面產生粗糙性從而導致在固定的NiFe層和頂部自由的NiFe層之間不希望的Neel耦合的增加的粗糙性。從底部金屬層和底部電極傳遞的粗糙性又額外地增加了不利性，因為它限制了在保持高的MR和與結面積成反比的器件電阻時可以被實現的最小隧道壁壘厚度。
拓撲耦合強度，或者Neel耦合與表面磁荷密度成正比，并且按照中間層厚度的指數的倒數而變化。如在1998年6月9日發表的美國專利No．5，764，567、題為“具有改善磁場響應的非鐵磁界面層的磁隧道結器件”中所公開的，通過在一個磁隧道結結構中在氧化鋁隧道壁壘下面添加一個非磁的銅層，由此增加磁層之間的間隔，從而就實現了鐵磁橘子皮耦合的降低或者拓撲耦合的降低。但是，添加銅層將降低隧道結的MR，并且這樣降低了器件的性能。另外，包括銅層將增加蝕刻材料的復雜性。
所以，本發明的一個目的是提供其場響應被改善的一個改進磁元件，由此減少Neel耦合，由此改進MRAM比特的切換特性，并且在傳感器應用中產生更理想的響應。
本發明的另一個目的是提供一個改進的磁元件，這個改進的磁元件包括被降低的鐵磁耦合，更特別地，包括被降低的源于拓撲的鐵磁耦合。
本發明的另一個目的是提供一個改進的磁元件，這個改進的磁元件包括一個更平的隧道壁壘，這樣降低了壁壘厚度并且降低了電阻。
本發明的另一個目的是提供形成其場響應被改善的一個磁元件的一個方法。
本發明的另一個目的是提供形成其場響應被改善的一個磁元件的一個方法，它能夠提供高成品率的制造。
通過提供包括一個底部金屬層，一第一電極，一第二電極和一個隔離層，就可以基本上滿足這些要求和其它要求。這個底部金屬層是被放置在一個襯底元件的一個最上表面上。兩個電極中的一個包括一個固定的鐵磁層，在出現了其磁場強度大到足夠切換自由層的一個應用磁場時，其磁化保持并且固定在一個優選方向上，另一個電極包括一個自由鐵磁層，在出現了一個應用磁場時，其磁化可以在磁化狀態之間進行自由的旋轉或者切換。一個隔離層位于固定的鐵磁層和自由的鐵磁層之間，以允許在一個基本上與固定和自由鐵磁垂直的方向上出現隧道電流。在制造期間，在底部金屬層和隔離層之間形成的至少一個層在結構上是X射線非晶體，更具體地，這種結構對普通X射線技術不顯示峰值(如果是峰值則表示一個晶體結構)，或者這個底部金屬層本身是被形成為一個非晶體結構。這包括一個X射線非晶體結構的至少一個層改變了被淀積在其上的層的粗糙性的幅度和／或者特征長度的大小，以減少在與隔離層的界面上的磁極的形成。粗糙性幅度的減少，和／或者粗糙性支配長度大小向較低的空間頻率移動產生了一個更平的表面，并且產生了一低的拓撲耦合。另外，也公開了制造其場響應被改善的磁元件的一個方法。


圖1顯示了根據本發明，其場響應被改善的一個磁元件的一第一實施方式的一個橫切面圖；圖2顯示了根據本發明，其場響應被改善的一個磁元件的一替代實施方式的一個橫切面圖；圖3顯示了根據本發明，其場響應被改善的一個磁元件的另一個替代實施方式的一個橫切面圖；和圖4顯示了根據本發明，其場響應被改善的一個磁元件的另一個替代實施方式的一個橫切面圖。
在整個說明書中，類似的標號被用于標識用于顯示本發明的不同圖中類似的元件。如這里所公開的，有多個方法可以被用于在本發明的磁元件中形成一個X射線非晶體結構，由此減少在與隔離層的界面上形成磁極。更特別地，這里公開了在所有實施方式中，在一個底部金屬層(目前正在被討論)和一個隔離層(目前正在被討論)之間形成了一個X射線非晶體結構，或者底部金屬層本身所形成的結構是一個非晶體結構。一般，這可以通過包括一個非晶體子晶層，或者一個組合的非晶體子晶和模板層，或者實際制造鐵磁層非晶體中的一個，或者制造底部金屬層非晶體而產生一個X射線非晶體抗鐵磁阻塞層(目前在被討論)，來實現。
所以，顯示在圖1-4中的是實現一個X射線非晶體層以在一個被分層的磁元件中減少Neel耦合的各種實施方式。更特別地，圖1以橫剖面的形式顯示了根據本發明的一個磁元件的第一實施方式。顯示在圖1中的是，一個完全模型化的磁元件結構10。這個結構包括一個襯底12，一第一電極多層堆14，包括氧化鋁的一個隔離層16，和一第二電極多層堆18。應理解，隔離層16是根據正在被制造的磁元件的類型而形成的。更特別地，在一個MTJ結構中，隔離層16是由一個介質材料組成的，并且在一個旋轉閥結構中，隔離層16是由一個導電材料組成的。第一電極多層堆14和第二電極多層堆18包括鐵磁層。第一電極層14是形成在一個底部金屬層13的上面，底部金屬層13是形成在襯底12上。所公開的底部金屬層13是由一單個金屬材料或者層或者比一個金屬材料或層多的金屬材料堆組成。第一電極層14包括被淀積在底部金屬層13上的一第一子晶層20，一個模板層22，一個抗鐵磁阻塞材料24的層，和形成在支撐其的抗鐵磁阻塞層24上的并且交換與它的耦合的一個固定鐵磁層26。在這個第一實施方式中，子晶層20的結構被描述為X射線非晶體。典型地，子晶層20是在其上形成了模板層22的氮化鉭(TaNx)組成的。在這個特定實施方式中的模板層22是由釕(Ru)形成的。子晶層20和模板層22的這個組合形成了通常由錳化鐵(FeMn)組成的X射線非晶體阻塞層24。
鐵磁層26被描述為固定的，或者阻塞的，其中在出現了一個外加磁場時，其磁力矩被禁止旋轉。鐵磁層26典型地是用一個或者多個下述金屬的合金組成的鎳(Ni)，鐵(Fe)，和鈷(Co)，并且包括一個頂部表面19和一個底部表面21。
第二電極堆18包括一個自由的鐵磁層28和一個保護接觸層30。通過切換耦合，自由的鐵磁層28的磁力矩不是固定的，或者說不是阻塞的，并且在出現了一個外加磁場時可以自由旋轉。自由鐵磁層28典型地是由一個鎳鐵(NiFe)合金或者一個鎳鐵鈷(NiFeCo)合金形成的。應理解，本發明還可以是一個相反的，或者倒過來的結構。更特別地，應理解，所公開的磁元件可以被形成為包括一個頂部固定的，或者阻塞的層，這樣就被描述為一個頂部阻塞的結構。
如前面所討論的，在這個特定的實施方式中，子晶層20被形成為具有一個X射線非晶體結構，具體地說，子晶層20被形成而沒有形成任何晶體結構。不形成一個晶體結構提供了一個更平的或者更光滑的、與模板層22的界面，阻塞層24也一樣，這樣就可以整體上減少Neel耦合。在這個特定的實施方式中，模板層22是由Ru形成的，阻塞層24是由FeMn形成的，一個薄的Ru層在其多晶體結構的方向是隨機的X射線非晶體子晶層20上進行生長，這促使FeMn也是X射線非晶體。阻塞層24不是一個晶體結構提供了一個更平的、或者更光滑的固定層26，以使兩個界面19和21均比在第一電極中的傳統多晶體層的情形下更平。這減少了Neel耦合，并且提供了其MRAM比特切換特性更好的一個器件，例如一個MRAM器件，并且在傳感器應用中提供了一個更理想的響應。
現在參考圖2，圖2顯示了與圖1的元件類似的、根據本發明的磁元件的一個替代實施方式。應注意，圖1中所顯示的部件被標上了類似的標號，并且有一撇來表示不同的實施方式。
圖2以一個橫切面圖的形式顯示了根據本發明的一個磁元件的一第二實施方式。更特別地，在圖2中所顯示的是一個完全模型化的磁元件結構10′。這個結構包括一個襯底12′，一第一電極多層堆14′，包括氧化鋁的一個隔離層16′，，和一第二電極多層堆18′。第一電極多層堆14′和第二電極多層堆18′包括鐵磁層。第一電極層14′是形成在一個底部金屬層13′的上面，底部金屬層13′是形成在襯底12′上。第一電極層14′包括被淀積在底部金屬層13′上的、用作一個組合子晶層和模板層的一個層23，一個抗鐵磁阻塞材料24′的層，和形成在支撐其的抗鐵磁阻塞層24′上的并且交換與它的耦合的一個固定鐵磁層26′。
在這個第二實施方式中，層23的結構被描述為用作一個組合的子晶／模板層，更特別地，它替代了子晶層和模板層。典型地，組合層23是由鉭(Ta)，或者釕(Ru)，或者鉭和氮(TaNx)的化合物形成的。這個組合層23與特定的底部金屬層例如鋁(Al)組合使用，并且形成或者生長一個X射線非晶體阻塞層24′，這個X射線非晶體阻塞層24′典型地是由鐵錳(FeMn)形成的。在一個替代的實施方式中，公開了鉭和氮的一個化合物被放置在底部金屬層和隔離層之間，在這個示例中，這個鉭和氮化合物層本身被形成為一個非晶體結構，以使可以減少在自由鐵磁層和固定鐵磁層之間的拓撲耦合強度，而不降低這個器件的電特性。
與圖1的這個器件類似，鐵磁層26′被描述為固定的，或者阻塞的，其中在出現了一個外加磁場時，其磁力矩被禁止旋轉。鐵磁層26′典型地是用一個或者多個下述金屬的合金組成的鎳(Ni)，鐵(Fe)，和鈷(Co)，并且包括一個頂部表面19′和一個底部表面21′。
第二電極堆18′包括一個自由的鐵磁層28′和一個保護接觸層30′。通過切換耦合，自由的鐵磁層28′的磁力矩不是固定的，或者說不是阻塞的，并且在出現了一個外加磁場時可以自由旋轉。自由鐵磁層28′典型地是由一個鎳鐵(NiFe)合金或者一個鎳鐵鈷(NiFeCo)合金形成的。應理解，本公開還可以是一個相反的，或者倒過來的結構。具體地說，應理解，所公開的磁元件可以被形成為包括一個頂部固定的，或者阻塞的層，這樣就被描述為一個頂部阻塞的結構。
在這個特定的實施方式中，層23被形成為具有一個方向隨機的多晶體結構，這在阻塞層24′中產生了一個X射線非晶體結構。不形成一個晶體結構提供了一個更平的或者更光滑的界面21′，在界面21′上可以生長固定層26′，固定層26′反過來產生了一個更平的或者更光滑的界面19′，這樣就可以整體上減少Neel耦合。這減少了Neel耦合，并且提供了其MRAM比特切換特性更好的一個器件，并且在傳感器應用中提供了一個更理想的響應。
現在參考圖3，圖3顯示了與圖1和2的元件類似的、根據本發明的磁元件的一個替代實施方式。應注意，所有與圖1和2中所顯示的部件類似的部件均被標上了類似的標號，并且有2撇來表示不同的圖3以一個橫切面圖的形式顯示了根據本發明的一個磁元件的一第三實施方式。更特別地，在圖3中所顯示的是一個完全模板化的磁元件結構10″。這個結構包括一個襯底12″，一第一電極多層堆18″，包括氧化鋁的一個隔離層16″，和一第二電極多層堆14″。第一電極多層堆18″和第二電極多層堆14″包括鐵磁層。第一電極層18″是形成在一個底部金屬層13″的上面，底部金屬層13"是形成在襯底12″上。第一電極層18″包括被淀積在底部金屬層13″上的一第一子晶層20″和一個模板層22″，一個抗鐵磁阻塞材料24″的層，和形成在支撐其的抗鐵磁阻塞層24″上的并且交換與它的耦合的一個固定鐵磁層26″。
與圖1和圖2類似，鐵磁層26″被描述為固定的，或者阻塞的，其中在出現了一個外加磁場時，其磁力矩被禁止旋轉。鐵磁層26″典型地是用一個或者多個下述金屬的合金組成的鎳(Ni)，鐵(Fe)，和鈷(Co)，并且包括一個頂部表面19″和一個底部表面21″。
第二電極堆14″包括一個自由的鐵磁層28″和一個保護接觸層30″。通過切換耦合，自由的鐵磁層28″的磁力矩不是固定的，或者說不是阻塞的，并且在出現了一個外加磁場時可以自由旋轉。自由鐵磁層28″典型地是由一個鎳鐵(NiFe)合金或者一個鎳鐵鈷(NiFeCo)合金形成的。應理解，這個公開還可以是一個相反的，或者倒過來的結構，例如在圖4中所顯示的結構，并且用3個撇來表示的、與圖1，2和3中所顯示的部件類似的所有部件。更特別地，應理解，所公開的磁元件可以被形成為包括一個頂部固定的，或者阻塞的層(表示為26)，這樣就被描述為一個頂部阻塞的結構。
在這個特定實施方式中，圖3中所顯示的是，固定鐵磁層26″被形成為具有一個X射線非晶體結構，而沒有形成任何晶體結構。不形成一個晶體結構提供了一個更平的或者更光滑的、與隔離層16″的界面，這樣就可以減少Neel耦合。如所顯示的，通過形成固定層26″以包括一個X射線非晶體結構，就可以顯著地減少耦合場Hcpl的幅度。
對于圖4中所顯示的頂部阻塞的結構，一個或者多個層20，22，和28被形成為一個X射線非晶體結構，以產生一個更平的或者更光滑的、與隔離層16的界面。在層28和16之間更平的或者更光滑的界面導致在隨后在包括層28和16之間界面的上面形成了層之間更平的或者更光滑的界面，層28和16之間界面對穿過隔離層的Neel耦合有主要的貢獻。這些更平的或者更光滑的界面減少了Neel耦合。
在所有的實施方式中，使用一個X射線非晶體底部金屬層13″，而不是一個多晶體層將在隨后在其上形成的層之間形成更平的或者更光滑的界面，這減少了在固定和自由層之間的Neel耦合。
在所有的實施方式中，該領域的技術人員應理解，固定層可以被由直接在阻塞材料上的一個阻塞磁層和通過一個非磁層強抗鐵磁耦合到阻塞層的固定磁層組成的一個3層堆所替代，這個非磁層可以是釕(Ru)或者銠(Rh)，這個非磁層隔開阻塞磁層和固定磁層，同時又提供一個強的抗鐵磁耦合。該領域的技術人員將進一步理解，底部金屬層可以由一單個金屬組成，或者由多于一種金屬的金屬堆組成。
根據這個公開，想要實現的是通過形成具有一個X射線非晶體結構的一個層，來減少Neel耦合，也被稱作拓撲耦合的耦合強度。在淀積底部金屬后，和在淀積隔離層以前形成一個X射線非晶體層，或者形成一個X射線非晶體底部金屬層，在磁電極層和隔離層之間產生了更平的或者更光滑的界面。與通過傳統的晶體或者多晶體層而獲得的耦合相比，這些更平的或者更光滑的界面減少了Neel耦合，這也被稱作拓撲耦合的耦合強度。
在所有的實施方式中，該領域的技術人員應理解，固定層可以被由通過一個非磁層強抗鐵磁耦合到阻塞層的阻塞磁層組成的一個3層堆所替代，這個非磁層可以是釕(Ru)或者銠(Rh)。該層提供隔離，同時又提供一個強的抗鐵磁耦合。該領域的技術人員將進一步理解，在某種結構中，固定和阻塞層可以被其一個矯磁力或者切換場基本上比自由層高的一單層所替代。
這樣，公開了其場響應被改善的一個磁元件和其制造方法，其中根據隔離層與剩余金屬薄膜結構的界面粗糙性，磁耦合可以基本上為零。如所公開的，具有一個X射線非晶體結構的一個層被提供在底部金屬層和隔離層之間。這個技術可以被應用到使用模板磁元件的器件中，例如磁傳感器，磁記錄頭，磁記錄媒質，或者類似的。所以，這樣的示例被這個公開所覆蓋。
權利要求
1．一個磁元件，其特征是一個底部金屬(13)層，具有一上表面；一第一電極(14)，被放置在底部金屬層的上表面，第一電極包括一個鐵磁層(26)；一第二電極(18)，被放置在與第一電極隔開的位置，第二電極包括一個鐵磁層(28)；其中，第一電極和第二電極的鐵磁層組合地包括一個固定的鐵磁層(26)和一個自由的鐵磁層(28)，在出現了能夠切換自由層的一個外加磁場時，固定的鐵磁層的磁化被固定在一個優選方向上，并且在出現了一個外加磁場時，自由鐵磁層具有能夠在磁化狀態之間進行旋轉的一個磁化；一個隔離層(16)，位于第一電極的鐵磁層和第二電極的鐵磁層之間；其中在隔離層下面所形成的一層是一個X射線非晶體結構，以使在自由鐵磁層和固定鐵磁層之間的拓撲耦合強度可以被減少；和一個襯底(12)，底部金屬層、第一和第二電極、和隔離層均被形成在襯底上。
2．如權利要求1的一個磁元件，進一步包括一個釕層(22)，位于底部金屬層和隔離層之間，釕層作為在底部金屬層和隔離層之間的一個X射線非晶體結構層的生長的種子，以使在自由鐵磁層和固定鐵磁層之間的拓撲耦合強度可以被減少，而不會降低這個器件的電特性。
3．如權利要求2的一個磁元件，其中作為在底部金屬層和隔離層之間的一個X射線非晶體結構層的生長的種子的釕層(22)形成了一個X射線非晶體阻塞層。
4．如權利要求1的一個磁元件，進一步包括一個鉭層(22)，位于底部金屬層和隔離層之間，鉭層作為在底部金屬層和隔離層之間的一個X射線非晶體結構層的生長的種子，以使在自由鐵磁層和固定鐵磁層之間的拓撲耦合強度可以被減少，而不會降低這個器件的電特性。
5．如權利要求4的一個磁元件，其中作為在底部金屬層和隔離層之間的一個X射線非晶體結構層的生長的種子的鉭層(22)形成了一個X射線非晶體阻塞層。
6．如權利要求1的一個磁元件，進一步包括一個鉭和氮的化合物的層(23)，位于底部金屬層和隔離層之間，鉭和氮的化合物層被形成為一個X射線非晶體結構層，以使在自由鐵磁層和固定鐵磁層之間的拓撲耦合強度可以被減少，而不會降低這個器件的電特性。
7．如權利要求1的一個磁元件，進一步包括一個鉭和氮的化合物的層(23)，位于底部金屬層和隔離層之間，鉭和氮的化合物層作為在底部金屬層和隔離層之間的一個X射線非晶體結構層的生長的種子，以使在自由鐵磁層和固定鐵磁層之間的拓撲耦合強度可以被減少，而不會降低這個器件的電特性。
8．如權利要求7的一個磁元件，其中作為在底部金屬層和隔離層之間的一個X射線非晶體結構層的生長的種子的鉭和氮的化合物的層(23)形成了一個X射線非晶體阻塞層。
9．如權利要求1的一個磁元件，其中被放置在底部金屬層的上表面上的第一電極包括具有X射線非晶體結構的層。
10．如權利要求1的一個磁元件，其中自由鐵磁層和固定鐵磁層包括NiFe，NiFeCo，CoFe，或者Co中至少一個。
11．如權利要求1的一個磁元件，其中隔離層包括定義一個MTJ結構的一個介質材料或者定義一旋轉閥結構的一個導電材料中的一個材料。
全文摘要
一個改善的和新的器件和一個磁元件的制造方法,更特別地,一個磁元件(10)包括一第一電極(14),一第二電極(18),和一個隔離層(16)。第一電極(14)包括一個固定的鐵磁層(26)。一第二電極(18)包括一個自由的鐵磁層(28)。一個隔離層(16)位于固定的鐵磁層(26)和自由的鐵磁層(28)之間,隔離層(16)。至少一個附加層(20＆22)被提供在底部金屬層(13)和隔離層(16)之間。底部金屬層(13)或者位于底部金屬層(13)和隔離層(16)之間的至少一個層具有一個X射線非晶體結構,以使在自由鐵磁層(28)和固定鐵磁層(26)之間的拓撲耦合強度可以被減少。
文檔編號H01F10/14GK1294390SQ0013162
公開日2001年5月9日 申請日期2000年10月20日 優先權日1999年10月21日
發明者喬·斯勞特, 經·世, 尤金·陳, 塞德·蒂蘭尼 申請人:摩托羅拉公司