用于霍斯勒化合物的織構化膜的底層的制作方法
【專利摘要】一種結構體，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，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穿過另一個。所述結構體可形成磁性隧道結磁阻器件的部件，且這樣的磁阻器件的陣列可共同形成MRAM。
【專利說明】
用于霍斯勒化合物的織構化膜的底層
技術領域
[0001] 本發明設及磁性隧道結磁阻器件（裝置，device),且更具體地設及采用運樣的器 件的磁性隨機存取存儲器。
【背景技術】
[0002] 磁性隧道結(MTJ)形成保證高的性能和耐久性的非易失性(非揮發性)磁性隨機存 取存儲器(MRAM)的基礎記憶(存儲，memo巧)元件，而且還具有按比例縮小（scale)至極小尺 寸的潛力。磁性隧道結(MTJ)由被超薄絕緣層分隔的兩個磁性層的夾層結構(S明治結構， sandwich)構成。運些層之一形成記憶或存儲層，且另一層形成其磁性結構在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和隧道阻擋物(屏障，勢壘，barrier)的 "自旋-過濾(spin-filtering)"性質的組合確定。（運些磁性層與電極接觸;替代地，運些磁 性層可視作電極本身的形成部分）
[0003] 在現有的MRAM中，MTJ的磁性狀態通過使電流穿過其而改變。固有地自旋極化的電 流傳遞自旋角動量使得一旦超過闊值電流就切換（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(磁化強度，magneti zation)垂直于所述層 被取向時較小。
[0004] 針對用于密集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（參見例如名稱為"MgO tunnel barriers and method of formation"的美國專利7598555)。所述鐵磁電極由足夠薄的層制成，使得運些 電極的磁化垂直于運些層被取向。Co-Fe-B層的垂直磁各向異性(PMA)起因于運些層和其上 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。在實踐中，運意味著當器件在尺寸上具有小于~20皿的臨界尺寸時所述PMA過弱W致 于不能克服熱波動，因為磁性層的厚度不得不（i)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。
【發明內容】
[0005] 公開了作為鐵磁電極使用的材料，其呈現出比Co-Fe-B表現出的PMA大得多的PMA， 其中該PMA起因于電極的體積而不是界面。運些稱為霍斯勒化eusler)合金1的化合物是具 有化學式XsYZ或x'r YZ的化合物，其中X和X'和r和Y為過渡金屬或銅系元素(稀±金屬）， 且Z來自主族金屬。霍斯勒化合物具有CusMnAl類型（在化arson表中定義）的結構，其中所述 元素位于4個互相貫通的面屯、立方(fee)晶格上。在該家族中已知很多化合物（~800) 2。運 些化合物的一些由于在X和/或Y位點（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出弱的或不顯著的磁各向異性，但是發現運些化合物 的一些的結構是四方扭曲的：由于運種扭曲，由運些化合物表現出的磁化可沿著四方軸定 位(對準，成直線，align)。因此，由運樣的材料形成的薄膜可由于與所述四方扭曲的結構相 關的磁晶各向異性而表現出PMA。運樣的四方霍斯勒化合物的一些實例為Mri3-xGa和Mri3-xGe。 運些材料的薄膜表現出大的PMA，但是迄今為止，關于運些材料的所有工作已經設及使用由 各種材料但優選化或Pt3形成的種層(seed layer)在單晶基底(例如MgO(IOO))上外延生長 的膜。運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應用，所述線路可被其它層覆蓋，該其它層也是多晶的或無定形的。
[0006] 發明的一個優選實施方式是包括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-極化電流從一個穿過另一個。在一個更優選的實施方式中，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] 發明的另一優選實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。穿過所述第一電極和 所述第二電極的電流穿過所述磁性自由層、所述隧道阻擋物和所述磁性參考層。
[0008] 發明的一個實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，從而促使電流流過所述磁性層和所述隧道阻擋物。結果，所述自由 磁性層的取向可由于來自電流的自旋轉移扭矩（自旋轉移矩，spin transfer torque)而變 化。所述器件可為一起形成MRAM的多個磁性隧道結器件之一，其中所述隧道結器件的每一 個包括具有各自的取向的自由層。可通過檢測所述自由層的取向從MRAM讀取信息。
【附圖說明】
[0009] 圖1 .MnsGe霍斯勒膜:結構和形貌(topogra曲ical)性質
[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。為了進行 比較，上面兩條曲線對應于在W下膜上取得的數據：（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。運些樣品的數據也包含在圖IB中。
[0011] 圖1B:(上部圖片）晶體結構有序性(ordering)(從圖IA外推)和(下部圖片)通過原 子力顯微鏡(AFM)測量的均方根(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MnsGe (004)峰的測量強度之比。
[001^ 圖2.具有和不具有TaN擴散阻擋物的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]具有如下結構的膜的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-Mg0/:12A C〇2〇Fe6()B2()/5〇A Ta/沸A Ru。邸LS數據 顯示于圖2B和圖2D中，其是分別針對圖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域上面和沿由該方框內的箭頭示出的方向采集所述數據）。顯示了 Ta、N、Mn、Ir和Ge的濃度對膜厚度的數據。運些數據顯示了 Ir和Ge相互擴散的明顯的差異。 當在IrMns層和MnsGe層之間沉積化府廣散阻擋物時沒有發現相互擴散的跡象。
[0014] 圖3.具有巨垂直磁各向異性的MnsGe霍斯勒膜
[0015] 圖3A:磁化強度對在不同底層/基底上生長的MmGe膜的磁場滯后回線。空屯、正方 形屬于在平行于膜平面定位的施加磁場下的測量結果。上面四個圖片是指具有W下結構的 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。實線表示平面外回線。左下圖片是指在沒有IOA的TaN 擴散阻擋物的情況下生長的MmGe膜，而右下圖片是指在MgO/經Cr緩沖的MgO(OOl)單晶基 底上沉積的MnsGe膜。測量在環境溫度下進行。
[0016] 圖3C:上部圖片-由圖3A中的數據外推的每單位面積的磁矩m。實線示出了D022-MnsGe的預測的本體(bu化)面積矩(area 1 moment)。下部圖片-矯頑磁場Hg (左軸，實屯、S角 形)和單軸各向異性常數Ku(右軸，空屯、正方形）。為了由關系Ku = Heff ? Ms/化如Ms2確定單軸 各向異性常數，出ff通常由在磁化強度達到飽和的磁場下的M對取隹磁化軸化ard-axi S)回線 進行評價。如在圖3A(空屯、正方形）中顯而易見的，磁化強度預期在通過測量工具不能達到 的高磁場值下飽和；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)上生長的膜的 標稱結構的示意圖。為了考察運些膜的結構、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(保護層，capping layer)。
[001引圖4.基于MnsGe的磁性隧道結的特性
[0019] 圖4A:RapA乘積(實屯、符號）和TMR(空屯、符號）的MgO厚度依賴性。對Si/Si〇2/TaN/ IrMn3、Si/Si〇2AaN/IrMn3/TaN、MgO(100)/Cr種層進行比較。實線和虛線分別是對于RapA乘 積和TMR的看起來的引導線(guide to the eye)。
[0020] 圖4B:通過電子束平版印刷術圖案化的具有~27nm結尺寸的基于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)測量的2-末端結電阻對垂直于器件 施加的磁場。對具有化府廣散阻擋物(實屯、正方形)和不具有化府廣散阻擋物(空屯、正方形）的 結的TMR進行比較。對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 的磁場和-9T的磁場，在3K測量了兩組數據(較大的實屯、正方形）。正如可在所述圖中看出 的，運些數據彼此為鏡像。
[0022] 圖4D:針對化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，通過離子束沉積（I抓)或通過直 流磁控管瓣射在覆蓋有250乂的無定形Si化的Si(IOO)基底上面生長霍斯勒化合物Mn3-xGe 的膜W及其它層。針對用于MRAM應用的MTJ，所述膜的磁化應該表現出良好限定的（界限分 明的，well-defined)磁化強度對垂直磁場滯后回線，其為正方形(剩余磁化強度等于或者 近似等于膜在大的磁場中的飽和磁化強度），其中在良好限定的矯頑磁場(其中膜的磁化強 度為零的磁場)下磁化從一個垂直于膜平面的方向突然地切換至相反方向。而且，當所述磁 場W在膜平面內的方向施加時，在所施加磁場的方向上的磁化強度從大約零幾乎線性地增 加至飽和磁化強度的值。當將Mm-xGe膜直接沉積在無定形Si化的表面上時，發現所述膜沒 有表現出良好限定的晶體織構，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，使得磁化強度對垂直施加的磁場不是如最佳性能所要求的正方形。
[0024] 對于一些材料，通過在適當制備的合適底層上沉積運些材料可形成甚至高度織構 化的膜。例如，典型地，fee材料(如Cu或Pt)將優先地W(Ill)晶面平行于膜表面織構化，而 體屯、立方材料將傾向于W(IlO)晶面平行于膜表面生長。然而，在氧化物表面上生長的運樣 的金屬(如Cu和Pt)經常是非常粗糖的，因為運些金屬可能不"潤濕"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，所述島 狀物可最終合并W形成連續的薄膜，此時使所述膜足夠厚。
[0025] 在發明的一個優選實施方式中，Mm+cGe或Mm+cGa(其中對于各情形，0 < C < 3(或者 在Ge化合物的情形中，1含C含3是甚至更優選的））的高度織構化的(OOl)取向的膜是通過使 用當沉積在Si化無定形層上時其本身高度織構化的底層而制備。具有運種性質的底層包括 TafVIrMn沸化N/IrMmAaN。在無定形Si化上的化N種層上沉積的IrMM膜W (OOn軸垂直于 IrMm膜的平面高度織構化。（使用Pt代替Ir將預期到類似結果）。在沒有TaN種層的情況下， IrMm層的織構化差，其中膜中的晶粒(grain) W(Ill)平面或者(OOl)或（110)平面平行于 所述基底進行取向。需要所述晶粒在多晶IrMm層內的（OOl)取向，W促進其中四方軸垂直 于MmCie層的平面的（OOl)取向的MmCie層的生長。盡管在IrMM和MmGg之間的晶格失配小（< 1%)，但是發現運些相同的TarVlrMn3(和等同的化NArMmAaN)底層促進具有較大晶格失 配的立方和四方霍斯勒兩者的大范圍的生長。（通過假定霍斯勒化合物在IrMm上的外延的 45°平面內旋轉生長，即在對于霍斯勒的L2i晶胞和對于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。運些霍斯勒化合物的薄膜在 TarvirMns和化N/IrMm/TaN底層上生長，并發現在各情形中其由于所述底層的性質而表現 出良好限定的(OOl)結晶織構。
[0026] 實現高度織構化的MmGe膜的結構的實例的數據顯示于圖1中。首先，在環境溫度 通過反應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，在環境 溫度通過直流磁控管瓣射沉積100A-200A悍的IrMm底層。運些層也可通過離子束沉積 (IBD)被沉積。對于磁控管瓣射，使用3毫托的瓣射氣體壓力;使用氣氣和氮氣的瓣射氣體混 合物生長化N。化訓莫的組成（即Tai-xNx)對所述瓣射氣體的組成是敏感的：使用優選的90% Ar和10%化的組成(按進入到室中的氣體流量計）W獲得具有接近于化50化0的組成的膜。
[0027] 實施了一系列研究W確定用于制備由MmGe化合物構成的膜的最佳條件，如圖1中 顯示的。（對于MmGa,記錄了和圖1中顯示的數據類似的數據，所述數據未顯示但是在外形 上是類似的）。在一組實驗中，在屯個不同沉積溫度(Td或T生長)（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，但是沒有隨后的 退火步驟(參見圖IA中下面的屯條曲線）。運些膜的粗糖度取決于Td(參見圖IB中標記為"沒 有退火"的曲線）。對于大于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的增大而單調地增大。對于作為在用于MRAM應用的MTJ中的磁電極的用 途，隧道阻擋物優選非常薄，在~l-2nm的范圍內，并因此所述磁電極理想地是非常光滑的。 同時，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 是為了實現化學有序的霍斯勒化合物，優選必須使Td保持盡可能高。同時，存在由如下溫度 決定的對Td的最大值的限制：高于該溫度時，元素從底層擴散至MmGe層中變得顯著。形成 MmGe的第二種替代方法包括在環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所述結構進行退火(參見圖IA中的標記為"RT+退火"的曲 線)。
[002引第S種方法組合了運兩種方法的各方面，其中使用3-步法生長所述MnsGe膜(參見 圖IA中標記為"3-步"的曲線）。第一，在高溫下生長由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，將經沉積的結構原位退 火:例如在沉積室中在超高真空中在450°C進行1小時。通過運種3-步法生長的膜在具有與 在450°C直接生長的膜相當的化學有序性的同時具有顯著較低的RMS粗糖度(~3A)。（如在 圖IB中示出的，在D022-Mn3Ge結構中的MnMn平面和MnGe平面之間的化學有序性與X-射線衍 射峰的強度比1(002)/1(004)直接關聯;MmGe和更高的化學有序性暗示改進的磁性，例如 流過MmGe電極的電子的更高的自旋磁化）。運顯示于圖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 散。運可導致所述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.~IOOA厚度的MnsGe膜呈現幾乎零磁矩。為了減少在所述底層和所 述MmGe層之間的元素的相互擴散W及由此的所述MnsCie的性質的惡化，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相當大地限制 相互擴散。在透射電子顯微鏡中在I'aN/IrMm/MmGe (參見圖2B)和hN/ IrMnsAaN/MnsGe (參 見圖2D)薄膜結構的橫截面樣品上實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進入所述MnsGe層的顯著的擴散，而在第二種情形中，不存在Ir擴散進入 MmCie層的證據(參見圖2B和2D)。圖2A和2C是分別對應于圖2B和圖2D中顯示的數據的結構 的高分辨率橫截面TEM圖像。
[0030] 在圖3中，對于幾種厚度的MmGe層，比較了TaN/IrMm/MmGe和TaN/IrMns/TaN/ Mn沁e樣品的磁性。圖3A顯示了對于具有和不具有20A的化N的在Si(001)/Si化基底上生長 的MnsCie膜，使用SQUID-VSM測量的平面內（空屯、正方形)和平面夕K實線)磁滯回線。在化N擴 散阻擋物上沉積的MmGe膜顯示出隨膜厚度增大的磁化強度。圖3A中的右下圖片對應于圖 3D中顯示的全MTJ結構的無在MmGe之上的上部自由層結構的下部部分（即在MmGe上沉積 30A的化包覆層，而不是MgO/CoFeBAa/Ru)，而圖3A中其它五個圖片對應于圖3B中顯示的 結構的下部部分（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 了本發明的優選實施方式的圖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構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層為任選的擴散阻擋物。在MRAM器件中，所 述自由層在MTJ結構(例如參見圖3B的示例性結構）的陣列中的取向代表可寫入MTJ結構中 和/或從其中讀取的數據(信息）（通過檢測所述自由層的取向）。
[003。 圖3A的右下圖片中圖示了在MgO/經化緩沖的MgO(OOl)單晶基底上生長的300A厚 的MmGe膜的磁滯回線;使運種膜生長W便比較生長于無定形和單晶基底上的MmGe膜之間 的品質。全部MmGe膜呈現非常強的PMA，盡管在它們生長于MgO/經化緩沖的單晶MgO (OOl) 上時各向異性顯著較小，運大概是由于Cr和霍斯勒合金之間的晶格失配。相反，IrMm緩沖 層容許MmGe的"無應變"生長，產生了巨大的PMA，其中矯頑磁場出的值最大為6T，如在圖3C 的底部圖片中W實屯、S角形顯示的（對于化N/IrMm/TaN/MmGe結構）。作為MmGe厚度的函 數的每單位面積的磁矩m由磁化強度對場回線估算并圖示于圖3C的上部圖片中。運里，直實 線是指本體D022-Mn3Ge的計算值。在具有化府廣散阻擋物的Si/Si02基底上生長的MmGe膜的 實驗值（圖3C的上部圖片，被虛線連接的圓圈）遵循理論趨勢；然而，與運些值相比，對于不 具有化N阻擋物的膜和生長于MgO(OOl)單晶基底上的膜，m僅為理論值的~80%和~65% (也參見圖3C的上部圖片）。甚至在MmGa的情形中，使用TaN/IrMm/MmGa結構觀察到大的 PMA 值。
[0032]在圖3C的下部圖片中，顯示了作為MmGe厚度的函數的單軸各向異性常數Ku(空屯、 正方形）。時隨著將更厚的膜沉積至所述化府廣散阻擋物上而單調地增大，運是由于磁化強 度隨MnsCie厚度增大。Ku由關系Ku =出ff ? Ms/2+23tMs2化eff為有效磁場，和Ms為飽和磁化強度） 估算，其中第一項代表有效磁各向異性，和第二項與起因于所述樣品的橫向尺寸的形狀各 向異性有關(注意，出ff = 7T被視為下界一參見在【附圖說明】中的圖3C的描述）。
[00削 MTJ器件是使用標準平版印刷技術由其結構為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，將運些膜在具有指向所述樣品的平面外的IT的施加磁場的高 真空室中在350°C后退火60分鐘。分別通過光學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限定所述結大小一所述參考層沒有 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顯示了對于具有化府廣散阻擋物(實屯、正方形;MgO阻擋物是25A厚)和不具有 TaN擴散阻擋物(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）下測量的圖案化MTJ器件的隧道磁阻（TMR)對施加的垂直磁場。在運 兩個溫度下，由于MnsGe參考層的巨單軸各項異性，需要非常高的施加磁場（±9T) W使 CoFeB層和霍斯勒的矩彼此平行地定位(P態）。在所述P態下，結電阻高，且在Co化B自由層矩 切換其方向為逆平行構型(AP態)時切換至接近于零場的低電阻。因此，使用公式[(化-Rap)/ 1^^100確定的隧穿磁阻巧110為負的，在3001(的值為~-35%，且在31(的值為~-74%抓和 Rap分別為在P態和AP態中的結電阻）。運種負的TMR指示MmGe層負的自旋極化。運是迄今為 止報道的用四方霍斯勒合金由垂直磁化的磁性隧道結獲得的最高TMR。
[0035] 對于相同的器件，在將所述器件從300K冷卻至3K的同時測量P和AP態的TMR(圖4D， 上部圖片）和電阻（圖4D，下部圖片KRap幾乎沒有變化，而Rp隨T降低而單調地增大，從而導 致在低溫下較高的TMR(參見圖4D的下部圖片）。
[0036] 將在RT測量的MTJ的電阻-面積乘積RapA(實屯、符號）和TMR(空屯、符號）對隧道阻擋 物厚度的依賴性對>20個器件取平均并總結于圖4A中。（注意圖4A中的TMR值比圖4C中顯示 的TMR值小:在圖4A中，為了快速評價TMR，Rap和Rp值分別在+0.3T和-0.3T下測量，而不是在 整個±9T范圍掃描磁場）"Rap A隨阻擋物厚度按指數增大(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(運里器件寬度為~ 27皿）；之后，將所述結的橫向側用Al2〇3(該圖像中明亮的無定形層)填充W使所述結與通過 I抓原位沉積的頂部5QARu/65〇或Au觸點隔開。
[0038] 盡管對于有利于（OOl)織構化的霍斯勒薄膜的底層優選的材料為TaN/IrMn3和 化N/IrMm/化N，但是化N可由其它產生光滑表面的金屬氮化物代替。運些包括師N(晶格常 數
JrMn：3可由具有與AuCu3家族的化合物 相同的結構的其它類似材料所替代。運些特別地包括基于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。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稱組成。運通過精確至約±1原子 百分比的盧瑟福背散射(RBS)進行測量。霍斯勒化合物的性質典型地對元素組成、W及構成 元素的化學有序性和任何雜質敏感。對于IrMm底層，所述組成可在寬的原子范圍內變化， 但是優選地Ir:Mn的比例與所述標稱比例1:3的偏差在±10% W內，或者較不優選地，與所 述標稱比例1:3的偏差在± 20 % W內。
[0040] 本文公開的優選組成理想上是純的，具有很少的雜質或者沒有雜質。然而，實際 上，偏離該理想情形是可容忍的。盡管最大10原子百分比的雜質含量是可容忍的，但是雜質 水平優選小于1原子百分比。
[0041 ] 參考文獻
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【主權項】
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穿過另一 個。2. 如權利要求1所述的器件，其中X為Ge且Y為Ir。3. 如權利要求1所述的器件，其進一步包括與所述四方霍斯勒接觸的隧道阻擋物。4. 如權利要求3所述的器件，其中所述隧道阻擋物為MgO。5. 如權利要求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， 其中穿過所述第一電極和所述第二電極的電流穿過所述磁性自由層、所述隧道阻擋物 和所述磁性參考層。11. 如權利要求10所述的器件，其中X為Ge且Y為Ir。12. 如權利要求10所述的器件，其進一步包括與所述四方霍斯勒接觸的隧道阻擋物。13. 如權利要求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，從而促使電流流過磁性層和隧道阻擋 物。17. 如權利要求16所述的方法，其中所述自由磁性層的取向是由于來自所述電流的自 旋轉移扭矩而變化的。18.如權利要求16所述的方法，其中所述器件是共同形成磁性隨機存取存儲器(MRAM) 的多個磁性隧道結器件之一，所述隧道結器件的每一個均包括具有各自的取向的自由層， 所述方法還包括： 通過檢測所述自由層的取向從所述MRAM讀取信息。
【文檔編號】H01L43/10GK105826462SQ201610048540
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年1月25日
【發明人】鄭在佑, S.S.P.帕金, M.G.薩曼特
【申請人】國際商業機器公司