CN1294390A - 场响应增强的磁元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一个改善的和新的器件和一个磁元件的制造方法,更特别地,一个磁元件(10)包括一第一电极(14),一第二电极(18),和一个隔离层(16)。第一电极(14)包括一个固定的铁磁层(26)。一第二电极(18)包括一个自由的铁磁层(28)。一个隔离层(16)位于固定的铁磁层(26)和自由的铁磁层(28)之间,隔离层(16)。至少一个附加层(20＆22)被提供在底部金属层(13)和隔离层(16)之间。底部金属层(13)或者位于底部金属层(13)和隔离层(16)之间的至少一个层具有一个X射线非晶体结构,以使在自由铁磁层(28)和固定铁磁层(26)之间的拓扑耦合强度可以被减少。

Description

场响应增强的磁元件及其制造方法
本发明涉及用于进行信息保存和／或者感知的磁元件及其制造方法，更特别地，涉及制造并且这样定义能够改善磁场响应的磁元件的一个方法。
典型地，一个磁元件，例如一个磁存储元件，具有包括被一个非磁层隔开的铁电层。在磁体层中，信息是作为磁化矢量方向而被保存的。例如，在一个磁体层中的磁场矢量方向在磁场上是固定的或者阻塞的(pinned)，而另一个磁体层的磁化矢量方向是自由的，并且可以在分别称作“平行”和“反平行”状态的相同和相反方向之间进行切换。对平行和反平行状态作出响应，磁存储元件表示两个不同的阻抗。当两个磁体层的磁化矢量在分别指向相同的和相反的方向时，这个阻抗具有最小值和最大值。所以，对阻抗改变的检测就允许一个器件，例如一个MRAM器件，提供被保存在磁体存储元件中的信息。最小和最大阻抗值之间的差异除以最小阻抗值就是熟知的磁阻比(MR)。
一个MRAM器件集成了磁元件，更特别地，集成了磁体存储元件，和其它电路，例如用于磁体存储元件的一个控制电路，用于检测一个磁存储元件中状态的比较器，输入／输出电路，等等。为了降低器件的功率消耗，使用CMOS处理(互补金属氧化物半导体)技术来制造这些电路。
另外，磁元件的结构包括非常薄的层，其中某些层的厚度是几十个埃。磁元件的性能对在其上淀积磁体层的表面条件非常敏感。所以，必须制造一个很平的表面来避免一个磁元件的性能降低。
在典型的磁元件的制造过程中，例如MRAM元件制造，包括通过溅射淀积，蒸发，或者外延生长技术进行生长的金属薄膜，这个薄膜表面不是绝对的平，而是有表面或者界面的粗糙性。这个铁磁层的表面和／或者界面的粗糙性是在自由铁磁层和其它铁磁层，例如固定层或者阻塞层之间产生的磁耦合原因引起的，这被称作拓扑耦合或者Neel橘子皮耦合。在磁元件中，这样的耦合通常是不希望出现的，因为在自由层对一个外部磁场的响应中产生了一个偏移。
当在隔离层以前形成了固定层，并且在隔离层后形成了自由层时，这种磁结构被称作底部阻塞(bottom-pinned)。在这样一个底部阻塞的结构中，抗铁磁(AF)阻塞层被包括在底部的磁极中。传统的底部阻塞的磁隧道结(MTJ)和旋转阀结构(spin valve structure)使用子晶和模板层来产生一个用于强力阻塞的有方向的结晶AF层。一个典型的底部阻塞MTJ结构的底部电极包括Ta／NiFe／FeMn／NiFe的层叠结构，Ta／NiFe／FeMn／NiFe的层叠结构的后面是AlOx隧道壁垒层，并且顶部电极包括一个自由的NiFe层，其中Ta／NiFe子晶／模板层导致一个方向性极高的FeMn(111)层的生长。这个方向性极高的FeMn层在AlOx隧道壁垒下提供了用于强阻塞的NiFe层。FeMn层，或者其它有方向的多晶体AF层产生了促使在阻塞的NiFe层和顶部自由的NiFe层之间不希望的Neel耦合增加的粗糙性。
在实际的MTJ元件中，底部电极形成在为这个结提供了一个低电阻接触的一个底部金属层。这个底部金属层典型地是多晶体，并且产生可以传递到底部电极，并在隔离层界面产生粗糙性从而导致在固定的NiFe层和顶部自由的NiFe层之间不希望的Neel耦合的增加的粗糙性。从底部金属层和底部电极传递的粗糙性又额外地增加了不利性，因为它限制了在保持高的MR和与结面积成反比的器件电阻时可以被实现的最小隧道壁垒厚度。
拓扑耦合强度，或者Neel耦合与表面磁荷密度成正比，并且按照中间层厚度的指数的倒数而变化。如在1998年6月9日发表的美国专利No．5，764，567、题为“具有改善磁场响应的非铁磁界面层的磁隧道结器件”中所公开的，通过在一个磁隧道结结构中在氧化铝隧道壁垒下面添加一个非磁的铜层，由此增加磁层之间的间隔，从而就实现了铁磁橘子皮耦合的降低或者拓扑耦合的降低。但是，添加铜层将降低隧道结的MR，并且这样降低了器件的性能。另外，包括铜层将增加蚀刻材料的复杂性。
所以，本发明的一个目的是提供其场响应被改善的一个改进磁元件，由此减少Neel耦合，由此改进MRAM比特的切换特性，并且在传感器应用中产生更理想的响应。
本发明的另一个目的是提供一个改进的磁元件，这个改进的磁元件包括被降低的铁磁耦合，更特别地，包括被降低的源于拓扑的铁磁耦合。
本发明的另一个目的是提供一个改进的磁元件，这个改进的磁元件包括一个更平的隧道壁垒，这样降低了壁垒厚度并且降低了电阻。
本发明的另一个目的是提供形成其场响应被改善的一个磁元件的一个方法。
本发明的另一个目的是提供形成其场响应被改善的一个磁元件的一个方法，它能够提供高成品率的制造。
通过提供包括一个底部金属层，一第一电极，一第二电极和一个隔离层，就可以基本上满足这些要求和其它要求。这个底部金属层是被放置在一个衬底元件的一个最上表面上。两个电极中的一个包括一个固定的铁磁层，在出现了其磁场强度大到足够切换自由层的一个应用磁场时，其磁化保持并且固定在一个优选方向上，另一个电极包括一个自由铁磁层，在出现了一个应用磁场时，其磁化可以在磁化状态之间进行自由的旋转或者切换。一个隔离层位于固定的铁磁层和自由的铁磁层之间，以允许在一个基本上与固定和自由铁磁垂直的方向上出现隧道电流。在制造期间，在底部金属层和隔离层之间形成的至少一个层在结构上是X射线非晶体，更具体地，这种结构对普通X射线技术不显示峰值(如果是峰值则表示一个晶体结构)，或者这个底部金属层本身是被形成为一个非晶体结构。这包括一个X射线非晶体结构的至少一个层改变了被淀积在其上的层的粗糙性的幅度和／或者特征长度的大小，以减少在与隔离层的界面上的磁极的形成。粗糙性幅度的减少，和／或者粗糙性支配长度大小向较低的空间频率移动产生了一个更平的表面，并且产生了一低的拓扑耦合。另外，也公开了制造其场响应被改善的磁元件的一个方法。
图1显示了根据本发明，其场响应被改善的一个磁元件的一第一实施方式的一个横切面图；
图2显示了根据本发明，其场响应被改善的一个磁元件的一替代实施方式的一个横切面图；
图3显示了根据本发明，其场响应被改善的一个磁元件的另一个替代实施方式的一个横切面图；和
图4显示了根据本发明，其场响应被改善的一个磁元件的另一个替代实施方式的一个横切面图。
在整个说明书中，类似的标号被用于标识用于显示本发明的不同图中类似的元件。如这里所公开的，有多个方法可以被用于在本发明的磁元件中形成一个X射线非晶体结构，由此减少在与隔离层的界面上形成磁极。更特别地，这里公开了在所有实施方式中，在一个底部金属层(目前正在被讨论)和一个隔离层(目前正在被讨论)之间形成了一个X射线非晶体结构，或者底部金属层本身所形成的结构是一个非晶体结构。一般，这可以通过包括一个非晶体子晶层，或者一个组合的非晶体子晶和模板层，或者实际制造铁磁层非晶体中的一个，或者制造底部金属层非晶体而产生一个X射线非晶体抗铁磁阻塞层(目前在被讨论)，来实现。
所以，显示在图1-4中的是实现一个X射线非晶体层以在一个被分层的磁元件中减少Neel耦合的各种实施方式。更特别地，图1以横剖面的形式显示了根据本发明的一个磁元件的第一实施方式。显示在图1中的是，一个完全模型化的磁元件结构10。这个结构包括一个衬底12，一第一电极多层堆14，包括氧化铝的一个隔离层16，和一第二电极多层堆18。应理解，隔离层16是根据正在被制造的磁元件的类型而形成的。更特别地，在一个MTJ结构中，隔离层16是由一个介质材料组成的，并且在一个旋转阀结构中，隔离层16是由一个导电材料组成的。第一电极多层堆14和第二电极多层堆18包括铁磁层。第一电极层14是形成在一个底部金属层13的上面，底部金属层13是形成在衬底12上。所公开的底部金属层13是由一单个金属材料或者层或者比一个金属材料或层多的金属材料堆组成。第一电极层14包括被淀积在底部金属层13上的一第一子晶层20，一个模板层22，一个抗铁磁阻塞材料24的层，和形成在支撑其的抗铁磁阻塞层24上的并且交换与它的耦合的一个固定铁磁层26。在这个第一实施方式中，子晶层20的结构被描述为X射线非晶体。典型地，子晶层20是在其上形成了模板层22的氮化钽(TaNx)组成的。在这个特定实施方式中的模板层22是由钌(Ru)形成的。子晶层20和模板层22的这个组合形成了通常由锰化铁(FeMn)组成的X射线非晶体阻塞层24。
铁磁层26被描述为固定的，或者阻塞的，其中在出现了一个外加磁场时，其磁力矩被禁止旋转。铁磁层26典型地是用一个或者多个下述金属的合金组成的：镍(Ni)，铁(Fe)，和钴(Co)，并且包括一个顶部表面19和一个底部表面21。
第二电极堆18包括一个自由的铁磁层28和一个保护接触层30。通过切换耦合，自由的铁磁层28的磁力矩不是固定的，或者说不是阻塞的，并且在出现了一个外加磁场时可以自由旋转。自由铁磁层28典型地是由一个镍铁(NiFe)合金或者一个镍铁钴(NiFeCo)合金形成的。应理解，本发明还可以是一个相反的，或者倒过来的结构。更特别地，应理解，所公开的磁元件可以被形成为包括一个顶部固定的，或者阻塞的层，这样就被描述为一个顶部阻塞的结构。
如前面所讨论的，在这个特定的实施方式中，子晶层20被形成为具有一个X射线非晶体结构，具体地说，子晶层20被形成而没有形成任何晶体结构。不形成一个晶体结构提供了一个更平的或者更光滑的、与模板层22的界面，阻塞层24也一样，这样就可以整体上减少Neel耦合。在这个特定的实施方式中，模板层22是由Ru形成的，阻塞层24是由FeMn形成的，一个薄的Ru层在其多晶体结构的方向是随机的X射线非晶体子晶层20上进行生长，这促使FeMn也是X射线非晶体。阻塞层24不是一个晶体结构提供了一个更平的、或者更光滑的固定层26，以使两个界面19和21均比在第一电极中的传统多晶体层的情形下更平。这减少了Neel耦合，并且提供了其MRAM比特切换特性更好的一个器件，例如一个MRAM器件，并且在传感器应用中提供了一个更理想的响应。
现在参考图2，图2显示了与图1的元件类似的、根据本发明的磁元件的一个替代实施方式。应注意，图1中所显示的部件被标上了类似的标号，并且有一撇来表示不同的实施方式。
图2以一个横切面图的形式显示了根据本发明的一个磁元件的一第二实施方式。更特别地，在图2中所显示的是一个完全模型化的磁元件结构10′。这个结构包括一个衬底12′，一第一电极多层堆14′，包括氧化铝的一个隔离层16′，，和一第二电极多层堆18′。第一电极多层堆14′和第二电极多层堆18′包括铁磁层。第一电极层14′是形成在一个底部金属层13′的上面，底部金属层13′是形成在衬底12′上。第一电极层14′包括被淀积在底部金属层13′上的、用作一个组合子晶层和模板层的一个层23，一个抗铁磁阻塞材料24′的层，和形成在支撑其的抗铁磁阻塞层24′上的并且交换与它的耦合的一个固定铁磁层26′。
在这个第二实施方式中，层23的结构被描述为用作一个组合的子晶／模板层，更特别地，它替代了子晶层和模板层。典型地，组合层23是由钽(Ta)，或者钌(Ru)，或者钽和氮(TaNx)的化合物形成的。这个组合层23与特定的底部金属层例如铝(Al)组合使用，并且形成或者生长一个X射线非晶体阻塞层24′，这个X射线非晶体阻塞层24′典型地是由铁锰(FeMn)形成的。在一个替代的实施方式中，公开了钽和氮的一个化合物被放置在底部金属层和隔离层之间，在这个示例中，这个钽和氮化合物层本身被形成为一个非晶体结构，以使可以减少在自由铁磁层和固定铁磁层之间的拓扑耦合强度，而不降低这个器件的电特性。
与图1的这个器件类似，铁磁层26′被描述为固定的，或者阻塞的，其中在出现了一个外加磁场时，其磁力矩被禁止旋转。铁磁层26′典型地是用一个或者多个下述金属的合金组成的：镍(Ni)，铁(Fe)，和钴(Co)，并且包括一个顶部表面19′和一个底部表面21′。
第二电极堆18′包括一个自由的铁磁层28′和一个保护接触层30′。通过切换耦合，自由的铁磁层28′的磁力矩不是固定的，或者说不是阻塞的，并且在出现了一个外加磁场时可以自由旋转。自由铁磁层28′典型地是由一个镍铁(NiFe)合金或者一个镍铁钴(NiFeCo)合金形成的。应理解，本公开还可以是一个相反的，或者倒过来的结构。具体地说，应理解，所公开的磁元件可以被形成为包括一个顶部固定的，或者阻塞的层，这样就被描述为一个顶部阻塞的结构。
在这个特定的实施方式中，层23被形成为具有一个方向随机的多晶体结构，这在阻塞层24′中产生了一个X射线非晶体结构。不形成一个晶体结构提供了一个更平的或者更光滑的界面21′，在界面21′上可以生长固定层26′，固定层26′反过来产生了一个更平的或者更光滑的界面19′，这样就可以整体上减少Neel耦合。这减少了Neel耦合，并且提供了其MRAM比特切换特性更好的一个器件，并且在传感器应用中提供了一个更理想的响应。
现在参考图3，图3显示了与图1和2的元件类似的、根据本发明的磁元件的一个替代实施方式。应注意，所有与图1和2中所显示的部件类似的部件均被标上了类似的标号，并且有2撇来表示不同的
实施方式。
图3以一个横切面图的形式显示了根据本发明的一个磁元件的一第三实施方式。更特别地，在图3中所显示的是一个完全模板化的磁元件结构10″。这个结构包括一个衬底12″，一第一电极多层堆18″，包括氧化铝的一个隔离层16″，和一第二电极多层堆14″。第一电极多层堆18″和第二电极多层堆14″包括铁磁层。第一电极层18″是形成在一个底部金属层13″的上面，底部金属层13"是形成在衬底12″上。第一电极层18″包括被淀积在底部金属层13″上的一第一子晶层20″和一个模板层22″，一个抗铁磁阻塞材料24″的层，和形成在支撑其的抗铁磁阻塞层24″上的并且交换与它的耦合的一个固定铁磁层26″。
与图1和图2类似，铁磁层26″被描述为固定的，或者阻塞的，其中在出现了一个外加磁场时，其磁力矩被禁止旋转。铁磁层26″典型地是用一个或者多个下述金属的合金组成的：镍(Ni)，铁(Fe)，和钴(Co)，并且包括一个顶部表面19″和一个底部表面21″。
第二电极堆14″包括一个自由的铁磁层28″和一个保护接触层30″。通过切换耦合，自由的铁磁层28″的磁力矩不是固定的，或者说不是阻塞的，并且在出现了一个外加磁场时可以自由旋转。自由铁磁层28″典型地是由一个镍铁(NiFe)合金或者一个镍铁钴(NiFeCo)合金形成的。应理解，这个公开还可以是一个相反的，或者倒过来的结构，例如在图4中所显示的结构，并且用3个撇来表示的、与图1，2和3中所显示的部件类似的所有部件。更特别地，应理解，所公开的磁元件可以被形成为包括一个顶部固定的，或者阻塞的层(表示为26)，这样就被描述为一个顶部阻塞的结构。
在这个特定实施方式中，图3中所显示的是，固定铁磁层26″被形成为具有一个X射线非晶体结构，而没有形成任何晶体结构。不形成一个晶体结构提供了一个更平的或者更光滑的、与隔离层16″的界面，这样就可以减少Neel耦合。如所显示的，通过形成固定层26″以包括一个X射线非晶体结构，就可以显著地减少耦合场Hcpl的幅度。
对于图4中所显示的顶部阻塞的结构，一个或者多个层20，22，和28被形成为一个X射线非晶体结构，以产生一个更平的或者更光滑的、与隔离层16的界面。在层28和16之间更平的或者更光滑的界面导致在随后在包括层28和16之间界面的上面形成了层之间更平的或者更光滑的界面，层28和16之间界面对穿过隔离层的Neel耦合有主要的贡献。这些更平的或者更光滑的界面减少了Neel耦合。
在所有的实施方式中，使用一个X射线非晶体底部金属层13″，而不是一个多晶体层将在随后在其上形成的层之间形成更平的或者更光滑的界面，这减少了在固定和自由层之间的Neel耦合。
在所有的实施方式中，该领域的技术人员应理解，固定层可以被由直接在阻塞材料上的一个阻塞磁层和通过一个非磁层强抗铁磁耦合到阻塞层的固定磁层组成的一个3层堆所替代，这个非磁层可以是钌(Ru)或者铑(Rh)，这个非磁层隔开阻塞磁层和固定磁层，同时又提供一个强的抗铁磁耦合。该领域的技术人员将进一步理解，底部金属层可以由一单个金属组成，或者由多于一种金属的金属堆组成。
根据这个公开，想要实现的是通过形成具有一个X射线非晶体结构的一个层，来减少Neel耦合，也被称作拓扑耦合的耦合强度。在淀积底部金属后，和在淀积隔离层以前形成一个X射线非晶体层，或者形成一个X射线非晶体底部金属层，在磁电极层和隔离层之间产生了更平的或者更光滑的界面。与通过传统的晶体或者多晶体层而获得的耦合相比，这些更平的或者更光滑的界面减少了Neel耦合，这也被称作拓扑耦合的耦合强度。
在所有的实施方式中，该领域的技术人员应理解，固定层可以被由通过一个非磁层强抗铁磁耦合到阻塞层的阻塞磁层组成的一个3层堆所替代，这个非磁层可以是钌(Ru)或者铑(Rh)。该层提供隔离，同时又提供一个强的抗铁磁耦合。该领域的技术人员将进一步理解，在某种结构中，固定和阻塞层可以被其一个矫磁力或者切换场基本上比自由层高的一单层所替代。
这样，公开了其场响应被改善的一个磁元件和其制造方法，其中根据隔离层与剩余金属薄膜结构的界面粗糙性，磁耦合可以基本上为零。如所公开的，具有一个X射线非晶体结构的一个层被提供在底部金属层和隔离层之间。这个技术可以被应用到使用模板磁元件的器件中，例如磁传感器，磁记录头，磁记录媒质，或者类似的。所以，这样的示例被这个公开所覆盖。

Claims (11)

1．一个磁元件，其特征是：
一个底部金属(13)层，具有一上表面；
一第一电极(14)，被放置在底部金属层的上表面，第一电极包括一个铁磁层(26)；
一第二电极(18)，被放置在与第一电极隔开的位置，第二电极包括一个铁磁层(28)；
其中，第一电极和第二电极的铁磁层组合地包括一个固定的铁磁层(26)和一个自由的铁磁层(28)，在出现了能够切换自由层的一个外加磁场时，固定的铁磁层的磁化被固定在一个优选方向上，并且在出现了一个外加磁场时，自由铁磁层具有能够在磁化状态之间进行旋转的一个磁化；
一个隔离层(16)，位于第一电极的铁磁层和第二电极的铁磁层之间；
其中在隔离层下面所形成的一层是一个X射线非晶体结构，以使在自由铁磁层和固定铁磁层之间的拓扑耦合强度可以被减少；和
一个衬底(12)，底部金属层、第一和第二电极、和隔离层均被形成在衬底上。
2．如权利要求1的一个磁元件，进一步包括一个钌层(22)，位于底部金属层和隔离层之间，钌层作为在底部金属层和隔离层之间的一个X射线非晶体结构层的生长的种子，以使在自由铁磁层和固定铁磁层之间的拓扑耦合强度可以被减少，而不会降低这个器件的电特性。
3．如权利要求2的一个磁元件，其中作为在底部金属层和隔离层之间的一个X射线非晶体结构层的生长的种子的钌层(22)形成了一个X射线非晶体阻塞层。
4．如权利要求1的一个磁元件，进一步包括一个钽层(22)，位于底部金属层和隔离层之间，钽层作为在底部金属层和隔离层之间的一个X射线非晶体结构层的生长的种子，以使在自由铁磁层和固定铁磁层之间的拓扑耦合强度可以被减少，而不会降低这个器件的电特性。
5．如权利要求4的一个磁元件，其中作为在底部金属层和隔离层之间的一个X射线非晶体结构层的生长的种子的钽层(22)形成了一个X射线非晶体阻塞层。
6．如权利要求1的一个磁元件，进一步包括一个钽和氮的化合物的层(23)，位于底部金属层和隔离层之间，钽和氮的化合物层被形成为一个X射线非晶体结构层，以使在自由铁磁层和固定铁磁层之间的拓扑耦合强度可以被减少，而不会降低这个器件的电特性。
7．如权利要求1的一个磁元件，进一步包括一个钽和氮的化合物的层(23)，位于底部金属层和隔离层之间，钽和氮的化合物层作为在底部金属层和隔离层之间的一个X射线非晶体结构层的生长的种子，以使在自由铁磁层和固定铁磁层之间的拓扑耦合强度可以被减少，而不会降低这个器件的电特性。
8．如权利要求7的一个磁元件，其中作为在底部金属层和隔离层之间的一个X射线非晶体结构层的生长的种子的钽和氮的化合物的层(23)形成了一个X射线非晶体阻塞层。
9．如权利要求1的一个磁元件，其中被放置在底部金属层的上表面上的第一电极包括具有X射线非晶体结构的层。
10．如权利要求1的一个磁元件，其中自由铁磁层和固定铁磁层包括NiFe，NiFeCo，CoFe，或者Co中至少一个。
11．如权利要求1的一个磁元件，其中隔离层包括定义一个MTJ结构的一个介质材料或者定义一旋转阀结构的一个导电材料中的一个材料。
CNB001316257A 1999-10-21 2000-10-20 场响应增强的磁元件及其制造方法 Expired - Lifetime CN1192392C (zh)

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