自旋转矩多栅极器件的制作方法

本公开一般涉及磁性器件，更具体地涉及多栅极(majority gate)器件，诸如自旋转矩磁性器件(STMG)。

公开背景

当前CMOS逻辑电路的问题之一是在缩小器件时功耗密度增加。代替CMOS逻辑的主要候选之一是磁化被用作信号而不是电荷的自旋电子学。使用自旋电子学的性质，可构建被称为“多栅极器”的一种类型的器件，更具体地自旋转矩多栅极(STMG)。STMG是其输出取决于其多个输入的大多数的逻辑器件。

在如2011年8月IEEE电子器件快报32(8)中所公布的Nikonov等人的题为“对自旋转矩多栅极逻辑的建议(Proposal of a Spin Torque Majority Gate Logic)”中的文章中，公开了具有垂直磁化的自旋多栅极器件的可能布局。该布局在图1中以顶部平面视图形式且在图2中以侧视图形式示意性地示出。自旋转矩多栅极由共用自由(可切换)铁磁(FM)层202(在基板100上)以及在其上的纳米柱218、219中的每一个纳米柱中的四个独立的固定FM层2181、2182、2183组成—三个用于输入218而一个用于输出219。自由FM层202和固定FM层2181、2182、2183被非磁性间隔层204分开。箭头指示磁化方向。该器件的操作基于自旋转矩转移。该器件通过将正或负电压施加给每一个输入纳米柱218来操作，其由此确定流经每一个纳米柱218的电流的方向和所得自旋转矩。每一个输入纳米柱的相应逻辑状态对于正向输入电压的负值分别为逻辑“0”和“1”。由此，取决于输入信号且对应于逻辑“0”和“1”的输出信号，自由FM层202还可处于向上或向下磁化(由箭头2021示出，在图2中为‘向下’)的两个状态之一中。取决于自由FM层磁化方向和施加给输入柱的电压，自旋转矩用来使栅极保持在其状态中或者使其切换到相反的状态。力矩的大多数确定结果(即，输出信号)。磁化状态通过经由输出柱219测量自由202和固定层2191之间的隧道磁电阻(TMR)来检测。

典型地，具有垂直各向异性(PMA)的顶钉扎(top-pinned)的MTJ优选地用于输入和输出柱，因为它们的针对更小特征尺寸的经改进的缩放性。

然而，此类磁性叠层的制作不是直接的。顶钉扎的MTJ需要部分地蚀刻以实现具有PMA的独立的共用自由层202，该共用自由层在不同的输入柱218和输出柱219之间共享。这要求蚀刻工艺在非磁性间隔层204(典型地具有约1nm的厚度的MgO)上选择性地停止。可以容许在非磁性间隔层204顶部上没有磁性或导电残留层。不幸的是，蚀刻物质的渗透是几纳米的数量级，并且由此可容易地渗透在非磁性间隔层204中并且甚至通过非磁性间隔层204。对非磁性间隔层204且对共用自由层202和非磁性间隔层204之间的分界的损害将造成PMA的损耗、隧道磁电阻(TMR)的损耗，并且因此产生非功能性STMG器件。

因此，需要克服这些问题并提供经改进的STMG器件。

公开内容

本公开的实施例的目的是提供一种经改进的多栅极器件以及一种此类器件的制造方法。

根据第一发明性发明，公开了一种多栅极器件，包括：一组有区别的输入区域；输出区域；每一个区域包括夹在自由层叠层和硬层之间的非磁性层，自由层叠层包括籽层上的主体PMA层；在主体PMA层上，磁性层与非磁性层接触；以及每一个区域至少共享主体PMA层和籽层。主体PMA层和籽层由此是输入区域和输出区域的共用层。

根据实施例，每一个区域还可共享磁性层。

根据实施例，每一个区域还可共享非磁性层。

根据实施例，每一个区域还可共享硬层的氧化部分。

根据实施例，主体PMA层可包括双层的预定重复，该双层包括第一层和第二层。

根据实施例，预定重复可以是两次或更多次。

根据实施例，第一层和第二层可具有在0.2nm和2nm的范围内的厚度。

根据实施例，第一层可包含FeB、Fe、Co、FeCo中的任一种而第二层包含Ni、Pd、Pt、Tb、TbCo、TbFe中的任一种。

根据实施例，主体PMA层可包含FePt、CoPt、TbCoFe合金和MnxAy合金中的任一种，其中A从Al、Ga或GE中挑选并且0<x、y。

根据实施例，自由磁性层可进一步包括夹在磁性层和本征主体PMA多层之间的分界层。

根据实施例，每一个区域还可共享分界层。

根据实施例，分界层可包含适于增强磁性层的纹理且提供主体PMA层和磁性层之间的铁磁耦合的材料。

根据实施例，分界层可包含从Ta、Mo、W、V、Ru挑选的材料或者从CoFeBX、CoX、FeX、FeCoX中的任一种挑选的合金，其中X从Ta、Mo、W、V、Ru中的任一种挑选。

根据实施例，籽层可包含Pt、Ru、Ta、NiCr、Hf、TaN、W、Mo中的任一种、以及其任何组合。

根据实施例，磁性层可包含Fe、CoFe、CoFeB、FeB、CoB中的任一种、以及其任何组合。

根据实施例，区域可包括图案化柱。图案化柱包括非共享层。非共享层可包括硬层；或者硬层和非磁性层；或者硬层、非磁性层和分界层、或者硬层、非磁性层、分界层和自由层；或者硬层、非磁性层、分界层、自由层和主体PMA层的顶部。

根据第二发明性发明，公开了一种多栅极器件的制造方法，该方法包括：设置层的叠层，包括：设置籽层；在籽层上设置本征主体PMA多层；在本征主体PMA多层上设置铁磁层；在铁磁层上设置非磁性层；在非磁性层上设置硬层；形成一组有区别的输入区域和一个输出区域，包括图案化硬层的至少一部分。

根据实施例，该方法可进一步包括：在设置铁磁层的步骤之前，在本征主体PMA多层上设置界面层。

根据实施例，形成一组有区别的输入区域和输出区域可进一步包括：图案化硬层、以及在图案化硬层之后图案化非磁性层。

根据实施例，形成一组有区别的输入区域和输出区域可进一步包括：在图案化非磁性层之后图案化铁磁层。

根据实施例，形成一组有区别的输入区域和输出区域可进一步包括：氧化硬层的非图案化部分。

根据本公开的多栅极器件的优点在于，多栅极器件可被缩小到比使用CMOS晶体管实现的多栅极器更小的尺寸。

根据本公开的多栅极器件的优点在于，它可与当前CMOS制造技术和当前蚀刻技术兼容以图案化所建议的布局。

根据本公开的多栅极器件的优点在于，该器件是极其可缩放的。

根据本公开的多栅极器件的优点在于，该器件以大的有效各向异性(即，大的热稳定性)来工作。因此，保持时间可以是大的；可制成非易失性的逻辑器件。这意味着它不遭受备用功率耗散。

根据本公开的多栅极器件的优点在于，它具有与输入组合无关的可靠的切换行为。

根据本公开的多栅极器件的优点在于，它可与当前光刻处理兼容，其中维持该器件的紧凑性的关键尺寸可以是大的。

优点在于，可构建非常紧凑的逻辑电路。这些逻辑器件可在金属层(线/互连的后端)中制作，并且可与前端中(即，在晶体管级)的逻辑层组合。这具有允许器件的三维堆叠的优点。

根据本公开的多栅极器件的优点在于，它包括CMOS可兼容的材料。

附图简述

所有附图旨在解说本公开的一些方面和实施例。所描述的附图只是示意性的并且是非限制性的。

图1示出在现有技术中已知的交叉杆式(crossbar)STMG器件的示意性俯视图。

图2示出在现有技术中已知的交叉杆式STMG器件的示意性侧视图。

图3示出根据本公开的实施例的多栅极器件的示意性侧视图。

图4-5示出根据本公开的替换实施例的多栅极器件的示意性侧视图。

图6示出与常规现有技术磁性叠层(图6B)相比的根据本公开的实施例的包括(混合)自由层的磁性叠层(图6A、C)。

图7A-B和图8示出根据本公开的实施例的磁性叠层的磁矩的实验结果。

图9示出根据本公开的实施例的磁性叠层的实验TOF-SIMS结果。

图10示出根据本公开的实施例的磁性叠层的磁矩的实验结果。

图11示出根据本公开的实施例的多栅极器件的层的叠层的示意性视图。

图12-13示出根据本公开的替换实施例的多栅极器件的示意性侧视图。

解说性实施例的详细描述

本公开将针对特定实施例且参考某些附图进行描述，但是本公开不限于此。所描述的附图只是示意性的并且是非限制性的。在附图中，一些元件的尺寸可放大并且出于解说性的目的不按比例绘制。尺寸和相对尺寸没有对应于本公开实践的实际缩减。

此外，说明书中的术语“第一”、“第二”等等用于在类似的元件之间进行区分，并且不一定用于时间地、空间地、以排序或以任何其他方式描述顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的环境下是可互换的，并且本文中所描述的本公开的实施例能够以不同于本文中所描述或所解说的顺序操作。

此外，说明书中的术语“顶部”、“之下”等等用于描述性的目的并且不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的环境下是可互换的，并且本文中所描述的本公开的实施例能够以不同于本文中所描述或所解说的取向操作。

在本文中所提供的描述中，阐述大量具体细节。然而，应当理解可在没有这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其他实例中，为了不混淆对本说明书的理解，未详细地示出熟知的电路、结构和技术。

在附图或说明书中引用‘+’的任何地方，对应于具有向下磁化的参考铁磁层，它意味着施加正电压，导致向上磁化或者以其它方式而言意指自旋转矩‘向上(UP)’。在附图或说明书中引用‘-’的任何地方，对应于具有向下磁化的参考铁磁层，施加负电压，导致向下磁化或者以其它方式而言意指自旋转矩‘向下(DOWN)’。本领域技术人员清楚的是，对具有向上磁化的参考铁磁层施加相反的电压。在此情况下，施加正电压(‘+’)导致向下磁化或以其它方式而言意指自旋转矩‘向下’，并且施加负电压(‘-’)导致向上磁化或者以其它方式而言为自旋转矩‘向上’。

在参考‘平面外’时，这意味着磁畴正指‘向上’或‘向下’(即，铁磁层的(表面)平面外)，但是当然该畴壁在平面中(即，在(表面)平面的平面中)。为了容易理解，三维笛卡儿坐标系可与定义(自由铁磁层的)表面平面的(x、y)以及定义‘向上’或‘向下’磁化状态的z轴一起使用。

每一个输入区域和输出区域对应于自由铁磁材料的磁畴，每一个磁畴具有磁化状态。如果两个或三个输入区域具有‘向上’的磁化，那么与输出区域相对应的磁畴的磁化应当‘向上’，等于三个输入区域的主磁化。如果两个或三个输入区域具有‘向下’的磁化，那么与输出区域相对应的磁畴的磁化应当‘向下’，等于三个输入区域的主磁化。

在使用术语“图案化”的任何地方，它优选涉及光刻步骤，包括通过掩模曝光光致抗蚀剂层和延展所曝光的光致抗蚀剂层以形成图案化光致抗蚀剂并且此后使用所曝光的光致抗蚀剂层作为掩模来蚀刻下面的材料以由此在下面的材料中形成图案化结构。合适的蚀刻化学制剂对本领域技术人员而言是熟知的。光刻图案化可涉及浸没光刻，紫外(UV)、深紫外(DUV)或极紫外(EUV)光刻，电子束(e-束)光刻。替换地，定向自组装(DSA)可用于图案化。

参考图3、4、5、12、13，现在将更详细地解释根据本公开的不同实施例的多栅极器件。

图3示意性地示出多栅极器件2，包括三个分离的输入区域11、12、13和一个输出区域14。这些区域可被形成为柱。这些柱可具有圆形，但是形状不限于此。(输入和输出)柱被彼此间隔开一距离地定位。由此，这些区域彼此有区别。例如，这些柱可被定位在诸如对本领域技术人员而言已知的交叉杆中(参见图1中的布局)。如对本领域技术人员而言已知的，区域(柱)的数量可变化并且由此不限于三个输入区域(柱)。根据实施例，多栅极器件包括至少两个输入区域和一个输出区域，更优选地三个输入区域和一个输出区域。STMG的输出柱假设与大多数输入柱相同的逻辑状态(“0”或“1”)。共用自由层的磁化通过自旋转矩切换到与输入柱的主磁化相对应的状态，这由经过输入柱的主电流确定。

虽然输入和输出区域彼此间隔一距离，但是根据实施例，它们可共享不同的层或者共同地具有不同的层，如将进一步解释的。

每一个区域(即，每一个输入区域11、12、13和输出区域14)包括夹在铁磁软层(或者也称为自由层200)和铁磁硬层30、31、32、33、34(典型地包括固定层和钉扎层–未示出)之间的非磁性层40、41、42、43、44。自由层200、非磁性层40、41、42、43、44、以及固定层30、31、32、33、34经常也被称为磁隧道结(MTJ)。因此，每一个输入区域和输出区域各自包括MTJ。根据实施例，优选具有垂直磁各向异性(PMA)的顶钉扎的MTJ，因为它们针对更小的特征尺寸具有PMA技术的经改进的缩放性的优点。在具有垂直磁各向异性的顶钉扎的MTJ的情况下，PMA意味着MTJ的自由层是MTJ的底层，由此在底电极侧的非磁性层下方，而MTJ的硬层在顶电极侧的非磁性层上方。硬层的磁化方向是固定的，而自由层的磁化方向可通过使驱动电流经过它而改变，该驱动电流通过硬层的磁化来自旋极化。当硬层和自由层的磁化方向平行时，MTJ元件处于低电阻。当硬层和自由层的磁化方向反向平行时，MTJ元件处于高电阻。

非磁性层40、41、42、43经常也被称为隧穿间隔层或阻挡层。根据实施例，非磁性层40、41、42、43优选包括MgO。同样，其他绝缘材料可用于非磁性层，诸如AlxOy、TixOy、ZnxOy(0<x、y)。

根据实施例，硬层30、31、32、33、34可包括多个层，诸如举例而言钉扎层(未示出)上的固定铁磁层。每一个输入区域11、12、13和输出区域14包括在不同的区域之间有区别的硬层31、32、33、34。以其他方式而言硬层31、32、33、34在不同的区域之间不是共用或共享的。从制造过程，每一个区域的硬层可由相同的材料制成并且由此可以是在中间器件中而非在根据本公开的最终器件中的共享层将变得清楚。然而，在制造STMG器件期间，硬层将被图案化以由此形成不同的输入和输出区域(进一步看出)。

根据实施例，多栅极器件2的自由层叠层200包括籽层70、籽层上的主体PMA层50、以及主体PMA层上的铁磁层20，铁磁层与非磁性层40接触。

至少籽层70和主体PMA层50在不同的或有区别的输入和输出区域之间是共用或共享的。这些层保持未图案化，这意味着它们未图案化以形成柱并且由此还未蚀刻以形成柱。这例如在图3中示出，其中籽层70和其上的主体PMA层50对于每一个输入区域11、12、13和输出区域14都是共用或共享的。自由层叠层200还可在说明书中被进一步称为混合自由层。

在输入区域11、12、13的自由层叠层200的磁化的逆转经由对作为自由层叠层200的一部分的磁性层20起作用的自旋转矩转移(自旋极化电流)而发生。由于与下面的主体PMA层铁磁耦合，将建立自由层叠层200的磁化的切换，并且磁畴将经由共用/共享的主体PMA层50向输出区域14传播。

根据实施例，多栅极器件2可进一步包括主体PMA层和磁性层20之间的分界层60。分界层(其还可被称为夹层(IL))用作结晶增强层以确保有期望纹理的铁磁层(20)的结晶以获得PMA和TMR。在MgO的情况下，要求铁磁材料(诸如CoFeB)的(001)取向。IL还应当通过铁磁夹层交换耦合将主体PMA层50与磁性层20耦合。根据实施例，分界层可包含从Ta、Mo、W、V、Ru挑选的材料或者从CoFeBX、CoX、FeX、FeCoX中的任一种挑选的合金，其中X从Ta、Mo、W、V、Ru中的任一种挑选。

根据实施例，主体PMA层可包括多层，或者可包括主体PMA材料，或者可包括两者。

根据实施例，主体PMA多层可包括双层重复两次或更多次，该双层包括第一层和第二层。第一层可包含FeB、Fe、Co、FeCo中的任一种而第二层可包含Ni、Tb、CoTb、TbFe、或(但是不太优选)Pd、Pt中的任一种。第一层的厚度和第二层的厚度可在0.2至2nm的范围内。主体PMA多层的示例可以是[Co(0.3nm/Ni(0.6nm))]₄，其是Co/Ni双层重复四次，其中Co层具有0.3nm的厚度而Ni层具有0.6nm的厚度。

多层的PMA可通过修改主体PMA多层的参数(诸如通过调整双层厚度、通过调整双层的重复次数、通过调整籽层材料和/或籽层厚度)来调整。优点在于，主体PMA层是可调整的并且PMA可同等地调整，由此实现快速切换和/或低功率操作。

根据实施例，主体PMA层可包括主体PMA材料(诸如所允许的MnxAy)，其中A从Al、Ga或Ge(x、y>0)中的任一种挑选。替换的主体PMA材料可以是FePt、CoPt、TbCoFe合金。合金的PMA可通过修改诸如主体PMA材料的化学计量含量之类的主体PMA材料的参数(例如，通过调整Ga或Ge相对于Mn的化学计量含量)来调整。

进一步地，在说明书中，针对MRAM应用呈现根据本公开的MTJ叠层的实验结果。由于针对高密度存储器应用，STMG器件的PMA不像MRAM器件的PMA那么严格，因此这些结果还证明根据本公开的多栅极器件将具有极好的器件性质(更加宽松但是足够的PMA和TMR)。现在将更详细地描述根据本公开的多栅极器件的主要差别和优点。

根据本公开的多栅极器件用于逻辑操作而不用于非易失性存储器应用，诸如MRAM叠层。因此，自由层的热稳定性(其与PMA和TMR性质链接)没有MRAN叠层严格。发明人已经惊喜地发现根据本公开的混合自由层是多栅极器件的极好的候选。根据本公开的多栅极器件以及更具体地根据实施例的混合自由层200的优点在于，它提供在调整到更低PMA和/或TMR值时的大量自由度(如STMG器件所要求的)。这对功耗和切换速度的折衷是有益的。进一步描述对混合自由层200的调整，但是根据实施例可涉及调整混合自由层的厚度、调整混合自由层的材料性质；更具体地调整主体PMA层和/或磁性层和/或分界层和/或籽层的厚度、调整主体PMA层和/或磁性层和/或分界层和/或籽层的材料性质、或者调整主体PMA多层的层数、和/或调整其组合的多层的第一和/或第二层的材料和/或厚度。

此外，根据本公开的多栅极器件的优点在于，对MRAM叠层有害的复杂和挑战性的图案化/蚀刻工艺流程提供根据本公开的多栅极器件的解决方案，因为要求不太严格的磁性性质(更低的PMA)。即使由于对柱的图案化可能损害根据本公开的实施例的自由层200，它也不会危害多栅极器件的功能或性质。

根据实施例，公开了一种多栅极器件的制造方法。

多栅极器件2的输入区域11、12、13和输出区域14可共同地具有不同的层，或者以其他方式而言可共享不同的层。至少硬层31、32、33、34对不同的(输入和输出)区域应当是不一样的，因为该层是导电的并且不能引起这些区域或柱之间的任何电气短路。这通过首先提供包括多栅极器件2的所有必要层的层的叠层3并且此后通过图案化该叠层中的一个或多个层形成输入和输出区域或柱来实现。

在图11中，示出用于制造多栅极器件的根据实施例的层的叠层。在底电极100上设置籽层70。在籽层上可设置主体PMA层50，该层在该示例中是多层51/52。在主体PMA层上可设置任选的分界层60。在任选的分界层60上设置铁磁层。多栅极器件的共用自由层叠层200由层的该子叠层形成。在自由层叠层200上设置非磁性层40。在其上设置硬层30，该硬层可进一步包括不同的层，诸如合成反铁磁(SAF)结构(如例如在图6A中所示的)。在顶部可设置顶电极90。可通过本领域技术人员熟知的沉积技术(诸如溅射和外延生长)来设置不同的层。

在层的该叠层3中，需要设置一组输入区域11、12、13和一个输出区域14。这可通过图案化由此形成有区别的(输入和输出)柱来完成。

根据实施例，包括蚀刻的图案化步骤(其可涉及一个或多个图案化步骤)可在层的叠层中的不同级停止。

根据实施例，蚀刻可在非磁性层40之前停止，因此在硬层30中由此将硬层30的顶部图案化成有区别的硬层31、32、33、34且保留未图案化硬层30的其余下部。根据实施例，可执行附加处理35(诸如举例而言氧处理)，在这些柱之间的硬层30'的其余未图案化部分从磁性层转换到绝缘非磁性层，如图12所示。

根据替换实施例，蚀刻可在非磁性层40上停止，由此将全部的硬层30图案化成有区别的硬层31、32、33、34，如图13所示。根据这些实施例，对于所有输入和输出区域，共享自由层叠层200。

根据替换实施例，蚀刻可在主体PMA层50上停止，如图3所示，或者如果存在于任选的分界层60上，如图4所示。根据这些实施例，对于所有输入和输出区域不完全共享自由层叠层200，而是对于所有输入和输出区域只有籽层、主体PMA层、以及如果存在任选的分界层60共用。

根据替换实施例，蚀刻可在磁性层20上停止，如图5所示。在此情况下，硬层30和非磁性层41、42、43、44被图案化并且限定不同的输入和输出柱。

至少籽层和主体PMA层应当在有区别的输入和输出区域之间共享，以其他方式而言，这些层应当保持未图案化，因为主体PMA层用作输入和输出柱通过其连接的共用铁磁层。甚至可能容许蚀刻或损害主体PMA层的一部分，只要其余部分仍然具有足够的PMA以用作共用自由PMA层即可。由于所使用的层是主体PMA材料，因此去除其一部分将不会毁坏其余部分的PMA。

根据本公开的多栅极器件2的优点在于，它提供关于有区别的输入和输出区域之间的共享(未图案化)层的大的灵活性。

多栅极器件的制造方法的优点在于，提供关于图案化输入区域和输出区域(或柱)的大量灵活性。可通过朝着主体PMA层或者分界层或者甚至硬层的磁性层选择性地蚀刻来图案化输入区域(柱)和输出区域。

由于主体PMA层是用于将输入区域的主磁化传播到输出区域的关键层，因此可图案化在主体PMA层的顶部的所有层并且由此去除如从现有技术多栅极器件已知的缺点(即，蚀刻非磁性层和不同区域之间的电气短路的问题)。

在如图2所示的现有技术多栅极器件1中，蚀刻工艺要求在非磁性层上选择性地停止，因为在非磁性层顶部不容许磁性导电残余物，这是因为这可诱发有区别的输入区域和/或输出区域之间的电气短路。此类现有技术MTJ元件的制作工艺典型地涉及沉积层(硬层、隧穿阻挡层和自由层)的叠层，之后图案化层的叠层。图案化MTJ元件是在MTJ技术中制作的最关键方面之一，因为这涉及蚀刻层的叠层的部分，由此在此类叠层中使用的几乎所有层形成非易失性副产品。蚀刻工艺由此可将残余物保留在图案化层上，这些残余物引起例如电气短路、MTJ元件的腐蚀和劣化。其在MTJ元件的侧壁上的沉积对存储器器件性能可能有害的。因为非磁性层是薄(约1nm)的，蚀刻物质容易渗透通过非磁性层,并且损害下面的共用自由层和非磁性层之间的分界，由此引起PMA和TMR的损耗。

实验结果

具有垂直磁各向异性(PMA)的自旋转移转矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)已经吸引了对常规存储器，象动态随机存取存储器(DRAM)和嵌入式静态随机存取存储器(SRAM)，的替换的很多关注。垂直STT-MRAM的优点在于，其非易失性、短存取时间、低切换电流和潜在的缩放性。垂直STT-MRAM的关键组件是具有垂直磁易轴的磁隧道结(MTJ)。为了满足以上提及的要求，垂直MTJ中的自由层(FL)应当针对低切换电流具有低阻尼常数并且针对高热稳定性(Δ)具有大的每单位面积有效磁各向异性能量(K^eff_U×t)。共同地使用基于CoFeB/MgO的自由层。报告高达0.5erg/cm²的K^eff_U×t以及低达0.004的阻尼常数值，这使得其对具有低达30nm的关键尺寸的存储器应用是有吸引力的。然而，由于其垂直磁各向异性是分界介接(mediate)的，因此CoFeB厚度无法进一步地增加。由此，基于CoFeB/MgO的自由层的K^eff_U×t无法增加到1.0erg/cm²以上，更不用说对于其中施加两个MgO/CoFeB分界的自由层，所谓的双MgO自由层。这些自由层不会满足对高热稳定性的请求，因为随位密度增加，器件尺寸降低到20nm和以下。接着已经探索具有主体PMA的大量新材料作为替换FL、象[Co/X](X＝Pt,Ni,Pd)多层(ML)、L1₀-FePt⁹和MnZ(Z＝Ga,Ge)合金。基于Mn的赫斯勒(Heusler)合金富有高度挑战性，因为它们要求在外延生长期间的准确合成控制以确保诱发大PMA的所需晶体结构。至此，具有Mn₃Ge的MTJ示出非常低的TMR(<25％)12、13。对于[Co/Pt]ML，它通过[Co/Pt]被展示作为具有高K^eff_U×t值的MgO阻挡物的垂直MTJ的FL的一部分，但是[Co/Pt]FL中的Pt将大的自旋轨道耦合施加给电子并且因此增加阻尼常数，这导致大切换电流。出于以上相同的原因，排除FePt合金。除[Co/Pt]之外，[Co/Ni]已经被研究和视为有前景的替换FL材料，因为其大的自旋极化、相对较低的阻尼和高PMA的组合。[Co/Ni]已经被用作非定形Al₂O₃阻挡物MTJ中的电极，产生<10％的TMR值。[Co/Ni]已经被生长成与MgO阻挡物直接接触以形成自旋阀，但是不报告磁传输(magnetotransport)性质。简而言之，在不危及TMR的情况下如何增加MgO阻挡物MTJ中的FL PMA尚未解决。我们第一次通过使用[Co/Ni]/CoFeB混合FL设计来展示具有1.25erg/cm²的K^eff_U×t的165％TMR MTJ叠层。我们对其磁性和切换行为进行报告。讨论[Co/Ni]下方的籽层的影响。正确的籽选择对实现高热稳定性自由层应用的[Co/Ni]是至关重要的。

具有作为垂直合成反铁磁(p-SAF)的[Co/Pt]ML的顶钉扎(TP)垂直MTJ在室温下通过Canon Anelva EC7800工具中的物理气相沉积在平滑的基于TaN的底电极(BE)上就地沉积。这些叠层在图6A-C中示意性地示出。为了参考，沉积如图6B所示的具有传统CoFeB FL的MTJ叠层。具有全部MTJ叠层沉积的所有晶片接受在1T的磁场中在300摄氏度下退火达30分钟。对于籽层研究，如图6C所示的Hf(1nm)/NiCr(2nm)和Pt(3nm)籽上的[Co/Ni]叠层4在室温下在相同的工具中沉积，并且随后在N₂中在快速热退火(RTA)设置中在各个温度下退火达30分钟，以供比较。[Co/Ni]、全部MTJ叠层和混合FL(图6A)的磁性性质通过微观振动样品磁强计(VSM)被表征。混合FL的每单位面积饱和磁化(Ms)只源自混合FL的垂直小磁滞环路，而其各向异性场(HK)通过比较全部叠层的平面内滞后环路与参考叠层的平面内滞后环路来计算。TMR和RA测量使用Capres设置经由平面内电流隧穿方法(CIPT)来完成。

将[Co/Ni]集成到MgO阻挡物MTJ中是重要的，因为其fcc(111)晶体结构与电子带匹配中的MgO(001)不兼容。结果，CoFeB应当保持在与MgO的分界处以实现高TMR。这使得夹层(IL)的使用是必要的，因为一方面需要将CoFeB的结晶与[Co/Ni]的fcc(111)解耦，而另一方面需要将它们铁磁地耦合，因此它们表现为一个FL。实际上，当Ta IL不存在于[Co/Ni]和CoFeB之间时，观察自由层磁化中的平面内组分(图7A)，我们将其归因于CoFeB的不当结晶。注意，参考层还损失PMA，指示甚至MgO结晶受到下面[Co/Ni]的影响。在[Co/Ni]和CoFeB之间插入Ta层之后，MTJ叠层示出不同功能层的PMA和清楚的切换，如图7A所示。图7B中的FL的小磁滞环路中的一步切换还证明CoFeB和[Co/Ni]铁磁地耦合并用作0.4nm的Ta IL厚度的单个FL，其足够厚以使CoFeB与[Co/Ni]在结构上分离，同时使它们铁磁地耦合。最佳Ta厚度范围符合CoFeB/Ta/[Co/Pt]系统的更早报告的值。图7B中的具有0.4nm的Ta IL的混合FL示出大PMA，其K^effu×t被计算为0.76erg/cm²。不幸的是，在NiCr籽上生长的混合FL的切换是不突兀的，并且观察大矫顽场(H_c～400Oe)(参见图7B)。

NiCr籽上的[Co/Ni]更早被报告为底钉扎的MTJ中的钉扎层，其中期望大矫顽力，即硬磁性行为。相反，对于FL应用，要求软磁性行为和高垂直度(squareness)以确保低切换电流和对器件级的窄切换贡献。具有几乎与[Co/Ni]匹配(9％)的晶格的替换籽是Pt，其可通过沉积如图6C所示的[Co/Ni]叠层来研究。图8分别示出沉积在NiCr和Pt籽上的[Co/Ni]的垂直滞后环路。因为沉积的[Co/Ni]在两个籽层上都示出PMA并且它们具有类似的Ms(数据未示出)。在退火之后，对于NiCr籽Ms降低且矫顽力增加，而对于Pt籽Ms和矫顽力保持恒定。NiCr籽上的[Co/Ni]具有大矫顽力(H_c～2000Oe)，但是其切换是领结式的，具有比Pt上的MLs更低的垂直度。在NiCr籽的情况下的大矫顽力的原因是形成Co-Ni-Cr合金。非磁性材料(Cr)扩散到[Co/Ni]中可影响饱和磁化，因为形成非磁相(Co_62.5-Ni₃₀-Cr_7.5合金被已知为具有与其Co-Ni等同物31相比更小的MS和更大的矫顽力的硬磁体)。实际上，在飞行时间二次离子质谱分析仪(ToF-SIMS)给出的退火之前和之后的Cr的深度分布指示在退火之后显著数量的Cr从NiCr籽扩散到[Co/Ni]中。在Pt籽的情况下，扩散到[Co/Ni]中也发生，但是限于籽的一部分并且未知晓Co-Ni-Pt合金来形成硬磁性材料。此外，Pt籽上的[Co/Ni]的PMA受到与Pt籽直接接触的特定材料，Co或Ni，的影响。这指示在退火之后[Co/Ni]和Pt之间的分界得以维持并且有限的扩散已经发生。实际上，针对Pt/[Co/Ni]的情况发现2:2×10⁶erg/cm³的K^eff_U而针对Pt/[Ni/Co]叠层只发现1.5×10⁶erg/cm³的K^eff_U。在Pt/[Co/Ni]的情况下，[Co/Ni]受益于已知诱发Co中的强PMA的额外Pt/Co分界。

当使用Pt籽替代NiCr籽时，[Co/Ni]沉积顺序开始于Co实现了高PMA的混合FL，其在退火之后具有软磁和高垂直度的切换行为。当集成到TP MTJ叠层中时，具有Pt籽层的混合FL的切换示出低矫顽力(H_c<100Oe)和高垂直度，如图10中所解说的。表格I将具有Pt籽上的[Co/Ni]-CoFeB混合FL的TP MTJ叠层的性质(图6(a))与具有传统CoFeB FL的TP MTJ叠层的性质(参见图6(b))进行比较。

表格I：MTJ叠层与传统和混合FL之间的磁传输性质的比较

在两种情况下，CoFeB厚度为1nm。在不惩罚TMR和RA的情况下，混合FL的K^eff_U×t达到1.25erg/cm²。获得165％的TMR值。值甚至略高于参考叠层，指示[Co/Ni]增加自由层的极化效率。如果使用更多的Co和Ni子层，K^eff_U×t则可容易地达到高达2.0erg/cm²的值，但是可预期由增加的粗糙度引起的TMR的降低并且可能要求沉积工艺的进一步优化。在宏自旋模型中，1.25erg/cm²的K^eff_U×t值在室温下为直径低至16nm的器件提供大于60的热稳定性因子，这使得混合自由层为高密度MRAM应用的可视路线。

总之，展示了具有[Co/Ni]-CoFeB混合自由层设计的高TMR垂直MTJ。当沉积在NiCR籽上时，混合FL示出大矫顽力和低垂直度，这归因于在退火期间Cr在[Co/Ni]多层中的扩散。在使用Pt籽时实现低矫顽力和高垂直度。集成在高TMR TP MTJ叠层中，获得165％TMR叠层的高热稳定性(1.25erg/cm²的K^eff_U×t)的FL。混合自由层设计实现次20nm的STT-MRAM叠层所需的高热稳定性。