用于霍斯勒化合物的织构化膜的底层的制作方法
【专利摘要】一种结构体，包括Mn1+cX形式的四方霍斯勒，其中X包括选自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)生长，其中Y包括选自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邻近，从而容许自旋极化电流从一个穿过另一个。所述结构体可形成磁性隧道结磁阻器件的部件，且这样的磁阻器件的阵列可共同形成MRAM。
【专利说明】
用于霍斯勒化合物的织构化膜的底层
技术领域
[0001] 本发明设及磁性隧道结磁阻器件（装置，device),且更具体地设及采用运样的器 件的磁性随机存取存储器。
【背景技术】
[0002] 磁性隧道结(MTJ)形成保证高的性能和耐久性的非易失性(非挥发性)磁性随机存 取存储器(MRAM)的基础记忆(存储，memo巧)元件，而且还具有按比例缩小（scale)至极小尺 寸的潜力。磁性隧道结(MTJ)由被超薄绝缘层分隔的两个磁性层的夹层结构(S明治结构， sandwich)构成。运些层之一形成记忆或存储层，且另一层形成其磁性结构在MRAM操作期间 不变化的参考层(ref erence layer)。在参考层和记忆磁性层之间隧穿（tunne 1)的电流被 自旋极化：自旋极化的大小由磁性电极的电子性质和隧道阻挡物(屏障，势垒，barrier)的 "自旋-过滤(spin-filtering)"性质的组合确定。（运些磁性层与电极接触;替代地，运些磁 性层可视作电极本身的形成部分）
[0003] 在现有的MRAM中，MTJ的磁性状态通过使电流穿过其而改变。固有地自旋极化的电 流传递自旋角动量使得一旦超过阔值电流就切换（SWi t Ch)记忆层矩(磁矩，力矩，moment) 的方向。所要求的切换电流的大小在电极的磁化(磁化强度，magneti zation)垂直于所述层 被取向时较小。
[0004] 针对用于密集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 的铁磁电极和由MgO形成的隧道阻挡物（参见例如名称为"MgO tunnel barriers and method of formation"的美国专利7598555)。所述铁磁电极由足够薄的层制成，使得运些 电极的磁化垂直于运些层被取向。Co-Fe-B层的垂直磁各向异性(PMA)起因于运些层和其上 沉积Co-Fe-B层的隧道阻挡物和/或底层之间的界面。因此，必须使运些层足够薄使得界面 PMA克服去磁能，其起因于Co-Fe-B层的磁体积(magnetic volume)并与该磁体积成比例地 增加。在实践中，运意味着当器件在尺寸上具有小于~20皿的临界尺寸时所述PMA过弱W致 于不能克服热波动，因为磁性层的厚度不得不（i)低于保持其矩垂直而要求的厚度，W及 (ii)低于用合理的电流密度切换所述磁性层而需要的厚度。
【发明内容】
[0005] 公开了作为铁磁电极使用的材料，其呈现出比Co-Fe-B表现出的PMA大得多的PMA， 其中该PMA起因于电极的体积而不是界面。运些称为霍斯勒化eusler)合金1的化合物是具 有化学式XsYZ或x'r YZ的化合物，其中X和X'和r和Y为过渡金属或铜系元素(稀±金属）， 且Z来自主族金属。霍斯勒化合物具有CusMnAl类型（在化arson表中定义）的结构，其中所述 元素位于4个互相贯通的面屯、立方(fee)晶格上。在该家族中已知很多化合物（~800) 2。运 些化合物的一些由于在X和/或Y位点（site)上的磁矩而是铁磁性的或亚铁磁性的。此外，尽 管母体霍斯勒化合物是立方的且表现出弱的或不显著的磁各向异性，但是发现运些化合物 的一些的结构是四方扭曲的：由于运种扭曲，由运些化合物表现出的磁化可沿着四方轴定 位(对准，成直线，align)。因此，由运样的材料形成的薄膜可由于与所述四方扭曲的结构相 关的磁晶各向异性而表现出PMA。运样的四方霍斯勒化合物的一些实例为Mri3-xGa和Mri3-xGe。 运些材料的薄膜表现出大的PMA，但是迄今为止，关于运些材料的所有工作已经设及使用由 各种材料但优选化或Pt3形成的种层(seed layer)在单晶基底(例如MgO(IOO))上外延生长 的膜。运样的单晶基底不可用于其中必须将MTJ沉积在由多晶铜形成的线路(wire)上的 MRAM应用，所述线路可被其它层覆盖，该其它层也是多晶的或无定形的。
[0006] 发明的一个优选实施方式是包括Mm+cX形式的四方霍斯勒的器件，其中X包括选自 Ge和Ga的元素，W及0含C含3。所述器件还包括在(OOl)方向上取向的且WYMnw形式的基底 (衬底），其中Y包括选自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邻 近，从而容许自旋-极化电流从一个穿过另一个。在一个更优选的实施方式中，X为Ge, Y为 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 的磁化优选垂直于膜平面被取向且具有在10埃和500埃之间的厚度。
[0007] 发明的另一优选实施方式是包括如下的器件:第一电极、与第一电极接触的磁性 自由层、在自由磁性层之下的隧道阻挡物、和在隧道阻挡物之下的磁性参考层，其中所述磁 性参考层包括Mm+cX形式的四方霍斯勒，X包括选自Ge和Ga的元素，W及0含C含3。所述器件 还包括在所述磁性参考层之下的第二电极，其中所述第二电极包括在(OOl)方向上取向的 且WYMnw形式的基底，其中Y包括选自Ir和Pt的元素，W及0含cK 4。穿过所述第一电极和 所述第二电极的电流穿过所述磁性自由层、所述隧道阻挡物和所述磁性参考层。
[0008] 发明的一个实施方案是使用刚刚描述的器件的方法，其中在所述第一电极和所述 第二电极之间施加电压，从而促使电流流过所述磁性层和所述隧道阻挡物。结果，所述自由 磁性层的取向可由于来自电流的自旋转移扭矩（自旋转移矩，spin transfer torque)而变 化。所述器件可为一起形成MRAM的多个磁性隧道结器件之一，其中所述隧道结器件的每一 个包括具有各自的取向的自由层。可通过检测所述自由层的取向从MRAM读取信息。
【附图说明】
[0009] 图1 .MnsGe霍斯勒膜:结构和形貌(topogra曲ical)性质
[0010] 图1A:在不同溫度在其上首先沉积TaN/IrMn3膜的Si(001)/Si化基底上沉积的 3備A厚的Mn沁e膜的X-射线衍射目-2目图案。所述Mn沁e层被覆W 3(接厚的化层。为了进行 比较，上面两条曲线对应于在W下膜上取得的数据：（i)在室溫(RT)沉积，随后原位退火的 膜;和(ii)使用3-步法制备的膜。运些样品的数据也包含在图IB中。
[0011] 图1B:(上部图片）晶体结构有序性(ordering)(从图IA外推)和(下部图片)通过原 子力显微镜(AFM)测量的均方根(RMS)表面粗糖度的沉积溫度依赖性。上部图片显示了 S种 不同沉积方法的MnsGe (00 2)峰对MnsGe (004)峰的测量强度之比。
[001^ 图2.具有和不具有TaN扩散阻挡物的MmCie膜的高分辨透射电子显微镜化RTEM)图 像和电子能量损耗能谱化化S)。
[OOU]具有如下结构的膜的HRTEM图像：（图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（图2C)Si/250ASiO2/2㈱ATaN/撕0AIrMn3/ 20A TaN/3〇:()A Mn沁e (3-步法）/2QA计-Mg0/:12A C〇2〇Fe6()B2()/5〇A Ta/沸A Ru。邸LS数据 显示于图2B和图2D中，其是分别针对图2A和图2C中的样品取得的。（在各情形中，在被所述 图像中的方框示出的区域上面和沿由该方框内的箭头示出的方向采集所述数据）。显示了 Ta、N、Mn、Ir和Ge的浓度对膜厚度的数据。运些数据显示了 Ir和Ge相互扩散的明显的差异。 当在IrMns层和MnsGe层之间沉积化府广散阻挡物时没有发现相互扩散的迹象。
[0014] 图3.具有巨垂直磁各向异性的MnsGe霍斯勒膜
[0015] 图3A:磁化强度对在不同底层/基底上生长的MmGe膜的磁场滞后回线。空屯、正方 形属于在平行于膜平面定位的施加磁场下的测量结果。上面四个图片是指具有W下结构的 样品：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。实线表示平面外回线。左下图片是指在没有IOA的TaN 扩散阻挡物的情况下生长的MmGe膜，而右下图片是指在MgO/经Cr缓冲的MgO(OOl)单晶基 底上沉积的MnsGe膜。测量在环境溫度下进行。
[0016] 图3C:上部图片-由图3A中的数据外推的每单位面积的磁矩m。实线示出了D022-MnsGe的预测的本体(bu化)面积矩(area 1 moment)。下部图片-矫顽磁场Hg (左轴，实屯、S角 形)和单轴各向异性常数Ku(右轴，空屯、正方形）。为了由关系Ku = Heff ? Ms/化如Ms2确定单轴 各向异性常数，出ff通常由在磁化强度达到饱和的磁场下的M对取隹磁化轴化ard-axi S)回线 进行评价。如在图3A(空屯、正方形）中显而易见的，磁化强度预期在通过测量工具不能达到 的高磁场值下饱和；因此，出ff假定为(下界)7T。
[0017] 图3B和3D:在51(001)/510盛底（图38巧咖旨0(001)单晶基底（图30)上生长的膜的 标称结构的示意图。为了考察运些膜的结构、形貌和磁性，在各情形中使用30A的化(所述 图中未示出）作为包覆层(保护层，capping layer)。
[001引图4.基于MnsGe的磁性隧道结的特性
[0019] 图4A:RapA乘积(实屯、符号）和TMR(空屯、符号）的MgO厚度依赖性。对Si/Si〇2/TaN/ IrMn3、Si/Si〇2AaN/IrMn3/TaN、MgO(100)/Cr种层进行比较。实线和虚线分别是对于RapA乘 积和TMR的看起来的引导线(guide to the eye)。
[0020] 图4B:通过电子束平版印刷术图案化的具有~27nm结尺寸的基于MmGe的器件的 HRTEM图像。
[0021] 图4C:在300K(较小正方形)和3K(较大正方形)测量的2-末端结电阻对垂直于器件 施加的磁场。对具有化府广散阻挡物(实屯、正方形)和不具有化府广散阻挡物(空屯、正方形）的 结的TMR进行比较。对于具有化府广散阻挡物的MTJ，在使所述器件从300K冷却后，分别在+9T 的磁场和-9T的磁场，在3K测量了两组数据(较大的实屯、正方形）。正如可在所述图中看出 的，运些数据彼此为镜像。
[0022] 图4D:针对化N/IrMri3和化N/IrMns/TaN的化和Rap(下部图片）W及TMR(上部图片）的 溫度依赖性。
【具体实施方式】
[0023] 在具有~2xl〇-9托的底压的超高真空化HV)室中，通过离子束沉积（I抓)或通过直 流磁控管瓣射在覆盖有250乂的无定形Si化的Si(IOO)基底上面生长霍斯勒化合物Mn3-xGe 的膜W及其它层。针对用于MRAM应用的MTJ，所述膜的磁化应该表现出良好限定的（界限分 明的，well-defined)磁化强度对垂直磁场滞后回线，其为正方形(剩余磁化强度等于或者 近似等于膜在大的磁场中的饱和磁化强度），其中在良好限定的矫顽磁场(其中膜的磁化强 度为零的磁场)下磁化从一个垂直于膜平面的方向突然地切换至相反方向。而且，当所述磁 场W在膜平面内的方向施加时，在所施加磁场的方向上的磁化强度从大约零几乎线性地增 加至饱和磁化强度的值。当将Mm-xGe膜直接沉积在无定形Si化的表面上时，发现所述膜没 有表现出良好限定的晶体织构，并且由于该原因，所述膜的磁化不是垂直于膜平面良好取 向的，使得磁化强度对垂直施加的磁场不是如最佳性能所要求的正方形。
[0024] 对于一些材料，通过在适当制备的合适底层上沉积运些材料可形成甚至高度织构 化的膜。例如，典型地，fee材料(如Cu或Pt)将优先地W(Ill)晶面平行于膜表面织构化，而 体屯、立方材料将倾向于W(IlO)晶面平行于膜表面生长。然而，在氧化物表面上生长的运样 的金属(如Cu和Pt)经常是非常粗糖的，因为运些金属可能不"润湿"所述氧化物表面。因此， 为了使它们的表面能最小化，它们可最初W不连接的岛状物（island)的形式生长，所述岛 状物可最终合并W形成连续的薄膜，此时使所述膜足够厚。
[0025] 在发明的一个优选实施方式中，Mm+cGe或Mm+cGa(其中对于各情形，0 < C < 3(或者 在Ge化合物的情形中，1含C含3是甚至更优选的））的高度织构化的(OOl)取向的膜是通过使 用当沉积在Si化无定形层上时其本身高度织构化的底层而制备。具有运种性质的底层包括 TafVIrMn沸化N/IrMmAaN。在无定形Si化上的化N种层上沉积的IrMM膜W (OOn轴垂直于 IrMm膜的平面高度织构化。（使用Pt代替Ir将预期到类似结果）。在没有TaN种层的情况下， IrMm层的织构化差，其中膜中的晶粒(grain) W(Ill)平面或者(OOl)或（110)平面平行于 所述基底进行取向。需要所述晶粒在多晶IrMm层内的（OOl)取向，W促进其中四方轴垂直 于MmCie层的平面的（OOl)取向的MmCie层的生长。尽管在IrMM和MmGg之间的晶格失配小（< 1%)，但是发现运些相同的TarVlrMn3(和等同的化NArMmAaN)底层促进具有较大晶格失 配的立方和四方霍斯勒两者的大范围的生长。（通过假定霍斯勒化合物在IrMm上的外延的 45°平面内旋转生长，即在对于霍斯勒的L2i晶胞和对于IrMM的L12晶胞中<110〉覆滿)//<100 〉Mn3,估算出甚至高至~7%的晶格失配）。运些化合物包括C〇2MnSi、C〇2MnGe、Ni2MnGe、 化2CuSn JesCuSb、Mri3Ga、Mri2Ni Sb、Mn2CuSb、(：〇2化訊和化2CoSb。运些霍斯勒化合物的薄膜在 TarvirMns和化N/IrMm/TaN底层上生长，并发现在各情形中其由于所述底层的性质而表现 出良好限定的(OOl)结晶织构。
[0026] 实现高度织构化的MmGe膜的结构的实例的数据显示于图1中。首先，在环境溫度 通过反应性直流磁控管瓣射在SiQOOVSi化基底上沉积20QA厚的化N种层。然后，在环境 溫度通过直流磁控管瓣射沉积100A-200A悍的IrMm底层。运些层也可通过离子束沉积 (IBD)被沉积。对于磁控管瓣射，使用3毫托的瓣射气体压力;使用氣气和氮气的瓣射气体混 合物生长化N。化训莫的组成（即Tai-xNx)对所述瓣射气体的组成是敏感的：使用优选的90% Ar和10%化的组成(按进入到室中的气体流量计）W获得具有接近于化50化0的组成的膜。
[0027] 实施了一系列研究W确定用于制备由MmGe化合物构成的膜的最佳条件，如图1中 显示的。（对于MmGa,记录了和图1中显示的数据类似的数据，所述数据未显示但是在外形 上是类似的）。在一组实验中，在屯个不同沉积溫度(Td或T生长)（其从室溫(RT)至550°C变化） 在Sia00)/Si02/200A化N/200AIrMn3上沉积各自300 A厚的Mn沁e膜，但是没有随后的 退火步骤(参见图IA中下面的屯条曲线）。运些膜的粗糖度取决于Td(参见图IB中标记为"没 有退火"的曲线）。对于大于200°C的Td,获得了粗糖的膜(均方根(RMS)粗糖度〉5A)，其中所 述RMS粗糖度随着Td的增大而单调地增大。对于作为在用于MRAM应用的MTJ中的磁电极的用 途，隧道阻挡物优选非常薄，在~l-2nm的范围内，并因此所述磁电极理想地是非常光滑的。 同时，为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 自原子位点上必须是在原子上良好有序的。为了获得光滑的膜，必须使Td保持尽可能低，但 是为了实现化学有序的霍斯勒化合物，优选必须使Td保持尽可能高。同时，存在由如下溫度 决定的对Td的最大值的限制：高于该溫度时，元素从底层扩散至MmGe层中变得显著。形成 MmGe的第二种替代方法包括在环境溫度或者足够低的沉积溫度（例如<200°C)沉积所述 层，并然后接着在升高的溫度下对所述结构进行退火(参见图IA中的标记为"RT+退火"的曲 线)。
[002引第S种方法组合了运两种方法的各方面，其中使用3-步法生长所述MnsGe膜(参见 图IA中标记为"3-步"的曲线）。第一，在高溫下生长由MnsGe形成的种层，例如，在450°C沉积 20A厚的层。第二，在较低的溫度沉积MmGe层。所述种层和所述第二MnsGe层的组合的厚度 等于期望厚度。例如，在150°C沉积由:28:0A的MnsGe形成的层。第立，将经沉积的结构原位退 火:例如在沉积室中在超高真空中在450°C进行1小时。通过运种3-步法生长的膜在具有与 在450°C直接生长的膜相当的化学有序性的同时具有显著较低的RMS粗糖度(~3A)。（如在 图IB中示出的，在D022-Mn3Ge结构中的MnMn平面和MnGe平面之间的化学有序性与X-射线衍 射峰的强度比1(002)/1(004)直接关联;MmGe和更高的化学有序性暗示改进的磁性，例如 流过MmGe电极的电子的更高的自旋磁化）。运显示于图IB中，其比较了刚描述的S种方法 的RMS粗糖度。
[0029] 在退火步骤期间，如图2中显示的，在IrMm层和MmGe层之间可存在显著的相互扩 散。运可导致所述MmCie层的磁性的劣化。例如，可使所述MnsGe膜的磁矩显著降低。使用W上 提到的条件，具有最高达.~IOOA厚度的MnsGe膜呈现几乎零磁矩。为了减少在所述底层和所 述MmGe层之间的元素的相互扩散W及由此的所述MnsCie的性质的恶化，可在IrMns层之上沉 积薄的化N层，之后沉积所述MmGe层。薄至20 A或者甚至10 A的化N层足W相当大地限制 相互扩散。在透射电子显微镜中在I'aN/IrMm/MmGe (参见图2B)和hN/ IrMnsAaN/MnsGe (参 见图2D)薄膜结构的横截面样品上实施的电子能量损耗能谱法化化S)研究显示，在第一种 情形中，存在Ir进入所述MnsGe层的显著的扩散，而在第二种情形中，不存在Ir扩散进入 MmCie层的证据(参见图2B和2D)。图2A和2C是分别对应于图2B和图2D中显示的数据的结构 的高分辨率横截面TEM图像。
[0030] 在图3中，对于几种厚度的MmGe层，比较了TaN/IrMm/MmGe和TaN/IrMns/TaN/ Mn沁e样品的磁性。图3A显示了对于具有和不具有20A的化N的在Si(001)/Si化基底上生长 的MnsCie膜，使用SQUID-VSM测量的平面内（空屯、正方形)和平面夕K实线)磁滞回线。在化N扩 散阻挡物上沉积的MmGe膜显示出随膜厚度增大的磁化强度。图3A中的右下图片对应于图 3D中显示的全MTJ结构的无在MmGe之上的上部自由层结构的下部部分（即在MmGe上沉积 30A的化包覆层，而不是MgO/CoFeBAa/Ru)，而图3A中其它五个图片对应于图3B中显示的 结构的下部部分（同样，在MnsGe上沉积3.0;A的化包覆层，而不是MgO/Co化BAa/Ru)。在显示 了本发明的优选实施方式的图3B中，Ta/Ru可形成上电极的一部分，且TaNArMm可形成下 电极的一部分。磁性自由层和磁性参考层分别由结构CoFeB和MmGe表示，而隧道阻挡物为 MgO。在所述磁性参考层MmGe之下的另外的化N层为任选的扩散阻挡物。在MRAM器件中，所 述自由层在MTJ结构(例如参见图3B的示例性结构）的阵列中的取向代表可写入MTJ结构中 和/或从其中读取的数据(信息）（通过检测所述自由层的取向）。
[003。 图3A的右下图片中图示了在MgO/经化缓冲的MgO(OOl)单晶基底上生长的300A厚 的MmGe膜的磁滞回线;使运种膜生长W便比较生长于无定形和单晶基底上的MmGe膜之间 的品质。全部MmGe膜呈现非常强的PMA，尽管在它们生长于MgO/经化缓冲的单晶MgO (OOl) 上时各向异性显著较小，运大概是由于Cr和霍斯勒合金之间的晶格失配。相反，IrMm缓冲 层容许MmGe的"无应变"生长，产生了巨大的PMA，其中矫顽磁场出的值最大为6T，如在图3C 的底部图片中W实屯、S角形显示的（对于化N/IrMm/TaN/MmGe结构）。作为MmGe厚度的函 数的每单位面积的磁矩m由磁化强度对场回线估算并图示于图3C的上部图片中。运里，直实 线是指本体D022-Mn3Ge的计算值。在具有化府广散阻挡物的Si/Si02基底上生长的MmGe膜的 实验值（图3C的上部图片，被虚线连接的圆圈）遵循理论趋势；然而，与运些值相比，对于不 具有化N阻挡物的膜和生长于MgO(OOl)单晶基底上的膜，m仅为理论值的~80%和~65% (也参见图3C的上部图片）。甚至在MmGa的情形中，使用TaN/IrMm/MmGa结构观察到大的 PMA 值。
[0032]在图3C的下部图片中，显示了作为MmGe厚度的函数的单轴各向异性常数Ku(空屯、 正方形）。时随着将更厚的膜沉积至所述化府广散阻挡物上而单调地增大，运是由于磁化强 度随MnsCie厚度增大。Ku由关系Ku =出ff ? Ms/2+23tMs2化eff为有效磁场，和Ms为饱和磁化强度） 估算，其中第一项代表有效磁各向异性，和第二项与起因于所述样品的横向尺寸的形状各 向异性有关(注意，出ff = 7T被视为下界一参见在【附图说明】中的图3C的描述）。
[00削 MTJ器件是使用标准平版印刷技术由其结构为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。在图案化之前，将运些膜在具有指向所述样品的平面外的IT的施加磁场的高 真空室中在350°C后退火60分钟。分别通过光学平版印刷和电子束平版印刷制作尺寸为1x2 Mi 2和直径为~30nm的器件。只将所述自由层图案化W限定所述结大小一所述参考层没有 被图案化。所述参考层由MnsGe霍斯勒化合物形成，且所述自由层由组成为20 :60:20的 CoFeB的超薄层形成。
[0034]图4C显示了对于具有化府广散阻挡物(实屯、正方形;MgO阻挡物是25A厚)和不具有 TaN扩散阻挡物(空屯、正方形;MgO阻挡物是巧A厚）的1x2皿％MTJ器件，在300K(较小正方 形)和3K(较大正方形）下测量的图案化MTJ器件的隧道磁阻（TMR)对施加的垂直磁场。在运 两个溫度下，由于MnsGe参考层的巨单轴各项异性，需要非常高的施加磁场（±9T) W使 CoFeB层和霍斯勒的矩彼此平行地定位(P态）。在所述P态下，结电阻高，且在Co化B自由层矩 切换其方向为逆平行构型(AP态)时切换至接近于零场的低电阻。因此，使用公式[(化-Rap)/ 1^^100确定的隧穿磁阻巧110为负的，在3001(的值为~-35%，且在31(的值为~-74%抓和 Rap分别为在P态和AP态中的结电阻）。运种负的TMR指示MmGe层负的自旋极化。运是迄今为 止报道的用四方霍斯勒合金由垂直磁化的磁性隧道结获得的最高TMR。
[0035] 对于相同的器件，在将所述器件从300K冷却至3K的同时测量P和AP态的TMR(图4D， 上部图片）和电阻（图4D，下部图片KRap几乎没有变化，而Rp随T降低而单调地增大，从而导 致在低溫下较高的TMR(参见图4D的下部图片）。
[0036] 将在RT测量的MTJ的电阻-面积乘积RapA(实屯、符号）和TMR(空屯、符号）对隧道阻挡 物厚度的依赖性对>20个器件取平均并总结于图4A中。（注意图4A中的TMR值比图4C中显示 的TMR值小:在图4A中，为了快速评价TMR，Rap和Rp值分别在+0.3T和-0.3T下测量，而不是在 整个±9T范围扫描磁场）"Rap A随阻挡物厚度按指数增大(A =器件面积）。
辨率透射电子显微（HRTEM)图像图示于图4B中。所述多层叠层（stack)通过向下Ar锐 (milling)至MgO隧道阻挡物而蚀刻，赋予CoFeB自由层W期望的尺寸(运里器件宽度为~ 27皿）；之后，将所述结的横向侧用Al2〇3(该图像中明亮的无定形层)填充W使所述结与通过 I抓原位沉积的顶部5QARu/65〇或Au触点隔开。
[0038] 尽管对于有利于（OOl)织构化的霍斯勒薄膜的底层优选的材料为TaN/IrMn3和 化N/IrMm/化N，但是化N可由其它产生光滑表面的金属氮化物代替。运些包括师N(晶格常 数
JrMn：3可由具有与AuCu3家族的化合物 相同的结构的其它类似材料所替代。运些特别地包括基于Mn的化合物，其包括Mn3Rh( 贫=3.81 A )和MmOs,其特别适用于包括MnsGe和MnsGa的基于Mn的霍斯勒的生长。其它可替
[0039] 注意，所述底层和霍斯勒化合物的元素组成为标称组成。运通过精确至约±1原子 百分比的卢瑟福背散射(RBS)进行测量。霍斯勒化合物的性质典型地对元素组成、W及构成 元素的化学有序性和任何杂质敏感。对于IrMm底层，所述组成可在宽的原子范围内变化， 但是优选地Ir:Mn的比例与所述标称比例1:3的偏差在±10% W内，或者较不优选地，与所 述标称比例1:3的偏差在± 20 % W内。
[0040] 本文公开的优选组成理想上是纯的，具有很少的杂质或者没有杂质。然而，实际 上，偏离该理想情形是可容忍的。尽管最大10原子百分比的杂质含量是可容忍的，但是杂质 水平优选小于1原子百分比。
[0041 ] 参考文献
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【主权项】
1. 器件，包括： Mm+cX形式的四方霍斯勒，其中X包括选自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包括选自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邻近，从而容许自旋极化电流从一个穿过另一 个。2. 如权利要求1所述的器件，其中X为Ge且Y为Ir。3. 如权利要求1所述的器件，其进一步包括与所述四方霍斯勒接触的隧道阻挡物。4. 如权利要求3所述的器件，其中所述隧道阻挡物为MgO。5. 如权利要求1所述的器件，其中在所述四方霍斯勒和所述基底之间有TaN层且该TaN 层接触所述四方霍斯勒和所述基底两者。6. 如权利要求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. 如权利要求1所述的器件，其中霍斯勒化合物的磁化与膜平面垂直取向。8. 如权利要求7所述的器件，其中所述霍斯勒化合物的厚度在10埃和500埃之间。9. 如权利要求1所述的器件，其中在所述基底的下面有TaN层且该TaN层与所述基底接 触。10. 器件，包括： 第一电极； 与所述第一电极接触的磁性自由层； 在所述自由磁性层之下的隧道阻挡物； 在所述隧道阻挡物之下的磁性参考层，其中该磁性参考层包括Mm+J(形式的四方霍斯 勒，X包括选自Ge和Ga的元素，且0 < c < 3;和 在所述磁性参考层之下的第二电极，该第二电极包括在(001)方向上取向的且以YMm+d 形式的基底，其中Y包括选自Ir和Pt的元素，且0 < cK 4， 其中穿过所述第一电极和所述第二电极的电流穿过所述磁性自由层、所述隧道阻挡物 和所述磁性参考层。11. 如权利要求10所述的器件，其中X为Ge且Y为Ir。12. 如权利要求10所述的器件，其进一步包括与所述四方霍斯勒接触的隧道阻挡物。13. 如权利要求10所述的器件，其中在所述四方霍斯勒和所述基底之间有TaN层且该 TaN层接触所述四方霍斯勒和所述基底两者。14. 如权利要求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. 如权利要求10所述的器件，其中在所述基底的下面有TaN层且该TaN层与所述基底 接触。16. 使用如权利要求10所述的器件的方法，包括： 在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压，从而促使电流流过磁性层和隧道阻挡 物。17. 如权利要求16所述的方法，其中所述自由磁性层的取向是由于来自所述电流的自 旋转移扭矩而变化的。18.如权利要求16所述的方法，其中所述器件是共同形成磁性随机存取存储器(MRAM) 的多个磁性隧道结器件之一，所述隧道结器件的每一个均包括具有各自的取向的自由层， 所述方法还包括： 通过检测所述自由层的取向从所述MRAM读取信息。
【文档编号】H01L43/10GK105826462SQ201610048540
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】郑在佑, S.S.P.帕金, M.G.萨曼特
【申请人】国际商业机器公司