磁性材料及其制造方法

磁性材料及其制造方法
【专利摘要】一种磁性材料，包括在相对的铁层之间的钴层。所述铁层包括铁并且是体心立方(BCC)，所述钴层包括钴并且是BCC或非晶态，且所述磁性材料具有垂直磁各向异性(PMA)。
【专利说明】
磁性材料及其制造方法
技术领域
[0001 ]本公开总体上涉及磁性材料，更具体地，涉及磁性多层材料。
【背景技术】
[0002] 自旋扭矩磁性随机存取存储器(MRAM)是一种类型的固态、非易失性存储器，其利 用隧道磁阻(TMR或MR)来存储信息。MRAM包括电连接的磁阻存储元件阵列，被称为磁隧道结 (MTJs)。每个MJT包括自由层和固定/参考层，其每一个包括磁性材料层。自由层和固定/参 考层通过非磁性绝缘隧道势皇(tunnel barrier)分隔开。自由层和参考层通过隧道势皇磁 解親(de-coupled)。自由层具有可变磁化方向，而参考层具有不变磁化方向。
[0003] MTJ通过切换自由层的磁化状态来存储信息。当自由层的磁化方向平行于参考层 的磁化方向时，MTJ处于低电阻状态。相反的，当自由层的磁化方向反平行于参考层的磁化 方向时，MTJ处于高电阻状态。MTJ的电阻差异可以用于表示逻辑"Γ或"0"，由此存储一些信 息。MTJ的TMR决定了高电阻状态和低电阻状态之间的电阻差异。高电阻状态和低电阻状态 之间的相对高的差异促进MRAM中的读操作。
[0004] 可以通过自旋扭矩切换（STT，spin torque switched)写方法来改变自由层的磁 化方向，在该方法中在垂直于形成MTJ的磁性膜的膜平面的方向上施加写电流。写电流具有 隧道磁阻效应从而改变(或反转）自由层的磁化方向。在STT磁化反转期间，用于磁化反转的 写电流由电流密度决定。随着MTJ的表面面积变小，用于反转自由层的磁化的写电流也变 小。因此，如果使用固定的电流密度执行写，随着MTJ尺寸变小，必需的写入电流也变小。
[0005] 与具有面内磁各向异性的MTJ相比，具有垂直磁各向异性(PMA)的层可以降低必需 的写电流密度。由此，PMA降低了所使用的总写电流。

【发明内容】

[0006] 在本公开的一个实施例中，一种磁性材料包括在相对的铁层之间的钴层。所述铁 层包括铁并且是体心立方(BCC)，所述钴层包括钴并且是BCC或非晶态，且所述磁性材料具 有垂直磁各向异性(PMA)。
[0007] 在另一实施例中，一种磁性材料包括铁层和钴层的交替层。所述铁层包括铁并且 是BCC，所述钴层包括钴并且是BCC或非晶态，且所述钴层和所述铁层中的每一个具有大约2 至大约10埃（A)的厚度。
[0008] 在又一实施例中，一种制造磁性材料的方法包括:在第一铁层上形成钴层，并在所 述钴层上形成第二铁层。所述第一铁层和所述第二铁层包括铁并且是BCC，所述钴层包括钴 并且是BCC或非晶态，且所述磁性材料具有PMA。
【附图说明】
[0009] 被视为本发明的主题在说明书的结论部分的权利要求中被特别的指出和明确的 要求。通过下述详细说明并结合附图，本发明的前述以及其它特征、优点是明白易懂的，在 附图中：
[0010] 图1A是根据示例性实施例的多层磁性材料的截面图；
[0011] 图1B是根据示例性实施例的具有在第一表面上的氧化镁隧道势皇层的图1A的多 层磁性材料的截面图；
[0012] 图1C是根据示例性实施例的具有在第二表面上的隧道势皇层的图1A的多层磁性 材料的截面图；
[0013] 图1D是根据示例性实施例的具有在两个表面上的隧道势皇层的图1A的多层磁性 材料的截面图；
[0014] 图2A是根据示例性实施例的具有设置在隧道势皇层和多层材料之间的粉层的图 1B的多层磁性材料的截面图；
[0015] 图2B是根据示例性实施例的具有设置在隧道势皇层和多层材料之间的粉层的图 1C的多层磁性材料的截面图；
[0016] 图3A是根据示例性实施例的隧道结的截面图，该隧道结包括作为自由层和作为参 考层的多层磁性材料；
[0017] 图3B是根据示例性实施例的隧道结的截面图，该隧道结包括作为自由层和作为参 考层的多层磁性材料，其中该自由层比该参考层薄；以及
[0018] 图3C是根据示例性实施例的图3B的隧道结的截面图，该隧道结包括间隔层和磁性 层。
【具体实施方式】
[0019] 下述定义和缩写将用于权利要求和说明书的解释。如本文所使用的，术语"包含"、 "包含有"、"包括"、"包括有"、"具有"或"含有"，或者它们的任何其它变型，意在涵盖非排他 性的包括。例如，包括一系列元素的成分、混合物、工艺、方法、物品或装置并不必然仅限定 于这些元素，而是可以包括没有明确列出的或这些成分、混合物、工艺、方法、物品或装置固 有的其它元素。
[0020] 如本文所使用的，在元素或部件之前的关于元素或部件的实例（即出现)的数目的 冠词"一"意为非限定性的。因此，"一"应当被理解为包括一个或至少一个，且元素或部件的 单数单词形式也包括复数，除非该数目明确的表示单数。
[0021] 如本文所使用的，术语"发明"或"本发明"是非限定性的术语，且并非意在指特定 发明的任何单一方面，而是包含了如说明书和权利要求中所描述的所有可能的方面。
[0022]如本文所使用的，所采用的术语"大约"，其修正了发明采用的成分、组分或反应物 的数量，是指可能发生的数值数量的变化，例如，通过用于制作浓缩液或溶液的典型的测量 和液体处理程序。此外，变化可能发生自测量程序中的疏忽错误、制造中的差别、来源、或用 于制作合成物或执行方法的成分的纯度，以及诸如此类。在一方面，术语"大约"意味着在报 告的数值的10%之内。在另一方面，术语"大约"意味着在报告的数值的5%之内。在又一方 面，术语"大约"意味着在报告的数值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%之 内。
[0023]如本文所使用的，术语"原子百分比"、"原子％"和"at%"意味着纯物质的原子占 化合物或混合物的原子的总数的百分比，再乘以100。
[0024] 如本文所使用的，术语"体心立方"和"BCC"意味着在每个晶胞中立方晶格具有一 个中心晶格点和八个角晶格点。如本文所使用的，术语"面心立方"和"FCC"意味着在每个晶 胞中立方晶格具有在立方的中心面上的晶格点和八个角晶格点。通过透射电子显微镜法 (TEM)分析倒晶格空间（reciprocal space)中的电子衍射图案来确定晶格结构。结晶固体 (无论是BBC或FFC)的周期性结构作为衍射光栅，以可预测的方式散射电子。通过观测到的 衍射图案的逆向工作，可以确定晶格结构。
[0025] 如本文所使用的，术语"非晶态"意味着非晶体固体。非晶态材料可以具有小的晶 体区域。在非晶态材料中，至少95 %的材料是非晶态。
[0026] 如本文所使用的，术语"磁各向异性"意味着磁化倾向于定向在特定的方向。
[0027 ]如本文所使用的，术语"垂直磁各向异性"和"PMA"意味着磁化倾向于定向为垂直 于xy平面。可以通过测量面内和面外方向中的磁滞回线来确定PMA。
[0028] 如本文所使用的，术语"磁阻"或"MR"是指磁隧道结在外部磁场的存在下改变其电 阻的性质。可以通过在一个方向上施加磁场并测量电阻，随后在不同的方向上施加磁场并 测量电阻来测量MR。
[0029] 自旋扭矩MRAM具有必须在其可以制造之前要克服的缺点。第一，MR必须被增加从 而能够进行较少位读取。对于具有氧化镁(MgO)隧道势皇的高MR，下述特征是最佳的：1)材 料应当具有与MgO的二维(2D)界面，其具有正方晶格网；2)材料应当晶格充分匹配于MgO;以 及3)在界面处的材料应当具有Δ1能带(band)的自旋极化。尽管可以使用BBC铁基合金(例 如CoFe或CoFeB)，但制作具有PMA的BBC材料是有挑战性的。
[0030] 薄膜磁化通常位于膜的平面中（面内磁各向异性）以最小化静磁能。然而，PMA轴对 于有效的自旋扭矩切换是必要的。多层系统，例如Co | Ni、Co | Pd、和Co | Pt，当它们具有足够 的面心立方(FCC) (111)晶体取向时，具有强PMA。然而，FCC结构不能提供具有MgO隧道势皇 的足够高的MR，这需要BCC结构。开发能同时提供高MR和大PMA的磁性材料系统是有挑战性 的。
[0031] 本公开通过提供具有高MR和大PMA的多层磁性材料解决了上述问题。所述磁性材 料包括任意组合的BCC材料和非晶材料的多层。例如，多层材料包括重复的BCC | BCC层、BCC 非晶层、非晶|BCC层、或它们的任意组合。PMA来源于每个界面处的各向异性，或可能来源于 应变（strain) 〇
[0032] 参考图1A，示出了根据示例性实施例的多层磁性材料100的截面图。多层磁性材料 100包括重复的（或交替的）铁层110和钴层120。铁层110和钴层120都是磁性的。铁层110包 括铁并且是BCC。铁层110可以包括铁合金。用于铁层的合适的材料的非限定性示例包括铁、 钴、硼、铝、镍、硅、氧、碳或它们的任意组合。铁层110包括至少50at. %的量的铁。在一些实 施例中，铁以至少50、55、60、65、70、75、80、85、90、或95at. %的量存在。多层磁性材料具有 PMA。
[0033] 钴层120包括钴并且是BCC或非晶。钴层120包括BCC或非晶钴材料。钴层120可以包 括钴合金。用于钴层120的合适的材料的非限定性示例包括钴、锌、铍、钒、硼、镁、铝、硅、氧、 碳、或它们的任意组合。例如，BCC钴合金的非限定性示例包括钴锌、钴铍和钴钒。非晶钴合 金的非限定性示例包括钴硼、钴镁、钴铝、钴硅、钴铍和钴碳。钴层120包括至少30at. %的量 的钴。在一些实施例中，钴以至少30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90或95&1%的 量存在。
[0034]铁层110和钴层120是薄的以最大化界面各向异性。铁层110和钴层120中的每个的 厚度为大约2埃至大约10埃（A )之间。铁层11〇和钴层120中的每个的厚度可以相同或不同。 每个铁层110和钴层120具有大约或在大约2、3、4、5、6、7、8、9和丨〇人之间的任意范围内的 厚度。
[0035]多层材料包括任意数目的交替的铁层110和钴层120。多层材料包括至少三层，例 如夹在两个铁层110之间的钴层120(Fe I Co I Fe)。多层材料包括至少3层。多层磁性材料包括 任意数目的铁层110和钴层120的重复，其中单个重复由Fe| Co或Co |Fe来表示。例如，1.5个 重复由Fe | Co | Fe来表示，而3个重复由Fe | Co | Fe | Co | Fe | Co来表示。可以采用在大约3至100 之间的重复。
[0036] 图1B是根据示例性实施例的图1A的多层磁性材料101的截面图，具有在第一表面 104上的隧道势皇层130。如图所示，隧道势皇层130与铁层110接触。然而，在其它的实施例 中（未示出），隧道势皇层130可以接触钴层120。当多层磁性材料101被并入MTJ中时，使铁层 110接触隧道势皇层130是有益的，这是由于对于Fe来说，del丨 &1能带的极化较高。钴层120 或铁层110中的任意一个可以接触隧道势皇层130。
[0037] 隧道势皇层130为多层结构增加了各向异性。隧道势皇层130是非磁性的绝缘材 料。用于隧道势皇层130的合适材料的非限定性示例包括氧化镁(MgO)。在一些实施例中，通 过射频(RF)溅射来形成隧道势皇层130。可替代的，通过镁(Mg)层的氧化(例如自然氧化或 自由基氧化)来形成隧道势皇层130。在氧化后，MgO层可以覆盖第二层Mg。在一些实施例中， 第二层Mg可以具有大约51或更小的厚度。隧道势皇层130的总厚度是非限定性的。隧道势 皇层可以具有例如大约5至大约3:0 A的范围内的厚度。Mg〇隧道势皇层可以具有岩盐晶体 结构。
[0038] 图1C是根据示例性实施例的图1A的多层磁性材料103的截面图，具有在第二表面 102上的隧道势皇层130。图1D是根据示例性实施例的图1A的多层磁性材料103的截面图，具 有在第一表面104和第二表面105上的隧道势皇层130。在第一表面104和第二表面105上的 隧道势皇层130的厚度可以相同或不同。
[0039] 图2A是根据示例性实施例的图1B的多层磁性材料201的截面图，具有设置在隧道 势皇层130和多层结构部分220之间的粉层(dusting layer)210。图2B是根据另一示例性实 施例的图1C的多层磁性材料202的截面图，具有设置在隧道势皇层130和多层结构部分220 之间的粉层210。粉层210可以包括铁、硼、或它们的任意组合。当粉层210包括铁时，铁以至 少大约20at.%的量存在。
[0040] 粉层210可以插入在多层结构部分220和隧道势皇层130之间，以进一步增加 MR。粉 层210可以具有比多层结构部分220小的PMA但是更高的自旋极化。合适的粉层210可以是富 铁 CoFeB 或 CoFe，例如 C〇4〇Fe6〇B2〇〇
[0041] 粉层210的厚度是非限定性的，并且可以是任何合适的厚度。粉层210可以具有从 大约5至大约2〇 A厚的范围内的厚度。粉层210可以具有大约或在大约5、10、15、20、或 25 A的任意范围内的厚度。
[0042]可以通过使用如上所述的两个多层部分来形成整个MTJ，隧道势皇层的每侧上各 一个。粉层可以使用在两个隧道势皇层界面上。可替代的，多层部分可以仅使用在隧道势皇 层130的一侧上，且不同的磁性材料可以使用在另一侧上。
[0043]图3A是根据示例性实施例的MTJ 301的截面图，其包括作为自由层330和参考层 331的多层磁性材料。任选的，粉层210形成在形成自由层330的多层磁性材料的顶部之上。 自由层330具有可变磁化方向。隧道势皇层130形成在可选的粉层210的顶部之上。备选地， 隧道势皇层130直接形成在形成自由层330的多层结构之上。可选的，另一粉层210形成在隧 道势皇层130之上。当采用多于一个粉层时，多个粉层可以是相同的或不同的（例如，不同的 厚度和/或材料）。多层磁性材料随后作为参考层331设置在粉层210或隧道势皇层130的顶 部之上。参考层331具有不变磁化方向。参考层331可以包括相同数量或不同数量的铁层110 和钴层120。参考层331也可以包括不同厚度的铁层110和钴层120。自由层330和参考层331 具有PMA，并且通过隧道势皇层130磁性耦合。
[0044]图3B是根据示例性实施例的MTJ 302的截面图。如图所示，参考层331比自由层330 厚。多层磁性材料形成自由层330和参考层331二者。在其它实施例中，参考层331具有与自 由层330(未示出）相比相同、相似或更薄的厚度。与图3A中相似，可选的粉层210形成在形成 自由层330的多层磁性材料上。隧道势皇层130形成在可选的粉层210上。另一可选的粉层 210形成在隧道势皇层130上。形成参考层331的多层磁性材料形成在粉层210或隧道势皇层 130上。自由层330和参考层331具有PMA。
[0045]图3C是根据示例性实施例的图3B的MTJ 303的截面图，MTJ 303包括间隔层310和 磁性层320。可选的粉层210形成在形成自由层330的多层磁性材料上。隧道势皇层130形成 在可选的粉层210上。另一可选的粉层210形成在隧道势皇层130上。形成参考层331的多层 磁性材料形成在可选的粉层210或隧道势皇层130上。间隔层310形成在形成参考层331的多 层磁性材料上。间隔层310是任意非磁性材料。磁性层320形成在间隔层320上且可以包括任 意磁性材料。自由层330和参考层331具有PMA。间隔层310包括，例如，铬、钌、氮化钛、钛、钒、 钽、氮化钽、铝、镁、诸如MgO的氧化物、或它们的任意组合。间隔层310的厚度是非限定性的。 间隔层310可以具有例如小于10、小于5、小于3、小于2、或小于1 i的厚度。
[0046]磁性层320包括磁性材料。合适的磁性材料的非限定性示例包括钴/铂多层、钴/钯 多层、或它们的任意组合。磁性层320的厚度是非限定性的。磁性层可以具有大约 2QA-200 A的厚度。
[0047] MTJ 301、MTJ 302、MTJ 303中的任意一个可以按照任意顺序生长。例如，MTJ可以 生长为自由层330在参考层331的顶部之上（未示出）。多层磁性材料可以用作如MTJ 301、 MTJ 302和MTJ 303中所示的自由层330和参考层331。多层磁性材料也可以仅用作自由层 330或参考层331中的一个。
[0048] 应当理解的是，图1A-D、图2A-B和图3A-C中所示以及上述讨论的示例性实施例仅 为示例性目的而示出。因此可以预想可形成其它合适的多层磁性材料和隧道结。
[0049]本文所使用的术语仅为描述特定实施例的目的，且不意在限定本发明。如本文所 使用的，单数形式"一"和"该"意在包括复数形式，除非上下文另外明确表示。还应当理解的 是，术语"包含"和/或"包括"，当在说明书中使用时，列举了所述特征、整体、步骤、操作、元 素、和/或部件的存在，但是并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、部件、 和/或它们的组的存在或增加。
[0050] 下述权利要求中的所有装置或步骤加功能的元件的相对应的结构、材料、动作和 等同物意在包括与如具体要求的其它要求的元件相结合的用于执行该功能的任意结构、材 料或动作。已为示例和说明的目的呈现了本发明的说明，但并不意在穷尽或限定本发明为 公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修饰和变型对于本领域普通技 术人员将是显而易见的。实施例被选择和描述以最佳的解释本发明的构思和实际应用，并 使得本领域技术人员能够理解本发明，用于各种实施例以及适用于预想的特定用途的多种 修饰。
[0051] 本文所绘示的流程图仅是一个示例。在不脱离本发明的精神的情况下，对于其中 描述的图或步骤(或操作)可以有多种变型。例如，可以按照不同的顺序执行步骤，或可以增 加、减少或修改步骤。所有这些变型可以视为所要求保护的发明的一部分。
[0052]已为示例目的呈现了本发明的各种实施例的说明，但并不意在穷尽或限定本发明 为公开的实施例。本文使用的术语被选择以最佳的解释实施例的构思、实际应用或在市场 上所找到的技术上的技术改进，或者使得本领域技术人员理解本文公开的实施例。
【主权项】
1. 一种磁性材料，包括： 钴层，在相对的铁层之间； 其中所述铁层包括铁并且是体心立方，所述钴层包括钴并且是体心立方或非晶态，且 所述磁性材料具有垂直磁各向异性。2. 如权利要求1所述的磁性材料，其中所述铁层包括铁合金。3. 如权利要求1所述的磁性材料，其中所述钴层包括钴合金。4. 如权利要求1所述的磁性材料，其中铁以至少50原子百分比的量存在。5. 如权利要求1所述的磁性材料，其中钴以至少30原子百分比的量存在。6. -种磁隧道结，包括如权利要求1所述的磁性材料。7. 如权利要求6所述的磁隧道结，其中所述磁性材料是具有可变磁化方向的磁自由层。8. 如权利要求7所述的磁隧道结，其中所述磁性材料是具有不变磁化方向的磁固定层。9. 如权利要求8所述的磁隧道结，其中绝缘隧道势皇层设置在所述磁自由层和所述磁 固定层之间。10. -种自旋扭矩磁性随机存取存储器芯片，包括如权利要求6所述的磁隧道结。11. 一种磁性材料，包括： 铁层和钴层的交替层； 其中所述铁层包括铁并且是体心立方，所述钴层包括钴并且是体心立方或非晶态，且 所述钴层和所述铁层中的每个具有大约2埃至大约10埃的厚度。12. 如权利要求11所述的磁性材料，其中所述磁性材料包括至少三层。13. 如权利要求11所述的磁性材料，其中所述磁性材料还包括在所述磁性材料的表面 上的氧化镁层。14. 如权利要求11所述的磁性材料，其中所述氧化镁层接触所述铁层。15. 如权利要求14所述的磁性材料，还包括在所述氧化镁层和所述铁层之间的粉层。16. 如权利要求15所述的磁性材料，其中所述粉层包括铁。17. -种制造磁性材料的方法，所述方法包括： 在第一铁层上形成钴层；以及 在所述钴层上形成第二铁层； 其中所述第一铁层和所述第二铁层包括铁并且是体心立方，所述钴层包括钴并且是体 心立方或非晶态，且所述磁性材料具有垂直磁各向异性。18. 如权利要求17所述的方法，还包括在所述第一铁层或所述第二铁层上形成隧道势 皇层。19. 如权利要求18所述的方法，其中所述隧道势皇层包括氧化镁。20. 如权利要求18所述的方法，其中所述隧道势皇层形成在富铁粉层上。
【文档编号】H01L43/12GK106025064SQ201610169066
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】胡国菡, D.C.沃利奇
【申请人】国际商业机器公司