磁性材料及其制造方法技术

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)。

【技术实现步骤摘要】

本公开总体上涉及磁性材料，更具体地，涉及磁性多层材料。
技术介绍
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垒(tunnel barrier)分隔开。自由层和参考层通过隧道势垒磁解耦(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。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“1”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。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。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。
技术实现思路
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)。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埃的厚度。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。附图说明被视为本专利技术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，本专利技术的前述以及其它特征、优点是明白易懂的，在附图中：图1A是根据示例性实施例的多层磁性材料的截面图；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垒层的图1A的多层磁性材料的截面图；图1C是根据示例性实施例的具有在第二表面上的隧道势垒层的图1A的多层磁性材料的截面图；图1D是根据示例性实施例的具有在两个表面上的隧道势垒层的图1A的多层磁性材料的截面图；图2A是根据示例性实施例的具有设置在隧道势垒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；图2B是根据示例性实施例的具有设置在隧道势垒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；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；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。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。如本文所使用的，术语“专利技术”或“本专利技术”是非限定性的术语，且并非意在指特定专利技术的任何单一方面，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。如本文所使用的，所采用的术语“大约”，其修正了专利技术采用的成分、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。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。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。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。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。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。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。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)隧道势垒的高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。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隧道势垒的足够高的MR，这需要BCC结构。开发能同时提本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2015.03.26 US 14/669,3371.一种磁性材料，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。6.一种磁隧道结，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，其中绝缘隧道势垒层设置在所述磁自由层和所述磁固定层之间。10.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡国菡，DC沃利奇，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US