描述了一种磁性器件和提供磁性器件的方法。该磁性器件包括基板、覆盖基板的MnxN层、在室温下为非磁性的多层结构、以及第一磁性层。MnxN层具有2≤x≤4.75。该多层结构包括Co和E的交替的层，其中E包括包含Al的至少一种其它元素。该多层结构的组成由Co1‑xEx表示，x在从0.45到0.55的范围内。第一磁性层包括赫斯勒化合物。第一磁性层与该多层结构接触，并且第一磁性层形成磁隧道结的部分。
Magnetic devices including Hessler compounds and methods of providing magnetic devices
【技术实现步骤摘要】
包括赫斯勒化合物的磁性器件和提供磁性器件的方法
本专利技术属于磁随机存取存储器(MRAM)领域，更具体地，属于依赖自旋转移矩的MRAM器件领域。
技术介绍
磁隧道结(MTJ)形成承诺高性能和高耐久性而且具有被缩小到极小尺寸的潜力的新的非易失性磁随机存取存储器(MRAM)的基本存储元件。磁隧道结(MTJ)由通过超薄绝缘层隔开的两个磁性电极的三明治式结构组成。这些层中的一层形成存储器或存储层，另一层形成磁性结构在MRAM的操作期间不变的参考层。在参考磁性电极与存储磁性电极之间隧穿的电流是自旋极化的：自旋极化的大小由磁性电极的电子特性和隧道势垒的“自旋过滤”特性的组合决定。在当前的MRAM中，无论形成存储层的电极的磁化取向为与参考电极的磁化平行还是反平行，MTJ的磁性状态通过使电流穿过MTJ而改变。固有自旋极化的电流传递自旋角动量，一旦超过阈值电流，就会导致磁存储电极力矩方向的切换。这种自旋角动量的传递产生自旋转移矩(STT)，并且通过这种方法切换的磁存储电极被称为STT-MRAM。当电极的磁化垂直于层取向时，切换电流的大小减小。该电流的大小受到用于提供写入电流的晶体管的尺寸限制。这意味着可切换磁性电极(存储电极)的厚度必须足够小，使得其能通过可用电流被切换。因此，对于～1000emu/cm3的磁化值，电极必须具有不超过约1nm的厚度。如今正在探索的用于密集型MRAM的MTJ的最有希望的材料包括由Co、Fe和B的合金形成的铁磁电极、以及由MgO形成的隧道势垒(参见帕金(Parkin)专利)。铁磁电极被制造得足够薄，使得这些电极的磁化垂直于这些层取向。Co-Fe-B层的垂直磁各向异性(PMA)来自这些层与隧道势垒和/或其上沉积Co-Fe-B层的下层之间的界面。因此，这些层必须被制造得足够薄，使得界面PMA克服退磁能，退磁能来自磁量并且与Co-Fe-B层的磁量成比例地增大。实际上，这意味着当器件尺寸减小到～20nm以下的尺寸时，PMA太弱而无法克服热波动，因为磁性层的厚度必须低于保持其力矩垂直所需的厚度且低于以合理的电流密度切换磁性层所需的厚度。到目前为止，MRAM器件中其磁矩能通过STT切换的磁性材料具有界面各向异性、形状各向异性或无各向异性。这样的材料不允许MRAM器件缩小到～20nm以下的尺寸。需要用于表现出比Co-Fe-B展现的PMA大得多的PMA且优选该PMA来自电极的体积或尺寸的铁磁电极的新材料。具有这种性质的有前景的一类磁性材料是赫斯勒化合物。赫斯勒合金是化学式为X2YZ或X'X”YZ的化合物，其中X、X'、X"和Y是过渡金属或镧系元素(稀土金属)，Z来自主族金属。赫斯勒化合物具有(在皮尔森表中定义的)Cu2MnAl类型的结构，该结构中元素设置在4个穿插的面心立方(fcc)晶格上。许多化合物(～800)在该族中已知(T.Grafet.al.,ProgressinSol.StateChem.39,1(2011))。由于X和/或Y位点上的磁矩，这些化合物中的一些是铁磁性或亚铁磁性的。此外，虽然母体赫斯勒化合物是立方体并且表现出弱的或不显著的磁各向异性，但这些化合物中的一些的结构也被发现四方变形：由于这种变形，这些化合物所表现出的磁化可以优选地沿四方轴排列。因此，由这种材料形成的薄膜可以由于与其四方变形结构相关的磁晶各向异性而表现出PMA。这种四方赫斯勒化合物的一些已知示例是Mn3Z(其中Z＝Ga、Ge、Sn和Sb)或Mn2CoSn。至今，使用导电下层在Si/SiO2基板上由赫斯勒合金形成的磁性电极的厚度远远超过1nm的厚度。至今最薄的层用于赫斯勒化合物Mn3Ge，对于赫斯勒化合物Mn3Ge，薄至5nm的层显示出垂直磁各向异性和合理的方形磁滞回线。在化学模板层(CTL)上生长的表现出较大PMA的这些材料的超薄膜(～1nm厚)需要使用诸如MgO(100)的单晶基板或在Si/SiO2基板上使用MgO籽晶层。这种单晶基板或使用MgO作为部分籽晶层对STT-MRAM应用是无用的，STT-MRAM应用中MTJ必须沉积在现今基于CMOS的技术中由多晶铜形成的导线上，该多晶铜可以覆盖有也为多晶或非晶的其它层。为了能够使用超薄的四方赫斯勒化合物作为通过STT可切换的磁性电极用于MRAM，需要在非晶或多晶基板或层上形成这些化合物的方法。
技术实现思路
描述了一种磁性器件。该磁性器件包括基板、覆盖基板的MnxN层、在室温下为非磁性的多层结构、以及第一磁性层。MnxN层具有2≤x≤4.75。该多层结构包括Co和E的交替的层，其中E包括包含Al的至少一种其它元素。该多层结构的组成由Co1-xEx表示，x在从0.45到0.55的范围内。第一磁性层包括赫斯勒化合物。第一磁性层与该多层结构接触，并且第一磁性层形成磁隧道结的部分。描述了一种提供磁性器件的方法。该方法包括使用磁性器件作为存储元件，该磁性器件包括：基板、覆盖基板的MnxN层、在室温下为非磁性的多层结构、第一磁性层、隧道势垒、以及与隧道势垒接触的第二磁性层。MnxN层具有2≤x≤4.75。该多层结构包括Co和E的交替的层，其中E包括包含Al的至少一种其它元素。该多层结构的组成由Co1-xEx表示，x在从0.45到0.55的范围内。第一磁性层包括赫斯勒化合物。第一磁性层与该多层结构接触，并且第一磁性层形成磁隧道结的部分。隧道势垒覆盖第一磁性层从而允许电流穿过隧道势垒和第一磁性层两者。描述了一种磁性器件。该磁性器件包括基板、在室温下为非磁性的多层结构、第一磁性层、覆盖第一磁性层的隧道势垒、以及与隧道势垒接触的第二磁性层。该多层结构包括Co和E的交替的层，其中E包括包含Al的至少一种其它元素。该多层结构的组成由Co1-xEx表示，x在从0.45到0.55的范围内。该多层结构覆盖基板。第一磁性层包括赫斯勒化合物。第一磁性层与该多层结构接触。第二磁性层具有可切换的磁矩。附图说明图1：对于在溅射气体中以不同的N2含量生长的Mn氮化物膜由RBS确定的Mn:N的比例。图2：测量自不同温度下生长的Mn4N膜的均方根粗糙度rrms。图3：作为Mn/N比例的函数的MnN膜的均方根粗糙度rrms和电阻率。图4：MnxN膜的面外X射线衍射θ-2θ扫描，其中x＝1、2、3、3.76、4和4.75。图5：由图4中显示的XRD数据确定的MnxN膜的面外晶格常数。图6：MnxN/CoAl层的面外X射线衍射θ-2θ扫描，其中x＝1、2、3、3.76、4和4.75。图7：在沉积态以及在300℃退火30分钟后测量自室温下沉积在MnxN/CoAl层上的Mn3Sb赫斯勒化合物的P-MOKE磁滞回线，其中x＝1、2、3、3.76、4和4.75。图8：在沉积态以及在1T的外加场中在300℃、350℃和400℃连续退火半小时后对各种厚度的Mn3Ge赫斯勒化合物测量的P-MOKE磁滞回线的矫顽力。图9：沉积在CIPT基板上的典型MTJ器件堆叠的示意图。图10：对图9中描述的堆叠测量的VSM磁滞回线。图11：MTJ器件电导与器件面积的关系的图。实线显示对电导数据的线性最小二乘拟合。图12：左侧插图所示的代表性MTJ器件的剖视图的透射电子显微镜(TEM)图像。该区域以高分辨率成像。右下角的插图显示了该区域的扩展视图。图13本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种磁性器件，包括：基板；覆盖在所述基板上的MnxN层，其中2≤x≤4.75；在室温下为非磁性的多层结构，所述多层结构包括Co和E的交替的层，其中E包括包含Al的至少一种其它元素，其中所述多层结构的组成由Co1‑yEy表示，y在从0.45到0.55的范围内；以及包括赫斯勒化合物的第一磁性层，所述第一磁性层与所述多层结构接触并且所述第一磁性层形成磁隧道结的部分。
【技术特征摘要】
2018.04.03 US 62/763,123;2018.08.31 US 16/119,7851.一种磁性器件，包括：基板；覆盖在所述基板上的MnxN层，其中2≤x≤4.75；在室温下为非磁性的多层结构，所述多层结构包括Co和E的交替的层，其中E包括包含Al的至少一种其它元素，其中所述多层结构的组成由Co1-yEy表示，y在从0.45到0.55的范围内；以及包括赫斯勒化合物的第一磁性层，所述第一磁性层与所述多层结构接触并且所述第一磁性层形成磁隧道结的部分。2.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述第一磁性层的磁矩垂直于所述多层结构与所述第一磁性层之间的界面。3.根据权利要求2所述的磁性器件，其中所述第一磁性层具有小于5nm的厚度。4.根据权利要求2所述的磁性器件，其中所述第一磁性层具有小于3nm的厚度。5.根据权利要求2所述的磁性器件，其中所述第一磁性层具有一个晶胞的厚度。6.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述赫斯勒化合物选自包括Mn3.1-zGe、Mn3.1-zSn和Mn3.1-zSb的组，z在从0到1.1的范围内。7.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述赫斯勒化合物是三元赫斯勒。8.根据权利要求7所述的磁性器件，其中所述三元赫斯勒是Mn3.1-sCo1.1-tSn，其中s≤1.2且t≤1.0。9.根据权利要求1所述的磁性器...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑在佑，MG萨曼特，SSP帕金，Y费兰特，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：美国,US
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