用于自旋扭矩磁随机存取存储器中的垂直各向异性的种子层和自由磁性层制造技术

一种磁性层，其包括至少包含钽的种子层和至少包含铁的自由磁性层。所述自由磁性层生长在所述种子层的顶上且所述自由磁性层为垂直磁化的。所述磁性层可包括在磁隧道结（MTJ）叠层中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及磁随机存取存储器，更具体而言，涉及针对具有用于垂直各向异性的种子层(seed layer)和自由磁性层的自旋扭矩(spin-torque)存储器而最佳化的材料。
技术介绍
自旋扭矩磁随机存取存储器(MRAM)器件使用二端式的基于自旋扭矩的存储器元件，该存储器元件包括位于磁隧道结(MTJ)叠层中的钉扎(pinned)层、隧道势垒层和自由层，如图I和2中所示。例如，在图I中，MTJ叠层10包括钉扎层12、隧道势垒层14和自由磁性层16。钉扎层12的磁化固定在某个方向上(例如，在水平向右方向上(如图I中所示)或在垂直向上方向上(如图2中所示))。向上传递通过MTJ叠层10的电流使自由磁性层16平行于钉扎层12，而向下传递通过MTJ叠层10的电流使自由磁性层16反平行于钉扎层12。较小电流(具有任一极性)用于读取该器件的电阻，该电阻取决于自由层16与钉扎层12的·相对取向。如图I中所示，自由磁性层16和钉扎层12使其磁化位于可导致高切换电流的平面中。图2为包括钉扎层22、隧道势垒层24合自由磁性层26的MTJ叠层20的实例，其中自由磁性层26和钉扎层22的磁化垂直于平面。层22和层26具有垂直磁各向异性(PMA)。与MTJ叠层20有关的一些问题包括具有垂直各向异性的磁性材料的数目极少，且这些材料在用于自旋扭矩MRAM器件中时具有基本问题。例如，一些材料对于MTJ叠层的隧道势垒层来说具有低的磁阻(MR)且其它材料必须在高温(例如，50(TC)下生长。
技术实现思路
本专利技术提供最佳材料选择(material choice)的磁隧道结(MTJ)叠层,这些材料选择具有垂直磁各向异性(PMA)，为MTJ叠层的隧道势垒层提供高的磁阻(MR)，且可在室温下生长。根据本专利技术的实施例，提供一种磁性层。所述磁性层包括种子层，其至少包含钽；以及自由磁性层，其至少包含铁。所述自由磁性层生长在所述种子层的顶上且所述自由磁性层为垂直磁化的。根据本专利技术的一个实施例，提供一种MTJ叠层。所述MTJ叠层包括种子层，其至少包含钽；以及自由磁性层，其至少包含铁。所述自由磁性层生长在所述种子层的顶上且所述自由磁性层为垂直磁化的。根据本专利技术的另一实施例，提供一种基于自旋扭矩的磁随机存取存储器(MRAM)器件。所述基于自旋扭矩的MRAM器件包括MTJ叠层，所述MTJ叠层包括种子层，其包含钽；以及自由磁性层，其至少包含铁。所述自由磁性层生长在所述种子层的顶上且所述自由磁性层为垂直磁化的。根据本专利技术的又一实施例，提供一种自旋扭矩MRAM器件。所述基于自旋扭矩的MRAM包括多层(multi-layer) MTJ叠层，所述多层MTJ叠层包括多个种子层，每个种子层包含钽；以及多个自由磁性层，所述多个自由磁性层至少包含铁，其中所述多个自由磁性层中的每个自由磁性层以层叠的方式生长在所述多个种子层中的每个种子层的顶上，且所述多个自由磁性层中的每个自由磁性层为垂直磁化的。通过本专利技术的技术实现其他特征和优点。在本文中详细描述本专利技术的其它实施例和方面且将其视为要求保护的本专利技术的一部分。为了更好地理解具有这些优点和特征的本专利技术，参考该描述和附图。附图说明在本说明书的结尾处的权利要求书中具体地指出和明确地要求保护被视为本专利技术的主题。通过结合附图给出的以下详细描述，本专利技术的顶上述和其他特征以及优点将显而易见，在附图中图I和2为示例出常规磁隧道结(MTJ)叠层的图； 图3为示例出可在本专利技术的实施例中实现的MTJ叠层的种子层和自由磁性层的图；图4为示例出可在本专利技术的替代实施例中实现的包括隧道势垒层的图3中所示的MTJ叠层的图；图5为示例出可在本专利技术的实施例中实现的形成于MTJ叠层的种子层与自由磁性层之间的铁的第一界面材料层的图；图6为示例出可在本专利技术的实施例中实现的形成于隧道势垒层上的铁的第二界面层的图；图7为示例出可在本专利技术的实施例中实现的多层MTJ叠层的图；图8为示例出可在本专利技术的实施例中实现的包括MTJ叠层的磁随机存取存储器(MRAM)器件的图；以及图9为示例出自由磁性层的每单位面积的磁矩以及自由磁性层的各向异性场(Hk)的图。具体实施例方式现参考图3，提供磁性层。如图3中所示，该磁性层可包括至少包含钽的种子层102。或者，该种子层102可包含钽和镁(Mg)，其中Mg少于该组合物的50%。该磁性层还包括至少包含铁(Fe)的自由磁性层104。根据本专利技术的实施例，该自由磁性层104生长在该种子层102的顶上且该自由磁性层104为垂直磁化的。根据本专利技术的实施例，例如，图3中所示的磁性层可被包括在图8中所描述的MTJ叠层中。根据本专利技术的实施例，种子层102包含至少80%的钽，且自由磁性层104包含至少10%的铁。此外，种子层102具有在从约O. 5纳米(nm)至约3纳米(nm)的范围的预定厚度。根据本专利技术的实施例，自由磁性层104可还包括钴(Co)和硼(B)中的至少一者。因此，自由磁性层104可包括例如CoFeB。该CoFeB可具有各种组成。例如，CoFeB组合物可包括60%的Co、20%的Fe和20%的B。根据本专利技术的实施例，Co少于自由磁性层104的组合物的约90%。Fe的组成范围在10%至100%之间；且B少于自由磁性层104的组合物的约40%。本专利技术并不限于使用CoFeB;也可利用其它合适元素。根据本专利技术的实施例，自由磁性层104的预定厚度在从约O. 5纳米(nm)至约I. 5纳米(nm)的范围内。本专利技术公开了最佳MTJ叠层材料选择的实例，这些最佳MTJ叠层材料选择提供自旋扭矩切换式MTJ的集成存储器应用所需的切换特性。例如，根据本专利技术的一个实施例，自由磁性层104具有高的磁阻(MR)。根据本专利技术的另一实施例，自由磁性层104为体心立方结构(BCC)。根据本专利技术的另一实施例，自由磁性层104不为LlO晶体结构(即，相)。根据本专利技术的实施例，隧道势垒层形成于自由磁性层104的顶上，现将参考图4进行描述。如图4中所示，隧道势垒层106形成在自由磁性层104上。该隧道势垒层106由例如氧化镁(MgO)形成。该隧道势垒层106向MTJ叠层添加各向异性。根据本专利技术的另一实施例，固定钉扎层107可生长在隧道势垒层106的顶上。此外，根据本专利技术的当前实施例，可在种子层102与自由磁性层104之间生长界面层，如图5中所示。在图5中，提供包含Fe薄层的界面层108。根据本专利技术的实施例，该界面层108形成为具有小于0.5纳米(nm)的预定厚度。根据本专利技术的实施例，种子层102可包括约2纳米(nm)的钽；界面层108可包括约O. 3纳米(nm)的铁；且自由磁性层104可包括约O. 7纳米(nm)的CoFeB。根据本专利技术的实施例，界面层108可为第一界面层。在MTJ叠层中可包括另外的界面层(例如，第二界面层)，如下文参考图6所论述的。如图6中所示，根据本专利技术的另一实施例，还可提供由Fe的薄层形成的第二界面层110，以向自由层-隧道势垒层界面添加各向异性。该第二界面层110可具有小于或等于约O. 5纳米(nm)的预定厚度。根据本专利技术的实施例,MTJ叠层100可包括约2纳米(nm)的Ta的种子层102 ;约O. 3纳米(nm)的Fe的第一界面层；约O. 7纳米(nm)的CoFeB的自本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·C·沃莱吉，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：
国别省市：