用于垂直磁力异向性薄膜的种子层的利记博彩app
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磁性装置，使用具有垂直磁力异向性(PMA)的薄膜磁性层，尤其涉及一种用于强化此种装置的PMA特性的种子层。
【背景技术】
[0002]当今许多利用薄膜沉积的磁性装置，其磁性薄膜可以具有面内(沉积面)磁化方向、面外(即，垂直于膜面)磁化方向-这通常被称为垂直磁力异向性(PMA)，甚至磁性薄膜还可具有在这两种方向上的分量。此种装置包括，但不限于以下所列:
[0003](1)各种磁性随机存取存储器(MRAM)，例如，PMA(或部分PMA)自旋转矩的MRAM，其中的磁性薄膜可作为固定层、参考层、自由层、或偶极(偏移补偿)层；
[0004](2)各种PMA自旋阀、隧道阀(磁性隧穿接合(MTJs))和使用于磁性传感器与磁性数据储存器的PMA媒体；及
[0005](3)其他自旋电子装置。
[0006]在这些装置中使用PMA层有诸多原因。例如，在自旋转矩MRAM中，PMA层除了其它优点外，还提供了较好的功能性、较好的热稳定性并可减少交换电流。
[0007]而PMA的来源可能来自所选择的材料的固有特性，或者，也可能源自于层间界面。为了让PMA达到更好的控制，通常会使用包括至少一种铁磁材料的多层结构。
[0008]钴/镍多层系统为其中一种多层结构。这种系统中的PMA源自于面心立方(FCC)
(111)取向的钴/镍界面的电子能带匹配(参见1992年，Daalderop等人，物理评论快报第68卷第682页)。为了促进平滑且更好的FCC(lll)取向于钴/镍多层中生长，通常需要缓冲层和/或种子层。针对这点，图1 (a)、图1 (b)和图1 (c)绘示了适用于PMA多层系统的FCC(lll)层状结构的配置。
[0009]图1(a)绘示一种FCC(lll)取向的PMA层，其成长于缓冲层和种子层上。图1(b)绘示一种体心立方(BCC)取向的PMA层，例如铁基PMA层，其成长于氧化镁穿隧阻障层上。图1(c)绘示一种FCC(lll)取向的PMA层，其成长于BCC、铁基的PMA层上，且通过种子层于BCC和FCC对称结构之间形成平滑过渡。
[0010]本发明中，缓冲层(如图1(a)所示)是用于产生光滑且平坦的表面的一个层，以利于陆续沉积的各层可相对地光滑且平坦的成长。另一方面，种子层(如图1(a)和图(c)所示)是作为一个模板，以产生特定结晶取向成长的后续沉积层(如于图1(a)和图(c)中的FCC的成长)。典型的缓冲层(其余者恕不尽述)为钽/氮化铜、氮化钽/铜和钌/钽。典型用于钴/镍多层的种子层为铜、氮化铜和镍铬，其晶体结构类似于钴和/或镍。尽管本发明的主要重点是以钴/镍材料系统作为重要示例，然而，类似的PMA多层系统，例如(钴，铁)/钼、(钻，铁)/钮、钻/ f了、钻/银/钼和钻/银/铁/钼，也都可从此处所描述的方法来获得。
[0011]特别的是，本发明的方法主要是为了解决目前使用于穿隧磁阻(TMR)装置的多层结构中的材料组合所面临的问题，其结构包括薄氧化镁隧道障壁层和含铁铁磁层的界面。问题在于，由于PMA发生于单一界面，这种结构的厚度需要限制在能保持PMA条件的范围内。由于磁性层变得越厚时，PMA场将会减少，并且，最终将由去磁场所克服(见后面所列示的方程式(1))。反过来说，这将导致磁化于膜面内的移动。因此，仅使用氧化镁界面作为PMA的来源实难以让磁化方向维持良好的热稳定性。现有技术中，如由Girt等人(美国专利案7666529)和Wang等人(美国公开专利申请案2012/0141836)所教示内容，虽探讨了有关不同晶体结构间界面的各个方面，但并未对于在此所要解决的问题作进一步论述。
【发明内容】
[0012]本发明的第一个目的在于提供一种方法，当垂直膜面的磁力异向性(PMA)发生于层间界面时，让整个系列的膜层保持于垂直膜面的磁力异向性。
[0013]本发明的第二个目的在于提供一种方法，特别于氧化镁和含铁铁磁材料之间的界面中良好的应用作为示例，但它也适用于其他层间界面。
[0014]本发明的第三个目的在于提供一种方法适用于氧化镁与含铁铁磁层的界面，其属于PMA多层系统，如钴/镍层状系统的一部分。
[0015]本发明的第四个目的在于提供一种方法适用于氧化镁与含铁铁磁层的界面，其属于PMA多层系统，如(钻，铁)/钼、(钻，铁)钮、钻/ I了、钻/银/钼、和钻/银/铁/钼层状系统的一部分。
[0016]本发明的第五个目的在于于具有BCC和FCC晶体对称结构的膜层之间提供良好结合的方法，以实现前述目的。
[0017]本发明的第六个目的在于提供一种于预形成的非晶层上诱发晶体结构的方法，其在退火过程中作为晶体形成的模板的顶部覆盖层。
[0018]为了满足这些目的，本发明将通过结合该些方法来成长图1 (a)、图1 (b)和图1 (c)所示出的PMA层。通过这些方法，PMA将会发生于氧化镁/铁界面及成长于该界面上的PMA顶层两处。而顶层最有可能是如图1(c)所示的FCC(lll)取向的钴/镍多层构造。此外，可能更有利的是可以保持FCC的PMA层和BCC层之间的磁耦合，意即，RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)长程親合、交换親合、和/或偶极親合。
[0019]不幸的是，要找到能够从BCC到FCC晶体对称结构形成平滑结晶过渡的材料是具有挑战性的。常用来实现此一目的材料是铬及其合金，但是已知这些材料会使穿隧磁阻(TMR)效应变差，因为它们会扩散到氧化镁隧道障壁层附近或在其里面扩散。因此，本发明提出使用钼，连同铌和钒，来形成BCC和FCC晶体对称性材料之间的过渡层。本方法以下面三种膜层作为示例:
[0020](#1)硅/ 二氧化硅/打底层/铁钴硼/氧化镁/铁钴硼(1.2纳米)/钼(1.0纳米)/[钴0.23纳米/镍0.46纳米]x6/钽/覆盖层。(注意，钴的厚度范围可介于0.5埃?5埃，而镍的厚度范围可介于2埃?10埃)
[0021](#2)硅/ 二氧化硅/打底层/铁钴硼/氧化镁/铁钴硼(1.2纳米)/钼(1.2纳米)/[钴0.23纳米/镍0.46纳米]x6/钽/覆盖层。(注意，钴的厚度范围可介于0.5埃?5埃，而镍的厚度范围可介于2埃?10埃)
[0022](#3)硅/ 二氧化硅/打底层/铁钴硼/氧化镁/铁钴硼(1.2纳米)/钼(1.4纳米)/[钴0.23纳米/镍0.46纳米]x6/钽/覆盖层。(注意，钴的厚度范围可介于0.5埃?5埃，而镍的厚度范围可介于2埃?10埃)
[0023]这三种配置的差别在于钼过渡层的厚度，其沉积后于400°C下退火30分钟，然后，以磁极柯尔量测仪并施以垂直膜面的磁场进行量测。结果发现，本发明已经实现上述目的，下面将说明其详细情形。
【附图说明】
[0024]图1 (a)?图1 (c)为三种使用不同晶体对称结构的利记博彩app来成长PMA层的示意图；
[0025]图2为对应于膜层#1且于图4中讨论的特殊层状配置的示意图；
[0026]图3为三种包含不同厚度的钼过渡层的沉积膜层的科尔强度相对于外部磁场的关系图；
[0027]图4为对应膜层#1的图形化膜的磁阻曲线；
[0028]图5 (a)和图5 (b)为钼覆盖层作为模板应用的示意图。
【具体实施方式】
[0029]本发明提供了一种于层状结构中提供增强垂直磁力异向性(PMA)的方法，其PMA源自氧化镁和含铁铁磁层之间的界面，并通过过渡层，如钼层，有利于体心立方(BCC)和面心立方(FCC)的晶体对称结构之间的平滑过渡。
[0030]有关磁性随机存取内存(MRAM)装置的开发的最新进展，是将源自氧化镁和铁或铁合金的界面的高界面PMA运用为铁磁层(如图1 (b))，其中铁合金包含铁钴硼、铁硼等等。类似前述的钴/镍界面，氧化镁/铁界面提供了强而有力的PMA来源(请参见2010年，Ikeda等人，自然材料第9卷第721页)。这种材料的结合(及其界面特性)对于用在MRAM中的存储元件中来构建高质量的磁性隧穿接合(MTJs)是非常有利的，因为这些MTJ装置一般会使用薄氧化镁隧穿阻障层，也在铁基铁磁电极间提供了额外的自旋过滤(请参见2001年，Butler等人，物理评论B第63卷第054416页)。这使得穿隧磁阻(TMR)比值高于100%。此高比值取决于氧化镁(001) [100]/铁(001) [110]界面具有良好的晶格匹配。因为氧化镁具有岩盐矿(rocksalt)晶体结构，而铁具有体心立方(BCC)晶体结构，在氧化镁(001) [100]/铁(001) [110]界面的晶格匹配可以达到仅有些许百分比的不匹配。
[0031]不幸的是，如先前的简要说明，PMA发生于单一界面，这种材料结合的厚度得限制在能保持PMA特性的范围内。由于磁性层变得越厚，PMA场会减少，且最终将由去磁场所克月艮(见以下方程序(1))。这将导致膜层的磁化从垂直膜面移动至膜面内。因此，仅使用氧化镁界面作为PMA的来源将难以实现稳定的垂直度和热稳定性。本发明可以期望如果PMA和总磁矩可以独立控制，将使得热稳定性及其它性质可以获得改善。
[0032](l)Hk = Ks/Mst-DMs
[0033]其中Hk是异向性场，Ks为于氧化镁/铁界面的界面异向性能，D为去磁因子，Ms是每单位体积的饱和磁矩，t是磁性层的厚度。
[0034]—种将源自单一界面的PMA维持在良好特性的方法，是结合图1(a)和图1(b)的成长结构，其中PMA将发生于氧化镁/铁界面和此界面上方的PMA顶层两处。而顶层最可能有如图1(c)所示的钴/镍多层构造的FCC(lll)取向层。另外，可能更有利的是可以保持在FCC PMA层和BCC层之间的磁耦合(RKKY、交换、偶极)。如上所述，如铬及其合金的材料，已知可促进不同晶体对称结构的耦合，也容易扩散到氧化镁层或其附近，从而降低其效用。
[0035]因此，总结上述情况，本发明提出使用钼(或铌或钒)，而不是铬，来作为BCC和FCC晶体对称结构之间的过渡层。为了将钼的特性予以建立，并同时扩展到铌和/或钒，本发明针对下述类型的多层沉积结构进行分析，其中钴/镍多层形成为六重重复的钴/镍结构，且其中钴的厚度约为0.23纳米，镍的厚度约为0.46纳米，而且钴的厚度范围可介于0.5埃?5埃，镍的厚度范围可介于2埃?10埃:
[0036](#1)硅/ 二氧化硅/打底层/铁钴硼/氧化镁/铁钴硼(1.2纳米)/钼(1.0纳米)/[钴0.23纳米/镍0.46纳米]x6/钽/覆盖层。(注意，钴的厚度范围可介于0.5埃?5埃，而镍的厚度范围可介于2埃?10埃)
[0037](#2)硅/ 二氧化硅/打底层/铁钴硼/氧化镁/铁钴硼(1.2纳米)/钼(1.2纳米)/[钴0.23纳米/镍0.46纳米]x6/钽/覆盖层。(注意，钴的厚度范围可介于0.5埃?5埃，而镍的厚度范围可介于2埃?10埃)
[0038](#3)硅/ 二氧化硅/打底层/铁钴硼/氧化镁/铁钴硼(1.2纳米