本发明专利技术公开了一种合成反铁磁、一种磁性隧穿接合元件以及一种层状结构的制造方法，其中，合成反铁磁可作为磁性隧穿接合的参考层，其包含有x+1层的磁性子层以及x个与其交错配置的非磁性空间隔层，且层状堆栈最上方和最下方皆为磁性子层，每一个非磁性空间隔层具有上表面与下表面，以与相邻的磁性子层形成界面并建立反铁磁耦合，垂直磁性非等向性会受到导引而穿过空间隔层的界面来进入每一个磁性子层，因而施加于自由层的偶极场相对于由现有的合成反铁磁参考层所产生的偶极场会明显降低，其中当非磁性空间隔层为钌、铑或铱时，磁性子层以钴为佳。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本案相关于:案号:HT12-011、申请号:13/609, 780、申请日:9/11/12由共同转让人申请的案件，其可整体结合来参考。本专利技术涉及一种磁性隧穿接合(MTJ)，由于多个空间隔层形成于参考层的子层间，使其层状参考层具有垂直磁性非等向性(PMA)，并能施加降低的偶极场(Ho)于自由层上，其中每一空间隔层与邻接的磁性子层间建立反铁磁性耦合，且于磁性子层间的界面导入垂直磁性非等向性。
技术介绍
基于结合硅互补式金氧半场效晶体管与磁性隧穿接合(MTJ)技术的磁阻性随机存取存储器(MRAM)是目前主要新兴的技术，相对于现存的半导体内存，例如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、以及闪存(Flash)相当有竞争力；相似地，C.Slonczewski于磁性多层的电流驱动激励一文(参见1996年磁学与磁性杂志第159卷L1-L7)中所描述于自旋转移力矩随机存取内存(STT-RAM)中自旋转量转移(自扭力)的磁化切换，由于其在千兆位规格的铁电性装置(spintronic devices)的应用，从而于近年来受到广泛关注。自旋转移力矩随机存取内存具有基于穿隧式磁阻(TMR)效应的磁性隧穿接合元件，其中多个堆栈层配置使得两个铁磁层可以通过薄非磁介电层来加以隔离，磁性隧穿接合元件一般形成于下电极(譬如为第一传导线)以及上电极(譬如为第二传导线)之间，且位于上电极覆盖下电极的位置上；而磁隧结堆栈层可能具有下自旋转阀，其配置有种子层、参考层、薄穿隧阻障层、铁磁自由层以及覆盖层，其依序形成于下电极层，参考层具有固定的磁化方向，自由层具有磁矩，且其平行或是逆平行于参考层的磁矩。穿隧阻障层够薄，从而能够使由传导电子的量子力学穿隧而建立的电流通过；当感应电流以垂直于磁性隧穿接合层的方向由上电极至下电极通过时，当参考层与自由层的磁化方向处于平行状态(内存状态O或P)时，会侦测到低阻抗，而当处于逆平行状态(或内存状态I或AP)时，则会侦测到高阻抗。相较于传统的MRAM，自旋转移力矩或STT-RAM具有可以免除半选取问题以及相邻单元写入干扰的优点，自旋转移效应由铁磁层-间隔层-铁磁层的自旋电子传输特性而产生；于电流垂直膜面的设定下，当自旋极化电流横向于磁性层，发生于铁磁层的电子的自旋角动量会与靠近铁磁与非磁性间隔层的界面的铁磁层的磁矩交互作用，通过此交互作用，电子会传输部分角动量至铁磁层，使得自旋极化电流于电流密度够高且多层结构尺寸够小的情况下，可以切换铁磁层的磁化方向；STT-RAM与传统MRAM仅在写入程序上有所差异，读取机制是相同的。一般说来，参考层与自由层的磁矩位于共面方向，然而，由于诸多因素，设计垂直磁性非等向性(PMA)于上述层内，使其磁化方向为垂直平面会有许多优点；垂直磁性非等向性的来源可能为内在固有的，或是也可以由铁磁层于界面上具有氧化层来加以导入，举例来说，于铁磁层的厚度可小于阈值位准的状况。具有垂直磁性非等向性的铁磁性装置相较于基于共平面非等向性MRAM，具有能够满足热稳定性需求且无单元细胞深宽比限制的优点；因此，基于垂直磁性非等向性的自旋阀结构能具有较高堆栈密度，此即为MRAM应用与其他铁磁性装置未来挑战的关键。于MRAM或是STT-MRAM内的磁性隧穿接合，参考层一般施加杂散磁场于自由层上，从而使其倾向于P或是AP状态，杂散场(Ho)具有与平行板状电容的边缘的非均匀电散逸场相似的型态。如图1所示，来自参考层I的杂散场(Ho)4撞击于自由层3上，其中例如为穿隧阻障层的介电空间隔层2将自由层与参考层分隔。当参考层I为复合层时，净杂散场4将会是于参考层堆栈的多个相似层的散逸场加上可能附加的均匀有效的中间层耦合场；自由层容易受到随机热扰动，而杂散场(Ho)会于两个状态(比P或AP状态更加热稳定)建立不同的热稳定性，因自由层的抗磁性(He)所产生的不对称，故杂散场最稳定状态应当为O。如图2所示，合成反铁磁(SAF)结构18 —般具有参考层来降低撞击到自由层17的杂散场的强度，合成反铁磁堆栈包含有两个铁磁层11 (AP2)、13(AP1)，其通过中间的非磁性层12 ( 一般为钌)来产生反铁磁耦合。而穿隧阻障层16形成于反铁磁结构18与自由层17之间；通过40纳米的STT-MRAM内的反铁磁结构18所施加的净杂散磁场(Ho)，一般会大于500奥思特(Oe)，其如同自由层相同抗磁性强度，为无法接受的高值。因此，需要改进的参考层来产生约比电流磁性隧穿接合较小的杂散磁场，且具有至少400°C的热稳定性，并维持例如为高磁阻(MR)率等其他磁特性。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提出一种针对自旋转移力矩随机存取内存(STT-RAM)或是其他具有垂直磁性非等向性(PMA)且杂散磁场小于100奥思特(Oe)的铁电装置，相较于现有的具有AP2/钌/APl配置的合成反铁磁参考层，能明显使其杂散磁场降低。本专利技术的第二个目的在于提出一种根据第一目的的层状参考层，其中层状参考层的热稳定性至少为400°C，且能达到包含高磁阻率、低电阻一面积乘积(RA)值等磁场特性。根据本专利技术所公开的实施例，其达成针对例如为读写头、磁阻性随机存取存储器(MRAM)的自旋转移振荡器或微波辅助磁纪录(MAMR)等的铁电装置应用的具有下自旋阀配置的磁性隧穿接合(MTJ)，其中磁性隧穿接合包含有多堆栈层，其包含依序形成于基板的复合种子层、具有通过非磁性空间隔层所隔离的磁性子层的层状参考层、穿隧阻障层、自由层以及覆盖层。种子层例如可以包含氮化钽/镁/镍铬，且强化(111)平面并于重迭层具有PMA特性；根据一实施例，层状参考层包含(钴/钌)x/钴、(钴/钌)x/钴、或(钴/钌)X/铱，其中X为I?15之间的层数，其也可以利用钒、钼或是锇来取代钌。层状参考层30中的一个或是一个以上钴层可以替换为富含钴铁合金的钴或是CoM合金，其中M可以是钽、钛、镁、钨、钌、铑、铪、锆、硼或铌，且分子百分比低于5% ;例如较佳为(钴/钌)x/钴铁以及(钴/钌)x/钴配置。每一钴、钴铁或CoM合金层的厚度较佳为4?15埃，以使铁电性装置具有足够的PMA，随着磁性子层的厚度的降低，相邻磁性子层之间的反铁磁耦合就会增加。而非磁性空间隔层的厚度则取决于其材料，例如非磁性空间隔层的材料为钌时，其厚度较佳为4、9或14埃，以与相邻的钴层建立反铁磁耦合；当非磁性空间隔层的材料为铑层时，则厚度为1.5或是3埃则能完成最佳的反铁磁耦合。因此，每一磁性子层所产生的偶极场会被相邻子层抵消，当磁性子层磁矩被近似磁化，则能认为具有高抗磁性。于另一实施例中，薄钽打底层与例如为钴铁硼或钴铁硼/钴的过渡层可以插入于层状参考层与穿隧阻障层之间，打底层接触于层状参考层的最上层，而过渡层接触于穿隧阻障层，因而可使氧化镁穿隧阻障层的六方最密堆积结构的(100)平面增强磁阻率。于又一实施例中，提出上自旋阀结构，其中第一实施例中的层状参考层与自由层的位置互换；在所有实施例中，自由层可为单层或是复合层，其每一层包含有钴、铁或镍中的至少一种，进一步来说，其可能具有例如为硼的非磁性元素于前述单层或是复合自由层中；另一实施例中，自由层也可具有例如为钴铁硼/钌/钴铁的合成反铁磁结构。本专利技术所公开本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种合成反铁磁，形成于一基板，其特征在于，包含：多个x+1层的磁性子层，其具有垂直磁性非等向性，并由钴或CoM合金构成，其中M为钽、钛、钨、镁、钌、铑、铪、锆、硼或铌，且分子百分比低于5％，x为1～15；以及x层的非磁性空间隔层，与该多个磁性子层形成交错配置而成一层状堆栈层，其中该堆栈的最底层和最上层分别为一磁性子层，每一该非磁性空间隔层具有一上表面与一下表面，以与相邻的该磁性子层形成一界面并建立反铁磁耦合，进而导引垂直磁性非等向性进入相邻的该磁性子层。
【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：诺真·杰，童儒颖，
申请(专利权)人：海德威科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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