技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁性材料的領(lǐng)域，更具體地說，涉及用于一方面用于允許將數(shù)據(jù)存儲在電子系統(tǒng)中并且讀取電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)的非易失性隨機存取磁性存儲器中、另一方面用于使用磁性薄層系統(tǒng)技術(shù)的射頻振蕩器的領(lǐng)域中的磁性材料。

背景技術(shù)

在磁性存儲器領(lǐng)域中，自從開發(fā)了在環(huán)境溫度下具有高磁阻的隧道結(jié)，包括這種磁性隧道結(jié)的稱作M-RAM(磁性隨機存取存儲器)的磁性存儲器已經(jīng)引起了極大的關(guān)注。這些隨機存取磁性存儲器具有很多顯著的優(yōu)點：

-速度快(讀寫時間僅幾個納秒)；

-非易失性；

-沒有讀/寫疲勞；

-不受電離輻射影響。

因此，它們正日漸取代基于電容器的充電狀態(tài)的、使用更加傳統(tǒng)的技術(shù)的存儲器(D-RAM、S-RAM、FLASH)。

在這些磁性存儲器中，信息的編碼(“0”或“1”)取決于具有不同矯頑磁性的兩個磁性層的磁化的相對取向(平行還是反平行)，所述兩個磁性層之一稱為“自由的”(即具有可以通過施加外部低密度磁場來改變的磁化方向)，而另一層稱為“釘扎的”(piégée)(即具有不受所述外部磁場影響的磁化方向)。

磁化的相對取向的這種改變修改了這樣形成的兩個層的堆疊的電阻，并且通過在垂直于這些層的平面的方向上注入電流之后測量電壓來讀取磁狀態(tài)。

一般說來，通過在所討論的存儲器單元的位置附近以直角相交的導(dǎo)體中發(fā)送兩個電脈沖來寫入信息。由這些電脈沖在單元處所產(chǎn)生的兩個磁場的疊加以及所注入的電流的方向使得有可能改變“自由”層的磁化方向，因此寫入所討論的信息。

然而，由于制造方法而導(dǎo)致的所有存儲器位置的翻轉(zhuǎn)場(champs?deretournement)的相對寬的分布的存在，使得為了確保磁化的取向的改變必須使用大于所述分布的最高翻轉(zhuǎn)場的外部磁場。這樣，存在意外地反轉(zhuǎn)對應(yīng)行和/或列上的某些存儲器位置(其翻轉(zhuǎn)場可能位于所述分布的較低部分，比由單獨的行或列產(chǎn)生的磁場更弱)的風(fēng)險。

如果我們想要確保任何存儲器單元不會以一行或一列的方式寫入，則在這種情況下必須限制寫入電流以便對于這些存儲器單元而言總不會超過與分布的較低部分對應(yīng)的磁場，其風(fēng)險在于，如果存儲器位置的翻轉(zhuǎn)場處于分布的較高部分，則不會寫入在所述行和列的交叉處所選擇的存儲器單元。換句話說，使用導(dǎo)體的行和列的由磁場進行選擇的這種結(jié)構(gòu)可能容易導(dǎo)致寫入尋址錯誤。

此外，通常已經(jīng)觀測到，隨著存儲器單元的尺寸減小翻轉(zhuǎn)場的平均值增大。這樣需要更大的電流以確保存儲器單元的磁化的實際翻轉(zhuǎn)，而這必然引起所需電功率的增加。

因此，提出了另一種稱為“通過自旋極化電流進行磁化翻轉(zhuǎn)”的寫入技術(shù)。這種技術(shù)涉及通過使用自旋極化電流而不是外部磁場來寫入存儲器單元。事實上，已經(jīng)證明了自旋極化電流能夠通過在極化載流子與所討論的層的磁矩之間的自旋角動量轉(zhuǎn)移來引起磁化的進動甚至反轉(zhuǎn)(例如，見US?A?5?695?864)。

這種技術(shù)的優(yōu)點之一在于以下事實：相同電流行既用于讀取磁性信息又用于寫入磁性信息，這大大地簡化了器件的結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)穿過所討論的磁堆疊的各個層時，電流被極化，并且電子的自旋傾向于將其自身與本地磁化方向?qū)R。如果在電流所穿過的層中沒有去極化，則該極化被維持在第二磁性層中，并且反過來感應(yīng)所述“自由”磁性層的磁化圍繞極化方向的進動。

當(dāng)電流密度增大時，進動錐的角度增加直到對于某個臨界電流而言可能超過90°，因此產(chǎn)生“自由”層的磁化向著與其初始方向相反的方向翻轉(zhuǎn)。

然而，這種特定技術(shù)受到一個嚴重限制。事實上，在這種配置中，為了實現(xiàn)磁化反轉(zhuǎn)，必須克服所述“自由”層的退磁場。對于薄磁性層，這種退磁場傾向于將磁化保持所述層的平面中。然而這種退磁場與材料的磁化成比例，顯然磁化反轉(zhuǎn)必須要注入高強度電流，該電流可能損壞器件，尤其是在磁性隧道結(jié)的情況下通過電擊穿分隔兩個磁性層的絕緣勢壘而損壞器件。

磁性薄層系統(tǒng)也用于射頻振蕩器的領(lǐng)域。射頻振蕩器經(jīng)歷了與移動電話的相應(yīng)發(fā)展直接關(guān)聯(lián)的重大發(fā)展。事實上，移動電話導(dǎo)致了具有非常寬頻帶的振蕩器的應(yīng)用，其具有特別好的相位噪聲性能，并且因此具有高品質(zhì)因數(shù)。

滿足這種需求的一種技術(shù)方案是使用基于電子自旋的射頻振蕩器。使用這種振蕩器允許獲得高品質(zhì)因數(shù)Q情況下的寬頻帶以及容易的頻率可調(diào)諧性，并且此外，允許使用相對簡單的結(jié)構(gòu)。

電流的自旋極化是已知的，其在磁性多層中引起磁阻現(xiàn)象(例如巨磁阻和隧道磁阻)。此外，穿過磁性薄層的這種自旋極化電流可以通過在不存在任何外部磁場的情況下感應(yīng)薄層的磁化的反轉(zhuǎn)或者通過生成持續(xù)的磁激勵(也稱為振蕩)來影響磁性納米結(jié)構(gòu)的磁化。這種激勵的頻率尤其取決于流過納米結(jié)構(gòu)的電流密度。

將產(chǎn)生持續(xù)的磁激勵的效應(yīng)用在磁阻器件中使得有可能將這種效應(yīng)轉(zhuǎn)換為可在以電子電路中直接使用的電阻調(diào)制，當(dāng)然可能在所述頻率上起作用。

然而，使用這些射頻振蕩器遇到的問題之一是要被注入到所討論的磁性系統(tǒng)中的自旋極化電流的密度，由于電擊穿或電遷移現(xiàn)象其能夠?qū)е缕骷膿p壞。

無論預(yù)期的應(yīng)用如何，為了減少寫入信息所需的電流密度，力求獲得磁化自發(fā)地平行于薄層的平面、但可以通過小幅度磁場(或極化電流)的作用而容易地被定向在垂直方向上的薄層磁性材料，或獲得磁化自發(fā)地(沒有任何外部磁場或極化電流)垂直于薄層的平面的薄層磁性材料。

為此，回顧支持這些現(xiàn)象的物理原理。對于單個磁性層(即，例如在襯底上所沉積的磁性材料的薄層，襯底不會引起與所述層的任何特定交互作用)，形狀效應(yīng)(該層的橫向尺寸遠大于其厚度的事實)傾向于將該層的磁化方向保持在該層的平面中(所謂的“平面”磁化)。

如果在垂直于該層的平面的方向上施加幅度逐漸增大的磁場，則該層的磁化方向?qū)⒅饾u離開該平面以便被定向為平行于所施加的場。因此，當(dāng)根據(jù)以下等式所施加的磁場達到垂直飽和場H_sp(H_sp等于與這種磁性材料的每單位體積的磁化M_s成比例的稱作“退磁場”H_dm的場)的值時，該層的磁化方向?qū)⒋怪庇谄矫妫?/p>

H_sp＝H_dm＝4πM_s

為了給出某些值的概念，這種場H_sp對于例如鈷的材料是18千奧斯特(kOe)量級，而對于鎳是6kOe量級。因此，減少這種場H_sp的第一種方式是使用弱磁化的磁性材料。然而，這對于有用信號取決于該磁化的某些應(yīng)用可能是不利的。

減小H_sp的第二種方式是，引入與H_dm相反符號的附加項。如現(xiàn)有技術(shù)公開的隨后部分中所指出的那樣，這種稱作“垂直各向異性”的項H_ap可以是磁晶生成的或由彈性生長張力所感應(yīng)的體積各向異性的結(jié)果，或者可以是由于分界面的電子相互作用而產(chǎn)生的分界面各向異性的結(jié)果。例如，典型的情況是與鈷、鎳或鐵的磁性層接觸的鉑層的影響。

當(dāng)這個附加項存在時，垂直飽和場可以表示如下：

H_sp＝H_dm-H_ap

定性地，隨H_ap增加，垂直飽和場H_sp因此將規(guī)則地減少，直到其接近極限零之前磁性層的磁化總是平行于平面，當(dāng)H_ap超過H_dm時，磁性層的磁化將自發(fā)地(即無需任何施加的磁場)垂直于該層的平面。

還必須注意，根據(jù)下式，在由分界面形成的垂直各向異性的情況下，作為一次近似，H_ap將與磁性層的厚度e成反比：

H_ap＝C+K_ap/e

其中，C是取決于磁性層的體積特性的常數(shù)，垂直各向異性常數(shù)K_ap取決于與磁性層接觸的材料的固有結(jié)構(gòu)以及分界面的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。

垂直各向異性場對磁性層的厚度的這種依賴性表明，對于厚度較小的磁性層僅有可能在垂直于平面的方向上穩(wěn)定磁化，并且相反地，垂直/平面過渡的臨界厚度隨幅度K_ap的增大而增大。

涉及到RF振蕩器或MRAM存儲器類型的應(yīng)用的本發(fā)明的第一目的是提出一種制造磁性層的方法，所述磁性層具有垂直于該層的平面的磁化，所述磁性層可以集成在自旋閥或隧道結(jié)類型的結(jié)構(gòu)中，所述結(jié)構(gòu)的自由層和釘扎層的磁化是平面的。具有垂直磁化的這種附加的磁性層用作“極化器”(見文獻US?6?532?164)。

在這種“極化器”中，注入到磁性系統(tǒng)的電流的電子自旋沿著垂直于層的平面的方向與磁化進行耦合，并且磁化進動錐的軸線因此也垂直于該平面。對于弱電流，“自由”磁性層的磁化因此在實際上與層的平面相同的平面上進行旋轉(zhuǎn)。

同步的電流脈沖的應(yīng)用以及“自由”層的單軸平面磁各向異性的存在使得有可能在層的平面中通過使磁化方向執(zhí)行半進動來容易地使磁化方向反轉(zhuǎn)。

還要特別探索這種極化器在射頻振蕩器的制造中的應(yīng)用。在這種配置中，不是脈沖式地而是連續(xù)地通過堆疊來注入自旋極化電流。這樣維持了磁化的進動運動，而不是在磁性存儲器的情況下僅對寫入操作導(dǎo)致半進動。

如果進動的磁化是在極化層之上沉積的隧道結(jié)的自由(或軟)層的磁化，則由于結(jié)的隧道磁阻效應(yīng)，這種進動運動產(chǎn)生堆疊的電阻的振蕩變化。這導(dǎo)致在堆疊的兩個相反的表面之間出現(xiàn)振蕩電壓，該電壓可以用于產(chǎn)生可調(diào)諧的射頻振蕩器，其頻率與所注入的電流的強度直接相關(guān)。

很值得注意的是，為進行操作，具有垂直磁化的磁性層在結(jié)構(gòu)的有源區(qū)附近不允許包含對于電子有強去極化效應(yīng)的任何材料。

舉例來說，在以上所提及的垂直極化的情況下，在所述極化器與自旋閥或磁隧道結(jié)類型結(jié)構(gòu)的兩個磁性層之間插入鉑的薄層將完全破壞由這種極化器引起的電子的極化。在本發(fā)明的其余部分中，術(shù)語“有效”磁厚度將用于表示，所考慮的具有垂直磁化的磁性層相對于電子的行進方向的、超出任何最后的強去極化材料(例如鉑、鈀或金)層的厚度。

與MRAM類型應(yīng)用有關(guān)的本發(fā)明的另一目的是提出一種制造能夠集成在具有垂直磁化的自旋閥或磁隧道結(jié)類型結(jié)構(gòu)中的磁性薄層的方法，所述結(jié)構(gòu)的兩個有源磁性層(“釘扎”層和“自由”層)的磁化垂直于所述平面。

本發(fā)明第三目的是提出一種制造磁性層的方法，所述磁性層具有平面磁化(即磁化位于構(gòu)成磁性層的各層的平面中)，對于該磁性層，其退磁場被垂直各向異性的項部分地抵消，因此使得有可能減少該層的磁化翻轉(zhuǎn)所需的電流的密度。該磁性層可以例如用作具有平面磁化的自旋閥或隧道結(jié)類型的結(jié)構(gòu)中的自由層。

提出了各種方法來制造下述磁性薄層：具有垂直于磁性薄層的平面的磁化，并且能夠用在上述某些類型的應(yīng)用中。

提出了通過在覆蓋襯底的金的緩沖層上進行真空蒸發(fā)(évaporationsous?vide)來制造鈷/鎳多層(Daalderop，Kelly?and?den?Broeder，PhysicalReview?Letters?68，682，1992)。工作窗口相對較窄(例如，對于0.4nm的鈷厚度，鎳層厚度必須包括在0.6nm和0.8nm之間)。不僅如此，根據(jù)作者的觀點，所獲得的結(jié)果嚴格取決于制備條件。

采用相似的方法，Ravelosona等人(Physical?Review?Letters?95，117203，2005)提出了一種也是通過真空蒸發(fā)來制備的(鈷/鉑)/(鈷/鎳)多層的組合。在此情況下，有效磁厚度(即在最后鉑層之上)極小，并且等效于大約1.0nm的鈷。

在這兩種情況下，似乎必須通過蒸發(fā)來生長磁性層，這是一種與工業(yè)生產(chǎn)幾乎不兼容的技術(shù)。其原因在于，這種垂直磁各向異性特性是由于具有稍微不同的結(jié)晶參數(shù)的鎳層與鈷層之間的彈性張力作用導(dǎo)致的。這同時解釋了使用這種制備技術(shù)的必要性以及在制造這種結(jié)構(gòu)中的難度。在任何情況下，至少在可接受的成本方面，排除使用這種技術(shù)進行工業(yè)規(guī)模制造的可能性。此外，這些彈性張力作用僅對某些特定結(jié)晶磁性材料出現(xiàn)。因此，沒有例如使用其它磁性材料或非晶的磁性合金的可能性。

涉及襯底/緩沖層/Ni/FeMn/Cu類型的結(jié)構(gòu)的文獻US?6835646提出了一種方法，其中鎳的生長必須是“外延的”。這意味著連續(xù)沉積的層必須采用下面的層的對稱性和原子間距離。此外，緩沖層必須要么以具有結(jié)晶取向(002)的單晶銅制成，要么以具有結(jié)晶取向(001)的金剛石制成。這僅能通過在具有結(jié)晶取向(001)的單晶硅襯底上的生長來獲得，然后通過化學(xué)清理以便獲得銅或金剛石緩沖層的滿意取向。

因為外延生長和襯底的單晶特性，所以這種制造方法使用起來尤其麻煩。此外，除了鎳之外，任何磁性材料不會給出期望的結(jié)果。

Nishimura等人(Journal?ofApplied?Physics?91，5246，2002，US?6?844605)提出了使用基于GdFeCo/CoFe/Al₂O₃/CoFe/TbFeCo類型的稀土金屬的結(jié)構(gòu)的另一制造方法，其具有1nm量級的磁性金屬(鈷-鐵合金)的“有效”厚度。

這種制造方法需要使用基于稀土族(釓、鋱)金屬的合金，這些稀土族金屬已知是高污染的并且在工業(yè)中禁用。

從前面的考慮明顯可見，所提出的解決方案不能使用常規(guī)磁性材料以及簡單的制備方法來制造下述薄層：具有垂直于薄層的平面的磁化并且具有足以滿足所討論的應(yīng)用的“有效”厚度。

事實上，或者可實現(xiàn)的磁厚度太小以致無法提供垂直地流經(jīng)所述層的平面的電流的可利用的極化，或者為了實現(xiàn)較大的磁厚度必須使用由非常特殊的方法來沉積的特定磁性材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明首先涉及一種分薄層的磁性器件，包括在襯底之上通過陰極濺射沉積的復(fù)合組體，所述復(fù)合組體包括：

-磁性層，由具有高垂直磁各向異性的材料制成，該磁性層的磁化在不存在任何電或磁的交互作用的情況下位于所述層的平面外部，

-磁性層，與前一磁性層直接接觸，由具有高自旋極化率的鐵磁性材料制成，該磁性層的磁化在不存在任何電或磁的交互作用的情況下位于該磁性層的平面中，并且該磁性層與前一磁性層的耦合引起包括這兩個磁性層的組體的有效退磁場的減少，

-非磁性層，與前一磁性層(即由具有高自旋極化率的鐵磁性材料制成的層)直接接觸，以不會對穿過所述器件的電子去極化的材料制成。

所述器件還包括使得電流沿著基本上垂直于這些層的平面的方向上流動通過這些層的裝置。

因此，由于兩個前述磁性層彼此強耦合，因此它們表現(xiàn)如同單個層，組合了所需要的特性，即由第一層提供的垂直各向異性以及由第二層提供的自旋極化。

所述非磁性層從不分隔這兩個層，并且其主要作用在于減少與內(nèi)部能夠集成前述復(fù)合組體的結(jié)構(gòu)的其它磁性層的任何交互作用。

因此，這種器件可以構(gòu)成“半個”模型，其可以被添加到自旋閥或隧道結(jié)類型的完整結(jié)構(gòu)，或是“加倍”以便構(gòu)成這種類型的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明，以具有高垂直磁各向異性的磁性材料制成的磁性層可以由從包括鈷、鉑、鐵、鎳、鈀、金以及銅的組中選擇的材料構(gòu)成的合金或多層構(gòu)成。

選擇構(gòu)成該層的各基本層的性質(zhì)、數(shù)量以及厚度，以便使得包括所述兩個磁性層的組體的垂直磁各向異性能量最大化，從而對于以鐵磁性材料制成的層的最大可能厚度獲得所需的特性，因此提供穿過所述結(jié)構(gòu)的電流中的電子的最佳極化。

根據(jù)本發(fā)明，以鐵磁性材料制成的層由從包括以下物質(zhì)的組中選擇的磁性材料構(gòu)成：鈷、鐵、鎳或其二元合金(例如坡莫合金Ni₈₀Fe₂₀)、或三元合金，以及也包含所述的磁性元素中的一種或多種的磁性、結(jié)晶或非晶合金，和非磁性材料(例如硼、硅、磷、碳、鋯、鉿或其合金)填料。

然而，該層也可以包括磁性金屬磁性金屬(例如Co/NiFe類型)或磁性金屬/非磁性金屬(例如Co/Cu類型)類型的多層。

因此，該層的厚度使得有可能對穿過該層的電流的自旋極化進行優(yōu)化。

在擴散模式下，用于產(chǎn)生自旋極化的關(guān)鍵長度是自旋擴散長度l_SF。自旋極化按照函數(shù)(1-exp(-e/l_SF))增加，該函數(shù)是以鐵磁性材料制成的所述層的厚度e的函數(shù)。這種自旋擴散長度典型地在300K時在坡莫合金Ni₈₀Fe₂₀中是4.5nm，并且在鈷中是20nm。擴散模式是例如如果金屬或非金屬分隔物將這樣制造的極化器與隧道結(jié)的自由磁性層分離以制造MRAM單元或射頻振蕩器時遇到的模式。

在隧道模式下，隧道電子的極化由隧道勢壘附近的電子狀態(tài)密度確定。因此為獲得強自旋極化的最佳厚度由與勢壘接觸的磁性層的厚度確定，其允許在與隧道勢壘的分界面附近、在接近于費米能級的自旋向上和自旋向下的電子之間建立狀態(tài)密度的強烈對比。該厚度典型地是若干原子面并且取決于所使用的界面和材料的粗糙度。在確定以鐵磁性材料制成的這種層的厚度時必須考慮的另一點是其磁化的熱穩(wěn)定性。極薄(典型地小于1nm的厚度)層可以引起本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的對熱激活的磁波動甚至超順磁性現(xiàn)象。

一般說來，自旋極化越強，為了寫入使用這樣的磁性器件的存儲器單元、或者為了獲得具有寬頻帶的射頻振蕩器所需的電流密度可以越小。

根據(jù)一個有利的特征，在這樣定義的磁性器件與襯底之間插入稱作“緩沖層”的層，該層由從包括鉭、鉻、鈦、氮化鈦、銅、金、鈀、銀、和/或其合金的組中選擇的一種或多種材料制成。更具體地說，除了改進前述磁性層彼此之間以及與襯底之間的粘附性之外，所述緩沖層用于優(yōu)化前述磁性層的生長。因為該層引起晶格參數(shù)的改動，所以其還使得有可能增強所述層的平坦性。該層也可以用于將電流提供給器件的底部。

根據(jù)本發(fā)明，磁性器件頂部是第三非磁性層，其要么以金屬(例如銅)制成，要么以絕緣體(例如二氧化硅、氧化鎂或氧化鋁)制成。所述第三層的功能在于保護磁性器件的緊接在第三層之下的磁性層不受侵蝕，并且還可以用于將電流提供給器件的頂部。最后，例如在制造磁性隧道結(jié)或射頻振蕩器的情況下，還必須使以鐵磁性材料制成的磁性層相對于可能在所述第三層的頂部沉積的另一磁性層磁去耦。

相反，所述第三層被選擇使得不論對于磁垂直各向異性特性還是對于穿過所述結(jié)構(gòu)的電子的任何去極化，均不引起任何特定效應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明，通過借助陰極濺射來沉積各個層以實現(xiàn)所述磁性器件的制造。

這種磁性器件可以優(yōu)選地用作：

■具有平面磁化的自旋閥或磁隧道結(jié)的內(nèi)部的垂直極化層，

■具有垂直磁化的結(jié)構(gòu)中的有源層(即自由層和釘扎層兩種)，

■具有平面磁化的結(jié)構(gòu)中的有源層(即作為具有弱退磁場的自由層)。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的磁性器件的第一實施例的示意圖。

圖2是示出對于圖1所示類型的結(jié)構(gòu)在垂直場中測量的剩余磁化根據(jù)鈷的等效厚度的變化的圖。

圖3是示出本發(fā)明第二實施例的示意圖。

圖4是示出對于圖3所示的結(jié)構(gòu)剩余磁化(垂直場中測量的)根據(jù)鈷的等效厚度的變化的圖。

圖5是本發(fā)明第三實施例的示意圖。

圖6是本發(fā)明第四實施例的示意圖。

圖7是示出飽和場(在垂直場中測量的)根據(jù)構(gòu)成圖6所示類型的結(jié)構(gòu)的自由層的鈷的等效厚度的變化的圖。

圖8是本發(fā)明第五實施例的示意圖。