包括分层铁磁结构的磁阻器件及制造该磁阻器件的方法转让专利
申请号 : CN200610008529.3
文献号 : CN1822219B
文献日 : 2011-06-15
发明人 : 福本能之 , 五十岚忠二
申请人 : 日本电气株式会社
摘要 :
公开了一种包括分层铁磁结构的磁阻器件及制造该磁阻器件的方法，该分层铁磁结构包括：位于衬底上方的第一铁磁层(11)；位于第一铁磁层(11)上方的第二铁磁层(13)；以及位于第一和第二铁磁层(11、13)之间的第一非磁层(12)。第一铁磁层(11)的顶表面和第一非磁层(12)接触。第一铁磁层(11)包括第一取向控制缓冲器(22)，该第一取向控制缓冲器(22)表现出提高它上面形成的膜的结晶取向的作用。
权利要求 :
1.一种分层铁磁结构，包括：
位于衬底上方的第一铁磁层；
位于所述第一铁磁层上方的第二铁磁层；以及位于所述第一和第二铁磁层之间的第一非磁层，其中所述第一铁磁层的顶表面和所述第一非磁层接触，其中所述第一铁磁层与所述第二铁磁层是反铁磁耦合的，以及其中所述第一铁磁层包括：
第一铁磁膜；
位于所述第一铁磁膜上方的第二铁磁膜；以及第一取向控制缓冲器，位于所述第一和第二铁磁膜之间，并被设计成在所述第一和第二铁磁膜之间提供铁磁耦合；以及其中，该第一取向控制缓冲器表现出提高所述第二铁磁膜的结晶取向的作用。
2.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，其中所述第一取向控制缓冲器具有1.0nm或更小的厚度。
3.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，其中所述第一取向控制缓冲器由包括钽(Ta)、钌(Ru)、铌(Nb)、钒(V)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、镁(Mg)、硅(Si)、钇(Y)、铈(Ce)、钯(Pd)和铼(Re)，和钽(Ta)、钌(Ru)、铌(Nb)、钒(V)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、镁(Mg)、硅(Si)、钇(Y)、铈(Ce)、钯(Pd)和铼(Re)的合金，及钽(Ta)、钌(Ru)、铌(Nb)、钒(V)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、镁(Mg)、硅(Si)、钇(Y)、铈(Ce)、钯(Pd)和铼(Re)的化合物组成的组中选择的一种材料形成。
4.根据权利要求3所述的分层铁磁结构，其中所述第一取向控制缓冲器具有0.7nm或更小的厚度。
5.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，其中所述第一取向控制缓冲器由从包括钽(Ta)、铌(Nb)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)和钨(W)，和钽(Ta)、铌(Nb)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)和钨(W)的合金，以及钽(Ta)、铌(Nb)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)和钨(W)的化合物组成的组中选择的一种材料形成。
6.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，其中所述第一取向控制缓冲器被形成为，允许所述第一和第二铁磁膜相互部分地接触。
7.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，其中所述第一取向控制缓冲器由从包括钌(Ru)、铬(Cr)、铼(Re)、铑(Rh)、铱(Ir)、钇(Y)、银(Ag)和铜(Cu)，和钌(Ru)、铬(Cr)、铼(Re)、铑(Rh)、铱(Ir)、钇(Y)、银(Ag)和铜(Cu)的合金，及钌(Ru)、铬(Cr)、铼(Re)、铑(Rh)、铱(Ir)、钇(Y)、银(Ag)和铜(Cu)的化合物组成的组中选择的一种材料形成。
8.根据权利要求7所述的分层铁磁结构，其中调节所述第一取向控制缓冲器的厚度，使得所述第一取向控制缓冲器在所述第一和第二铁磁膜之间表现出铁磁耦合。
9.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，其中与所述第一铁磁膜相比，所述第二铁磁膜的最紧密堆积面高度取向于膜平面的垂线。
10.根据权利要求9所述的分层铁磁结构，其中所述第二铁磁膜具有面心立方结构，并且与所述第一铁磁膜相比，表现出更高的面心立方(111)取向。
11.根据权利要求9所述的分层铁磁结构，其中所述第二铁磁膜具有体心立方结构，并且与所述第一铁磁膜相比，表现出更高的体心立方(110)取向。
12.根据权利要求9所述的分层铁磁结构，其中所述第二铁磁膜具有六方紧密堆积结构，并且与所述第一铁磁膜相比，表现出更高的六方紧密堆积(001)取向。
13.根据权利要求10所述的分层铁磁结构，其中所述第二铁磁膜由从包括镍、铁和钴，和镍、铁和钴的合金组成的组中选择的一种材料形成，以及其中所述第一非磁层由钌或钌合金形成。
14.根据权利要求11所述的分层铁磁结构，其中所述第二铁磁膜由从包括镍、铁和钴，和镍、铁和钴的合金组成的组中选择的一种材料形成，以及其中所述第一非磁层由钌或钌合金形成。
15.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，其中所述第一取向控制缓冲器被配置为铁磁性的，并包括：铁磁材料；以及
从包括钽、铌、锆、铪、钼和钨的组中选择的至少一种材料。
16.根据权利要求15所述的分层铁磁结构，其中所述铁磁材料是NiFe，其中所述至少一种材料是钽或锆，以及其中所述第一取向控制缓冲器的钽或锆含量在从5到20原子百分数的范围内。
17.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，其中所述第二铁磁层包括：第三铁磁膜；
位于所述第三铁磁膜上方的第四铁磁膜；以及位于所述第三和第四铁磁膜之间的第二取向控制缓冲器。
18.根据权利要求17所述的分层铁磁结构，其中所述第二取向控制缓冲器是非晶形的。
19.根据权利要求18所述的分层铁磁结构，其中所述第二取向控制缓冲器由铁磁材料形成。
20.根据权利要求18所述的分层铁磁结构，其中所述第二铁磁层进一步包括位于所述第二取向控制缓冲器和所述第四铁磁膜之间的第三取向控制缓冲器，以及其中所述第三取向控制缓冲器被配置成提高所述第四铁磁膜的结晶取向。
21.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，其中所述第二铁磁层包括：在所述第一非磁层上形成的非晶形铁磁膜；
在所述非晶形铁磁膜上形成的第四取向控制缓冲器；以及在所述第四取向控制缓冲器上形成的附加铁磁膜，其中所述第四取向控制缓冲器被配置成提高所述附加铁磁膜的结晶取向。
22.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，其中所述第二铁磁层包括：第三铁磁膜；
在所述第三铁磁膜上形成的第四铁磁膜；
位于所述第三和第四铁磁膜之间的第五取向控制缓冲器，其中所述第三铁磁膜经过了等离子处理，以及其中所述第五取向控制缓冲器被配置成提高所述第四铁磁膜的结晶取向。
23.根据权利要求17所述的分层铁磁结构，进一步包括：在所述第二铁磁层上形成的第二非磁层；以及在所述第二非磁层上形成的第三铁磁层。
24.根据权利要求23所述的分层铁磁结构，其中所述第三铁磁层包括非晶形的第六取向控制缓冲器。
25.根据权利要求24所述的分层铁磁结构，其中所述第三铁磁层进一步包括：第五铁磁膜；以及
位于所述第五铁磁膜上方的第六铁磁膜，以及其中所述第六取向控制缓冲器位于所述第五和第六铁磁膜之间。
26.根据权利要求23所述的分层铁磁结构，其中所述第三铁磁层包括：第五铁磁膜；
在所述第五铁磁膜上形成的第六铁磁膜；以及位于所述第五和第六铁磁膜之间的第五取向控制缓冲器，其中所述第五铁磁膜经过了等离子处理，以及其中所述第五取向控制缓冲器被配置成提高所述第六铁磁膜的结晶取向。
27.根据权利要求23所述的分层铁磁结构，其中所述第一非磁层被配置成在所述第一和第二铁磁层之间提供反铁磁耦合，以及其中所述第二非磁层被配置成在所述第二和第三铁磁层之间提供反铁磁耦合。
28.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，进一步包括：在所述第二磁层上形成的第二非磁层；以及在所述第二非磁层上形成的第三铁磁层，其中所述第二铁磁层由掺有非磁性材料的铁磁材料形成。
29.根据权利要求28所述的分层铁磁结构，其中所述第三铁磁层由掺有非磁性材料的铁磁材料形成。
30.根据权利要求1所述的分层铁磁结构，其中所述第一非磁层被配置成在所述第一和第二铁磁层之间提供反铁磁耦合。
31.一种分层铁磁结构，包括：位于衬底上方的第一铁磁层；
位于所述第一铁磁层上方的第二铁磁层；以及位于所述第一和第二铁磁层之间的第一非磁层，其中所述第一铁磁层的顶表面和所述第一非磁层接触，其中所述第一铁磁层与所述第二铁磁层是反铁磁耦合的，以及其中所述第一铁磁层包括：
非晶形层，
第一取向控制缓冲器，所述第一取向控制缓冲器是铁磁性的，并且直接被形成在所述非晶形层上，以及被形成在所述第一取向控制缓冲器上的铁磁膜，其中所述第一取向控制缓冲器表现出提高所述铁磁膜的结晶取向的作用，以及其中所述第一取向控制缓冲器由掺杂了具有结晶取向提高作用的元素的铁磁材料构成。
32.根据权利要求31所述的分层铁磁结构，其中所述第一取向控制缓冲器被配置为铁磁性的，并包括：铁磁材料；以及
从包括钽、铌、锆、铪、钼和钨的组中选择的至少一种材料。
33.一种分层铁磁结构，包括：位于衬底上方的第一铁磁层；
位于所述第一铁磁层上方的第二铁磁层；以及位于所述第一和第二铁磁层之间的第一非磁层，其中所述第一铁磁层的顶表面和所述第一非磁层接触，其中所述第一铁磁层与所述第二铁磁层是反铁磁耦合的，以及其中所述第一铁磁层包括：
铁磁膜，
第一取向控制缓冲器，所述第一取向控制缓冲器是铁磁性的，并被形成在所述铁磁膜上，以及其中所述第一非磁层被形成在所述第一取向控制缓冲器上，以及其中所述第一取向控制缓冲器表现出提高所述第一非磁性层的结晶取向的作用。
34.根据权利要求33所述的分层铁磁结构，其中所述第一取向控制缓冲器被配置为铁磁性的，并包括：铁磁材料；以及
从包括钽、铌、锆、铪、钼和钨的组中选择的至少一种材料。
35.一种磁隧道结元件，包括：位于衬底上方的固定磁层；
位于所述衬底上方的自由磁层；
位于所述固定和自由磁层之间的隧道阻挡层，其中所述固定磁层和自由磁层之一位于所述隧道阻挡层上方，以及其中所述固定磁层和自由磁层所述之一包括：在所述隧道阻挡层上形成的第一铁磁层；
在所述第一铁磁层上形成的第一非磁层；以及在所述第一非磁层上形成的第二铁磁层，其中所述第一铁磁层的顶表面和所述第一非磁层接触，其中所述第一铁磁层与所述第二铁磁层是反铁磁耦合的，以及其中所述第一铁磁层包括：
第一取向控制缓冲器，所述第一取向控制器是铁磁性的，并且直接被形成在所述隧道阻挡层上，以及在所述第一取向控制缓冲器上形成的铁磁膜，其中所述第一取向控制缓冲器表现出提高所述铁磁膜的结晶取向的作用，以及其中所述第一取向控制缓冲器由掺杂了具有结晶取向提高作用的元素的铁磁材料构成。
36.一种磁隧道结元件，包括：位于衬底上方的固定磁层；
位于所述衬底上方的自由磁层；
位于所述固定和自由磁层之间的隧道阻挡层，其中所述固定磁层和自由磁层之一位于所述隧道阻挡层上方，以及其中所述固定磁层和自由磁层所述之一包括：在所述隧道阻挡层上形成的第一铁磁层；
在所述第一铁磁层上形成的第一非磁层；以及在所述第一非磁层上形成的第二铁磁层，其中所述第一铁磁层的顶表面和所述第一非磁层接触，其中所述第一铁磁层与所述第二铁磁层是反铁磁耦合的，以及其中所述第一铁磁层还包括：
在所述隧道阻挡层上形成的铁磁膜，以及第一取向控制缓冲器，所述第一取向控制缓冲器是铁磁性的，并被形成在所述铁磁膜上，其中所述第一非磁层被形成在所述第一取向控制缓冲器上，以及其中所述第一取向控制缓冲器表现出提高所述第一非磁性层的结晶取向的作用。
37.一种磁隧道结元件，包括：位于衬底上方的固定磁层；
位于所述衬底上方的自由磁层；
位于所述固定和自由磁层之间的隧道阻挡层，其中所述固定磁层和自由磁层之一位于所述隧道阻挡层上方，以及其中所述固定磁层和自由磁层所述之一包括：在所述隧道阻挡层上形成的第一铁磁层；
在所述第一铁磁层上形成的第一非磁层；以及在所述第一非磁层上形成的第二铁磁层，所述第一铁磁层的顶表面和所述第一非磁层接触，其中所述第一铁磁层与所述第二铁磁层是反铁磁耦合的，以及其中所述第一铁磁层包括：
第一铁磁膜；
位于所述第一铁磁膜上方的第二铁磁膜；以及第一取向控制缓冲器，位于所述第一和第二铁磁膜之间，并被设计成在所述第一和第二铁磁膜之间提供铁磁耦合；
其中所述第一取向控制缓冲器表现出提高所述第二铁磁膜的结晶取向的作用。
38.根据权利要求37所述的磁隧道结元件，其中所述第二铁磁层包括非晶形的第二取向控制缓冲器。
39.根据权利要求38所述的磁隧道结元件，其中所述第二铁磁层进一步包括：第三铁磁膜；以及
位于所述第三铁磁膜上方的第四铁磁膜，以及其中所述第二取向控制缓冲器位于所述第三和第四铁磁膜之间。
40.根据权利要求39所述的磁隧道结元件，其中所述第二取向控制缓冲器由铁磁材料形成。
41.根据权利要求38所述的磁隧道结元件，其中所述第二铁磁层包括位于所述第二取向控制缓冲器和所述第四铁磁膜之间的第三取向控制缓冲器，以及其中所述第三取向控制缓冲器被配置成提高所述第四铁磁膜的结晶取向。
42.根据权利要求37所述的磁隧道结元件，其中所述第二铁磁层包括：在所述第一非磁层上形成的非晶形铁磁膜；
在所述非晶形铁磁膜上形成的第四取向控制缓冲器；以及在所述第四取向控制缓冲器上形成的附加铁磁膜，其中所述第四取向控制缓冲器被配置成提高所述附加铁磁膜的结晶取向。
43.一种磁隧道结元件，包括：固定磁层；
在所述固定磁层的顶表面上形成的隧道阻挡层；以及在所述隧道阻挡层的顶表面上形成的自由磁层；
其中所述自由磁层包括：
第一和第二铁磁层；
位于所述第一和第二铁磁层之间的第一非磁层，其中所述第一铁磁层的顶表面和所述第一非磁层接触，其中所述第一铁磁层与所述第二铁磁层是反铁磁耦合的，以及所述第一铁磁层包括：
第一铁磁膜；
位于所述第一铁磁膜上方的第二铁磁膜；以及取向控制缓冲器，位于所述第一和第二铁磁膜之间，并被设计成在所述第一和第二铁磁膜之间提供铁磁耦合，其中所述取向控制缓冲器表现出提高膜的结晶取向的作用。
44.一种磁隧道结元件，包括：自由磁层；
在所述自由磁层的顶表面上形成的隧道阻挡层；以及在所述隧道阻挡层的顶表面上形成的固定磁层；
其中所述固定磁层包括：
第一和第二铁磁层；
位于所述第一和第二铁磁层之间的第一非磁层，其中所述第一铁磁层的顶表面和所述第一非磁层接触，其中所述第一铁磁层与所述第二铁磁层是反铁磁耦合的，以及其中所述第一铁磁层包括：
第一铁磁膜；
位于所述第一铁磁膜上方的第二铁磁膜；以及取向控制缓冲器，位于所述第一和第二铁磁膜之间，并被设计成在所述第一和第二铁磁膜之间提供铁磁耦合，其中所述取向控制缓冲器表现出提高所述第二铁磁膜的结晶取向的作用。
45.一种制造分层铁磁结构的方法，包括：形成第一铁磁层；
在所述第一铁磁层上形成第一非磁层；
在所述第一非磁层上形成第二铁磁层；
在所述第二铁磁层上形成第二非磁层；以及在所述第二非磁层上形成第三铁磁层，其中所述第一铁磁层和所述第二铁磁层被形成为所述第一铁磁层与所述第二铁磁层是反铁磁耦合的，其中所述形成所述第一铁磁层包括：形成第一铁磁膜；
在所述第一铁磁膜上形成第一取向控制缓冲器，以及在所述第一取向控制缓冲器上形成第二铁磁膜；
其中所述第一取向控制缓冲器具有提高所述第二铁磁膜的结晶取向的作用，其中所述形成所述第二铁磁层包括：形成第三铁磁膜；
使所述第三铁磁膜受到等离子处理；以及在所述第三铁磁膜上方形成第四铁磁膜，所述第四铁磁膜和所述第三铁磁膜反铁磁耦合。
46.一种制造分层铁磁结构的方法，包括：形成第一铁磁层；
在所述第一铁磁层上形成第一非磁层；
在所述第一非磁层上形成第二铁磁层；
在所述第二铁磁层上形成第二非磁层；以及在所述第二非磁层上形成第三铁磁层，其中所述第一铁磁层和所述第二铁磁层被形成为所述第一铁磁层与所述第二铁磁层是反铁磁耦合的，其中所述形成所述第一铁磁层包括：形成第一铁磁膜；
在所述第一铁磁膜上形成第一取向控制缓冲器；
在所述第一取向控制缓冲器上形成第二铁磁膜；
其中所述第一取向控制缓冲器具有提高所述第二铁磁膜的结晶取向的作用，其中利用添加了氧或氮的溅射气体，通过溅射方法来形成所述第二铁磁层。
47.根据权利要求46所述的方法，其中利用添加了氧或氮的溅射气体，通过溅射方法来形成所述第三铁磁层。
48.根据权利要求46所述的方法，其中所述第三铁磁层由掺有非磁性材料的铁磁材料形成。
49.一种制造分层铁磁结构的方法，包括：形成第一铁磁层；
在所述第一铁磁层上形成第一非磁层；
在所述第一非磁层上形成第二铁磁层；
在所述第二铁磁层上形成第二非磁层；以及在所述第二非磁层上形成第三铁磁层，其中所述第一铁磁层和所述第二铁磁层被形成为所述第一铁磁层与所述第二铁磁层是反铁磁耦合的，其中所述形成所述第一铁磁层包括：形成第一铁磁膜；
在所述第一铁磁膜上形成第一取向控制缓冲器；
在所述第一取向控制缓冲器上形成第二铁磁膜；
其中，所述第一取向控制缓冲器具有提高在所述第一取向控制缓冲器上面形成的膜的结晶取向的作用，其中所述第二铁磁膜由掺有非磁性材料的铁磁材料形成。
说明书 :
包括分层铁磁结构的磁阻器件及制造该磁阻器件的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种磁阻器件(magnetoresitance device)，并且尤其涉及具有这样一种结构的磁阻器件，其中自由磁层(free magnetic layer)和固定磁层至少之一是由被一个或多个非磁层隔开的多个铁磁层组成的。
背景技术
[0002] 磁阻器件，如磁随机存储器(MRAM)的存储单元和记录装置的磁头，常常由一种具有多个铁磁层的结构组成，这些铁磁层的相邻部分由非磁层隔开；以下，这种结构被称为分层铁磁结构。分层铁磁结构被设计成，利用相邻铁磁层之间的交换耦合来获得期望的功能。
[0003] 分层铁磁结构应用的一个例子是包括存储单元的MRAM，其中自由磁层由合成反铁磁体(SAF)组成。SAF表示相邻的铁磁层反铁磁地耦合的一种分层铁磁结构。图1A是示出其中自由磁层由SAF组成的MRAM的存储单元结构的一个例子的横断面图，图1B是其顶视图。
[0004] 如图1A所示，磁隧道结(MTJ)元件101被设置在字线102和位线103的交点处。MTJ元件101由反铁磁层104、固定磁层105、隧道阻挡层106和自由磁层107组成。
[0005] 自由磁层107由SAF组成。具体地说，自由磁层107由铁磁层108、110以及位于它们之间的非磁层109组成。铁磁层108和110利用通过非磁层109的交换耦合，来反铁磁地耦合。如图1B所示，MTJ元件101在字线102延伸的方向上较长。铁磁层108和110的易磁化轴指向字线102延伸的方向。
[0006] 回过来参考图1A，铁磁层108和110分别具有不同的磁化强度M1和M2。这意味，即使当没有施加外部磁场时，整个自由磁层107的净磁化强度MR也不等于0。通过施加比切换磁场(switching magneticfield)Hc大的外部磁场，可以使自由磁层107的净磁化强度MR反转。MTJ元件101存储一比特数据，作为自由磁层107的净磁化强度MR的取向(orientation)。
[0007] 图1C是这样构成的自由磁层107的磁化强度曲线。在外部磁场H较小的范围内，在铁磁层108和110之间维持反铁磁耦合。自由磁层107表现出类似于单铁磁层的行为。具体地说，在磁化强度曲线中自由磁层107表现出磁滞特性。通过施加比切换磁场Hc大的外部磁场，可以使自由磁层107的净磁化强度MR反转。
[0008] 切换磁场Hc的大小取决于外部磁场的方向，即易磁化轴和难磁化轴方向外部磁场分量的大小。详细地说，如图1D所示，在水平轴代表易磁化轴方向磁场、垂直轴代表难磁化轴方向磁场的坐标系中，切换磁场Hc表现出星形曲线。
[0009] 回过来参考图1C，通过施加稍微超过切换磁场Hc的外部磁场，并不能增大自由磁层107的净磁化强度MR。这是因为，铁磁层108和110的磁化强度通过铁磁层108和110之间的反铁磁耦合而保持反平行，并且外部磁场的增大并不有助于自由磁层107的净磁化强度MR的增大。
[0010] 当外部磁场HE进一步增大到超过某一磁场时，自由磁层107的净磁化强度MR开始增大。这是因为，铁磁层108和110的磁化强度方向重新定向为逆着反铁磁耦合，并且各个铁磁层的磁化强度脱离反平行状态。此后，在说明书中，SAF内铁磁层的磁化强度脱离反平行状态时的磁场被称为阈值磁场H1。当施加超过阈值磁场H1的外部磁场时，铁磁层108和110的磁化强度既不平行，也不反平行。铁磁层108和110的磁化强度角度取决于外部磁场的大小。
[0011] 当外部磁场HE进一步增大时，铁磁层108和110的磁化强度方向平行，并且自由磁层107的净磁化强度MR饱和了。在铁磁层的磁化强度变得平行之后，各个铁磁层磁化强度方向的改变将不造成净磁化强度MR的增大，并且自由磁层的净磁化强度MR的大小将不再增大。
[0012] 通过经由字线102和位线103两者发送写电流，来把数据写到SAF内的自由磁层107上，由此向自由磁层107施加磁场，类似于典型的MRAM。因为通过字线102和位线103两者来发送写电流，所以在与易磁化轴倾斜的方向上，理想地在与易磁化轴成45°角的方向上，产生合成磁场。根据要写的数据来确定写电流的方向，即合成磁场的方向。取决于所产生的合成磁场，自由磁层107内的铁磁层108和110的磁化强度翻转(flip)到期望的方向，以便将期望的数据写到自由磁层107上。
[0013] 选择通过字线102和位线103的写电流的大小，使得合成磁场超过切换磁场Hc。具体地说，这样选择合成磁场的方向和大小，以至合成磁场与图1D所示坐标系中的星形曲线外的点相对应。在这种意义下，上述写操作以下被称为星形写。当使用星形写时，要求在自由磁层的SAF内维持相邻两个铁磁层之间的反平行耦合。这要求足够大的交换耦合，即足够大的阈值磁场H1。
[0014] 可以把自旋电流注入(spin-current injection)用于位写(bit-writing)来代替星形写(asteroid writing)，这涉及向自由磁层107注入自旋极化电流来使自由磁层107的磁化强度反转，由此传送自旋极化电子的自旋扭矩。在图1A所示结构中，在垂直方向通过隧道阻挡层106的自旋极化电流在自由磁层107和固定磁层105之间施加自旋扭矩。
通过自旋极化电流的方向，可以控制磁化强度方向。自旋电流注入的切换电流也取决于SAF的切换磁场Hc。把自旋电流注入用于MRAM有利于减小写电流以及避免写错误。尤其是，容易在SAF内的各个铁磁层中建立单磁畴，并且可以容易减小SAF的净磁化强度MR。这在自旋翻转中是有利的。
通过自旋极化电流的方向，可以控制磁化强度方向。自旋电流注入的切换电流也取决于SAF的切换磁场Hc。把自旋电流注入用于MRAM有利于减小写电流以及避免写错误。尤其是，容易在SAF内的各个铁磁层中建立单磁畴，并且可以容易减小SAF的净磁化强度MR。这在自旋翻转中是有利的。
[0015] 分层铁磁结构应用的另一个例子是美国专利No.6,545,906中所公开的轮转写(toggle writing)MRAM。在该MRAM中，不同于采用星形写(asteroid writing)的MRAM，自由磁层由一种当没有施加外部磁场时、表现出基本上为0的净磁化强度的SAF组成。
[0016] 图2A是示出美国专利No.6,545,906中所公开的MRAM结构的平面图。该MRAM具有自由磁层201、在与自由磁层201的易磁化轴成45°角的方向上延伸的字线202、以及垂直于字线202的位线203。自由磁层201由这样的SAF组成，该SAF包括由具有相同磁化强度的两个铁磁层组成的自由磁层。
[0017] 图2B是示出自由磁层201磁化强度曲线的简图。当所施加的外部磁场小时，自由磁层201的净磁化强度MR基本上为0。这是因为，铁磁层的磁化强度通过铁磁层之间的反铁磁耦合而保持反平行。
[0018] 当外部磁场的大小进一步增大到某一大小时，外部磁场突然打破两个铁磁层之间的反铁磁耦合，然后这两个铁磁层的磁化强度重新排列成某一角度，使得两个铁磁层的合成磁化强度矢量的方向与外部磁场方向一致。以下，这种磁场被称为自旋翻转磁场(spin flop field)Hflop。当外部磁场的大小在自旋翻转磁场Hflop到饱和磁场Hs的范围内进一步增大时，所施加的外部磁场的增大将增大自由磁层的合成磁化强度。这是因为，铁磁层的磁化强度方向重新指向为几乎处于平行状态。当所施加的磁场进一步增大、然后超过饱和磁场Hs时，铁磁层的磁化强度变得完成平行，并且自由铁磁层的合成磁化强度饱和了。
[0019] 图3是示出专利文献1中所公开的MRAM的写操作的简图。应该理解，符号M1、M2表示自由磁层201内的各个铁磁层的磁化强度。
[0020] 通过旋转施加于自由磁层的磁场的平面内方向、以及从而使自由磁层201内的铁磁层的磁化强度旋转到期望方向，来实现该MRAM的数据写。具体地说，首先，通过字线202发送写电流，使得在时间t1在垂直于字线202的方向上产生磁场HWL。然后，当维持通过字线202的写电流时，在时间t2通过位线203发送另一写电流。因此，在与字线202和位线203都倾斜的方向上，典型地在与字线202和位线203成45°角的方向上，产生磁场HWL+HBL。
接着，在维持通过位线203的写电流的情况下，在时间t3终止发送到字线的写电流。因此，在与位线203正交的方向上，即在平行于字线202的方向上，产生磁场HBL。这样描述的过程实现了使施加于自由磁层201的磁场旋转，并导致自由磁层201内的铁磁层的磁化强度旋转180度。以下，该过程中的数据写可以被称为轮转写(toggle writing)。
接着，在维持通过位线203的写电流的情况下，在时间t3终止发送到字线的写电流。因此，在与位线203正交的方向上，即在平行于字线202的方向上，产生磁场HBL。这样描述的过程实现了使施加于自由磁层201的磁场旋转，并导致自由磁层201内的铁磁层的磁化强度旋转180度。以下，该过程中的数据写可以被称为轮转写(toggle writing)。
[0021] 在采用轮转写的MRAM中，当向字线202和位线203发送写电流时，要求施加于自由磁层的磁场大于自旋翻转磁场Hflop、并小于饱和磁场Hs。如果不这样，则自由磁层201内的铁磁层的磁化强度不指向期望方向。
[0022] 采用轮转写的MRAM具有各种优点。一个优点是，轮转写实现了优越的选择性。原则上，当只通过字线202和位线203之一发送写电流时，轮转写不造成SAF内铁磁层的磁化强度旋转。换句话说，一半选择的(half-selected)存储单元的磁化强度不会不合需要地反转。从MRAM的操作可靠性的观点来看，这是重要的。
[0023] 轮转写的另一个优点是，在自由磁层净磁化强度减小的情况下改善热激活容限(tolerance for thermal activation)。为了改善热激活容限，需要增大自由磁层的体积。然而，在把单层铁磁膜用作自由磁层的MRAM中，自由磁层体积的增大将不合需要地增大自由磁层的磁化强度和厚度积(即，磁膜的厚度与饱和磁化强度的积)。磁化强度和厚度积的增加增大了由磁化强度产生的磁场，并由此不合需要地造成相邻存储单元之间的磁干扰。
而且，自由磁层的磁化强度与厚度积的增大使得难以反转自由磁层的磁化强度。这些现象对于MRAM操作是不可取的。另一方面，基于轮转写的、包括作为自由磁层的SAF的MRAM，允许在减小自由磁层净磁化强度的情况下增大自由磁层的体积。例如，增加SAF内铁磁层的数目和/或膜厚度，允许增大自由磁层的体积。然而，利用合理设计的SAF结构，理想地可以将SAF的净磁化强度保持为0。
而且，自由磁层的磁化强度与厚度积的增大使得难以反转自由磁层的磁化强度。这些现象对于MRAM操作是不可取的。另一方面，基于轮转写的、包括作为自由磁层的SAF的MRAM，允许在减小自由磁层净磁化强度的情况下增大自由磁层的体积。例如，增加SAF内铁磁层的数目和/或膜厚度，允许增大自由磁层的体积。然而，利用合理设计的SAF结构，理想地可以将SAF的净磁化强度保持为0。
[0024] 分层铁磁结构应用的又一个例子是，由两个反铁磁地耦合的铁磁层组成的固定磁层(例如，参考日本待审专利申请No.P2004-87870A和No.P2004-253807)。这样设计的固定磁层的优点是，由于净磁化强度的减小，使得外部磁场不容易造成不希望的磁化强度反转；包括SAF的固定磁层的净磁化强度理想地为0。为了使固定磁层的净磁化强度更接近于0，两个铁磁层以反铁磁的方式耦合，并且被设计成具有相同的磁化强度。两个铁磁层以反铁磁的方式耦合对于提供0净磁化强度是重要的。
[0025] 分层铁磁结构(典型地为SAF)的一个要求是，在相邻的铁磁层之间有足够大的交换耦合起作用。例如，把SAF用作自由磁层、并执行星形写的MRAM要求铁磁层之间足够大的反铁磁交换耦合。如果不是这样，则自由磁层不起SAF的作用。类似，把SAF用作固定磁层的MRAM要求SAF铁磁层之间足够大的反铁磁交换耦合。
[0026] 实现足够大的交换耦合可能是个问题，尤其是在分层铁磁结构被形成在隧道阻挡层上的情况下。隧道阻挡层常常由非晶形层或差取向层(poorly oriented layer)如AlOx形成。结果，隧道阻挡层上形成的铁磁层常常表现差的取向。差取向铁磁层使它上面形成的非磁层也变成差取向。这削弱了铁磁层之间的交换耦合，并阻止在分层铁磁结构中实现期望的特性。当SAF内的铁磁层由NiFe形成时，这种情况尤其严重。难以在SAF内的NiFe之间获得足够大的交换耦合。
[0027] 上述情况也适用于以下情况：隧道阻挡层的晶体结构不适于在它上面生长SAF膜，即使隧道阻挡层由高度取向绝缘膜、如具有NaCl晶体结构的MgO膜形成。在这种情况下，不能获得大交换耦合，这造成了相同问题。在许多情况下，SAF膜的晶体结构不能良好地匹配下面的结晶隧道阻挡膜。
[0028] 虽然需要一种与下面隧道阻挡层的晶体结构无关地实现SAF膜晶体生长的改善的技术，但是当前还没有提出方法。
[0029] 在SAF的每个铁磁层内包括一种由CoFe和NiFe膜组成的层结构，可能实现交换耦合的增强；然而，使用CoFe膜导致了饱和磁化强度和SAF晶体磁各向异性的增大。这对于MRAM操作是不可取的。对于采用星形写(asteroid writing)的MRAM，饱和磁化强度和晶体磁各向异性的增大不合需要地增大了切换磁场Hc，并由此增大写电流。
[0030] 强加于分层铁磁结构的另一个要求是，应该能够容易控制铁磁层之间的交换耦合强度。例如，在轮转写中，适当地调节每个铁磁层的各向异性磁场Hk及相邻铁磁层之间的交换耦合能量J是重要的。这是因为，决定轮转写操作裕度的自旋翻转磁场Hflop和饱和磁场Hs取决于交换耦合能量J。具体地说，由两个铁磁层组成的SAF的自旋翻转磁场Hfiop和饱和磁场Hs由以下方程式表示：
[0031] Hs＝2J/Ms·(1/t1+1/t2)-2K/M，...(1)
[0032] Hflop＝2/Ms·[K(2J/t-K)]0.5，...(2)
[0033] 其中J是通过SAF内的非磁层起作用的交换耦合能量，Ms是SAF的饱和磁化强度，K是各向异性能量，以及t1和t2是SAF内各个铁磁层的膜厚度。应该注意，各向异性能量K随各向异性磁场Hk的增大而增大，并且当t1和t2不等时，方程式(1)所给出的饱和磁场Hs可以仅由第一项来近似。而且，只有当tl和t2相等时，才能够定义方程式(2)。即，如果可以定义方程式(2)，则t＝t1＝t2成立。
[0034] 可以把方程式(2)改写为如下所示：
[0035] Hflop＝(Hs×Hk)0.5 (2)’
[0036] 如同可以从方程式(1)、(2)理解的，轮转写要求足够增大的交换耦合能量J，以便铁磁层起SAF的作用。然而，过度增大交换耦合能量J将不合需要地导致自旋翻转磁场Hflop的增大。因此，需要将交换耦合能量J控制为适当值。另外，优选地，可以与交换耦合能量J无关地控制各向异性磁场Hk，即各向异性能量K，因为它允许与饱和磁场Hs无关地控制自旋翻转磁场Hflop，如同可以从方程式(2)’理解的。
[0037] 如本领域技术人员所周知的，可以根据在铁磁层之间形成的非磁层的厚度，来稍微控制在铁磁层之间起作用的交换耦合能量，如图4所示。然而，为了使交换耦合能量的大小稳定，应该调节非磁层的厚度，使得交换耦合能量显示出极值。这意味，不可以通过非磁层的厚度来随意控制交换耦合能量的大小。有利的是，提供一种通过除非磁层厚度以外的参数来控制交换耦合能量、以获得基于轮转写的高可靠MRAM的技术。
[0038] 美国专利No.6,714,446公开了一种改进的SAF结构，其中SAF内的两个铁磁层每一个都由两个反铁磁地耦合的铁磁膜组成。然而，该公开的SAF结构没有致力于增强或控制交换耦合能量。
发明内容
[0039] 因此，本发明的一个目的是，提供一种在分层铁磁结构内的铁磁层之间提供足够大交换耦合的技术。
[0040] 本发明的另一个目的是，提供一种优选地与每个铁磁层的磁结晶各向异性场Hk无关地灵活控制分层铁磁结构内铁磁层之间的交换耦合强度的技术。
[0041] 在本发明的一个方面，一种分层铁磁结构包括：位于衬底上方的第一铁磁层；位于第一铁磁层上方的第二铁磁层；以及位于第一和第二铁磁层之间的第一非磁层。第一铁磁层的顶表面和第一非磁层接触。第一铁磁层包括第一取向控制缓冲器，该第一取向控制缓冲器表现出提高它上面形成的膜的结晶取向的作用。
[0042] 在这种分层铁磁结构中，第一取向控制缓冲器通过提高第一铁磁层的至少顶部的结晶取向、或者通过直接提高第一非磁层的结晶取向，来有效提高第一非磁层的结晶取向。第一非磁层的结晶取向提高有效实现了增强第一和第二铁磁层之间的交换耦合。
[0043] 在一个实施例中，第一铁磁层可以进一步包括第一铁磁膜；以及位于第一铁磁膜上方的第二铁磁膜。在该情况下，第一取向控制缓冲器位于第一和第二铁磁膜之间，并被设计成在第一和第二铁磁膜之间提供铁磁耦合。
[0044] 第一取向控制缓冲器优选地具有1.0nm或更小的厚度。这允许第一和第二铁磁层之间的铁磁耦合。
[0045] 在该情况下，第一取向控制缓冲器优选地由从包括钽(Ta)、钌(Ru)、铌(Nb)、钒(V)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、镁(Mg)、硅(Si)、钇(Y)、铈(Ce)、钯(Pd)、铼(Re)、其合金的组中选择的材料形成。而且，优选地第一取向控制缓冲器由从包括钽(Ta)、钌(Ru)、铌(Nb)、钒(V)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、镁(Mg)、硅(Si)、钇(Y)、铈(Ce)、钯(Pd)、铼(Re)、其合金的组中选择的材料的化合物形成。
[0046] 更为优选地，第一取向控制缓冲器由从包括钽(Ta)、铌(Nb)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、钨(W)、及其合金的组中选择的材料形成。这些材料提供优越的提高它上面形成的膜的结晶取向的作用，尤其是当它上面形成的膜主要由NiFe或CoFe组成时。因此，使用以上列出的材料有效增强了第一和第二铁磁层之间的交换耦合。
[0047] 第一取向控制缓冲器可以被配置成，允许第一和第二铁磁膜相互部分地直接接触。部分接触有效地在第一和第二铁磁膜之间提供铁磁耦合。
[0048] 第一取向控制缓冲器可以由从包括钌(Ru)、铬(Cr)、铼(Re)、铑(Rh)、铱(Ir)、钇(Y)、银(Ag)、铜(Cu)、其合金、及其化合物的组中选择的材料形成。当第一取向控制缓冲器上形成的膜主要由NiFe或CoFe组成时，这些材料有效提高了它上面形成的膜的结晶取向。另外，即使当第一取向控制缓冲器具有增加的厚度，这些材料也允许第一和第二铁磁膜之间的铁磁耦合。调节第一取向控制缓冲器的厚度，以表现出足够强的铁磁耦合。
[0049] 在另一个实施例中，把第一取向控制缓冲器直接形成在隧道阻挡层上，以便表现出铁磁性，并且第一铁磁层进一步包括在第一取向控制缓冲器上的铁磁膜。
[0050] 在又一个实施例中，第一铁磁层进一步包括铁磁膜，并且第一取向控制缓冲器被形成在该铁磁膜上，表现出铁磁性。在该情况下，第一非磁层被形成在第一取向控制缓冲器上。
[0051] 在这些实施例中，优选地第一取向控制缓冲器被配置成表现铁磁性，并且包括铁磁材料如NiFe和CoFe、以及从包括钽、铌、锆、铪、钼和钨的组中选择的至少一种材料。
[0052] 在优选实施例中，第一取向控制缓冲器由掺有钽或锆的NiFe形成，并且第一取向控制缓冲器的钽或锆含量在从5到25原子百分数的范围内。
[0053] 如这样描述的，本发明通过提高第一非磁层的结晶取向，来实现交换耦合的增强。通过第一非磁层的交换耦合强度取决于分别与第一和第二铁磁层接触的第一非磁层的表面状态。一般来说，当第一非磁层的最紧密堆积面(clostest-packed face)平行于第一非磁层的表面时，即当第一非磁层的最紧密堆积面取向于膜平面的垂线时，获得了最强的交换耦合。因此，获得足够强交换耦合的一种方法是，在第一非磁层的最紧密堆积面取向于膜平面的垂线的情况下提高第一非磁层的结晶取向。
[0054] 一种期望的方法是，提高第一铁磁层的结晶取向，使得第一铁磁层的最紧密堆积面取向于膜平面的垂线。把第一非磁层沉积在铁磁下层的最紧密堆积面上有助于第一非磁层和铁磁下层之间的晶格匹配，由此在最紧密堆积面垂直于膜平面取向的情况下提高第一非磁层的结晶取向。
[0055] 当第一取向控制缓冲器位于第一和第二铁磁膜之间、以便在它们之间提供铁磁耦合时，在第二铁磁膜的最紧密堆积面取向于膜平面的垂线的情况下，第二铁磁膜表现出比第一铁磁膜告的结晶取向。这是因为，在第二铁磁膜的最紧密堆积面取向于膜平面的垂线的情况下，第一取向控制缓冲器提高了第二铁磁膜的结晶取向，由此在第一非磁膜的最紧密堆积面取向于膜平面的垂线的情况下提高了第一非磁膜的结晶取向。这实现了交换耦合的增强。当第二铁磁膜具有面心立方(FCC：face-centered cubic)结构时，第二铁磁膜优选地被配置成表现高FCC(111)取向。当第二铁磁膜具有体心立方(BCC：body-centeredcubic)结构时，第二铁磁膜优选地被配置成表现高BCC(110)取向。最后，当第二铁磁膜具有六方紧密堆积(HCP：hexagonal closed packed)结构时，第二铁磁膜优选地被配置成表现高HCP(001)取向。当第二铁磁膜由从包括Ni、Fe、Co及其合金的组中选择的材料形成、并且当第一非磁膜由钌或钌合金形成时，这些尤其有效。如从晶格常数理解的，在钌膜的HCP(001)面和NiFeCo合金膜的最紧密堆积面之间实现了晶格匹配的提高。
[0056] 为了减小第一和第二铁磁层之间的结构差异，第二铁磁层优选地包括第三铁磁膜、位于第三铁磁膜上方的第四铁磁膜、以及位于第三和第四铁磁膜之间的第二取向控制缓冲器。
[0057] 在这种情况下，第二取向控制缓冲器优选地由非晶形材料如NiFeTaOx、NiFeTaNx、CoFeB和NiFeB形成，以避免过度提高第四铁磁膜的结晶取向。
[0058] 同样，第二铁磁膜优选地包括位于第二取向控制缓冲器和第四铁磁膜之间的第三取向控制缓冲器，第三取向控制缓冲器被配置成增强第四铁磁膜。
[0059] 为了在总体上抑止第二铁磁层结晶取向的过度提高，第二铁磁层优选地包括第一非磁层上的非晶形铁磁膜、非晶形铁磁膜上的第四取向控制缓冲器、以及第四取向控制缓冲器上的附加铁磁膜，第四取向控制缓冲器被配置成提高附加铁磁膜的结晶取向。
[0060] 当第二铁磁层包括第三和第四铁磁膜以及位于第三和第四铁磁膜之间的第五取向控制缓冲器时，优选地使第三铁磁膜受到等离子处理，并将所放置的第五取向控制缓冲器配置成提高第四铁磁膜的结晶取向。
[0061] 当分层铁磁结构包括三个或更多铁磁层时，具体地说，当分层铁磁结构包括第二铁磁层上的第二非磁层以及第二非磁层上的第三铁磁层时，使用避免第二铁磁层结晶取向过度提高的技术尤其可取。
[0062] 在这种情况下，第三铁磁层优选地包括第五铁磁膜、位于第五铁磁膜上方的第六铁磁膜、以及由非晶形材料形成且位于第五和第六铁磁膜之间的第六取向控制缓冲器。
[0063] 当第三铁磁层包括第五和第六铁磁膜以及位于它们之间的第六取向控制缓冲器时，优选地使第五铁磁膜受到等离子处理，并将第六取向控制缓冲器配置成提高第六铁磁膜的结晶取向。
[0064] 当分层铁磁结构包括三个铁磁层时，第二铁磁层优选地由掺有非铁磁性材料的铁磁材料形成。在该情况下，更为优选的是，第三铁磁层由掺有非铁磁性材料的铁磁材料形成。
[0065] 在本发明的另一个方面，分层铁磁结构包括：第一和第二铁磁层，以及位于第一和第二铁磁层之间的第一非磁层。第一铁磁层的顶表面和第一非磁层接触。第一铁磁层包括相互反铁磁耦合的第一和第二铁磁膜。第二铁磁膜位于第一铁磁膜和第一非铁磁膜之间。第二铁磁膜的结晶取向不同于第一铁磁膜的结晶取向。
[0066] 这样设计的分层铁磁结构允许通过适当控制第二铁磁膜来控制第一非铁磁层，由此提供对第一和第二铁磁层之间的交换耦合强度的控制。
[0067] 当分层铁磁结构用作SAF时，第一非磁层被配置成在第一和第二铁磁层之间提供反铁磁耦合。
[0068] 在一个实施例中，第二铁磁膜被配置成表现出比第一铁磁膜高的结晶取向。这实现了第二铁磁层上的第一非磁层的结晶取向提高，由此增强通过第一非磁层的交换耦合。当第一铁磁膜和非晶形膜接触时，这是尤其有利的。
[0069] 第二铁磁层优选地包括相互铁磁地耦合的第三和第四铁磁膜。在该情况下，第四铁磁膜优选地被配置成表现出比第三铁磁膜差的结晶取向。可以使第三铁磁膜受到等离子处理。
[0070] 当分层铁磁结构包括第二铁磁层上的第二非磁层以及第二非磁层上的第三铁磁层时，其中第四铁磁膜表现出比第三铁磁膜差的结晶取向的结构、以及其中第三铁磁膜受到等离子处理的结构尤其有效。一般来说，当分层铁磁结构由三个或更多铁磁层以及被插入它们之中的非磁层形成时，当沉积的次序靠后时、非磁层表现出更高的结晶取向。这不合需要地造成通过各个非磁层的交换耦合的不均匀性。然而，利用其中第四铁磁膜表现出比第三铁磁膜差的结晶取向的结构、或其中第三铁磁膜受到等离子处理的结构，有效避免了交换耦合的不均匀性，这是因为这些结构有效避免了第二非磁层结晶取向的过度提高。
[0071] 应该注意，当分层铁磁结构用作SAF时，第二非磁层被形成为在第二和第三铁磁层之间提供反铁磁耦合。
[0072] 第三铁磁层优选地包括第五铁磁层以及与第五铁磁层铁磁地耦合的第六铁磁层。在该情况下，第六铁磁层优选地被配置成表现出比第五铁磁膜差的结晶取向。同样，优选地使第五铁磁膜受到等离子处理。
[0073] 为了避免通过各个非磁层的交换耦合的不均匀性，同样第二铁磁层优选地由掺有非磁性材料的铁磁材料形成。在该情况下，优选地第三铁磁材料也由掺有非磁性材料的铁磁材料形成。
[0074] 在替换实施例中，第二铁磁膜被配置成表现出比第一铁磁膜差的结晶取向。这种结构允许位于第一铁磁膜上方的第二非磁层的结晶取向的恶化。
[0075] 这样设计的分层铁磁结构优选地应用于自由磁层和固定磁层。
[0076] 当上述分层铁磁结构用作SAF时，控制非磁层的厚度以获得期望强度的反铁磁耦合。当上述分层铁磁结构应用于除SAF以外的产品时，控制非磁层的厚度以获得期望强度的铁磁耦合。
附图说明
[0077] 由以下连同附图一起考虑的说明，本发明的以上及其它优点和特征将变得更加显而易见，其中：
[0078] 图1A是示出常规MRAM的示范性结构的横断面图；
[0079] 图1B是示出图1A所示常规MRAM的示范性结构的平面图；
[0080] 图1C是用作采用星形写的MRAM中的自由磁层的SAF的磁化强度曲线；
[0081] 图1D是示出与切换磁场(Hc)相对应的星形曲线的曲线图；
[0082] 图2A是示出常规MRAM的另一个示范性结构的平面图；
[0083] 图2B是示出一种在常规MRAM中实现轮转写的过程的概念图；
[0084] 图3是示出SAF的理想磁化强度曲线的曲线图；
[0085] 图4是示出非磁层厚度和交换耦合能量之间的关系的曲线图；
[0086] 图5A是示出本发明第一实施例中的MRAM的结构的横断面图；
[0087] 图5B是示出本发明第一实施例中的MRAM的另一种结构的横断面图；
[0088] 图6是示出缓冲膜典型结构的横断面图；
[0089] 图7A是示出本发明第一实施例中的MRAM的又一种结构的横断面图；
[0090] 图7B是示出本发明第一实施例中的MRAM的又一种结构的横断面图；
[0091] 图8是示出本发明第二实施例中的MRAM的示范性结构的横断面图；
[0092] 图9是示出本发明第二实施例中的MRAM的优选结构的横断面图；
[0093] 图10是示出本发明第二实施例中的MRAM的另一种优选结构的横断面图；
[0094] 图11A是示出本发明第二实施例中的MRAM的又一种优选结构的横断面图；
[0095] 图11B是示出根据本发明第二实施例的MRAM的又一种优选结构的横断面图；
[0096] 图12是示出本发明第三实施例中的MRAM的示范性结构的横断面图；
[0097] 图13是示出本发明第三实施例中的MRAM的优选结构的横断面图；
[0098] 图14是示出本发明第三实施例中的MRAM的另一种优选结构的横断面图；
[0099] 图15是示出本发明第三实施例中的MRAM的又一种优选结构的横断面图；
[0100] 图16是示出本发明第四实施例中的MRAM的示范性结构的横断面图；
[0101] 图17A是示出本发明第四实施例中的MRAM的另一种结构的横断面图；
[0102] 图17B是示出第五实施例中的MRAM的优选结构的横断面图；
[0103] 图17C是示出第五实施例中的MRAM的另一种优选结构的横断面图；
[0104] 图18A是示出实施例1和比较例1的SAF的磁化强度曲线的曲线图；
[0105] 图18B是示出实施例2和比较例2的SAF的磁化强度曲线的曲线图；
[0106] 图19A是示出实施例3和比较例3的SAF的磁化强度曲线的曲线图；
[0107] 图19B是示出实施例4和比较例4的SAF的磁化强度曲线的曲线图；
[0108] 图20是示出缓冲膜的材料和厚度与在SAF内的铁磁层之间起作用的交换耦合能量J的大小之间的关系的表；
[0109] 图21A是本发明实施例的SAF的透射电子显微镜(TEM)图像；
[0110] 图21B是本发明实施例的SAF的TEM图像；
[0111] 图22A是示出通过能量分散X射线光谱学(EDX)技术测量的、本发明实施例的SAF中的Ta分布的曲线图；
[0112] 图22B是示出通过EDX技术测量的、本发明实施例的SAF中的Ni分布的曲线图；
[0113] 图22C是示出通过EDX技术测量的、本发明实施例的SAF中的Ru分布的曲线图；
[0114] 图23A是示出(Ni81Fe19)100-xTax膜的磁化强度M与Ta含量x的相关性的曲线图；
[0115] 图23B是示出(Ni81Fe19)100-xZrx膜的磁化强度M与Zr含量x的相关性的曲线图；
[0116] 图24是示出实施例5的交换耦合能量J及饱和磁场Hs与Ta含量x的相关性的曲线图；
[0117] 图25是示出实施例6的交换耦合能量J及饱和磁场Hs与Ta含量x的相关性的曲线图；
[0118] 图26是示出实施例7的交换耦合能量J及饱和磁场Hs与Ta含量x的相关性的曲线图；
[0119] 图27是示出本发明实施例8的包括Ta膜作为缓冲膜的SAF的磁化强度曲线的曲线图；
[0120] 图28是示出饱和磁场Hs与用作实施例8的SAF缓冲膜的Ta膜的厚度之间的关系的曲线图；
[0121] 图29是示出比较例5的、在铁磁层内包括CoFe膜的SAF的磁化强度曲线的曲线图；
[0122] 图30是示出饱和磁场Hs与比较例5的SAF的CoFe膜厚度之间的关系的曲线图；
[0123] 图31A是示出磁结晶各向异性场Hk与本发明实施例8的SAF的Ta膜厚度之间的关系的曲线图；
[0124] 图31B是示出磁结晶各向异性场Hk与比较例5的SAF的CoFe膜厚度之间的关系的曲线图；
[0125] 图32是示出实施例8和比较例5的SAF的交换耦合能量J和磁结晶各向异性场Hk的表；
[0126] 图33是示出交换耦合能量J与用作非晶形缓冲膜的SiO2膜的厚度之间的关系的曲线图；
[0127] 图34A是示出本发明实施例9的SAF的磁化强度曲线的曲线图；
[0128] 图34B是示出比较例6的SAF的磁化强度曲线的曲线图；
[0129] 图35A是示出本发明实施例10和11的SAF的磁化强度曲线的曲线图；
[0130] 图35B是示出比较例7和8的SAF的磁化强度曲线的曲线图；以及
[0131] 图36是示出本发明实施例12的、包括Ta膜作为缓冲膜的SAF的磁化强度曲线的曲线图。
具体实施方式
[0132] 根据本发明的分层铁磁结构优选地应用于MRAM存储单元中的自由磁层和/或固定磁层。在以下实施例中，详细地说明优选的MRAM存储单元(memory cell)结构。
[0133] 第一实施例
[0134] 图5A是示出本发明第一实施例中的MRAM存储单元示例结构的横断面图。MRAM由以下组成：衬底1、在衬底1上形成的底电极2、由反铁磁材料形成的反铁磁层3、固定磁层4、隧道阻挡层5、自由磁层6及顶部接触层7。通过反铁磁层3和固定磁层4之间的交换相互作用，来固定固定磁层4的磁化强度。固定磁层4由单铁磁层或SAF组成，并且其磁化强度由反铁磁层3固定。
[0135] 隧道阻挡层5由超薄非磁性绝缘层组成。在该实施例中，许多材料可以用于隧道阻挡层5。就晶体结构而论，隧道阻挡层5可以由非晶形或晶体材料形成。具体地说，隧道阻挡层5可以由通过使铝膜氧化而形成的非晶形AlOx层组成。作为选择，可以把具有NaCl结构的高度取向结晶MgO层用作隧道阻挡层5。把表现出高(001)取向的结晶MgO层用作隧道阻挡层5有利地获得高的磁隧道结MR比(highMR ratio of the magnetia tunnel junction)。应该注意，本发明产生其有利的效果，而与隧道阻挡层5的材料和晶体结构无关。
[0136] 自由磁层6由包括具有可反转磁化强度的铁磁层的SAF组成。自由磁层6的磁化强度指向与要存储的数据相对应的方向。固定磁层4、隧道阻挡层5和自由磁层6组成了MTJ元件。由于隧道磁阻效应，MTJ元件的电阻在自由磁层6内的铁磁层的磁化强度方向上改变，即在存储到自由磁层6上的数据的方向上改变。根据MTJ元件的电阻变化，来识别数据。
[0137] 具体地说，自由磁层6由第一铁磁层11、第二铁磁层13和位于它们之间的非磁层12组成。第一铁磁层11被形成在隧道阻挡层5上。第一铁磁层11和第二铁磁层13都被配置成表现出铁磁行为。非磁层12被配置成在第一铁磁层11和第二铁磁层13之间提供反铁磁交换耦合。详细地说，选择非磁层12的材料和膜厚度，使得第一铁磁层11和第二铁磁层13反铁磁地耦合。在优选实施例中，非磁层12由具有大约0.9nm厚度的钌膜组成。如以下详细描述的，该实施例中的MRAM结构致力于提高非磁层12的结晶取向。非磁层12结晶取向的提高对于增强第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的交换耦合是重要的。
[0138] 在图5A所示的MRAM结构中，第一铁磁层11由两个铁磁膜21、23以及位于它们之间的缓冲膜22组成。铁磁膜21和23由铁磁材料如坡莫合金(NiFe)和CoFe构成。选择缓冲膜22的材料和沉积方法，使得沉积在缓冲膜22上的铁磁膜23的结晶取向得以提高。缓冲膜22允许铁磁膜23表现出比位于缓冲膜22下面的铁磁膜21更高的结晶取向。铁磁膜23结晶取向的提高导致了它上面形成的非磁层12的结晶取向提高，并由此有效增强第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的交换耦合。可以通过溅射法由钽或钌形成缓冲膜。稍后将描述缓冲膜22的细节。
[0139] 通过缓冲膜22来提高铁磁膜23的结晶取向本质上对于增强第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的交换耦合是重要的。铁磁膜21表现出差结晶取向，这是因为它被形成在非晶形隧道阻挡层5上。因为铁磁膜21的差结晶取向，所以缓冲膜22有效避免了非磁层12变成差取向。在铁磁膜21上形成的缓冲膜22提高了在缓冲膜22上形成的铁磁膜23的结晶取向，并因此提高了铁磁膜23上形成的非磁层12的结晶取向。非磁层12结晶取向的提高有效增强了第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的交换耦合。
[0140] 这样形成缓冲膜22，使得铁磁膜21和23反铁磁地耦合。应该注意，虽然第一铁磁层11包括多个铁磁膜21和23，但是第一铁磁层11起单铁磁层的作用。
[0141] 如上所述，缓冲膜22要满足的一个要求是提高在它上面形成的铁磁膜23的结晶取向，另一个要求是铁磁地耦合铁磁膜21和23。满足这些要求的第一种方法是，根据以下两个条件(A1)和(A2)来形成缓冲膜22：
[0142] (A1)由从包括钽(Ta)、钌(Ru)、铌(Nb)、钒(V)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、镁(Mg)、硅(Si)、钇(Y)、铈(Ce)、钯(Pd)、铼(Re)及其合金的组中选择的一种材料，来构成缓冲膜22。
[0143] (A2)极度减小缓冲膜22的厚度。优选地，把缓冲膜的平均厚度减小到1.0nm或更小，更为优选地，减小到0.7nm或更小。
[0144] 使用条件(A1)中列出的材料有效提高了缓冲膜22上形成的铁磁膜23的结晶取向。如上所述，铁磁膜23结晶取向的提高对于提高它上面形成的非磁层12的结晶取向，是重要的。
[0145] 另外，缓冲膜22厚度的减小对于允许铁磁膜21和23起单铁磁层的作用，是重要的。
[0146] 当铁磁膜21和23由坡莫合金(NiFe)或CoFe形成时，尤其优选的是，缓冲膜22由从包括以下的组中选择的一种材料形成：钽(Ta)、铌(Nb)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、钨(W)、其合金、以及任何元素和合金的化合物。这些材料尤其表现出以下增强效果：提高具有面心立方(FCC)结构的坡莫合金(NiFe)膜和CoFe膜以及具有体心立方(BCC)结构的富铁NiFe膜的结晶取向。因此，把以上列出的材料用于缓冲膜22有效提高缓冲膜22上形成的铁磁膜23的结晶取向，并由此提高铁磁膜23上形成的非磁层12的结晶取向。另外，当把元素包括在缓冲膜22内作为化合物如氧化物、氮化物和碳化物，并且当缓冲膜22这样薄、以至其厚度减小到1.0nm或更小时，使用从包括(Ta)、铌(Nb)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、钨(W)的组中选择的元素，提供了提高铁磁膜23和它上面形成的非磁层12的结晶取向的效果。
[0147] 满足上述两个要求的第二种方法是，根据以下两个条件(B1)和(B2)来形成缓冲膜22：
[0148] (B1)由从包括钌(Ru)、铬(Cr)、铼(Re)、铑(Rh)、铱(Ir)、钇(Y)、银(Ag)和铜(Cu)的组中选择的一种材料，来构成缓冲膜22。
[0149] (B2)把缓冲膜22的厚度选为允许缓冲膜22表现出铁磁交换耦合的厚度。
[0150] 如参考图4所说明的，当把以上列出的材料之一用作缓冲膜22时，取决于缓冲膜22的厚度，缓冲膜22提供反铁磁或铁磁交换耦合。通过适当选择缓冲膜22的厚度，来获得铁磁交换耦合。
[0151] 该方法不需要极度减小缓冲膜的厚度来提供铁磁膜21和23之间的铁磁耦合。因此，该方法的可取之处在于，允许缓冲膜22具有要控制的足够膜厚度。缓冲膜22具有足够厚度有以下功效：进一步提高它上面形成的铁磁膜23的结晶取向、并由此提高非磁层12的结晶取向。
[0152] 满足上述两个要求的第三种方法是，用这样的铁磁材料来形成缓冲膜22，该铁磁材料掺有表现出提高设置在其上面的薄膜的结晶取向的作用的材料。具体地说，缓冲膜22优选地由其组成由组成公式(FM)1-xMx表示的材料形成，其中材料“FM”是从表现出铁磁特性的材料中选择的，具体地说，是从包括Ni、Fe和Co及其合金的组中选择的，并且材料“M”是从包括钽(Ta)、铌(Nb)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、钨(W)及其合金的组中选择的。这样确定组成公式中的索引“x”，使得缓冲膜22在铁磁膜21和23之间提供交换耦合，并表现出其铁磁特性。在一个优选实施例中，把坡莫合金(NiFe)选为材料“FM”，并把钽(Ta)或锆(Zr)选为材料“M”。索引“x”大于5％，并且等于或小于25％。
[0153] 具有这种组成的缓冲膜22通过以上列出的元素(即Ta、Nb、Zr、Hf、Mo和W)的作用，来有效提高铁磁膜23的结晶取向，并因此提高非磁层12的结晶取向。另外，因为缓冲膜22自身由铁磁材料形成，所以铁磁膜21和23与其膜厚度无关地、自动地铁磁耦合。这有以下功效：通过增加缓冲膜22的膜厚度，来提高缓冲膜22上形成的铁磁膜23以及非磁层12的结晶取向。
[0154] 与仅由非磁性元素构成的缓冲膜22相比，由掺有从Ta、Nb、Zr、Hf、Mo和W中选择的一种或多种材料的铁磁材料构成的缓冲膜22的优点是，利用较少量的非磁性元素来实现第一铁磁层11和第二铁磁层13之间交换耦合的增强。具有提高结晶取向作用的元素典型地是难以蚀刻的耐高温金属。因而，减少以上列出的材料的总量对于使MRAM制造过程变得容易是有效的。
[0155] 本发明者在实验上证实了由掺有从Ta、Nb、Zr、Hf、Mo和W中选择的一种材料的铁磁材料构成的缓冲膜22的优点。本发明者测量了以下两种SAF结构的饱和磁场Hs和交换耦合能量J：其中第一铁磁层11由两个被0.3nm的Ta膜所组成的缓冲膜隔开的NiFe膜组成的一种SAF结构；以及其中第一铁磁层11由两个被1.0nm的(NiFe)85Ta15膜所组成的缓冲膜隔开的NiFe膜组成的另一种SAF结构。应该注意，从Ta元素总量的观点来看，1nm的(NiFe)85Ta15膜对应于0.15nm的Ta膜。当缓冲膜22由0.3nm的Ta膜组成时，饱和磁场Hs2
为203(Oe)，并且交换耦合能量J为0.01166(尔格/cm)。另一方面，当缓冲膜22由1.0nm的(NiFe)85Ta15膜组成时，饱和磁场Hs为192(Oe)，并且交换耦合能量J为0.01519(尔格/
2
cm)。如这样描述的，这两个SAF的饱和磁场Hs和交换耦合能量J基本上相同。这意味，把掺有表现出结晶取向提高作用的元素的铁磁元素用作缓冲膜22有效实现了以下效果：利用减小数量的非磁性元素来增加交换耦合能量J。
为203(Oe)，并且交换耦合能量J为0.01166(尔格/cm)。另一方面，当缓冲膜22由1.0nm的(NiFe)85Ta15膜组成时，饱和磁场Hs为192(Oe)，并且交换耦合能量J为0.01519(尔格/
2
cm)。如这样描述的，这两个SAF的饱和磁场Hs和交换耦合能量J基本上相同。这意味，把掺有表现出结晶取向提高作用的元素的铁磁元素用作缓冲膜22有效实现了以下效果：利用减小数量的非磁性元素来增加交换耦合能量J。
[0156] 当缓冲膜22由掺有具有结晶取向提高作用的元素(即Ta、Nb、Zr、Hf、Mo和W)的铁磁材料形成时，如图7A所示，可以把缓冲膜22直接形成在隧道阻挡层5上。在该情况下，从第一铁磁层11除去铁磁膜21。这种结构也提高了缓冲膜22上形成的铁磁膜23的结晶取向，并因此提高非磁层12的结晶取向。图7A所示结构的相当可取之处在于，第一铁磁层11内的膜数目减少了。
[0157] 应该注意，当如图7A所示把缓冲膜22直接形成在隧道阻挡层5上时，缓冲膜22由铁磁材料形成具有特殊重要性。在图7A所示结构中，当缓冲膜22由非磁性材料(例如Ta、Nb、Zr、Hf、Mo、W等)形成时，MTJ元件的MR比将不合需要地减小。MR比的减小是不希望的，这是因为它恶化MRAM的读操作可靠性。
[0158] 而且，当缓冲膜22由掺有具有结晶取向提高作用的元素的铁磁材料形成时，可以把缓冲膜22形成为直接和非磁层12接触，如图7B所示。在该情况下，从第一铁磁层11除去铁磁膜23。由于缓冲膜22的作用，这种结构也提高非磁层12的结晶取向。图7B结构的相当可取之处在于，第一铁磁层11内的膜数目减少了。
[0159] 应该注意，当如图7B所示使缓冲膜22直接和非磁层12接触时，缓冲膜22由铁磁材料形成具有特殊重要性。如果缓冲膜22由非磁性材料形成，则不能通过非磁层12在第一铁磁层11和第二铁磁层13之间施加反铁磁交换耦合。这不合需要地阻止了自由磁层6起SAF的作用。
[0160] 应该注意，当缓冲膜22的厚度极薄时，缓冲膜22可以不连续，如图6所示，典型地表现出岛生长(island growth)。不连续缓冲膜22也提高它上面形成的铁磁膜23的结晶取向。不连续缓冲膜22对于在铁磁膜21和23之间提供铁磁耦合相当有效。不连续的缓冲膜22结构允许铁磁膜21和23彼此部分地直接接触。部分直接接触在铁磁膜21和23之间提供了铁磁耦合。
[0161] 在该实施例中，可以把多个缓冲层插入第一铁磁层11中。例如，如图5B所示，第一铁磁层11可以由三个铁磁膜21、23和25以及位于它们之间的缓冲层22和24组成。插入多个缓冲层有效提高了位于第一铁磁层11顶部的铁磁层25的结晶取向，并由此进一步提高非磁层12的结晶取向。
[0162] 如这样描述的，提高非磁层12的结晶取向是重要的。此外，极为优选地，非磁层12是高度取向的，使得最紧密堆积面取向于膜平面的垂线。例如，当非磁层12由表现出六方紧密堆积(HCP)结构的钌(Ru)膜形成时，有利地提高钌膜的HCP(001)取向。当把NiFe合金膜用作分层铁磁结构内的铁磁层11和12、并把非晶形AlOx膜用作隧道阻挡层5时，第一铁磁层11不表现清晰的结晶取向平面，从而非磁层12也表现出差取向。这不合需要地恶化了铁磁层11和12之间的交换耦合。上述情况也适用于把结晶MgO膜用作隧道阻挡层5时的情况。虽然向第一铁磁层11提供了垂直于膜平面的较高(111)取向，但是与非晶形AlOx膜相比，使用用于获得高MR比的、表现出高(001)取向的结晶MgO膜未提供垂直于膜平面的足够高的(111)取向。具体地说，本发明者的实验证实了，第一铁磁层11包括以下区域：除最紧密堆积面以外的平面，如(001)平面等垂直于膜平面取向的区域；以及(111)方向与膜平面的垂线稍微倾斜的区域。这阻止了第一铁磁层11表现足够高的(111)取向。根据由于MgO和NiFe合金的晶体结构而不能获得良好的晶格匹配这一事实，可以推断这一点。
这使得难以沉积在膜表面上提供最紧密堆积面并表现出(001)取向的钌膜。本发明的SAF结构处理这种情况；该实施例中的SAF结构切换结晶取向以及/或者提高SAF内的优选结晶取向，由此提高钌膜的(001)取向，因此获得强反铁磁耦合。总之，该实施例中的SAF结构与下层结构无关地稳定提高钌膜的(001)结晶取向。
这使得难以沉积在膜表面上提供最紧密堆积面并表现出(001)取向的钌膜。本发明的SAF结构处理这种情况；该实施例中的SAF结构切换结晶取向以及/或者提高SAF内的优选结晶取向，由此提高钌膜的(001)取向，因此获得强反铁磁耦合。总之，该实施例中的SAF结构与下层结构无关地稳定提高钌膜的(001)结晶取向。
[0163] 第二实施例
[0164] 图5A所示自由磁层6的结构的一个问题在于，由第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的结构差异产生的、第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的特性差异。第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的大特性差异，尤其是晶体磁各向异性和磁化强度与厚度乘积的大差异，对于实现轮转写是不希望的。
[0165] 在第二实施例中，提供一种减小第一铁磁层11和第二铁磁层13之间特性差异的技术。具体地说，在第二实施例中，如图8所示，第二铁磁层13由多个铁磁膜26、28以及位于它们之间的缓冲膜27组成。应该注意，第一铁磁层11的结构可以是图5A、5B、7A和7B所示的任何一种结构。铁磁膜26和28由诸如坡莫合金(NiFe)和CoFe的铁磁材料形成。缓冲膜27由用于提高铁磁膜28结晶取向、并由此维持铁磁膜26和28之间铁磁耦合的材料形成，如钽或钌。适当选择缓冲膜27的厚度，以便在铁磁膜26和28之间提供铁磁耦合。
这种结构允许第二铁磁层13具有一种类似于/或等同于第一铁磁层11的结构，并由此减小第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的特性差异。
这种结构允许第二铁磁层13具有一种类似于/或等同于第一铁磁层11的结构，并由此减小第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的特性差异。
[0166] 图9示出了另一种用于进一步减小第一铁磁层11和第二铁磁层13之间特性差异的结构。在图8的结构中，第二铁磁层13中包括的铁磁膜26和28都是高度取向的，这是因为铁磁膜26和28都被形成在表现出高结晶取向的非磁层12上。另一方面，关于第一铁磁层11，如上所述，铁磁膜21表现差结晶取向。这得出结论：在第一铁磁层11和第二铁磁层13之间存在晶体结构差异。从铁磁层中包括的铁磁膜的结晶取向的观点来看，图9的结构意图减小第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的结构差异。
[0167] 详细地说，在图9的结构中，第二铁磁层13由铁磁膜26、28A以及位于它们之间的非晶形(amorphous)缓冲膜27A组成。非晶形缓冲膜27A被形成为非晶形的，也就是被形成为没有结晶取向。在这种结构中，因为铁磁膜28A被形成在没有结晶取向的非晶形缓冲膜27A上，所以铁磁膜28A表现出差结晶取向。因而，在图9的结构中，第一铁磁层11和第二铁磁层13每一个都由一个差取向铁磁膜(即铁磁膜21或28A)和一个高度取向铁磁膜(即铁磁膜23或26)组成，这减小了第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的结构差异。结构差异的减小对于减小第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的特性差异是优选的。
[0168] 非晶形缓冲膜27A可以是由非磁非晶形材料如SiN、AlN和AlOx形成的超薄膜。当非晶形缓冲膜27A由非磁性材料构成时，以超薄膜厚来形成非晶形缓冲膜27A对于在铁磁膜26和28A之间提供铁磁耦合是重要的。非晶形缓冲膜27A不必是连续的、以便铁磁地耦合铁磁膜26和28A。而是如上所述，优选地非晶形缓冲膜27A表现出岛结构。
[0169] 非晶形缓冲膜27A也可以由非晶形铁磁材料如NiFeTaOx、NiFeTaNx、CoFeB和NiFeB构成。用非晶形铁磁材料来形成非晶形缓冲膜27A的有利之处在于，即使当非晶形缓冲膜27A的厚度增加时，铁磁膜26和28A也铁磁地耦合。
[0170] 虽然非晶形缓冲膜27A使它上面形成的铁磁膜28A的结晶取向恶化，但是有一种情况，铁磁膜28A结晶取向的过度恶化是不可取的。希望可以根据期望的特性，来灵活地控制铁磁膜28A的结晶取向。
[0171] 为了控制铁磁膜28A的结晶取向，如图10所示，优选地把取向控制缓冲膜27B插入非晶形缓冲膜27A和铁磁膜28A之间。取向控制缓冲膜27B可以由用于提高它上面形成的铁磁膜的结晶取向的膜形成，如钽膜或钌膜。这种结构允许铁磁膜28A表现出适当控制的结晶取向。具体地说，厚取向控制缓冲膜27B的形成提高铁磁膜28A的结晶取向。相反，薄取向控制缓冲膜27B的形成恶化铁磁膜28A的结晶取向。
[0172] 图11A示出了另一种用于进一步减小第一铁磁层11和第二铁磁层13之间特性差异的结构。在图11A的结构中，第二铁磁层13由非晶形铁磁层26B、缓冲膜27和铁磁膜28组成。非晶形铁磁层26B典型地由NiFeTaOx、NiFeTaNx、CoFeB和NiFeB形成。缓冲膜27由用于提高铁磁膜28结晶取向、并由此维持铁磁膜26和28之间铁磁耦合的材料形成，如钽和钌。在这种结构中，第二铁磁层13由一个不表现结晶取向的铁磁膜(即铁磁膜26B)和另一个高度取向铁磁膜(即铁磁膜28)组成，并且由结晶取向来看，第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的结构差异减小了。
[0173] 图11B示出了又一种用于减小第一铁磁层11和第二铁磁层13之间特性差异的结构。在图11B的结构中，第二铁磁层13由铁磁膜26A、28以及位于它们之间的缓冲膜27组成。铁磁膜26A在被沉积之后受到等离子处理，以恶化其结晶取向。缓冲膜27由用于提高铁磁膜28结晶取向、并由此维持铁磁膜26A和28之间铁磁耦合的材料形成。在这种结构中，第二铁磁层13由一个差取向铁磁膜(即铁磁膜26A)和一个高度取向铁磁膜(即铁磁膜28)组成。从结晶取向的观点看，这有效减小了第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的结构差异，并由此减小了第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的特性差异。
[0174] 第三实施例
[0175] 在第三实施例中，提供这样一种技术：把三个或更多铁磁层包括在自由磁层6中。自由磁层6内铁磁层数目的增加对于避免由于热活化而造成的不希望的自由磁层6磁化强度反转是有效的，因为它增大了自由磁层6内铁磁层的总体积。如后面所述，应该注意，在此描述的术语“铁磁层”表示包括这样的层，该层中相邻两个铁磁膜反铁磁地耦合。
[0176] 图12示出了一种示范性MRAM结构，其中自由磁层6由三个铁磁层组成：第一铁磁层11、第二铁磁层13和第三铁磁层15。非磁层12被插入第一铁磁层11和第二铁磁层13之间，另一非磁层14被插入第二铁磁层13和第三铁磁层15之间。非磁层12被设计成，在第一铁磁层11和第二铁磁层13之间提供反铁磁耦合。相应地，非磁层14被设计成在第二铁磁层13和第三铁磁层15之间提供反铁磁耦合。第一铁磁层11由以下组成：铁磁膜21、23；以及位于铁磁膜21和23之间的缓冲膜22。缓冲膜22被设计成提高铁磁膜23的结晶取向，以及由此提高铁磁膜23上形成的非磁层12的结晶取向。第二铁磁层13和第三铁磁层15每一个都由单层铁磁膜组成。
[0177] 在图12的结构中，位于缓冲膜22上或上方的所有层，即铁磁膜23、非磁层12、第二铁磁层13、非磁层14和第三铁磁层15，都表现出高结晶取向。这是可取的，因为强反铁磁耦合被施加于第一铁磁层11和第二铁磁层13之间、以及第二铁磁层13和第三铁磁层15之间。
[0178] 然而，图12所示的结构遭受的问题是，当到缓冲膜22的距离增大时，各层(或膜)的结晶取向提高得更多。即，后面沉积的层表现出比之前沉积的另一层更高的结晶取向。详细地说，图12的结构可能导致以下两个问题。
[0179] 一个问题是，非磁层14的结晶取向可能比非磁层12的结晶取向高。非磁层12和14之间的结晶取向差异可能造成，第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的反铁磁耦合强度不同于第二铁磁层13和第三铁磁层15之间的反铁磁耦合强度。当执行轮转写时，这可能造成写错误。在轮转写中，自由磁层6内的铁磁层作为单磁结构进行操作是重要的。反铁磁耦合大小的不均匀性是不可取的，因为它可能造成自由磁层6内只有某些、而非全部铁磁层选择性地翻转。
[0180] 另一个问题是，从结晶取向的观点看，第一至第三铁磁层11、13和15之间的结构差异可能太大。第一铁磁层11包括差取向的铁磁膜21。另一方面，第二铁磁层13由高度取向的铁磁膜组成。另外，第三铁磁层15由具有比第二铁磁层13高的结晶取向的铁磁膜组成。这不希望地加大了第一至第三铁磁层11、13和15之间的特性差异，尤其是晶体磁各向异性的差异。
[0181] 图13示出了一种处理这些问题的示范性结构。图13的结构致力于控制第二铁磁层13内铁磁膜的结晶取向，以及由此控制第二铁磁层13和第三铁磁层15之间的反铁磁耦合强度，即第二铁磁层13和第三铁磁层15之间的交换耦合能量J。具体地说，在图13所示的MRAM中，第二铁磁层13由铁磁膜21和23、非晶形缓冲膜27A和取向控制缓冲膜27B组成。非晶形缓冲膜27A和取向控制缓冲膜27B被插入铁磁膜21和23之间。相应地，第三铁磁层15由铁磁膜29和31、非晶形缓冲膜30A和取向控制缓冲膜30B组成。非晶形缓冲膜30A和取向控制缓冲膜30B被插入铁磁膜29和31之间。
[0182] 被插入第二铁磁层13中的非晶形缓冲膜27A和取向控制缓冲膜27B有效减小非磁层12和14之间的结晶取向差异。非晶形缓冲膜27A由非晶形薄膜如SiOx组成，而取向控制缓冲膜27B由用于提高结晶取向的材料组成，如钽膜和钌膜。非晶形缓冲膜27A避免了铁磁膜28的结晶取向受铁磁膜26结晶取向的影响。详细地说，由于第一铁磁层11内缓冲膜22的作用，使得第二铁磁层13内的铁磁膜26是高度取向的；然而，被插入铁磁膜26和铁磁膜28之间的非晶形缓冲膜27A把铁磁膜28的晶体结构和铁磁膜26的晶体结构隔开。取向控制缓冲膜27B为铁磁膜28提供期望的结晶取向。取向控制缓冲膜27B的厚度增加允许它上面形成的铁磁膜28具有高结晶取向。另一方面，取向控制缓冲膜27B的厚度减小允许铁磁膜28具有差结晶取向。如这样描述的，非晶形缓冲膜27A和取向控制缓冲膜27B对铁磁膜28的结晶取向提供灵活的控制，并由此减小非磁层12和14之间的结晶取向差异。另外，非晶形缓冲膜27A和取向控制缓冲膜27B对铁磁膜28的结晶取向提供灵活的控制，由此，从结晶取向的观点看，减小了第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的结构差异。
应该注意，可以用图11A所示的第二铁磁层13的结构来代替图13所示的第二铁磁层13结构。
应该注意，可以用图11A所示的第二铁磁层13的结构来代替图13所示的第二铁磁层13结构。
[0183] 另一方面，被插入第三铁磁层15中的非晶形缓冲膜30A和取向控制缓冲膜30B致力于控制第三铁磁层15内铁磁膜的结晶取向。类似于第二铁磁层13，非晶形缓冲膜30A由非晶形薄膜如SiOx组成。取向控制缓冲膜30B由用于提高它上面形成的薄膜的结晶取向的材料形成，如钽膜和钌膜。由于类似于第二铁磁层13内的非晶形缓冲膜27A和取向控制缓冲膜27B的作用，非晶形缓冲膜30A和取向控制缓冲膜30B对它们上面形成的铁磁膜31的结晶取向提供灵活的控制。从结晶取向的观点看，这有效减小了第一至第三铁磁层11、13和15之间的结构差异。
[0184] 图14示出了另一种结构，该结构减小第一至第三铁磁层11、13和15之间的结构差异，同时处理缓冲膜22上或上方形成的层(或膜)的结晶取向问题。在图14所示的MRAM中，第二铁磁层13由铁磁膜26A和28以及插入它们之间的缓冲膜27组成。铁磁膜26A在被沉积之后受到等离子处理，由此恶化其结晶取向。缓冲膜27由用于提高铁磁膜28结晶取向、并由此增强铁磁膜26A和28之间铁磁耦合的材料形成。可以根据缓冲膜27的厚度来控制铁磁膜28的结晶取向。相应地，第三铁磁层15铁磁膜29A和31以及插入它们之间的缓冲膜30组成。铁磁膜29A在被沉积之后受到等离子处理，由此恶化其结晶取向。缓冲膜30由用于提高铁磁膜31结晶取向、并由此维持铁磁膜29A和31之间铁磁耦合的材料形成。可以根据缓冲膜30的厚度来控制铁磁膜31的结晶取向。
[0185] 在这种结构中，借助于对铁磁膜26A执行的等离子处理的程度，来控制非磁层14的结晶取向，从而有效减小非磁层12和14之间的结晶取向差异。例如，通过使铁磁膜26A受到长时间的等离子处理，来使非磁层14的结晶取向更加恶化。相反，当铁磁膜26A受到短时间的等离子处理时，非磁层14的结晶取向恶化得更轻。
[0186] 另外，因为对第二铁磁层13的铁磁膜26A和第三铁磁层15的铁磁膜29A执行的等离子处理，所以从结晶取向的观点看，图14A所示的结构有效减小了第一至第三铁磁层11、13和15之间的结构差异。应该注意，如从图14理解的，对铁磁膜26A和29A执行的等离子处理允许第一至第三铁磁层11、13和15的每一个都包括一个高度取向铁磁膜(即铁磁膜
21、26A或29A)和另一个差取向铁磁膜(即铁磁膜23、28或31)。
21、26A或29A)和另一个差取向铁磁膜(即铁磁膜23、28或31)。
[0187] 虽然图13和14所示的结构对于处理缓冲膜22上或上方形成的层(或膜)的结晶取向问题是可取的，但是图13和14所示的结构遭受结构复杂性问题。图15示出了一种致力于结构复杂性、处理缓冲膜22上或上方形成的层(或膜)的结晶取向问题的示范性MRAM结构。
[0188] 在图15所示的MRAM中，自由磁层6由第一至第三铁磁层11、13A、15A以及位于它们之间的非磁层12和14组成。第二铁磁层13A和第三铁磁层15A是在以下条件下沉积的：第二铁磁层13A和第三铁磁层15A不表现过高的结晶取向。具体地说，利用添加了微量氧或氮的溅射气体，通过溅射方法来形成第二铁磁层13A和第三铁磁层15A。作为选择，可以用掺有微量非磁性材料的铁磁材料，来形成第二铁磁层13A和第三铁磁层15A。
[0189] 由于适当控制的第二铁磁层13A的结晶取向，使得图15所示的结构有效防止了非磁层14具有过高的结晶取向。因此，有效减小了非磁层12和14之间的结晶取向差异。
[0190] 另外，在图15所示的结构中，第二铁磁层13A和第三铁磁层15A的结晶取向得到适当的控制，并且从结晶取向的观点看，第一至第三铁磁层11、13和15之间的结构差异得到有效减小。
[0191] 应该理解，虽然图12至14示出了铁磁层数目为3的结构，但是铁磁层的数目不限于3。对于本领域技术人员而言，显然自由磁层6可以包括4个或更多铁磁层。在这种情况下，类似于第二铁磁层13(或第三铁磁层15)的结构，来配置除了与隧道阻挡层5(即第一铁磁层11)接触的铁磁层以外的铁磁层。
[0192] 第四实施例
[0193] 在第四实施例中，如图16所示，本发明应用于位于隧道阻挡层上的、由SAF组成的固定磁层。这种结构消除了在典型地为非晶形的隧道阻挡层上形成自由磁层的必要性，由此有效改善自由磁层的特性。
[0194] 然而，把SAF固定磁层形成在隧道阻挡层上可能造成以下问题：在固定磁层内的铁磁层之间形成的非磁层的结晶取向使铁磁层之间的反铁磁耦合恶化。铁磁层之间的反铁磁耦合的恶化是不可取的，这是因为固定磁层内的铁磁层的磁化强度可能不合需要地反转。
[0195] 另外，固定磁层被形成在隧道阻挡层上的结构不合需要地恶化在固定磁层上形成的反铁磁层的结晶取向。这可能导致以下问题：由反铁磁层施加于固定磁层上的交换相互作用恶化了，并且固定磁层的磁化强度不是足够地固定。
[0196] 第四实施例中的MRAM结构旨在处理这种问题。具体地说，第四实施例中的MRAM结构由底电极2、自由磁层6A、隧道阻挡层5固定磁层4A、反铁磁层3A和顶部接触层7组成。自由磁层6A由单铁磁层或SAF形成，并且被设计成其磁化强度可以反转。隧道阻挡层5由超薄非磁性绝缘膜形成。类似于第一至第三实施例，隧道阻挡层5可以由通过铝膜的氧化而形成的AlOx层组成。应该注意，这样形成的AlOx层是非晶形的。
[0197] 固定磁层4A由SAF形成，其合成磁化强度通过反铁磁层3A来固定。详细地说，固定磁层4A由第一铁磁层41、第二铁磁层43和位于它们之间的非磁层42组成。第二铁磁层43由磁性硬铁磁材料如CoFe形成。非磁层42被设计成，在第一铁磁层41和第二铁磁层43之间提供反铁磁交换耦合。在优选实施例中，非磁层42由具有大约0.9nm厚度的钌膜组成。
[0198] 第一铁磁层41由铁磁层51和53以及位于它们之间的缓冲层52组成。铁磁层51和53由磁性硬铁磁材料如CoFe形成。缓冲层52通过适当沉积方法由材料形成，使得它上面形成的铁磁膜53的结晶取向得到提高。缓冲层52被形成为，在铁磁膜51和53之间提供铁磁耦合。虽然第一铁磁层41包括多个铁磁膜51和53，但是第一铁磁层41的磁性行为就象单铁磁层一样。
[0199] 类似于第一实施例，位于铁磁膜51和53之间的缓冲层52本质上对于提高第一铁磁层41和第二铁磁层43之间的交换耦合是重要的。在铁磁膜51上形成的缓冲层52提高了它上面形成的铁磁膜53的结晶取向，并因此提高铁磁膜53上形成的非磁层42的结晶取向。非磁层42结晶取向的提高增强了第一铁磁层41和第二铁磁层43之间的反铁磁交换耦合。这允许固定磁层4A的净磁化强度为0，这样优选地避免了固定磁层4A的磁化强度不合需要地反转。
[0200] 缓冲层52的形成对于提高固定磁层4A上形成的反铁磁层3A的结晶取向也是可取的。缓冲层52的形成不仅提高了非磁层42的结晶取向，而且也提高了第二铁磁层43和反铁磁层3A的结晶取向。反铁磁层3A的结晶取向的提高增大了由反铁磁层3A施加于固定磁层4A上的交换耦合的大小，并由此实现强有力地固定固定磁层4A的磁化强度。这有利于避免固定磁层4A的净磁化强度不合需要地反转。
[0201] 如图17A所示，也可以通过在第二铁磁层43内形成缓冲层的结构，来获得反铁磁层3A的结晶取向提高。具体地说，在图17A的结构中，第二铁磁层43由多个铁磁膜54和56以及位于它们之间的缓冲层55组成。缓冲层55由通过适当方法沉积的材料形成，使得它上面形成的铁磁膜56的结晶取向得以提高。另外，缓冲层55被形成为在铁磁膜54和56之间提供铁磁耦合，使得虽然第二铁磁层43包括多个铁磁膜54和56，但是第二铁磁层43的行为就象单层铁磁膜一样。在这种配置中，缓冲层55提高了它上面形成的铁磁膜56的结晶取向，并由此提高了进一步在铁磁膜56上形成的反铁磁层3A的结晶取向。如上所述，反铁磁层3A的结晶取向提高实现了强有力地固定固定磁层4A的磁化强度，并且这有利于避免固定磁层4A的磁化强度不合需要地反转。
[0202] 其它应用
[0203] 本发明的分层铁磁结构与下层结构无关地有效增强交换耦合。因而，本发明的分层铁磁结构的应用不限于MRAM内的隧道阻挡层。在第五实施例中，将提出本发明分层铁磁结构的另一种示范性应用。如图17B所示，可以把自由磁层置于隧道阻挡层下面。在替换实施例中，本发明的分层铁磁结构可以用作除自由磁层和固定磁层之外的磁结构。例如，本发明的分层铁磁结构可以用作用于向自由磁层提供稳定静态磁场的层。
[0204] 作为选择，本发明的分层铁磁结构可以用作用于集中由通过互连的电流所产生的磁场的层。图17C示出了一种用于集中磁场的示范性MRAM结构。如图17C所示，磁增强层17被形成在位线14的顶表面上。磁增强层17由本发明的分层铁磁结构组成，因此与下层保护层16的结构无关地，对磁增强层17是提供铁磁还是反铁磁交换耦合实现灵活的控制，并且也提供对交换耦合大小的灵活控制。结果，磁增强层17可以起这样的高磁渗透性层的作用：该高磁渗透性层集中由通过位线14的电流产生的磁场，由此增强施加于自由磁层的磁场。作为选择，磁增强层17可以起用于向自由层施加偏置磁场的磁层的作用。这种技术不仅对MRAM有效，而且对磁头也有效。
[0205] 以下，将根据各种实验结果来详细说明本发明的有利效果。
[0206] 实验结果
[0207] 1.第一实验
[0208] 以下描述的第一实验致力于证明，图5A所示的结构(其中缓冲膜22被插入第一铁磁层11中)增大了交换耦合能量J，以增强第一铁磁层和第二铁磁层13之间的交换耦合。如上所述，交换耦合能量J的增大对于获得星形写(asteroid wirting)尤其重要。
[0209] 首先，进行实验，以便证明缓冲膜22由超薄Ta膜组成的结构的优点。具体地说，已经制造了在自由磁层内包括不同结构的SAF的MTJ元件，并且测量了各个自由磁层的磁化强度曲线。SAF结构如下：
[0210] 比较例1：
[0211] Ni81Fe19(4nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)
[0212] 实施例1(本发明)：
[0213] Ni81Fe19(2nm)/Ta(0.4nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)应该注意，在该说明书中的SAF结构和MTJ元件结构的描述中，斜杠表示左边的膜位于下面位置(即在衬底侧)。而且，所有样品，包括本发明实施例和比较例，都是通过在磁场中进行磁控管溅射和自由基氧化来制造的。膜沉积之后是275℃下5小时的热处理。
[0214] 关于实施例1的SAF，0.4nm的Ta膜对应于缓冲膜22，由Ta膜隔开的2.0nm NiFe膜分别对应于铁磁膜21和23。NiFe膜和Ta膜对应于第一铁磁层11。而且，2.1nm的Ru膜对应于非磁层12，并且4nm的NiFe膜对应于第二铁磁层13。应该注意，2.1nm的Ru膜提供反铁磁交换耦合。另外，期望0.4nm的Ta膜不是连续的，而是具有如图6所示的岛结构。应该注意，0.4nm的Ta膜表示具有0.4nm的平均厚度。
[0215] 所测量的MTJ元件的整个结构如下：
[0216] 衬底/Ta(20nm)/NiFe(3nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)Ox/SAF/Al(0.7nm)Ox/Ta(5nm)/Al(20nm)/Ta(70nm)
[0217] 表达式“Al(1nm)Ox”表示，AlOx膜是通过使1nm的Al膜氧化而形成的。类似，表达式“Al(0.7nm)Ox”表示，AlOx膜是通过使0.7nm的Al膜氧化而形成的。而且，所有样品的CoFe层的组成都是Co90Fe10，包括实施例和比较例。
[0218] 应该注意，磁化强度最终饱和处的磁场被定义为饱和磁场Hs，并且饱和磁场Hs的增大意味交换耦合能量J的增大，如参考图3所说明的。
[0219] 图18A是比较例1和实施例1的SAF磁化强度曲线。细线表示比较例1的SAF磁化强度曲线，粗线表示实施例1的SAF磁化强度曲线。如可以从图18A看到的，实施例1的SAF具有比比较例1的SAF高的饱和磁场Hs。具体地说，实施例1的SAF的饱和磁场Hs大约为200(Oe)，而比较例1的SAF的饱和磁场Hs大约为50(Oe)。该实验结果意味着，把薄Ta膜(对应于缓冲膜22)插入第一铁磁层11中有效增大了第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的交换耦合；换句话说，插入薄Ta膜有效增大了交换耦合能量J。
[0220] 而且，对以下的SAF执行类似的评价：其中非磁层12由Ru膜形成，第一铁磁层11和第二铁磁层13每一个都由NiFe膜和CoFe膜的分层结构形成，并且第一铁磁层11和第二铁磁层13的CoFe膜由Ru膜隔开。具体地说，已经制造了在自由磁层内包括具有以下两种不同结构的SAF的MTJ元件，并且测量了自由磁层的磁化强度曲线：
[0221] 比较例2：
[0222] Ni81Fe19(3nm)/CoFe(0.5nm)/Ru(2.1nm)/CoFe(0.5nm)/Ni81Fe19(3nm)[0223] 实施例2(本发明)：
[0224] Ni81Fe19(1.5nm)/Ta(0.4nm)/Ni81Fe19(1.5nm)/CoFe(0.5nm)/Ru(2.1nm)/CoFe(0.5nm)/Ni81Fe19(3nm)
[0225] 对于实施例2的SAF，0.4nm的Ta膜对应于缓冲膜22，位于它下面的1.5nm NiFe膜对应于铁磁膜21，位于Ta膜上方的1.5nm NiFe膜和0.5nm CoFe膜对应于铁磁层23。由NiFe膜、CoFe膜和Ta膜组成的结构对应于第一铁磁层11。而且，2.1nm Ru膜对应于非磁层12，3nm NiFe膜对应于第二铁磁层13。应该注意，SAF内由Ru膜隔开的CoFe膜用于增大比较例2和实施例2的样品中的交换耦合能量J。
[0226] 图18B示出了比较例2和实施例2的SAF磁化强度曲线。细线表示比较例2的SAF磁化强度曲线，而粗线表示实施例2的SAF磁化强度曲线。如可以从图18B看到的，实施例2的SAF具有比比较例2的SAF高的饱和磁场Hs。具体地说，实施例2中的SAF的饱和磁场Hs大约为650(Oe)，而比较例2的SAF的饱和磁场大约为250(Oe)。图18B也证明了，把薄Ta膜(对应于缓冲膜22)插入第一铁磁层11中有效增大了第一铁磁层11和第二铁磁层13之间的交换耦合，即，插入薄Ta膜有效增大了交换耦合能量J。
[0227] 此外，检验了在其顶表面和底表面上的铁磁膜之间提供铁磁耦合的Ru膜被用作缓冲膜22的结构，以证明该结构的优点。如上所述，对于Ru膜在两个铁磁层之间提供铁磁耦合，有两种不同的实现。一种实现是超薄地形成Ru膜，另一种实现是调节Ru膜的厚度，使得Ru膜铁磁地提供交换耦合。以下都将评价这两种实现。
[0228] 更具体地说，把以下4种不同的SAF包括在具有上述结构的MTJ元件内，然后测量了SAF的磁化强度曲线：
[0229] 比较例3：
[0230] Ni81Fe19(4nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)
[0231] 实施例3(本发明)：
[0232] Ni81Fe19(2nm)/Ru(0.5nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)[0233] 比较例4：
[0234] Ni81Fe19(2nm)/Ru(1.2nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)[0235] 实施例4(本发明)：
[0236] Ni81Fe19(2nm)/Ru(1.4nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)[0237] 在实施例3、比较例4和实施例4的SAF中，下面的Ru膜对应于缓冲膜22，其顶表面和底表面上的NiFe膜对应于铁磁膜21和23。而且，2.1nm Ru膜对应于非磁层12，2.1nm Ru膜上形成的4nm NiFe膜对应于第二铁磁层13。
[0238] 应该注意，实施例3、比较例4和实施例4的SAF的不同之处在于下面Ru膜的厚度。在实施例3的SAF中，Ru膜具有超薄厚度，具体地说，具有0.5nm厚度。这意味，预期实施例3的SAF内的下面Ru膜是具有岛结构的不连续膜。因为下面Ru膜的厚度超薄，所以由于部分直接接触，使得其顶表面和底表面上的2nm NiFe膜铁磁地耦合。另一方面，在比较例4的SAF中，下面Ru膜具有1.2nm厚度。具有1.2nm厚度的下面Ru膜不在其顶表面和底表面上的铁磁膜之间提供交换耦合。因此，在比较例4的SAF中，Ru膜的顶表面和底表面上的2nm NiFe膜不铁磁地耦合。最后，在实施例4的SAF中，下面Ru膜具有1.4nm的厚度。具有1.4nm厚度的Ru膜在其顶表面和底表面上的铁磁膜之间有效地提供铁磁交换耦合。结果，在实施例4的SAF中，Ru膜的顶表面和底表面上的2nm NiFe膜铁磁地耦合。
[0239] 图19A是示出比较例3和实施例3的SAF磁化强度曲线的曲线图。如可以从该图理解的，把Ru膜作为缓冲膜22的实施例3的SAF的饱和磁场Hs大于没有缓冲膜22的比较例3的SAF的饱和磁场。
[0240] 图19B是示出比较例4和实施例4的SAF磁化强度曲线的曲线图。实施例4的SAF具有比比较例3的SAF大的饱和磁场Hs。具体地说，比较例3的SAF具有大约为40(Oe)的饱和磁场，而实施例4的SAF具有大约为100(Oe)的饱和磁场。应该注意，即使当外部磁场近似为0时，比较例4的SAF也具有自发磁化强度。这意味，比较例4的SAF不满足轮转写所要求的要求，没有表现出翻转磁场。这是因为，因为作为缓冲膜22被插入的Ru膜不提供交换耦合，所以位于最低位置的NiFe膜不和相邻的铁磁膜进行磁耦合。
[0241] 这些结果意味，在铁磁膜的顶表面和底表面上使用用于在铁磁膜之间提供铁磁耦合的Ru膜来作为缓冲膜22，有效提高了饱和磁场Hs，即增大了交换耦合能量J。而且，图19B的曲线图指示，要求作为缓冲膜22被插入的Ru膜提供铁磁交换耦合。
[0242] 此外，对具有以下结构的SAF，检查了缓冲层的材料和厚度与SAF内的铁磁层之间的交换耦合能量J的相关性：
[0243] Ni81Fe19(2nm)/缓冲层/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(4nm)
[0244] 由所测量的SAF的磁化强度曲线，根据方程式(1)确定了交换耦合能量J。
[0245] 图20是示出测量结果的表。如可以从图20理解的，当用作缓冲层时，所有被检查的非磁性材料都表现出可提高交换耦合能量J的作用。这是因为，缓冲层的插入改变了SAF内铁磁膜23的顶表面的表面能，由此终止无取向晶体生长，导致在它上面沉积的磁层的晶体生长方式的改变。另外，图20所示的测量结果暗示，实施例中的所有材料都表现出提高非磁层12的结晶取向的作用。
[0246] 另外，图20所示的结果指示，至少当NiFe膜用作铁磁层时，把钽和锆用作缓冲层显著提高了交换耦合能量J。这意味，钽和锆以及在周期表中位于它们附近的元素(即Nb、Hf、Mo和W)表现出显著的提高交换耦合能量J的作用。由于缓冲层至少包括从Ta、Zr、Nb、Hf、Mo和W所组成的组中选择的任一种元素，使得铁磁膜23和它上面沉积的非磁层12的结晶取向大大提高。尤其是，使用锆特别可取，因为与其它材料相比，锆缓冲层可以在厚度减小的情况下提供大交换耦合能量J。
[0247] 本发明者认为，由插入缓冲层造成的交换耦合能量J提高的效果是由缓冲层上形成的铁磁膜以及铁磁膜上形成的非磁层的结晶取向的提高而产生的。这是从SAF的断面透射电子显微镜(TEM)观测图像得出的结论。
[0248] 图21A、21B是根据本发明的SAF的断面TEM图像。SAF的结构如下：
[0249] 图21A的样品：
[0250] Ta(10nm)/Al(1nm)Ox/NiFe(4nm)/Ta(0.3nm)/NiFe(4nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(4nm)/Ta(0.3nm)/NiFe(4nm)/Ru(3nm)
[0251] 图21B的样品：
[0252] Ta(10nm)/NiFe(3nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)Ox/NiFe(2.5nm)/Ta(0.3nm)/NiFe(2nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(2.5nm)/Ta(0.3nm)/NiFe(2nm)/Al(0.7nm)Ox/Ta(10nm)
[0253] 应该注意，在每种SAF中，都把0.3nm的Ta膜用作缓冲层。
[0254] 对图21B中的位置“1”至“13”执行基于能量分散X射线光谱学(EDX)技术的成分分析，以证实上述结构被维持在各自的SAF中。图22A至22C示出了基于EDX的成分分析结果。图22A至22C所示的曲线图清楚地描述了，钌、镍和钽存在于SAF内的期望位置。例如，图21的TEM图像中的位置“3”是0.3nm Ta膜所要定位的位置。而且，从Ta含量在位置“3”具有峰值这一事实，显然Ta膜存在于位置“3”。
[0255] 图21A和21B的TEM图像清楚地指示，0.3nm的Ta膜起用于提高它上面形成的层的结晶取向的缓冲层的作用。参考图21A，在AlOx膜上形成的4nm NiFe膜中，没有观测到结晶取向；与其它部分中的NiFe膜相比，对比度不同。上述情况也适用于图21B所示TEM图像中的AlOx膜上形成的2.5nm NiFe膜。相反，在用作缓冲膜22的Ta膜上形成的NiFe膜中，清楚地观测到具有FCC(111)取向的晶体结构。另外，在NiFe膜上形成的2.1nm Ru膜中，清楚地观测到具有HCP(001)取向的晶体结构。此外，对把缓冲层排除在外的常规NiFe(8nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(8nm)SAF结构执行的TEM分析得出以下结论：与图21A和21B所示的图像相反，在TEM图像中没有观测到晶格图像对比度的锋锐变化、NiFe膜的明显FCC(111)取向以及Ru膜的明显HCP(001)取向。这暗示，0.3nm Ta膜显著提高了作为它上面形成的NiFe膜的最紧密堆积面的(111)平面的结晶取向，由此提高了作为NiFe膜上面形成的Ru膜的最紧密堆积面的(001)平面的结晶取向。
[0256] 2.第二实验
[0257] 第二实验致力于证明图5A、7A和7B所示结构的有利效果，其中缓冲膜22由掺有用于提高它上面形成的铁磁膜的结晶取向的元素的铁磁材料形成。详细地说，第二实验致力于证实，由(Ni81Fe19)100-xTax膜和(Ni81Fe19)100-xZrx膜组成的缓冲层有效提高了饱和磁场Hs和交换耦合能量J。索引x表示以原子百分数表示的Ta或Zr的组成。
[0258] 具体地说，在第二实验中制造了具有以下结构的样品：
[0259] 衬底/Ta(5nm)/Al(1nm)Ox/SAF/Al(0.7nm)Ox/Ta(10nm)
[0260] 从以下选择SAF结构：
[0261] 实施例5：
[0262] NiFe(1nm)/(Ni81Fe19)100-xTax(1nm)/NiFe(3nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(3nm)/(Ni81Fe19)100-xTax(1nm)/NiFe(1nm)
[0263] 实施例5b：
[0264] NiFe(1.5nm)/(Ni81Fe19)85Zr15(1nm)/NiFe(1.5nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(1.5nm)/(Ni81Fe19)85Zr15(1nm)/NiFe(1.5nm)
[0265] 实施例6：
[0266] (Ni81Fe19)100-xTax(1nm)/NiFe(3nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(3nm)/(Ni81Fe19)100-xTax(1nm)[0267] 实施例6b：
[0268] (Ni81Fe19)85Zr15(1nm)/NiFe(3nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(3nm)/(Ni81Fe19)85Zr15(1nm)[0269] 实施例7：
[0270] NiFe(2nm)/(Ni81Fe19)100-xZrx(3nm)/Ru(2.1nm)/(Ni81Fe19)100-xZrx(3nm)/NiFe(2nm)[0271] 应该注意，在样品的所有NiFe膜中，Ni含量都是81％，且Fe含量都是19％。
[0272] 实施例5和5b中的SAF一般对应于图5A所示的自由磁层6。具体地说，关于实施例5，下面的NiFe/(Ni81Fe19)100-xTax/NiFe结构对应于第一铁磁层11。在该结构中，1nm的NiFe膜、1nm的(Ni81Fe19)100-xTax膜和3nm的NiFe膜分别对应于铁磁膜21、缓冲膜22和铁磁膜23。另外，Ru膜对应于非磁层12，并且上面的NiFe/(Ni81Fe19)100-xTax/NiFe结构对应于第二铁磁层13。关于实施例5b，
[0273] NiFe(1.5nm)/(Ni81Fe19)85Zr15(1nm)/NiFe(1.5nm)结构对应于第一铁磁层11，并且1.5nm的NiFe膜、1nm的(Ni81Fe19)85Zr15膜和1.5nm的NiFe膜分别对应于铁磁膜21、缓冲膜22和铁磁膜23。
[0274] 实施例6和6b的SAF一般对应于图7A所示的自由磁层6。具体地说，关于实施例6，下面的(Ni81Fe19)100-xTax/NiFe结构对应于第一铁磁层11。在该结构中，(Ni81Fe19)100-xTax膜对应于缓冲膜22，并且NiFe膜对应于铁磁膜23。另外，Ru膜对应于非磁层12，并且上面的NiFe/(Ni81Fe19)100-xTax膜结构对应于第二铁磁层13。关于实施例6b，(Ni81Fe19)85Zr15(1nm)/NiFe(3nm)结构对应于第一铁磁层11，并且1nm的(Ni81Fe19)85Zr15膜和3nm的NiFe膜分别对应于缓冲膜22和铁磁膜23。
[0275] 实施例7的SAF一般对应于图7B所示的自由磁层6。具体地说，下面的NiFe/(Ni81Fe19)100-xZrx结构对应于第一铁磁层。在该结构中，NiFe膜对应于铁磁膜21，并且(Ni81Fe19)100-xZrx膜对应于缓冲膜22。另外，Ru膜对应于非磁层12，并且上侧的(Ni81Fe19)100-xZrx/NiFe结构对应于第二铁磁层13。
[0276] 图23A是示出(Ni81Fe19)100-xTax膜的磁化强度M与Ta含量x的相关性的曲线图。如可以从图23A理解的，当Ta含量x为20原子百分数或更少时，(Ni81Fe19)100-xTax膜表现出稳定的铁磁性。这意味，当缓冲膜22由(Ni81Fe19)100-xTax膜组成时，Ta含量x优选地为20原子百分数或更少。
[0277] 图23B是示出(Ni81Fe19)100-xZrx膜的磁化强度M与Zr含量x的相关性的曲线图。当Zr含量为25原子百分数或更少时，(Ni81Fe19)100-xZrx膜表现出大磁化强度和稳定铁磁性。
这意味，Zr含量x优选地为25原子百分数或更少。
这意味，Zr含量x优选地为25原子百分数或更少。
[0278] 图24是示出实施例5中的SAF的交换耦合能量J及饱和磁场Hs与Ta含量x的相关性的曲线图。如可以从图24理解的，当(Ni81Fe19)100-xTax膜的钽含量x超过5原子百分数时，饱和磁场Hs和交换耦合能量J增大。这意味，(Ni81Fe19)100-xTax膜中所包含的钽量的增加导致它上面形成的Ru膜和NiFe膜的结晶取向的提高。换句话说，这证明了在缓冲膜22中使用(Ni81Fe19)100-xTax膜的有效性。
[0279] 这些结果表示，(Ni81Fe19)100-xTax膜的Ta含量x优选地在从5到20原子百分数的范围内变化，以便提高饱和磁场Hs和交换耦合能量J。
[0280] 图25是示出实施例6中的SAF的交换耦合能量J及饱和磁场Hs与Ta含量x的相关性的曲线图。类似于实施例5，当Ta含量x超过5原子百分数时，把(Ni81Fe19)100-xTax膜(即缓冲膜22)直接形成在AlOx膜(即隧道阻挡层5)上的结构有效提高了饱和磁场Hs和交换耦合能量J。这证明了，当把由(Ni81Fe19)100-xTax膜组成的缓冲膜22直接形成在隧道阻挡层5上时，把(Ni81Fe19)100-xTax膜用作缓冲膜22也是有效的。
[0281] 另外，测量了其中把1nm的(Ni81Fe19)85Zr15膜用作缓冲层的实施例5b和6b的SAF的磁化强度曲线。该测量结果描述了，实施例5b和6b中的SAF的饱和磁场Hs分别为125(Oe)和151(Oe)。如图24所示，与(Ni81Fe19)100-xTax膜的情况下一样，(Ni81Fe19)100-xZrx膜也有效地用作缓冲膜22，使得反铁磁耦合强度提高了3倍或更多；没有插入缓冲层(即铁磁膜的Ta含量为0％)的常规SAF具有420(Oe)的饱和磁场。另外，如图23B所示，在(Ni81Fe19)100-xZrx膜表现稳定铁磁性的条件下，Zr含量x优选地为25原子百分数或更少。
[0282] 图26是示出实施例7的SAF的交换耦合能量J和饱和磁场Hs与Zr含量x的相关性的曲线图。从0、5和10原子百分数中选择Zr含量x。应该注意，在Zr含量x为0、5和10原子百分数的情况下，(Ni81Fe19)100-xZrx膜表现出铁磁性。如可以从图26看到的，当(Ni81Fe19)100-xZrx膜的Zr含量x超过5原子百分数时，饱和磁场Hs和交换耦合能量J增大了。这证明了把(Ni81Fe19)100-xZrx膜用作直接与非磁层12接触的缓冲膜22的有效性。
[0283] 3.第三实验
[0284] 第三实验致力于证明，图8所示的结构允许通过控制缓冲膜22(以及缓冲膜27)的厚度来控制交换耦合能量J，以及交换耦合能量J的变化仅仅伴随着磁结晶各向异性场Hk的减小变化。如上所述，独立于磁结晶各向异性场来控制交换耦合能量J尤其有利于实现轮转写。
[0285] 具体地说，利用一组具有以下结构的SAF来评价其中在第一铁磁层11中形成缓冲膜22的SAF的交换耦合能量J：
[0286] 实施例8：
[0287] 衬底/Ta(20nm)/NiFe(3nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)Ox/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Al(0.7nm)Ox/Ta(5nm)/Al(20nm)/Ta(70nm)
[0288] AlOx膜的顶表面上由Ni81Fe19膜、Ta膜和Ni81Fe19膜组成的分层结构对应于第一铁磁层11。在AlOx膜上的分层结构中，具有dTa(nm)厚度的Ta膜对应于缓冲膜22。相应地，2.1nm Ru膜(对应于非磁层12)的顶表面上由Ni81Fe19膜、Ta膜和Ni81Fe19膜组成的分层结构对应于第二铁磁层13。在2.1nm Ru膜上的分层结构中，具有dTa(nm)厚度的Ta膜对应于缓冲膜227。从0至0.4nm范围中选择Ta膜的厚度dTa。Ta膜具有0nm厚度的样品对应于其中没有形成缓冲膜22的SAF，即比较例的SAF。
[0289] 图27是实施例8的SAF的磁化强度曲线。如图27所示，饱和磁场Hs根据用作缓冲膜22(和缓冲膜27)的Ta膜的厚度dTa而变。图28是示出交换耦合能量J及饱和磁场Hs与Ta膜厚度的相关性的曲线图。当起缓冲膜22的作用的Ta膜的厚度从0nm增大到0.4nm时，饱和磁场Hs从42(Oe)增大到295(Oe)，并且交换耦合能量J也从0.00317(尔格/cm2)2
增大到0.01601(尔格/cm)。这表示，可以通过控制缓冲膜22(和缓冲膜27)的厚度来控制交换耦合能量J。
增大到0.01601(尔格/cm)。这表示，可以通过控制缓冲膜22(和缓冲膜27)的厚度来控制交换耦合能量J。
[0290] 交换耦合能量J的可控性的确是本发明的一个重要特征。然而，常规技术也允许控制交换耦合能量J。例如，众所周知，可以通过在第一铁磁层11和第二铁磁层13内把CoFe膜直接形成在非磁层12上、然后控制CoFe膜的厚度，来获得对交换耦合能量J的控制。
[0291] 具体地说，具有以下结构的SAF提供利用CoFe膜的厚度dCoFe来控制交换耦合能量J。
[0292] 比较例5：
[0293] 衬底/Ta(20nm)/NiFe(3nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)Ox/Ni81Fe19(4nm)/CoFe(dCoFe)/Ru(2.1nm)/CoFe(dCoFe)/Ni81Fe19(4nm)/Al(0.7nm)Ox/Ta(5nm)/Al(20nm)/Ta(70nm)
[0294] 图29是具有上述结构的SAF的磁化强度曲线。如图29所示，饱和磁场Hs根据CoFe膜的厚度dCoFe而变。图30是示出交换耦合能量J和饱和磁场Hs与Ta膜厚度的相关性的曲线图。当CoFe膜的厚度从0nm增大到0.4nm时，饱和磁场Hs从42(Oe)增大到249(Oe)，2 2
并且交换耦合能量J也从0.00317(尔格/cm)增大到0.02114(尔格/cm)。
并且交换耦合能量J也从0.00317(尔格/cm)增大到0.02114(尔格/cm)。
[0295] 然而，与通过CoFe膜的厚度dCoFe来控制交换耦合能量J的技术相比，本发明的一个优点是，交换耦合能量J伴随着小的磁结晶各向异性场Hk变化。利用具有以下结构的样品来证明这一事实：
[0296] 实施例8’：
[0297] 衬 底 /Ta(20nm)/Al(1nm)Ox/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ta(10nm)
[0298] 比较例5’：
[0299] 衬底/Ta(20nm)/Al(1nm)Ox/Ni81Fe19(4nm)/CoFe(dCoPe)/Ru(2.1nm)/Ta(10nm)[0300] 应该注意，实施例8’的样品具有对应于实施例8的结构，而比较例5’的样品具有对应于比较例5的结构。详细地说，实施例8’的样品是用于测量与实施例8中的第一铁磁层11相对应的部分的磁结晶各向异性场Hk的样品。相应地，比较例5’的样品是用于测量比较例5中的相应部分的磁结晶各向异性场Hk的样品。
[0301] 图31A是示出实施例8’的磁结晶各向异性场Hk的曲线图，并且图31B是示出比较例5’的磁结晶各向异性场Hk的曲线图。如图31B所示，比较例5’表现出磁结晶各向异性场Hk随CoFe膜厚度的增加而显著增大。这意味，根据CoFe膜的厚度来控制交换耦合能量J不合需要地伴随着磁结晶各向异性场Hk的变化。相反，如图31A所示，实施例8’表现出磁结晶各向异性场Hk随Ta膜厚度增加的减小变化。这意味，可以在不大大改变磁结晶各向异性场Hk的情况下，根据Ta膜的厚度来控制交换耦合能量J。
[0302] 精密构图的自由磁层(minutely patterned free magnetic layer)要求形状磁各向异性(shape magnetic anisotropy)的减小，以减小其切换磁场Hc。这是通过减小磁化强度与厚度乘积(即自由磁层的膜厚度与饱和磁化强度的乘积)来实现的。然而，不可取的是，磁化强度与厚度乘积的减小伴随着磁结晶各向异性场Hk的变化。交换耦合能量J也不合需要地随之减小。以下，相对于实施例8和比较例5，从磁结晶各向异性场Hk和交换耦合能量J的观点，来检查磁化强度与厚度乘积的减小的容许性。
[0303] 图32是示出对于实施例8和比较例5的样品、磁结晶各向异性场Hk及交换耦合能量J与Ni81Fe19膜厚度的相关性的表。如可以从图32理解的，实施例8的结构的优点在于，当减小自由磁层的厚度、由此减小形状磁各向异性时，在没有任何实质的磁结晶各向异性场Hk变化的情况下，维持足够的交换耦合能量J。当减小Ni81Fe19膜的膜厚度以减小磁化强度与厚度乘积时，比较例5的结构遭受了显著的磁结晶各向异性场Hk增加。这是由CoFe膜的体积与SAF体积之比的增大造成的。如上所述，CoFe的膜厚度减小伴随着交换耦合能量J的大大减小，虽然它可以避免磁结晶各向异性场Hk的增大。另一方面，即使当Ni81Fe19膜的膜厚度减小时，实施例8的结构也在磁结晶各向异性场Hk的变化减小的情况下，获得了150(Oe)或更大的饱和磁场Hs、以及足够大的交换耦合能量J。另外，与比较例5的结构相比，实施例8的结构允许磁化强度与厚度乘积大大减小。
[0304] 如上所说明的，本发明的实施例8的结构允许根据缓冲层的Ta膜厚度来灵活控制交换耦合能量J。另外，根据Ta膜厚度和NiFe膜厚度来控制交换耦合能量J仅仅伴随着磁结晶各向异性场Hk的小变化。而且，实施例8的结构允许磁化强度与厚度乘积大大减小。比较例5的结构不能获得这些优点。
[0305] 4.第四实施例
[0306] 第四实验致力于证明，其中非晶形缓冲层被插入第二铁磁层中的结构、如图13所示的结构，允许可控地减小交换耦合能量J。在该实验中，把超薄SiO2膜用作非晶形缓冲层。
[0307] 具体地说，制造了一组具有以下结构的SAF，并且测量了其交换耦合能量J：
[0308] 衬底/Ta(20nm)/NiFe(3nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/下 层 /Ni81Fe19(1.5nm)/SiO2(dSiO2)/Ta(0.3nm)/Ni81Fe19(1.5nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(2.5nm)/Al(0.7nm)Ox/Ta(5nm)/Al(20nm)/Ta(70nm)
[0309] 下层是从Al(1nm)Ox层和Al(1nm)Ox/Ru(3nm)分层结构之间选取的。应该注意，如上所述，Al(1nm)Ox层是通过使1nm的Al膜氧化而获得的层。在下层上形成的NiFe/SiO2/Ta/NiFe膜堆对应于图13中的第二铁磁层13。详细地说，SiO2膜对应于非晶形缓冲膜27A，并且Ta膜对应于取向控制缓冲膜27B。SiO2膜的厚度dSiO2是从0到1nm范围中选取的。
[0310] 图33是示出上述结构的SAF的交换耦合能量J与SiO2膜的膜厚度的相关性的曲2
线图。当没有插入SiO2膜时(即当dSiO2为0nm时)，SAF提供0.0144(尔格/cm)的交换耦合能量J。当SiO2膜的厚度增加时，交换耦合能量J减小。当SiO2膜的厚度增大到1nm时，交换耦合能量J减小到近似为0。
线图。当没有插入SiO2膜时(即当dSiO2为0nm时)，SAF提供0.0144(尔格/cm)的交换耦合能量J。当SiO2膜的厚度增加时，交换耦合能量J减小。当SiO2膜的厚度增大到1nm时，交换耦合能量J减小到近似为0。
[0311] 图33的结果证明了，可以通过把非晶形缓冲层插入铁磁层中，来可控地减小交换耦合能量J。
[0312] 5.第五实验
[0313] 第五实验致力于证明，插入非晶形缓冲层允许控制交换耦合能量J，由此提供堆SAF饱和磁场Hs的灵活控制。
[0314] 具体地说，制造了包括具有以下结构的SAF的MTJ元件，并且测量了SAF的磁化强度曲线(及饱和磁场Hs)：
[0315] 实施例9(本发明)的SAF：
[0316] Ni81Fe19(2nm)/Ta(0.225nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(0.225nm)/Ni81Fe19(2nm)/SiO2(dSiO2)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)
[0317] 比较例6的SAF：
[0318] Ni81Fe19(3nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(3nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(dRu)/Ni81Fe19(3.7nm)
[0319] 实施例9的SAF的SiO2膜的厚度dSiO2是从0、0.04和0.24nm中选取的。Ta膜的厚度dTa是从0.225nm和0.30nm中选取的。
[0320] 另一方面，比较例6的SAF的Ru膜的厚度dRu是从3.5nm和4.9nm中选取的。这种选择致力于检查交换耦合大小的可控性，换句话说，检查基于Ru膜厚度dRu的饱和磁场Hs的可控性。应该注意，允许Ru膜具有与反铁磁交换耦合能量的峰值相对应的厚度。3.5nm的厚度对应于二阶峰值，而4.9nm的厚度对应于三阶峰值。当Ru膜的厚度与对应于反铁磁交换耦合能量峰值的厚度不同时，不稳定的反铁磁耦合阻止了SAF表现出期望的功能。
[0321] 包括具有上述结构的SAF的MTJ元件总体上被设计成具有以下结构：
[0322] 衬底/Ta(20nm)/NiFe(3nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)Ox/SAF/Al(0.7nm)Ox/Ta(5nm)/Al(20nm)/Ta(70nm)
[0323] 如图34A所示，实施例9的SAF结构允许根据SiO2膜的厚度dSiO2和Ta膜的厚度dTa来控制饱和磁场Hs。具体地说，在SiO2膜厚度dSiO2为0.24nm、且Ta膜厚度dTa为0.225nm的情况下，实施例9的SAF获得68(Oe)的饱和磁场Hs。通过减小SiO2的厚度、或者增加Ta膜的厚度(在NiFe膜之间的铁磁耦合未被扰乱的范围内)，使饱和磁场Hs增加直到188(Oe)。具体地说，在SiO2膜厚度dSiO2为0.04nm、且Ta膜厚度dTa为0.3nm的情况下，实施例9的SAF获得188(Oe)的饱和磁场Hs。图34A所示的结果表示，对SiO2膜的厚度dSiO2和Ta膜的厚度dTa的适当控制，允许控制通过Ru膜的反铁磁交换耦合的大小，从而使能对饱和磁场Hs的灵活控制。
[0324] 另一方面，如图34B所示，在Ru膜厚度dRu为3.5nm的情况下，比较例6的SAF表现出90(Oe)的饱和磁场Hs。然而，当Ru膜的厚度dRu增大直到4.9nm时，比较例6的SAF不提供期望的功能。这是因为，当Ru膜的厚度dRu增大到4.9nm时，没有通过Ru膜施加足够强的反铁磁交换耦合。图34B的结果表示，本质困难在于通过Ru膜的厚度dRu来控制比较例6的SAF的饱和磁场Hs。
[0325] 6.第六实验
[0326] 第六实验致力于证明，把缓冲层插入被用作隧道阻挡层的顶表面上所形成的固定磁层的SAF中的优点(即，图16的结构的有效性)。如上所述，当用作固定磁层的SAF被形成在隧道阻挡层的顶表面上时，在SAF内铁磁层和位于铁磁层之间的非磁层表现出差结晶取向。这不合需要地导致铁磁层之间的反铁磁耦合恶化。恶化的反铁磁耦合可能不合需要地造成铁磁层的磁化强度取向指向和外部磁场相同的方向。这对于把SAF用作固定磁层是不可取的。第五实验证明了，插入缓冲层增强了反铁磁交换耦合，由此允许提供不受外部磁场影响的基于SAF的固定磁层。
[0327] 具体地说，制造了具有以下结构的MTJ元件，并且测量了其中包括的SAF的磁化强度曲线：
[0328] 衬 底 /Ta(20nm)/Ni81Fe19(4nm)/Al(0.99nm)Ox/SAF 固 定 磁 层 /PtMn(20nm)/Ta(10nm)
[0329] SAF固定磁层的结构如下：
[0330] 实施例10：
[0331] Ni81Fe19(2nm)/Ta(0.3nm)/Ni81Fe19(2.8nm)/Ru(0.9nm)/Ni81Fe19(4nm)[0332] 实施例11：
[0333] Ni81Fe19(2nm)/Ta(0.4nm)/Ni81Fe19(2.8nm)/Ru(0.9nm)/Ni81Fe19(4nm)[0334] 比较例7：
[0335] Ni81Fe19(4nm)/Ru(0.9nm)/Ni81Fe19(4nm)
[0336] 比较例8：
[0337] Ni81Fe19(3nm)/Ru(0.9nm)/Ni81Fe19(3nm)
[0338] 关于实施例10和11中的SAF固定磁层，应该注意，具有0.3nm或0.4nm厚度的Ta膜对应于图16中的缓冲层52，并且其顶表面和底表面上的NiFe膜对应于铁磁膜51和53。而且，Ru膜对应于非磁层42，它上面形成的4nm厚度的NiFe膜对应于第二铁磁层42。
[0339] 图35A是示出实施例10和11的SAF固定磁层的磁化强度曲线的曲线图，图35B是示出比较例7和8中的SAF固定磁层的磁化强度曲线的曲线图。如图35B所示，只有当外部磁场Hex为正时，比较例7和8的SAF固定磁层才表现出所要求的SAF特性；如可以从图35B所示曲线图中出现大磁滞来理解，当外部磁场Hex为负时，铁磁层之间的反铁磁耦合容易被释放。另外，当外部磁场Hex为正时，施加较小的外部磁场Hex将不合需要地释放反铁磁耦合。具体地说，在比较例7的SAF固定磁层中，在202(Oe)的外部磁场Hex下，铁磁层磁化强度的反铁磁耦合被释放。关于比较例8，在168(Oe)的外部磁场Hex下，反铁磁耦合被释放。
[0340] 另一方面，对于负外部磁场Hex，实施例10和11中的SAF固定磁层表现出减小的磁滞。另外，反铁磁耦合未被释放，除非施加过大的正外部磁场Hex。具体地说，在实施例10的SAF固定磁层中，在475(Oe)的外部磁场Hex下，铁磁层磁化强度的反铁磁耦合被释放。关于实施例11，在706(Oe)的外部磁场Hex下，反铁磁耦合被释放。
[0341] 该结果指示：
[0342] (1)插入缓冲层提高了Ru膜的结晶取向，并增加了SAF固定磁层中铁磁层之间的交换耦合；以及
[0343] (2)插入缓冲层提高了提高了Ru膜上形成的NiFe膜以及NiFe膜上形成的PtMn膜的结晶取向，由此增强了PtMn膜和SAF固定磁层之间的交换耦合。
[0344] 7.第七实验
[0345] 第七实验致力于证明把缓冲层插入以下MTJ元件中的有效性：其中表现高(001)取向的结晶MgO膜被用作隧道阻挡层，并且SAF膜堆被用作隧道阻挡层上形成的自由磁层。在该实验中，通过磁控管溅射制造了具有以下结构的MTJ元件：
[0346] 实施例12：
[0347] 衬 底 /Ta(10nm)/PtMn(15nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/Co40Fe40B20(2.5nm)/MgO(2nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Ru(2.1nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ta(dTa)/Ni81Fe19(2nm)/Al(0.7nm)Ox/Ta(10nm)
[0348] MgO隧道阻挡层上由Ni81Fe19膜、Ta膜和Ni81Fe19膜组成的分层结构对应于第一铁磁层11。在MgO隧道阻挡层上的分层结构中，具有dTa(nm)厚度的Ta膜对应于缓冲膜22。类似，2.1nm Ru膜(对应于非磁层12)上由Ni81Fe19膜、Ta膜和Ni81Fe19膜组成的分层结构对应于第二磁层13。在Ru膜上的分层结构中，具有dTa(nm)厚度的Ta膜对应于缓冲膜27。
Ta膜的厚度dTa是从0到0.35nm的范围中选取的。其中Ta膜具有0nm厚度dTa的样品表示其中没有形成缓冲膜22的SAF，即比较例的SAF。自由磁层具有和第三实验中给出的AlOx阻挡层上的自由磁层相同的结构。通过溅射MgO目标形成了MgO阻挡膜。利用TEM分析来证实所形成的MgO膜表现出具有高(001)取向的晶体结构。然后，在1mV的偏置电压下，实施例12的MTJ元件的磁阻比在从50％到55％的范围内变化，而实施例8的包括AlOx阻挡层的MTJ元件的磁阻比在从30％到35％的范围内变化。这意味着，与AlOx阻挡层相比，具有MgO阻挡层的MTJ元件表现出优良的磁阻比(magnetoresistance ratio)。这种高磁阻比是由MgO阻挡层的高(001)取向产生的。
Ta膜的厚度dTa是从0到0.35nm的范围中选取的。其中Ta膜具有0nm厚度dTa的样品表示其中没有形成缓冲膜22的SAF，即比较例的SAF。自由磁层具有和第三实验中给出的AlOx阻挡层上的自由磁层相同的结构。通过溅射MgO目标形成了MgO阻挡膜。利用TEM分析来证实所形成的MgO膜表现出具有高(001)取向的晶体结构。然后，在1mV的偏置电压下，实施例12的MTJ元件的磁阻比在从50％到55％的范围内变化，而实施例8的包括AlOx阻挡层的MTJ元件的磁阻比在从30％到35％的范围内变化。这意味着，与AlOx阻挡层相比，具有MgO阻挡层的MTJ元件表现出优良的磁阻比(magnetoresistance ratio)。这种高磁阻比是由MgO阻挡层的高(001)取向产生的。
[0349] 图36是上述结构的SAF的磁化强度曲线。所获得的磁化强度曲线代表与图27所示的曲线类似的特性。饱和磁场Hs根据用作缓冲膜22(和缓冲膜27)的Ta膜的厚度dTa而变。当缓冲膜厚度增加时，饱和磁场Hs增大。具体地说，当起缓冲膜22的作用的Ta膜的厚度从0nm增加到0.35nm时，饱和磁场Hs从33(Oe)增大到255(Oe)。这一事实表示，当隧道阻挡层由结晶MgO膜组成时，Ta缓冲层增强了SAF内通过非磁层Ru的交换耦合，并且通过缓冲膜22(和缓冲膜27)的厚度可以控制交换耦合能量J。
[0350] 另外，用Zr缓冲层代替Ta缓冲层也实现饱和磁场Hs的大大增加。
[0351] 如这样描述的，第一至第五实验证明了，本发明的技术与SAF下的下层结构和/或材料无关地实现了SAF内的交换耦合增强。
[0352] 显然，本发明不限于上述实施例，可以在不脱离本发明范围的情况下更改和改变本发明。