[发明专利]用于具有改进的热稳定性的合成反铁磁体结构的方法和装置

说明书

技术领域

本发明总体上涉及磁致电阻器件结构，更特别涉及具有改进的合 成反铁磁体(SAF)结构的磁致电阻器件。

背景

由于可获自最近开发出的磁致电阻材料的大信号，磁电子器件， 如磁致电阻随机存取存储器(MRAM)单元、磁性传感器、读出头等近 年来变得越来越普及。在这方面，MRAM与其它非易失性存储器相比具 有非易失性存储、耐辐射性、快速读写操作以及高耐久性的优点。这 类器件一般包括磁隧道结(MTJ)结构(或“叠层”)，其包括被一层 或多层非磁性层隔开的多个铁磁层。典型的MTJ叠层可以包括一个或 两个合成反铁磁体(SAF)，如单一自由层和被钉扎的SAF，或自由层 SAF和被钉扎的SAF。

与开关或交替场(toggle field)相关的SAF的一种性质是这两 层之间的反铁磁耦合强度，其通过SAF材料的饱和场H_sat表征。已知 的是，对于Ru分隔层厚度在至的典型范围内的NiFe SAF， 该SAF结构在高于约275℃的温度下开始失效，造成差的开关行为。 由于SAF失效以及其它机制，具有NiFe基SAF自由层的MTJ材料的 MR在高于约275℃的温度下也劣化。因此，希望使用可耐受高于350 ℃的温度的SAF结构以允许用高温法制造电路以及允许进行用MgO隧 道势垒材料获得高MR所需的高温退火。

该材料的单轴各向异性也影响位元(bit)的开关场和交替操作窗 口的大小。因此，优选选择SAF材料以产生最佳的单轴各向异性。对 具有显著的形状各向异性的MRAM器件而言，希望使该材料的各向异性 最小化以保持低的开关场和大的操作窗口。该材料的单轴各向异性以 扭曲场H_k表示，即沿难磁化轴使该材料的磁矩饱和所需的场。

如果铁磁材料具有显著的磁致伸缩，其各向异性通常受应力和应 变影响。由于固定和控制MRAM器件的各向异性是有利的，因此希望控 制和最小化自由层材料的磁致伸缩。为了一致和可重复的开关，磁致 伸缩常数λ的量值应该为约1×10^-6或更低，即-1×10^-6＜λ＜1×10^-6。

相应地，希望提供关于隧穿磁致电阻和磁性具有改进的热稳定性、 低磁致伸缩和低单轴各向异性的MTJ叠层。此外，结合附图和前述的 技术领域和背景，从下列详述和所附权利要求书将会清楚本发明的其 它期望的特征和特性。

附图简述

结合下列附图考虑时，可参照详述和权利要求书得到本发明的更 完整理解，其中在所有附图中，类似附图标记是指类似元件。

图1是示例性磁隧道结叠层的横截面概图；

图2是根据一个实施方案的如图1中所示的合成反铁磁体的横截 面概图；

图3是根据图2的特定SAF实施方案的横截面概图；

图4-7描绘了包含示例性合金组合物的SAF的各种特征；且

图8-11描绘了作为退火温度的函数的示例性SAF的各种特征。

详述

下列详述仅是示例性的，并不意图限制可能的实施方案和应用的 范围。此外，并不意图受到前述背景或下列详述中描述的任何理论的 限制。

为了阐述的简洁和明了，附图描绘了各种实施方案的一般结构和/ 或构造方式。可以省略公知特征和技术的描述和细节以避免不必要地 混淆其它特征。附图中的元件不一定按比例绘制：一些要件的尺寸可 能相对于其它元件放大以更好地理解示例性实施方案。

列举术语，如“第一”、“第二”、“第三”，诸如此类，可用 于区分类似元件，且不一定描述特定的空间或时间次序。所使用的这 些术语在适当情况下可互换。本文所述的本发明的实施方案例如能以 与所述那些不同的次序或以与本文所述不同的方式使用。除非明确地 另行指明，“连接”是指一个元件/节点/要件直接地接合到(或直接 连通到)另一元件/节点/要件，且不一定以机械方式。同样地，除非 明确地另行指明，“耦合”是指一个元件/节点/要件直接或间接地接 合到(或直接或间接连通到)另一元件/节点/要件，且不一定以机械 方式。术语“包含”、“包括”、“具有”和它们的任何变体同义使 用以表示非排他性的包含。以“举例”而非“理想”的意义使用术语 “示例性”。