[发明专利]用于垂直磁力异向性薄膜的种子层

说明书

本发明公开了一种形成具有垂直磁力异向性的磁性薄膜结构的方法、一种具有垂直磁力异向性的磁性薄膜结构和一种具有垂直磁力异向性的穿隧磁阻装置，其中，具有垂直磁力异向性的磁性薄膜结构是由具有不同晶体对称结构的材料以多层方式制作而成，其通过促进晶体匹配的种子层的使用来提供平滑过渡。在沉积结构上的层间界面，如氧化镁层和含铁铁磁层之间的界面会发生垂直磁力异向性，后续过程中，垂直磁力异向性将通过对称结构匹配种子层的方式传播到整个沉积结构的其余部分。

技术领域

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

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：

(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；

(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

(3)其他自旋电子装置。

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。

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。

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(111)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(111)层状结构的配置。

图1(a)绘示一种FCC(111)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(111)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。

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)/铂、(钴,铁)/钯、钴/钌、钴/镍/铂和钴/镍/铁/铂，也都可从此处所描述的方法来获得。

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。