[发明专利]具有垂直磁力异向性的磁性结构及其制备方法

说明书

本发明公开了具有垂直磁力异向性的磁性结构及其制备方法。于铁磁层(FML)两侧加设两氧化界面，可导引出较高的PMA，本发明的FML的堆叠结构可改善上氧化层的氧化控制，其是通过依次交错沉积一个或是两个以上非磁性层于数个铁磁子层上来实现的，本发明所使用的非磁性层具有0.5～10埃的厚度，并具有高再溅镀率，能够使得FML的上表面保持平滑，抑制FML子层的结晶，且可与氧气反应，保护相邻的铁磁子层不进行有害氧化。本发明的FML可以于磁性隧穿接合(MTJ)中作为自由层或是参考层。

技术领域

本发明涉及具有垂直磁力异向性的磁性结构及其制备方法，该磁性结构具有堆叠的氧化层、铁磁层以及非磁性层的组合，用以改善其应用于磁性薄膜时的垂直磁力，进而改善其热稳定性，可以不受具有垂直磁力异向性的装置的动能、体积或是结晶异向性的影响。

背景技术

磁化方向垂直于薄膜平面的磁性薄膜于内存或是数据储存技术而言尚有许多的应用，譬如磁性硬盘、磁性随机存取内存(MRAM)或是磁域墙装置。

通过垂直磁力异向性(PMA)所产生的垂直磁化可以克服静磁力形状各向异性，有利于薄膜几何形状的平面磁化。

许多物理现象都能诱发PMA，譬如结晶异向性、表面或接口异向性以及磁弹性异向性，接口异向性产生于氧化层(OL、譬如氧化镁层)与铁磁层(FML、譬如铁、钴、铁化钴或钴铁硼层)之间的接口，在技术上尤为重要。的确，接口结构被广泛地使用于MRAM装置，其内存单元是基于磁性穿隧接合，每一个磁性穿隧都具有两个垂直于硅晶圆平面磁化的磁极，并且通过氧化穿隧阻障层来分隔。

除了前面提到的氧化与铁磁层外，磁性隧穿接合(MTJ)结构也可包含非铁磁金属(ML)或种子层的堆叠结构，与磁性隧穿接合的两磁极的其中之一来建立垂直磁力异向性(PMA)的最简单堆叠层，形成单一铁磁层于金属层上，然后沉积氧化层于铁磁层上，来形成由下而上的ML/FML/OL堆叠或是反向的OL/FML/ML堆叠结构。

一般使用于半导体工业的标准工艺，需要加热晶圆达到400℃的高温，并如同退火程序持续数个小时，因此，通过半导体程序建构的MTJ装置必须要能承受标准程序的温度以及时间，而不能于磁性以及/或磁致传输特性上有所劣化。

于方程式(1)中，机率(p)为波兹曼因子，热波动引起MTJ中的内存位于两对应于逻辑0与1的稳定状态间翻转，热稳定性是关于两状态(E)之间的能量阻障，其与方程式(2)中的波兹曼常数(k_B)与绝对温度(T)有关。

(1)Boltzmann Factor＝p(E)＝e^-△

(2)Thermal Stability＝△＝E/k_BT

针对PMA，能量阻障E会随着储存(或自由)层的磁性异向性变化，对于均匀磁化反转机制，能量阻障E为等比于Keff·tFML的产物，其中t_FML为铁磁层的厚度。

K_eff为有效异向性常数(具有每单位体积能量的尺寸)。

K_eff可以设为接口异向性与形状异向性的总和。

(3)K_eff＝Interfacial Anisotropy+Shape Anisotropy

接口异向性为材料界面固有的，系表示为常数K_i(单位表面的能量)除以铁磁层的厚度；而形状异向性会降低热稳定性，如方程式(4)所展示。

(4)Shape Anisotropy＝-2πM_s²

其中M_s为饱和磁化强度，t_FML为铁磁层的厚度，界面异向性引起PMA，而形状异向性降低PMA，简言之，