具有超薄磁性层的TMR材料 【技术领域】
本发明一般涉及磁性材料，并且尤其涉及隧道磁电阻(TMR)材料。
背景技术
在磁学领域，磁电子学器件、自旋电子学器件、自旋学(spintronic)器件已经引起了众多关注。这些器件包括磁随机存取存储器(MRAM)、磁场传感器、盘驱动器的读/写头和其他磁应用，利用了主要由电子自旋而非电子电荷引起的巨磁电阻(GMR)和隧道磁电阻(TMR)效应。
一类自旋学器件由GMR材料或TMR材料构成。这两种材料的基本结构包括由间隔层隔开的两个磁性层。在GMR材料中，间隔层是导电的，但在TMR材料中，间隔层是绝缘的。图1示出根据已有技术的TMR材料20的放大横截面图。
也称为磁隧道结(MTJ)的TMR材料20具有由也称为隧道势垒层的绝缘间隔层26隔开的第一磁性层22和第二磁性层24。第一和第二磁性层22，24可以是磁性材料的单层，如镍、铁、铜、钴或其合金。隧道势垒层26通常是氧化铝(Al2O3)，但是可包括若干绝缘体，如氮化铝或镍、铁、钴的氧化物或其合金。
不局限于理论的情况下，尤其是参考隧道势垒层26与第二磁性层24之间的界面31的放大视图28，当吸附物原子30淀积在隧道势垒层26的表面32上时，可生长几种类型的层，并且即便是在界面31处在原子30与表面32之间缺乏混合的情况下，在表面32上形成地原子30的层生长也不可能成为优选的薄膜。
原子30在表面32上的生长模式由几个因素决定，包括：原子30在表面32上的迁移率、表面32的表面能、原子30的表面能和界面31处原子30对表面32的键合能。在大部分物理气相沉积过程中，原子30具有足够的能量用于表面32上的有效迁移、在进入静止之前移动过大量原子间距。在高迁移率环境的这种媒质中，原子30将自然地形成膜形貌，这将表面32上的原子30的总能量最小化。从而，在原子30的表面能与表面32的能量相比高时，将有利于这样的结构，以露出表面32的一些区域为代价将原子30的表面面积最小化，导致在膜生长的初始阶段期间在表面32上形成原子30的三维岛34。相反，如果表面32的能量高于原子30，则原子30在表面32上按逐层模式生长是优选的，因为这样很快原子33覆盖表面32，形成具有低能量的表面。
原子30对表面32的强烈的键合能通过限制原子30的迁移率并通过把原子30与表面32之间的接触最大化来降低总系统能量而有助于原子30的原子层的生长。在逐层生长期间，原子30几乎是在原子30上形成原子30的第二原子层之前就在表面32上完成了原子30的第一原子层。当原子30趋向于在原子30层上生长附加的原子30而不是在表面32上完成原子30的第一原子层时，发生三维生长(即岛状生长)。
当膜覆盖表面的大约80％以上时通常将其视为连续的。当生长模式是逐层生长时，膜更可能比岛状生长模式更快地变为连续的。对于岛状生长，在膜变为连续的或大致连续的之前，可进行十个或更多的原子层淀积。在淀积足够的材料来使得岛足够大以连接并形成大致连续的层之前，这种膜通常被视为是不连续的并且由不相连的岛构成。另外，一旦形成连续膜，它将比按逐层方式生长的膜更粗糙。
通常要求在衬底上形成小于大约10原子层(即小于大约20埃厚)的平滑且大致连续的膜。在本发明之前，如果材料膜通过岛状生长或类似的任何三维生长模式形成，则不可能形成小于大约20埃的平滑且大致连续的层。即便按大致岛状生长的膜在10个原子层时变得连续，当一些区域仅仅是1个或2个原子层厚而其他区域是远多于10个原子层厚时，它将比按逐层方式生长的膜粗糙得多。在这种逐层形成方法提供TMR材料的正常工作时，由于用这种TMR材料结构能实现明显的好处，因此需要形成具有小于大约20埃的大致平滑且连续的磁性层的TMR材料。
例如，双MTJ将明显受益于大致平滑且连续的超薄磁性层，因为如果可获得1～3原子层厚的磁性层，则双MTJ中的共振效应是可调的。(参看Xiangdong Zhang，Bo-zang Li，Gang Sun，&Fu-Cho Pu，Phys.Rev.B，V0l.56，p5484(1997)和S.Takahashi & S.Maekawa，Phys.Rev.Lett，Vol.80，p1758(1998)的theoretical prediction of resonanteffects that give a higher MR等，在此将其作为参考来引入)。另外，如果由在另一隧道势垒层上生长的大致平滑且连续的超薄扩散隧道势垒层和软磁性层组合构成，使得翻转特性不在器件操作期间受不利影响，则单或多隧道结中的磁双层(即形成第一或第二磁性层的两个磁性材料)将提高耐热性。此外，为获得需要的磁性能，选择形成磁性双层的两个磁性材料可得到特定结晶相，磁性能包括但不限于矫顽力、各向异性和磁电阻比率因素。如所理解的那样，具有大致平滑且连续的均匀超薄磁性层的TMR有很多所需应用和特性。
因此，要求一种TMR材料，包括：具有不超出大约20X，更好是不超出15X，并且最好是不超出大约10X的厚度的大致平滑且连续的均匀磁性层。
【附图说明】
结合附图在下文中说明本发明，附图中，相同标号表示相同元件。
图1是根据已有技术的隧道磁电阻(TMR)材料的放大横截面图；
图2是根据本发明的一个优选示范实施例的TMR的放大横截面图；
图3是表示根据本发明的一个优选实施例的用于形成图2的TMR材料的方法的流程图；
图4是根据图2的具有本发明的双层第二优选示范实施例的TMR的放大横截面图；
图5是根据本发明的一个优选示范实施例的多MTJ的放大横截面图；
图6是利用根据一个优选示范实施例的图2的TMR材料的存储器的一部分的放大透视图。
【具体实施方式】
下面的对优选实施例的具体说明本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本发明或本发明的应用和使用。另外，并不打算通过本发明的前述背景技术中提到的任何理论或下面的对优选示范实施例的具体说明进行限制。
图2示出根据本发明的优选实施例的TMR材料40的放大横截面图。也称为磁隧道结(MTJ)的TMR40材料具有形成在衬底41上的第一磁性层42和形成在隧道势垒层46上的第二磁性层44。第一和第二磁性层(42，44)和随后要讨论的附加磁性层可以是单磁性材料层，如镍、铁、铜或钴或其合金。或者，第一和第二磁性层(42，44)和随后提出的附加磁性层可以是复合磁性层，如覆盖钴铁层的镍铁钴层或包括钴铁和镍铁钴以及钴铁的层的三层结构，钴铁位于与隧道势垒层46形成的界面处。隧道势垒层46和随后要讨论的其他隧道势垒层优选是氧化铝(Al2O3)，但是可包括若干绝缘体，例如像氮化铝或镍、铁、钴、Mg、Mn、Ta、Ti、Nb、Mo、W、Sr、Ce、La或其合金的氧化物。
如隧道势垒层46与第二磁性层44之间的界面的放大图48中看到的那样，第二磁性层44的被吸附原子50在隧道势垒层46上形成逐层结构。逐层结构具有在第二排的被吸附原子54上形成的第一排的被吸附原子52、在第二排54上形成的第三排的被吸附原子56和在第三排54上形成的第四排的被吸附原子58。但是，应该理解逐层结构可用任何数目的被吸附原子排形成，包括但并不限于单排和四排以上。这个逐层在隧道势垒层46上提供第二磁性层44，该磁性层44至少在隧道势垒层46的一部分上大致平滑且连续并且具有不超出大约20X，优选是不超出大约15X，且更优选是不超出大约10X的最大厚度60。尤其，第二磁性层44的最大厚度60不超出前面特定的厚度并且第二磁性层44在隧道势垒层46上提供大致连续的膜，该膜也改善隧道势垒层46上膜的表面光洁度。在隧道势垒层46上产生这种通常均匀超薄层44的一个方法是提高隧道势垒层46的表面处的键合强度。
前面用超薄层制造MTJ的努力导致了不连续的膜而并非连续的超薄层。(参看H.Kubota，T.Watabe，T.Miyazaki，J.Magnetism &Magnetic Materials，vol.198-199，P.173(1999) 和Y.Saito，K.Nakajima，K.Tanaka，和 K.Inomata，IEEE Trans. Mag.vol35，p.2904(1999)，这些在此引入为参考)。但是，通过适当的表面处理，可使该结构具有平滑连续且超薄的层。表面处理提高被吸附金属层(例如Co)和绝缘体表面(例如Al2O3)之间的键合强度。例如，通过把少于1个分子层的烃基附于表面来处理蓝宝石(α-Al2O3)表面，已经表示出将铜(Cu)的生长模式从三维(岛状)改变为更近似二维生长。(参看J.A.Kelber，ChengyuNiu，K.Shepherd，D.R.Jennison.和A.Bogicevic，Surface Science vol.446，p.76(2000)，其在此引入为参考)。类似地，使用平滑且连续的超薄层的磁性或非磁性材料的表面改性可产生隧道结结构。表面改性的理想试剂是结构其他层中包含的元素或在淀积期间浮起(float up)到被吸附物膜的表面从而从界面区域被移去的的元素构成的试剂。最好的候选试剂取决于在结中使用的材料，但包括：OH基、氧和其他VI族元素、氮和其他V族元素、卤素和磁性元素的氧化物。
参考图3，提出根据本发明的一个优选实施例形成TMR材料的方法。起初，方法以形成第一磁性层64开始。在形成第一磁性层后，在第一磁性层66上形成隧道势垒层。这可使用不同的技术完成。例如，如果采用氧化铝形成隧道势垒层，则可初始把铝淀积在第一磁性层上并使用已知技术氧化。
一旦隧道势垒层形成了，就在绝缘层上形成具有大致平滑且连续并且不超出大约20X，优选是15X，更优选是大约10X的厚度68的第二磁性层，进行该方法的下一步。形成具有至少这两个特性的第二磁性层的特定过程取决于对隧道势垒层和第二磁性层选择的材料。但是，下面的一般性描述提供在隧道势垒层上产生需要的第二磁性材料层的方法。这个过程可使用很多不同材料并有相当数量的变形和改变。
通过把表面暴露于在表面上分解并留下带负电碎片的分子中，或通过使用光或电子束激发表面上的分解作用，暴露于等离子体，或把带负电原子引入到隧道势垒层表面上的其他方式把带负电的原子引入隧道势垒层的表面。带负电粒子的引入之后，通过在隧道势垒层上淀积第二磁性层、产生可在包括多MTJ的其他任何实施例中使用的TMR材料。
图4示出根据本发明的优选实施例的双MTJ70形式的多MTJ。双MTJ作为示范优选实施例给出，应理解为双MTJ外的多MTJ也在本发明的范围和精神内，包括但不限于三和四MTJ，或者单、双、三和四MTJ的任意多个。双MTJ70具有第一磁性层42、第二磁性层44和所讨论的并联系图2和3形成的隧道势垒层46。另外，第二隧道势垒层72形成在第二磁性层44上，并且第三磁性层74形成在第二隧道势垒层72上。具有大致平滑且连续的超薄厚度60的第二磁性层44的该双MTJ70表现出很多优点，包括但不限于例如高磁电阻比率(MR)和可调共振效应。尽管大致平滑且连续的超薄厚度60在多MTJ中提供很多需要的特性，第二磁性层的超薄厚度60也可有利地用作TMR材料中磁性双层的一个组成部分。
图5表示具有磁性双层78的TMR材料76。这个TMR材料76包括第一磁性层42和联系图2和3讨论并形成的隧道势垒层46，并且至少第二磁性层44具有通常是均匀的并且不超出大约20X，优选不超出大约15X，更优选是不超出大约10X的大致平滑且连续的超薄厚度60。
带有双层78的TMR材料76可用于提供很多需要的器件特性。例如，用双层78可提供增强的耐热性，却基本上不增加顶磁性层82的整体厚度并且不对器件的翻转特性产生负面影响。另外，通过适当选择形成双层78的材料可获得需要的结晶相或取向。而且，双层78的材料可根据MR条件选择。尤其，可对第二磁性层44选择提供高MR的材料，即便这个材料具有差的磁性能。第二磁性层44的差的磁性能将通过选择第三磁性层80的磁性材料强化。这些所需器件特性和很多其他所需器件特性在很多自旋器件中可由TMR材料76的双层结构实现，包括但不限于存储阵列。
图6示出将图1的TMR材料10用于存储器86的至少一个存储器单元的存储器阵列或存储器86的一部分的放大透视图。存储器86包括多个存储器单元，包括用虚线指示的第一单元88、第二单元90、第三单元92和第四单元94。存储器86还包括衬底96，例如半导体衬底，在该衬底上TMR材料10形成代表多个单元(88，90，92，94)的多个元件。衬底96还可包括其他电路，包括传感器放大器和数字电路。
采用介电材料98，覆盖衬底96的露出部分和形成在衬底96上的每个TMR材料10。一般地，在衬底96上在每个单元(88，90，92，94)之间隔开一个间隔来形成单元(88，90，92，94)。然后采用导体，互连各排中形成单元(88，90，92，94)的TMR材料10。例如，在第一单元88与第四单元94之间应用第一导体100，以形成第一排或读出(sense)线，并且在第二单元90与第三单元92之间应用第二导体102，以便形成第二排或读出线。将多个横向导体或字线叠置在存储器单元上来应用在介电体98的表面上。第三导体或第一字线104重叠第一单元88和第二单元90的TMR材料10，第四导体或第二字线106重叠第三单元92和第四单元94的TMR材料10。这个结构提供自旋存储器器件的基本结构。可以理解，由于TMR材料10可实现许多配置和器件，因此这不应被理解为唯一的结构。
从前面的说明，应理解提供一种具有大致平滑且连续的超薄磁性层的TMR材料，表现出已经给出的明显的好处，而且还提供对本领域技术人员而言很显然的优点。另外，尽管在前面的说明中已经给出出多个实施例，但应该理解实施例中存在很大数目的变形。最后，应理解这些实施例仅仅是优选的示范实施例，并且在任何方面来讲并非旨在限制发明的范围、应用或结构。相反，前面的具体说明对熟悉本领域的技术人员提供实施本发明的优选示范实施例的方向。可以理解在不背离后附权利要求提出的本发明的精神和范围的情况下可对示范优选实施例中描述的元件的功能和设置进行各种改变。
附录A
带有超薄自由层的底钉扎MTJ
1.把底接触层、钉扎结构和被钉扎铁磁层淀积到衬底上；
2.在被钉扎层上淀积铝层；
3.把Al层氧化，以形成铝氧化物(AlOx)表面；
4.处理AlOx表面；
5.在处理过的AlOx表面上淀积小于20埃的铁磁材料，以形成平滑连续的超薄层；和
6.淀积顶接触层。
带有超薄被钉扎层的顶钉扎MTJ
1.把底接触层和自由(未被钉扎)磁性层淀积到衬底上；
2.在自由层上淀积铝层；
3.把Al层氧化，以形成AlOx表面；
4.处理AlOx表面处理；
5.在处理过的AlOx表面上淀积小于20埃的铁磁材料，以形成平滑连续的超薄层；
6.淀积钉扎结构，以磁性钉扎超薄层；和
7.淀积顶接触层。
带有超薄界面层的底钉扎MTJ
1.把底接触层、钉扎结构和被钉扎铁磁层淀积到衬底上；
2.在被钉扎层上淀积铝层；
3.把Al层氧化，以形成AlOx表面；
4.处理AlOx表面；
5.在处理过的AlOx表面上淀积小于20埃的铁磁材料，以形成将成为界面的平滑连续的超薄层；
6.淀积一层第二铁磁材料，以完成由超薄界面层和第二铁磁层构成的自由层，该两层用作用于切换或读出(sensing)的单磁性层；和
7.淀积顶接触层。
带有超薄中间层和两个被钉扎层的双MTJ
1.把底接触层、钉扎结构和被钉扎铁磁层淀积到衬底上；
2.在被钉扎层上淀积第一铝层；
3.把Al层氧化，以形成AlOx表面；
4.处理AlOx表面；
5.在处理过的AlOx表面上淀积小于20埃的铁磁材料，以形成平滑连续的超薄层；
6.在超薄层上淀积第二铝层；
7.把Al层氧化，以形成AlOx表面；
8.AlOx的选择表面处理；
9.淀积第三铁磁材料；
10.淀积钉扎结构，以磁性钉扎第三铁磁层；和
11.淀积顶接触层。
用于前面给出的处理中的第四步骤的表面处理例子
1.把表面暴露于包含水蒸气的空气或氮气，空气或氮气的剂量足够大，以在表面上产生0.1和2之间分子层的OH基；
2.把表面暴露于氧等离子体或氮等离子体，剂量足够大，以在表面上产生0.1和2之间分子层的氧或氮；
3.把表面暴露于周期表的V或VI族中的元素，剂量足够大，以在表面上产生0.1和2之间分子层的氧或氮；
4.在暴露于氧气和/或氮气、氧和/或氮等离子体、水蒸气或水等离子体后淀积0.1和2之间原子层的Ni，Fe，Co或Gd。