[發明專利]具有用于形成合成反鐵磁體的非磁性間隔件層的Heusler化合物

在審

• 申請號: 202010078380.6
• 申請日: 2020-02-03
• 公開（公告）號: CN111554807A
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 鄭在佑;斯圖爾特·S·P·帕金;希拉格·加爾各;馬赫什·G·薩曼特;帕納約蒂斯·哈里勞斯·菲利波;亞里·費蘭特
• 申請（專利權）人: 三星電子株式會社;國際商業機器公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/10;H01L43/12;G11C11/16
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 趙南;張青

描述了包括多層結構的器件，所述多層結構包括三層。第一層為磁性Heusler化合物，第二層(用作間隔件層)在室溫下為非磁性的，并且包括Ru和至少一種其它元素E(優選地：Al；或者Ga或Al與Ga、Ge、Sn或它們的組合的合金)的交替層，并且第三層也為磁性Heusler化合物。第二層的成分表示為Ru_1?xE_x，x在從0.45至0.55的范圍內。MRAM元件可通過依次形成襯底、所述多層結構、隧道勢壘和額外磁層(其磁矩可切換)而構成。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2019年2月8日提交至美國專利商標局的美國專利申請No.16/271,721的權益，其全部公開內容通過引用合并于此。

技術領域

本發明涉及磁性隨機存取存儲器(MRAM)領域，并且更具體地說，涉及依靠自旋轉移矩、賽道存儲器和硬盤存儲的MRAM裝置。

背景技術

Heusler化合物是一類具有代表性公式X₂YZ的材料，其中X和Y是過渡金屬或鑭系元素，并且Z來自主族元素。由于X(或Y)和Z之間的化學區分，它們形成通過其中四個面心立方結構互相滲透的空間群對稱L2₁(或者D0₂₂(當它們為四方扭曲時))定義的唯一結構。Heusler化合物的屬性強烈依賴于組成化合物的元素的有序化。因此，制造高質量Heusler膜通常需要高溫熱處理，例如，在明顯高于室溫的溫度下沉積和/或在高溫(400℃或更高)下熱退火。

發明內容

本文公開了由非磁性模板間隔件層分離的高度紋理化(外延)、非常光滑、高質量的Heusler化合物超薄雙層膜，其可以在沒有熱退火工藝的情況下制造。模板間隔件層優選地由具有B2結構(L1₀的立方版本)的Ru-Al二元合金形成。模板層可以在室溫下沉積，并且即使在沉積態也是有序的(即，形成交替的Ru和Al的原子層)。

特別感興趣的是用RuAl模板間隔件層沉積的Heusler化合物的超薄雙層膜，這些結構是高度外延和有序的。本文所公開的Heusler化合物形成具有優異磁性、具有大的垂直磁各向異性和方形磁滯回線(零磁場中的剩磁力矩接近每一單獨層的飽和力矩)的高質量膜。這些優點歸因于模板層的B2對稱性和Heusler層的L2₁(或D0₂₂)對稱性之間的相似性。由具有RuAl模板間隔件層的Heusler化合物的超薄雙層膜制成的結構的一個重要屬性是，兩個Heusler層的磁矩的相對取向取決于RuAl間隔件層的厚度。對于厚度在至和至之間的情況，磁矩的相對取向是反向平行的。根據先前觀察到的基本的Cr層和Ru層振蕩耦合的周期性，期望磁矩的反向平行耦合的第二厚度的范圍為至在CoAl模板間隔件層中沒有觀察到這種反鐵磁振蕩耦合效應，在所述CoAl模板間隔件層中，兩個含Heusler層的磁矩總是相互平行，這與間隔件層厚度無關，所述厚度達至少甚至以上。

模板間隔件層的最重要的特點是它由Heusler化合物中發現的元素組成。因此，例如，Al從RuAl底層到含Heusler層中的任何混入或擴散都不會顯著改變含Heusler層的性質，因為Al來自形成Heusler化合物的那類“Z元素”(參見背景技術)。類似地，將Al部分替換為其他Z元素(例如Ga、Ge和/或Sn)的層將適合用作模板間隔件層。

模板間隔件層的另一個重要屬性是，它可以復制第一含Heusler層的誘導物理順序，進而促進生長在模板間隔件層頂部的第二含Heusler層的有序化。第一含Heusler層將不可避免地有階梯(見圖1)，相鄰階梯之間有原子臺階，其將具有由X(或Y)形成的表面的階梯(terrace)與由XZ形成的階梯分開(有關X、Y和Z的討論，請參見背景技術)。由于X(或Y)對Al以及Z對Ru的化學親和力，第一含Heusler層將促進模板間隔件層的有序化，并且出于前面提到的相同原因，繼而將促進第二含Heusler層在中等溫度下(甚至在室溫下)的有序化，如圖1所示。