[发明专利]具有用于形成合成反铁磁体的非磁性间隔件层的Heusler化合物

说明书

描述了包括多层结构的器件，所述多层结构包括三层。第一层为磁性Heusler化合物，第二层(用作间隔件层)在室温下为非磁性的，并且包括Ru和至少一种其它元素E(优选地：Al；或者Ga或Al与Ga、Ge、Sn或它们的组合的合金)的交替层，并且第三层也为磁性Heusler化合物。第二层的成分表示为Ru_1‑xE_x，x在从0.45至0.55的范围内。MRAM元件可通过依次形成衬底、所述多层结构、隧道势垒和额外磁层(其磁矩可切换)而构成。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年2月8日提交至美国专利商标局的美国专利申请No.16/271,721的权益，其全部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及磁性随机存取存储器(MRAM)领域，并且更具体地说，涉及依靠自旋转移矩、赛道存储器和硬盘存储的MRAM装置。

背景技术

Heusler化合物是一类具有代表性公式X₂YZ的材料，其中X和Y是过渡金属或镧系元素，并且Z来自主族元素。由于X(或Y)和Z之间的化学区分，它们形成通过其中四个面心立方结构互相渗透的空间群对称L2₁(或者D0₂₂(当它们为四方扭曲时))定义的唯一结构。Heusler化合物的属性强烈依赖于组成化合物的元素的有序化。因此，制造高质量Heusler膜通常需要高温热处理，例如，在明显高于室温的温度下沉积和/或在高温(400℃或更高)下热退火。

发明内容

本文公开了由非磁性模板间隔件层分离的高度纹理化(外延)、非常光滑、高质量的Heusler化合物超薄双层膜，其可以在没有热退火工艺的情况下制造。模板间隔件层优选地由具有B2结构(L1₀的立方版本)的Ru-Al二元合金形成。模板层可以在室温下沉积，并且即使在沉积态也是有序的(即，形成交替的Ru和Al的原子层)。

特别感兴趣的是用RuAl模板间隔件层沉积的Heusler化合物的超薄双层膜，这些结构是高度外延和有序的。本文所公开的Heusler化合物形成具有优异磁性、具有大的垂直磁各向异性和方形磁滞回线(零磁场中的剩磁力矩接近每一单独层的饱和力矩)的高质量膜。这些优点归因于模板层的B2对称性和Heusler层的L2₁(或D0₂₂)对称性之间的相似性。由具有RuAl模板间隔件层的Heusler化合物的超薄双层膜制成的结构的一个重要属性是，两个Heusler层的磁矩的相对取向取决于RuAl间隔件层的厚度。对于厚度在至和至之间的情况，磁矩的相对取向是反向平行的。根据先前观察到的基本的Cr层和Ru层振荡耦合的周期性，期望磁矩的反向平行耦合的第二厚度的范围为至在CoAl模板间隔件层中没有观察到这种反铁磁振荡耦合效应，在所述CoAl模板间隔件层中，两个含Heusler层的磁矩总是相互平行，这与间隔件层厚度无关，所述厚度达至少甚至以上。

模板间隔件层的最重要的特点是它由Heusler化合物中发现的元素组成。因此，例如，Al从RuAl底层到含Heusler层中的任何混入或扩散都不会显著改变含Heusler层的性质，因为Al来自形成Heusler化合物的那类“Z元素”(参见背景技术)。类似地，将Al部分替换为其他Z元素(例如Ga、Ge和/或Sn)的层将适合用作模板间隔件层。

模板间隔件层的另一个重要属性是，它可以复制第一含Heusler层的诱导物理顺序，进而促进生长在模板间隔件层顶部的第二含Heusler层的有序化。第一含Heusler层将不可避免地有阶梯(见图1)，相邻阶梯之间有原子台阶，其将具有由X(或Y)形成的表面的阶梯(terrace)与由XZ形成的阶梯分开(有关X、Y和Z的讨论，请参见背景技术)。由于X(或Y)对Al以及Z对Ru的化学亲和力，第一含Heusler层将促进模板间隔件层的有序化，并且出于前面提到的相同原因，继而将促进第二含Heusler层在中等温度下(甚至在室温下)的有序化，如图1所示。