CN111554807A - 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 - Google Patents

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Abstract

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Ru1‑xEx，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。

Description

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
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
Figure BDA0002379297490000021
至
Figure BDA0002379297490000022
和
Figure BDA0002379297490000023
至
Figure BDA0002379297490000024
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
Figure BDA0002379297490000025
至
Figure BDA0002379297490000026
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
Figure BDA0002379297490000028
甚至
Figure BDA0002379297490000027
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。
本发明的一个实施例是一种包括多层结构的器件。该结构包括：第一层，其包括第一磁性Heusler化合物；第二层，其在室温下为非磁性的，并且其接触和覆盖第一层；以及第三层，其接触和覆盖第二层。第三层包括第二磁性Heusler化合物。第二层包括Ru和至少一种其它元素E二者，其中，第二层的成分表示为Ru1-xEx，x在从0.45至0.55的范围内。更优选地，x在从0.47至0.53的范围内。在优选实施例中，E为铝，并且第一层和第三层各自的厚度小于5nm或者甚至小于3nm。第一Heusler化合物和第二Heusler化合物可有利地独立地选自由Mn3.1-xGe、Mn3.1-xSn和Mn3.1-xSb组成的组，对于Mn3.1-xSb而言，x在从0至1.1的范围内，对于Mn3.1-xGe和Mn3.1-xSn而言，x在从0至0.6的范围内。第一Heusler化合物和/或第二Heusler化合物可为三元合金，例如，形式为Mn3.1-xCo1.1-ySn，其中x≤1.2，并且y≤1.0。在一些实施例中，第一层和第三层的磁矩基本上分别平行于(或者垂直于)第二层与第一层之间的界面以及第二层与第三层之间的界面。另外，第一层和第三层的磁矩可基本上彼此反向平行，其中第二层的厚度在
Figure BDA0002379297490000031
至
Figure BDA0002379297490000032
的范围内。该器件的优选实施例可用作存储器元件或赛道存储器装置的一种元件。
本发明的另一实施例是一种包括衬底、覆盖衬底的多层结构的器件，其中，所述结构包括第一层、第二层和第三层。第一层包括第一磁性Heusler化合物，第二层在室温下为非磁性的，并且包括Ru和E(其中E包括至少一种其它元素，所述至少一种其他元素包括Al，第二层的成分表示为Ru1-xEx，x在从0.45至0.55的范围内)，并且第三层包括第二磁性Heusler化合物。该器件还包括覆盖所述多层结构的隧道势垒以及接触隧道势垒的额外磁层，其中额外磁层具有可切换磁矩。在优选实施例中，第一层和第三层中的至少一个包括Co。
本发明的又一实施例是一种包括多层结构的器件，所述多层结构包括第一层、第二层和第三层，其中第一层是磁性的，并且包括Heusler和/或L10化合物，第二层在室温下为非磁性的，并且包括Ru和E(E包括至少一种其它元素，所述至少一种其他元素包括Al，第二层的成分表示为Ru1-xEx，x在从0.45至0.55的范围内)，并且第三层为磁性的，并且包括Heusler和/或L10化合物。L10化合物可有利地选自由MnGa、MnAl、FeAl、MnGe、MnSb和MnSn合金组成的组。该器件的优选实施例可用作存储器元件或赛道存储器装置的一种元件。
附图说明
图1是使用由RuAl间隔件层分离的双层Heusler化合物的模板概念图，X、X’表示过渡金属元素，Z、Z’表示主族元素。
图2A是MgO/MgO(001)衬底上的三种不同堆叠体的XRD扫描。模板层在室温下沉积，并且在400℃下真空原位退火。
图2B是图2A的堆叠体在室温下的P-MOKE磁滞回线。
图3A是具有与
Figure BDA0002379297490000043
厚的Mn2.3Sb Heusler层接触的
Figure BDA00023792974900000412
Figure BDA00023792974900000413
的模板层的样品的P-MOKE磁滞回线。
图3B是具有与
Figure BDA0002379297490000044
厚的Mn3Ge Heusler层接触的
Figure BDA00023792974900000410
Figure BDA00023792974900000411
的模板层的样品的P-MOKE磁滞回线。
图4是所示出的包括
Figure BDA0002379297490000045
的RuAl间隔件层的Heusler堆叠件的P-MOKE磁滞回线。以箭头指示磁滞回线的不同位置处的两个含Heusler层的磁矩。
图5是具有厚度分别为
Figure BDA0002379297490000046
和
Figure BDA0002379297490000049
的RuAl间隔件层的Heusler堆叠体(见图5的左侧)的P-MOKE磁滞回线。
图6A是RuAl间隔件层插入其间的Heusler堆叠体(见图5所示的堆叠件结构)的P-MOKE磁滞回线。
图6B是CoAl间隔件层插入其间的Heusler堆叠体(见图5所示的堆叠件结构)的P-MOKE磁滞回线。
图7A是包括厚度分别为
Figure BDA0002379297490000047
和
Figure BDA0002379297490000048
的RuAl间隔件层的Heusler堆叠体(见图5所示的堆叠件结构)的P-MOKE磁滞回线。示出了Vr、VHighField和HSpinFlop。
图7B是作为RuAl间隔件层的厚度的函数的HSpinFlop的变化。
图7C是剩磁克尔(Kerr)信号电压除以饱和时的克尔信号电压，作为RuAl间隔件层的厚度的函数。
图8是具有RuAl间隔件层的Heusler堆叠体(见图5的堆叠件结构)的异常霍尔效应(AHE)测量值。
图9是针对RuAl间隔件层厚度变化的Heusler堆叠体(见图5所示的堆叠件结构)的剩磁
Figure BDA0002379297490000041
状态和饱和
Figure BDA0002379297490000042
状态确定的归一化异常霍尔效应电阻率。
图10A是来自包括CoAl间隔件层的各种Heusler堆叠体(见图5所示的堆叠件结构，但是CoAl代替RuAl作为间隔件)的AHE信号。
图10B是针对包括RuAl间隔件层和CoAl间隔件层的Heusler堆叠体的归一化AHE电阻率
Figure BDA0002379297490000051
的比较。
图10C是针对包括RuAl的Heusler堆叠体的来自P-MOKE的归一化AHE电阻率
Figure BDA0002379297490000052
和归一化Vr/Vsat的比较。
图11是包含了具有本文所述的Heusler层(和对应的间隔件层)的合成反铁磁体结构的磁隧道结器件的图。
具体实施方式
需要新的磁性材料，以允许STT-MRAM(自旋转移矩-磁性随机存取存储器)的尺寸缩减(scaling)超过20nm节点。这些材料必须具有非常大的垂直磁各向异性(PMA)，并且为了集成的目的，必须与传统CMOS技术兼容。这种磁性材料形成了基于磁隧道结(MTJ)的存储器元件的电极。切换MTJ元件状态的重要机制是使自旋极化隧穿电流穿过MTJ。该电流的大小受限于用于提供写电流的晶体管的大小。这意味着电极的厚度必须足够小，以便可以通过可用电流进行切换。对于～1000emu/cm3的磁化值，电极必须具有不超过大约1nm的厚度。
最近，已经表明，使用诸如CoAl、CoGa、CoSn或CoGe的模板层，可以沉积具有块状磁性的超薄Heusler层(厚度为～1nm)(见2017年7月26日提交的美国专利申请US15/660,681和2019年1月8日发布的美国专利第10177305号)。这些超薄的甚至是单个单位单元厚度的Heusler化合物膜展现出了垂直磁各向异性和方形磁滞回线，使它们成为在STT-MRAM和赛道存储器应用中使用的候选材料。在这两种技术应用中，合成反铁磁体(SAF)的使用是有利的。在STT-MRAM应用中，参考层包括SAF结构，因为该结构具有非常小的边缘场，这是在存储层的测量磁滞回线中观察到的偏移场的主要成因。在赛道存储器中，SAF结构的纳米线中的畴壁速度明显高于常规铁磁体的纳米线中的畴壁速度。来自常规铁磁体的SAF结构采用Ru作为非磁性间隔件层。包括Mn3Z(其中Z＝Ge、Sn和Sb)的四方Heusler化合物家族具有Mn-Mn和Mn-Z的交替层的层状结构。使用已知的元素间隔件层(例如，仅使用Ru)不适用于包括两个Heusler层的结构，因为元素Ru无法复制在其下面的Heusler层的顺序；因此，它无法促进生长在Ru间隔件层之上的第二Heusler层的有序化。
本文公开了一种间隔件层，其促进Heusler层之间SAF结构的形成。结果表明，具有CsCl结构的RuAl合金间隔件层在由该间隔件层分离的两个四方Heusler化合物层之间诱导了反铁磁耦合。
RuAl模板层
采用直流磁控溅射法，在基础压力为～2×10-9Torr的超高真空(UHV)室中，生长Ru1-xAlx合金的单晶外延膜。在3mTorr的典型气压下使用氩作为溅射气体。通过在室温下利用离子束沉积法(IBD)从自Kojundo化学实验室获得的MgO靶开始沉积
Figure BDA0002379297490000065
厚的MgO来制备MgO缓冲层。作为替代，可以在室温下通过RF磁控溅射从MgO靶(Kojundo化学实验室)沉积这种MgO缓冲层。然后，在室温下沉积CoAl、CoAl/RuAl或者RuAl的模板层(TL)。TL在400℃下在超高真空中退火30分钟，然后在沉积随后的层之前冷却到室温，随后的层包括Heusler层(
Figure BDA0002379297490000066
的Mn3Sn)以及
Figure BDA0002379297490000067
的MgO和
Figure BDA0002379297490000068
的Ta的封盖双层。在整个堆叠件暴露于环境中时，封盖双层保护其下面的层。图2A示出了CoAl层和RuAl层的成分，其通过Rutherford背散射测量分别确定为Co51Al49和Ru50Al50。尽管在当前示例中1:1的RuAl层成分是理想的，但是x在0.45到0.55的范围内(更优选地，在0.47到0.53的范围内)的Ru1-xAlx层将显示类似的模板效果(从而促进交替层的生长)。预计更大的偏差将使这些交替层结构的生长变得困难或不可能。
对膜执行平面外几何的X射线衍射(XRD)θ-2θ扫描。图2A示出了对三种膜的一系列XRD扫描，所述三种膜即：
Figure BDA0002379297490000061
Figure BDA0002379297490000062
Figure BDA0002379297490000063
以及
Figure BDA0002379297490000064
Figure BDA0002379297490000071
数据显示主CoAl(002)峰处于2θ＝～65.5°，并且CoAl(001)峰处于2θ＝～31.4°，RuAl(002)峰处于2θ＝～60.75°，并且RuAl(001)峰处于2θ＝～29.3°。CoAl(001)和RuAl(001)超晶格峰的存在清楚地证明了Co和Al发生交替层叠；类似地，Ru和Al的交替层形成。虽然使模板层在400℃退火30分钟，但是发现(未示出)不需要该退火步骤来促进Co/Al和Ru/Al交替层的生长。针对所有样本观察与衬底关联的x射线衍射峰，并且将其标记为MgO(002)。CoAl膜的晶格参数为
Figure BDA0002379297490000072
接近于B2结构的体块CoAl的晶格参数。RuAl膜的晶格参数为
Figure BDA0002379297490000073
接近于B2结构的体块RuAl的晶格参数。
图2B示出了从这三个膜中获得的垂直磁光克尔效应(P-MOKE)信号作为所施加的磁场的函数。从具有作为模板层的双层CoAl/RuAl或单层CoAl的膜中获得用于
Figure BDA00023792974900000712
的Mn3Sn的方形磁滞回线。
Figure BDA0002379297490000074
的RuAl层显示了交替层结构(见上面的XRD数据)，而
Figure BDA0002379297490000075
的Mn3Sn没有显示任何磁滞回线。这归因于RuAl和Mn3Sn Heusler化合物之间较大的晶格失配(～7％)，该晶格失配使Mn3Sn层充分地应变从而使其不再表现出PMA。然而，这些数据确实表明RuAl模板层是非磁性的。在CoAl层上沉积RuAl层，使RuAl充分地应变，从而促进了有序的、磁性的
Figure BDA0002379297490000076
的Mn3Sn层的生长。如通过原子力显微镜(AFM)测量的那样，这些薄膜非常光滑，均方根表面粗糙度(rrms)小于
Figure BDA0002379297490000077
图3A示出了在RuAl模板层上生长的Mn2.3Sb Heusler化合物的P-MOKE磁滞回线。该样本的材料堆叠件为
Figure BDA0002379297490000078
Figure BDA0002379297490000079
类似地，图3B示出了在RuAl模板层上生长的Mn3Ge Heusler化合物的P-MOKE磁滞回线。该样本的材料堆叠件为
Figure BDA00023792974900000710
Figure BDA00023792974900000711
Mn2.3Sb和Mn3Ge的自旋极化彼此相反，像它们的克尔常数一样，导致这两个Heusler层的P-MOKE信号的符号相反。这有一个有趣的结果：当两个Heusler层独立地与外部场对齐然后变得平行时，来自Mn2.3Sb和Mn3Ge双层的P-MOKE信号在扫描(sweep)该场时将衰减。这些结果表明，RuAl模板层可以促进Mn3Z Heusler化合物(其中Z＝Ge、Sn和Sb)的有序化，使其具有垂直磁各向异性。
图4示出了从具有通过RuAl的非磁性间隔件层分离的两层不同的Heusler化合物的样本获得的P-MOKE磁滞回线。该样本的堆叠件为
Figure BDA0002379297490000081
Figure BDA0002379297490000082
(其中“t”表示厚度)。观察到了三个不同的磁滞回线，并且图4中表示的各组成对的箭头指示Mn3Ge和Mn2.3Sb层的磁化取向。在大于5kOe的高强度场中，两个Heusler化合物的磁化彼此平行。在零强度场中，在剩磁状态下，两个Heusler化合物的磁化彼此反向平行。因此，将两个Heusler化合物分离的
Figure BDA0002379297490000083
RuAl间隔件层的存在促进了合成反铁磁体(SAF)的形成。这是基于Heusler化合物的SAF结构的第一示范。此外，Heusler化合物以及它们的对应的间隔件层在室温下沉积，所得的SAF结构不需进行后续退火。此外，在具有平面内磁矩的两层Heusler化合物的情况下，将这两个Heusler层分离的
Figure BDA0002379297490000084
RuAl间隔件层的存在将还导致合成反铁磁体(SAF)的形成。更明确地说，Heusler层的磁矩基本上平行于Heusler层与将它们分离的RuAl间隔件层之间的界面。当RuAl间隔件层的厚度在
Figure BDA0002379297490000085
至
Figure BDA0002379297490000086
的范围内时，这两个Heusler层的磁矩可基本上彼此反向平行。
尽管本文使用的SAF结构中的Heusler层的厚度为1-2nm，但是可以形成具有明显更厚的Heusler层的SAF结构。对于技术上相关的SAF结构，期望Heusler层的厚度小于5nm，或者甚至小于3nm。
图5对从样本中测量的P-MOKE磁滞回线进行了总结，所述样本具有通过(具有变化的厚度t的)RuAl的非磁性间隔件层分离的两层不同的Heusler化合物。这些样本的堆叠件为
Figure BDA0002379297490000087
Figure BDA0002379297490000088
的
Figure BDA0002379297490000089
Figure BDA00023792974900000810
具有t＝0和
Figure BDA00023792974900000811
的RuAl的样本显示出单个方形的磁滞回线，表示在Heusler层之间铁磁耦合。对于
Figure BDA00023792974900000812
Figure BDA00023792974900000813
和
Figure BDA00023792974900000814
的RuAl样本，Heusler层之间的耦合为反铁磁耦合。
图6A和图6B将针对样本测量的P-MOKE磁滞回线进行比较，所述样本具有通过RuAl(见图6A)和CoAl(见图6B)的非磁性间隔件层分离的两层Heusler化合物。间隔件层厚度t在0至
Figure BDA0002379297490000091
变化。这些样本的堆叠件为
Figure BDA0002379297490000092
或
Figure BDA0002379297490000093
RuAl间隔件层的厚度t以
Figure BDA0002379297490000094
的增量从0至
Figure BDA0002379297490000095
变化(仅示出了一些数据)并且CoAl间隔件层的厚度为
Figure BDA0002379297490000096
和
Figure BDA0002379297490000097
(再次强调，为了清楚起见，仅示出了一些数据)。针对具有CoAl间隔件层的样本获得的磁滞回线针对这里所取的所有CoAl厚度显示了单个方形磁滞回线，这与针对具有RuAl间隔件层的样本获得的(以下参照图9和图10B更详细讨论)有所不同。通过CoAl间隔件层分离的两个Heusler层对于所有厚度都是铁磁耦合的，并且没有证据表明形成了SAF结构。
在图7A、图7B和图7C中详细描述了具有RuAl间隔件层的样本的磁滞回线的相关性。图7A示出了具有RuAl间隔件层的样本的磁滞回线，RuAl间隔件层的厚度t为0、
Figure BDA0002379297490000098
和
Figure BDA0002379297490000099
在H＝0kOe时测量的P-MOKE信号为Vr(表示剩磁状态)，并且在～1.4T的高强度场(不在显示的区中)时测量的P-MOKE信号为VHighField(表示饱和状态)，其幅值在低得多的场强下通过黑色矩形示出。当扫描场H时，两个Heusler层的相对磁化取向从平行变为反向平行。HSF依赖于RuAl间隔件层厚度，并且在图7A中通过实心黑圆表示。图7B示出了HSF随着RuAl间隔件层厚度的变化。HSF的符号表示两个Heusler层之间的耦合类型，反铁磁耦合时其为负，铁磁耦合时其为正。因此，基于P-MOKE结果，当t在约
Figure BDA00023792974900000910
至
Figure BDA00023792974900000911
之间以及t在约
Figure BDA00023792974900000912
至大约
Figure BDA00023792974900000913
之间(还参见图7C)时，两个Heusler层之间的耦合为反铁磁耦合；对于所取的其它厚度，所述耦合为铁磁耦合。图7C示出了Vr与Vsat的比率，其中，在铁磁耦合时Vsat＝VHighField，并且在反铁磁耦合时Vsat＝Vr+VHighField。
在室温下在量子设计DynaCool设备中测量上述样本的异常霍尔效应(AHE)信号。在图8中针对通过不同厚度的RuAl层分离的Heusler层对这些测量值进行总结。使用标准霍尔测量几何结构来测量样品电阻率，在该几何结构中，导线接合至方形样品(10mm×10mm)的四个角。测量出的电阻率取决于洛伦兹力(与施加场(H)呈线性关系)和AHE。从电阻率数据中减去背景后，在零场
Figure BDA0002379297490000101
(剩磁，H＝0)下确定AHE信号以及在最大施加场下确定AHE信号。AHE信号(ρAH)对于所述两个Heusler化合物相反，与P-MOKE测量值一致。以下三个等式用于在剩磁
Figure BDA0002379297490000102
状态和饱和
Figure BDA0002379297490000103
状态二者下确定Heusler化合物的AHE信号。
Figure BDA0002379297490000104
Figure BDA00023792974900001016
铁磁(FM)
Figure BDA0002379297490000105
反铁磁(AFM)
图9示出了从AHE确定的比率
Figure BDA0002379297490000106
的变化，作为RuAl间隔件层厚度的函数。这些结果指示在小的间隔件层厚度
Figure BDA0002379297490000107
下，Heusler层之间的耦合是铁磁耦合。对于范围在
Figure BDA0002379297490000108
至
Figure BDA0002379297490000109
的间隔件层厚度，Heusler层之间的耦合是反铁磁耦合。对于范围在
Figure BDA00023792974900001010
至
Figure BDA00023792974900001011
的间隔件层厚度，耦合又变为铁磁耦合。
图10A示出了具有作为间隔件层的CoAl的Heusler层的AHE。图10B针对两个间隔件层CoAl和RuAl比较了比率
Figure BDA00023792974900001012
如图10B所示，这些样品的比率
Figure BDA00023792974900001013
为～1，并且不受CoAl层的厚度影响。当使用CoAl作为间隔件层时，所述两个Heusler化合物之间的耦合是铁磁耦合。在图10C中比较从AHE和P-MOKE确定的比率
Figure BDA00023792974900001014
或(Vr/Vsat)，并且发现从AHE和P-MOKE确定的比率
Figure BDA00023792974900001015
或(Vr/Vsat)基本一致。因此，RuAl间隔件层使得两个Heusler层之间能够反铁磁耦合，对于合适的RuAl厚度来说导致合成反铁磁体。
超薄层的结构有序性可能是由于模板间隔件层中Ru和Al元素的不同的化学性质。作为Al的替代，可采用诸如AlSn、AlGe、AlGa、AlGaGe、AlGaSn、AlGeSn和AlGaGeSn的Al合金。二元(X＝Y)和三元Heusler合金分别由两种/三种不同类型的原子组成。在X2YZ Heusler中，Z主族元素通常对X和Y具有较高的化学亲和力。在这种情况下，无论Z的选择如何，都应形成有序结构。可使用的三元Heusler化合物是Mn3.1-xCo1.1-ySn，其中X≤1.2且Y≤1.0。Heusler SAF结构可以包括作为第一Heusler层、第二Heusler层或两个Heusler层的三元Heusler化合物。
还将Mn2.3Sb看作L10化合物家族的一部分，因此上面讨论的结果表明，RuAl模板间隔件层在导致两种L10化合物(其构成元素包括一种过渡金属元素和主族元素)之间的SAF有序化方面也将会很有效。其它备选L10化合物有MnAl合金、MnGa合金、MnSn合金、MnGe合金和FeAl合金。
本文描述的结构适合于包括MRAM元件和赛道存储器装置的各种应用，诸如2004年12月21日发布的美国专利6834005中描述的标题为“Shiftable magnetic shift registerand method of using the same”的应用，该专利在此并入本文。一个这样的MRAM元件如图11所示。总体与MRAM元件一样，隧道势垒位于两个磁性电极之间，两个磁性电极中的一个具有固定磁矩，两个磁性电极中的另一个具有可切换磁矩，从而允许记录和擦除数据。然而，与现有技术的MRAM元件不同，图11的具有固定磁矩的磁性层(钉扎层)包括由非磁性间隔件(如本文所述的那些)分离的Heusler层。为了更好的性能，可有利地采用可选的(第二)钉扎层。
如前所述，图11的模板层是在室温下是非磁性的多层结构，其包括Co和至少一种其它元素E(优选地，Al或Ga；或Al与Ga、Ge、Sn或其任何组合的合金(诸如AlSn、AlGe、AlGa、AlGaGe、AlGaSn、AlGeSn和AlGaGeSn))的交替层。该结构的成分由Co1-xEx表示，x优选地在0.45至0.55的范围内(接近1:1的比率，以促进交替层的生长)。在高Co浓度下，Co-E合金具有磁性；此外，偏离1:1也会使这些结构的生长变得困难或不可能。可选种层(optionalseed layer)可以介于衬底与模板层之间。覆盖模板层的是Heusler SAF结构，其包括第一Heusler化合物，例如Mn3Ge、Mn3Sn或Mn3Sb。尽管这三种二元Heusler化合物因其理想的化学计量表征(即，Mn3Z，其中Z＝Ge或Sn或Sb)被提及，但其化学计量可在如下所述的有限范围内变化。对于Mn3.1-xGe和Mn3.1-xSn，x可在从0至0.6的范围内；对于Mn3.1-xSb，x可在从0至1.1的范围内。包括Ru和至少一种其它元素E二者的间隔件层(具有由Ru1-xEx表示的成分，x在从0.45至0.55的范围内)与第一Heusler层接触。独立于组群Mn3Ge、Mn3Sn和Mn3Sb选择的第二Heusler层与间隔件层接触。第一Heusler层和第二Heusler层的磁矩是固定的并且彼此反向平行。可选的第二钉扎层可用于提高性能，并且可包括Fe、CoFe合金或Co2MnSi。
隧道势垒优选为MgO(001)，但是可以使用其他(001)取向的隧道势垒，诸如CaO和LiF。可替换地，具有尖晶石结构的绝缘体(诸如MgAl2O4)可以用作隧道势垒；其晶格间距可以通过控制Mg-Al比率来调节，这将导致与Heusler化合物更好的晶格匹配(更优选地，Mg-Al成分是Mg1-zAl2-zO4，其中，-0.5＜z＜0.5)。例如，覆盖隧道势垒的可切换磁性电极可包括Fe、CoFe合金或CoFeB合金。封盖层可以包括Mo、W、Ta、Ru或其组合。电流可以通过在被隧道势垒分离的两个磁性电极之间施加电压来感生。
本文描述的某些结构也可用于赛道存储器装置。在这种情况下，赛道可以是纳米线，其包括衬底、可选种层、模板层和第一磁层，第一磁层包括由非磁性间隔件层分离的两个Heusler化合物。(关于这些层的可能成分，参见上面关于图11的讨论。注意，在赛道存储器装置中，通常不存在图11中所示的隧道势垒和可切换磁层；然而，在这种情况下，图11中所示的第一磁层将具有可切换的而不是固定的磁矩。)如美国专利6834005所述，磁性畴壁可沿该赛道移动。通过询问(或改变)赛道内相邻畴壁之间的磁性材料的磁矩取向，可以从赛道中读出数据(和将数据存储在赛道中)。
本文描述的各种层可以通过多种方法中的任何一种或多种方法来沉积，所述方法包括磁控溅射、电沉积、离子束溅射、原子层沉积、化学气相沉积和热蒸发。
本发明可以在不背离其精神或基本特征的情况下以其他特定形式实现。所描述的实施例在所有方面仅被认为是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是前述描述来指示。在权利要求同等含义和范围内的所有变更都应包含在该范围内。

Claims (20)

1.一种磁性器件，包括：
多层结构，其包括：
第一层，其包括第一磁性Heusler化合物；
第二层，其在室温下为非磁性的，所述第二层如下：接触和覆盖所述第一层；并且包括Ru以及至少一种其它元素E二者，其中所述第二层的成分表示为Ru1-xEx，x在从0.45至0.55的范围内；以及
第三层，其接触和覆盖所述第二层，所述第三层包括第二磁性Heusler化合物。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，x在从0.47至0.53的范围内。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一层和所述第三层的磁矩分别实质上与所述第二层与所述第一层之间的界面以及所述第二层与所述第三层之间的界面垂直。
4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一层和所述第三层各自的厚度小于5nm。
5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第二层的厚度在
Figure FDA0002379297480000011
至
Figure FDA0002379297480000012
的范围内。
6.根据权利要求5所述的器件，其中，所述第一层和所述第三层的磁矩实质上彼此反向平行。
7.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一磁性Heusler化合物和所述第二磁性Heusler化合物独立地选自由Mn3.1-xGe、Mn3.1-xSn和Mn3.1-xSb组成的组，对于Mn3.1-xSb而言，x在从0至1.1的范围内，对于Mn3.1-xGe和Mn3.1-xSn而言，x在从0至0.6的范围内。
8.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一磁性Heusler化合物和/或所述第二磁性Heusler化合物是三元Heusler化合物。
9.根据权利要求8所述的器件，其中，所述三元Heusler化合物为Mn3.1-xCo1.1-ySn，其中x≤1.2，并且y≤1.0。
10.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一层和所述第三层的磁矩分别实质上与所述第二层和所述第一层之间的界面以及所述第二层和所述第三层之间的界面平行。
11.根据权利要求1所述的器件，其中，E包括选自由AlSn、AlGe、AlGaGe、AlGaSn、AlGeSn和AlGaGeSn组成的组的合金。
12.根据权利要求1所述的器件，还包括覆盖所述多层结构的隧道势垒，从而允许电流通过所述隧道势垒和所述多层结构二者。
13.根据权利要求12所述的器件，还包括与所述隧道势垒接触的额外磁层。
14.根据权利要求13所述的器件，其中，所述隧道势垒是Mg1-zAl2-zO4，其中，-0.5＜z＜0.5。
15.一种磁性器件，包括：
衬底；
多层结构，其覆盖所述衬底，所述多层结构包括第一层、第二层和第三层，其中：
所述第一层包括第一磁性Heusler化合物，
所述第二层在室温下为非磁性的，并且包括Ru和E，其中E包括至少一种其它元素，所述至少一种其它元素包括Al，所述第二层的成分表示为Ru1-xEx，x在从0.45至0.55的范围内；并且
所述第三层包括第二磁性Heusler化合物；
隧道势垒，其覆盖所述多层结构；以及
额外磁层，其与所述隧道势垒接触，其中所述额外磁层具有可切换磁矩。
16.根据权利要求15所述的器件，还包括与所述额外磁层接触的封盖层。
17.根据权利要求15所述的器件，其中，所述第一层和/或所述第三层包括Mn和选自由Sn、Sb和Ge组成的组的元素。
18.一种磁性器件，包括：
多层结构，其包括第一层、第二层和第三层，其中：
所述第一层为磁性的，并且包括Heusler化合物和/或L10化合物，
所述第二层在室温下为非磁性的，并且包括Ru和E，其中E包括至少一种其它元素，所述至少一种其它元素包括Al，所述第二层的成分表示为Ru1-xEx，x在从0.45至0.55的范围内；并且
所述第三层为磁性的，并且包括Heusler化合物和/或L10化合物。
19.根据权利要求18所述的器件，其中，所述第一层和所述第三层的磁矩实质上垂直于所述第一层和所述第三层各自与所述第二层的界面。
20.根据权利要求18所述的器件，其中，所述L10化合物选自由MnGa、MnAl、FeAl、MnGe、MnSb和MnSn合金组成的组。
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