DE102019124033B4

DE102019124033B4 - Stapel-entwurf mit doppel-magnettunnelübergang (dmtj)

Info

Publication number: DE102019124033B4
Application number: DE102019124033.6A
Authority: DE
Inventors: Vignesh SUNDAR; Yu-Jen Wang; Luc Thomas; Guenole Jan; Sahil Patel; Ru-Ying Tong
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2024-08-01
Anticipated expiration: 2039-09-10
Also published as: US20210020830A1; CN110911551A; KR20200033185A; TW202025450A; US12082509B2; KR102301461B1; TWI713199B; US20200091408A1; CN110911551B; DE102019124033A1; US10797225B2

Abstract

Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) mit:
(a) einer ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) auf einem Substrat (10);
(b) einer ersten Tunnelsperrschicht (13), die auf der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) hergestellt ist und ein erstes Produkt RA₁ aus Widerstand und Fläche hat;
(c) einer freien Schicht (14), die eine Oberseite der ersten Tunnelsperrschicht (13) kontaktiert und eine Magnetisierung (14m) hat, die senkrecht zu dem Substrat (10) ausgerichtet ist;
(d) einer zweiten Tunnelsperrschicht (15), die an eine Oberseite der freien Schicht (14) angrenzt und ein zweites Produkt RA₂ aus Widerstand und Fläche hat, das wesentlich größer als RA₁ ist;
(e) einer zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16), die auf der zweiten Tunnelsperrschicht (15) hergestellt ist, wobei die zweite gepinnte ferromagnetische Schicht (16) eine Magnetisierung (16a) hat, die senkrecht zu dem Substrat (10) ausgerichtet ist und antiparallel zu einer Magnetisierung (12m) der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) ist; und
(f) einer Oxid-Verkappungsschicht (20), die eine Oberseite der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16) kontaktiert und ein Produkt RA_CAP aus Widerstand und Fläche hat, das wesentlich kleiner als RA₂ ist.

Description

Fachgebiet
Verwandte Patentanmeldungen Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf die folgenden Dokumente: US-Patent Nr. 8.057.925 ; Aktenzeichen HT17-014, fortlaufende Nummer: 15/841/479, Anmeldetag: 14.12.17; Aktenzeichen HT17-034, fortlaufende Nummer: 15/728/818, Anmeldetag: 10.10.17; und Aktenzeichen HT17-038, fortlaufende Nummer: 16/056/701, Anmeldetag: 07.08.18. Diese Dokumente sind an einen gemeinsamen Abtretungsempfänger abgetreten und sind durch Bezugnahme aufgenommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Doppel-Magnettunnelübergang (DMTJ), der eine freie Schicht aufweist, die mit einer unteren Tunnelsperrschicht (TB1-Schicht) und einer oberen Tunnelsperrschicht (TB2-Schicht) verbunden ist, wobei die TB1-Schicht ein Produkt aus Widerstand und Fläche (RA₁-Produkt) hat, das wesentlich kleiner als ein Produkt RA₂ für die TB2-Schicht ist, gepinnte Schichten PL1 und PL2, die an die TB1 bzw. die TB2 angrenzen, antiparallel zueinander initialisiert werden, und eine Metalloxidschicht oder eine Magnetschicht mit einer (111)-Textur auf einer Oberseite der PL2 hergestellt wird, um die Magnetisierungsstabilität der PL2 zu verbessern.
Hintergrund
Senkrecht magnetisierte MTJs (p-MTJs) sind eine bedeutende aufstrebende Technologie zur Verwendung als eingebettete MRAM-Anwendungen (MRAM: magnetischer Direktzugriffsspeicher) und unabhängige MRAM-Anwendungen. Die p-MTJ-MRAM-Technologie, die einen Spin-Torque-MRAM (STT-MRAM) zum Schreiben von Speicherbits verwendet, wurde von C. Slonczewski in „Current driven excitation of magnetic multilayers" („Stromgetriebene Anregung von magnetischen Multischichten"), J. Magn. Magn. Mater. V 159, L1-L7 (1996), beschrieben und ist hoch konkurrenzfähig mit bestehenden Halbleiterspeicher-Technologien, wie etwa SRAM, DRAM und Flash.
Die Reduzierung der kritischen Schaltstromdichte für p-MTJs ist eine entscheidende Herausforderung zum Integrieren eines MRAM und eines STT-MRAM in bestehende CMOS-Technologien (CMOS: komplementärer Metalloxidhalbleiter). Wenn der Schreibstrom reduziert wird, können kleinere Transistoren für jede Bitzelle verwendet werden, wodurch potentiell Speichermatrizen mit höherer Dichte und niedrigere Herstellungskosten ermöglicht werden. Eine der Strategien, die in der Vergangenheit zum Minimieren des kritischen Stroms (i_C) zum Umschalten der freien Schicht in einem p-MTJ untersucht wurde, ist eine Doppel-Spin-Filterstruktur, die auch als ein DMTJ bezeichnet wird. Ein typischer DMTJ hat eine PL1/TB1/FL/TB2/PL2-Konfiguration, wobei PL1 und PL2 eine erste bzw. eine zweite gepinnte Schicht sind, die an eine erste Tunnelsperrschicht TB1 bzw. eine zweite Tunnelsperrschicht TB2 angrenzen und einen Spin-Torque-Effekt auf der freien Schicht (FL) erzeugen, wenn ein Strom in einer Richtung senkrecht zur Ebene durch den DMTJ geleitet wird. Die PL1, die PL2 und die FL haben vorzugsweise jeweils eine Magnetisierung, die in einer Richtung senkrecht zur Ebene (vertikalen Richtung) ausgerichtet ist. Wenn die PL1 und die PL2 antiparallel zueinander initialisiert werden, gibt es potentiell einen zweifachen Anstieg des Spin-Torque auf der FL im Vergleich zu einem MTJ, der nur einen Spin-Polarisator zum Beispiel in einer PL/TB/FL-Konfiguration hat. Dadurch wird die Spin-Torque-Übertragungsleistung verbessert und der i_C wird reduziert.
Bei dem vorgenannten DMTJ können der PL1/TB1/FL-Stapel und der FL/TB2/PL2-Stapel als zwei getrennte Teilstrukturen angesehen werden, die jeweils ihre eigenen TMR-Werte (TMR: Tunnelmagnetwiderstand) haben. In jeder p-MTJ-Teilstruktur kann sich die FL frei in eine Richtung drehen, die parallel (P-Zustand) oder antiparallel (AP-Zustand) zu der PL1 und der PL2 ist. Es ist wichtig, dass das Magnetwiderstands-Gesamtverhältnis (Gesamt-DRR), das die Summe aus den einzelnen TMR-Werten ist, einen hohen Wert hat (vorzugsweise höher als 1 ist), da das DRR in direktem Zusammenhang mit der Lesespanne steht.
Die magnetische Leistung für einen DMTJ mit zwei p-MTJ-Teilstrukturen ist nicht nur mit dem Gesamt-DRR und dem i_C verbunden, sondern auch mit dem RA₁, dem RA₂ und der Stabilität jeder Magnetschicht gegenüber Streufeldern. In der Regel nimmt in einer DMTJ-Zelle die Gleichmäßigkeit einer Schicht, die die Glätte ihrer Oberseite umfasst, mit zunehmendem Abstand von einem Substrat ab. Insbesondere beruht die Stabilität der PL2-Magnetisierung in einem DMTJ auf einer starken antiferromagnetischen Kopplung (AF-Kopplung) zwischen Schichten AP1 und AP2 in einem Stapel aus der AP1, einer AF-Kopplungsschicht und der AP2, der den niedrigsten Energiezustand (die stabilste Orientierung) zum Pinnen der PL2-Magnetisierung bereitstellt. Eine starke AF-Kopplung tritt jedoch nur in einem schmalen Dickenbereich der AF-Kopplungsschicht auf, der sich schwer steuern lässt, wenn die PL2 erheblich von dem Substrat entfernt ist. Eine Dickenänderung der AF-Kopplungsschicht könnte dazu führen, dass Bereiche der AP1- und der AP2-Schicht eine ferromagnetische (parallele) Kopplung statt eine AF-Kopplung haben oder dass sich die AF-Kopplungsstärke zwischen der AP1- und der AP2-Schicht ändert. Außerdem reduziert die Rauheit der darunter befindlichen TB2-Schicht die senkrechte Grenzflächen-Anisotropie in der PL2 an der TB2/PL2-Grenzfläche, wodurch die senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) in der PL2 verringert wird, was die PL2-Magnetisierungsstabilität verringert. Ein weiteres Problem, das angegangen werden muss, besteht darin, dass es für die Materialien in einem Stapel aus einer AP1, einer AF-Kopplungsschicht und einer AP2 entscheidend ist, eine kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur (kfz-Kristallstruktur) zu haben, um eine stabile gepinnte Schicht (PL2) zu erhalten. Es ist jedoch nicht günstig, eine kfz-(111)-Schicht auf einer TB2-Sperrschicht, wie etwa MgO, aufzuwachsen, die eine kfz-(002)-Textur hat. Auch wenn ein solches Kristallwachstum erreicht werden kann, ist es für das DRR des DMTJ-Stapels ungünstig, da eine kfz-(002)-Kristallstruktur für diesen Zweck bevorzugt wird. Daher wird eine DMTJ-Struktur benötigt, bei der die magnetische Stabilität von i_C, DRR, RA und PL2 gleichzeitig optimiert wird, um Leistung und Produktionsausbeute zu verbessern.
Aus der US 2014 / 0 061 828 A1 ist eine DMTJ-Vorrichtung mit zwei Tunnelsperrschichten bekannt, wobei die untere der beiden Tunnelsperrschichten eine größere Dicke und somit einen größeren Widerstand aufweist als die obere Tunnelsperrschicht.
Die US 2014 / 0 217 528 A1 beschreibt DMTJ-Vorrichtungen mit zwei Tunnelsperrschichten, wobei eine der Tunnelsperrschichten ein größeres Produkt aus Widerstand und Fläche sowie einen stärkeren magnetoresistiven Effekt als die andere Tunnelsperrschicht aufweist.
Die US 7 596 015 B2 offenbart eine Vorrichtung mit einem einfachen Magnettunnelübergang, wobei auf der freien Schicht eine nichtmagnetische Verkappungsschicht angeordnet ist, die aus einem Oxid ausgebildet sein kann.
Aus der US 8 981 505 B2 ist eine Vorrichtung mit einem einfachen Magnettunnelübergang bekannt, bei der zwischen einer freien Schicht und einer Verkappungsschicht eine diskontinuierliche Schicht mit kanalartigen Zwischenräumen angeordnet ist, um die Ausbildung leitfähiger Kanäle in einer Tunnelsperrschicht aufgrund der Diffusion von leitfähigem Material aus der Verkappungsschicht zu verhindern.
Zusammenfassung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen DMTJ-Zellen-Entwurf bereitzustellen, der den kritischen Strom (iC) zum Umschalten der freien Schicht auf einen Wert senkt, der kleiner als der i_C ist, der mit nur einer p-MTJ-Zelle realisiert wird; und die Magnetisierungsstabilität in einer oberen gepinnten Schicht zu verbessern und dabei akzeptable DRR- und RA-Werte für hochentwickelte MRAM- und STT-MRAM-Bauelemente zu ermöglichen.
Ein zweites Ziel ist es, ein Verfahren zum Initialisieren der gepinnten Schichten und der freien Schicht in einem DMTJ bereitzustellen, der mit dem DMTJ-Zellen-Entwurf des ersten Ziels kompatibel ist.
Die vorliegende Erfindung stellt Doppel-Magnettunnelübergangselemente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 12 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Doppel-Magnettunnelübergangs mit den Merkmalen des Anspruchs 18 bereit. Beispielhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine bevorzugte DMTJ-Zelle, die auch als ein Doppel-Spin-Filter (DSF) bekannt ist, Folgendes auf: eine freie Schicht (FL), die zwischen eine untere erste Tunnelsperrschicht (TB1) und eine obere zweite Tunnelsperrschicht (TB2) geschichtet ist; eine erste gepinnte Schicht (PL1), die an eine Unterseite der TB1 angrenzt; und eine zweite gepinnte Schicht (PL2), die eine Oberseite der TB2 kontaktiert. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird eine Oxid-Verkappungsschicht auf einer Oberseite der PL2 hergestellt, um eine senkrechte Grenzflächen-Anisotropie darin zu erhöhen, was zu einer höheren PL2-Magnetisierungsstabilität führt. Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Oxid-Verkappungsschicht durch eine oder mehrere Magnetschichten ersetzt, die ein kfz-(111)-Textur haben. Alle Magnetschichten (PL1, PL2, FL) haben eine Magnetisierung in einer (vertikalen) Richtung senkrecht zu einer Ebene, die senkrecht zu einer Oberseite eines Substrats ist, auf dem der DMTJ hergestellt ist. Obwohl die PL1 eine synthetische antiparallele Konfiguration (SyAp-Konfiguration) haben kann, die durch einen Schichtstapel aus einer AP2, einer AF-Kopplungsschicht und einer AP1 dargestellt wird, ist die PL2 vorzugsweise eine Einfachschicht oder eine Multischicht, die nicht auf der AF-Kopplung zur Stabilisierung beruht. Daher kontaktiert die Magnetschicht AP1 für die PL1 eine Oberseite der TB1, und die Schicht AP2 wird auf einer Seed-Schicht oder einem Substrat, wie etwa einer unteren Elektrode, hergestellt. Die PL2 kann im Abscheidungszustand eine amorphe CoFeB-Schicht sein, und B diffundiert während einer Kristallisation, die durch Tempern initialisiert wird, von der TB2/PL2-Grenzfläche weg, sodass eine CoFe-Schicht mit einer krz-(001)-Textur (krz: kubisch raumzentriert) entsteht, die an die TB2 angrenzt und eine sehr gute Gitteranpassung an eine darunter befindliche MgO(TB2)-Schicht mit einer kfz-(002)-Struktur hat. Somit ist die PL2 so konfiguriert, dass sie zumindest eine untere Schicht, wie etwa CoFeB, aufweist, die als eine Phasenunterbrechungsschicht bei der alternativen Ausführungsform dient, bei der die PL2 auch einen oberen Teil hat, der eine oder mehrere Schichten mit einer kfz-(111)-Textur umfasst. Die MgO/CoFe-Grenzfläche gewährleistet ein hohes DRR für die zweite p-MTJ-Teilstruktur in der DMTJ-Zelle.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen bildet die PL2-Schicht oder ein oberer Teil einer PL2-Multischicht mit einer krz-(001)-Textur eine Grenzfläche mit der Metalloxid-Verkappungsschicht, sodass eine zusätzliche senkrechte Grenzflächen-Anisotropie zum Erhöhen der PMA in der PL2 und eine höhere PL2-Magnetisierungsstabilität ermöglicht werden. Alternativ wird eine Metallschicht, wie etwa Mo oder W, die eine kfz-(111)-Textur hat, auf der PL2-Schicht bei Ausführungsformen hergestellt, bei denen der obere Teil der PL2-Schicht eine kfz-(111)-Textur hat. Bei einigen Ausführungsformen kann der obere Teil der PL2-Schicht eine Mehrschichtstruktur haben, wie etwa (Co/Ni)_n oder dergleichen, wobei n die Anzahl von Schichten ist. In diesem Fall kann eine „Phasenunterbrechungsschicht“, wie etwa Ta, Mo oder W, zwischen die CoFeB-ähnliche Schicht mit der krz-(001)-Textur und (Co/Ni)_n oder (Co/Pt)_n-Multischichten mit der kfz-(111)-Textur geschichtet werden, um die kristallografischen Texturen dieser Materialien zu entkoppeln.
Der DMTJ wird so initialisiert, dass die Magnetisierung der PL1-AP1-Schicht antiparallel zu der für die PL2-Magnetisierung ist, um einen niedrigeren i_C als bei einer parallelen Ausrichtung zu ermöglichen. Daher hat die erste p-MTJ-Teilstruktur einen P-Zustand, während die zweite p-MTJ-Teilstruktur einen AP-Zustand hat, oder die erste p-MTJ-Teilstruktur hat einen AP-Zustand, während die zweite p-MTJ-Teilstruktur einen P-Zustand hat, um eine P/AP- bzw. eine AP/P-Konfiguration zu erhalten.
Ein wichtiges Merkmal ist, dass das RA-Produkt der ersten p-MTJ-Teilstruktur, das nachstehend als RA₁ bezeichnet wird, wesentlich kleiner als das RA-Produkt der zweiten p-MTJ-Teilstruktur ist, das nachstehend als RA₂ bezeichnet wird, sodass das Gesamt-DRR für den DMTJ maximiert wird. Bei einigen Ausführungsformen sind beide Schichten TB1 und TB2 Metalloxid(MO_x)- oder Metalloxidnitrid(MON)-Schichten. Das RA₂ ist wesentlich größer als das RA₁, da die TB2 eine größere Dicke als die TB1 und/oder eine höhere Oxidationsstufe hat. Zum Beispiel kann die TB2 eine stöchiometrische Oxidationsstufe haben, bei der im Wesentlichen alle Plätze in dem MO_x-Gitter, die nicht mit Metallatomen besetzt sind, mit Sauerstoffatomen gefüllt sind, und die TB1 kann mit einer Mehrzahl von Plätzen in dem MO_x-Gitter, die nicht durch Sauerstoffatome besetzt sind, erheblich unteroxidiert sein. Außerdem ist das Gesamt-RA-Produkt (RA_TOTAL) für den DMTJ bei einigen Ausführungsformen vorzugsweise kleiner als 5 Ωcm², was bedeutet, dass das RA₁ - und das RA_CAP für die Oxid-Verkappungsschicht (falls vorhanden) - minimiert werden müssen, da das RA₂ meistens der größte Mitwirkende an dem RA_TOTAL ist.
RA₁ und RA_CAP können minimiert werden, wenn die TB1 und die Oxid-Verkappungsschicht eine MO_x-Matrix bzw. eine MON-Matrix mit darin hergestellten leitfähigen Kanälen zum Senken des spezifischen Widerstands sind oder wenn eine MO_x-Schicht oder eine MON-Schicht mit N, S, Se, P, C, Te, As, Sb, Si, Pt, Au, Ir, W oder Mo dotiert wird, sodass Leitfähigkeitszustände in der Bandlücke der TB1 und der Verkappungsschicht entstehen. Die Oxid-Verkappungsschicht kann eine nicht-stöchiometrische Oxidationsstufe und eine geringere Dicke als die TB2 haben.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen einer TB1 und einer Oxid-Verkappungsschicht mit einem reduzierten RA1 bzw. RACAP. Darüber hinaus wird ein Initialisierungsverfahren bereitgestellt, bei dem die PL1-AP1-Magnetisierung entgegengesetzt zu der PL2-Magnetisierung ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die 1A und 1B sind Schnittansichten eines DMTJ gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei eine untere gepinnte Schicht (PL1) eine SyAp-Konfiguration hat und eine PL1-AP1-Magnetisierung (senkrecht zur Ebene) parallel bzw. antiparallel zu einer PL2-Magnetisierung ausgerichtet ist.
2 ist eine Schnittansicht eines einzelnen p-MTJ des Standes der Technik.
Die 3A und 3B sind Schnittansichten des DMTJ von 1B, der gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung so modifiziert worden ist, dass er eine Hk-Erhöhungsschicht aufweist, die an eine Unterseite der PL1-AP2-Schicht angrenzt, die eine Einfachschicht ist, oder bei dem eine PL1-PL2-Zweifachschicht direkt auf der Seed-Schicht hergestellt wird.
3C ist eine Schnittansicht des DMTJ von 1B, der gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so modifiziert wird, dass er eine PL2-Zweifachschicht mit einer Magnetschicht mit einer kfz-(111)-Textur hat, aber keine Oxid-Verkappungsschicht hat.
4A zeigt die DMTJ-Konfiguration von 1A, bei der ein Strom angelegt wird, um den DMTJ von einem P/P-Zustand in einen AP/AP-Zustand umzuschalten, oder ein Sperrstrom einen AP/AP-Zustand in einen P/P-Zustand umschaltet.
4B zeigt die DMTJ-Konfiguration von 1B, bei der ein Strom angelegt wird, um den DMTJ von einem P/AP-Zustand in einen AP/P-Zustand umzuschalten, oder ein Sperrstrom einen AP/P-Zustand in einen P/AP-Zustand umschaltet.
Die 5A und 5B zeigen DMTJs, bei denen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die TB1 und die Oxid-Verkappungsschicht von 1B bzw. 3A auf Grund von in einer Isolatormatrix hergestellten leitfähigen Kanälen ein kleineres RA-Produkt als die TB2-Schicht haben.
Die 6 bis 8 sind Schnittansichten, die verschiedene Verfahren zum Herstellen von leitfähigen Kanälen in einer Metalloxid(MO_x)-Matrix gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.
9 ist eine Schnittansicht, die eine Zwischenstufe beim Herstellen einer Oxid-Verkappungsschicht mit einem wesentlich kleineren RA-Produkt als bei einer oberen Tunnelsperrschicht (TB2-Schicht) in einem DMTJ zeigt.
10 ist eine Schnittansicht, bei der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Oxid-Verkappungsschicht von 1B einen Dotanden enthält, mit dem ein kleineres RACAP als das RA2 in der TB2 durch Erzeugen von Leitfähigkeitszuständen in der Verkappungsschicht-Bandlücke ermöglicht wird.
Die 11 und 12 sind Schnittansichten, die eine Initialisierungssequenz zeigen, die ein Anlegen von zwei Feldern umfasst, um die DMTJ-Konfiguration von 1B bereitzustellen.
13 zeigt ein Initialisierungsverfahren, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einem Anlegen einer Spannung beruht, um die antiparallele Ausrichtung für die PL1-AP1 und die PL2 von 1B zu realisieren.
14 ist eine Tabelle, die die freie Energie der Oxidbildung für verschiedene Elemente angibt.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung ist ein DMTJ, der so konfiguriert ist, dass er eine niedrigere kritische Schaltstromdichte ermöglicht, als sie in einem einzelnen Spin-Filter realisiert wird, wobei annehmbare DRR- und RA_TOTAL-Werte und eine bessere Stabilität in einer oberen gepinnten Schicht bereitgestellt werden. Der DMTJ ist durch eine freie Schicht (FL) gekennzeichnet, die zwischen einer unteren Tunnelsperrschicht (TB1) und einer oberen Tunnelsperrschicht (TB2) hergestellt ist, wobei die TB1 ein kleineres RA-Produkt als die TB2 hat. Außerdem hat eine erste gepinnte Schicht (PL1), die eine Unterseite der TB1 kontaktiert, eine vertikale Magnetisierung, die antiparallel zu einer vertikalen Magnetisierung einer oberen zweiten gepinnten Schicht (PL2) ausgerichtet ist, die eine Oberseite der TB2 kontaktiert. Der DMTJ kann in einen MRAM, einen STT-MRAM oder ein anderes spintronisches Bauelement integriert werden, wie etwa einen Spin-Torque-Oszillator (STO), - Sensor oder -Biosensor. Der Begriff „Oxidationsstufe“ bezieht sich auf den Sauerstoffgehalt in der TB1, der TB2 und einer Verkappungsschicht, die ein Metalloxid oder ein Metalloxidnitrid aufweist. Eine Oberseite einer Schicht wird als eine Fläche definiert, die von einem Substrat weg zeigt, während eine Unterseite zu dem Substrat zeigt. Eine Grenzfläche ist ein Grenzbereich, der eine Unterseite einer Schicht und eine angrenzende Oberseite einer zweiten Schicht umfasst. Eine Dicke jeder DMTJ-Schicht wird in der Richtung einer z-Achse gemessen, wobei die Ebenen der Schichten in der Richtung der x-Achse und der Richtung der y-Achse verlaufen.
In der verwandten Anmeldung mit der fortlaufenden Nummer 15/841.479 haben wir verschiedene Verfahren zum Minimieren des RA-Produkts in einer Metalloxid-Hk-Erhöhungsschicht in einem p-MTJ offenbart, die ein Reduzieren von äußeren Teilen der Metalloxidschicht oder ein Herstellen von leitenden Pfaden darin umfassen. Ebenso haben wir in der verwandten Anmeldung mit der fortlaufenden Nummer 15/728.818 eine dotierte Metalloxid-Hk-Erhöhungsschicht, wobei der Dotand N, S, Se, P, C, Te, As, Sb oder Bi ist, zum Füllen von Leerstellen in einem Metalloxidgitter offenbart, wodurch das RA-Produkt verkleinert wird.
In der verwandten Anmeldung mit der fortlaufenden Nummer 16/056.791 haben wir einen DMTJ offenbart, bei dem eine untere Tunnelsperrschicht TB1 ein wesentlich kleineres RA₁-Produkt als ein RA₂-Produkt einer oberen Tunnelsperrschicht TB2 hat, um ein annehmbares DRR zu erzielen. Außerdem haben gepinnte Schichten PL1 und PL2 Magnetisierungen, die antiparallel ausgerichtet sind, um einen niedrigeren Schaltstrom bereitzustellen, als er in einem einzelnen Spin-Filter oder in einem DMTJ realisiert wird, in dem die PL1 und die PL2 eine parallele Ausrichtung haben. Es bestehen jedoch noch immer Bedenken hinsichtlich der PL2-Stabilität in einem DMTJ, in dem die PL2 auf einer Metalloxidschicht aufgewachsen wird, die oft eine ungleichmäßige Oberseite hat, und insbesondere wenn die PL2 eine SyAp-Konfiguration hat, die der der PL1 ähnlich ist. Insbesondere hat die mittlere antiferromagnetische Kopplungsschicht (AF-Kopplungsschicht) oft eine variable Dicke, die dazu führt, dass Teile der angrenzenden AP1- und AP2-Schicht in der PL2 antiferromagnetisch gekoppelt werden, während andere Teile ferromagnetisch gekoppelt werden.
Hier offenbaren wir eine Modifikation des DMTJ, der in der verwandten Anmeldung mit der fortlaufenden Nummer 16/056.791 beschrieben ist und in dem eine MO_x- oder MON-Verkappungsschicht, die auch als eine Oxid-Verkappungsschicht bekannt ist, auf einer Oberseite einer PL2 und unter einer obersten Hartmaskenschicht hergestellt wird, um eine zweite PL2/Metalloxid-Grenzflächen- und eine weitere senkrechte Grenzflächen-Anisotropie bereitzustellen, die die PMA und die Magnetisierungsstabilität in der PL2 erhöhen. Wie vorstehend dargelegt worden ist, ist es sehr schwierig, die Dicke der AF-Kopplungsschicht zu steuern, wenn die SyAp-Struktur wie in einer oberen gepinnten Schicht in einem DMTJ-Stapel erheblich von dem Substrat entfernt ist. Daher verwendet der hier beschriebene verbesserte DMTJ-Entwurf eine PL2, die eine einfache Magnetschicht ist, die zwischen eine angrenzende Oxid-Verkappungsschicht und eine TB2 geschichtet ist, oder eine PL₂-Multischicht, die nur auf der ferromagnetischen Kopplung (FM-Kopplung) beruht und eine Magnetschicht mit einer kfz-(111)-Textur aufweist, aber keine andere angrenzende Oxidschicht als die TB2 aufweist. Wir offenbaren bevorzugte PL2-Zusammensetzungen, die ein annehmbares DRR in der oberen p-MTJ-Teilstruktur gleichzeitig mit einer hohen PMA für eine verbesserte PL2-Stabilität ermöglichen.
In 1A ist ein DMTJ 1a gezeigt, in dem eine optionale Seed-Schicht 11, eine PL1 12, eine TB1 13, eine FL 14, eine TB2 15, eine PL2 16, eine Oxid-Verkappungsschicht 20 und eine Hartmaske 17 nacheinander auf einem Substrat 10 hergestellt werden. Die PL1 ist mit einer SyAp-Konfiguration dargestellt, die Folgendes umfasst: eine AP2-Schicht 12-2, die auf der Seed-Schicht hergestellt ist; eine mittlere AF-Kopplungsschicht 12-3; und eine obere AP1-Schicht 12-1, die eine Unterseite der TB1 kontaktiert. Die PL2 ist bei einigen Ausführungsformen eine Einfachschicht, aber sie ist optional eine Multischicht, die eine untere Schicht 16-1 und eine obere Schicht 16-2 umfasst, die später unter Bezugnahme auf 3C beschrieben werden. Die PL1-AP1-Schicht hat eine Magnetisierung 12m, die auf Grund der AF-Kopplung durch die Schicht 12-3, die normalerweise Ru mit einer Dicke von 0,4 nm (4 Å) ist, antiparallel zu einer PL1-AP2-Magnetisierung 12a ausgerichtet ist. Der DMTJ 1a ist mit einem P/P-Magnetzustand dargestellt, bei dem eine erste p-MTJ-Teilstruktur 8 die PL1-AP1-Magnetisierung 12m hat, die parallel zu einer FL-Magnetisierung 14m (P-Zustand) ausgerichtet ist, und eine zweite p-MTJ-Teilstruktur 9 eine PL2-Magnetisierung 16m hat, die parallel zu der FL-Magnetisierung (P-Zustand) ausgerichtet ist.
4A zeigt eine weitere Darstellung der parallelen Zustände (P-Zustände) von 1A. Wenn ein ausreichend großer Schreibstrom (Schaltstrom) 1, angelegt wird, kippt die FL-Magnetisierung von 14m auf 14a, sodass ein AP/AP-Zustand für den DMTJ entsteht, bei dem die FL-Magnetisierung 14a antiparallel zu der PL1-AP1-Magnetisierung 12m und der PL2-Magnetisierung 16m ist. Da die PL₁-AP₁-Magnetisierung 12m und die PL2-Magnetisierung 16m in der gleichen Richtung verlaufen, hebt der Spin-Torque-Effekt auf die FL, der von dem Strom (I₁ oder I₂) erzeugt wird, der durch die PL1-AP1-Schicht fließt, den Spin-Torque-Effekt der PL2 auf die FL wirksam auf (oder er reduziert ihn). Dadurch wird ein höherer Schaltstrom für den DMTJ 1a als bei einem einzelnen p-MTJ 2, der in 2 gezeigt ist, benötigt. Das gleiche Ergebnis wird erhalten, wenn der Schreibstrom I₂ angelegt wird, um den DMTJ 1a von einem AP/AP-Zustand in einen P/P-Zustand umzuschalten, was bedeutet, dass die magnetischen Orientierungen der PL1-AP1-Schicht, der PL2 und der FL in 4A hinsichtlich des gewünschten Ergebnisses eines reduzierten Schaltstroms im Vergleich zu einer einzelnen p-MTJ-Struktur ungünstig sind. Nachstehend werden die magnetischen Orientierungen der PL1-AP1-Schicht, der PL2 und der FL von 1A als ein Nicht-Arbeitszustand im Hinblick auf das Ziel bezeichnet, einen DMTJ mit einem niedrigeren i_C als bei dem p-MTJ 2 zu entwerfen.
1B zeigt eine alternative Konfiguration, die als ein DMTJ 1b für die Magnetisierungen in der PL1-AP1-Schicht 12-1, der PL2 16 und der FL 14 dargestellt ist. Hier ist die PL1-AP1-Magnetisierung 12m antiparallel zu der PL2-Magnetisierung 16a, während die FL-Magnetisierung 14m parallel zu der PL1-AP1-Magnetisierung 12m und antiparallel zu der PL2-Magnetisierung 16a ausgerichtet ist, um einen P-Zustand für die p-MTJ-Teilstruktur 8 und einen AP-Zustand für die p-MTJ-Teilstruktur 9 zu erhalten, was nachstehend als ein P/AP-Zustand für den DMTJ 1b bezeichnet wird. Ansonsten werden alle Schichten in dem DMTJ 1b von 1A beibehalten.
In 4B ist eine weitere Darstellung des P/AP-Zustands von 1B gezeigt. Hier wird ein Schreibstrom I₃ angelegt, um die FL-Magnetisierung 14m auf 14a umzuschalten, sodass ein AP/P-Zustand für den DMTJ 1b entsteht, bei dem die FL-Magnetisierung nun antiparallel zu der PL1-AP1-Magnetisierung 12m ist, aber parallel zu der PL2-Magnetisierung 16a ist, wenn ein äußeres Magnetfeld fehlt. Somit wird ein niedrigerer Schaltstrom für den DMTJ als bei einem einzelnen p-MTJ benötigt, da der Spin-Torque-Effekt, der von dem Strom erzeugt wird, der durch die PL1-AP1-Schicht fließt, zu dem Spin-Torque-Effekt auf die FL-Magnetisierung von der PL2 addiert wird, da die Magnetisierungen 12m und 16a antiparallel sind. Daher sind die magnetischen Orientierungen der PL1-AP1-Schicht, der PL2 und der FL von 1B günstig, um den kritischen Schaltstrom gegenüber einem einzelnen p-MTJ und im Vergleich zu dem DMTJ 1a von 1A zu reduzieren. Der DMTJ 1b in den 1B und 4B wird nachstehend als ein Arbeitszustand zum Erreichen der Ziele der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Es ist zu beachten, dass das gleiche erwünschte Ergebnis durch Anlegen eines Schreibstroms I₄ zum Umschalten der FL-Magnetisierung 14a auf 14m in 4B und zum Ändern des DMTJ von einem AP/P-Zustand in einen P/AP-Zustand realisiert wird.
In 2 ist ein einzelnes Spin-Filter (p-MTJ 2) dargestellt, bei dem eine Seed-Schicht 11, eine gepinnte Schicht 3, eine Tunnelsperrschicht 4, eine freie Schicht 5, eine optionale Hk-Erhöhungsschicht 6 und eine Hartmaske 17 nacheinander auf dem Substrat 10 hergestellt werden. Die Hk-Erhöhungsschicht ist normalerweise eine MgO-Schicht, die vorteilhaft zum Herstellen einer zweiten Metalloxid-Grenzfläche mit der FL verwendet wird, wodurch die PMA und die thermische Stabilität erhöht werden. Ein kritischer Strom (nicht dargestellt) wird angelegt, um den p-MTJ von einem P-Zustand, bei dem eine FL-Magnetisierung 5m und eine PL-Magnetisierung 3m parallel sind, in einen AP-Zustand umzuschalten, bei dem eine FL-Magnetisierung 5a und die PL-Magnetisierung 3m antiparallel sind, oder von einem AP-Zustand auf einen P-Zustand umzuschalten.
Kehren wir zu 1B zurück, in der eine optimale Leistung erzielt wird, wenn das RA₁-Produkt der TB1 13 kleiner als das RA2-Produkt der TB2 15 ist. Außerdem ist bei bevorzugten Ausführungsformen RA_TOTAL für den DMTJ 1b < 5 Ωcm² und ist gleich der Summe (RA₁ + RA₂ + RA_CAP), wobei RA_CAP das RA-Produkt für die Verkappungsschicht 20 ist. Wenn die Differenz (RA₁ - RA₂) größer wird, wird auch das Gesamt-DRR für den DMTJ größer. Da RA₂ den größten Beitrag zu RA_TOTAL leistet, wird RA_CAP vorzugsweise minimiert, um ein unannehmbar hohes RA_TOTAL zu vermeiden, das tendenziell die Lebensdauer verkürzt. RA_CAP ist auch ein parasitärer Widerstand, der das Gesamt-DRR verschlechtert, wie in der nachstehenden Gleichung (2) gezeigt ist, und RA_CAP beträgt idealerweise o.
Das Gesamt-DRR für den DMTJ 1b (1B) ist gleich der Summe (DRR1 + DRR2), wobei DRR1 der DRR-Beitrag von der p-MTJ-Teilstruktur 8 ist und DRR2 der DRR-Beitrag von der p-MTJ-Teilstruktur 9 ist. Es dürfte klar sein, dass wenn die PL₁-AP₁-Magnetisierung 12m antiparallel zu der PL2-Magnetisierung 16a ausgerichtet ist, DRR1 und DRR2 entgegengesetzte Vorzeichen haben, was bedeutet, dass die Summe kleiner als der größere von zwei Werten ist. $DRR 1 = \frac{R_{AP} - R_{P}}{R_{P}} w o b e i R_{AP} = R_{AP}^{TB 1} u n d R_{P} = R_{P}^{TB 1}$
$DRR 2 = \frac{R_{AP} - R_{P}}{R_{P}} w o b e i R_{AP} = R_{AP}^{TB 2} + R_{AP}^{cap} u n d R_{P} = R_{P}^{TB 2} + R_{P}^{cap}$
In den Gleichungen (1a) und (1b) sind $R_{AP}^{TB 1}$
und $R_{P}^{TB 1}$
die Widerstände für den AP-Zustand bzw. den P-Zustand in der p-MTJ-Teilstruktur 8, und $R_{AP}^{TB 2}$
und $R_{P}^{TB 2}$
sind die Widerstände für den AP-Zustand bzw. den P-Zustand in der p-MTJ-Teilstruktur 9. Da $R_{AP}^{cap} = R_{P}^{cap}$

ist, ist $Gesamt - DRR = \frac{R_{AP}^{TB 1} + R_{AP}^{TB 2} + R_{AP}^{cap} - (R_{P}^{TB 1} + R_{P}^{TB 2} + R_{P}^{cap})}{R_{P}^{TB 1} + R_{P}^{TB 2} + R_{P}^{cap}} = \frac{R_{AP}^{TB 1} + R_{AP}^{TB 2} - R_{P}^{TB 1} - R_{P}^{TB 2}}{R_{P}^{TB 1} + R_{P}^{TB 2} + R_{P}^{cap}}$
Bei einer Ausführungsform werden die Bedingungen RA₁ < RA₂ und RA_CAP < RA₂ durch eine kleinere Dicke für TB1 (t1 < t2) und/oder eine kleinere Dicke für die Verkappungsschicht (t3 < t2) als für die TB2 sowie eine niedrigere Oxidationsstufe für die TB1 und die Oxid-Verkappungsschicht als für die TB2 realisiert. Da die Rauheit (Ungleichmäßigkeit) einer DMTJ-Schicht im Allgemeinen mit zunehmendem Abstand von dem Substrat 10 zunimmt, wird vorzugsweise eine dünne Metalloxidschicht auf einer gleichmäßigeren Oberfläche aufgewachsen (abgeschieden), um Defekte zu vermeiden, und die TB1 wird vorzugsweise vor der FL 14 und der TB2 abgeschieden. Die TB1, die TB2 und die Oxid-Verkappungsschicht können jeweils durch Hochfrequenz(HF)-basierte physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD) abgeschieden werden, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Schicht zu gewährleisten.
Auf dem Substrat 10 wird eine Seed-Schicht 11 hergestellt, die eine untere Elektrode und eine Teilstruktur (nicht dargestellt) mit einer Bitleitung (oder einer Sourceleitung) und einem Transistor, die mit BE-Durchkontaktierungen elektrisch verbunden sind, aufweisen kann. Die Seed-Schicht 11 dient zum Induzieren oder Erhöhen der senkrechten magnetischen Anisotropie (PMA) in der darüber befindlichen PL1 12, und sie weist vorzugsweise NiCr, Ta, Ru, Ti, TaN, Cu, Mg und/oder andere Materialien auf, die normalerweise zum Begünstigen einer glatten und gleichmäßigen Kornstruktur in höherliegenden Schichten verwendet werden.
Die PL1 12 kann eine einzelne ferromagnetische Schicht (FM-Schicht) sein, die Co und/oder Fe oder eine Legierung davon mit Ni und/oder B aufweist, oder sie kann ein Mehrschichtstapel mit einer eigenen PMA sein, wie etwa (Co/Ni)_n, (CoFe/Ni)_n, (Co/NiFe)_n, (Co/NiCo)_n, (Co/Pt)_n, (Co/Pd)_n oder dergleichen, wobei n die Anzahl von Schichten ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen hat die PL1 eine SyAp-Struktur für eine größere Stabilität, wobei die AF-Kopplungsschicht 12-3 zwischen der AP2 12-2 und der AP1 12-1 hergestellt wird. Die Schichten AP1 und AP2 können jeweils eine oder mehrere Schichten haben, die Co, Fe oder eine Legierung davon mit Ni und B aufweisen. Bei alternativen Ausführungsformen sind die AP1 und die AP2 jeweils ein Mehrschichtstapel, der (Co/Ni)_n, (CoFe/Ni)_n, (Co/NiFe)_n, (Co/NiCo)_n, (Co/Pt)_n, (Co/Pd)_n oder dergleichen umfasst. Obwohl normalerweise Ru für die AF-Kopplungsschicht gewählt wird, können auch andere Metalle, wie etwa Rh und Ir, als die AF-Kopplungsschicht 12-3 verwendet werden. Außerdem kann eine Übergangsschicht, wie etwa CoFeB oder Co, zwischen die oberste Schicht in dem Mehrschichtstapel und die TB1 eingefügt werden. Die antiparallele Orientierung der Schichten AP1 und AP2 hat den niedrigsten Energiezustand, wenn eine AF-Kopplungsschicht aus Ru eine geeignete Dicke hat, die etwa 0,4 nm (4 Å) beträgt. Somit hängt die Stabilität der SyAp-Struktur (Orientierung der Magnetisierungen 12m und 12a) von der Größe der Austauschwechselwirkung von der AF-Kopplung sowie von der Anisotropie-Energie (senkrechte magnetische Anisotropie oder PMA) in den Schichten AP1 und AP2 ab.
In 3A ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die eine Modifikation des DMTJ 1a darstellt, bei der die PMA in der PL1-AP2-Schicht 12 durch Einfügen einer Metalloxid-Hk-Erhöhungsschicht zwischen die Seed-Schicht 11 und die AP2 erhöht wird, sodass ein DMTJ 1C entsteht. Die AP2 kann eine Einfachschicht sein, wie etwa CoFeB, CoB oder FeB. Bei einer alternativen Ausführungsform, die in 3B gezeigt ist, kann die AP-2-Schicht 12-2 in dem DMTJ 1a durch einen Zweischichtstapel ersetzt werden, bei dem eine untere AP2-Schicht 12-2a [wie etwa ein Mehrschichtstapel mit (Co/Ni)_n oder dergleichen, der eine kfz-(111)-Textur hat (um die PMA und die thermische Stabilität in der PL2-Schicht zu erhöhen)] auf der Seed-Schicht abgeschieden wird und eine obere AP2-Schicht 12-2b, die CoFeB aufweisen kann, eine Unterseite der AF-Kopplungsschicht 12-3 kontaktiert, sodass ein DMTJ 1d entsteht. Bei einer anderen Ausführungsform kann die AP2-Schicht 12-2a eine Co_xFe_yB-Schicht sein, wobei x oder y o sein kann, und die AP2-Schicht 12-2b ist ein Mehrschichtstapel mit (Co/Ni)_n oder dergleichen mit einer eigenen PMA. Es ist zu beachten, dass die Magnetisierung 12a1 in der unteren AP2-Schicht ferromagnetisch mit der Magnetisierung 12a2 in der oberen AP2-Schicht gekoppelt ist.
In diesem Fall hat der DMTJ 1c ein RA_TOTAL = (RA_Hk + RA₁ + RA₂ + RA_CAP), wobei RA_Hk das RA-Produkt für eine Hk-Erhöhungsschicht 21 ist, während der DMTJ 1d ein RA_TOTAL = (RA₁ + RA₂ + RA_CAP) hat. Daher ist es wichtig, RA_Hk (falls vorhanden) sowie RA₁ und RA_CAP zu minimieren, da RA₂ im Allgemeinen der größte Mitwirkende an RA_TOTAL im Hinblick darauf ist, dass diese Schicht eine höhere Oxidationsstufe (bei der das Verhältnis Metall zu Sauerstoff annähernd 1 : 1 ist) als die TB1 13 und die Oxid-Verkappungsschicht 20 hat und/oder eine Dicke t2 hat, die größer als eine Dicke t1 und eine Dicke t3 ist. Hier sind RA_Hk und RA_CAP idealerweise annähernd o, da beide mit einem parasitären Widerstand assoziiert sind, der das Gesamt-DRR für den DMTJ 1c verschlechtert. Außerdem ist in 3A die AP2-Schicht im Abscheidungszustand vorzugsweise amorph, aber sie bildet während des Temperns eine krz-(001)-Kristallstruktur, was eine günstige Gitteranpassung an das darunter befindliche Metalloxid ermöglicht, das normalerweise eine kfz-(002)-Textur hat.
Das Gesamt-DRR für den DMTJ 1c von 3A wird wie folgt durch Gleichung (3) dargestellt: $Gesamt - DRR = \frac{R_{AP}^{TB 1} + R_{AP}^{TB 2} - R_{P}^{TB 1} - R_{P}^{TB 2}}{R_{P}^{TB 1} + R_{P}^{TB 2} + R_{P}^{cap} + R_{P}^{HK}}$
wobei $R_{P}^{Hk}$
der Widerstand in dem P-Zustand für die p-MTJ-Teilstruktur 8 ist. In diesem Fall werden $R_{P}^{cap}$
und $R_{P}^{Hk}$
insofern als parasitär angesehen, als sie das Gesamt-DRR verschlechtern, und daher sollten sie für eine optimale DMTJ-Leistung jeweils auf einen Wert von annähernd 0 minimiert werden. Das Gesamt-DRR für den DMTJ 1d (3B) wird ebenfalls unter Verwendung von Gleichung (3) berechnet, wobei der Term $R_{P}^{Hk}$
gleich 0 gesetzt wird.
Ein wichtiges Merkmal aller hier beschriebenen Ausführungsformen ist, dass die PL1-Magnetisierung 12m antiparallel zu der PL2-Magnetisierung 16a ist, die in dem Arbeitszustand von 1B dargestellt ist. In einem späteren Abschnitt wird ein Initialisierungsverfahren zum Einstellen der antiparallelen Ausrichtung beschrieben.
Weitere wichtige Merkmale aller Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, dass das RA₁ für die TB1 13 wesentlich kleiner als das RA₂ für die TB2 15 ist, um ein annehmbares Gesamt-DRR für den DMTJ 1b (oder den DMTJ 1c, 1d oder 1e) zu ermöglichen, und dass das RA_Hk (falls vorhanden) und das RA_CAP jeweils wesentlich kleiner als das RA₂ sind, sodass das zuvor definierte RA_TOTAL minimiert wird. Daher sind die TB1, die TB2 und die Hk-Erhöhungsschicht 21 (falls vorhanden) vorzugsweise jeweils ein Metalloxid oder ein Metalloxidnitrid, wobei das Metall aus Mg, Ti, Al, Zn, Zr, Hf und/oder Ta gewählt ist, oder sie sind jeweils eine Mehrfachschicht aus einem oder mehreren der vorgenannten Metalloxide oder Metalloxidnitride. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die TB2 eine stöchiometrische Oxidationsstufe, bei der im Wesentlichen alle Metallatome vollständig ohne Leerstellen in dem Metalloxidgitter oxidiert werden, um das RA₂ zu vergrößern. Außerdem haben die TB1, die Oxid-Verkappungsschicht und die Hk-Erhöhungsschicht (falls vorhanden) vorzugsweise eine nicht-stöchiometrische Oxidationsstufe, bei der eine bestimmte Anzahl von Metallatomen nicht vollständig oxidiert wird, und sie haben eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als die TB2, sodass das RA₁, das RA_CAP und das RA_Hk jeweils wesentlich kleiner als das RA₂ sind. Wie vorstehend dargelegt worden ist, wird das gewünschte Ergebnis, dass RA₂ > RA₁ ist und RA₂ > RA_CAP ist, im Großen und Ganzen erzielt, wenn die Dicke t2 der TB2 > t1 ist und t2 > t3 der Oxid-Verkappungsschicht ist. Bei der Ausführungsform, die in 3A gezeigt ist, hat die Hk-Erhöhungsschicht vorzugsweise eine kleinere Dicke (t4) als t2 und/oder eine niedrigere Oxidationsstufe als die TB2.
Die TB1 13, die TB2 15, die Oxid-Verkappungsschicht 20 und die Hk-Erhöhungsschicht 21 können jeweils durch Hochfrequenz-basierte physikalische Gasphasenabscheidung (HF-PVD) unter Verwendung eines MO_x- oder MON-Targets abgeschieden werden. Bei einigen Ausführungsformen wird die TB2 zunächst durch Abscheiden einer Mg-Schicht (nicht dargestellt) auf der FL 14 mit einem PVD- oder HF-PVD-Verfahren hergestellt. Dann kann die Mg-Schicht mit einem NOX-Prozess (NOX: natürliche Oxidation) oxidiert werden, bei dem die Mg-Schicht eine bestimmte Zeit lang einem Sauerstoffstrom ausgesetzt wird. Dann wird eine optionale zweite Mg-Schicht mit einem PVD- oder HF-PVD-Verfahren abgeschieden. Während nachfolgender Prozesse, die einen oder mehrere Temperschritte umfassen, wird die zweite Mg-Schicht oxidiert, sodass der MgO/Mg-Zwischenstapel eine weitgehend gleichmäßige MgO-Schicht bildet. Ein ähnlicher Ablauf kann zum Herstellen der TB1 auf der PL1 12 oder zum Herstellen der Oxid-Verkappungsschicht auf der PL2 16 oder zum Herstellen der Hk-Erhöhungsschicht auf der Seed-Schicht 11 verwendet werden, wobei die erste Metallschicht und die nachfolgenden Metallschichten Mg oder ein alternatives Metall aufweisen. In der vorliegenden Erfindung wird unterstellt, dass das Metall (M) in einer MO_x- oder MON-Schicht TB2 nicht das gleiche Metall wie in der TB1 oder in der Oxid-Verkappungsschicht ist. Zum Beispiel ist in einer TB2-Schicht M vorzugsweise Mg, aber eine MO_x- oder MON-TB1-Schicht kann kein Mg enthalten, sodass das DRR für die p-MTJ-Teilstruktur 8 gegenüber dem DRR für die p-MTJ-Teilstruktur 9 minimiert wird, wie später dargelegt wird. Außerdem kann das Metall in der Oxid-Verkappungsschicht Mg, Al, Ta, Ti, Co, Fe, B und/oder Ru sein. RuO_x ist zum Verbessern der Leitfähigkeit in der Oxid-Verkappungsschicht günstig, während bei der Oxidation eines oberen Teils einer CoFeB-PL2-Schicht ein Oxid von Co, Fe und/oder B entstehen kann.
Bei weiteren Ausführungsformen können alle DMTJ-Schichten mit einem PVD-Prozess in einer Sputterdepositionskammer einer Sputterdepositionsanlage, die eine Mehrzahl von Abscheidungskammern und mindestens eine Oxidationskammer umfasst, abgeschieden werden. Jeder PVD-Schritt wird normalerweise in einer Umgebung, die ein Edelgas wie Ar enthält, und mit einem Kammerdruck von 6,67 x 10-6 Pa bzw. 6,67 x 10-7 (5 x 10-8 Torr bzw. 5 x 10-9 Torr) durchgeführt.
Bei den Ausführungsformen, die in den 1A und 1B und den 3A und 3B gezeigt sind, können die FL 14 und die PL2 16 jeweils eine einzelne Schicht sein, die Co, Fe, CoFe oder eine Legierung davon mit B und/oder Ni aufweist. Bei anderen Ausführungsformen ist die FL ein Mehrschichtstapel, der eine Kombination aus den vorgenannten Zusammensetzungen umfasst. 3C zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die PL2 eine Multischicht mit einer Zusammensetzung ist, die in einem späteren Abschnitt beschrieben wird, und die Oxid-Verkappungsschicht weggelassen wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann die FL eine Verdünnungsschicht mit einem nichtmagnetischen Moment, wie etwa aus Ta oder Mg, haben, die zwischen zwei CoFe- oder CoFeB-Schichten eingefügt ist, die ferromagnetisch gekoppelt sind. Bei einer alternativen Ausführungsform hat die FL eine SyAp-Konfiguration, wie etwa FL1/Ru/FL2, wobei FL1 und FL2 zwei Magnetschichten sind, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, oder die FL ist ein Mehrschichtstapel mit einer eigenen PMA, der vorstehend für die PL1-Zusammensetzung beschrieben worden ist. Die FL, die PL1-AP1-Schicht, die PL1-AP2-Schicht und die PL2 haben normalerweise jeweils eine Dicke von 1,0 nm bis 3,0 nm (10 Å bis 30 Å) damit die PMA die Entmagnetisierungsenergie darin überwinden kann, sodass die FL-Magnetisierung 14m, die PL₁-AP₁-Magnetisierung 12m, die PL1-AP2-Magnetisierung 12a und die PL2-Magnetisierung 16a senkrecht zu dem Substrat sind, wenn ein äußeres Feld fehlt.
Die Oxid-Verkappungsschicht 20 kann MgO, AlO_x, TaO_x, TiO_x, FeO_x, CoO_x, BO_x und/oder RuO_x oder ein Metalloxidnitrid von Mg, Al, Ta, Ti, Fe, Co, B und/oder Ru sein. Die Verkappungsschicht kann ein Oxid von Co, Fe und/oder B sein, das zum Beispiel durch Oxidieren eines oberen Teils einer darunter befindlichen CoFeB-PL2-Schicht entsteht. Die Oxidation kann mit einem Prozess durchgeführt werden, der das Durchleiten von Sauerstoff oder eines Gemisches aus O₂ mit Ar, Kr, Xe, N₂ oder He oder Kombinationen davon durch eine Kammer umfasst, in der das Substrat 10 mit einem darüber befindlichen DMTJ-Stapel von Schichten, die eine oberste PL2-Schicht umfassen, auf einem Vakuumteller gehalten wird. Es ist zu beachten, dass die Kammer ständig mit einer Vakuumpumpe ausgepumpt werden kann oder dass ein oder mehrere der vorgenannten Gase durch die Kammer geleitet werden, ohne ein Vakuum aufzubringen.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Oxid-Verkappungsschicht 20 eines der vorgenannten Metalloxide aufweisen, das mit Pt, Ir, Mo, Fe, CoFeB, Ta, Ti, B, W, Cu, Ag, Pd, Ru, Al oder anderen Metallen dotiert ist, die später unter Bezugnahme auf 5A beschrieben werden, um Kurzschlusspfade (leitfähige Kanäle) zu erzeugen, die sich von der PL2 16 bis zu der Hartmaske 17 erstrecken. Alternativ werden die Oxid-Verkappungsschicht und die TB1 mit N, S, Se, P, C, Te, As, Sb, Si, Pt, Au, Ir, W oder Mo dotiert, sodass Leitfähigkeitszustände in der Bandlücke der TB₁ und der Oxid-Verkappungsschicht entstehen. Bei einer Ausführungsform wird die Oxid-Verkappungsschicht durch Sputterdeposition von einem Metalloxid-Target mit einem HF-PVD-Prozess hergestellt. Alternativ wird ein Metall- oder Legierungs-Target durch Sputterdeposition in einer reaktiven Sauerstoff-Umgebung abgeschieden, sodass eine Metalloxid-Verkappungsschicht entsteht, oder es wird durch Sputterdeposition in einer reaktiven Sauerstoff- und Stickstoff-Umgebung abgeschieden, sodass eine Metalloxidnitrid-Verkappungsschicht entsteht.
Die Hartmaske 17 ist nicht-magnetisch und weist im Allgemeinen ein oder mehrere leitfähige Metalle oder Legierungen auf, wie unter anderem Ta, Ru, TaN, Ti, TiN und W. Es dürfte klar sein, dass andere Hartmaskenmaterialien, wie etwa MnPt, gewählt werden können, um eine hohe Ätzselektivität gegenüber darunter befindlichen DMTJ-Schichten während eines Ätzprozesses zu ermöglichen, in dem DMTJ-Zellen mit Seitenwänden entstehen, die auf dem Substrat 10 enden. Außerdem kann die Hartmaske 17 ein elektrisch leitfähiges Oxid aufweisen, wie etwa RuO_x, ReO_x, IrO_x, MnO_x, MoO_x, TiO_x oder FeO_x.
In der verwandten Anmeldung mit der fortlaufenden Nummer 16/056.791 haben wir dargelegt, wie das Gesamt-DRR für einen P/AP-Zustand oder einen AP/P-Zustand von 1B vergrößert wird, wenn die Differenz (RA₂ - RA₁) größer wird. Wie bereits bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargelegt worden ist, tragen das RA_CAP und das RA_Hk (falls vorhanden) zu dem Gesamt-DRR bei, indem sie zu einem parasitären Widerstand beitragen, der das Gesamt-DRR verringert.
Bei einer weiteren Ausführungsform, die in 5A gezeigt ist, wird das RA₁ in der TB1 so eingestellt, dass es wesentlich kleiner als das RA₂ in der TB₂ ist, indem leitfähige Kanäle 18 in einer MO_x- oder MON-Matrix 13x hergestellt werden, sodass eine Verbund-TB1 13 entsteht. Ebenso kann die Oxid-Verkappungsschicht 20 leitfähige Kanäle 28 in einer Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Matrix 20x aufweisen, um das RA_CAP wesentlich geringer als das RA₂ zu reduzieren. Außerdem sind die Dicke t1 der TB1 und die Dicke t3 der Oxid-Verkappungsschicht vorzugsweise kleiner als die Dicke t2 der TB2. Die leitfähigen Kanäle 18 und 28 weisen ein Metall oder eine Legierung (M2) auf, das/die aus Pt, Au, Ag, Mg, Al, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, B, Mn, Mo, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Os und/oder W gewählt ist. Die leitfähigen Kanäle können eine Abmessung (Breite) in der planaren Richtung haben, die sich von nur einem Atom zu einer Mehrzahl von Atomen ändert, und sie können außer einer im Wesentlichen vertikalen Richtung (senkrecht zur Ebene) auch eine planare Komponente haben. Die leitfähigen Kanäle 18 erstrecken sich von der PL1 12 bis zu der FL 14, und die leitfähigen Kanäle 28 erstrecken sich von einer Oberseite der PL2 16 bis zu der Hartmaske 17.
Bei der in 3C gezeigten Ausführungsform ist die PL2 mit einem Zweischichtstapel dargestellt, der eine untere Magnetschicht 16-1 und eine obere Magnetschicht 16-2 umfasst. Vorzugsweise ist die untere Magnetschicht eine so genannte Phasenunterbrechungsschicht, die eine Gitteranpassung an die darunter befindliche TB2-kfz-(002)-Struktur hat. Bei einigen Ausführungsformen weist die untere Magnetschicht Co, Fe und/oder Ni oder Legierungen davon mit B, wie etwa CoFeB, CoB und FeB, auf, und sie wird als eine amorphe Schicht abgeschieden. Während eines oder mehrerer Temperschritte diffundiert B jedoch von der TB2-Grenzfläche weg, sodass eine TB2/CoFe-(oder TB2/Co- oder TB2/Fe-)Grenzfläche 30 entsteht, in der CoFe (oder Co oder Fe) eine krz-(001)-Kristallstruktur mit einer sehr guten Gitteranpassung an die TB2-Schicht hat. Bei einer Ausführungsform ist die obere Magnetschicht 16-2 ein Mehrschichtstapel aus Schichten mit einer (Co/Ni)_n-, (CoFe/Ni)_n-, (Co/NiFe)_n-, (Co/NiCo)_n-, (Co/Pt)_n-, (Co/Pd)_n- oder ähnlichen Zusammensetzung (wobei n die Anzahl von Schichten ist), und sie hat eine kfz-(111)-Textur. In der vorliegenden Erfindung wird außerdem unterstellt, dass eine Phasenunterbrechungsschicht (nicht dargestellt), die ein Metall, wie etwa Ta, Mo oder W, aufweist, zwischen die untere Magnetschicht mit der krz-(001)-Textur und die mehrschichtige obere Magnetschicht mit der kfz-(111)-Textur eingefügt wird, um die kristallografischen Texturen der Magnetschichten 16-1 und 16-2 zu entkoppeln.
Es gibt zwei wichtige Vorzüge des PL2-Zweischicht-Schemas. Erstens ermöglicht die Gitteranpassung an der TB2/CoFe-(oder TB2/Fe-)Grenzfläche 30 einen hohen DRR-Wert für die obere p-MTJ-Teilstruktur 9. Zweitens hat der Mehrschichtstapel eine eigene PMA, wodurch die Stabilität der PL2 16 gefördert wird, ohne RA_TOTAL zu vergrößern. Die PL2-Schichten haben jeweils eine Magnetisierung (16a1 für die Schicht 16-1, sowie 16a2 für die Schicht 16-2) in der gleichen Richtung (ferromagnetische Kopplung), die zu der PL2-Gesamtmagnetisierung beiträgt.
5B stellt eine Modifikation des DMTJ 1c von 3A dar, bei der sich die Hk-Erhöhungsschicht 21 mit der Dicke t4 zwischen der Seed-Schicht 11 und der PL1-Schicht 12 befindet. Ansonsten werden alle Aspekte des DMTJ 1b in 5B beibehalten. Obwohl es nicht dargestellt ist, kann die Hk-Erhöhungsschicht leitfähige Kanäle haben, die in einer Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Matrix hergestellt sind, die der Struktur ähnlich ist, die vorstehend für die TB1-Schicht 13 und die Oxid-Verkappungsschicht 20 von 5A beschrieben worden ist.
In 6 kann ein Verfahren, das dem ähnlich ist, das zum Herstellen einer dotierten Metalloxidschicht in der verwandten Anmeldung mit der fortlaufenden Nummer 15/728.818 beschrieben ist, zum Herstellen von leitfähigen Kanälen in einer Isolatormatrix für die TB1 13 und die Oxid-Verkappungsschicht 20 der 5A und 5B verwendet werden. Bei einer Ausführungsform werden leitende Pfade, die aus einem M2-Metall oder -Legierung hergestellt sind, in einer MO_x-Matrix in einer reaktiven Gas-Umgebung hergestellt, die durch chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD) oder plasmaunterstützte CVD (PECVD) erzeugt wird, wobei die Metall(M)-Spezies, die Metall- oder Legierungs(M2)-Spezies und die Sauerstoff(O)-Spezies gleichzeitig auf eine Oberseite 16t der PL2 16 gerichtet werden und darauf eine Schicht bilden. Ein ähnliches Verfahren kann zum Herstellen der TB1-Schicht 13 oder der Hk-Erhöhungsschicht 21 verwendet werden, wenn diese Schichten leitfähige Kanäle in einer MO_x-Matrix aufweisen. Die leitenden Pfade können in einem CVD-, PVD- oder PECVD-Prozess oder einem späteren Temperschritt hergestellt werden, der die M2-Diffusion und -Konglomeration in der MO_x-Matrix unterstützt. Es dürfte klar sein, dass die reaktive Gas-Umgebung außerdem Stickstoff-Spezies aufweist, wenn eine MON-Matrix gewünscht wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff „Spezies“ neutrale Atome oder Moleküle, Radikale und/oder positive oder negative Ionen.
Bei einer zweiten Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, wird in einem ersten Schritt eine Metallschicht 20m, in der das Metall Mg, Al, Ta, Ti, Fe, Co, B und/oder Ru ist und die eine Oberseite 20t hat, auf der PL2-Schicht 16 abgeschieden. Dann wird ein zweiter Schritt durchgeführt, in dem die reaktive Gas-Umgebung, die in der früheren Ausführungsform erwähnt worden ist, auf die Sauerstoff(O)-Spezies und die M2-Spezies begrenzt wird, wodurch die leitfähigen M2-Kanäle 28 in einer Metalloxid-Matrix 20x entstehen können, oder in dem die reaktive Gas-Umgebung auf die N-, O- und M2-Spezies beschränkt wird, um M2-Kanäle in einer Metalloxidnitrid-Matrix zu erzeugen. Auch hier können die leitfähigen Kanäle während eines CVD-, PVD- oder PECVD-Prozesses hergestellt werden, oder sie können hergestellt werden, nachdem eine abgeschiedene Schicht (nicht dargestellt), die ein Verbundstoff aus dem Metall M, dem Metall M2 und O ist, getempert worden ist, um eine Diffusion und Konglomeration der M2-Atome in einzelne Pfade 28 zu induzieren.
In 8 wird eine dritte Ausführungsform für die Herstellung von leitfähigen Kanälen in einer Isolatormatrix bereitgestellt. Zunächst wird eine Metalloxid- (oder Metalloxidnitrid-)Schicht 20x, in der das Metall Mg, Al, Ta, Ti, Fe, Co, B und/oder Ru ist und die eine Oberseite 20t1 hat, auf der PL2-Schicht 16 abgeschieden. Es ist zu beachten, dass die Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Schicht mit einer Abfolge von Schritten hergestellt werden kann, die eine Abscheidung einer oder mehrerer Metallschichten und eine anschließende Oxidation umfassen, wie etwa eine natürliche Oxidation (NOX), bei der die eine oder die mehreren Metallschichten jeweils mit einem Strom von Sauerstoff (oder O₂ und N₂) in einer Reaktionskammer in Kontakt gebracht werden, um alle Metallatome in den Metallschichten teilweise oder vollständig zu oxidieren. Alternativ wird eine Metalloxidschicht (oder eine Metalloxidnitrid-Schicht) durch eine herkömmliche Radikal-Oxidation (oder Radikal-Oxynitrierung) einer Metallschicht hergestellt. Anschließend wird eine reaktive Gas-Umgebung, die die M2-Spezies aufweist, zum Herstellen der leitfähigen Kanäle 28 in der Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Schicht verwendet. Bei einigen Ausführungsformen kann die M2-Schicht auf der Zwischen-Metalloxid- oder -Metalloxidnitrid-Schicht hergestellt werden, und dann wird mit einem nachfolgenden Temperschritt die M2-Schicht in die Isolierschicht eindiffundiert, woran sich eine Konglomeration in leitfähige M2-Kanäle in einer Isolatormatrix anschließt.
In 9 zieht die vorliegende Erfindung außerdem ein viertes Verfahren zum Herstellen von leitfähigen Kanälen in einer Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Matrix in Erwägung. Auf dem Substrat 10 werden nacheinander eine Seed-Schicht 11, eine PL1 12, eine TB1 13, eine FL 14, eine TB2 15 und eine PL2 16 hergestellt. Dann werden eine erste Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Schicht 20x1, in der das Metall Mg, Al, Ta, Ti, Fe, Co, B und/oder Ru ist, eine M2-Schicht 20m2 und eine zweite Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Schicht 20x2 mit einer Zusammensetzung, die der der Schicht 20x1 entspricht, nacheinander auf der PL2-Schicht hergestellt, sodass ein Dreischicht-Zwischenstapel entsteht. Alternativ können entweder die Schicht 20x1 oder die dritte Schicht 20x2 weggelassen werden, sodass ein Zweischicht-Zwischenstapel entsteht. Anschließend wird eine Hartmaske 17 auf der obersten Schicht in dem Zweischicht- oder Dreischicht-Zwischenstapel abgeschieden. Der resultierende DMTJ-Zwischenstapel aus den Schichten von 9 wird durch Durchführen eines oder mehrerer Temperschritte während der Herstellung der Speichervorrichtung in den DMTJ 1b von 1B umgewandelt. Zum Beispiel kann ein erster Temperschritt vor dem Strukturieren des DMTJ-Stapels in eine Mehrzahl von DMTJ-Zellen erfolgen, und ein zweiter Temperschritt kann nach dem Strukturieren des DMTJ-Stapels von Schichten durchgeführt werden. Durch den einen oder die mehreren Temperschritte wird der Zweischicht- oder Dreischichtstapel in eine Oxid-Verkappungsschicht mit leitfähigen Kanälen in einer Isolatormatrix umgewandelt.
Bei allen Ausführungsformen, die in den 6 bis 9 gezeigt sind, ist ein wichtiges Merkmal, dass das Metall eine höhere Sauerstoff-Affinität als M2 hat, sodass das Metall in Gegenwart von M2 selektiv oxidiert wird. Daher ist M2 ein Metall in der Tabelle von 14, das vorzugsweise einen niedrigeren negativen Wert der freien Oxid-Bildungsenergie als das Metall M hat, das normalerweise Mg für die TB2 15 ist. Das Metall M in der TB1 13 und der Verkappungsschicht 20 können jedoch nicht Mg sein, um ein kleineres RA₁ und RA_CAP zu erhalten, als mit einer MgO- oder MgON-Matrix realisiert werden.
In 10 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der die Oxid-Verkappungsschicht 20 in dem DMTJ 1b eine dotierte Metalloxidschicht 20d ist, in der ein Dotanden(D)-Gehalt 0.01 Atom-% (100 ppm) bis 20 Atom-% beträgt. Wie wir in der verwandten Anmeldung mit der fortlaufenden Nummer 15/728.818 dargelegt haben, kann ein Dotand (D), der N, S, Se, P, C, Te, As, Sb, Bi, Si, Pt, Au, Ir, W oder Mo ist, in eine Metalloxidschicht eingebracht werden, um Leerstellen in einem Metalloxidgitter zu füllen und dadurch das RA-Produkt zu verkleinern. Somit erzeugt der Dotand Leitfähigkeitszustände in der Bandlücke einer Metalloxidschicht, zum Beispiel durch Erzeugung von Löchern, und er bietet dabei den weiteren Vorzug, dass er das Sauerstoffdiffusions-Hopping durch andernfalls leere Stellen in der MO_x-Schicht mit einer nicht-stöchiometrischen Oxidationsstufe blockiert. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Schicht 20d eine dotierte Metalloxidnitrid-Schicht sein, in der der D-Gehalt 0.01 Atom-% (100 ppm) bis 20 Atom-% beträgt.
Eines der Verfahren, die zum Herstellen der dotierten Metalloxidschicht verwendet werden können, wird durch einen Prozess dargestellt, der in einer der 6 bis 8 gezeigt ist und in dem die M2-Spezies durch eine Dotandenspezies ersetzt wird und das Metall M Mg, Al, Ta, Ti, Fe, Co, B und/oder Ru ist. Außerdem kann eine Mehrschritt-Abfolge, die die Herstellung eines Zwischenstapels umfasst, der in 9 gezeigt ist, verwendet werden, wobei die Schicht 20m2 einen Dotanden statt eines M2-Metalls oder -Legierung aufweist. Daher können ein oder mehrere Temperschritte durchgeführt werden, um die Dotandenschicht in eine oder beide der Metalloxidschichten 20x1 und 20x2 einzudiffundieren. Bei einigen Ausführungsformen kann die Schicht 20m2 eine Legierung sein, die Sauerstoff, den Dotanden und ein Metall umfasst, das Mg, Al, Ta, Ti, Fe, Co, B und/oder Ru ist. Vorzugsweise ist der Dotand N, S, Se, P, C, Te, As, Sb, Bi, Si, Pt, Au, Ir, W oder Mo. Es ist zu beachten, dass die Schichten 20x1 und 20x2 aus Metalloxidnitrid (MON) hergestellt werden, wenn eine dotierte MON-Verkappungsschicht gewünscht wird.
Es dürfte klar sein, dass wenn die TB1 13 von 1B eine MO_x- oder MON-Schicht ist, die eine kleinere Dicke und/oder eine niedrigere Oxidationsstufe als die TB2 hat, die Oxid-Verkappungsschicht 20 die leitfähigen Kanälen 28 in einer Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Matrix 20x aufweisen kann, wie in den 5A und 5B gezeigt ist, oder eine dotierte Metalloxidschicht oder eine dotierte Metalloxidnitrid-Schicht umfassen kann. Ebenso kann, wenn die Oxid-Verkappungsschicht eine Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Schicht ist und eine kleinere Dicke und/oder eine niedrigere Oxidationsstufe als die TB2 hat, die TB1 die leitfähigen Kanäle 18 in einer MO_x- oder MON-Matrix 13x aufweisen oder eine dotierte MO_x- oder MON-Schicht umfassen. Somit brauchen die TB1 und die Oxid-Verkappungsschicht 20 nicht gleichzeitig leitfähige Kanäle in einer Isolatormatrix zu haben, oder sie brauchen keine dotierte MO_x- oder MON-Schicht zu umfassen.
Bei den alternativen Ausführungsformen, die in 3A und 5B gezeigt sind, kann die Hk-Erhöhungsschicht 21 eine dotierte MO_x-Schicht sein, die einen Dotanden D, wie etwa N, S, Se, P, C, Te, As, Sb, Bi, Si, Pt, Au, Ir, W oder Mo, enthält, um das RA_Hk zu verkleinern, während die TB1 13 und die Verkappungsschicht 20 den Dotanden D aufweisen oder leitfähige Kanäle in einer MO_x- oder MON-Matrix aufweisen, um das RA₁ bzw. das RA_CAP gegenüber dem RA₂ in der TB2 15 zu verkleinern. Daher kann das Verfahren zum Verkleinern des RA_Hk von dem Verfahren zum Verkleinern des RA₁ oder des RA_CAP verschieden sein.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem eine Initialisierungs-Abfolge zum Erzeugen der Magnetschicht-Orientierungen, die in 1B oder in den alternativen Ausführungsformen gezeigt sind, bei denen es einen AP/P-Zustand für den DMTJ 1b (oder den DMTJ 1c, 1d oder 1e) gibt, bei dem die PL1-AP1-Magnetisierung 12m antiparallel zu der PL2-Magnetisierung 16a (oder 16a1/16a2) ist. In 11 ist ein erster Schritt in der Initialisierungs-Abfolge das Anlegen eines Magnetfelds 30 in einer vertikalen Richtung (z-Achse), sodass das angelegte Feld eine ausreichende Größe zum Einstellen der Magnetisierungen 12a und 16a der gepinnten Schichten sowie der FL-Magnetisierung 14a in der gleichen Richtung wie das angelegte Feld hat. Bei der beispielhaften Ausführungsform verläuft das angelegte Feld 30 in einer (+)-z-Achsenrichtung. Bei einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) kann das angelegte Feld jedoch in einer (-)-z-Achsenrichtung verlaufen, um die Magnetisierungen 12m, 16m und 14m zu erzielen, die den Magnetisierungen 12a, 16a bzw. 14a entgegengesetzt sind.
Bei einem zweiten Schritt in der Initialisierungs-Abfolge, der in 12 gezeigt ist, wird ein zweites Feld 31 in einer Richtung angelegt, die entgegengesetzt zu der Richtung des ersten angelegten Felds ist, wobei das zweite Feld 31 eine Größe hat, die ausreicht, um nur die FL-Magnetisierung 14a auf 14m umzuschalten und die PL1-AP2-Magnetisierung 12a auf 12m zu kippen. Dadurch ist nun die PL1-AP2-Magnetisierung 12a antiparallel zu der PL2-Magnetisierung 16a. Die AF-Kopplungsschicht 12-3 induziert die PL1-AP2-Magnetisierung 12a, nachdem das Feld 31 entfernt worden ist. Es ist zu beachten, dass die Koerzitivkraft der PL2 16 größer als die der PL1-AP1-Schicht 12-1 sein muss, um die PL2-Magnetisierung 16a aufrechtzuerhalten, während das zweite Feld angelegt ist.
In 13 ist ein Spannungsinitialisierungsverfahren im Überblick gezeigt. Zunächst wird wie bei dem vorhergehenden Verfahren ein starkes Magnetfeld angelegt, das ausreicht, um die Magnetisierungen der PL1, der FL und der PL2 so einzustellen, dass sie alle parallel zueinander sind. Wie zuvor in der Beschreibung dargelegt worden ist, wird bei dieser Konfiguration (die in 1A beschrieben worden ist) der Spin-Torque auf der FL von der PL1 und der PL2 aufgehoben, und zum Umschalten der FL wird ein relativ höherer Schreibstrom benötigt. Dieser Aspekt des Nicht-Arbeitszustands (NWS) wird für die Initialisierung des Stapels in den Arbeitszustand (WS) genutzt. Entweder die PL1 oder die PL2 ist so konfiguriert, dass die Schaltspannung zum Kippen der Magnetisierung niedriger als die Spannung ist, die zum Drehen der FL-Magnetisierung in den Nicht-Arbeitszustand erforderlich ist, d. h., V_c,(FL-NWS) > V_c(_{PL1 oder PL2)} > V_c,(FL-WS). Nachdem die PL1- oder die PL2-Magnetisierung gedreht worden ist, geht das Bauelement in den Arbeitszustand (der bei 1B beschrieben ersten ist).
Alle Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, können in ein Herstellungsschema mit Standard-Tools und -prozessen integriert werden. Das Gesamt-DRR, das RA₁, das RA₂ und der i_C für einen DMTJ werden dadurch gleichzeitig optimiert, dass eine TB1 in einer ersten p-MTJ-Teilstruktur hergestellt wird, die ein RA₁ hat, das wesentlich kleiner als ein RA₂ einer darüber befindlichen TB2 in einer zweiten p-MTJ-Teilstruktur ist. Außerdem ist die PL1-Magnetisierung in der ersten p-MTJ-Teilstruktur antiparallel zu der PL2-Magnetisierung in der zweiten p-MTJ-Teilstruktur ausgerichtet, nachdem eine Initialisierungs-Abfolge durchgeführt worden ist, um einen niedrigeren i_C im Vergleich zu einem p-MTJ in einem einzelnen Spin-Filter oder in einem DMTJ zu gewährleisten, der eine PL1- und eine PL2-PL1-Magnetisierung hat, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Die PL2-Magnetisierung wird dadurch stabilisiert, dass eine Grenzfläche mit einer darunter befindlichen Oxid-Verkappungsschicht erzeugt wird und eine PL2-Zusammensetzung gewählt wird, die eine Gitteranpassung an die TB2 nach dem Tempern ermöglicht. Die Oxid-Verkappungsschicht kann jedoch durch eine mehrschichtige Magnetschicht mit einer kfz-(111)-Textur und einer eigenen PMA ersetzt werden.
Die vorliegende Erfindung ist zwar insbesondere unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden, aber Fachleuten dürfte klar sein, dass verschiedene Form- und Detail-Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) mit: (a) einer ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) auf einem Substrat (10); (b) einer ersten Tunnelsperrschicht (13), die auf der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) hergestellt ist und ein erstes Produkt RA₁ aus Widerstand und Fläche hat; (c) einer freien Schicht (14), die eine Oberseite der ersten Tunnelsperrschicht (13) kontaktiert und eine Magnetisierung (14m) hat, die senkrecht zu dem Substrat (10) ausgerichtet ist; (d) einer zweiten Tunnelsperrschicht (15), die an eine Oberseite der freien Schicht (14) angrenzt und ein zweites Produkt RA₂ aus Widerstand und Fläche hat, das wesentlich größer als RA₁ ist; (e) einer zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16), die auf der zweiten Tunnelsperrschicht (15) hergestellt ist, wobei die zweite gepinnte ferromagnetische Schicht (16) eine Magnetisierung (16a) hat, die senkrecht zu dem Substrat (10) ausgerichtet ist und antiparallel zu einer Magnetisierung (12m) der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) ist; und (f) einer Oxid-Verkappungsschicht (20), die eine Oberseite der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16) kontaktiert und ein Produkt RA_CAP aus Widerstand und Fläche hat, das wesentlich kleiner als RA₂ ist.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach Anspruch 1, wobei die erste Tunnelsperrschicht (13) und die zweite Tunnelsperrschicht (15) ein Metalloxid oder ein Metalloxidnitrid, wobei das Metall aus Mg, Ti, Al, Zn, Zr, Hf und/oder Ta gewählt ist, aufweisen oder eine Mehrfachschicht aus zwei oder mehr der vorgenannten Metalloxide oder Metalloxidnitride sind.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Tunnelsperrschicht (13) und die Oxid-Verkappungsschicht (20) jeweils eine kleinere Dicke und/oder eine niedrigere Oxidationsstufe als die zweite Tunnelsperrschicht (15) haben.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Tunnelsperrschicht (13) und/oder die Oxid-Verkappungsschicht (20) eine Metalloxid- oder eine Metalloxidnitrid-Matrix (13x, 20x) aufweisen, in der eine Mehrzahl von leitfähigen Kanälen (18, 28) hergestellt ist.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach Anspruch 4, wobei die leitfähigen Kanäle (18, 28) ein Metall oder eine Legierung aufweisen, das/die aus Pt, Au, Ag, Mg, Al, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, B, Mn, Mo, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Os und/oder W gewählt ist.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin eine Hartmaske (17) aufweist, die auf der Oxid-Verkappungsschicht (20) hergestellt ist.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oxid-Verkappungsschicht (20) eine dotierte Metalloxidschicht (20d) ist, wobei das Metall Mg, Al, Ti, Ta, Fe, Co, B und/oder Ru ist und ein Dotand N, S, Se, P, C, Te, As, Sb, Bi, Si, Pt, Au, Ir, W oder Mo mit einem Anteil von 0,01 Atom-% bis 20 Atom-% ist und leitende Zustände in einer Bandlücke in der dotierten Oxid-Verkappungsschicht (20) erzeugt.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (10) eine untere Elektrode in einer Speichervorrichtung umfasst, die ein magnetischer Direktzugriffsspeicher oder ein Spin-Torque-magnetischer Direktzugriffsspeicher ist.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin eine Metalloxid-Hk-Erhöhungsschicht (21) aufweist, die an eine Unterseite der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) angrenzt und ein Produkt RA_Hk aus Widerstand und Fläche hat, das wesentlich kleiner als RA₂ ist.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite gepinnte ferromagnetische Schicht (16) eine untere Schicht (16-1) umfasst, die Co, Fe und/oder Ni oder eine Legierung davon mit B aufweist und eine kubisch raumzentrierte Kristallstruktur hat, um eine Gitteranpassung an die zweite Tunnelsperrschicht (15) zu erzeugen.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oxid-Verkappungsschicht (20) ein Metalloxid oder ein Metalloxidnitrid aufweist, wobei das Metall Mg, Al, Ta, Ti, Fe, Co, B und/oder Ru ist.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) mit: (a) einer ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) auf einem Substrat (10); (b) einer ersten Tunnelsperrschicht (13), die auf der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) hergestellt ist und ein erstes Produkt RA₁ aus Widerstand und Fläche hat; (c) einer freien Schicht (14), die eine Oberseite der ersten Tunnelsperrschicht (13) kontaktiert und eine Magnetisierung (14m) hat, die senkrecht zu dem Substrat (10) ausgerichtet ist; (d) einer zweiten Tunnelsperrschicht (15), die an eine Oberseite der freien Schicht (14) angrenzt und ein zweites Produkt RA₂ aus Widerstand und Fläche hat, das wesentlich größer als RA₁ ist; (e) einer zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16), die auf der zweiten Tunnelsperrschicht (15) hergestellt ist, wobei die zweite gepinnte ferromagnetische Schicht (16) Folgendes umfasst: (1) eine erste Teilschicht (16-1), die eine Oberseite der zweiten Tunnelsperrschicht (15) kontaktiert und eine kubisch raumzentrierte Kristallstruktur hat, wobei eine Magnetisierung (16a-1) senkrecht zu dem Substrat (10) ausgerichtet und antiparallel zu einer Magnetisierung (12m) der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) ist, und (2) eine oberste zweite Teilschicht (16-2), die eine kubisch flächenzentrierte (111)-Kristalltextur hat, um die senkrechte magnetische Anisotropie in der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16) zu erhöhen, und die ferromagnetisch mit der ersten Teilschicht (16-1) gekoppelt ist; und (f) einer Hartmaske (17) auf einer Oberseite der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16).
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach Anspruch 12, wobei die erste Tunnelsperrschicht (13) eine kleinere Dicke und/oder eine niedrigere Oxidationsstufe als die zweite Tunnelsperrschicht (15) hat.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die erste Tunnelsperrschicht (13) eine Mehrzahl von leitfähigen Kanälen (18) aufweist, die sich von einer Oberseite der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) bis zu einer Unterseite der freien Schicht (14) erstrecken.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die zweite Teilschicht (16-2) eine inhärente senkrechte magnetische Anisotropie hat und ein Mehrschichtstapel ist, der (Co/Ni)_n, (CoFe/Ni)_n, (Co/NiFe)_n, (Co/NiCo)_n, (Co/Pt)_n oder (Co/Pd)_n ist, wobei n eine Anzahl von Schichten ist.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die erste Teilschicht (16-1) Co, Fe und/oder Ni oder eine Legierung davon aufweist und eine Gitteranpassung an die zweite Tunnelsperrschicht (15) erzeugt.
Doppel-Magnettunnelübergangselement (1b-e) nach Anspruch 15, der weiterhin eine Metallschicht aufweist, die Ta, W oder Mo aufweist und zwischen der ersten (16-1) und der zweiten Teilschicht (16-2) hergestellt wird, um die kristallografischen Texturen der ersten (16-1) und der zweiten Teilschicht (16-2) zu entkoppeln.
Verfahren zum Herstellen eines Doppel-Magnettunnelübergangs (1b-e) mit den folgenden Schritten: (a) Abscheiden einer ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) auf einem Substrat (10); (b) Herstellen einer ersten Tunnelsperrschicht (13) auf der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12), wobei die erste Tunnelsperrschicht (13) ein erstes Produkt RA₁ aus Widerstand und Fläche hat; (c) Abscheiden einer freien Schicht (14), die eine Oberseite der ersten Tunnelsperrschicht (13) kontaktiert; (d) Herstellen einer zweiten Tunnelsperrschicht (15), die an eine Oberseite der freien Schicht (14) angrenzt und ein zweites Produkt RA₂ aus Widerstand und Fläche hat, das wesentlich größer als RA₁ ist; (e) Abscheiden einer zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16) auf der zweiten Tunnelsperrschicht (15); (f) Herstellen einer Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Verkappungsschicht (20), die eine Oberseite der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16) kontaktiert und ein Produkt RA_CAP aus Widerstand und Fläche hat, das wesentlich kleiner als RA₂ ist; und (g) Durchführen eines Initialisierungsprozesses zum Ausrichten der Magnetisierungen (12m, 14m, 16a) der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12), der freien Schicht (14) und der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16), in dem eine Magnetisierung (12m) der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) antiparallel zu einer Magnetisierung (16a) der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16) ausgerichtet wird und eine Magnetisierung (14m) der freien Schicht (14) sowie die Magnetisierung (12m) der ersten gepinnten ferromagnetischen Schicht (12) und die Magnetisierung (16a) der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16) senkrecht zu dem Substrat (10) ausgerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Verkappungsschicht (20) durch Sputterdeposition eines Metalloxid-Targets bzw. eines Metalloxidnitrid-Targets mit einem Hochfrequenz-basierten physikalischen Gasphasenabscheidungs-Prozess hergestellt wird und das Metall darin Mg, Al, Ti, Ta, Fe, Co, B und/oder Ru ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei die erste Tunnelsperrschicht (13) und/oder die Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Verkappungsschicht (20) eine kleinere Dicke und/oder eine niedrigere Oxidationsstufe als die zweite Tunnelsperrschicht (15) haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die erste Tunnelsperrschicht (13), die zweite Tunnelsperrschicht (15) und die Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Verkappungsschicht (20) mit einem Hochfrequenz-basierten physikalischen Gasphasenabscheidungs-Prozess hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Verkappungsschicht (20) eine Mehrzahl von leitfähigen Kanälen (28) in einer Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Matrix (20x) aufweist, in der sich die leitfähigen Kanäle (28) von einer Oberseite (16t) der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16) bis zu einer Unterseite einer darüber befindlichen Hartmaske (17) erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die leitfähigen Kanäle (28) ein Metall oder eine Legierung aufweisen, das/die aus Pt, Au, Ag, Mg, Al, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Co, Fe, B, Mn, Mo, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Zn, Cu, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Os und/oder W gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei die Mehrzahl von leitfähigen Kanälen (28) in der Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Matrix (20x) mit einem Prozess hergestellt wird, der ein gleichzeitiges Abscheiden einer Metallspezies (M), einer Sauerstoff-Spezies (O) oder einer Sauerstoff- (O) und Stickstoffspezies und einer zweiten Metallspezies (M2) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, das nach dem Beenden des gleichzeitigen Abscheidens weiterhin ein Durchführen eines oder mehrerer Temperschritte umfasst, um eine Konglomeration des zweiten Metalls (M2) in leitfähige Kanäle (28) zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei die Mehrzahl von leitfähigen Kanälen (28) in der Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Matrix (20x) mit einem Prozess hergestellt wird, der Folgendes umfasst: (a) Herstellen einer Metalloxidschicht (20x) oder einer Metalloxidnitrid-Schicht (20x) auf der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16); (b) In-Kontakt-Bringen der Metalloxidschicht (20x) oder der Metalloxidnitrid-Schicht (20x) mit einer reaktiven Umgebung, die eine zweite Metallspezies (M2) aufweist; und (c) Durchführen eines oder mehrerer Temperschritte, sodass leitfähige Kanäle der zweiten Metallspezies (M2) in der Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Matrix (20x) entstehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Verkappungsschicht (20d) einen Dotanden aufweist, der N, S, Se, P, C, Te, As, Sb, Bi, Si, Pt, Au, Ir, W oder Mo mit einem Anteil von 0,01 Atom-% bis 20 Atom-% ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die dotierte Metalloxidschicht (20d) oder die dotierte Metalloxidnitrid-Schicht (20d) mit einem Prozess hergestellt wird, der Folgendes umfasst: (a) Herstellen einer Metalloxidschicht (20x) oder einer Metalloxidnitrid-Schicht (20x) auf der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16); und (b) In-Kontakt-Bringen der Metalloxidschicht (20x) oder der Metalloxidnitrid-Schicht (20x) mit einer reaktiven Umgebung, die eine Dotandenspezies aufweist, oder Implantieren der Dotandenspezies in die Metalloxidschicht (20x) oder die Metalloxidnitrid-Schicht (20x).
Verfahren nach Anspruch 28, das nach dem Beenden der Schritte (a) und (b) weiterhin ein Durchführen eines oder mehrerer Temperschritte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die dotierte Metalloxidschicht (20d) oder die dotierte Metalloxidnitrid-Schicht (20d) mit einem Prozess hergestellt wird, der Folgendes umfasst: (a) Herstellen eines Schichtstapels aus einer ersten Metalloxidschicht (20x1) und einem Dotanden (20m2), eines Schichtstapels aus einer ersten Metalloxidnitrid-Schicht (20x1) und dem Dotanden (20m2), eines Schichtstapels aus der ersten Metalloxidschicht (20x1), dem Dotanden (20m2) und einer zweiten Metalloxidschicht (20x2), eines Schichtstapels aus der ersten Metalloxidnitrid-Schicht (20x1), dem Dotanden (20m2) und einer zweiten Metalloxidnitrid-Schicht (20x2), eines Schichtstapels aus dem Dotanden (20m2) und der zweiten Metalloxidschicht (20x2) oder eines Schichtstapels aus dem Dotanden (20m2) und der zweiten Metalloxidnitrid-Schicht (20x2) auf der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16); und (b) anschließendes Durchführen eines oder mehrerer Temperschritte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 30, wobei das Substrat (10) eine Metalloxid-Hk-Erhöhungsschicht (21) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 31, wobei die zweite gepinnte ferromagnetische Schicht (16) zumindest eine untere Schicht (16-1) ist, die Co, Fe, Ni und/oder eine Legierung davon mit B aufweist und im Abscheidungszustand eine amorphe Schicht ist, aber nach einem oder mehreren Temperschritten eine kubisch raumzentrierte Struktur hat.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Herstellen der Metalloxid- oder Metalloxidnitrid-Verkappungsschicht (20) eine Oxidation oder Oxynitrierung eines oberen Teils der zweiten gepinnten ferromagnetischen Schicht (16) umfasst.