CN100499197C

CN100499197C - 一种适于器件化的磁性隧道结及其用途

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Publication number: CN100499197C
Application number: CNB2005101306655A
Authority: CN
Inventors: 魏红祥; 马明; 覃启航; 韩秀峰; 詹文山
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: CN1988199A

Abstract

本发明涉及一种适于器件化的磁性隧道结，包括一衬底及其上的缓冲层，在所述的缓冲层上依次沉积的钉扎层、被钉扎软磁层、绝缘层、自由软磁层及覆盖层，其特征在于：所述的绝缘层为一复合膜层，其上下两层为0.2～2nm厚度的金属层或是绝缘体势垒层，中间层为0.5～5nm厚度的氧化铝膜层。该磁性隧道结能够广泛应用于以磁性隧道结为核心的各种器件。本发明提供的适于器件化的磁性隧道结，可以克服现有技术的缺陷，提高磁性隧道结的性能，使其在保持高的磁电阻比值和低的电阻与结面积的积矢的情况下，还具有重复性和稳定性好，信噪比高，寿命长等优点，能够满足大规模产品化的要求。

Description

一种适于器件化的磁性隧道结及其用途

技术领域

本发明涉及一种适于器件化的磁性隧道结，具体地说是涉及一种具有新的势垒层的磁性隧道结及其在器件中的应用。

背景技术

自1975年Julliére在Fe/Ge/Co三明治结构的复合多层膜中发现隧穿磁电阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)效应以来，人们对一系列FM/I(S)/FM复合多层膜(磁性材料/绝缘体或半导体/磁性材料)进行了广泛而系统的研究。在这类FM/I(S)/FM复合多层膜中，FM代表铁磁性金属或半金属层，I(S)代表绝缘体(或半导体)势垒层。研究发现这类复合多层膜具有低饱和磁场和小矫顽力等特性，可应用于磁敏传感器和磁性随机存取存储器(MRAM)存储单元以及其它自旋电子学器件。

1995年，T.Miyazaki和J.SMoodera在磁性隧道结(MTJ)中分别独立获得了室温下18％和10％的TMR比值。从而掀起了磁性隧道结的研究高潮。近十年来，磁性隧道结的研究取得了很大的进展。研究人员分别尝试了不同的铁磁层，势垒层以及钉扎层材料对磁性隧道结性能的影响。例如，就铁磁层来说，由原来的单质的Fe，Co，Ni发展到诸如CoFe，NiFe，CoFeB等合金材料，通过合金成分的优化使得铁磁电极的自旋极化率大大提高，从而提高了磁电阻比值。后来又根据不同的性能要求发展出CoFe/NiFe，CoFe/Ru/CoFe，CoFe/Ru/CoFeB，CoFeB/Ru/CoFeB等复合结构，使得磁性隧道结的矫顽力进一步减小。就势垒层而言，研究人员尝试了NiO，CoO，Al₂O₃，AlN，MgO，Ta₂O₅，HfO₂等材料。由于Al₂O₃势垒层比较容易制备，并且比较容易形成大面积的致密的厚度在1nm左右的薄膜，从而得到了广泛的应用，逐渐成为磁性隧道结的首选势垒层。目前以Al₂O₃作为势垒层的磁性隧道结能够达到室温60％的磁电阻变化。已经在器件研发以及产品化，商品化上占据着举足轻重的地位。

适宜于大规模产品化的磁性隧道结需要具有高的磁电阻比值(TMR)，低的电阻与结面积的积矢(RA)，重复性，稳定性好，信噪比高等性质。普通的磁性隧道结很难满足上述要求。例如，普通的以Al₂O₃作为势垒层的磁性隧道，如果势垒层过厚则RA势必很高，而如果势垒层过薄，一来比较困难形成连续的薄膜，从而会降低磁电阻比值，二来在应用过程中势垒层较容易被电流击穿，并且稳定性也会受到很大的影响。这里所说的稳定性是指磁性隧道结每工作一万次，其电阻与磁电阻变化率。一般工业上要求变化率低于10％，最好能控制在5％以内，并且工作寿命要达到10¹⁶到10¹⁷次操作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的磁性隧道结重复性和稳定性差，信噪比低等缺点，从而通过改变势垒层的成分和结构，提供一种重复性和稳定性好，信噪比高，且可以满足大规模产品化的要求的适于器件化的磁性隧道结，及其用途。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的适于器件化的磁性隧道结，包括一衬底及其上的缓冲层，在所述的缓冲层上依次沉积的钉扎层(以下简称PL)、被钉扎软磁层(以下简称FM1)、绝缘层(以下简称I)、自由软磁层(以下简称FM2)及覆盖层，其特征在于：所述的绝缘层为一复合膜层，其上下两层为0.2～2nm厚度的金属层或是绝缘体势垒层，中间层为0.5～5nm厚度的氧化铝膜层。

所述的金属层的材料为Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，V或TiC；

所述的绝缘体势垒层的材料为TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO或TiCO。

该磁性隧道结的其它层均采用常规的结构和材料，例如：

所述的衬底为MgO，Al₂O₃，GaAs，SrTiO₃，LaAlO₃，或Si；

所述的缓冲层为Ru，Cr，Cu，Pt，Au，Ag，Fe，Ta，Mo，Zr，Nb或它们的混合物组成，厚度为5～50nm；

所述的钉扎层为IrMn，FeMn，PtMn；

所述的软磁层FM1和FM2为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料组成，包括：Co，Fe，Ni或它们的混合物，或非晶Co_100-x-yFe_xB_y(0<x<100，0<y≤20)，或Heusler合金，如Co₂MnSi、Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al；软磁层材料优选Co₉₀Fe₁₀，Co₇₅Fe₂₅，Co₄₀Fe₄₀B₂₀，或Ni₇₈Fe₂₂；所述的软磁层的厚度为3～10nm；

所述的覆盖层为Pt，Ru，Ta或它们的混合物组成；所述的覆盖层的厚度为4～6nm。

本发明的适于器件化的磁性隧道结能够广泛应用于以磁性隧道结为核心的各种器件，例如计算机磁头，磁敏传感器等。

本发明提供的适于器件化的磁性隧道结，使用上下两层金属层或是绝缘体势垒层和氧化铝组成一复合膜层，来代替常规的磁性隧道结中以Al₂O₃作为绝缘层(势垒层)。在现有技术使用单层的Al₂O₃作为绝缘层时，过厚则RA(电阻与结面积的积矢)势必很高；过薄则该绝缘薄膜很难形成连续的膜层，从而会降低磁电阻的比值，且在应用过程中薄薄的势垒层较容易被电流击穿，稳定性及寿命也会受到很大的影响。而本发明通过改变绝缘层的成分和结构，可以克服上述缺陷，提高磁性隧道结的性能，使其在保持高的磁电阻比值和低的电阻与结面积的积矢的情况下，还具有重复性和稳定性好，信噪比高，寿命长等优点，能够满足大规模产品化的要求，即本发明的磁性隧道结更适合于器件化的新型磁性隧道结的制备。

具体实施方式

实施例1

利用高真空磁控溅射设备在SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为5nm的缓冲层(Bufferlayer)Ru，钉扎层(Pinning layer)IrMn，厚度为3nm的被钉扎软磁层(Pinned FM layer，FM1)Co₉₀Fe₁₀；然后沉积0.4nm的Ti，接着沉积0.8nm的Al，等离子体氧化50秒，最后再次沉积0.4nm的Ti，复合膜层Ti/AlO/Ti即为绝缘层；在该复合势垒层上依次沉积厚度为3nm的自由软磁层(Free FM layer，FM2)Co₉₀Fe₁₀和厚度为4nm的覆盖层(Capping layer)Ru。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率。

沉积好的磁性多层膜经过常规的微加工以及退火等后期处理，即得到本发明的适合于器件化的磁性隧道结，其克服了现有技术使用单层的Al₂O₃作为绝缘层时的种种缺陷，提高了磁性隧道结的性能，使其在保持高的磁电阻比值和低的电阻与结面积的积矢的情况下，还具有重复性和稳定性好，信噪比高，寿命长等优点，能够满足大规模产品化的要求。

实施例2

利用高真空磁控溅射设备在SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为5nm的Ru和厚度为15nm的Cu作为缓冲层(Buffer layer)，厚度为12nm的钉扎层(Pinning layer)IrMn，厚度为5nm的被钉扎软磁层(Pinned FM layer，FM1)Co₇₅Fe₂₅；然后沉积0.4nm的TiO，接着沉积0.8nm的Al，等离子体氧化50秒，最后再次沉积0.4nm的TiO，复合膜层TiO/AlO/TiO即为绝缘层；在该复合势垒层上依次沉积厚度为5nm的自由软磁层(Free FM layer，FM2)Co₇₅Fe₂₅和厚度为6nm的覆盖层(Capping layer)Ta。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率。

沉积好的磁性多层膜经过常规的微加工以及退火等后期处理，即得到本发明的适合于器件化的磁性隧道结，其具有重复性和稳定性好，信噪比高，寿命长等优点，能够满足大规模产品化的要求。

实施例3

利用高真空磁控溅射设备在SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为10nm的缓冲层(Bufferlayer)Nb，钉扎层(Pinning layer)IrMn，厚度为5nm的被钉扎软磁层(Pinned FM layer，FM1)Co₂MnSi；然后沉积0.4nm的TiC，接着沉积0.8nm的Al，等离子体氧化50秒，最后再次沉积0.4nm的TiC，复合膜层TiC/AlO/TiC即为绝缘层；在该复合势垒层上依次沉积厚度为5nm的自由软磁层(Free FM layer，FM2)Co₂MnSi和厚度为5nm的覆盖层(Capping layer)Pt。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率。

实施例4

利用高真空磁控溅射设备在SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为20nm的缓冲层(Bufferlayer)Cr，钉扎层(Pinning layer)FeMn，厚度为8nm的被钉扎软磁层(Pinned FM layer，FM1)Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al；然后沉积0.5nm的Cr，接着沉积0.8nm的Al，等离子体氧化50秒，最后再次沉积0.5nm的Cr，复合膜层Cr/AlO/Cr即为绝缘层；在该复合势垒层上依次沉积厚度为8nm的自由软磁层(Free FM layer，FM2)Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al和厚度为4nm的覆盖层(Capping layer)Ru。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率。

实施例5

利用高真空磁控溅射设备在SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为50nm的缓冲层(Bufferlayer)Ag，钉扎层(Pinning layer)FeMn，厚度为6nm的被钉扎软磁层(Pinned FM layer，FM1)Co₄₀Fe₄₀B₂₀；然后沉积0.3nm的CrO，接着沉积0.8nm的Al，等离子体氧化50秒，最后再次沉积0.3nm的CrO，复合膜层CrO/AlO/CrO即为绝缘层；在该复合势垒层上依次沉积厚度为6nm的自由软磁层(Free FM layer，FM2)Co₄₀Fe₄₀B₂₀和厚度为4nm的覆盖层(Capping layer)Ru。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率。

实施例6

利用高真空磁控溅射设备在SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为20nm的缓冲层(Bufferlayer)Pt，钉扎层(Pinning layer)FeMn，厚度为4nm的被钉扎软磁层(Pinned FM layer，FM1)Ni₇₈Fe₂₂；然后沉积0.3nm的CrC，接着沉积0.8nm的Al，等离子体氧化50秒，最后再次沉积0.3nm的CrC，复合膜层CrC/AlO/CrC即为绝缘层；在该复合势垒层上依次沉积厚度为4nm的自由软磁层(Free FM layer，FM2)Ni₇₈Fe₂₂和厚度为4nm的覆盖层(Capping layer)Ru。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率。

实施例7

利用高真空磁控溅射设备在SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为5nm的Ru和厚度为10nm的Au作为缓冲层(Bufferlayer)，钉扎层(Pinning layer)PtMn，厚度为3nm的被钉扎软磁层(Pinned FM layer，FM1)Co₉₀Fe₁₀；然后沉积0.6nm的Ta，接着沉积0.8nm的Al，等离子体氧化50秒，最后再次沉积0.6nm的Ta，复合膜层Ta/AlO/Ta即为绝缘层；在该复合势垒层上依次沉积厚度为3nm的自由软磁层(Free FM layer，FM2)Co₉₀Fe₁₀和厚度为4nm的覆盖层(Capping layer)Ru。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率。

实施例8

利用高真空磁控溅射设备在SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为30nm的缓冲层(Bufferlayer)Ti，钉扎层(Pinning layer)PtMn，厚度为3nm的被钉扎软磁层(Pinned FM layer，FM1)Co₉₀Fe₁₀；然后沉积0.4nm的Zn，接着沉积0.8nm的Al，等离子体氧化50秒，最后再次沉积0.4nm的Zn，复合膜层Zn/AlO/Zn即为绝缘层；在该复合势垒层上依次沉积厚度为3nm的自由软磁层(Free FM layer，FM2)Co₉₀Fe₁₀和厚度为4nm的覆盖层(Capping layer)Ru。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率。

实施例9

利用高真空磁控溅射设备在SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为35nm的缓冲层(Bufferlayer)Ta，钉扎层(Pinning layer)IrMn，厚度为3nm的被钉扎软磁层(Pinned FM layer，FM1)Co₉₀Fe₁₀；然后沉积0.4nm的ZnO，接着沉积0.8nm的Al，等离子体氧化50秒，最后再次沉积0.4nm的ZnO，复合膜层ZnO/AlO/ZnO即为绝缘层；在该复合势垒层上依次沉积厚度为3nm的自由软磁层(Free FM layer，FM2)Co₉₀Fe₁₀和厚度为4nm的覆盖层(Capping layer)Ru。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率。

实施例10

利用高真空磁控溅射设备在SiO₂/Si衬底上依次沉积厚度为5nm的缓冲层(Bufferlayer)Mo，钉扎层(Pinning layer)IrMn，厚度为3nm的被钉扎软磁层(Pinned FM layer，FM1)Co₄₀Fe₄₀B₂₀；然后沉积0.4nm的ZnMn，接着沉积0.8nm的Al，等离子体氧化50秒，最后再次沉积0.4nm的ZnMn，复合膜层ZnMn/AlO/ZnMn即为绝缘层；在该复合势垒层上依次沉积厚度为3nm的自由软磁层(Free FM layer，FM2)Co₄₀Fe₄₀B₂₀和厚度为4nm的覆盖层(Capping layer)Ru。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压：0.07帕；溅射功率：120瓦；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.3～1.1埃/秒；生长时间：薄膜厚度/生长速率。

Claims

1、一种适于器件化的磁性隧道结，包括一衬底及其上的缓冲层，在所述的缓冲层上依次沉积的钉扎层、被钉扎软磁层、绝缘层、自由软磁层及覆盖层，其特征在于：所述的绝缘层为一复合膜层，所述的复合膜层由上下两层金属层或是绝缘体势垒层，和在上下两层金属层或是绝缘体势垒层中设置一中间层组成，所述的中间层为氧化铝膜层；其中，所述的金属层或是绝缘体势垒层厚度为0.2～2nm；所述的氧化铝膜层厚度为0.5～5nm。

2、如权利要求1所述的适于器件化的磁性隧道结，其特征在于：所述的金属层的材料为Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，V或TiC。

3、如权利要求1所述的适于器件化的磁性隧道结，其特征在于：所述的绝缘体势垒层的材料为TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO或TiCO。

4、如权利要求1所述的适于器件化的磁性隧道结，其特征在于：所述的衬底为MgO，Al₂O₃，GaAs，SrTiO₃，LaAlO₃，或Si。

5、如权利要求1所述的适于器件化的磁性隧道结，其特征在于：所述的缓冲层为Ru，Cr，Cu，Pt，Au，Ag，Fe，Ta，Mo，Zr，Nb或它们的混合物组成，厚度为5～50nm。

6、如权利要求1所述的适于器件化的磁性隧道结，其特征在于：所述的钉扎层为IrMn，FeMn或PtMn。

7、如权利要求1所述的适于器件化的磁性隧道结，其特征在于：所述的被钉扎软磁层、自由软磁层为Co，Fe，Ni或它们的混合物；或非晶Co_100-x-yFe_xB_y，其中0<x<100，0<y≤20；或Heusler合金；所述的被钉扎软磁层、自由软磁层的厚度为3～10nm。

8、如权利要求1或7所述的适于器件化的磁性隧道结，其特征在于：所述的软磁层为Co₂MnSi，Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al，Co₉₀Fe₁₀，Co₇₅Fe₂₅，Co₄₀Fe₄₀B₂₀，或Ni₇₈Fe₂₂。

9、如权利要求1所述的适于器件化的磁性隧道结，其特征在于：所述的覆盖层为Pt，Ru，Ta或它们的混合物组成；所述的覆盖层的厚度为4～6nm。