CN102119455A - 三层磁性元件、其生产方法、使用这种元件的磁场传感器、磁性存储器和磁性逻辑门 - Google Patents

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Abstract

本发明的三层磁性元件，包括：在衬底上，第一氢化物－氧化物或氮化物－氧化物层O，在其上安装有金属磁性层M，所述金属磁性层M具有安装在其上的非铁磁性金属层M’，或第二氢化物－氧化物或氮化物－氧化物层O’。层M是连续的，具有1至5nm的厚度，并且在不存在层O和O’的情况下其磁化平行于层平面。对于等于或大于环境温度的温度范围，存在垂直于界面O/M和M/O’上的层平面的界面磁各向异性，其能够减少层M的实际消磁场或者以基本上垂直于层平面的方式定向层M的磁化。

Description

三层磁性元件、其生产方法、使用这种元件的磁场传感器、磁性存储器和磁性逻辑门
技术领域
本发明涉及磁性材料领域，更具体地说，涉及意图用作磁场传感器或在磁性存储器中用于存储并且读取电子系统中的数据或者甚至生产可以在可重复编程逻辑器件的领域中使用的组件的那些磁性材料。
背景技术
本发明所涉及的应用之一关注用于基于测量反常霍尔效应来检测磁场的磁性元件。
存在两种类型的霍尔效应：正常（ordinary）霍尔效应和反常（extraordinary）霍尔效应。正常霍尔效应出现在金属材料或掺杂半导体中，并且归因于在磁场的影响下对电子起作用的洛伦兹力。反常霍尔效应出现于铁磁材料中的有限范围，并且是归因于与铁磁材料的磁矩的自旋轨道（spin-orbit）相互作用的电子扩散的结果。
霍尔效应的一个特性参数是霍尔电阻率，其由以下方程给出：
ρxy = (Vxy / I)t = R0H + 4πRsMz                                       (1)
其中：
·Vxy是在垂直于电流方向的方向上在薄膜的平面中测量的霍尔电压，
·I是在薄膜的平面中流动的电流的强度，
·t是薄膜的厚度，
·R0是正常霍尔系数，
·H是所施加的磁场的幅度，
·Rs是反常霍尔系数，并且Mz是薄膜的磁化的垂直分量。
方程（1）的第一项R0H对应于正常霍尔电阻率，并且第二项4πRsMz对应于反常霍尔电阻率。对于相对较弱的磁场，正常霍尔效应通常比反常霍尔效应小若干量级，并且因此可以被忽略。
如果铁磁膜的磁化平行于平面（对于薄膜来说通常如此），则其垂直分量Mz随所施加的平面外磁场线性增加，直到达到饱和磁化Ms为止。因此，只要Mz小于Ms，反常霍尔电压就与所施加的磁场成比例。
图1示意性示出针对其磁化平行于平面的薄膜磁性材料的作为所施加的磁场的函数的霍尔电阻率的变化。对于H < 4πMs，电阻率随所施加的场而线性变化，直到到达ρxy =4πRsMs为止。越过该点，电阻率以非常小的斜率R0（方程（1）的第一项）随所施加的场线性变化，如先前所指示的那样。基于该原理的磁场传感器的有用操作区域因此被限制为小于4πMs的磁场值，其中，Ms是所讨论的磁性材料的饱和磁化。
正是ρxy（H）斜率的斜率确定了以微欧姆厘米每特斯拉（μΩcm/T）表示的这种传感器的磁场灵敏度（sensitivity）。考虑薄膜的厚度t，并且根据关系式ρxy = t × Rxy，该斜率也可以以欧姆每特斯拉（Ω/T）来表示。为了最大化该斜率，可以增加反常霍尔效应项Rs或者减小材料的平面磁各向异性，以便减小垂直饱和场。
有用的是，选取具有高纵向电阻率以及高自旋轨道扩散的材料，以便最大化Rs。这种高纵向电阻率也是有利的，因为对于小型器件而言，这使得有可能在保持足够电压响应的同时将所述器件中流动的电流限制为可以经受的值，低于该值将引起不可逆的结构修改（电迁移现象）。
高纵向电阻率是通过增加材料（例如无序的合金）的原子无序性或者减小膜的厚度（已知的是，对于极端薄的膜，电阻率与膜的厚度近似相反地变化）而获得的。自旋轨道扩散所做出的贡献是通过选取包含具有高原子量的元素（例如铂、钯、金或镧系中的金属）的材料而加强（augment）的。
然而，应注意，这些材料的掺合（incorporation）一定必须根据其浓度而被限制，以便保留铁磁合金的满意磁特性。
增加ρxy(H)曲线的斜率的第二种方式是减少材料的平面磁各向异性，即将相反符号的附加项引入传统项4πMs。由HS表示的该项的起源（origin）可以是磁晶体起源的体积各向异性、通过弹性生长张力而感应的体积各向异性或归因于界面电子相互作用的界面各向异性。例如，与钴、镍或铁的磁性层接触的铂层的影响是典型情况。
当这个附加项出现时，垂直各向异性场HK可以表示如下：
HK = 4πMs – HS                                              (2)
定性地，随着HS的增加，垂直各向异性场HK将因此均匀地减小，磁性层的磁化总是平行于平面，直到其接近零为止，越过该极限，当HS超过4πMs时，磁性层的磁化将自发地（即没有任何所施加的磁场的情况下）垂直于层平面。在该后面的情况下，磁性材料在零场中具有两个稳定状态，并且因此可以集成到器件（例如磁性存储器或磁性逻辑门）中。
图2是对于具有以下合成物Pt1.8nm/Co0.6nm/Pt1.8nm的典型样本在该情况下获得的磁化曲线的示意图。该曲线可以是通过传统磁力（magnetometric）测量、通过测量霍尔效应、通过测量克尔效应或法拉第磁光效应而获得的。
箭头示出当施加在x轴上所指示的激励场H时磁循环（magnetic cycle）的行进方向。单向箭头代表不可逆的循环改变，而双向箭头代表可逆的循环改变。在y轴上以任意单位给出磁化水平（level）。
通过将所施加的磁场从正值逐渐减少到例如零值，磁性层的磁化仍然垂直于其平面，并且被定向在先前所施加的磁场的方向上。然后必须施加具有差不多（more or less）大的幅度的相反方向的磁场，以便仍在垂直于该平面的方向上但在相反方向上（即在该新施加的磁场的方向上）重定向该层的磁化。
为了获得这种改变所需的磁场（更精确地说必须施加以便在所有磁畴（magnetic domain）上平均的磁化为零的磁场）被称为矫顽（coercive）场，并且在图2中由Hc指示。该矫顽场的值将确定在一个方向上或者在暴露于外部磁干扰的情况下在另一方向上的磁化稳定性。
当暴露于这些干扰时，该矫顽场越强，材料就越稳定。然而，这也使得例如比如当材料被用作在其中信息实际上根据磁化方向而被编码的磁性存储器时更难以通过施加垂直磁场来有意地修改磁化方向。
需要更少能量来改变磁化的弱矫顽场因此可能是优选的，具有对以磁方式“屏蔽”器件以免受外部磁干扰的可能需要，或者强的矫顽场可能是优选的，因为这使得器件更稳定（但当信息被写入器件时，消耗更多能量）。
还应提到的是，可以使用确定磁性层的磁化的定向和幅度的其它方式，例如磁光效应，由此在入射光与磁性层的磁矩之间的相互作用引起入射光的极化平面的旋转，并且因此修改其轴比率（axial ratio）。
为了确定该磁性层的磁化的定向，也可以添加第二磁性层，所述第二磁性层通过非磁性金属层或通过氧化物层而与第一层分离，其中该第二层的磁化的方向是已知的。通过测量这种三层结构的电阻，可以确定第一磁性层的磁化的方向，因为与当磁化为反向平行（公知的巨大或隧道磁阻现象）时相比，如果两个磁化平行，则这种堆叠（stack）的电阻较小。如果样本已经被切割为具有1μm 或更小的量级的横向尺寸（dimension）的柱体（post），则电流可以在各层的平面中或在垂直于层平面的方向上流动。
为了确定该磁性层的磁化的定向，也可以靠近该层而定位将受到该层的磁畴所辐射的场的影响的磁阻读取头（read head）。
该文献包含可以具有上述某些特性的若干材料的示例。
示例包括公知的具有高垂直磁各向异性的钴/铂多层系统。根据基本铂和钴层的厚度、（Co/Pt）图案（pattern）重复的数目以及铂缓冲层的存在，可以获得具有自发地（在零磁场中）垂直于各层的平面的磁化或者在层平面中但具有极端高的垂直磁化率（susceptibility）（曲线Mz = f(H)的斜率）的磁化的系统。遗憾的是，归因于这些材料的金属组成的低电阻率，它们具有低的纵向电阻率。
与本发明中的结构相似的结构也已经被研究过（参见B. Rodmacq, S. Auffret, B. Dieny, S. Monso, P. Boyer, “Crossovers from in- plane to perpendicular anisotropy in magnetic tunnel junctions as a function of the barrier degree o
这些结构中的霍尔效应的幅度相对较小，主要归因于在结构中流动的电流的不可忽略部分所转向到的相对较厚的铂层的存在。
与本发明的堆叠层相似的堆叠层已经在该文献中被提出，但未关注在磁场传感器、磁性存储器或磁性逻辑组件类型器件中的应用。
首先，可以引述关于与氧化铝层（Al2O3）交替的钴层所组成的多层的工作（参见Ch. Morawe, H. Zabel, “Structure and thermal stability of sputtered metal/oxide multilayers: the case of Co/Al2O3”, Journal of Applied Physics, 1995, Vol. 77, p. 1969）。该出版物的作者并未提及作为本发明的主题的这些材料的任何垂直磁各向异性特性。
此外，与本发明相比，作者并未意图特别地基于测量反常霍尔效应而在磁场传感器或磁性存储器或逻辑组件的领域中使用这些材料。实际上，作者建议使用这些材料，仅因为它们在x射线镜（mirror）的背景下的结构特性。该工作落在了本发明所指的应用领域之外。
也可以引述关于包括与二氧化硅SiO2或氧化铝Al2O3的层交替的钴或钴铁合金的层的“不连续”多层的工作（参见B. Dieny, S. Sankar, M. R. McCartney, D. J. Smith, P. Bayle-Guillemaud, A. E. Berkowitz, “Spin-dependent tunnelling in discontinuous metal/insulator multilayers”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1998, Vol.185, p.283）。作者使用术语“不连续”来指代这样的事实：即钴或钴铁合金的层不处于实际上均匀厚度的薄膜的形式，而处于在氧化物基体（matrix）中涂覆的钴或钴铁聚合物（aggregate）的形式。
这些系统是通过交替沉积磁性金属的层与氧化物层而由阴极溅射来制备的。根据隔离基体中嵌入的沉积金属的厚度，钴或钴铁的原子趋于以不连续斑点（blob）的形式接合（coalesce），这产生或多或少独立的聚合物的平面结构。
在这些结构中，仅钴或钴铁的这种薄层的“存储器”得以保留，并且这种情况完全不同于本发明所考虑的情况。在这些与不连续金属/绝缘体多层有关的研究中，未提及这些材料的任何垂直磁各向异性特性。最后，作者并未意图特别地基于测量反常霍尔效应而在磁场传感器或磁性存储器或逻辑组件的领域中使用这些材料。该工作因此落在了本发明所指的应用领域之外。
也可以引述在存在氧气的情况下处理通过在沉积钴铁合金之后自然氧化该合金的表面而制造的多层的工作（参见G. S. D. Beach, A. E. Berkowitz, “Co-Fe metal/native-oxide multilayers: a new direction in soft magnetic thin film design I. Quasi-static properties and dynamic response”, IEEE Transactions on Magnetics, 2005, Vol. 41, p. 2043、以及G. S. D. Beach, A. E. Berkowitz, “Co-Fe metal/native-oxide multilayers: a new direction in soft magnetic thin film design II. Microscopic characteristics and interactions”, IEEE Transactions on Magnetics, 2005, Vol. 41, p. 2053）。
这些多层具有高电阻率、强磁矩以及显著的磁“软（softness）”（由此磁化可以容易地在平行于层平面的方向上饱和）。作者未提及关于反常霍尔效应的幅度的任何特殊特性。
虽然他们给出看起来指示对于薄磁性金属厚度而出现某一垂直各向异性的趋势的结果，但是对他们的结果的深究示出，观察到的垂直各向异性场HK的幅度的减小基本上归因于项4πMs（参见方程（2））的减小，而非垂直各向异性项HS所做出的任何贡献。
相似地，作者预测，对于厚度小于1.1nm的磁性金属磁化将自发地垂直于层平面，但同时，对于1.0nm的厚度（即低于这种限制），然而本结果明确地示出，在此情况下，磁化平行于层平面而非垂直。
最后，可以引述处理包括由NiO氧化物层所分离的两个多层（Pt/Co）和（Co/Pt）的堆叠的工作（参见C. Christides and Th. Speliotis, “Polarity of anomalous Hall effect hysteresis loops in (Pt/Co)15/AF/(Co/Pt)15 (AF=FeMn, NiO) multilayers with perpendicular anisotropy”, Journal of Applied Physics, 2005, Vol. 97, p. 013901）。
在该文献中，显然，在不存在NiO氧化物层的情况下，两个多层NiO层的任一侧使得它们的磁化垂直于层平面。当比较图2（NiO层存在）和图3（NiO层不存在）时，页013901-3，这是清楚显然的；这些附图示出，在这两种情况下，磁性层的磁化以对于层平面来说正确的角度定向。与本发明相反，因此不存在向该堆叠贡献（lend）其垂直磁各向异性特性的分离NiO层。
上面的各种考虑表明，当前已知的磁性材料并未结合用作磁场传感器或磁性存储器的所有必要特性，即高纵向电阻率（至少几百μΩcm）、高霍尔电阻率（纵向电阻率的若干百分比）以及高垂直磁化率（至少高于具有平面磁化（即具有几十毫特斯拉量级的平面外饱和场）的传统磁性材料的磁化率的几十倍）、或甚至用于磁性存储器或磁性逻辑门类型应用的零场中的垂直磁化。
此外，对于磁性存储器或磁性逻辑门类型应用，已知的（Pt/Co）类型或镧系/过渡金属合金的材料不具有用于这种类型的应用（高电子自旋极化（如果磁阻被用于检测信号）、在退火期间的良好热稳定性、低腐蚀）的所有所需特性。
发明内容
本发明提出一种生产磁性三层非磁性/磁性/非磁性元件的装置，其中，在不存在两个非磁性层的情况下磁性层的磁化平行于层平面，并且其具有平面外各向异性场，所述平面外各向异性场具有接近于或超过其消磁场的值，以使得磁性元件或者对可以通过测量反常霍尔效应或通过测量磁阻或克尔效应或法拉第磁光效应而检测的磁场极度敏感，或者在不存在所施加的磁场的情况下具有自发垂直于层平面的磁化。
所使用的材料使得有可能结合上述各种材料的优点，即，高垂直各向异性使得有可能补偿或者甚至超过薄膜的固有形状各向异性，以及在测量霍尔效应的特定情况下，高纵向电阻率和高反常霍尔系数。
因而，本发明涉及一种三层磁性元件，其包括：在衬底上，氧化物、氢化物或氮化物层O，在其上安装有金属磁性层M，所述金属磁性层M具有安装在其上的非铁磁性金属层M’，或第二氧化物、氢化物或氮化物层O’，由此生产普通的O/M/O或O/M/M’类型结构，其中层M是连续的。
如在钴/铂多层的情况下那样，通过在磁性层与（一个或多个）氧化物、氢化物或氮化物层之间的界面处的张力和界面电子混杂（hybridization）效应，获得上述高垂直磁各向异性。如在（Co/Pt）系统中那样，磁性层因此必须是薄的（若干nm），以便与趋于在层的平面中保持磁化的体积形状各向异性相比，这些界面效应并不会变得可忽略。
归因于由与一个或多个氧化物、氮化物或氢化物层接触而出现的界面扩散所起的重要作用，通过使用因此具有高抵抗性（resistive）的磁薄膜而获得高纵向电阻率。整个堆叠的电阻因此为高。
根据本发明，磁性金属层M具有1至5nm的厚度，并且包括磁性材料、磁性合金或由非磁性和磁性材料的交替序列而形成的多层，后者选自包括Fe、Ni、Co或其合金的组。
此外，（一个或多个）氧化物、氢化物或氮化物层O和O’具有至少0.3nm的厚度，并且基于选自包括以下各项的组的元素：Al、Mg、Ru、Ta、Cr、Zr、Hf、Ti、V、Si、Cu、W、Co、Ni、Fe或其合金，以及更具体地能够形成稳定氧化物、氢化物或氮化物的任何材料或合金。
有利的是，容纳上述堆叠的衬底是由硅制成的，所述硅覆盖有2至500nm深度的以热方式或自然氧化或氮化的硅。
然而，例如，所述衬底也可以由透明材料（例如玻璃或氧化镁）制成。
根据本发明另一有利方面，磁性金属层M包含用于修改该层的垂直磁各向异性特性的添加的非磁性金属Pd或Pt、或用于修改该层的电阻率和/或其每体积单位的磁化的选自包括Si、C、B、P、N的组的元素。
根据本发明，（一个或多个）层O和O’由相同的非磁性材料制成。然而，各层O之一的化学组成可以与另一层不同。此外，两个层O和O’可以具有相同厚度，或者可以不具有相同厚度。
根据本发明，层O或O’中的至少一个可以自身包括由氧化物、氢化物或氮化物制成的多个层。
有利的是：
·磁性金属层M具有1至5nm的厚度，
·（一个或多个）层O或O’具有0.3至5nm的厚度，
·非铁磁性层M’具有0.3至20nm的厚度。
根据本发明的磁性元件有利地具有小于1μm的横向尺寸。
本发明还涉及一种用于生产所讨论的磁性元件的方法。所述方法包括：
- 在电绝缘表面上，通过阴极溅射沉积构成层O的第一金属层，
- 对该第一层O进行氧化、氢化或者氮化，
- 在该第一层O上或者直接在衬底上，通过阴极溅射沉积磁性金属层M，
- 通过阴极溅射，在该磁性金属层M上，沉积构成层O’并且随后被氧化、氮化或氢化的第二金属层，或金属层M’，
- 如果存在对通过注入电流并且测量电压来测量磁性元件的特性的需求，则建立与层M的电接触。
或者，第一步骤和第二步骤可以仅包括单个步骤，即通过例如氧化物、氢化物或氮化物层的射频溅射使用包括对应氧化物、氢化物或氮化物的目标而直接沉积。
使用根据本发明的方法，元件被切割为具有正方形、矩形、圆形或椭圆形基底的柱体，其具有几百nm或更小的横向尺寸。在仍保留相同的尺寸范围的情况下，也可以将其切割为使得有可能通过测量反常霍尔效应来检测磁信号的形状。
根据本发明的一个变形，（一个或多个）层O或O’是通过金属层的自然氧化、氢化或氮化而获得的。
根据本发明的另一变形，（一个或多个）层O或O’是通过金属层的等离子体氧化、氢化或氮化而获得的。
根据本发明又一变形，（一个或多个）层O或O’是通过在沉积室（chamber）内部的大气中的氧气、氢气或氮气中的金属层的反应溅射而获得的。
根据本发明又一变形，（一个或多个）层O或O’是通过使用合成金属氧化物、氢化物或氮化物目标材料的射频阴极溅射通过氧化物、氢化物或氮化物的直接沉积而获得的。
根据本发明又一变形，衬底自身包括充当层O的氧化物、氮化物或氢化物，或者以充当层O的氧化物、氮化物或氢化物覆盖。
根据本发明，某些层是以与环境温度不同的温度沉积的。例如，如果（一个或多个）氧化物、氢化物或氮化物层以高温（例如200°C）生长，则它们的结构质量可以改进。此外，层的沉积之后也可以是以比所述沉积温度更高的温度的热处理。情况可能如此，例如，为了鼓励层的氧化或氮化，或者为了实现无定形层的结晶化。
此外，在已经完成沉积步骤的情况下，例如可以使得因此而获得的组件在稀薄大气中或在存在特定气体或不同气体（比如氧气、氢气或氮气）的混合物的情况下经历热处理达更长或更短的时段，以便修改磁性元件的结构和/或电传输特性和/或磁特性。
用于沉积各个层或对构成堆叠的某些或所有层进行热处理的步骤可以是在存在能够修改整个堆叠的磁特性的外部磁场的情况下执行的。
本发明涉及一种磁场传感器，其包括根据本发明的三层磁性元件，后者具有几乎抵消其消磁场的垂直各向异性场。
本发明还涉及一种磁性存储器，其包括所讨论的三层磁性元件，其中，在不存在任何外部磁场的情况下，磁性层的磁化垂直于层平面。
本发明还涉及一种磁性逻辑门，其包括所述三层磁性元件，其中，在不存在任何外部磁场的情况下，磁性层的磁化垂直于层平面。
通常而言，本发明也可以用在磁畴壁位移器件（例如文献US 6920062中提出的移位寄存器）中。在这些器件中，信息是以畴（domain）的连续形式存储的，其磁化被定向为“向上”或“向下”。每一畴代表一个信息比特。它们由磁壁分离。在这些结构中可以通过注入电流而有利地替代磁壁以及因此的畴，归因于自旋传输效应该电流将在壁上尽力施加力。在接近于器件的或在器件上的给定位置中放置的霍尔效应传感器或磁阻使得有可能检测壁和畴的移动，因而追溯到（back to）与写入器件的磁信息有关。
为了确定磁性元件的磁性层的磁化的定向：
·通过在平行于层平面的方向上注入电流来测量反常霍尔效应，
·或者通过在垂直于或平行于层平面的方向上注入电流来测量磁阻，
·或者测量克尔效应或法拉第磁光效应，
·或者使用磁畴所辐射的场来影响靠近磁性元件而定位的磁阻读取头。
附图说明
图1是根据现有技术的磁性元件的特征磁化曲线的示意图。
图2是针对具有垂直磁各向异性的材料作为磁场的函数的磁化的典型变化的示意图。
已经结合本领域现有技术而描述了前面这两幅附图。
图3是根据本发明的磁性元件的第一实施例的示意图。
图4示出针对SiO2/Co 0.6nm/Pt 3.0nm类型的结构作为垂直磁场的函数的霍尔电阻的变化。
图5示出针对SiO2/Co 1.5nm/Pt 3.0nm类型的结构作为垂直磁场的函数的霍尔电阻的变化。
图6是根据本发明的磁性元件的第二实施例的示意图。
图7示出针对SiO2/AlOx 2.0nm/Co 1.5nm/Pt 3.0nm类型的结构作为垂直磁场的函数的霍尔电阻的变化。氧等离子体被用于对铝层进行氧化。
图8是根据本发明的磁性元件的第三实施例的示意图。
图9是根据本发明的磁性元件的第四实施例的示意图。
图10是根据本发明的磁性元件的第五实施例的示意图。
图11是根据本发明的磁性元件的第六实施例的示意图。
图12示出对于各种退火温度的针对SiO2/Co 1.5nm/Pt 3.0nm类型的结构作为垂直磁场的函数的霍尔电阻的变化。
图13示出对于各种退火温度的针对SiO2/AlOx 0.6nm/Co 1.5nm/Pt 3.0nm类型的结构作为垂直磁场的函数的霍尔电阻的变化。自然氧化被用于对铝层进行氧化。
图14示出对于各种退火温度的针对SiO2/AlOx 2.0nm/Co 1.5nm/Pt 3.0类型的结构作为垂直磁场的函数的霍尔电阻的变化。氧等离子体被用于对铝层进行氧化。
图15示出对于各种退火温度的针对SiO2/MgOx 1.4nm/Co 1.5nm/Pt 3.0nm类型的结构作为垂直磁场的函数的霍尔电阻的变化。自然氧化被用于对镁层进行氧化。
具体实施方式
非限定性地，并且仅仅通过示例的方式，在下述实施例中所使用的材料和技术如下。
图3是本发明的第一实施例的示意图。在此包括钴并且具有一般的小厚度的磁性层M沉积在衬底上，其具有所需的特性以替代层O并且被例如氧化或氮化后的硅覆盖，或者由例如玻璃或氧化镁组成。如果该厚度超过取决于用于层M的材料以及与和该磁性层M接触的材料的界面相互作用的强度的特定值，则如所知的那样，磁化不再垂直于层平面，这归因于趋于保持平面内的层的磁化的层M的体积形状各向异性。
对于该层M，其厚度被选择，并且首先，通过用于获得连续金属层的能力而确定。实际上，如之前所讨论的那样，某些磁性金属在氧化物（例如二氧化硅或氧化铝）上并非让人满意地浸润（wet）。在某些情况下，根据沉积金属的厚度，磁性金属趋于以或多或少不连续的斑点的形式接合。
于是可以有利地在该磁性层M上沉积非铁磁性金属M’（例如铂）的层，以便保护因此而生产的整个结构不受后续自然氧化，或者促进电流的流动。
图4图示该实施例。堆叠包括，在氧化后的硅衬底上，在3nm厚的铂层上安装的0.6nm厚的钴磁性层。可以测量作为垂直于层平面而施加的外部磁场的函数的霍尔电阻的变化。
该图4示出随着磁场的增加霍尔电阻的规则非线性增加，例如与图1所示的情形相反，在其中，容易区分对该电阻的两个线性贡献，第一个与磁化（反常贡献）成比例，并且对于所施加的较强场第二个与所施加的场（正常贡献）成比例。这意味着，在图4所示的情况下，不可能在平行于磁场的方向上完全对准（align）钴层的磁化，甚至在具有高强度场的情况下。这是所谓的“超顺磁性（superparamagnetic）”材料的特性，为此，在存在热骚动的情况下，钴的小斑点不足以磁稳定。
在其它情况下，表面张力效应对于接合成斑点来说太弱而不会发生。金属层于是可以是连续的。使得有可能获得连续的金属层的厚度的范围取决于氧化物的表面能量、金属的表面能量、氧化物/金属界面的界面能量、以及归因于金属填充层的沉积表面的浸润性。这种为了获得连续金属层的可能厚度范围因此取决于金属M和氧化物二者。
在另外其他情况下，稍微增加磁性层的厚度使得有可能将部分表面覆盖增加到上述斑点变成彼此接触的点，因此使得有可能实现期望的磁特性。
对于给定的基本材料M，可以通过以下方式来修改磁性层的厚度或者恢复期望的磁特性，所述方式是：通过减少金属的表面能量将各元素添加到能够改进衬底上的浸润性的该磁性材料，以改进氧化物/金属界面的界面能量。使用一种常用的生产方法，材料是磁性金属，例如具有1至5nm（典型地，1.5nm）的厚度的钴。
这是图5所图示的情况，图5示出针对（衬底/Co 1.5nm/Pt 3nm）类型的堆叠的作为垂直于层平面而施加的外部磁场的函数的霍尔电阻的变化。在此情况下，霍尔电阻的变化与图1中的那些一致，因为有可能在具有近似8kOe的强度的外部磁场的方向上对准钴层的磁化。
记住方程（2），显然，在此情况下，存在不可忽略的垂直各向异性贡献HS = 4πMs – HK = 18 - 8 = 10 kOe；在该方程中，假设钴层的磁化等于1430uem/cm3。
为了将器件的磁特性适用于其所意图的应用（场传感器、存储器器件或逻辑门）并且实现改进的性能，尤其在垂直磁各向异性方面，钴层可以替换为可变浓度的CoxFe1-x合金或CoxNiyFe100-x-y三元合金或具有另一非磁性元件（例如硼、硅、磷和/或碳）的这些磁性材料中的一种或多种的结晶或无定形合金。也可以使用包括磁性材料和非磁性材料的合金或多层。
图6是本发明的第二实施例的示意图。
将优选地以氧化铝制成的层O沉积在上述衬底上，该层的厚度是0.3至5nm，但后一数字并非十分严格。该层通常包括沉积的金属，例如比如已经氧化的铝。然而，铝可以由能够与氧结合以在薄层中形成高质量氧化物的任何其他元素代替，即并且例如，镁、钌、硅、钽、铬、锆、钛、铪、钒、钴、镍、铁、铜、钨以及更一般地能够形成稳定氧化物的任何材料或合金。也可以使用这些材料的合金或多层作为用于某些特定实施例的基本氧化物层。
作为对使用等离子体氧化技术的代替，也有可能通过在沉积室内部的大气中存在特定量的氧气的情况下使用所讨论的元素的反应溅射的已知技术，或者通过使用自然氧化方法，或者通过合成的MOx目标材料（其中，M表示以上提及的金属之一，并且Ox表示氧）的射频溅射而直接沉积氧化物来生产氧化物。
通过执行氮化或氢化而不是氧化来获得相似的结果。
于是将磁性层M（例如钴）沉积在该第一氧化物、氢化物或氮化物层O上，并且然后，如果适用的话沉积最后的非铁磁性金属层M’（例如铂），如结合图3所描述的本发明的第一实施例中指示的那样。
在图7中示出该第二实施例。堆叠包括，在氧化的硅衬底上，0.6nm厚的铝层（其在被沉积之后暴露于含氧的大气中），然后是安装在3nm厚的铂层上的1.5nm的钴层。可以测量作为垂直于层平面施加的外部磁场的函数的霍尔电阻的变化。
在图5的情况下，霍尔电阻的变化与图1中的那些一致，因为有可能在具有近似8kOe的强度的外部磁场的方向上对准钴层的磁化。不可忽略的垂直各向异性贡献的存在因此也是显然的。
图8和图9是根据本发明的第三实施例和第四实施例的示意图。
在此情况下，在第一实施例和第二实施例中使用的上面的非铁磁性金属层M’已经被氧化物层O’替代。这些实施例的主要吸引力在于，在平行于层平面的方向上注入的任何电流仅在磁性层中流动。如果例如该电流是为了测量霍尔电压而使用的，或者如果该电流是为了操控器件的磁状态（例如替换磁畴壁，如在文献US 6920062中那样）而使用的，则这因此显著地改进了器件的效率。
对于这些最后的两个实施例，第二氧化物层的性质、化学组成、厚度以及制造方法无需一定与衬底或第一氧化物层的那些相同。
在图10示意性示出的第五实施例中，有可能使得所讨论的层M（在此是由钴制成的层）接触于反铁磁性材料M’（例如IrMn、PtMn、FeMn或NiMn合金，已知它们感应与所述层M的交换各向异性耦合）的层。
在图11示意性示出的第六实施例中，也有可能将具有0.1至1nm的厚度的非磁性金属层（例如铂）插入在所述层M与所述材料之间，已知所述材料感应与所述层M的交换耦合。
对于上述任何实施例，有可能将连续层或这些层中的某些沉积于以不同于环境温度的温度保持的衬底上。也可能有用的是，在存在外部磁场的情况下，沉积材料。
此外，在已经完成沉积步骤的情况下，可以例如在存在或者不存在外部磁场的情况下使得因此而获得的组件在稀薄大气中或在存在特定气体或不同气体（比如氧气、氢气或氮气）的混合物的情况下经历热处理达更长或更短的时段，以便修改器件的结构和/或电传输特性和/或磁特性。
在使用第一实施例的图12以及使用第二实施例的图13、图14和图15中图示这种后沉积热处理的效应。在这些情况下，在沉积之后，在图3和图6中示意性示出的堆叠已经在稀薄的10-6mbar大气中保持20°C到400°C的温度达到30分钟，并且然后冷却到环境温度，之后再次测量它们的磁特性。
图12对应于衬底/M/M’类型的堆叠（第一实施例），其中衬底包括覆盖500nm的硅氧化物的硅；M代表由3nm厚的铂层M’覆盖的具有1.5nm的厚度的钴层。
首先，从该图清楚可知，在各种热处理之后，霍尔电阻的幅度存在显著增加。实际上，与在沉积堆叠之后立即测量幅度相比，在400°C温度的热处理之后，该幅度增加两倍。
此外，垂直饱和场HK（参见方程（2））随着退火温度提升而逐渐消失，直到在400°C的热处理之后其变为负为止（钴层的磁化于是自发地垂直于层平面）。对于中间退火温度，曲线R(H)的斜率可以达到非常高的值，这使得有可能将该堆叠用作磁场传感器。
图13、图14和图15对应于图6所图示的第二实施例，并且示出对于所使用的各种种类的氧化物以及在各种退火温度之后作为垂直于层平面而施加的磁场的函数的霍尔电阻的变化。图13对应于0.6nm厚的铝层，其随后被暴露于含氧的大气。图14对应于通过等离子体处理而氧化的1.6nm铝层，并且图15对应于随后暴露于含氧的大气的1.4nm镁层。
在这三种情况下，适当的热处理使得有可能在不存在所施加的磁场的情况下稳定在垂直于层平面的方向上钴层的磁化。
对于第二实施例、第五实施例或第六实施例，然后如果在图6、图10或图11示意性示出的堆叠的层O之前沉积具有也垂直于层平面的磁化的第一磁性层，则这产生具有垂直于层平面的磁化的磁隧道结类型结构。
因此，很有可能通过热处理而根据需要修改这种类型的材料的磁特性，以便最大化霍尔电阻，以及/或者根据所意图的应用而关于外部磁场（即其矫顽场）来调整磁化稳定性。这些热处理也具有使得磁性元件关于任何后续温度波动而在结构上更稳定的优点。
再次提醒读者，该参数（结合图2所定义的矫顽场）也可以被调整，不仅通过修改图13、图14和图15所图示的后沉积热处理的温度，而且还通过修改堆叠的组成（各层的厚度、铁磁材料的性质、第二层O’的存在或不存在），通过修改沉积条件（速率、温度、磁场），或者通过使用不同的技术或氧化条件（氧压、氧化时间、等离子体功率等）。
本发明还涉及一种用于制造根据以上描述的磁性元件的方法。该方法被限定如下——该描述并非使得权利要求成为穷举性的。
通过以0.1nm/s的量级的沉积速率的阴极溅射将在此描述的各堆叠的各个层沉积在覆盖有500nm的经过热氧化的硅的硅衬底上。
通过以下方式来生产氧化物、氢化物或氮化物层，所述方式是：首先沉积对应材料的层，然后在氧气、氢气或氮气的3 x 10-3mbar的压力下以10W量级的等离子体功率来执行该层的等离子体氧化、氢化或氮化达若干秒到若干分钟。
首先，沉积例如具有0.3至5nm量级厚度的铝层。例如，在清楚定义的压力、功率和时间条件下，样本于是经历氧等离子体。这使得有可能将金属铝转换为氧化铝。
显然，因为这种氧化铝层是电绝缘的，所以其厚度比其它金属层的厚度更不关键（critical）。然而，如果所讨论的金属的氧化物（或氢化物或氮化物）是导电的，则这就不可行。在绝缘层的情况下，确定其厚度取决于层的生长特性、可以随厚度而增加的表面粗糙度二者，因而对后续层的生长质量以及有可能取决于总厚度而改变的氧化机制有不利影响。以下示例涉及1.6nm的铝厚度，其近似等同于当金属层已被氧化时的2nm的氧化铝。
如果实际衬底（基于氧化物或氮化物的衬底）包括第一层O，则有可能省略沉积第一层O的该步骤。
然后沉积通常具有小厚度的钴层。在下述示例中，钴层的厚度被指定为1.5nm。选取相对小的厚度也使得有可能与更厚的层的电阻率相比，不会将该层的电阻率减少得太多。
反之，极大减少该厚度可以消除该层的本征磁化，或者明显减少其磁量级温度（magnetic order temperature）。在这两种情况下，这将导致在磁性元件的操作温度（即接近于环境温度）处该层的减少的有效磁化。根据方程（1），这将导致减少的霍尔电阻率，并且因此导致来自器件的更小的输出信号。对于本发明中所描述的其它类型的应用，可以将磁性层的厚度增加为直到5nm。
该氧化物/磁性金属或氢化物/磁性金属或氮化物/磁性金属双层有可能由非铁磁性金属层形成顶部（topped），其目的是保护因此而产生的整个结构不受后续自然氧化，或者促进电流的流动，或者甚至感应与磁性层的磁交换耦合。
该氧化物/磁性金属或氢化物/磁性金属或氮化物/磁性金属双层有可能由使用以上提及的各技术之一而制造的氧化物、氢化物或氮化物层形成顶部，使得有可能保护因此而产生的整个结构不受后续自然氧化，而与以上提及的情况相比，由此不使得堆叠的电阻率减少（diminish）。
最后，有可能在堆叠的沉积期间或之后实行热处理或磁处理。
采用术语“热处理”意味着使得例如因此而制备的材料在稀薄大气中或在存在特定气体或不同气体（比如氧气、氢气或氮气）的混合物的情况下经历比其被沉积的的温度更高的温度达更长或更短的时段。
采用术语“磁处理”意味着在用于沉积包括堆叠的各个层的一个或多个步骤期间或在上述各热处理步骤之一期间应用具有谨慎选取的强度和方向的磁场。
这种热和/或磁处理的目的是通过有可能中断磁性层以及/或者在其界面处形成合金来增加堆叠的纵向电阻率。这些处理也可以意图修改各层的化学或结晶结构，并且因而修改因此而产生的堆叠的磁特性。

Claims (35)

1. 一种三层磁性元件，包括：衬底上的第一氧化物、氢化物或氮化物层O，在所述第一氧化物、氢化物或氮化物层O上安装有金属磁性层M，所述金属磁性层M具有安装在其上的非铁磁性金属层M’，或第二氧化物、氢化物或氮化物层O’：
·其中层M是连续的，具有1至5nm的厚度，并且在不存在层O和O’的情况下其磁化平行于层平面，以及
·其中，对于等于或大于环境温度的温度范围，存在垂直于界面O/M和M/O’上的层平面的界面磁各向异性，其能够减少层M的有效消磁场或者以基本上垂直于层平面的方式定向层M的磁化。
2. 如权利要求1所述的三层磁性元件，其特征在于：
·磁性金属层M包括磁性材料、磁性合金或由非磁性材料和磁性材料的交替序列形成的多层，所述磁性材料选自包括Fe、Ni、Co或其合金的组；以及
·氧化物、氢化物或氮化物层O和O’具有至少0.3nm的厚度，并且基于选自包括以下各项的组的元素：Al、Mg、Ru、Ta、Cr、Zr、Hf、Ti、V、Si、Cu、W、Co、Ni、Fe或其合金，以及更一般地能够形成稳定氧化物、氢化物或氮化物的任何材料或合金。
3. 如权利要求1或2所述的三层磁性元件，其特征在于，所述衬底由硅制成，所述硅覆盖有1至500nm深度的以热方式或自然氧化或氮化的硅。
4. 如权利要求1或2所述的三层磁性元件，其特征在于，所述衬底由透明材料尤其玻璃或氧化镁制成。
5. 如权利要求1或2所述的三层磁性元件，其特征在于，所述衬底充当第一层O。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的三层磁性元件，其特征在于，层M包含添加的非磁性金属Pd或Pt或者选自包括Si、C、B、P的组的元素。
7. 如权利要求1或2所述的三层磁性元件，其特征在于，层O和O’由相同的非磁性材料制成。
8. 如权利要求1或2所述的三层磁性元件，其特征在于，层O和O’具有相同厚度。
9. 如权利要求1或2所述的三层磁性元件，其特征在于，层O和O’的厚度是不同的。
10. 如权利要求5至9中任一项所述的三层磁性元件，其特征在于：
·金属层M具有1至5nm的厚度，
·层O和O’具有0.3至5nm的厚度。
11. 如权利要求1至10中任一项所述的三层磁性元件，其特征在于，层O和O’的化学组成是不同的。
12. 如权利要求1至11中任一项所述的三层磁性元件，其特征在于，层O和O’中的至少一个自身包括由氧化物、氢化物或氮化物制成的多个层。
13. 如权利要求1至12中任一项所述的三层磁性元件，其特征在于，非铁磁性层M’由反铁磁性材料制成，已知其感应与磁性层M例如FeMn、IrMn、PtMn、NiMn的交换各向异性耦合。
14. 如权利要求13所述的三层磁性元件，其特征在于，具有0.1至1nm厚度的非磁性金属层被插入在层M和层M’之间，已知其感应与所述层M的交换各向异性耦合。
15. 如权利要求1至14中任一项所述的三层磁性元件，其特征在于，该元素自身沉积在第一磁性层的顶部，其还具有减少的有效消磁场或基本上垂直于层平面而定向的磁化。
16. 如权利要求1至15中任一项所述的三层磁性元件，其特征在于，其横向尺寸小于1μm。
17. 一种用于生产三层磁性元件的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
－通过阴极溅射在电绝缘表面上沉积第一层O，
－对该第一层O进行氧化、氮化或者氢化，
－将磁性层M沉积在该第一层O上，
－有可能重复第一步骤和第二步骤，或者将非铁磁性层M’沉积在所述层M上。
18. 如权利要求17所述的用于生产三层磁性元件的方法，其特征在于，第一层O的沉积然后氧化、氮化或氢化的步骤被省略。
19. 如权利要求17或18所述的用于生产三层磁性元件的方法，其特征在于，层O或O’是通过对应金属层的沉积然后自然氧化、氢化或氮化而获得的。
20. 如权利要求17或18所述的用于生产三层磁性元件的方法，其特征在于，层O或O’是通过对应金属层的沉积然后等离子体氧化、氢化或氮化而获得的。
21. 如权利要求17或18所述的用于生产三层磁性元件的方法，其特征在于，层O或O’是通过在沉积室内部的大气中存在氧气、氢气或氮气的情况下对应金属层的反应溅射而获得的。
22. 如权利要求17或18所述的用于生产三层磁性元件的方法，其特征在于，层O或O’是通过使用合成金属氧化物、氢化物或氮化物目标材料由射频阴极溅射直接沉积氧化物、氢化物或氮化物而获得的。
23. 如权利要求17或18所述的用于生产三层磁性元件的方法，其特征在于，以不同于环境温度的温度来进行特定层的沉积。
24. 如权利要求17或18所述的用于生产三层磁性元件的方法，其特征在于，特定层的沉积之后是以比所述沉积温度更高的温度的热处理。
25. 如权利要求17至24中任一项所述的用于生产三层磁性元件的方法，其特征在于，在完成沉积步骤之后，使得因此而获得的组件在稀薄大气中经历热处理达较长或较短的时段，以便修改磁性元件的结构和/或电传输特性和/或磁特性。
26. 如权利要求17至24中任一项所述的用于生产三层磁性元件的方法，其特征在于，在完成沉积步骤之后，使得因此而获得的组件在存在特定气体或不同气体的混合物的情况下经历热处理达较长或较短的时段，以便修改磁性元件的结构和/或电传输特性和/或磁特性。
27. 如权利要求25或26所述的用于生产三层磁性元件的方法，其特征在于，这些在沉积期间或之后的各种热处理是在存在能够修改所述磁性元件的磁特性的外部磁场的情况下实行的。
28. 一种磁场传感器，其特征在于，其包括如权利要求1至16中任一项所述的三层磁性元件，其具有几乎抵消其消磁场的垂直各向异性场。
29. 一种磁性存储器，其特征在于，其包括如权利要求1至16中任一项所述的三层磁性元件，其中，在不存在任何外部磁场的情况下，磁性层的磁化垂直于层平面。
30. 一种磁性存储器，其特征在于，其包括如权利要求1至16中任一项所述的三层磁性元件，其中，磁性层的磁化以交替向下和向上指向的磁畴的形式垂直于层平面。
31. 一种磁性逻辑门，其特征在于，其包括如权利要求1至16中任一项所述的三层磁性元件，其中，在不存在任何外部磁场的情况下，磁性层的磁化垂直于层平面。
32. 一种用于使用如权利要求28至31中任一项所述的磁场传感器、磁性存储器或磁性逻辑门的方法，其特征在于，通过在平行于层平面的方向上注入电流来测量反常霍尔效应，从而检测磁性元件的磁性层的磁化的定向。
33. 一种用于使用如权利要求28至31中任一项所述的磁场传感器、磁性存储器或磁性逻辑门的方法，其特征在于，通过测量克尔效应或法拉第磁光效应来检测磁性元件的磁性层的磁化的定向。
34. 一种用于使用如权利要求28至31中任一项所述的磁场传感器、磁性存储器或磁性逻辑门的方法，其特征在于，通过在基本上垂直于层平面的方向上注入电流来测量磁阻，从而检测磁性元件的磁性层的磁化的定向。
35. 一种用于使用如权利要求28至31中任一项所述的磁性存储器或磁性逻辑门的方法，其特征在于，通过测量靠近磁性元件而定位的磁阻传感器的磁阻来检测磁性元件的磁性层的磁化的定向。
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