CN102709467A

CN102709467A - 一种高灵敏度的CoFeB基磁隧道结

Info

Publication number: CN102709467A
Application number: CN2012101812642A
Authority: CN
Inventors: 宋成; 崔彬; 潘峰
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种具有高灵敏度的CoFeB基磁隧道结。该CoFeB基磁隧道结的结构依次包括：基片、过渡层、磁性电极层、绝缘层、磁性电极层、保护层；其中，所述磁性电极层为CoFeB层，所述过渡层为钨层。具体结构可为：Si/SiO₂/W(3-15nm)/CoFeB(5-20nm)/MgO或Al₂O₃(1-3nm)/CoFeB(5-20nm)/Ta(1-5nm)。本发明使用W替代Ta作为磁隧道结中的过渡层，可以促进CoFeB在低磁场下实现敏锐的翻转，并且具有良好的热稳定性。由于W层不容易与Co、Fe形成合金，界面处的CoFeB保持良好的非晶形貌，得到的材料矫顽力小、矩形度高。材料在退火后矫顽力和矩形度变化不大，热稳定性良好。

Description

一种高灵敏度的CoFeB基磁隧道结

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度的CoFeB基磁隧道结。

背景技术

随着信息时代的到来，海量的资源和信息对于存储设备提出了更高的要求。传统商业存储器，如静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）在无外加电压时存储的信息会丢失；而闪存（flash）虽然具有非易失性，但是其数据处理速度的提高和器件小型化遇到了难以克服的瓶颈。因此开发具有高速、高密度、低能耗和非易失性的存储材料迫在眉睫。

未来有可能商业化的磁随机存储器（MRAM）综合了上述几种随机存储器（RAM）的优点，具有非易失、高速、高密度、低能耗、低成本和抗辐射性能好等诸多优良特性。磁隧道结（MTJ）是一种理想的磁随机存储器，其主体是两层磁性电极中间夹一层隧穿层。这种结构利用了量子隧穿机理，极化电流沿垂直膜平面方向穿过势垒层时，随势垒层上下两个磁电极的磁矩平行或反平行取向不同而呈现低或高的磁电阻状态，显示出很大的磁阻变化和信号输出。

CoFeB是一种重要的半金属磁性材料，理论计算证明其具有100%的自旋极化率，因此受到人们的广泛重视，成为磁隧道结中重要的电极材料。CoFeB基磁隧道结作为磁随机存储器具有诸多其他材料不可比拟的优势：1.研究表明，CoFeB磁性电极搭配（001）织构的MgO绝缘层，可以实现高达600%以上的隧穿磁电阻变化率（TMR）；2.调整CoFeB电极厚度，可以实现垂直磁各向异性，使器件单元尺寸减小，存储密度进一步提高。另外，同其他磁隧道结一样，通过改变势垒层的种类和厚度，CoFeB基磁隧道结的结电阻在相当宽的范围内可以调节，容易与半导体电路匹配。

虽然CoFeB基磁隧道结具有诸多优良性能，但是要实现应用，器件对于磁场的灵敏度亟待提高，能耗还需要进一步降低。同其他隧道结一样，CoFeB基磁隧道结高低磁阻之间的转变要通过调节两个磁性电极磁矩的翻转完成，这就需要CoFeB具有尽量高的磁滞回线矩形度（矩形度R_S＝M_R/M_S，M_R表示剩磁，M_S代表饱和磁化强度）来实现高低磁阻间的快速转变。同时，降低磁阻间的转变磁场对于降低能耗意义重大，而转变磁场直接对应着CoFeB电极矫顽力的大小。综上所述，找到一种方法，实现CoFeB在低磁场下的快速翻转，对于提高磁隧道结的灵敏度，推动其实际应用意义重大。

磁控溅射制备CoFeB基磁隧道结是目前最常用的技术，CoFeB磁性电极需要生长在一定的过渡层上。由于过渡层和CoFeB界面之间的复杂作用，界面的选取和控制对于后续生长的CoFeB磁学性能影响的重要性不言而喻。目前CoFeB基的磁隧道结主要使用Ta作为磁性电极和基片之间的过渡层，很少有工作考虑过渡层对于CoFeB和磁隧道结性能的影响。从调整过渡层的角度出发实现CoFeB同时具有小的矫顽力和高的矩形度，有很大的发展空间。另外，由于CoFeB基隧道结的制备过程中需要对材料进行250–400°C的退火处理，新选择的过渡层还需要有较高的热稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高灵敏度的CoFeB基磁隧道结。

本发明所提供的高灵敏度的CoFeB基磁隧道结，其结构依次包括：基片、过渡层、磁性电极层、绝缘层、磁性电极层、保护层；其中，所述磁性电极层为CoFeB层，所述基片与磁性电极层之间的过渡层为钨（W）层。

本发明所述CoFeB基磁隧道结的具体结构包括：基片（Si/SiO₂）/W/CoFeB/MgO（或Al₂O₃）/CoFeB/Ta，其中，W作为过渡层，其厚度可为3-15nm；两层CoFeB作为磁性电极层，其厚度可为5-20nm，CoFeB层中三种元素的质量分数依次为：Co20%-70%，Fe 20%-70%，B 10%-20%；具有（001）织构的MgO或者非晶的Al₂O₃作为隧穿层（绝缘层），为自旋电子提供隧穿通道，其厚度可为1-3nm；Ta的作用是保护下层CoFeB薄膜免受氧化，其厚度可为1-5nm。

本发明由新的过渡层材料“W”替代传统的“Ta”，可以促进CoFeB基隧道结在低磁场下实现敏锐的翻转（在磁滞回线中表现为高的矩形度），提高隧道结的灵敏度，并且具有良好的热稳定性。

试验发现，使用磁控溅射沉积一定厚度的W作为过渡层，而后生长CoFeB和其他隧道结薄膜，得到的材料在退火前矫顽力小（H_C=4.3~4.7Oe），矩形度高（R_S=0.977~0.971）。材料在退火后仍然保持着较为稳定的性能。低温退火（退火温度小于300°C），材料的矫顽力略有增大（H_C=4.9~5.1Oe），矩形度略有降低（R_S=0.956~0.949）。退火温度升高到400°C以上后，矫顽力有比较大的变化，但仍然比较低（H_C=15.7~16.1Oe），矩形度的降低也不明显（R_S=0.933~0.929）。而使用同样工艺的等厚度Ta过渡层的CoFeB基磁隧道结，在退火前后矫顽力虽然也较低，但是矩形度很差，磁滞回线的翻转不敏锐。

具体实施方式

使用磁控溅射设备，沉积如下结构的多层薄膜W(3-15nm)/CoFeB(5-20nm)/MgO或Al₂O₃(1-3nm)/CoFeB(5-20nm)/Ta(1-5nm)。磁控溅射用的CoFeB靶材成分可以调整，调整范围为如下：Co的质量分数20%-70%，Fe的质量分数20%-70%，B的质量分数10%-20%，调整需保证三者总和100%。沉积前依次使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗。沉积过程在0.05-0.8Pa的高纯Ar(99.99%)中完成，W、CoFeB和Ta采用直流磁控溅射技术生长，MgO和Al₂O₃采用射频磁控溅射制备，制备好的材料可以有选择地进行250-600°C退火处理。随后通过紫外曝光、氩离子刻蚀结合金属剥离法的工艺将多层膜加工成尺寸为5×3μm²~100×60μm²的隧道结。

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例：

使用MSP-620D磁控溅射设备，沉积如下结构的多层薄膜W(6nm)/CoFeB(10nm)/MgO(2nm)/CoFeB(8nm)/Ta(2nm)。沉积的背底真空优于3.0×10^-5Pa，磁控溅射用的CoFeB靶材成分为Co₃₀Fe₅₀B₂₀（下标为质量百分数），沉积使用的基片为Si/SiO₂，沉积前依次使用丙酮、酒精、去离子水各超声清洗8分钟。沉积过程在0.4Pa的高纯Ar(99.99%)中完成，W、CoFeB和Ta都使用10W的较低功率生长，具有(001)织构的MgO采用功率150W的射频磁控溅射制备。通过紫外曝光、氩离子刻蚀结合金属剥离法的工艺将多层膜加工成尺寸为5×3μm²~100×60μm²的隧道结。得到的材料矫顽力退火前只有4.5Oe，矩形度R_S=0.977。样品经过275和400°C真空退火仍然保持着较为稳定的性能。275°C退火后，R_S=0.955，矫顽力H_C=4.9Oe；400°C退火后，材料的R_S=0.931，矫顽力H_C=16.1Oe。

由上述结果可知，使用磁控溅射，沉积一定厚度的W作为过渡层，得到的CoFeB基隧道结矫顽力小，矩形度高。材料在退火后仍然保持着较为稳定的性能。低温退火（退火温度小于300°C），材料的矫顽力略有增大，矩形度略有降低。退火温度升高到400°C以上后，矫顽力有比较大的变化，但仍然比较低，矩形度的降低不明显。

对比例：

采用与实施例相同的工艺，仅将过渡层W(6nm)替换成同等厚度的Ta。制备得到的隧道结矫顽力退火前虽然只有2.7Oe，但是矩形度较低R_S=0.771。样品使用与W过渡层隧道结相同的条件进行真空退火处理，275°C退火后，R_S=0.831，矫顽力H_C=3.9Oe；400°C退火后，材料的矩形度R_S只有0.598，矫顽力H_C=15.1Oe。

对比W过渡层的隧道结可知，虽然Ta过渡层隧道结在退火前后矫顽力也较低，但是矩形度很差，磁滞回线的翻转不敏锐，对应的高低磁阻状态转变的磁场灵敏度远不如W过渡层的隧道结。

对退火前的实施例和对比例得到的材料进行X射线衍射（XRD）分析，对过渡层/CoFeB界面进行高分辨透射电镜分析。整体上两种结构中的CoFeB都是非晶，W和Ta过渡层都呈现多晶状态。但是在W上生长的CoFeB界面处保持着良好的非晶状态，而Ta上生长的CoFeB在界面上有少量纳米晶存在。这很可能是由于Ta与Co、Fe的混合热较低（Fe-Ta，ΔH_f=–20kJ/mol；Co-Ta，ΔH_f＝–35kJ/mol)，而W与Co、Fe的混合热较高（Fe-W，ΔH_f＝0kJ/mol；Co-W，ΔH_f＝–2kJ/mol），Ta更容易混合进入CoFeB层中促进了Co、Fe的形核，在界面处产生的少量纳米晶。界面纳米晶的出现破坏了非晶CoFeB的原有性能，导致了材料矩形度的下降。

另外，我们的研究发现，在W上生长的CoFeB具有明显的单轴磁各向异性（UMA），这是由于W和Co、Fe有较强的杂化作用，引起Co、Fe的轨道磁矩成分上升而导致的。

Claims

1.一种CoFeB基磁隧道结，其结构依次包括：基片、过渡层、磁性电极层、绝缘层、磁性电极层、保护层，所述磁性电极层为CoFeB层；其特征在于：所述过渡层为钨层。

2.根据权利要求1所述的CoFeB基磁隧道结，其特征在于：所述CoFeB基磁隧道结的结构依次包括：基片、钨层、CoFeB层、MgO或Al₂O₃层、CoFeB层、Ta层。

3.根据权利要求1或2所述的CoFeB基磁隧道结，其特征在于：所述钨层的厚度为3-15nm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的CoFeB基磁隧道结，其特征在于：所述CoFeB层的厚度为5-20nm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的CoFeB基磁隧道结，其特征在于：所述CoFeB层中三种元素的质量含量分别为：Co 20%-70%，Fe 20%-70%，B 10%-20%。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的CoFeB基磁隧道结，其特征在于：所述MgO或Al₂O₃层的厚度为1-3nm。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的CoFeB基磁隧道结，其特征在于：所述MgO为具有（001）织构的MgO；所述Al₂O₃为非晶Al₂O₃。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的CoFeB基磁隧道结，其特征在于：所述Ta层的厚度为1-5nm。