CN104009151A - 闭合形状的磁性隧道结 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种闭合形状的磁性隧道结。包括磁性固定层、磁性自由层以及设置在磁性固定层和磁性自由层之间的阻挡层；磁性自由层包括至少一组复合子层；复合子层由第一磁性层/非磁性层/第二磁性层组成。通过在磁性隧道结中设置具有至少一组复合子层的磁性自由层，由于该磁性自由层与参考层的磁矩成闭合状且磁性自由层包括至少一组复合子层，可消除层间和相邻单元的杂散磁场、避免层间和相邻单元间的磁性耦合干扰，增强了铁磁耦合自由层的形状各向异性，提高了热稳定性，降低了临界电流密度，避免了使用外磁场或者由较大脉冲电流产生的合成磁场来操控磁化状态所带来的结构和工艺上的复杂性，满足大规模产品化的要求。
Description
技术领域
本发明涉及磁性隧道结技术领域，特别是涉及一种闭合形状的磁性隧道结。
背景技术
20世纪80年代以巨磁电阻(Giant Magnetoresistane，GMR)的发现为标志的自旋电子学诞生，自此，以磁性多层膜为研究核心的自旋电子学迅速发展。巨磁电阻现象最早发现于1988年，Baibich等人在低温下的反铁磁耦合的Fe/Cr多层膜中发现了50％左右的磁电阻变化率。种情况下多层膜处于高阻态。通过施加足够强的外场克服反铁磁耦合后，Fe层的磁矩都会沿外场方向平行排列，这种情形多层膜处于低阻态。这种通过施加外场而使相邻铁磁层磁矩的相对取向发生变化，从而引起电阻变化的效应就称之为巨磁电阻效应。
GMR效应由于其高的磁电阻比值和高灵敏度而广泛应用于磁电阻性传感器。基于GMR效应的器件具有灵敏度高、体积小、功耗低、抗辐射等优点。特别是GMR应用于计算机读出磁头，使数据存储密度呈指数增长，给计算机信息存储领域带来一场深刻的变革。继GMR效应发现之后，室温下的巨大隧穿磁电阻(Tunneling Magnetoresistance，TMR)效应于1995年被发现，掀起了磁性隧道结的研究热潮。研究人员基于GMR和TMR效应设计的磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)具有非易失性、抗辐射、寿命长、速度快等优点而备受工业界关注。但是传统的MRAM设计模型，结构和工艺十分复杂，给器件的加工和集成带来很大的不便。另外，基于自旋转移力矩效应的MRAM，利用电流自身实现对存储单元磁化状态的操控，大大简化了器件结构和加工工艺。
目前所使用的存储单元均采用非闭合式单自由层结构，该结构在高密度、小尺寸存储单元下将会带来较大杂散磁场，由于常规结构带来的漏磁场影响，使磁性多层膜的磁化状态不易改变，导致其临界电流密度Jc太高，对存储单元的磁电性能的均匀一致性带来许多不利的影响，不利于器件的应用。另一方面，随着记录密度的提高，存储单元的尺寸不断减小，受热扰动的影响越来越显著，提高单自由层结构的热稳定性成为亟待解决的问题；随着存储单元之间间距减小，存储单元之间的近邻相互作用也越来越大，如噪声和近邻单元间的磁耦合和磁干扰以及热效应和散热问题等，给器件的加工、集成和使用带来了许多不利因素，并且对器件的性能产生不良的影响。
为了克服这些问题，需要出现一种新的几何结构和设计来消除磁性隧道结自身的漏磁场和相邻单元的耦合，以降低临界电流密度并提高热稳定性。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种闭合形状的磁性隧道结，该闭合形状的磁性隧道结具有低的临界电流密度以及高的热稳定性。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种闭合形状的磁性隧道结，包括磁性固定层、磁性自由层以及设置在磁性固定层和磁性自由层之间的阻挡层；磁性自由层包括至少一组复合子层；复合子层由第一磁性层/非磁性层/第二磁性层组成。
进一步地，磁性自由层包括多组复合子层；其中，多组复合子层依次排列。
进一步地，磁性自由层中所含的复合子层的组数≤5。
进一步地，非磁性层为非磁性金属层，非磁性金属层选自Ta、Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au中的一种或多种合金。
进一步地，非磁性层的厚度使得第一磁性层和第二磁性层形成铁磁耦合；可选地，非磁性层的厚度为0.2～2.5.nm。
进一步地，非磁性层的厚度使得第一磁性层和第二磁性层形成反铁磁耦合；可选地，非磁性层的厚度为0.2～2.5nm。
进一步地，第一磁性层和第二磁性层为具有垂直各向异性的铁磁金属；优选地，第一磁性层和第二磁性层选自[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[CoFe/Pt]n、[CoFe/Pd]n、[Co/Ni]n、GdCoFeTbCoFe和[CoFeB/MgO]n中的一种或多种，其中，n取2～10之间的正整数。
进一步地，阻挡层的材料选自非晶Al2O3、单晶MgO、ZnO、HfO2、Alq3、LB有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs、尖晶石结构的单晶MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4中的一种或多种；优选地，阻挡层的厚度为0.5～5nm。
进一步地，磁性隧道结还包括设置在磁性自由层上的覆盖层；优选地，覆盖层的厚度为5～30nm，覆盖层的材料选自Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt和Cu中的一种或多种。
进一步地，磁性隧道结的横截面呈闭合的正N边环形或者椭圆环，其中N>3；正N边环形的内边长为0～200nm，外边长为10～300nm；椭圆环的环宽为10～100nm，内环短轴的长度为0～200nm，外环短轴的长度为10～300nm，短轴与长轴的长度比为1:1～1:5。
进一步地，磁性固定层为硬磁层。
进一步地，磁性固定层为反铁磁钉扎层与被钉扎磁性层。
应用本发明的技术方案，通过改变磁性隧道结的层间结构和几何结构，即在磁性隧道结中设置具有至少一组复合子层的磁性自由层，并且将该复合子层限定为由第一磁性层/非磁性层/第二磁性层组成。具体分析，由于磁性自由层与参考层的磁矩成闭合状，可消除层间和相邻单元的杂散磁场、避免层间和相邻单元间的磁性耦合干扰，有利于提高器件的集成密度和热稳定性，降低临界翻转电流密度，避免了使用外磁场或者由较大脉冲电流产生的合成磁场来操控磁化状态所带来的结构和工艺上的复杂性，满足大规模产品化的要求。由于磁性自由层为包含复合子层的复合自由层结构，使得铁磁耦合自由层的形状各向异性增强，有助于进一步提高热稳定性，而反铁磁耦合自由层界面处的自旋积累可以提高自旋转移力矩效率，有助于进一步降低临界电流密度。
本发明所提供的包含复合子层的磁性隧道结不仅可以克服临界电流密度低以及热稳定性差的问题，而且更适合于器件化的磁性随机存取存储器、新型磁性隧道结传感器的制备，可广泛地应用于以磁性隧道结为核心的各种器件，例如，磁性随机存储器，计算机磁头，磁敏传感器等。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1为本发明一种典型实施例的磁性隧道结中复合子层的剖面结构示意图；
图2a-2b为本发明的复合子层中两磁性层为“洋葱态”排布，耦合方式为反铁磁耦合时两磁性层的顶视图，其中，箭头表示磁矩排布方式；
图3a-3b为本发明的复合子层中两磁性层为“洋葱态”排布，耦合方式为铁磁耦合时两磁性层的顶视图，其中，箭头表示磁矩排布方式；
图4a-4b为本发明的复合子层中两磁性层为“涡旋态”排布，耦合方式为反铁磁耦合时两磁性层的顶视图，其中，箭头表示磁矩排布方式；
图5a-5b为本发明的复合子层中两磁性层为“涡旋态”排布，耦合方式为铁磁耦合时两磁性层的顶视图，其中，箭头表示磁矩排布方式；
图6为本发明的具有垂直各向异性的两磁性层的铁磁耦合方式示意图；
图7为本发明的具有垂直各向异性的两磁性层的反铁磁耦合方式示意图；
图8a-8b为本发明的无钉扎型含复合子层的闭合正六边形状的磁性隧道结的结构示意图，其中，复合子层位于势垒层上部，图8a为顶视图，图8b为剖面结构示意图；
图9a-9b为本发明的无钉扎型含复合子层的闭合正六边形状的磁性隧道结的结构示意图，其中，复合子层位于势垒层下部，图9a为顶视图，图9b为剖面结构示意图；
图10a-10b为本发明的无钉扎型含复合子层的闭合椭圆环形状的磁性隧道结的结构示意图，其中，复合子层位于势垒层上部，图10a为顶视图，图10b为剖面结构示意图；
图11a-11b为本发明的无钉扎型含复合子层的闭合椭圆环形状的磁性隧道结的结构示意图，其中，复合子层位于势垒层下部，图11a为顶视图，图11b为剖面结构示意图；
图12a-12b为本发明的钉扎型含复合子层的闭合正六边形状的磁性隧道结的结构示意图，其中，复合子层位于势垒层上部，图12a为顶视图，图12b为剖面结构示意图；
图13a-13b为本发明的钉扎型含复合子层的闭合椭圆环形状的磁性隧道结的结构示意图，其中，复合子层位于势垒层上部，图13a为顶视图，图13b为剖面结构示意图；
图14a-14b为本发明的钉扎型含复合子层的闭合正六边形状的双势垒层磁性隧道结的结构示意图，其中，复合子层位于双势垒层中间，图14a为顶视图，图14b为剖面结构示意图；
图15a-15b为本发明的钉扎型含复合自由层的闭合椭圆环形状的双势垒层磁性隧道结的结构示意图，其中，复合子层位于双势垒层中间，图15为顶视图，图15b为剖面结构示意图；
具体实施方式
为了解决现有技术中的磁性隧道结系统物理结构上的缺陷，克服其临界电流密度低以及热稳定性差的问题，本发明提供了一种闭合形状磁性隧道结。如图1所示，该闭合形状的磁性隧道结包括磁性固定层10、磁性自由层20以及设置在磁性固定层10和磁性自由层20之间的阻挡层30。其中，磁性自由层20包括至少一组复合子层21。复合子层21由第一磁性层211/非磁性层212/第二磁性层213组成，即复合子层21由依次层叠设置的第一磁性层211、非磁性层212和第二磁性层213组成。通过在磁性隧道结中设置具有复合子层21的磁性自由层20，使得本发明的磁性隧道结具有无漏磁、高热稳定性及低临界翻转电流密度的优势。
磁性自由层20可以包括多组复合子层21。其中，多组复合子层21依次排列。在本发明的一个优选实施例中，磁性自由层20中所含的复合子层21的组数≤5。尽管在图1中仅示例性地示出了一个复合子层的结构，但是可以理解，在其它实施例中，磁性隧道结可以包括更多个与图1相似的复合子层结构，这些复合子层结构可以以例如依次排列的方式形成在阻挡层30上。
在本发明的一个优选实施例中，非磁性层212的厚度使得第一磁性层211和第二磁性层213形成铁磁耦合。可选地，非磁性层212的厚度为0.2～2.5nm。在本发明的另一个优选实施例中，非磁性层212的厚度使得第一磁性层211和第二磁性层213形成反铁磁耦合。可选地，非磁性层212的厚度为0.2.～2.5nm。由于两磁性层的耦合方式和强度随着非磁性层212的厚度变化而变化，当第一磁性层211和第二磁性层213形成铁磁耦合时，可以增强存储单元自由层的各向异性，能够得到更高的热稳定性。
其中，第一磁性层211和第二磁性层213采用自旋极化率较高的铁磁金属，该铁磁金属分为两种，一种为面内各向异性，一种为垂直各向异性。在一种优选实施例中，具有面内各向异性的铁磁金属优选Co、Fe、Ni或者这些铁磁金属的合金，优选CoFe、NiFeCo、CoFeB、NiFe、CoFeSiB等；或者稀磁半导体材料，优选GaMnAs、GaMnN等；以及半金属材料，优选CoMnSi、CoFeAl、CoFeSi、CoMnAl、CoFeAlSi、CoMnGe、CoMnGa、CoMnGeGa、La1-xSrxMnO3、La1-xCaxMnO3等，厚度可以从4～20nm内选择。具有垂直各向异性的铁磁金属优选[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[CoFe/Pt]n、[CoFe/Pd]n、[Co/Ni]n、[CoFeB/MgO]n等多层膜。其中，Co、CoFe或者CoFeB的厚度可以从0.2～1nm范围内选择。Pd或者Pt的厚度可以从0.5～2nm范围内选择，周期n可以从2～10内选择；以及L10相的(Co,Fe)-Pt合金，厚度可以从1～10nm范围内选择；以及稀土-过渡金属合金，优选GdCoFe、TbCoFe，厚度可以从1～10nm范围内选择。
在一个实施例中，非磁性层212为非磁性金属层，非磁性金属层选自Ta、Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag和Au中的一种或多种合金。厚度可以从0.2～3nm的范围内选择。
对于具有面内各向异性的情况，当存储单元减小到纳米尺度下，在一个实施例中，闭合形状的磁性层的磁矩排布会出现“洋葱态”，如图2a-2b和图3a-3b所示，其中，“洋葱态”的反铁磁耦合如图2a-2b所示，铁磁耦合如图3a-3b所示。在其它实施例中，闭合形状的磁性层的磁矩排布会出现“涡旋态”，如图4a-4b和图5a-5b所示，其中，“涡旋态”的反铁磁耦合如图4a-4b所示，铁磁耦合如图5a-5b所示。对于具有垂直各向异性的情况，铁磁耦合如图6所示，反铁磁耦合如图7所示。
在一个优选实施例中，阻挡层30为绝缘体势垒层，阻挡层的材料选自非晶Al2O3、单晶MgO、ZnO、HfO2、Alq3、LB有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs或者尖晶石结构的单晶MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4中的一种或多种。进一步优选地，阻挡层30的厚度为0.5～5nm。
在一个具体实施例中，还包括设置在磁性自由层20上的覆盖层40。覆盖层40采用不易氧化且导电性较好的金属层，包括单层或者复合多层金属薄膜。其材料优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt或Cu。厚度为5～30nm。通过设置覆盖层可以保护材料不被氧化。
具体地，本发明的包含复合自由层的闭合形状的磁性隧道结，按照形成材料分类，包括无钉扎型闭合形状的磁性隧道结和钉扎型闭合形状的磁性隧道结。
其中，无钉扎型闭合形状的磁性隧道结的核心结构包括一衬底及位于衬底上的下部缓冲导电层。在下部缓冲导电层上依次沉积有硬磁层、势垒层、磁性自由层及覆盖层。
在本发明的优选实施例中，磁性隧道结的横截面呈闭合的正N边环形或者椭圆环，其中N>3。正N边环形的内边长为0～200nm，外边长为10～300nm。椭圆环的环宽为10～100nm，内环短轴的长度为0～200nm，外环短轴的长度为10～300nm，短轴与长轴的长度比为1:1～1:5。
图8a-8b示出了本发明的无钉扎型含复合子层的闭合正六边形状的磁性隧道结的结构图，可以看出，复合子层21位于势垒层(即阻挡层30)上部，在图8a-8b中省略了底部的衬底、下部缓冲导电层以及顶部的覆盖层。图9a-9b示出了复合子层21位于势垒层(即阻挡层30)下部的无钉扎型含复合子层的闭合正六边形状的磁性隧道结的结构图。
图10a-10b为本发明的无钉扎型含复合子层的闭合椭圆环形状的磁性隧道结的结构示意图，其中，复合子层位于势垒层上部，图10a为顶视图，图10b为剖面结构示意图。图11a-11b示出了复合子层21位于势垒层(即阻挡层30)下部的无钉扎型含复合子层的闭合椭圆环形状的磁性隧道结的结构图。
钉扎型闭合形状磁性隧道结包括一衬底及其上的下部缓冲导电层，在下部缓冲导电层上依次沉积的反铁磁钉扎层(11)、被钉扎磁性层(12)、势垒层(即阻挡层30)、磁性自由(20)以及覆盖层。与无钉扎型相同，在本发明的优选实施例中，磁性隧道结的横截面呈闭合的正N边环形或者椭圆环，其中N>3。正N边环形的内边长为0～200nm，外边长为10～300nm。椭圆环的环宽为10～100nm，内环短轴的长度为0～200nm，外环短轴的长度为10～300nm，短轴与长轴的长度比为1:1～1:5。
反铁磁钉扎层(11)与被钉扎磁性层(12)组成磁性固定层(10)，其中，反铁磁钉扎层(11)由具有反铁磁性的合金组成，优选PtMn、IrMn、FeMn和NiMn，厚度可以从3～30nm范围内选择；或者选自具有反铁磁性的氧化物，优选CoO、NiO，厚度可以从5～50nm范围内选择。
其中，被钉轧磁性层(12)分为两类，一类是铁磁层，一类是人工反铁磁层。铁磁层的材料与第一磁性层211及第二磁性层213的材料相同。人工反铁磁层结构为磁性层/非磁性层/磁性层。磁性层的材料也与第一磁性层211及第二磁性层213的材料相同。非磁性层的材料一般采用Ta、Ru、Cu、Cr、Au、Ag、V、W、Pt、Pd等，厚度为0.5～2nm，两磁性层通过非磁性层形成反铁磁耦合。
图12a-12b示出了本发明的钉扎型含复合子层的闭合正六边形状的磁性隧道结的结构图，其中省略了底部的衬底、下部缓冲导电层以及顶部的覆盖层。从图12a-12b中可以看出，复合子层21位于势垒层(即阻挡层30)上部。图13a-13b示出了本发明的钉扎型含复合子层的闭合椭圆环形状的磁性隧道结的结构示意图，同样省略了底部的衬底、下部缓冲导电层以及顶部的覆盖层。图14a-14b示出了钉扎型含复合子层的闭合正六边形状的双势垒层磁性隧道结的结构示意图，其中，复合子层位于双势垒层中间。图15a-15b示出了钉扎型含复合自由层的闭合椭圆环形状的双势垒层磁性隧道结的结构示意图，同样，复合子层位于双势垒层中间。
无论是无钉扎型的闭合形状磁性隧道结和钉扎型的闭合形状磁性隧道结，衬底均为常规的衬底材料。在本发明的一个优选实施例中，衬底材料选自Si、Si/SiO2、SiC、SiN、MgO、SrTiO3或GaAs，衬底的厚度在0.3～1mm中选择。下部缓冲导电层由金属材料组成，优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、W、Ti、Cu或Al，厚度为5～200nm。硬磁层(即磁性固定层10)所采用的材料与第一磁性层211和第二磁性层213的材料相同，军事采用自旋极化率较高的铁磁金属。
本发明的目的在于克服现有的磁性隧道结系统物理结构上的缺陷，通过改变隧道结的层间结构和几何结构，提供一种无漏磁、高热稳定性、低临界翻转电流密度的闭合形状磁性隧道结及其用途。
下面将会结合更具体的实施例进一步说明本发明的方法。
实施例1
制备无钉扎型闭合正六边形状含复合磁性自由层的面内磁性隧道结
1)采用高真空磁控溅射法在厚度为1mm的清洗干净的Si/SiO2衬底上依次沉积，形成厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta、厚度为20nm的下部缓冲导电层Ru、厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta以及厚度为5nm的硬磁层Co40Fe40B20；继续沉积形成厚度为1nm的Al，经等离子体氧化50秒形成的绝缘层作为势垒层。继续沉积形成厚度为4nm的磁性自由层，即复合子层(第一磁性层/非磁性层/第二磁性层)。其中，第一磁性层为厚度为2nm的Co40Fe40B20，非磁性层为厚度0.8nm的Ru，第二磁性层为厚度2nm的Co40Fe40B20，覆盖层为厚度4nm的Ru。
上述沉积及生长条件如下：
真空：5×l0-7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；在沉积硬磁层和磁性自由层时，施加500Oe平面诱导磁场。
2)将沉积好的磁性多层膜采用常规的微加工技术进行加工：
即首先进行涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的闭合正六边形对基片进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成闭合形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成闭合状正六边形几何结构。正六边形内边边长为50nm，环宽为100nm。
3)在刻蚀成形的闭合形状的磁性隧道结上沉积一层厚度为100nm的SiO2绝缘层。可以采用磁控溅射法、电子束蒸发法、脉冲激光沉积法、电化学沉积法及分子束外延技术等，将各闭合形状多层膜进行掩埋并且相互隔离。
4)采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有形状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的形状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为10nm的导电层Au，生长条件如前所述。
5)用常规半导体微加工工艺加工出电极。即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的无钉扎型形状磁性隧道结，其结构如图8a-8b所示。
实施例2
制备无钉扎型闭合正六边形状含复合磁性自由层的垂直磁性隧道结
1)采用高真空磁控溅射法在厚度为1mm的清洗干净的Si/SiO2衬底上依次沉积，形成厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta、厚度为20nm的下部缓冲导电层Ru、厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta。继续沉积形成厚度为4nm的磁性自由层，即复合子层(第一磁性层/非磁性层/第二磁性层)。第一磁性层为厚度3nm的[Co0.5/Pt1]2，非磁性层为厚度0.8nm的Ru，第二磁性层为厚度为3nm的[Co0.5/Pt1]2；然后沉积1nm的Al，经等离子体氧化50秒形成的绝缘层作为势垒层，厚度为6nm的硬磁层[Co0.5/Pt1]4，厚度为4nm的覆盖层Ru。
后续步骤2)、3)、4)及5)与实施例1中的操作步骤相同。得到无钉扎型形状磁性隧道结，其结构如图9a-9b所示。
实施例3
制备无钉扎型闭合椭圆形状含复合磁性自由层的面内磁性隧道结
步骤1)、2)、3)、4)和5)与实施例1中的操作步骤相同，不同之处在于制备的为闭合状椭圆环几何结构的无钉扎型形状磁性隧道结，具体见图10a-10b。其中椭圆环短轴的内径为30nm，短轴外径为60nm，长轴内径为60nm，长轴外径为90nm。
实施例4
制备无钉扎型闭合椭圆形状含复合磁性复合层的垂直磁性隧道结
步骤1)、2)、3)、4)和5)与实施例1中的操作步骤相同，不同之处在于制备的为闭合状椭圆环几何结构，具体见图11a-11b。椭圆环短轴的内径为30nm，短轴外径为60nm，长轴内径为60nm，长轴外径为90nm。最终制备的钉扎型形状磁性隧道结的结构见图11a-11b。
实施例5
制备钉扎型闭合正六边形含复合自由层的面内磁性隧道结
1)采用高真空磁控溅射法在厚度为1mm的Si/SiO2衬底上依次沉积，形成厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta、厚度为20nm的下部缓冲导电层Ru、厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta以及厚度为10nm的反铁磁钉扎层IrMn，厚度为4nm的被钉扎磁性层Co40Fe40B20；继续沉积1nm的Al，经等离子体氧化50秒形成的绝缘层作为势垒层。继续沉积形成厚度为4nm的磁性自由层，即复合子层(第一磁性层/非磁性层/第二磁性层)。其中，第一磁性层的厚度为2nm的Co40Fe40B20，非磁性层为厚度为0.8nm的Ru，第二磁性层为厚度为2nm的Co40Fe40B20，覆盖层为厚度4nm的Ru。
上述沉积及生长条件如下：
真空：5×l0-7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；在沉积硬磁层和磁性自由层时，施加500Oe平面诱导磁场。
2)将沉积好的磁性多层膜采用常规的微加工技术进行加工：
即首先进行涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的闭合正六边形对基片进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成闭合形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成闭合状正六边形几何结构。正六边形内边边长为50nm，环宽为100nm。
3)利用电子束蒸发法在刻蚀成形的闭合形状的磁性隧道结上沉积一层厚度为100nm的SiO2绝缘层，将各闭合形状多层膜进行掩埋并且相互隔离。
4)采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有形状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的形状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为10nm的导电层Au，生长条件如前所述。
5)用常规半导体微加工工艺加工出电极。即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的钉扎型形状磁性隧道结，其结构如图12a-12b所示。
实施例6
制备钉扎型闭合正六边形含复合自由层的面内磁性隧道结
1)采用高真空磁控溅射法在厚度为1mm的Si/SiO2衬底上依次沉积，形成厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta、厚度为20nm的下部缓冲导电层Ru、厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta以及厚度为10nm的反铁磁钉扎层IrMn，结构为CoFe(2.5nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(3nm)的人工反铁磁层。继续沉积1nm的Al，经等离子体氧化50秒形成的绝缘层作为势垒层。继续沉积形成厚度为4nm的复合自由层，即复合子层(第一磁性层/非磁性层/第二磁性层)。其中，第一磁性层的厚度为2nm的Co40Fe40B20，非磁性层为厚度为0.8nm的Ru，第二磁性层为厚度为2nm的Co40Fe40B20，覆盖层为厚度4nm的Ru。
上述沉积及生长条件如下：
真空：5×l0-7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；在沉积硬磁层和磁性自由层时，施加500Oe平面诱导磁场。
2)将沉积好的磁性多层膜采用常规的微加工技术进行加工：
即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的闭合圆形状对基片进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成闭合形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成闭合正六边形几何结构，正六边形内边边长为50nm，环宽为200nm。
3)利用电化学沉积法在刻蚀成形的闭合形状的磁性隧道结上沉积一层厚度为100nm的SiO2绝缘层，将各闭合形状多层膜进行掩埋并且相互隔离。
4)采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有形状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的形状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为10nm的导电层Au，生长条件如前所述。
5)用常规半导体微加工工艺加工出电极。首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的钉扎型正六边形状磁性多层膜，其结构如图12a-12b所示。
实施例7
制备钉扎型闭合椭圆形状含复合自由层的面内磁性隧道结
其制备方法和步骤与实施例5中相同，不同之处在于形成闭合状椭圆环几何结构，椭圆环短轴的内径为30nm，短轴外径为60nm，长轴内径为60nm，长轴外径为90nm。最终得到的钉扎型椭圆环状磁性隧道结，其结构如图13a-13b所示。
实施例8
制备钉扎型闭合椭圆形状含复合自由层的面内磁性隧道结
其制备方法和步骤与实施例6中相同，不同之处在于形成闭合状椭圆环几何结构，椭圆环短轴的内径为30nm，短轴外径为60nm，长轴内径为60nm，长轴外径为90nm。最终得到的钉扎型形状磁性隧道结，其结构如图13a-13b所示。
实施例9～15
按照与实施例1相同的方法，利用微加工方法制备无钉扎型闭合正八边形包含磁性复合层的磁性隧道结，即磁性层均为面内各向异性。其中，各层材料和厚度详见表1。
表1
实施例16～22
按照与实施例2中相同的方法，利用微加工方法制备无钉扎型闭合正八边形包含磁性复合层的垂直磁性隧道结，即磁性层均为垂直各向异性。其中，磁性多膜层的材料和厚度详见表2。
表2
实施例23～29
按照与实施例3相同的方法，利用微加工方法制备无钉扎型闭合椭圆形状包含磁性复合层的面内磁性隧道结，即各铁磁层均为面内各向异性。其中，各磁性多膜层的材料和厚度详见表3。
表3
实施例30～36
按照与实施例4相同的方法，利用微加工方法制备无钉扎型闭合椭圆形状包含磁性复合层的垂直磁性隧道结，即磁性层均为垂直各向异性。其中各磁性多膜层的材料和厚度详见表4。
表4
实施例37～43
按照与实施例5和6相同的方法，利用微加工方法制备钉扎型闭合正十二边形包含磁性复合层的磁性隧道结。各磁性多膜层的材料和厚度详见表5。
表5
实施例44～50
按照与实施例7和8相同的方法，利用微加工方法制备钉扎型闭合椭圆形状包含磁性复合层的磁性隧道结。各磁性多膜层的材料和厚度详见表6。
表6
实施例51～56
按照与实施例7和8相同的方法，利用微加工方法制备钉扎型闭合椭圆形状包含磁性复合层的垂直磁性隧道结。各磁性多膜层的材料和厚度详见表7。
表7
实施例57.
制备闭合圆形状含磁性复合层的双势垒型磁性隧道结
1)采用高真空磁控溅射法在厚度为1mm的清洗干净的Si/SiO2衬底上依次沉积厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta、厚度为10nm的第一反铁磁钉扎层IrMn、厚度为5nm的第一被钉扎磁性层CoFeB、厚度为1nm的第一势垒层Al2O3。继续沉积形成厚度为4nm磁性自由层，即复合子层(第一磁性层/非磁性层/第二磁性层)，磁性自由层的厚度为4nm。其中，第一磁性层为厚度为2nm的Co40Fe40B20，非磁性层为0.8nm厚的Ru，第二磁性层为2nm厚的Co40Fe40B20。然后继续沉积，形成厚度1nm的第二势垒层Al2O3，厚度为5nm的第二被钉扎磁性层CoFeB、厚度为10nm的第二反铁磁钉扎层IrMn及厚度为5nm的覆盖层Ru。
上述沉积及生长条件如下：
真空：5×l0-7帕；溅射用高纯度氧气气压：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；在沉积第一反铁磁钉扎层、第二反铁磁钉扎层、第一被钉扎磁性层、第二被钉扎磁性层和磁性复合层时，施加500e平面诱导磁场。
2)将沉积好的磁性多层膜采用常规的微加工技术进行加工：
即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的闭合圆形状对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成闭合形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成闭合圆形状几何结构，圆环内径为100nm，环宽为30nm。
3)在刻蚀成形的闭合形状的磁性隧道结上沉积一层厚度为50nm的SiO2绝缘层。可以采用磁控溅射法、电子束蒸发法、脉冲激光沉积法、电化学沉积法及分子束外延技术等，将各闭合形状多层膜进行掩埋并且相互隔离。
4)采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有形状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的形状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为5nm的导电层Au，生长条件如前所述。
5)用常规半导体微加工工艺加工出电极。
即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的闭合六边形形状含磁性复合层的双势垒型磁性隧道结，其结构示意图如图14a-14b所示。
实施例58
制备闭合椭圆形状含磁性复合层的双势垒型磁性隧道结
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的SiO/Si衬底上依次沉积厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta、厚度为10nm的第一反铁磁钉扎层IrMn、厚度为5nm的第一被钉扎磁性层CoFeB、厚度为1nm的第一势垒层Al2O3。继续沉积形成厚度为4nm磁性自由层，即复合子层(第一磁性层/非磁性层/第二磁性层)，其中，第一磁性层为厚度2nm的Co40Fe40B20，非磁性层为0.8nm厚的Ru，第二磁性层为2nm厚的Co40Fe40B20。然后继续沉积，形成厚度为1nm的第二势垒层Al2O3，厚度5nm的第二被钉扎磁性层CoFeB、厚度10nm的第二反铁磁钉扎层IrMn及厚度为5nm的覆盖层Ru。
上述沉积及生长条件如下：
真空：5×l0-7帕；溅射用高纯度氧气气压：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；在沉积第一反铁磁钉扎层、第二反铁磁钉扎层、第一被钉扎磁性层、第二被钉扎磁性层和复合自由层时，施加500e平面诱导磁场。
2)将沉积好的磁性多层膜采用常规的微加工技术进行加工：
首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的闭合椭圆形状对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成闭合形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成闭合椭圆形状几何结构，椭圆环短轴的内径为20nm，短轴外径为60nm，长轴内径为100nm，长轴外径为140nm。
3)在刻蚀成形的闭合形状的磁性隧道结上沉积一层厚度为50nm的SiO2绝缘层。可以采用磁控溅射法、电子束蒸发法、脉冲激光沉积法、电化学沉积法及分子束外延技术等，将各闭合形状多层膜进行掩埋并且相互隔离。
4)采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有形状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的形状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为5nm的导电层Cu，生长条件如前所述。
5)用常规半导体微加工工艺加工出电极。
即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的闭合椭圆环形状的含磁性复合层的双势垒型磁性隧道结，其结构示意图如图15a-15b所示。
实施例59
制备钉扎型闭合正六边形含复合自由层的面内磁性隧道结。
1)采用高真空磁控溅射法在厚度为1mm的Si/SiO2衬底上依次沉积，形成厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta、厚度为20nm的下部缓冲导电层Ru、厚度为5nm的下部缓冲导电层Ta以及厚度为10nm的反铁磁钉扎层IrMn，结构为CoFe(2.5nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(3nm)的人工反铁磁层。
继续沉积1nm的Al，经等离子体氧化50秒形成的绝缘层作为势垒层。继续沉积磁性自由层，该磁性自由层包含双复合子层(第一复合子层/非磁性层/第二复合子层)。第一复合子层包含第一磁性层/非磁性层1/第二磁性层，其中第一磁性层为2nm的Co40Fe40B20，非磁性层1为厚度为0.4nm的Ru，第二磁性层为厚度为2nm的Co40Fe40B20；第二复合子层包含第三磁性层/非磁性层2/第四磁性层，其中第三磁性层为厚度为2nm的NiFe，非磁性层2为厚度为0.4nm的Ru，第四磁性层为厚度为2nm的NiFe，覆盖层为厚度4nm的Ru。
后续步骤2)、3)、4)及5)与实施例6中的操作步骤相同。最终得到钉扎型闭合正六边形含复合自由层的面内磁性隧道结。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种闭合形状的磁性隧道结，包括磁性固定层(10)、磁性自由层(20)以及设置在所述磁性固定层(10)和所述磁性自由层(20)之间的阻挡层(30)；
所述磁性自由层(20)包括至少一组复合子层(21)；所述复合子层(21)由第一磁性层(211)/非磁性层(212)/第二磁性层(213)组成。
2.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述磁性自由层(20)包括多组所述复合子层(21)；其中，多组所述复合子层(21)依次排列。
3.根据权利要求1或2所述的磁性隧道结，其特征在于，所述磁性自由层(20)中所含的所述复合子层(21)的组数≤5。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述非磁性层(212)为非磁性金属层，所述非磁性金属层选自Ta、Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au中的一种或多种合金。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述非磁性层(212)的厚度使得所述第一磁性层(211)和所述第二磁性层(213)形成铁磁耦合；可选地，所述非磁性层(212)的厚度0.2～2.5nm。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述非磁性层(212)的厚度使得所述第一磁性层(211)和所述第二磁性层(213)形成反铁磁耦合；可选地，所述非磁性层(212)的厚度为0.2～2.5nm。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第一磁性层(211)和所述第二磁性层(213)为具有垂直各向异性的铁磁金属；优选地，所述第一磁性层(211)和所述第二磁性层(213)选自[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[CoFe/Pt]n、[CoFe/Pd]n、[Co/Ni]n、GdCoFe和TbCoFe和[CoFeB/MgO]n中的一种或多种，其中，n取2～10之间的正整数。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述阻挡层(30)的材料选自非晶Al2O3、单晶MgO、ZnO、HfO2、Alq3、LB有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs、尖晶石结构的单晶MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4中的一种或多种；优选地，所述阻挡层(30)的厚度为0.5～5nm。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述磁性隧道结还包括设置在磁性自由层上的覆盖层；优选地，覆盖层的厚度为5～30nm，覆盖层的材料选自Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt和Cu中的一种或多种。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述磁性隧道结的横截面呈闭合的正N边环形或者椭圆环，其中N>3；
所述正N边环形的内边长为0～200nm，外边长为10～300nm；
所述椭圆环的环宽为10～100nm，内环短轴的长度为0～200nm，外环短轴的长度为10～300nm，短轴与长轴的长度比为1:1～1:5。
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