CN104659202A - 提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法 - Google Patents

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倪经
陈彦
黄豹
邹延珂
郭韦
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Abstract

本发明涉及一种隧道结(MTJ)薄膜的制备方法，其公开了一种可以提高巨磁电阻效应的隧道结薄膜的制备方法，包括如下步骤：(a)在基底上依次沉积底电极层、反铁磁层、钉扎铁磁层、隧穿层、自由铁磁层；(b)对制备的底电极层、反铁磁层、钉扎铁磁层、隧穿层、自由铁磁层进行退火工艺处理；(c)退火工艺处理完毕沉积顶电极层。本发明的有益效果是：本发明的磁性随机存储器被广泛应用于军事、民事等领域，其结构为具有隧道结磁电阻效应的磁性隧道结，为了进一步提高磁性随机存储器的存储密度，极大提高隧道结的磁电阻效应；发明重新设计隧道结的制备流程，避免顶电极层与自由铁磁层间的扩散，制备的隧道结薄膜可以提高磁电阻效应。

Description

提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法
技术领域
本发明涉及一种隧道结(MTJ)薄膜的制备方法，尤其涉及一种提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法。
背景技术
近年来，由于MTJ薄膜具有潜在的巨大商业应用价值，正吸引越来越多的科研人员深入研究。如MTJ 可以用于磁性随机存储器（MRAM）、磁盘驱动器的读出磁头、磁性传感器等，尤其是MRAM，具有非挥发、高速、高密度、低能耗等诸多优良特性，作为下一代随机存储器，被广泛应用于军事、航空、民用领域等，表现出巨大的市场竞争潜力。
MRAM实际是具有隧道结磁电阻效应的磁性隧道结结构，为了进一步提高MRAM的存储密度，如何提高MTJ的磁电阻效应是关键，然而，制备具有大磁电阻比值的MTJ仍然是一个挑战。通常常温制备的顶电极层/铁磁层/隧穿层/铁磁层/反铁磁层/底电极层/基底的MTJ薄膜，为获得更高的磁电阻比值需要在高温下进行退火工艺，但高温退火的另一不利影响是加剧层间扩散，从而使磁电阻比值下降，在不可避免进行退火工艺的前提下，如何减弱层间扩散是新的研究方向。本发明重新设计MTJ薄膜的制备流程，避免顶电极层与自由铁磁层间的扩散，制备的MTJ薄膜可以提高磁电阻效应。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，用以解决现有技术中顶电极层与自由铁磁层间的扩散过大的问题。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：设计和制造一种提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，包括如下步骤：(a)在基底上依次沉积底电极层、反铁磁层、钉扎铁磁层、隧穿层、自由铁磁层；(b)对制备的底电极层、反铁磁层、钉扎铁磁层、隧穿层、自由铁磁层进行退火工艺处理；(c) 退火工艺处理完毕沉积顶电极层。
作为本发明的进一步改进：所述的底电极层、反铁磁层、钉扎铁磁层、隧穿层、自由铁磁层、顶电极层利用溅射法沉积。
作为本发明的进一步改进：退火工艺加热温度在280~330℃，并缓慢冷却所制备的薄膜，并且退火工艺过程中将5000Oe~6000Oe磁场施加到所制备的薄膜。
作为本发明的进一步改进：所述的底电极层为双层结构，双层结构为Ta/Cu。
作为本发明的进一步改进：所述的反铁磁层为FeMn或IrMn或PtMn中的一种。
作为本发明的进一步改进：所述的钉扎铁磁层为为三层结构，三层结构为CoFe/Ru/CoFeB。
作为本发明的进一步改进：所述的隧穿层包括但不限于MgO或AlO。
作为本发明的进一步改进：所述的自由铁磁层CoFeB。
作为本发明的进一步改进：所述的顶电极层为三层结构，三层结构为Ru/Ta/Cu。
本发明的有益效果是：本发明制备的隧道结薄膜避免顶电极层与自由铁磁层间的扩散，其重复性好、稳定性高、能够提高磁电阻效应，能够满足产品使用要求；本发明的磁性随机存储器被广泛应用于军事、民事等领域，其结构为具有隧道结磁电阻效应的磁性隧道结，为了进一步提高磁性随机存储器的存储密度，极大提高隧道结的磁电阻效应。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
一种提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，包括如下步骤：(a)在基底上依次沉积底电极层、反铁磁层、钉扎铁磁层、隧穿层、自由铁磁层；(b)对制备的底电极层、反铁磁层、钉扎铁磁层、隧穿层、自由铁磁层进行退火工艺处理；(c) 退火工艺处理完毕沉积顶电极层。
所述的底电极层、反铁磁层、钉扎铁磁层、隧穿层、自由铁磁层、顶电极层利用溅射法沉积。
退火工艺加热温度在280~330℃，并缓慢冷却所制备的薄膜，并且退火工艺过程中将5000Oe~6000Oe磁场施加到所制备的薄膜。
所述的底电极层为双层结构，双层结构为Ta/Cu。
所述的反铁磁层为FeMn或IrMn或PtMn中的一种。
所述的钉扎铁磁层为为三层结构，三层结构为CoFe/Ru/CoFeB。
所述的隧穿层包括但不限于MgO或AlO。
所述的自由铁磁层CoFeB。
所述的顶电极层为三层结构，三层结构为Ru/Ta/Cu。
在一实施例中，根据本设计的制备方法，首先通过高真空磁控溅射设备在Si/SiO2基底上依次沉积底电极层(Ta/Cu) /反铁磁层(IrMn)/钉扎铁磁层(CoFe/Ru/CoFeB)/隧穿层(MgO)/自由铁磁层(CoFeB)，溅射薄膜厚度依次分别为Ta5.0nm、Cu50nm、IrMn10nm、CoFe3.0nm、Ru0.8nm、CoFeB5.0nm、MgO1.0nm、CoFeB8.0nm，其次，溅射完毕在高真空磁场退火炉中进行真空磁场退火处理，退火条件为退火温度310℃，磁场为5000Oe，再次，退火冷却至室温的薄膜样品，在高真空磁控溅射设备沉积顶电极层(Ru/Ta/Cu)，溅射薄膜厚度依次分别为Ru1.0nm、Ta5.0nm、Cu50nm。上述所有薄膜生长条件为：背底真空度为7×10-7Pa；溅射氮气分压为0.08 Pa；样品架旋转速度为30rpm；生长速率为0.3~1.4埃/秒；生长时间为生长厚度/生长速率。
在又一实施例中，根据本设计的制备方法，首先通过高真空磁控溅射设备在Si/SiO2基底上依次沉积底电极层(Ta/Cu) /反铁磁层(PtMn)/钉扎铁磁层(CoFe/Ru/CoFeB)/隧穿层(MgO)/自由铁磁层(CoFeB)，溅射薄膜厚度依次分别为Ta5.0nm、Cu50nm、PtMn20nm、CoFe3.0nm、Ru0.8nm、CoFeB5.0nm、MgO1.0nm、CoFeB8.0nm，其次，溅射完毕在高真空磁场退火炉中进行真空磁场退火处理，退火条件为退火温度330℃，磁场为5000Oe，再次，退火冷却至室温的薄膜样品，在高真空磁控溅射设备沉积顶电极层(Ru/Ta/Cu)，溅射薄膜厚度依次分别为Ru1.0nm、Ta5.0nm、Cu50nm。上述所有薄膜生长条件为：背底真空度为7×10-7Pa；溅射氮气分压为0.08 Pa；样品架旋转速度为30rpm；生长速率为0.3~1.4埃/秒；生长时间为生长厚度/生长速率。
根据上述条件制备的隧道结薄膜避免顶电极层与自由铁磁层间的扩散，其重复性好、稳定性高，能够满足产品使用要求。
  以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，其特征在于:包括如下步骤：(a)在基底上依次沉积底电极层、反铁磁层、钉扎铁磁层、隧穿层、自由铁磁层；(b)对制备的底电极层、反铁磁层、钉扎铁磁层、隧穿层、自由铁磁层进行退火工艺处理；(c) 退火工艺处理完毕沉积顶电极层。
2.根据权利要求1所述的提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，其特征在于：所述的底电极层、反铁磁层、钉扎铁磁层、隧穿层、自由铁磁层、顶电极层利用溅射法沉积。
3.根据权利要求1所述的提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，其特征在于：退火工艺加热温度在280~330℃，并缓慢冷却所制备的薄膜，并且退火工艺过程中将5000Oe~6000Oe磁场施加到所制备的薄膜。
4.根据权利要求1所述的提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，其特征在于: 所述的底电极层为双层结构，双层结构为Ta/Cu。
5.根据权利要求1所述的提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，其特征在于：所述的反铁磁层为FeMn或IrMn或PtMn中的一种。
6.根据权利要求1所述的提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，其特征在于：所述的钉扎铁磁层为为三层结构，三层结构为CoFe/Ru/CoFeB。
7.根据权利要求1所述的提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，其特征在于：所述的隧穿层包括但不限于MgO或AlO。
8.根据权利要求1所述的提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，其特征在于：所述的自由铁磁层CoFeB。
9.根据权利要求1所述的提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法，其特征在于：所述的顶电极层为三层结构，三层结构为Ru/Ta/Cu。
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