CN1284143C

CN1284143C - 一种共振隧穿型磁隧道结元件

Info

Publication number: CN1284143C
Application number: CN 200410033657
Authority: CN
Inventors: 朱涛; 詹文山
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2004-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: CN1564247A

Abstract

本发明公开了一种共振隧穿型磁隧道结元件，该磁隧道结材料包括一基片和在基片上设置的一缓冲层、一引导层、一由铁磁/非磁/铁磁三层金属膜形成的振荡铁磁层作为自由层、一绝缘势垒层、一钉扎铁磁层、一反铁磁层、一保护层；由于本发明采用一薄铁磁层将非磁金属层与绝缘势垒层隔开，实现了采用磁控溅射法制备共振隧穿型磁隧道结，其工艺简单，有利于大规模产业化推广；此外，本发明制备的磁隧道结元件，通过调节由铁磁/非磁/铁磁三层金属膜形成的振荡铁磁层中非磁金属层的厚度，实现了TMR值的振荡变化。

Description

一种共振隧穿型磁隧道结元件

技术领域

本发明涉及一种应用于磁存储器件如磁性随机存储器或其他磁传感器件或磁量子器件等的磁隧道结元件。

背景技术

磁隧道结元件具有较大的磁致电阻变化，是磁存储器件，磁传感器件等的重要组成部分，已获得了广泛的应用。该元件的绝缘层两侧的铁磁层在外磁场或读写电流线产生的磁场的驱动下可以平行或反平行排列，从而表现为元件的低或高电阻态，其相应的隧穿磁电阻值(TMR)则定义为此高低电阻之差与两铁磁层平行排列时的电阻之比。图1为公知的磁隧道结的结构，其各层依次为：基片11、缓冲层12、反铁磁层13、(钉扎)铁磁层14、(自由)铁磁层16、夹在两铁磁层之间的薄绝缘层15、及保护层17(为了描述方便，在下面的叙述中以磁隧道结的核心部分14，15，及16层来代表一个磁隧道结，并简写为FM/I/FM)。当在磁隧道结的绝缘层和势垒层中插入一层非磁金属(NM)时，即在FM/NM/I/FM结构的磁隧道结中，随着非磁金属层的厚度的变化，TMR值出现高低振荡的现象，这一现象称为共振磁隧穿效应，具有TMR振荡变化的磁隧道结有望制成磁隧穿二极管，磁隧穿三极管等磁电子元件。文献[S.Yuasa et al.，Science 297(2002)，234]揭露了用分子束外延(MBE)的方法制备的FM/NM/I/FM结构的Co(100)/Cu(100)/Al₂O₃/NiFe共振隧穿型磁隧道结，随着Cu层的厚度变化，TMR出现振荡，但是，采用磁控溅射法却始终都没有制备出具有TMR振荡的共振隧穿型磁隧道结。文献[W.F.EgelhoffJr.et al.，J.Appl.Phys.89(2001)，5209和J.D.R.Buchanan et al.，Phys.Rev.B 66(2002)，104427]揭露了Al在非磁金属上的生长规律表明用磁控溅射法制备的FM/NM/I/FM结构的样品由于Al和NM层之间严重的界面混合效应，导致绝缘势垒层(I)失效，从而破坏了制备的磁隧道结，无法获得共振磁隧穿效应。值得注意的是，该文献还揭露了Al可以很好地在铁磁金属层上生长，从而保证了磁隧道结绝缘层的质量，这也是磁隧道结能够成功用磁控溅射法制备的原因所在。

因此如何能设计出新结构的共振隧穿型磁隧道结，并能够采用常见的磁控溅射法来制备相应的磁隧道结，实现TMR值的振荡，将直接影响到相关元器件的进一步开发和广泛应用。

发明内容

为了解决采用磁控溅射法制备共振隧穿型磁隧道结的问题，本发明的目的是提供一种共振隧穿型磁隧道结元件。

为了实现上述目的，本发明提供的一种共振隧穿型磁隧道结元件包括一基片和在基片上依次设置一缓冲层、一绝缘层、一反铁磁层、及一保护层，其特征在于，还包括：

一引导层，设于所述缓冲层上，该引导层具有(111)织构；及

一由铁磁/非磁/铁磁三层金属膜形成的振荡铁磁层作为自由层设置于所述绝缘层之下；及

一铁磁层作为钉扎层设置于所述绝缘层之上，所述反铁磁层之下。

进一步地，所述基片的材料选自硅或玻璃的一种。

进一步地，所述缓冲层的材料选自Ta。

进一步地，所述引导层的材料选自Cu或Cu/Ni_XFe_100-X双层膜，其中77＜X＜83。

进一步地，所述反铁磁层的组成元素为Mn和X，所述的元素X选自Fe、Ir、Ni、Pt、Pd中的至少一种。

进一步地，所述钉扎铁磁层选自Co、或Ni_XFe_100-X、或Co_YFe_100-YB_Z，其中77＜X＜83，10＜Y＜90，0≤Z＜30。

进一步地，所述绝缘层的材料选自Al₂O₃，或至少包含Al、Hf、Ti、Zr、Si其中之一的元素的氧化物或氮化物，其厚度为0.5至3nm之间。

进一步地，所述自由铁磁层的结构为铁磁/非磁/铁磁，铁磁层选自Co或Ni_XFe_100-X，其中77＜X＜83。

进一步地，所述振荡铁磁层中紧邻近所述绝缘层的铁磁层的厚度为1至1.2nm，另一铁磁层的厚度为10nm。

进一步地，所述振荡铁磁层中的非磁金属层(NM)的材料选自Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Cr、Ru其中之一，其厚度为0至5nm。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明采用一薄铁磁层将非磁金属层与绝缘势垒层隔开，实现了采用磁控溅射法制备共振隧穿型磁隧道结，其工艺简单，有利于大规模产业化推广；

2、本发明制备的磁隧道结元件，通过调节由铁磁/非磁/铁磁三层金属膜形成的振荡铁磁层中非磁金属层的厚度，实现了TMR值的振荡变化。

附图说明

图1为公知的磁隧道结元件的结构；

图2为本发明的共振隧穿型磁隧道结元件的结构；

图3为本发明实施例一的磁隧道结样品的结电阻值与振荡铁磁层中非磁层Cu厚度的关系；其中，实心点代表实施例一所述的磁隧道结样品，空心点为未加1nm厚的NiFe作覆盖层的磁隧道结样品。

具体实施方式

如图2所示，本发明的共振隧穿型磁隧道结元件结构其各层依次为：基片11、缓冲层12、引导层120、振荡铁磁层130、绝缘层14、钉扎铁磁层15、反铁磁层16及保护层17。

实施例一：

磁隧道结Si/Ta(5)/NiFe(10)/Cu(6)/NiFe(10)/Cu(0-4)/NiFe(1)/Al₂O₃(1.7)/NiFe(8)/FeMn(12)/Cu(50)/Ta(5)，其中括号内的数值为各膜层的厚度，其单位为纳米，上述NiFe为Ni₈₁Fe₁₉，上述FeMn为Fe₅₀Mn₅₀。各膜层从Si衬底开始依次沉积缓冲层Ta，引导层NiFe/Cu，振荡铁磁层NiFe/Cu/NiFe，绝缘层Al₂O₃，钉扎铁磁层NiFe，反铁磁层FeMn，保护层为Cu/Ta。如图3所示，随着Cu厚度从0开始增加，磁隧道结的结电阻值的行为与通常未插入Cu层的磁隧道结[Si/Ta(5)/NiFe(10)/Cu(6)/NiFe(10)/Al₂O₃(1.7)/NiFe(8)/FeMn(12)/Cu(50)/Ta(5)]完全一样，即与Cu层的厚度变化无关。而对于没有1nm厚的NiFe作覆盖的磁隧道结[Si/Ta(5)/NiFe(10)/Cu(6)/NiFe(10)/Cu(0-4)/Al₂O₃(1.7)/NiFe(8)/FeMn(12)/Cu(50)/Ta(5)]，其结电阻在Cu的厚度为0.4nm时就下降到原来不插Cu的5％，即此时的磁隧道结已被破坏，失去了应用价值。这表明采用一薄铁磁层NiFe将非磁金属层Cu与绝缘势垒层隔开，可以避免采用磁控溅射法制备共振隧穿型磁隧道结时，NM和Al层之间产生的严重的界面混合，从而保证了绝缘势垒层的质量。

振荡铁磁层NiFe/Cu/NiFe随着Cu层的厚度变化，在这两层NiFe之间产生铁磁或反铁磁排列，从而导致他们对TMR的贡献是相加或相减，进而产生TMR值的振荡。

实施例二：磁隧道结Si/Ta(5)/NiFe(10)/Cu(6)/Co(10)/Cu(0-4)/Co(1.2)/Al₂O₃(1.7)/Co(8)/IrMn(12)/Cu(50)/Ta(5)，其中括号内的数值为各膜层的厚度，其单位为纳米，上述NiFe为Ni₈₁Fe₁₉，上述IrMn为Ir₂₂Mn₇₈。各膜层从Si衬底开始依次沉积缓冲层Ta，引导层NiFe/Cu，振荡铁磁层Co/Cu/Co，绝缘层Al₂O₃，钉扎铁磁层Co，反铁磁层IrMn，保护层为Cu/Ta。振荡铁磁层Co/Cu/Co随着Cu层的厚度变化，在这两层Co之间产生铁磁或反铁磁排列，从而导致他们对TMR的贡献是相加或相减，进而产生TMR值的振荡。

Claims

1、一种共振隧穿型磁隧道结元件，包括一基片和在基片上依次设置一缓冲层、一绝缘层、一反铁磁层、及一保护层，其特征在于，还包括：

一引导层，设于所述缓冲层上，该引导层具有(111)织构；及

2、如权利要求1所述的一种共振隧穿型磁隧道结元件，其特征在于，所述基片的材料选自硅或玻璃的一种。

3、如权利要求1所述的一种共振隧穿型磁隧道结元件，其特征在于，所述缓冲层的材料选自Ta。

4、如权利要求1所述的一种共振隧穿型磁隧道结元件，其特征在于，所述引导层的材料选自Cu或Cu/Ni_XFe_100-X，其中77＜X＜83。

5、如权利要求1所述的一种共振隧穿型磁隧道结元件，其特征在于，所述反铁磁层的组成元素为Mn和X，所述的元素X选自Fe、Ir、Ni、Pt、Pd中的至少一种。

6、如权利要求1所述的一种共振隧穿型磁隧道结元件，其特征在于，所述钉扎铁磁层选自Co、或Ni_XFe_100-X，其中77＜X＜83。

7、如权利要求1所述的一种共振隧穿型磁隧道结元件，其特征在于，所述绝缘层的材料选自Al₂O₃，或至少包含Al、Hf、Ti、Zr、Si其中之一的元素的氧化物或氮化物，其厚度为0.5至3nm之间。

8、如权利要求1所述的一种共振隧穿型磁隧道结元件，其特征在于，所述自由层的结构为铁磁/非磁/铁磁，铁磁层选自Co或Ni_XFe_100-X，其中77＜X＜83。

9、如权利要求8所述的一种共振隧穿型磁隧道结元件，其特征在于，所述振荡铁磁层中紧邻近所述绝缘层的铁磁层的厚度为1至1.2nm，另一铁磁层的厚度为10nm。

10、如权利要求8所述的一种共振隧穿型磁隧道结元件，其特征在于，所述振荡铁磁层中的非磁金属层的材料选自Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Cr、Ru其中之一，其厚度为0至5nm。