CN1564335A - 一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件 - Google Patents
一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1564335A CN1564335A CN200410030893.0A CN200410030893A CN1564335A CN 1564335 A CN1564335 A CN 1564335A CN 200410030893 A CN200410030893 A CN 200410030893A CN 1564335 A CN1564335 A CN 1564335A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- ferromagnetic
- ferromagnetic layer
- magnetic tunnel
- compound
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 70
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims description 40
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title abstract 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 73
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 28
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 13
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 7
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract 1
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 21
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 description 14
- 229910015136 FeMn Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 2
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Magnetic Heads (AREA)
Abstract
本发明公开了一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件,该磁隧道结元件包括一基片和在基片上设置的一缓冲层、一引导层、一由两不同铁磁材料形成的复合铁磁层作为自由层、一绝缘层、一由两不同铁磁材料形成的复合铁磁层作为钉扎层、一反铁磁层、一保护层。通过调节复合铁磁层中的薄铁磁层的厚度可以连续可调复合铁磁层的自旋极化率,从而可以调控该元件的隧道磁电阻值;通过调节作为自由层的复合铁磁层中薄铁磁层的厚度可以连续可调该自由层的矫顽力,从而可以调节该元件的开关场大小。
Description
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的磁隧道结元件。
背景技术
磁隧道结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元件,已获得广泛的应用。图1为公知的磁隧道结(MTJ)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。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,其相应的隧道磁电阻值(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。隧道磁电阻值大小与铁磁层的自旋极化率(P)的大小有关,可以用公式TMR=2P1P2/(1-P1P2)来表示,其中P1、P2为绝缘层两侧的铁磁电极层的自旋极化率。通常,MTJ元件的铁磁层的材料为Co,NiXFe100-X,CoYFe100-Y等铁磁单质金属或合金,其中以CoFe合金的自旋极化率为最大(大约50%),但是几乎与成分Y无关,文献[D.J.Monsma andS.S.P.Parkin,Appl.Phys.Lett.77,883(2000);77,720(2000)]揭露了CoFe合金的自旋极化率在较大的成分范围内基本保持不变即与其组分Y无关。由上述可见,对于采用磁隧道结为敏感元件的磁存储器件或其他磁传感器件来说,如何能调控铁磁电极的自旋极化率,进而得到隧道磁电阻值可调控的磁隧道结元件将大大方便相关器件的设计和应用。
另外,在磁隧道结中自由铁磁层的矫顽力(HC)大小决定了以该磁隧道结为磁电子器件的高低电阻态之间转变的开关场的大小,采用外磁场或采用读写电流线的电流产生的磁场可以实现对器件高低电阻态之间转变,而如何能调控开关场的大小亦是此类传感器件设计的关键,也是待解决的难点之一。如果能简单地实现对此自由铁磁层的矫顽力的调节,进而就可以实现对该元件开关场的调控,这将大大方便相关器件的设计和应用。
发明内容
为了解决上述铁磁电极自旋极化率及自由铁磁层的矫顽力能够连续可调的问题,本发明的目的是提供一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件。
为了实现上述目的,本发明提供的一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件包括一基片和在基片上设置的一缓冲层、一反铁磁层、一绝缘层、及一保护层,还包括:
一引导层,设在所述缓冲层上,所述引导层具有(111)织构;
一复合铁磁层,作为钉扎层设置于所述反铁磁层上;及
一复合铁磁层,作为自由层设置于所述绝缘层之上。
进一步地,所述的基片的材料选自硅或玻璃的一种。
进一步地,所述的缓冲层的材料选自Ta或(NiXFe100-X)YCr100-Y,其中77<X<83,50<Y<70。
进一步地,所述的引导层的材料选自Cu或Cu/NiXFe100-X双层膜,其中77<X<83。
进一步地,所述的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,所述的绝缘层的材料选自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,所述的复合铁磁层的材料选自两种不同铁磁材料组成的双层膜FM1/FM2,其中铁磁材料FM1或FM2选自Co,NiXFe100-X,或CoYFe100-Y的一种但不相同,77<X<83,10<Y<90。
进一步地,所述的复合铁磁层中的FM1的厚度为2.5至10nm;FM2层的厚度为0至4nm之间,并且紧邻绝缘层。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
本发明制备的磁隧道结元件,通过调节复合铁磁层中邻近绝缘层一侧的薄铁磁层的厚度可以连续可调复合铁磁层的自旋极化率,从而可以调控该元件的隧道磁电阻值;通过调节作为自由层的复合铁磁层中邻近绝缘层一侧的薄铁磁层的厚度可以连续可调该自由层的矫顽力,从而可以调节该元件的开关场大小。
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TMR值与CoFe铁磁插层厚度的关系;
图4为本发明实施例三的磁隧道结样品的自由矫顽力HC与CoFe铁磁插层厚度的关系。
具体实施方式
如图2所示,本发明的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、反铁磁层13、(钉扎)复合铁磁层140、绝缘层15、(自由)复合铁磁层160及保护层17。
实施例一:磁隧道结Si/Ta(5)/NiFe(20)/Cu(6)/FeMn(12)/NiFe(8)/CoFe(0-4)/Al2O3(1.7)/NiFe(13)/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,FeMn为Fe50Mn50,CoFe为Co50Fe50。各膜层从Si衬底开始依次沉积缓冲层Ta,引导层NiFe/Cu,反铁磁层FeMn,复合电极层NiFe/CoFe作为钉扎层,自由层为NiFe(此处可以看作复合铁磁层的特例,即另一层的厚度为0),保护层Cu/Ta。如图3所示,随着CoFe厚度从0开始增加,复合铁磁层的自旋极化率开始单调增加,TMR值也随之单调增加,从17%增加到饱和值26%,由此实现了铁磁电极自旋极化率的连续可调,从而使得该元件的隧道磁电阻值连续可调。
实施例二:磁隧道结Si/Ta(5)/NiFe(20)/Cu(6)/FeMn(12)/NiFe(8)/Co(0-4)/Al2O3(1.7)/NiFe(13)/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,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,反铁磁层FeMn,复合电极层NiFe/Co作为钉扎层,自由层为NiFe,保护层Cu/Ta。随着Co厚度从0开始增加,复合铁磁层的自旋极化率开始单调增加,TMR值也随之单调增加,从17%增加到饱和值24%,由此实现了铁磁电极自旋极化率的连续可调,从而使得该元件的隧道磁电阻值连续可调。
实施例三:磁隧道结Si/Ta(5)/NiFe(20)/Cu(6)/FeMn(12)/NiFe(8)/CoFe(2.5)/Al2O3(1.7)/CoFe(0-4)/NiFe(13)/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,FeMn为Fe50Mn50,CoFe为Co50Fe50。各膜层从Si衬底开始依次沉积缓冲层Ta,引导层NiFe/Cu,反铁磁层FeMn,复合电极层NiFe/CoFe作为钉扎层,复合电极层CoFe/NiFe作为自由层,保护层Cu/Ta。如图4所示,随着自由层中的CoFe厚度从0开始增加,作为自由层的复合铁磁层的矫顽力开始单调增加,由此实现了自由铁磁电极层的矫顽力的连续可调,进而就可以实现对该元件的开关场的调控。
Claims (8)
1、一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件,包括一基片和在基片上设置的一缓冲层、一反铁磁层、一绝缘层、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,所述引导层具有(111)织构;
一复合铁磁层,作为钉扎层设置于所述反铁磁层上;及
一复合铁磁层,作为自由层设置于所述绝缘层之上。
2、如权利要求1所述的一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件,其特征在于,所述的基片的材料选自硅或玻璃的一种。
3、如权利要求1所述的一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件,其特征在于,所述的缓冲层的材料选自Ta或(NiXFe100-X)YCr100-Y,其中77<X<83,50<Y<70。
4、如权利要求1所述的一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件,其特征在于,所述的引导层的材料选自Cu或Cu/NiXFe100-X,其中77<X<83。
5、如权利要求1所述的一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件,其特征在于,所述的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所述的一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件,其特征在于,所述的绝缘层的材料选自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。
7、如权利要求1所述的一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件,其特征在于,所述的复合铁磁层的材料选自两种不同铁磁材料组成的双层膜FM1/FM2,其中铁磁材料FM1或FM2选自Co,NiXFe100-X,或CoYFe100-Y的一种但不相同,77<X<83,10<Y<90。
8、如权利要求7所述的一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件,其特征在于,所述的复合铁磁层中的FM1的厚度为2.5至10nm;FM2层的厚度为0至4nm之间,并且紧邻绝缘层。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB2004100308930A CN100369284C (zh) | 2004-04-09 | 2004-04-09 | 一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB2004100308930A CN100369284C (zh) | 2004-04-09 | 2004-04-09 | 一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN1564335A true CN1564335A (zh) | 2005-01-12 |
CN100369284C CN100369284C (zh) | 2008-02-13 |
Family
ID=34481209
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CNB2004100308930A Expired - Fee Related CN100369284C (zh) | 2004-04-09 | 2004-04-09 | 一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN100369284C (zh) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101359761B (zh) * | 2008-09-26 | 2011-12-28 | 清华大学 | 一种自旋电流驱动的新型微波振荡器 |
CN102769100A (zh) * | 2011-05-06 | 2012-11-07 | 索尼公司 | 存储元件和存储装置 |
CN103545443A (zh) * | 2012-07-17 | 2014-01-29 | 三星电子株式会社 | 磁性器件及其制造方法 |
CN103811045A (zh) * | 2014-02-28 | 2014-05-21 | 北京航空航天大学 | 一种高可靠性、亦可多比特存储的双功能存储单元 |
CN105470385A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-04-06 | 上海磁宇信息科技有限公司 | 交叉矩阵列式磁性随机存储器制造工艺 |
CN114136613A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-03-04 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 一种用于发动机轴承工作状态的监测系统及在线监测方法 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5966323A (en) * | 1997-12-18 | 1999-10-12 | Motorola, Inc. | Low switching field magnetoresistive tunneling junction for high density arrays |
CN2591723Y (zh) * | 2002-12-24 | 2003-12-10 | 中国科学院物理研究所 | 具有叠层铁磁层的钉扎薄膜 |
-
2004
- 2004-04-09 CN CNB2004100308930A patent/CN100369284C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101359761B (zh) * | 2008-09-26 | 2011-12-28 | 清华大学 | 一种自旋电流驱动的新型微波振荡器 |
CN102769100A (zh) * | 2011-05-06 | 2012-11-07 | 索尼公司 | 存储元件和存储装置 |
CN103545443A (zh) * | 2012-07-17 | 2014-01-29 | 三星电子株式会社 | 磁性器件及其制造方法 |
CN103811045A (zh) * | 2014-02-28 | 2014-05-21 | 北京航空航天大学 | 一种高可靠性、亦可多比特存储的双功能存储单元 |
CN103811045B (zh) * | 2014-02-28 | 2016-06-15 | 北京航空航天大学 | 一种高可靠性、亦可多比特存储的双功能存储单元 |
CN105470385A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-04-06 | 上海磁宇信息科技有限公司 | 交叉矩阵列式磁性随机存储器制造工艺 |
CN114136613A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-03-04 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 一种用于发动机轴承工作状态的监测系统及在线监测方法 |
CN114136613B (zh) * | 2021-10-20 | 2023-06-09 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 一种用于发动机轴承工作状态的监测系统及在线监测方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN100369284C (zh) | 2008-02-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20040041183A1 (en) | Amorphous alloys for magnetic devices | |
US6801415B2 (en) | Nanocrystalline layers for improved MRAM tunnel junctions | |
DE60200949T2 (de) | Magnetoresistives element und dieses verwendender magnetoresistiver lesekopf, magnetisches aufnahmegerät und magnetoresistiver speicher | |
US7443639B2 (en) | Magnetic tunnel junctions including crystalline and amorphous tunnel barrier materials | |
EP1885006B1 (en) | A novel capping layer for a magnetic tunnel junction device to enhance dR/R and a method of making the same | |
Barthelemy et al. | Magnetoresistance and spin electronics | |
US20110163743A1 (en) | Three-layer magnetic element, method for the production thereof, magnetic field sensor, magnetic memory, and magnetic logic gate using such an element | |
US6639765B2 (en) | Magnetoresistive element and magnetoresistive device using the same | |
WO2006055062A1 (en) | Spin-current switchable magnetic memory element and method of fabricating the memory element | |
CN105826462A (zh) | 用于霍斯勒化合物的织构化膜的底层 | |
EP3809413B1 (en) | Method of fabricating a spin-orbit torque-based switching device | |
CN100369284C (zh) | 一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件 | |
CN100499197C (zh) | 一种适于器件化的磁性隧道结及其用途 | |
Zhang et al. | High efficiency giant magnetoresistive device based on two-dimensional MXene (Mn2NO2) | |
Stamopoulos et al. | Ferromagnetic-superconducting hybrid films and their possible applications: A direct study in a model combinatorial film | |
US6083764A (en) | Method of fabricating an MTJ with low areal resistance | |
Lin et al. | Structural and magnetic characterization of ion-beam deposited NiFe/Ni x Fe 1− x O composite films | |
Yiping et al. | Giant magnetoresistance in Cu-Mn-Al | |
WO2020246553A1 (ja) | 磁気抵抗効果素子および磁気記憶装置 | |
Victora et al. | Predicted effects of pinhole and surface roughness in magnetoresistive read head | |
Cun-Ye et al. | Dependence of tunnel resistance on the injection current of magnetic tunnel junctions | |
JP6774124B2 (ja) | 磁気抵抗素子、当該磁気抵抗素子を用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置 | |
JP7375858B2 (ja) | 磁気抵抗効果素子 | |
Eskandari et al. | Impact of a ferromagnetic insulating barrier in magnetic tunnel junctions | |
WO2004109820A1 (en) | MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS INCORPORATING AMORPHOUS CoNbZr ALLOYS AND NANO-OXIDE LAYERS |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080213 Termination date: 20120409 |