TWI541847B - 磁性電容結構 - Google Patents

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TWI541847B TW103145160A TW103145160A TWI541847B TW I541847 B TWI541847 B TW I541847B TW 103145160 A TW103145160 A TW 103145160A TW 103145160 A TW103145160 A TW 103145160A TW I541847 B TWI541847 B TW I541847B
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陳峙樺
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吳登峻
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Description

磁性電容結構
本揭露係有關於一種磁性電容結構，特別是有關於一種具有雙層磁性層之磁性電容結構。
一般而言，平行板電容器的構造是由兩個平行的金屬板(電極)及中間的絕緣(介電)材料所構成，電容值的計算可由公式(1)表示。
其中，C代表平行板電容器的電容值，ε0代表真空中的介電常數，εk代表介電材料的相對介電常數，fCMC代表龐磁電容因子，A代表電極表面積，r代表兩電極間的距離。由公式(1)可知平行板電容器的電容值可正比於介電材料的相對介電常數(εk)。如上述之平行板電容器，在不改變A與r的情況下，為了增加平行板電容器的電容值，可考慮增加介電材料的相對介電常數(εk)。
因此，如何提升介電材料的相對介電常數(εk)，以在電容器尺寸維持不變的情況下增加電容值，是眾研究人員所期待的研發方向。
本揭露之一實施例，提供一種磁性電容結構，包括：一第一電極；一第二電極，與該第一電極相對設置；一介電層，設置於該第一電極與該第二電極之間；一第一磁性層，設置於該第一電極與該介電層之間；一第二磁性層，設置於該第二電極與該介電層之間；一第一氧化層，設置於該第一電極與該第一磁性層之間；以及一第二氧化層，設置於該第二磁性層與該介電層之間。
與傳統電容結構不同，本揭露的磁性電容結構於電極與介電層之間插入例如鐵鉑合金(FePt)的磁性薄膜，致介電層在磁場作用下產生龐磁電容效應。此內部磁場改變鐵電體介電質的電極化條件，增加了電偶極矩，使得在同樣面積下的電容器可獲得較多電荷累積。此外，磁性薄膜下方所設置例如氧化鎂(MgO)的金屬氧化物層可進一步誘發鐵鉑合金的垂直磁矩，且透過精準控制氧化鎂的製程條件、厚度及粗糙度可獲得極佳的鐵鉑合金磁性質。另根據本揭露磁性電容結構，其儲電方式不涉及氧化還原反應且不含化學電解液，可達~95%的能量輸出/存入效率，不易產生化學電池中電解液濃度降低的衰退現象。
為讓本揭露之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下。
10‧‧‧磁性電容結構
12‧‧‧第一電極
14‧‧‧第一氧化層
16‧‧‧第一磁性層
18‧‧‧介電層
20‧‧‧第二氧化層
22‧‧‧第二磁性層
24‧‧‧第二電極
26‧‧‧保護層
28‧‧‧金屬層
30‧‧‧金屬氧化物或金屬氮化物層
32‧‧‧矽基板
第1圖係根據本揭露之一實施例，一種磁性電容結構之剖面示意圖；第2圖係根據本揭露之一實施例，磁性電容結構其介電質介電係數的性能測試；以及第3圖係根據本揭露之一實施例，磁性電容結構其漏電流(leakage)的性能測試。
請參閱第1圖，根據本揭露之一實施例，提供一種磁性電容結構。磁性電容結構10包括一第一電極12、一第二電極24、一介電層18、一第一磁性層16、一第二磁性層22、一第一氧化層14以及一第二氧化層20。第二電極24與第一電極12相對設置。介電層18設置於第一電極12與第二電極24之間。第一磁性層16設置於第一電極12與介電層18之間。第二磁性層22設置於第二電極24與介電層18之間。第一氧化層14設置於第一電極12與第一磁性層16之間。第二氧化層20設置於第二磁性層22與介電層18之間。
上述第一電極12與第二電極24可由鉑或鋁所構成。
上述介電層18之材料可由氧化矽、氧化鈦、鈦酸鋇(BaTiO3)或鎘鉻硫化物(CdCr2S4)所構成。上述介電層18之材料之晶相可包括非晶相或立方晶相。上述介電層18之材料之粒徑大體介於100~300奈米(nm)。
上述第一磁性層16與第二磁性層22可由鐵鉑合金或鈷鉑合金所構成。
上述第一氧化層14與第二氧化層20可由氧化鎂、鑭鍶錳氧(LSMO)或鋯鈦酸鉛(PZT)所構成。
本揭露磁性電容結構10可更包括一保護層26，形成於第一電極12或第二電極24上。上述保護層26可由一金屬層28、一金屬氧化物或金屬氮化物層30或其組合所構成。上述金屬層28可由鈦或鉭所構成。上述金屬氧化物或金屬氮化物層30可由氧化矽、氮化鈦或氮化鉭所構成。
本揭露磁性電容結構10可更包括一矽基板32，形成於保護層26上。
仍請參閱第1圖，根據本揭露之一實施例，提供一種磁性電容結構之製造方法。首先，在提供的例如氧化矽、氮化鈦或氮化鉭的金屬氧化物或金屬氮化物層30上以例如濺鍍法成長例如鈦或鉭的金屬層28，作為金屬氧化物或金屬氮化物層30與第一電極12的黏著層。將樣品置入腔體中利用幫浦細抽至3×10-5~3×10-7torr。待腔體到達此一真空度後，通入惰性氣體並利用質流控制器(mass flow controller,MFC)調整製程所需之氣體流量。之後，啟動功率(power)產生器，其對純金屬良導體靶材有較佳的濺鍍率。進行預濺鍍(pre-sputtering)，目的在於利用電漿去除靶材表面可能的汙染與氧化物等。待預濺鍍完畢且腔體內一切製程調配穩定後，打開檔板(shutter)進行金屬層28的濺鍍沉積。
待金屬層28沉積完後，由於其與第一電極12良好的附著性，使得例如鉑或鋁的第一電極12可順利藉由例如濺鍍法成長於金屬氧化物或金屬氮化物層30上。基本上濺鍍第一電 極12的步驟與濺鍍金屬層28類似，差別在於第一電極12的濺鍍是使用直流功率(DC power)產生器。
之後，將上述樣品放入例如濺鍍法所使用的磁控 濺鍍機腔體，利用幫浦細抽至5×10-5~5×10-7torr。為了獲得例如氧化鎂、鑭鍶錳氧(LSMO)或鋯鈦酸鉛(PZT)的第一氧化層14以誘發垂直序化之第一磁性層16，即利用加熱以增加其結晶性。當腔體到達要求之真空度後，加熱至200~500℃。之後，通入惰性氣體並利用質流控制器(mass flow controller,MFC)調整製程所需之氣體流量。之後，啟動功率(power)產生器，並進行預濺鍍(pre-sputtering)，目的在於利用電漿去除靶材表面可能的汙染與氧化物等。待預濺鍍完畢且腔體內一切製程調配穩定後，打開檔板(shutter)進行第一氧化層14的濺鍍沉積。
待第一氧化層14沉積完畢後，將第一氧化層14靶 材的電漿關閉。同時，再升溫至500~800℃，以例如濺鍍法生成例如鐵鉑合金或鈷鉑合金的第一磁性層16。以第一氧化層14作為底層的樣品，第一磁性層16垂直序化之基本溫度可降至500~800℃。
為了使第一磁性層16具有更佳的結晶性與有序 性。濺鍍完成後，可進行500~800℃以上之後退火過程，例如快速熱退火處理(rapid thermal annealing,RTA)。
之後，在第一磁性層16上，以例如濺鍍法生成例 如氧化矽、氧化鈦、鈦酸鋇(BaTiO3)或鎘鉻硫化物(CdCr2S4)的介電層18。基本上濺鍍介電層18的步驟與濺鍍金屬層28類似，差別在於介電層18的濺鍍是使用射頻功率(RF power)產生器。 因為直流電壓無法濺射非導體靶材，電流會受到阻擋，電漿難以產生，所以沒有離子濺射陰極靶材的動作，於是利用射頻電壓解決電荷在靶材表面累積的問題。介電層材料中形成三種晶相的製程條件在濺鍍過程分為兩種條件，其一為形成非晶態介電層材料的常溫濺射，另一則為形成立方晶與四方晶的加溫濺射沉積。此外，在通入氬氣之前可先加熱至300~600℃，熱能可協助晶體成長時結晶的進行。在濺射沉積後，可將樣品送至加熱爐管作後續熱處理，進行再結晶。
之後，將上述樣品置於例如濺鍍法所使用的磁控 濺鍍機腔體中，利用幫浦細抽至5×10-5~5×10-7torr。為了獲得例如氧化鎂、鑭鍶錳氧(LSMO)或鋯鈦酸鉛(PZT)的第二氧化層20以誘發垂直序化之第二磁性層22，即利用加熱以增加其結晶性。當腔體到達要求之真空度後，加熱至200~500℃。之後，通入惰性氣體並利用質流控制器(mass flow controller,MFC)調整製程所需之氣體流量。之後，啟動功率(power)產生器，並進行預濺鍍(pre-sputtering)，目的在於利用電漿去除靶材表面可能的汙染與氧化物等。待預濺鍍完畢且腔體內一切製程調配穩定後，打開檔板(shutter)進行第二氧化層20的濺鍍沉積。
待第二氧化層20沉積完畢後，將第二氧化層20靶 材的電漿關閉。同時，再升溫至500~800℃，以例如濺鍍法生成例如鐵鉑合金或鈷鉑合金的第二磁性層22。以第二氧化層20作為底層的樣品，第二磁性層22垂直序化之基本溫度可降至500~800℃。
為了使第二磁性層22具有更佳的結晶性與有序 性。濺鍍完成後，可進行500~800℃以上之後退火過程，例如快速熱退火處理(rapid thermal annealing,RTA)。
之後，在第二磁性層22上，以例如濺鍍法成長例 如鉑或鋁的第二電極24。基本上濺鍍第二電極24的步驟與濺鍍金屬層28類似，差別在於第二電極24的濺鍍是使用直流功率(DC power)產生器。
與傳統電容結構不同，本揭露的磁性電容結構於 電極與介電層之間插入例如鐵鉑合金(FePt)的磁性薄膜，致介電層在磁場作用下產生龐磁電容效應。此內部磁場改變鐵電體介電質的電極化條件，增加了電偶極矩，使得在同樣面積下的電容器可獲得較多電荷累積。此外，磁性薄膜下方所設置例如氧化鎂(MgO)的金屬氧化物層可進一步誘發鐵鉑合金的垂直磁矩，且透過精準控制氧化鎂的製程條件、厚度及粗糙度可獲得極佳的鐵鉑合金磁性質。另根據本揭露磁性電容結構，其儲電方式不涉及氧化還原反應且不含化學電解液，可達~95%的能量輸出/存入效率，不易產生化學電池中電解液濃度降低的衰退現象。
實施例1
本揭露磁性電容結構(鉑(Pt)/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO 3 )/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO 2 ))之製備及性能測試
請參閱第1圖，首先，在提供的氧化矽(SiO2)金屬氧化物層30(厚度：600nm)上以濺鍍法成長鈦(Ti)金屬層28(厚度：15nm)，作為金屬氧化物層30與第一電極12的黏著層。將樣 品置入腔體中利用幫浦細抽至3×10-5~3×10-7torr。待腔體到達此一真空度後，通入惰性氣體並利用質流控制器(mass flow controller,MFC)調整製程所需之氣體流量。之後，啟動功率(power)產生器，進行預濺鍍(pre-sputtering)，去除靶材表面可能的汙染與氧化物。待預濺鍍完畢且腔體內一切製程調配穩定後，打開檔板(shutter)進行鈦金屬層28的濺鍍沉積。鈦金屬層28的濺鍍製程參數條件如下所示，基礎壓力：3×10-5~3×10-7torr，工作壓力：3×10-1~3×10-5torr，靶材與樣品的距離：12cm。
待鈦金屬層28沉積完後，進行鉑(Pt)第一電極12 (厚度：200nm)的濺鍍。基本上濺鍍第一電極12的步驟與濺鍍鈦金屬層28類似，差別在於第一電極12的濺鍍是使用直流功率(DC power)產生器。鉑第一電極12的濺鍍製程參數條件如下所示，基礎壓力：3×10-5~3×10-7torr，工作壓力：1×10-1~1×10-5torr，靶材與樣品的距離：12cm。
之後，將上述樣品放入濺鍍法所使用的磁控濺鍍 機腔體，利用幫浦細抽至5×10-5~5×10-7torr。為了獲得氧化鎂(MgO)第一氧化層14(厚度：5nm)以誘發垂直序化之第一磁性層16，即利用加熱以增加其結晶性。當腔體到達要求之真空度後，加熱至200~500℃。之後，通入惰性氣體並利用質流控制器(mass flow controller,MFC)調整製程所需之氣體流量。之後，啟動功率(power)產生器，並進行預濺鍍(pre-sputtering)，去除靶材表面可能的汙染與氧化物。待預濺鍍完畢且腔體內一切製程調配穩定後，打開檔板(shutter)進行氧化鎂第一氧化層 14的濺鍍沉積。氧化鎂(MgO)第一氧化層14的濺鍍(sputtering)製程參數條件如下所示，基礎壓力：5×10-5~5×10-7torr，工作壓力：1×10-2~3×10-5torr，加熱至200~500℃，靶材與樣品的距離：12cm。
待氧化鎂第一氧化層14沉積完畢後，將第一氧化 層14靶材的電漿關閉。同時，再升溫至500~800℃，以濺鍍法生成鐵鉑合金(FePt)第一磁性層16(30nm)。鐵鉑合金第一磁性層16的濺鍍製程參數條件如下所示，基礎壓力：5×10-5~5×10-7torr，工作壓力：1×10-1~1×10-5torr，加熱至500~800℃，靶材與樣品的距離：12cm。
為了使鐵鉑合金第一磁性層16具有更佳的結晶性 與有序性。濺鍍完成後，進行500~800℃以上之後退火過程，即快速熱退火處理(rapid thermal annealing,RTA)。退火製程步驟及參數條件如下所示：抽至0.01~0.1torr，加溫至500~800℃，降溫至室溫。
之後，在鐵鉑合金第一磁性層16上，以濺鍍法生 成鈦酸鋇(BaTiO3)介電層18(厚度：100nm)。基本上濺鍍鈦酸鋇介電層18的步驟與濺鍍鈦金屬層28類似，差別在於鈦酸鋇介電層18的濺鍍是使用射頻功率(RF power)產生器。介電層材料中形成三種晶相的製程條件在濺鍍過程分為兩種條件，其一為形成非晶態(amorphous)介電層材料的常溫濺射，另一則為形成立方晶(cubic)與四方晶(tetragonal)的加溫濺射沉積。本實施例以加溫濺射沉積形成立方晶(cubic)介電層材料。在通入氬氣之前先加熱至300~600℃，協助晶體成長時結晶的進行。在濺射沉 積後，將樣品送至加熱爐管作後續熱處理，進行再結晶，其退火製程步驟及參數條件如下所示：將石英管內抽至3~6torr，通入普氧，純度大於90%，升溫至800~1200℃，退火1~8小時，降溫。
之後，將上述樣品置於濺鍍法所使用的磁控濺鍍 機腔體，利用幫浦細抽至5×10-5~5×10-7torr。為了獲得氧化鎂(MgO)第二氧化層20(厚度：5nm)以誘發垂直序化之第二磁性層22，即利用加熱以增加其結晶性。當腔體到達要求之真空度後，加熱至200~500℃。之後，通入惰性氣體並利用質流控制器(mass flow controller,MFC)調整製程所需之氣體流量。之後，啟動功率(power)產生器，並進行預濺鍍(pre-sputtering)，去除靶材表面可能的汙染與氧化物。待預濺鍍完畢且腔體內一切製程調配穩定後，打開檔板(shutter)進行氧化鎂第二氧化層20的濺鍍沉積。氧化鎂(MgO)第二氧化層20的濺鍍(sputtering)製程參數條件如下所示，基礎壓力：5×10-5~5×10-7torr，工作壓力：1×10-2~3×10-5torr，加熱至200~500℃，靶材與樣品的距離：12cm。
待氧化鎂第二氧化層20沉積完畢後，將第二氧化 層20靶材的電漿關閉。同時，再升溫至500~800℃，以濺鍍法生成鐵鉑合金(FePt)第二磁性層22(30nm)。鐵鉑合金第二磁性層22的濺鍍製程參數條件如下所示，基礎壓力：5×10-5~5×10-7torr，工作壓力：1×10-1~1×10-5torr，加熱至500~800℃，靶材與樣品的距離：12cm。
為了使鐵鉑合金第二磁性層22具有更佳的結晶性 與有序性。濺鍍完成後，進行500~800℃以上之後退火過程，即快速熱退火處理(rapid thermal annealing,RTA)。退火製程步驟及參數條件如下所示：抽至0.01~0.1torr，加溫至500~800℃，降溫至室溫。
之後，在鐵鉑合金第二磁性層22上，以濺鍍法成 長鉑(Pt)第二電極24(厚度：200nm)。濺鍍第二電極24的步驟與濺鍍鈦金屬層28類似，差別在於第二電極24的濺鍍是使用直流功率(DC power)產生器。鉑第二電極24的濺鍍製程參數條件如下所示，基礎壓力：3×10-5~3×10-7torr，工作壓力：1×10-1~1×10-5torr，靶材與樣品的距離：12cm。
至此，即完成本實施例磁性電容結構的製備，其 多層結構如下：鉑(Pt)/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO3)/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO2)。
接著，針對本實施例所製備的磁性電容結構進行 介電質介電係數與漏電流(leakage)的性能測試，結果如第2、3圖所示。
比較實施例1
傳統磁性電容結構(鉑(Pt)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO 3 )/鐵鉑合金(FePt)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO 2 ))之製備及性能測試
本比較實施例所製備的磁性電容結構其多層結構如下：鉑(Pt)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO3)/鐵鉑合金(FePt)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO2)。
接著，針對本比較實施例所製備的磁性電容結構進行介電質介電係數的性能測試，結果如第2圖所示。
比較實施例2
傳統磁性電容結構(鉑(Pt)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO 3 )/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO 2 ))之製備及性能測試
本比較實施例所製備的磁性電容結構其多層結構如下：鉑(Pt)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO3)/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO2)。
接著，針對本比較實施例所製備的磁性電容結構進行介電質介電係數的性能測試，結果如第2圖所示。
比較實施例3
傳統電容結構(鉑(Pt)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO 3 )/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO 2 ))之製備及性能測試(無施加外加磁場)
本比較實施例所製備的電容結構其多層結構如下：鉑(Pt)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO3)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO2)。
接著，針對本比較實施例所製備的電容結構進行介電質介電係數的性能測試(無施加外加磁場)，結果如第2圖所示。
比較實施例4
傳統電容結構(鉑(Pt)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO 3 )/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO 2 ))之製備及性能測試(施加外加磁場1 Tesla)
本比較實施例所製備的電容結構其多層結構如下： 鉑(Pt)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO3)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO2)。
接著，針對本比較實施例所製備的電容結構進行 介電質介電係數的性能測試(施加外加磁場1 Tesla)，結果如第2圖所示。
實施例2
本揭露磁性電容結構(鉑(Pt)/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/非晶態鈦酸鋇(a-BaTiO 3 )/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO 2 ))之製備及性能測試
請參閱第1圖，首先，在提供的氧化矽(SiO2)金屬氧化物層30(厚度：600nm)上以濺鍍法成長鈦(Ti)金屬層28(厚度：15nm)，作為金屬氧化物層30與第一電極12的黏著層。將樣品置入腔體中利用幫浦細抽至3×10-5~3×10-7torr。待腔體到達此一真空度後，通入惰性氣體並利用質流控制器(mass flow controller,MFC)調整製程所需之氣體流量。之後，啟動功率(power)產生器，進行預濺鍍(pre-sputtering)，去除靶材表面可能的汙染與氧化物。待預濺鍍完畢且腔體內一切製程調配穩定後，打開檔板(shutter)進行鈦金屬層28的濺鍍沉積。鈦金屬層28的濺鍍製程參數條件如下所示，基礎壓力：3×10-5~3×10-7torr，工作壓力：3×10-1~3×10-5torr，靶材與樣品的距離：12cm。
待鈦金屬層28沉積完後，進行鉑(Pt)第一電極12(厚度：200nm)的濺鍍。基本上濺鍍第一電極12的步驟與濺鍍鈦金屬層28類似，差別在於第一電極12的濺鍍是使用直流功率 (DC power)產生器。鉑第一電極12的濺鍍製程參數條件如下所示，基礎壓力：3×10-5~3×10-7torr，工作壓力：1×10-1~1×10-5torr，靶材與樣品的距離：12cm。
之後，將上述樣品放入濺鍍法所使用的磁控濺鍍 機腔體，利用幫浦細抽至5×10-5~5×10-7torr。為了獲得氧化鎂(MgO)第一氧化層14(厚度：5nm)以誘發垂直序化之第一磁性層16，即利用加熱以增加其結晶性。當腔體到達要求之真空度後，加熱至200~500℃。之後，通入惰性氣體並利用質流控制器(mass flow controller,MFC)調整製程所需之氣體流量。之後，啟動功率(power)產生器，並進行預濺鍍(pre-sputtering)，去除靶材表面可能的汙染與氧化物。待預濺鍍完畢且腔體內一切製程調配穩定後，打開檔板(shutter)進行氧化鎂第一氧化層14的濺鍍沉積。氧化鎂(MgO)第一氧化層14的濺鍍(sputtering)製程參數條件如下所示，基礎壓力：5×10-5~5×10-7torr，工作壓力：1×10-2~3×10-5torr，加熱至200~500℃，靶材與樣品的距離：12cm。
待氧化鎂第一氧化層14沉積完畢後，將第一氧化 層14靶材的電漿關閉。同時，再升溫至500~800℃，以濺鍍法生成鐵鉑合金(FePt)第一磁性層16(30nm)。鐵鉑合金第一磁性層16的濺鍍製程參數條件如下所示，基礎壓力：5×10-5~5×10-7torr，工作壓力：1×10-1~1×10-5torr，加熱至500~800℃，靶材與樣品的距離：12cm。
為了使鐵鉑合金第一磁性層16具有更佳的結晶性 與有序性。濺鍍完成後，進行500~800℃以上之後退火過程， 即快速熱退火處理(rapid thermal annealing,RTA)。退火製程步驟及參數條件如下所示：抽至0.01~0.1torr，加溫至500~800℃，降溫至室溫。
之後，在鐵鉑合金第一磁性層16上，以濺鍍法生 成鈦酸鋇(BaTiO3)介電層18(厚度：100nm)。基本上濺鍍鈦酸鋇介電層18的步驟與濺鍍鈦金屬層28類似，差別在於鈦酸鋇介電層18的濺鍍是使用射頻功率(RF power)產生器。介電層材料中形成三種晶相的製程條件在濺鍍過程分為兩種條件，其一為形成非晶態(amorphous)介電層材料的常溫濺射，另一則為形成立方晶(cubic)與四方晶(tetragonal)的加溫濺射沉積。本實施例以常溫濺射形成非晶態(amorphous)介電層材料。在通入氬氣之前先加熱至300~600℃，協助晶體成長時結晶的進行。在濺射沉積後，將樣品送至加熱爐管作後續熱處理，進行再結晶，其退火製程步驟及參數條件如下所示：將石英管內抽至3~6torr，通入普氧，純度大於90%，升溫至800~1200℃，退火1~8小時，降溫。
之後，將上述樣品置於濺鍍法所使用的磁控濺鍍 機腔體，利用幫浦細抽至5×10-5~5×10-7torr。為了獲得氧化鎂(MgO)第二氧化層20(厚度：5nm)以誘發垂直序化之第二磁性層22，即利用加熱以增加其結晶性。當腔體到達要求之真空度後，加熱至200~500℃。之後，通入惰性氣體並利用質流控制器(mass flow controller,MFC)調整製程所需之氣體流量。之後，啟動功率(power)產生器，並進行預濺鍍(pre-sputtering)，去除靶材表面可能的汙染與氧化物。待預濺鍍完畢且腔體內一 切製程調配穩定後，打開檔板(shutter)進行氧化鎂第二氧化層20的濺鍍沉積。氧化鎂(MgO)第二氧化層20的濺鍍(sputtering)製程參數條件如下所示，基礎壓力：5×10-5~5×10-7torr，工作壓力：1×10-2~3×10-5torr，加熱至200~500℃，靶材與樣品的距離：12cm。
待氧化鎂第二氧化層20沉積完畢後，將第二氧化 層20靶材的電漿關閉。同時，再升溫至500~800℃，以濺鍍法生成鐵鉑合金(FePt)第二磁性層22(30nm)。鐵鉑合金第二磁性層22的濺鍍製程參數條件如下所示，基礎壓力：5×10-5~5×10-7torr，工作壓力：1×10-1~1×10-5torr，加熱至500~800℃，靶材與樣品的距離：12cm。
為了使鐵鉑合金第二磁性層22具有更佳的結晶性 與有序性。濺鍍完成後，進行500~800℃以上之後退火過程，即快速熱退火處理(rapid thermal annealing,RTA)。退火製程步驟及參數條件如下所示：抽至0.01~0.1torr，加溫至500~800℃，降溫至室溫。
之後，在鐵鉑合金第二磁性層22上，以濺鍍法成 長鉑(Pt)第二電極24(厚度：200nm)。濺鍍第二電極24的步驟與濺鍍鈦金屬層28類似，差別在於第二電極24的濺鍍是使用直流功率(DC power)產生器。鉑第二電極24的濺鍍製程參數條件如下所示，基礎壓力：3×10-5~3×10-7torr，工作壓力：1×10-1~1×10-5torr，靶材與樣品的距離：12cm。
至此，即完成本實施例磁性電容結構的製備，其 多層結構如下：鉑(Pt)/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/非晶態 鈦酸鋇(a-BaTiO3)/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO2)。
接著，針對本實施例所製備的磁性電容結構進行漏電流(leakage)的性能測試，結果如第3圖所示。
比較實施例5
傳統磁性電容結構(鉑(Pt)/鐵鉑合金(FePt)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO 3 )/鐵鉑合金(FePt)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO 2 ))之製備及性能測試
本比較實施例所製備的磁性電容結構其多層結構如下：鉑(Pt)/鐵鉑合金(FePt)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO3)/鐵鉑合金(FePt)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO2)。
接著，針對本比較實施例所製備的磁性電容結構進行漏電流(leakage)的性能測試，結果如第3圖所示。
比較實施例6
本比較實施例所製備的磁性電容結構其多層結構如下：鉑(Pt)/鐵鉑合金(FePt)/非晶態鈦酸鋇(a-BaTiO3)/鐵鉑合金(FePt)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO2)。
接著，針對本比較實施例所製備的磁性電容結構進行漏電流(leakage)的性能測試，結果如第3圖所示。
根據實施例1所製備的磁性金屬-絕緣體-磁性金屬(MM-I-MM)結構(i.e.鉑(Pt)/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO3)/鐵鉑合金(FePt)/氧化鎂(MgO)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO2))，其於室溫環境下可產生高達379%(1kHz)的磁電容效應(magnetocapacitance)，如第2圖所示。此係由於 磁性薄膜磁場對介電質介電係數的貢獻。內部磁場影響了此頻率範圍內的電偶極化，使鈦酸鋇薄膜內部的原子與錯位離子存在的不平衡電荷分布排列更整齊，造就了更多的電偶極化，而提升此一頻率範圍內的電容值。此外，上述包含氧化鎂(MgO)的磁性金屬-絕緣體-磁性金屬(MM-I-MM)結構明顯較未包含氧化鎂(MgO)的磁性金屬-絕緣體-磁性金屬(MM-I-MM)結構(i.e.鉑(Pt)/鐵鉑合金(FePt)/立方晶鈦酸鋇(c-BaTiO3)/鐵鉑合金(FePt)/鉑(Pt)/鈦(Ti)/氧化矽(SiO2))具有更低漏電流，如第3圖所示。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧磁性電容結構
12‧‧‧第一電極
14‧‧‧第一氧化層
16‧‧‧第一磁性層
18‧‧‧介電層
20‧‧‧第二氧化層
22‧‧‧第二磁性層
24‧‧‧第二電極
26‧‧‧保護層
28‧‧‧金屬層
30‧‧‧金屬氧化物或金屬氮化物層
32‧‧‧矽基板

Claims (10)

  1. 一種磁性電容結構，包括：一第一電極；一第二電極，與該第一電極相對設置；一介電層，設置於該第一電極與該第二電極之間；一第一磁性層，設置於該第一電極與該介電層之間；一第二磁性層，設置於該第二電極與該介電層之間；一第一氧化層，設置於該第一電極與該第一磁性層之間；以及一第二氧化層，設置於該第二磁性層與該介電層之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性電容結構，其中該第一電極與該第二電極由鉑或鋁所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之磁性電容結構，其中該介電層之材料由氧化矽、氧化鈦、鈦酸鋇(BaTiO3)或鎘鉻硫化物(CdCr2S4)所構成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磁性電容結構，其中該介電層之材料之晶相包括非晶相或立方晶相。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之磁性電容結構，其中該介電層之材料之粒徑介於100至300奈米(nm)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之磁性電容結構，其中該第一磁性層與該第二磁性層由鐵鉑合金或鈷鉑合金所構成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之磁性電容結構，其中該第一氧化層與該第二氧化層由氧化鎂、鑭鍶錳氧(LSMO) 或鋯鈦酸鉛(PZT)所構成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之磁性電容結構，更包括一保護層，形成於該第一電極或該第二電極上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之磁性電容結構，其中該保護層由金屬、金屬氧化物、金屬氮化物或其組合所構成。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之磁性電容結構，更包括一矽基板，形成於該保護層上。
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