磁性隧道結的製作方法

2023-05-30 02:54:16

磁性隧道結的製作方法
【專利摘要】本發明涉及尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結及其器件應用，磁性隧道結的勢壘採用尖晶石氧化物組成。該隧道結可以是單勢壘或者雙勢壘的結構。本發明提供的新型勢壘磁性隧道結可以應用於自旋電子器件中，包括磁敏傳感器、磁性隨機存取存儲器單元、磁邏輯器件單元、自旋電晶體和自旋場效應管。基於這些新型勢壘的磁性隧道結，勢壘層與磁性電極晶格失配度較低，在保持高的室溫隧穿磁電阻比值的同時，偏壓依賴特性比較弱，擊穿電壓得到提高。
【專利說明】磁性隧道結
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結，及其在自旋電子器件中的應用。
【背景技術】
[0002]1988年，法國物理學家Fert領導的研究小組在Fe/Ge多層膜中發現了高達50%的巨磁電阻效應(GMR)。這種效應由於在信息領域中有巨大的潛在應用價值，一經問世便引起了磁電阻效應的研究熱潮。1994年，IBM研發出利用巨磁電阻效應的讀頭，使硬碟存儲密度提高17倍,達至Ij 3Gbits/in2。1995年日本T.Miyazaki等人和美國J.S.Moderola等人分別在鐵磁金屬/Al-O絕緣勢壘/鐵磁金屬中發現了高的室溫隧穿磁電阻效應(TMR)，再次掀起了磁電阻效應的研究浪潮。目前，人們在基於MgO勢壘的的磁性隧道結中已經獲得室溫超過600%的TMR值。這是因為對於單晶MgO(OOl)勢壘隨性隧道結，隧穿時s帶多子電子(八^寸稱性，自旋向上)起主導作用，這個理論最早由Butler等人提出，並且被實驗所證實。2009年，希捷公司採用MgO磁性隧道結材料做磁頭，使硬碟演示盤存儲密度達到800Gbits/in2。
[0003]然而，單晶MgO(OOl)勢壘與常用鐵磁金屬如Fe、CoFe的晶格失配度比較大，產生界面位錯和勢壘缺陷，限制了磁電阻比值的進一步提高，導致磁性隧道結的不對稱，偏壓依賴性比較強，擊穿電壓降低；因此進一步尋找和製備結構缺陷更少、特別是晶格匹配度更高的新勢壘材料有非常重要的科學意義。

【發明內容】

[0004]因此，本發明的目的在於克服上述現有技術的缺陷，提供一種基於尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結，包括單勢壘磁性隧道結和雙勢壘磁性隧道結及其在自旋電子器件中的應用。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]本發明提供一類基於尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結，其核心多層膜結構中的勢壘層由尖晶石結構的AB2O4材料組成，包括MgAl204、ZnAl2O4, SiMg2O4, SiZn2O4, MgGa2O4,MgIn2O4' ZnGa2O4λ ZnIn2O4' CdAl2O4' CdGa2O4' CdIn2O4' SiCd2O4' GeMg2O4' GeZn2O4' GeCd2O4'SnMg204、SnZn204、SnCd2O4 等，典型厚度為 0.5~5.0nm。
[0007]在上述技術方案中，所述尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結包括單勢壘和雙勢壘結構。
[0008]在一個實施例中，提供一種基於尖晶石氧化物單勢壘的磁性隧道結多層膜的結構，該結構由下至上依次包括:
[0009]襯底；
[0010]緩衝層；
[0011]第一磁性層；[0012]勢壘層；
[0013]第二磁性層；
[0014]覆蓋層；
[0015]其中第一和第二磁性層的矯頑力不同，調節矯頑力大小可以採用交換相互作用、形狀各向異性、埋入永磁的方法。
[0016]在上述技術方案中，所述的第一和第二磁性層包括鐵磁性材料、半金屬磁性材料、稀磁半導體材料，以及這些磁性材料與反鐵磁材料、非磁性金屬的複合層，第一和第二磁性層的厚度為f 50nm，兩磁性層的材料和厚度可以相同或者不同。
[0017]上述本發明提供的基於尖晶石氧化物單勢壘的磁性隧道結，隧穿時s帶多子電子(Δ !對稱性，自旋向上)起主導作用，因此核心層中兩鐵磁電極磁化方向平行時隧穿電流大，此時隧道結電阻比較小；通過改變外磁場使兩磁性層的磁化方向反平行時，兩邊磁電極的能帶結構不匹配，隧穿電流變小，此時隧道結電阻比較大。因此能夠獲得室溫下高的單勢壘隧穿磁電阻比值。
[0018]在上述技術方案中，所述交換相互作用為提供一種通過交換相互作用控制零外磁場時磁性隧道結兩磁性層磁化方向的方法，其中勢壘層採用尖晶石氧化物勢壘，第一和第二磁性層具有釘扎結構，其中反鐵磁層釘扎包括直接釘扎結構和間接釘扎結構，直接釘扎結構包括AFM/FM，間接釘扎結構包括AFM/FM1/NM/FM2，或者AFM/NM/FM，或者AFM/NM1/FM1/匪2/FM2。其中控制零外磁場時兩磁性層磁化方向相互垂直，可以得到線性的TMR曲線，提供一種線性磁場傳感器設計。
[0019]本發明的磁性納米多層膜結構的例子包括但不限於: [0020]結構A:SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2 (I) /NM2/FM2 (2) /AFM2/CAP ；
[0021]結構B:SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CAP ；
[0022]結構C:SUB/SL/AFM1/FM1(1)/NM1/FM1(2)/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP，在該結構C的多層膜中，隨著匪1厚度的增加，FMl (1)/W1/FM1⑵可以由反鐵磁耦合到鐵磁性耦合變化，並且耦合強度減弱。
[0023]結構D:SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2 (I) /NM/FM2 (2) /AFM2/CAP ；(此式中的(I)和
(2)表示兩個FM2層可以是具有不同厚度的同一材料)
[0024]結構E:SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM/AFM2/CAP ；
[0025]結構F:SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CAP ；
[0026]在上述技術方案中，所述形狀各向異性方法為提供一種通過形狀各向異性控制零外磁場時磁性隧道結兩磁性層磁化方向的方法。其中第二磁性層利用形狀各向異性使磁化方向固定；第一磁性層利用反鐵磁釘扎層的交換相互作用使磁化方向固定，其中反鐵磁層釘扎包括直接釘扎結構和間接釘扎結構，直接釘扎結構包括AFM/FM，間接釘扎結構包括AFM/FM1/NM/FM2,或者AFM/NM/FM，或者AFM/NM1/FM1/NM2/FM2。磁性隧道結的形狀可以設計成長寬比很大的多邊形(如長方形)或者長短軸比很大的橢圓形，包括實心結構和空心環狀結構，也包括閉合和非閉合結構，使零外磁場時第二磁性層的磁化方向固定在沿長軸方向。其中控制零外磁場時兩磁性層磁化方向相互垂直,可以得到線性的TMR曲線，提供一種線性磁場傳感器設計。
[0027]在上述技術方案中，所述埋入永磁方法為提供一種通過埋入永磁偏置控制零外磁場時磁性隧道結兩磁性層磁化方向的方法。其中第二磁性層利用永磁體提供的偏置磁場使磁化方向固定；第一磁性層利用反鐵磁釘扎層的交換相互作用使磁化方向固定，其中反鐵磁層釘扎包括直接釘扎結構和間接釘扎結構，直接釘扎結構包括AFM/FM，間接釘扎結構包括AFM/FM1/NM/FM2，或者AFM/NM/FM，或者AFM/NM1/FM1/NM2/FM2。其中控制零外磁場時兩磁性層磁化方向相互垂直，可以得到線性的TMR曲線，提供一種線性磁場傳感器設計。
[0028]在上述技術方案中，所述垂直各向異性方法為提供一種利用垂直各向異性控制零外磁場時磁性隧道結兩磁性層磁化方向的方法。其中第一磁性層利用反鐵磁釘扎層的交換相互作用使磁化方向固定，其中反鐵磁層釘扎包括直接釘扎結構和間接釘扎結構，直接釘扎結構包括AFM/FM，間接釘扎結構包括AFM/FM1/NM/FM2，或者AFM/NM/FM，或者AFM/NM1/FM1/NM2/FM2 ;第二磁性層利用CoFeB與勢壘層的界面各向異性，或者利用Co/Pt、Co/N1、CoFeB/Pt、CoFeB/Pt等結構的界面各向異性，或者採用CoFeB/TbFeCo或者CoFeB/GdFeCo等結構，使第二磁性層的磁化方向垂直於薄膜平面，同時也就垂直於第一磁性層，可以得到線性的TMR曲線，提供一種線性磁場傳感器設計。或者第一磁性層和第二磁性層都採用垂直各向異性的材料和結構。
[0029]在另一個實施例中，提供一種基於尖晶石氧化物雙勢壘的磁性隧道結多層膜的結構，該結構由下至上依次包括:
[0030]襯底；
[0031]緩衝層；
[0032]第一磁性層；
[0033]第一勢壘層；
[0034]第二磁性層；
[0035]第二勢壘層；
[0036]第三磁性層；
[0037]覆蓋層；
[0038]其中第二磁性層比第一磁性層、第三磁性層的矯頑力要小，第一和第三磁性層的矯頑力可以相同也可以不同，調節矯頑力大小可以採用交換相互作用、形狀各向異性、埋入永磁的方法。
[0039]在上述技術方案中，所述第一和第二勢壘層的材料和厚度可以相同，也可以不同。
[0040]所述的的第一、第二和第三磁性層包括鐵磁性材料、半金屬磁性材料、稀磁半導體材料，以及這些磁性材料與反鐵磁材料、非磁性金屬的複合層，所述的第一和第三磁性層厚度為f50nm，第二磁性層厚度為0.5?25nm，三個磁性層的材料和厚度可以相同也可以不同。
[0041]本發明提供的基於尖晶石氧化物雙勢壘的磁性隧道結，隧穿時s帶多子電子(Λ I對稱性，自旋向上)起主導作用，因此核心層中中間磁性層與兩端磁性電極的磁化方向平行時隧穿電流大，此時隧道結電阻比較小；通過改變外磁場使中間磁性層的磁化方向與兩端磁性電極反平行時，兩邊磁電極的能帶結構不匹配，隧穿電流變小，此時雙勢壘隧道結電阻比較大。因此能夠獲得室溫下高的雙勢壘隧穿磁電阻比值。
[0042]在上述技術方案中，所述鐵磁性材料包括:Fe、Co、Ni,或者這些鐵磁金屬的合金薄膜，Sm、Gd、Nd 等稀土金屬，Co-Fe, Co-Fe-B, NiFeCr, Co-Fe-S1-B, Gd-Y 或者 N1-Fe (如:Ni81Fe19)等；
[0043]所述的稀磁半導體材料包括:Mn摻雜的GaAs、InAs,GaN和ZnTe，Fe、Co、N1、V、Mn摻雜的 ZnO、TiO2、HfO2 和 SnO2 ；
[0044]所述的半金屬材料包括:Fe304、CrO2,Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-S1、Co-Mn-Al,Co-Fe-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si , Co-Mn-Ge,、Co-Mn-Ga,、Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3,La1^GaxMnO3 (其中 0<x<l)。
[0045]反鐵磁材料可以是Ir、Fe、Rh、N1、Pt、Pd與Mn的合金，厚度為3~30nm，或者Co0、NiO等氧化物，厚度5~50nm。
[0046]非磁性金屬包括Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度為0.1~5nm。
[0047]襯底採用Si襯底、SiC、Mg0、GaAs、玻璃襯底或者S1-SiO2襯底、或者有機柔性襯底等，厚度為0.3~1m m。
[0048]緩衝層採用導電性比較好且和襯底結合較緊密的非磁性金屬層(包括單層或者多層複合金屬薄膜)，其材料優選Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Pd、Cu、CuN等,厚度可為3~50nm。
[0049]覆蓋層採用不易氧化且導電性比較好的金屬層(包括單層或者多層複合金屬薄膜)，其材料優選Ta、Cu、Al、Ru、Au、Ag、Pt等，厚度為2~40nm。
[0050]本發明提供的基於尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結可以採用微納加工方法或者絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩膜的方法加工成所需要的圖形結構，包括微米和納米尺寸的三角形、四邊形、五邊形、六邊形、八邊形等N邊形(N為大於等於3的整數)，包括實心和空心環狀結構，例如包括微米和納米尺寸的實心圓形、實心橢圓形、圓環形、橢圓環形等。
[0051]與現有技術相比，本發明的優點在於:
[0052]本發明提供的基於尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結晶格失配度比較小，偏壓依賴性比較弱，擊穿電壓比較高，可以應用於新型自旋電子器件中，包括高靈敏度的磁敏、電敏、光敏和氣敏傳感器、磁性隨機存取存儲器(MRAM)存儲單元、磁邏輯器件單元、自旋電晶體和自旋場效應管等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0053]以下參照附圖對本發明實施例作進一步說明，其中:
[0054]圖1至圖7為根據本發明實施例的多種磁性多層膜結構的示意圖；
[0055]圖8 為本發明尖晶石氧化物(a)MgAl204、(b) ZnAl204> (c) SiMg204> (d) SiZn2O4 的在Λ和Λ方向的實能帶及對稱性；
[0056]圖9 為本發明尖晶石氧化物(a)MgAl204、(b) ZnAl2O4, (c) SiMg2O4, (d) SiZn2O4 在 Λ方向的復能帶。其中負半軸數據點表示虛能帶，正半軸數據點為實能帶(只畫出了 kz為正的部分)。標註I部分的黑色數據點示出了虛部最小的I復能帶。在(c)中同時指出了在k//=0點處，對平行態隧穿其主要作用的幾條虛能帶。實線位置為Fe/SiMg204/Fe-MTJ的費米能級。(d)中灰色數據表示SiZn2O4複數能帶(即同時包含實部和虛部的復能帶),虛線表示I虛能帶底部與複數能帶相連；
[0057]圖10為Fe/SiMg204/Fe磁性隧道結在平行態下，k//=0處在費米能級處的隧穿態密度，其中(a)自旋多子(b)自旋少子；[0058]圖11為零外磁場下通過反鐵磁釘扎層的交換相互作用控制零外磁場下兩鐵磁層磁化方向的示意圖；
[0059]圖12為通過形狀各向異性控制零外磁場下兩磁性層磁化方向的示意圖，通過形狀各向異性和閉合磁路設計使第二磁性層的磁化方向固定在長軸方向；
[0060]圖13為通過永磁偏置控制零外磁場下兩磁性層磁化方向的示意圖，通過HardBias永磁偏置使第二磁性層的磁化方向固定在某一方向；
[0061]圖14、圖15、圖16為零外磁場下基於尖晶石氧化物勢魚磁性隧道結核心層的三種磁化方向示意圖，其中圖14為兩磁性層平行狀態，圖15為兩磁性層垂直狀態，圖16為兩磁性層的另一種垂直狀態；
【具體實施方式】
[0062]圖1示出根據本發明一實施例的基於尖晶石氧化物勢壘的磁性納米多層膜，其由下至上依次包括:基片101 (簡稱為SUB)、種子層102 (簡稱為SL)、第一磁性層103、勢壘層104 (簡稱為Space)、第二磁性層105和覆蓋層106 (簡稱為CAP)。
[0063]基片101為Si襯底、SiC、玻璃襯底或S1-SiO2襯底，或者有機柔性襯底等，厚度為0.3 ?Imm0
[0064]種子層(也稱底層)102是導電性比較好且和襯底結合較緊密的非磁性金屬層(包括單層或者多層)，其材料優選Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Pd、Cu、CuN等,也可以是金屬和反鐵磁層的複合層，厚度可為3?50nm。
[0065]勢壘層104為由具有尖晶石結構的以化學式AB2O4所表示的材料組成，厚度為0.5?5.0nm。這些材料包括 MgAl204、ZnAl2O4' SiMg2O4' SiZn2O4' MgGa2O4' MgIn2O4' ZnGa2O4'Zn I Ii2O4 > CdAl204、CdGa204、Cdln204、Si Cd2O4 > GeMg204、GeZn204、GeCd204、SnMg204、SnZn2O4 或SnCd2O40 在這些材料中優選的是 MgAl2O4' ZnAl2O4' SiMg2O4' SiZn2O40
[0066]覆蓋層106為不易被氧化且導電性比較好的的金屬層(包括單層或者多層複合金屬薄膜)，其材料優選Ta、Cu、Al、Ru、Au、Ag、Pt等，厚度為2?40nm,用於保護核心結構不被氧化和腐蝕。
[0067]第一磁性層103和第二磁性層105的結構均可以是直接釘扎結構或者間接釘扎結構。「直接釘扎」是指反鐵磁材料層AFM直接和鐵磁性層FM接觸(簡寫為AFM/FM)，「間接釘扎」是指在反鐵磁材料層AFM和鐵磁性層FM之間插入一層很薄的非磁性金屬層NM (簡寫為FM/NM/AFM)，或者在二者之間插入複合層NM/FM (簡寫為FM1/NM/FM2/AFM)，或插入複合層NM/FM/匪(簡寫為FMl/匪1/FM2/匪2/AFM)。通過在AFM和FM之間加入插入層可以減小二者(即直接交換偏置)的釘扎效果，並且通過調節該插入層的厚度可以有效調控間接交換偏置的釘扎效果。
[0068]在上述第一磁性層103和第二磁性層105中，反鐵磁性層AFM包括具有反鐵磁性的合金材料，優選Pt-Μη、Ir-MruFe-Mn和N1-Mn,厚度為3?30nm ;或具有反鐵磁性的氧化物，優選CoO、NiO,厚度為5?50nm。鐵磁性層FM採用自旋極化率比較高的鐵磁性金屬，優選Co、Fe、Ni ;或者這些鐵磁性金屬的合金薄膜，優選Co-Fe、Co-Fe-B, NiFeCr或N1-Fe(如=Ni81Fe19)等鐵磁性合金，厚度為I?20nm ;或者是諸如GaMnAs，Ga-Mn-N等稀磁半導體材料，或諸如 Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-S1、Co-Mn-Al、Co-Fe-Al-S1、Co-Mn-Ge、Co-Mn-Ga、Co-Mn-Ge-Gaaa1^xSrxMnO3>La1^xCaxMnO3 (其中 0〈X〈1)等半金屬材料，厚度為 2.0 ~50nm，因此該鐵磁性層可以是單一的一層薄膜，也可以是由不同材料的薄膜組成的複合薄膜。插在鐵磁性層FM和反鐵磁層AFM之間的超薄非磁性金屬層匪一般採用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金製作，厚度為0.1~5nm。
[0069]因此，本發明的基於尖晶石氧化物勢壘的磁性納米多層膜結構的例子包括但不限於(見圖2-圖7):
[0070]結構A:SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2 (I) /NM2/FM2 (2) /AFM2/CAP ；
[0071]結構B:SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CAP ；
[0072]結構C:SUB/SL/AFM1/FM1(1)/NM1/FM1(2)/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP，在該結構C的多層膜中，隨著匪1厚度的增加，FMl (1)/W1/FM1⑵可以由反鐵磁性耦合到鐵磁性耦合變化，並且耦合強度減弱。
[0073]結構D:SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2 (I) /NM/FM2 (2) /AFM2/CAP ；(此式中的(I)和
(2)表示兩個FM2層可以是具有不同的厚度的同一材料)
[0074]結構E:SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM/AFM2/CAP ；
[0075]結構F:SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CAP ；
`[0076]本發明提供的基於尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結可以在任意一種現有的襯底上沉積，利用常規的薄膜製備方法和微加工工藝製備。所述的薄膜沉積方法可以是磁控濺射、分子束外延(MBE)、電子束蒸發、脈衝雷射沉積(PLD)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、溶膠凝膠法(Sol-Gel)、電沉積或者脈衝雷射沉積、液相化學反應沉積和高純度NaCl鹽水人工調控結晶等方法。所述的微納加工工藝可以為光刻法、電子束曝光、金屬掩膜法、離子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和化學反應刻蝕等方法。其中尖晶石氧化物勢壘層可以用物理或者化學沉積的方法獲得，包括磁控濺射、分子束外延(MBE)、電子束蒸發、脈衝雷射沉積(PLD)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、溶膠一凝膠法(Sol-Gel)、電沉積或者脈衝雷射沉積等方法。
[0077]下面給出一些本發明的基於尖晶石氧化物勢壘的磁性納米多層膜結構的示例。
[0078]示例 1:
[0079]利用磁控濺射的方法製備基於尖晶石氧化物單勢壘的磁性隧道結，結構為 Si_Si02/Ta(5nm) /Ru(2Onm) /Ta(5nm) /IrMn(15nm)/CoFeB(3nm)/ZnAl2O4 (2nm)/CoFeB(4nm)/Ta(5nm)/Ru(5nm)。沉積時,加1000Oe的平面誘導磁場，因此第一磁性層的磁化方向由反鐵磁釘扎層固定，第二磁性層的磁化方向是自由的。
[0080](I)選擇一個厚度為1mm的S1-SiO2襯底作為基片SUB，並在磁控濺射設備上以真空優於2X 10_6Pa，沉積速率為0.lnm/s,沉積時氬氣壓為0.07Pa的條件，在該基片上沉積Ta (5nm) /Ru (20nm) /Ta (5nm)的種子層 SL ；
[0081](2)在磁控濺射設備上以真空優於2X10_6Pa，沉積速率為0.lnm/s，氬氣壓為0.07Pa的條件，在種子層SL上沉積厚度為15nm的IrMn作為反鐵磁層AFMl ；
[0082](3)在磁控濺射設備上以真空優於2X10_6Pa，沉積速率為0.06nm/s，氬氣壓為0.07Pa的條件，在反鐵磁層AFM上沉積厚度為3nm的CoFeB的第一鐵磁性層FMl;
[0083](4)在磁控濺射設備上以真空優於2X10_6Pa，沉積速率為0.07nm/s，氬氣壓為0.07Pa的條件，在第一鐵磁性層FMl上沉積厚度為2nm的ZnAl2O4作為中間勢壘層Space;[0084](5)在磁控濺射設備上以真空優於2X10_6Pa，沉積速率為0.06nm/s，氬氣壓為0.07Pa的條件,在中間層Space上沉積4.0nm的CoFeB作為第二鐵磁層FM2;
[0085](6)在磁控濺射設備上以真空優於2X10_6Pa，沉積速率為0.lnm/s，氬氣壓為
0.07Pa的條件，在第二鐵磁性層FM2上沉積Ta(5nm)/Ru (5nm)作為覆蓋層CAP。
[0086]然後利用微加工工藝，製備微米尺寸的隧道結，並且在結區上面搭建用於測量的電極。
[0087](I)在沉積好的磁性多層膜樣品上塗上正性光刻膠，旋塗4000轉/min，時間I分鐘，膠厚約I微米，95度前烘I分鐘，然後利用底電極的掩模版，進行接觸式紫外曝光，一般為15-20秒；利用顯影液進行顯影30秒，在用超純水定影30秒，後烘I分鐘；將樣品放入Ar離子刻蝕機中，進行Ar離子刻蝕，得到底電極的形狀，刻蝕時間由預先標定好的刻蝕速率以及多層膜的厚度決定；將樣品放入丙酮中去除殘留的光刻膠。
[0088](2)再在形成底電極的樣品表面塗上光刻膠，為了降低後續溶膠掀離法(lift-off)工藝的難度，選用負型光刻膠，旋塗4000轉/min，時間I分鐘，膠厚約4微米，90度前烘5分鐘。再利用結區的掩模版，進行曝光200秒，顯影液中顯影2分鐘左右，直到樣品表面膠的花紋散去，定影30秒；為了保持結區的形狀，不需要後烘；最後進行Ar離子刻蝕，刻過勢壘層即可，得到結區的形狀。
[0089](3)利用磁控濺射沉積厚度為IOOnm左右的SiO2，用於使結區相互絕緣，以及底電極與將沉積的頂電極互相絕緣；再進行金屬剝離法(lift-off)，將樣品放入丙酮或去膠劑中，超聲去膠，把覆蓋在結區上的光刻膠以及SiO2 —同剝離，使結區暴露。
[0090](4)在樣品上沉積約80nm厚的Cu和20nm厚的Au作為頂電極層，再次在樣品表面塗上正性光刻膠，利用頂電極的掩模版進行曝光，顯影定影(前烘曝光時間同底電極)；再進行Ar離子刻蝕，從而得到磁性隧道結的頂電極，將樣品放入丙酮中，去除殘膠。就此得到製備好的具有磁性隧道結和外加測量底電極和頂電極的單元。
[0091]示例 2:
[0092]利用磁控濺射的方法製備基於尖晶石氧化物雙勢壘的磁性隧道結的結構為:
[0093]Si_Si02/Ta (5nm) /Ru (20nm) /Ta (5nm) /IrMn (15nm) /CoFeB (3nm) /SiZn2O4 (2nm) /CoFeB (4nm) /SiZn2O4 (2nm) /CoFeB (4nm) /IrMn (15nm) /Ta (5nm) /Ru (5nm)。
[0094]沉積時，加IOOOOe的平面誘導磁場，因此第一磁性層和第三磁性層的磁化方向由反鐵磁釘扎層固定成同一方向，第二磁性層的磁化方向是自由的。具體製備方法與不例I類似。
[0095]示例3?8:
[0096]按照示例I方法製備的單勢壘磁性隧道結，其多層膜各層的成分和厚度如表I所示。其中勢壘層可以採用尖晶石氧化物勢壘，優選MgAl204、ZnAl2O4, SiMg2O4, SiZn2O4，包括 MgGa204、Mgln204、ZnGa204、Znln204、CdAl204、CdGa204、Cdln204、SiCd2O4> GeMg204、GeZn204、GeCd2O4, SnMg2O4, SnZn2O4, SnCd2O4 等，厚度為 0.5?5.0nm ;襯底可以採用 Si 襯底、SiC、MgO、GaAs、玻璃襯底或者S1-SiO2襯底、或者有機柔性襯底等。
[0097]表1、本發明的單勢壘磁性隧道結多層膜結構
[0098]
【權利要求】
1.一種磁性隧道結，包括具有勢壘層的核心多層膜結構，其特徵在於:所述勢壘層由具有尖晶石結構的以化學式AB2O4所表示的材料組成，厚度為0.5^5.0nm，其中A、B為金屬元素。
2.根據權利要求1所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述AB2O4為MgAl204、ZnAl2O4,SiMg2O4^ SiZn204、MgGa2O4^ Mgln204、ZnGa204、ZnIn2O4> CdAl204、CdGa204、Cdln204、SiCd2O4>GeMg2O4、GeZn2O4、GeCd2O4、SnMg2O4、SnZn2O4 或 SnCd2O4。
3.根據權利要求1所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述AB2O4為MgAl204、ZnAl2O4,SiMg2O4 或 SiZn2O4。
4.根據權利要求1所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述磁性隧道結具有單勢壘或雙勢壘結構。
5.根據權利要求4所述的磁性隧道結，其特徵在於，單勢壘的磁性隧道結多層膜的結構由下至上依次包括: 襯底； 緩衝層； 第一磁性層； 勢壘層； 第二磁性層； 覆蓋層；` 其中第一磁性層和第二磁性層的矯頑力不同，調節矯頑力大小可以採用交換相互作用、形狀各向異性、埋入永磁的方法。
6.根據權利要求5所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述第一磁性層和第二磁性層由鐵磁性材料、半金屬磁性材料或稀磁半導體材料製成，或由這些磁性材料與反鐵磁材料、非磁性金屬組成的複合層製成，第一磁性層和第二磁性層的厚度為f50nm，該第一磁性層和第二磁性層的材料和厚度相同或者不同。
7.根據權利要求4所述的磁性隧道結，其特徵在於，雙勢壘的磁性隧道結多層膜的結構由下至上依次包括: 襯底； 緩衝層； 第一磁性層； 第一勢魚層； 第二磁性層； 第二勢壘層； 第三磁性層； 覆蓋層； 其中第二磁性層比第一磁性層、第三磁性層的矯頑力要小，第一磁性層和第三磁性層的矯頑力可以相同也可以不同，調節矯頑力大小可以採用交換相互作用、形狀各向異性、埋入永磁的方法。
8.根據權利要求7所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述的第一、第二和第三磁性層由鐵磁性材料、半金屬磁性材料或稀磁半導體材料製成，或由這些磁性材料與反鐵磁材料、非磁性金屬組成的複合層製成，所述的第一磁性層和第三磁性層厚度為f 50nm，第二磁性層厚度為0.5~25nm，其中，三個磁性層的材料和厚度相同或不同，第一和第二勢壘層的材料和厚度相同或不同。
9.根據權利要求6或8所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述鐵磁性材料選自Fe、Co、Ni或者這些鐵磁金屬的合金薄膜；或選自Sm、Gd、Nd等稀土金屬；或選自Co_Fe、Co-Fe-B>NiFeCr,Co-Fe-S1-B、Gd-Y 或 N1-Fe； 所述的稀磁半導體材料選自Mn摻雜的GaAs、InAs, GaN或ZnTe，或選自Fe、Co、N1、V、Mn 摻雜的 ZnO、Ti02、HfO2 或 SnO2 ； 所述的半金屬材料選自 Fe3O4' CrO2, Co-Mn-S1、Co-Fe-Al、Co-Fe-S1、Co-Mn-Al、Co-Fe-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge,、Co-Mn-Ga,、Co-Mn-Ge-Ga, La1^xSrxMnO3 或La1^GaxMnO3 (其中 0<χ<1)。
10.根據權利要求6或8所述的磁性隧道結，其特徵在於， 所述反鐵磁材料選自Ir、Fe、Rh、N1、Pt、Pd與Mn的合金，厚度為3~30nm，或者選自氧化物CoO、NiO,厚度5~50nm。
11.根據權利要求6或8所述的磁性隧道結，其特徵在於， 所述非磁性金屬選自Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或它們的合金，厚度為0.1~5nm。
12.根據權利要求5或7 所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述緩衝層採用導電性比較好且和襯底結合較緊密的非磁性金屬層，或者採用金屬和反鐵磁層的複合層，厚度可為3~50nmo
13.根據權利要求5或7所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述覆蓋層採用不易氧化且導電性比較好的金屬層，厚度為2~40nm。
14.根據權利要求5或7所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述襯底採用Si襯底、SiC、MgO、GaAs、玻璃襯底、S1-SiO2襯底、或者有機柔性襯底，厚度為0.3~1mm。
15.根據權利要求1所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述磁性隧道結可以採用微納加工方法或者絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩膜的方法加工成所需要的圖形結構。
16.根據權利要求15所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述磁性隧道結的圖形結構為微米和納米數量級的橢圓形、圓形或N邊形，其中N為大於等於3的整數，例如為三角形、四邊形、五邊形、六邊形、八邊形等(N為大於等於3的整數)。
17.根據權利要求1所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述磁性隧道結具有實心或空心的環狀結構，例如為微米和納米數量級的實心圓形、實心橢圓形、圓環形、橢圓環形等。
18.權利要求1至17之一所述的磁性隧道結在電子器件中的應用，包括磁敏、電敏、光敏和氣敏傳感器、磁性隨機存取存儲器存儲單元、磁邏輯器件單元、自旋電晶體和自旋場效應管。
19.根據權利要求5或7所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述交換相互作用的方法是:通過交換相互作用控制零外磁場時磁性隧道結兩磁性層磁化方向的方法；其中勢壘層採用尖晶石氧化物勢壘，第一和第二磁性層具有釘扎結構，其中反鐵磁層釘扎包括直接釘扎結構和間接釘扎結構，直接釘扎結構包括AFM/FM，間接釘扎結構包括AFM/FM1/NM/FM2，或者AFM/NM/FM,或者 AFM/NM1/FM1/NM2/FM2。
20.根據權利要求5或7所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述形狀各向異性方法是通過形狀各向異性控制零外磁場時磁性隧道結兩磁性層磁化方向的方法。
21.根據權利要求5或7所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述埋入永磁的方法是通過埋入永磁偏置控制零外磁場時磁性隧道結兩磁性層磁化方向的方法。
22.根據權利要求5或7所述的磁性隧道結，其特徵在於，所述垂直各向異性方法是利用垂直各向異性控制零外磁場 時磁性隧道結兩磁性層磁化方向的方法。
【文檔編號】H01L43/08GK103531707SQ201210229507
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月3日 優先權日:2012年7月3日
【發明者】吳昊, 張佳, 餘天, 張曉光, 韓秀峰 申請人:中國科學院物理研究所