一種自旋轉移器件及其製備方法

2023-04-29 05:18:06 2

專利名稱：一種自旋轉移器件及其製備方法
技術領域：
本發明屬於自旋輸運器件領域，特別涉及一種製備自旋轉移器件的方法和結構。該器件 可用於磁隨機存儲器以及微波發生器。
背景技術：
近年來，自旋電子學由於其豐富的物理內涵和廣闊的器件應用前景已成為凝聚態物理的 熱點領域。巨磁阻和隧道磁阻等自旋相關效應自提出以來，便在讀寫磁頭、磁存儲元件、.磁 場探測器等領域得到廣泛的應用。然而，巨磁阻和隧道磁阻器件都必須通過外加磁場進行操 作，這在一定程度上增加了器件的複雜度，限制了器件的集成密度和應用範圍。1996年，科 學家在理論上提出一種納米尺度下的新的自旋相關效應通過注入的自旋極化電流與鐵磁層
局域電子之間的自旋轉移作用，使鐵磁層磁化方向改變，從而改變器件的磁阻，稱為電流誘 導的磁化翻轉。由於自旋轉移器件直接採用電流讀寫，不需要外加磁場，以此為原型製作的 磁存儲器件能在很大程度簡化電路結構，提高存儲密度，具有良好的應用前景。但目前由於
實現磁化翻轉所需的電流密度太高，離實際應用還有一段距離。自旋轉移器件的基本結構為 "鐵磁/非磁/鐵磁"的多層膜結構，縱向注入電流垂直於膜平面，橫向為約100納米或更小 的橢圓。器件製作有兩類工藝"減法"工藝(subtractive process)和"加法"工藝(additive process)。所謂"減法"工藝，即先在襯底上依次澱積多層膜，再利用光刻和刻蝕工藝，形 成納米級的器件結構。與"減法"工藝相反，"加法"工藝首先在絕緣層上形成納米級限制結 構，再向限制結構中依次填充各層薄膜，自對準地形成器件。由於"減法"工藝通常需要採 用化學機械拋光工藝來實現平坦化，工藝的成本和難度較大。"加法"工藝流程相對簡單，它 還有一個很大的好處是效率高，可以一次性製作多個模板後，在模板中生長不同厚度和組分 的磁性薄膜，這對於實驗初期摸索器件參數非常有利。為防止澱積多層膜時的掛壁現象，通 常將限制結構製作為上小下大的"底切"結構[J. Z Sun etal.，"Spin-torque transfer in batch-fabricated spin-valve magnetic nano junctions (invited)". Journal of Applied Physics, 93(10):6859-6863, 2004].但是，現有的"加法"工藝採用溼法刻蝕來
形成"底切"結構，可控性和重複性差，尤其是在製作納米級結構時，並且腐蝕液對掩模金 屬和下電極都有一定要求。

發明內容
本發明的目的在於提供一種自旋轉移器件及其製備方法，以實現電流誘導的磁化翻轉。 並通過優化磁性多層膜的結構，降低磁化翻轉的臨界電流。
所述的自旋轉移器件是一種被絕緣層包裹的納米級柱狀磁性多層膜結構，其特徵在於， 從底層向上到頂層依次含有
第一層為底電極層，是150納米 250納米厚的金屬鉑或銅；
第二層為種子層，是3納米 5納米厚的金屬鉭；
第三層為釘扎層，是10納米 15納米厚的銥錳合金；
第四層為被釘扎層，是4納米 10納米厚的鐵磁性的鈷鐵合金，磁矩固定；
第五層為隔離層，是4納米 6納米厚的金屬銅，也可以是1納米 2納米厚的氧化鎂絕 緣層；
第六層為第一自由層，是1納米 1.5納米厚的鈷鐵合金；
第七層為第二自由層，是3納米 5納米厚的鎳鐵合金；
第八層為頂電極層，是150納米 250納米厚的金屬鉑；
其中第一自由層和第二自由層組成複合自由層，磁矩能自由翻轉。所述第二層到第六層
的橫截面形狀為橢圓形，其長軸長度為100土50納米。所述第二層到第六層形成一個納米柱， 且被氧化矽或氮化矽的絕緣層所包圍。
所述的自旋轉移器件的製備方法，其特徵在於，依次含有以下步驟 步驟(1)，在氧化矽襯底上製作以金屬鉑為材料的底電極層； 步驟(2)，在所述底電極層上澱積以氧化矽或氮化矽為材料的絕緣層； 步驟(3)，在所述絕緣層上澱積以金屬鉑為材料的金屬掩膜層；
步驟(4)，在所述掩模層上利用電子束曝光工藝生成橢圓形圖形，再利用Ar離子束刻蝕 將圖形從所述掩膜層上的光刻膠上轉移到掩膜層，露出所述絕緣層；
步驟(5)，利用反應離子刻蝕所述絕緣層，露出所述底電極層，通過控制刻蝕參數產生 所需的橫向刻蝕，形成和所述底電極結構連通的納米級"底切"結構；
步驟(6)，採用超高真空磁控濺射工藝，向所述底切結構中依次澱積以下各納米膜層 以金屬鉭為材料的種子層、以銥錳合金為材料的釘扎層、以鐵磁性鈷鐵合金為材料的被釘扎
層、以金屬銅為材料的隔離層、以鈷鐵合金為材料的第一自由層、以及以鎳鐵合金為材料的 第二自由層，所述第一自由層和第二自由層構成了磁矩自由翻轉的複合自由層，以上各層構 成了厚度預先設定的由鐵磁、非磁、鐵磁三種類別的材料依次疊合而成的金屬多層膜，自對 準形成納米柱結構；
步驟(7)，向所述多層金屬膜的最上層的頂端填充以鉑為材料的頂電極金屬，再用光刻 和刻蝕工藝製作頂電極圖形。
本發明的有益效果是第七層鎳鐵合金矯頑力較小，磁化易翻轉；第六層鈷鐵合金層避 免了鎳鐵合金和第五層金屬銅的互混，增強了界面的自旋相關散射。複合自由層結構可有效 降低磁化翻轉的臨界電流密度。以純幹法刻蝕來形成納米級的"底切"限制結構，大大提高 了工藝的可控性和重複性。利用該工藝製作的自旋轉移器件，可在較低電流下實現磁化翻轉， 有望用於新一代的磁隨機存儲器中。該工藝流程也提供了一種製作納米級"底切"限制結構 模板的方法，可向模板內填充任意的薄膜材料，製作其他類似的納米級柱狀結構。


圖1所示為自旋轉移器件的結構示意圖。
圖2所示為自旋轉移器件製備方法的工藝流程圖。
具體實施例方式
圖2為本發明所述製備方法的工藝流程圖。所述結構是在氧化矽襯底1上先用光刻和刻 蝕工藝製作出底電極圖形2;接著澱積約50納米的氧化矽或氮化矽絕緣層3，再澱積約30納 米的金屬鉑作為掩膜層4;利用電子束曝光工藝在掩膜層4上生成長軸長度約為100納米的 橢圓形圖案，利用Ar離子束刻蝕將圖形從光刻膠上轉移到金屬掩膜層4上，露出絕緣層3; 利用反應離子刻蝕絕緣層3，露出底電極2，通過控制反應離子刻蝕的參數，可產生所需的橫 向刻蝕，形成如圖所示的底切結構。採用美國LESKER公司的CMS—A超高真空六靶磁控濺射 系統，向納米級限制結構中依次澱積總厚度約30納米的金屬多層膜5，自對準形成納米柱狀 結構，金屬多層膜從下到上依次包括種子層金屬鉭、釘扎層銥錳合金、被釘扎層鈷鐵合金、 隔離層金屬銅、第一自由層鈷鐵合金、第二自由層鎳鐵合金，其中隔離層也可換為氧化鎂。 最後向限制結構中填充頂電極金屬鉑，再通過普通光刻和刻蝕工藝製作頂電極圖形6。
權利要求
1.一種自旋轉移器件的結構，其特徵在於採用由第一鐵磁材料、非磁材料、第二鐵磁材料依次疊加而成的金屬多層膜結構，所述自旋轉移器件從底層向上到頂層依次含有第一層為底電極層，是150納米～250納米厚的金屬鉑；第二層為種子層，是3納米～5納米厚的金屬鉭；第三層為釘扎層，是10納米～15納米厚的銥錳合金；第四層為被釘扎層，是4納米～10納米厚的鐵磁性的鈷鐵合金，磁矩固定；第五層為隔離層，是4納米～6納米厚的金屬銅；第六層為第一自由層，是1納米～1.5納米厚的鈷鐵合金；第七層為第二自由層，是3納米～5納米厚的鎳鐵合金；第八層為頂電極層，是150納米～250納米厚的金屬鉑；其中第一自由層和第二自由層組成複合自由層，磁矩能自由翻轉。
2. 根據權利要求1所述的一種自旋轉移器件，其特徵在於，其中所述第二層到第六層的橫截面形狀為橢圓形。
3. 根據權利要求2所述的一種自旋轉移器件，其特徵在於，所述橢圓形的長軸長度為100 士50納米。
4. 根據權利要求1所述的一種自旋轉移器件，其特徵在於，所述第二層到第六層形成一 個納米柱，且被氧化矽或氮化矽的絕緣層所包圍。
5. 根據權利要求1所述的一種自旋轉移器件，其特徵在於，所述底電極層為金屬銅。
6. 根據權利要求1所述的一種自旋轉移器件，其特徵在於，所述的隔離層為一層絕緣層。
7. 根據權利要求6所述的一種自旋轉移器件，其特徵在於，所述的絕緣層是1納米 2 納米厚的氧化鎂。
8. —種自旋轉移器件的製備方法，其特徵在於，所述方法依次含有以下步驟 步驟(1)，在氧化矽襯底上製作以金屬鉑為材料的底電極層；步驟(2)，在所述底電極層上澱積用氧化矽或氮化矽為材料的絕緣層； 步驟(3)，在所述絕緣層上澱積用金屬鉑為材料的金屬掩膜層；步驟(4)，在所述掩模層上利用電子束曝光工藝生成橢圓形圖形，再利用Ar離子束刻蝕 將圖形從所述掩膜層上的光刻膠上轉移到掩膜層，露出所述絕緣層；步驟(5)，利用反應離子刻蝕所述絕緣層，露出所述底電極層，通過控制刻蝕參數產生 所需的橫向刻蝕，形成和所述底電極結構連通的納米級"底切"結構；步驟(6)，採用超高真空磁控濺射工藝，向所述底切結構中依次澱積以下各納米膜層 以鉅為材料的種子層、以銥錳合金為材料的釘扎層、以鐵磁性鈷鐵合金為材料的被釘扎層、 以金屬銅為材料的隔離層、以鈷鐵合金為材料的第一自由層、以及以鎳鐵合金為材料的第二 自由層，所述第一自由層和第二自由層構成了磁矩自由翻轉的複合自由層，以上各層構成了 厚度預先設定的由鐵磁、非磁、鐵磁三種類別的材料依次疊合而成的金屬多層膜，自對準形 成納米柱結構；步驟(7)，向所述多層金屬膜的最上層的頂端填充以鉑為材料的頂電極金屬，再用光刻 和刻蝕工藝製作出頂電極圖形。
9.根據權利要求8所述的一種自旋轉移器件的製備方法，其特徵在於，所述的隔離層用 絕緣層代替。
全文摘要
一種自旋轉移器件及其製備方法，屬於自旋輸運器件技術領域，其特徵在於，在二氧化矽襯底上首先製作底電極，再生長絕緣層和掩模金屬，然後通過電子束曝光和離子束刻蝕、反應離子刻蝕在絕緣層中形成和底電極連通的納米級「底切」限制結構，再通過超高真空磁控濺射向納米級限制結構中依次澱積「鐵磁/非磁/鐵磁」金屬多層膜，自對準地形成納米級柱狀結構，最後製作頂電極。這種以純幹法刻蝕來形成納米級「底切」限制模版的方法，工藝的可控性和重複性好。澱積的多層膜結構經過優化，可降低實現電流誘導磁化翻轉的臨界電流，為新一代的超高密度、低功耗磁隨機存儲器提供了可能。
文檔編號H01L43/00GK101359715SQ20081022302
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月26日 優先權日2008年9月26日
發明者敏 任, 磊 張, 浩 董, 寧 鄧, 陳培毅 申請人:清華大學