專利名稱：一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應用于磁存儲器件如磁性隨機存儲器或其他磁傳感器件的磁隧道結(jié)元件。
背景技術(shù)：
磁隧道結(jié)具有較大的磁致電阻變化，是磁存儲器件、磁傳感器件等的重要元件，已獲得廣泛的應用。圖1為公知的磁隧道結(jié)(MTJ)的結(jié)構(gòu)，其各層依次為基片11、緩沖層12、反鐵磁層13、(釘扎)鐵磁層14、(自由)鐵磁層16、夾在兩鐵磁層之間的薄絕緣層15、及保護層17。該元件的絕緣層兩側(cè)的鐵磁層在外磁場或讀寫電流線產(chǎn)生的磁場的驅(qū)動下可以平行或反平行排列，從而表現(xiàn)為元件的低或高電阻態(tài)，其相應的隧道磁電阻值(TMR)則定義為此高低電阻之差與兩鐵磁層平行排列時的電阻之比。隧道磁電阻值大小與鐵磁層的自旋極化率(P)的大小有關(guān)，可以用公式TMR＝2P1P2/(1-P1P2)來表示，其中P1、P2為絕緣層兩側(cè)的鐵磁電極層的自旋極化率。通常，MTJ元件的鐵磁層的材料為Co，NiXFe100-X，CoYFe100-Y等鐵磁單質(zhì)金屬或合金，其中以CoFe合金的自旋極化率為最大(大約50％)，但是幾乎與成分Y無關(guān)，文獻[D.J.Monsma andS.S.P.Parkin，Appl.Phys.Lett.77，883(2000)；77，720(2000)]揭露了CoFe合金的自旋極化率在較大的成分范圍內(nèi)基本保持不變即與其組分Y無關(guān)。由上述可見，對于采用磁隧道結(jié)為敏感元件的磁存儲器件或其他磁傳感器件來說，如何能調(diào)控鐵磁電極的自旋極化率，進而得到隧道磁電阻值可調(diào)控的磁隧道結(jié)元件將大大方便相關(guān)器件的設(shè)計和應用。
另外，在磁隧道結(jié)中自由鐵磁層的矯頑力(HC)大小決定了以該磁隧道結(jié)為磁電子器件的高低電阻態(tài)之間轉(zhuǎn)變的開關(guān)場的大小，采用外磁場或采用讀寫電流線的電流產(chǎn)生的磁場可以實現(xiàn)對器件高低電阻態(tài)之間轉(zhuǎn)變，而如何能調(diào)控開關(guān)場的大小亦是此類傳感器件設(shè)計的關(guān)鍵，也是待解決的難點之一。如果能簡單地實現(xiàn)對此自由鐵磁層的矯頑力的調(diào)節(jié)，進而就可以實現(xiàn)對該元件開關(guān)場的調(diào)控，這將大大方便相關(guān)器件的設(shè)計和應用。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述鐵磁電極自旋極化率及自由鐵磁層的矯頑力能夠連續(xù)可調(diào)的問題，本發(fā)明的目的是提供一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件包括一基片和在基片上設(shè)置的一緩沖層、一反鐵磁層、一絕緣層、及一保護層，還包括一引導層，設(shè)在所述緩沖層上，所述引導層具有(111)織構(gòu)；一復合鐵磁層，作為釘扎層設(shè)置于所述反鐵磁層上；及一復合鐵磁層，作為自由層設(shè)置于所述絕緣層之上。
進一步地，所述的基片的材料選自硅或玻璃的一種。
進一步地，所述的緩沖層的材料選自Ta或(NiXFe100-X)YCr100-Y，其中77＜X＜83，50＜Y＜70。
進一步地，所述的引導層的材料選自Cu或Cu/NiXFe100-X雙層膜，其中77＜X＜83。
進一步地，所述的反鐵磁層的組成元素為Mn和X，所述的元素X選自Fe、Ir、Ni、Pt、Pd中的至少一種。
進一步地，所述的絕緣層的材料選自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，其厚度為0.5至3nm之間。
進一步地，所述的復合鐵磁層的材料選自兩種不同鐵磁材料組成的雙層膜FM1/FM2，其中鐵磁材料FM1或FM2選自Co，NiXFe100-X，或CoYFe100-Y的一種但不相同，77＜X＜83，10＜Y＜90。
進一步地，所述的復合鐵磁層中的FM1的厚度為2.5至10nm；FM2層的厚度為0至4nm之間，并且緊鄰絕緣層。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點本發(fā)明制備的磁隧道結(jié)元件，通過調(diào)節(jié)復合鐵磁層中鄰近絕緣層一側(cè)的薄鐵磁層的厚度可以連續(xù)可調(diào)復合鐵磁層的自旋極化率，從而可以調(diào)控該元件的隧道磁電阻值；通過調(diào)節(jié)作為自由層的復合鐵磁層中鄰近絕緣層一側(cè)的薄鐵磁層的厚度可以連續(xù)可調(diào)該自由層的矯頑力，從而可以調(diào)節(jié)該元件的開關(guān)場大小。


圖1為公知的磁隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)；圖2為本發(fā)明的磁隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)；圖3為本發(fā)明實施例一的磁隧道結(jié)樣品的TMR值與CoFe鐵磁插層厚度的關(guān)系；
圖4為本發(fā)明實施例三的磁隧道結(jié)樣品的自由矯頑力HC與CoFe鐵磁插層厚度的關(guān)系。
具體實施例方式
如圖2所示，本發(fā)明的磁隧道結(jié)元件結(jié)構(gòu)其各層依次為基片11、緩沖層12、引導層120、反鐵磁層13、(釘扎)復合鐵磁層140、絕緣層15、(自由)復合鐵磁層160及保護層17。
實施例一磁隧道結(jié)Si/Ta(5)/NiFe(20)/Cu(6)/FeMn(12)/NiFe(8)/CoFe(0-4)/Al2O3(1.7)/NiFe(13)/Cu(50)/Ta(5)，其中括號內(nèi)的數(shù)值為各膜層的厚度，其單位為納米，上述NiFe為Ni81Fe19，F(xiàn)eMn為Fe50Mn50，CoFe為Co50Fe50。各膜層從Si襯底開始依次沉積緩沖層Ta，引導層NiFe/Cu，反鐵磁層FeMn，復合電極層NiFe/CoFe作為釘扎層，自由層為NiFe(此處可以看作復合鐵磁層的特例，即另一層的厚度為0)，保護層Cu/Ta。如圖3所示，隨著CoFe厚度從0開始增加，復合鐵磁層的自旋極化率開始單調(diào)增加，TMR值也隨之單調(diào)增加，從17％增加到飽和值26％，由此實現(xiàn)了鐵磁電極自旋極化率的連續(xù)可調(diào)，從而使得該元件的隧道磁電阻值連續(xù)可調(diào)。
實施例二磁隧道結(jié)Si/Ta(5)/NiFe(20)/Cu(6)/FeMn(12)/NiFe(8)/Co(0-4)/Al2O3(1.7)/NiFe(13)/Cu(50)/Ta(5)，其中括號內(nèi)的數(shù)值為各膜層的厚度，其單位為納米，上述NiFe為Ni81Fe19，F(xiàn)eMn為Fe50Mn50。各膜層從Si襯底開始依次沉積緩沖層Ta，引導層NiFe/Cu，反鐵磁層FeMn，復合電極層NiFe/Co作為釘扎層，自由層為NiFe，保護層Cu/Ta。隨著Co厚度從0開始增加，復合鐵磁層的自旋極化率開始單調(diào)增加，TMR值也隨之單調(diào)增加，從17％增加到飽和值24％，由此實現(xiàn)了鐵磁電極自旋極化率的連續(xù)可調(diào)，從而使得該元件的隧道磁電阻值連續(xù)可調(diào)。
實施例三磁隧道結(jié)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)，其中括號內(nèi)的數(shù)值為各膜層的厚度，其單位為納米，上述NiFe為Ni81Fe19，F(xiàn)eMn為Fe50Mn50，CoFe為Co50Fe50。各膜層從Si襯底開始依次沉積緩沖層Ta，引導層NiFe/Cu，反鐵磁層FeMn，復合電極層NiFe/CoFe作為釘扎層，復合電極層CoFe/NiFe作為自由層，保護層Cu/Ta。如圖4所示，隨著自由層中的CoFe厚度從0開始增加，作為自由層的復合鐵磁層的矯頑力開始單調(diào)增加，由此實現(xiàn)了自由鐵磁電極層的矯頑力的連續(xù)可調(diào)，進而就可以實現(xiàn)對該元件的開關(guān)場的調(diào)控。
權(quán)利要求
1.一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件，包括一基片和在基片上設(shè)置的一緩沖層、一反鐵磁層、一絕緣層、及一保護層，其特征在于，還包括一引導層，設(shè)于所述緩沖層上，所述引導層具有(111)織構(gòu)；一復合鐵磁層，作為釘扎層設(shè)置于所述反鐵磁層上；及一復合鐵磁層，作為自由層設(shè)置于所述絕緣層之上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件，其特征在于，所述的基片的材料選自硅或玻璃的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件，其特征在于，所述的緩沖層的材料選自Ta或(NiXFe100-X)YCr100-Y，其中77＜X＜83，50＜Y＜70。
4.如權(quán)利要求1所述的一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件，其特征在于，所述的引導層的材料選自Cu或Cu/NiXFe100-X，其中77＜X＜83。
5.如權(quán)利要求1所述的一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件，其特征在于，所述的反鐵磁層的組成元素為Mn和X，所述的元素X選自Fe、Ir、Ni、Pt、Pd中的至少一種。
6.如權(quán)利要求1所述的一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件，其特征在于，所述的絕緣層的材料選自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，其厚度為0.5至3nm之間。
7.如權(quán)利要求1所述的一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件，其特征在于，所述的復合鐵磁層的材料選自兩種不同鐵磁材料組成的雙層膜FM1/FM2，其中鐵磁材料FM1或FM2選自Co，NiXFe100-X，或CoYFe100-Y的一種但不相同，77＜X＜83，10＜Y＜90。
8.如權(quán)利要求7所述的一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件，其特征在于，所述的復合鐵磁層中的FM1的厚度為2.5至10nm；FM2層的厚度為0至4nm之間，并且緊鄰絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以復合鐵磁層為鐵磁電極的磁隧道結(jié)元件，該磁隧道結(jié)元件包括一基片和在基片上設(shè)置的一緩沖層、一引導層、一由兩不同鐵磁材料形成的復合鐵磁層作為自由層、一絕緣層、一由兩不同鐵磁材料形成的復合鐵磁層作為釘扎層、一反鐵磁層、一保護層。通過調(diào)節(jié)復合鐵磁層中的薄鐵磁層的厚度可以連續(xù)可調(diào)復合鐵磁層的自旋極化率，從而可以調(diào)控該元件的隧道磁電阻值；通過調(diào)節(jié)作為自由層的復合鐵磁層中薄鐵磁層的厚度可以連續(xù)可調(diào)該自由層的矯頑力，從而可以調(diào)節(jié)該元件的開關(guān)場大小。
文檔編號G11C11/15GK1564335SQ20041003089
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者朱濤, 彭子龍, 詹文山 申請人:中國科學院物理研究所