專利名稱：一種高靈敏度的CoFeB基磁隧道結(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高靈敏度的CoFeB基磁隧道結(jié)。
背景技術(shù)：
隨著信息時(shí)代的到來，海量的資源和信息對于存儲設(shè)備提出了更高的要求。傳統(tǒng)商業(yè)存儲器，如靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)和動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)在無外加電壓時(shí)存儲的信息會丟失；而閃存(flash)雖然具有非易失性，但是其數(shù)據(jù)處理速度的提高和器件小型化遇到了難以克服的瓶頸。因此開發(fā)具有高速、高密度、低能耗和非易失性的存儲材料迫在眉睫。未來有可能商業(yè)化的磁隨機(jī)存儲器(MRAM)綜合了上述幾種隨機(jī)存儲器(RAM)的 優(yōu)點(diǎn)，具有非易失、高速、高密度、低能耗、低成本和抗輻射性能好等諸多優(yōu)良特性。磁隧道結(jié)(MTJ)是一種理想的磁隨機(jī)存儲器，其主體是兩層磁性電極中間夾一層隧穿層。這種結(jié)構(gòu)利用了量子隧穿機(jī)理，極化電流沿垂直膜平面方向穿過勢壘層時(shí)，隨勢壘層上下兩個(gè)磁電極的磁矩平行或反平行取向不同而呈現(xiàn)低或高的磁電阻狀態(tài)，顯示出很大的磁阻變化和信號輸出。CoFeB是一種重要的半金屬磁性材料，理論計(jì)算證明其具有100%的自旋極化率，因此受到人們的廣泛重視,成為磁隧道結(jié)中重要的電極材料。CoFeB基磁隧道結(jié)作為磁隨機(jī)存儲器具有諸多其他材料不可比擬的優(yōu)勢1.研究表明，CoFeB磁性電極搭配(001)織構(gòu)的MgO絕緣層，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)600%以上的隧穿磁電阻變化率(TMR) ；2.調(diào)整CoFeB電極厚度，可以實(shí)現(xiàn)垂直磁各向異性，使器件單元尺寸減小，存儲密度進(jìn)一步提高。另外，同其他磁隧道結(jié)一樣，通過改變勢壘層的種類和厚度，CoFeB基磁隧道結(jié)的結(jié)電阻在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，容易與半導(dǎo)體電路匹配。雖然CoFeB基磁隧道結(jié)具有諸多優(yōu)良性能，但是要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，器件對于磁場的靈敏度亟待提高，能耗還需要進(jìn)一步降低。同其他隧道結(jié)一樣，CoFeB基磁隧道結(jié)高低磁阻之間的轉(zhuǎn)變要通過調(diào)節(jié)兩個(gè)磁性電極磁矩的翻轉(zhuǎn)完成，這就需要CoFeB具有盡量高的磁滯回線矩形度(矩形度民=MK/MS，MK表示剩磁，Ms代表飽和磁化強(qiáng)度)來實(shí)現(xiàn)高低磁阻間的快速轉(zhuǎn)變。同時(shí)，降低磁阻間的轉(zhuǎn)變磁場對于降低能耗意義重大，而轉(zhuǎn)變磁場直接對應(yīng)著CoFeB電極矯頑力的大小。綜上所述，找到一種方法，實(shí)現(xiàn)CoFeB在低磁場下的快速翻轉(zhuǎn)，對于提高磁隧道結(jié)的靈敏度，推動其實(shí)際應(yīng)用意義重大。磁控濺射制備CoFeB基磁隧道結(jié)是目前最常用的技術(shù)，CoFeB磁性電極需要生長在一定的過渡層上。由于過渡層和CoFeB界面之間的復(fù)雜作用，界面的選取和控制對于后續(xù)生長的CoFeB磁學(xué)性能影響的重要性不言而喻。目前CoFeB基的磁隧道結(jié)主要使用Ta作為磁性電極和基片之間的過渡層，很少有工作考慮過渡層對于CoFeB和磁隧道結(jié)性能的影響。從調(diào)整過渡層的角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)CoFeB同時(shí)具有小的矯頑力和高的矩形度，有很大的發(fā)展空間。另外，由于CoFeB基隧道結(jié)的制備過程中需要對材料進(jìn)行250 - 400° C的退火處理，新選擇的過渡層還需要有較高的熱穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有高靈敏度的CoFeB基磁隧道結(jié)。本發(fā)明所提供的高靈敏度的CoFeB基磁隧道結(jié)，其結(jié)構(gòu)依次包括基片、過渡層、磁性電極層、絕緣層、磁性電極層、保護(hù)層；其中，所述磁性電極層為CoFeB層，所述基片與磁性電極層之間的過渡層為鎢(W)層。本發(fā)明所述CoFeB基磁隧道結(jié)的具體結(jié)構(gòu)包括基片(Si/Si02)/W/CoFeB/Mg0 (或Al2O3)/CoFeB/Ta，其中，W作為過渡層，其厚度可為3_15nm ;兩層CoFeB作為磁性電極層，其厚度可為5-20nm，CoFeB層中三種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為Co20%_70%，F(xiàn)e 20%_70%’ B10%-20% ;具有(001)織構(gòu)的MgO或者非晶的Al2O3作為隧穿層(絕緣層)，為自旋電子提供隧穿通道，其厚度可為l_3nm ；Ta的作用是保護(hù)下層CoFeB薄膜免受氧化，其厚度可為l_5nm。本發(fā)明由新的過渡層材料“W”替代傳統(tǒng)的“Ta”，可以促進(jìn)CoFeB基隧道結(jié)在低磁場下實(shí)現(xiàn)敏銳的翻轉(zhuǎn)(在磁滯回線中表現(xiàn)為高的矩形度)，提高隧道結(jié)的靈敏度，并且具有 良好的熱穩(wěn)定性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用磁控濺射沉積一定厚度的W作為過渡層，而后生長CoFeB和其他隧道結(jié)薄膜，得到的材料在退火前矯頑力小(Hc=4. 3 4. 70e)，矩形度高(Rs=O. 977 0. 971)。材料在退火后仍然保持著較為穩(wěn)定的性能。低溫退火(退火溫度小于300° C)，材料的矯頑力略有增大(氏=4. 9 5. IOe )，矩形度略有降低(Rs=O. 956 0. 949)。退火溫度升高到400° C以上后，矯頑力有比較大的變化，但仍然比較低(Hc=15. 7^16. 10e)，矩形度的降低也不明顯(Rs=O. 933、. 929)。而使用同樣工藝的等厚度Ta過渡層的CoFeB基磁隧道結(jié)，在退火前后矯頑力雖然也較低，但是矩形度很差，磁滯回線的翻轉(zhuǎn)不敏銳。
具體實(shí)施例方式使用磁控派射設(shè)備，沉積如下結(jié)構(gòu)的多層薄膜W(3-15nm)/CoFeB(5-20nm)/Mg0或Al2O3 (l-3nm) /CoFeB (5_20nm) /Ta (l_5nm)。磁控濺射用的CoFeB靶材成分可以調(diào)整，調(diào)整范圍為如下Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%-70%’ Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%_70%’ B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%_20%，調(diào)整需保證三者總和100%。沉積前依次使用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗。沉積過程在0. 05-0. 8Pa的高純Ar (99. 99%)中完成，W、CoFeB和Ta采用直流磁控濺射技術(shù)生長，MgO和Al2O3采用射頻磁控濺射制備，制備好的材料可以有選擇地進(jìn)行250-600 ° C退火處理。隨后通過紫外曝光、氬離子刻蝕結(jié)合金屬剝離法的工藝將多層膜加工成尺寸為5X3um2"l00X60um2 的隧道結(jié)。下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。實(shí)施例使用MSP-620D磁控濺射設(shè)備，沉積如下結(jié)構(gòu)的多層薄膜W(6nm)/CoFeB (IOnm) /MgO (2nm) /CoFeB (8nm) /Ta (2nm)。沉積的背底真空優(yōu)于3. OX 10_5Pa，磁控濺射用的CoFeB革巴材成分為Co3tlFe5tlB2tl (下標(biāo)為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)),沉積使用的基片為Si/Si02,沉積前依次使用丙酮、酒精、去離子水各超聲清洗8分鐘。沉積過程在0.4Pa的高純Ar(99.99%)中完成，W、CoFeB和Ta都使用IOW的較低功率生長，具有(001)織構(gòu)的MgO采用功率150W的射頻磁控濺射制備。通過紫外曝光、氬離子刻蝕結(jié)合金屬剝離法的工藝將多層膜加工成尺寸為5X3u nTl00X60 u m2的隧道結(jié)。得到的材料矯頑力退火前只有4. 50e,矩形度Rs=O. 977。樣品經(jīng)過275和400° C真空退火仍然保持著較為穩(wěn)定的性能。275° C退火后，Rs=O. 955，矯頑力Hc=4. 90e ;400° C退火后，材料的Rs=O. 931，矯頑力Hc=16. IOe0由上述結(jié)果可知，使用磁控濺射，沉積一定厚度的W作為過渡層，得到的CoFeB基隧道結(jié)矯頑力小，矩形度高。材料在退火后仍然保持著較為穩(wěn)定的性能。低溫退火(退火溫度小于300° C)，材料的矯頑力略有增大，矩形度略有降低。退火溫度升高到400° C以上后，矯頑力有比較大的變化，但仍然比較低， 矩形度的降低不明顯。對比例采用與實(shí)施例相同的工藝，僅將過渡層W(6nm)替換成同等厚度的Ta。制備得到的隧道結(jié)矯頑力退火前雖然只有2. 70e，但是矩形度較低Rs=O. 771。樣品使用與W過渡層隧道結(jié)相同的條件進(jìn)行真空退火處理，275° C退火后，RS=0. 831，矯頑力Hc=3. 90e ;400° C退火后，材料的矩形度Rs只有0. 598，矯頑力Hg=15. IOe0對比W過渡層的隧道結(jié)可知，雖然Ta過渡層隧道結(jié)在退火前后矯頑力也較低，但是矩形度很差，磁滯回線的翻轉(zhuǎn)不敏銳，對應(yīng)的高低磁阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變的磁場靈敏度遠(yuǎn)不如W過渡層的隧道結(jié)。對退火前的實(shí)施例和對比例得到的材料進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析，對過渡層/CoFeB界面進(jìn)行高分辨透射電鏡分析。整體上兩種結(jié)構(gòu)中的CoFeB都是非晶，W和Ta過渡層都呈現(xiàn)多晶狀態(tài)。但是在W上生長的CoFeB界面處保持著良好的非晶狀態(tài)，而Ta上生長的CoFeB在界面上有少量納米晶存在。這很可能是由于Ta與Co、Fe的混合熱較低(Fe_Ta，A Hf= - 20kJ/mol ；Co-Ta, A Hf = - 35kJ/mol),而 W 與 Co、Fe 的混合熱較高(Fe_W, A Hf =OkJ/mol ；Co-ff, AHf= _ 2kJ/mol), Ta更容易混合進(jìn)入CoFeB層中促進(jìn)了 Co、Fe的形核,在界面處產(chǎn)生的少量納米晶。界面納米晶的出現(xiàn)破壞了非晶CoFeB的原有性能，導(dǎo)致了材料矩形度的下降。 另外，我們的研究發(fā)現(xiàn)，在W上生長的CoFeB具有明顯的單軸磁各向異性(UMA)，這是由于W和Co、Fe有較強(qiáng)的雜化作用，引起Co、Fe的軌道磁矩成分上升而導(dǎo)致的。
權(quán)利要求
1.一種CoFeB基磁隧道結(jié)，其結(jié)構(gòu)依次包括基片、過渡層、磁性電極層、絕緣層、磁性電極層、保護(hù)層，所述磁性電極層為CoFeB層；其特征在于所述過渡層為鎢層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CoFeB基磁隧道結(jié)，其特征在于所述CoFeB基磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)依次包括基片、鎢層、CoFeB層、MgO或Al2O3層、CoFeB層、Ta層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的CoFeB基磁隧道結(jié)，其特征在于所述鎢層的厚度為3_15nm0
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的CoFeB基磁隧道結(jié)，其特征在于所述CoFeB層的厚度為5-20nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的CoFeB基磁隧道結(jié)，其特征在于所述CoFeB層中三種元素的質(zhì)量含量分別為Co 20%-70%, Fe 20%-70%, B 10%_20%。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項(xiàng)所述的CoFeB基磁隧道結(jié)，其特征在于所述MgO或Al2O3層的厚度為l_3nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2-6中任一項(xiàng)所述的CoFeB基磁隧道結(jié)，其特征在于所述MgO為具有(001)織構(gòu)的MgO ;所述Al2O3為非晶Al2O30
8.根據(jù)權(quán)利要求2-7中任一項(xiàng)所述的CoFeB基磁隧道結(jié)，其特征在于所述Ta層的厚度為l_5nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有高靈敏度的CoFeB基磁隧道結(jié)。該CoFeB基磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)依次包括基片、過渡層、磁性電極層、絕緣層、磁性電極層、保護(hù)層；其中，所述磁性電極層為CoFeB層，所述過渡層為鎢層。具體結(jié)構(gòu)可為Si/SiO2/W(3-15nm)/CoFeB(5-20nm)/MgO或Al2O3(1-3nm)/CoFeB(5-20nm)/Ta(1-5nm)。本發(fā)明使用W替代Ta作為磁隧道結(jié)中的過渡層，可以促進(jìn)CoFeB在低磁場下實(shí)現(xiàn)敏銳的翻轉(zhuǎn)，并且具有良好的熱穩(wěn)定性。由于W層不容易與Co、Fe形成合金，界面處的CoFeB保持良好的非晶形貌，得到的材料矯頑力小、矩形度高。材料在退火后矯頑力和矩形度變化不大，熱穩(wěn)定性良好。
文檔編號H01L43/08GK102709467SQ20121018126
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者宋成, 崔彬, 潘峰 申請人:清華大學(xué)