Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)及制備方法
【專利摘要】一種Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)，包括：一襯底，是實現(xiàn)多層膜外延生長的基礎(chǔ)；一緩沖層，其制作在襯底上，用于平滑襯底表面并減小晶格失配度；一下電極，其制作在緩沖層上，外延生長；一下插層，其制作在下電極上，外延生長；一勢壘層，其制作在下插層上；一上插層，其制作在勢壘層上，外延生長；一上電極，其制作在上插層上，外延生長；一覆蓋層，其制作在上電極上，對下層結(jié)構(gòu)起保護(hù)作用。本發(fā)明具有較高的隧穿磁電阻效應(yīng)。
【專利說明】
Heus I er合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及自旋電子學(xué)材料和以磁隧道結(jié)為核心的磁阻式隨機存儲器領(lǐng)域，具體涉及一種Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)及制備方法。技術(shù)背景
[0002]磁性存儲設(shè)備的不斷發(fā)展實現(xiàn)了高密度大容量數(shù)據(jù)存儲和微型化的電子元器件， 為我們的日常生活帶來了極大的便利。然而，這一切都與自旋電子學(xué)材料及相關(guān)器件的研究息息相關(guān)。磁阻式隨機存儲器(MRAM)的核心部件是磁性隧道結(jié)，其通常由鐵磁金屬電極/ 絕緣體勢皇/鐵磁金屬電極三明治結(jié)構(gòu)組成。通過外界的控制可以調(diào)節(jié)兩鐵磁電極磁矩的相對取向(平行排列或反平行排列)，使電子從一側(cè)電極到另一側(cè)電極的隧穿幾率發(fā)生變化，從而使隧道結(jié)呈現(xiàn)高、低兩種不同的電阻狀態(tài)。磁性隧道結(jié)正是利用這種可調(diào)控的隧穿磁阻效應(yīng)(TMR)來實現(xiàn)信號高低電平的變化，以此寫入和讀取數(shù)據(jù)。
[0003]為了提高器件性能，科研工作者們付出了大量的努力來優(yōu)化磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)， 在取得進(jìn)展的同時也發(fā)現(xiàn)了許多新問題有待進(jìn)一步改進(jìn):
[0004] —方面，隨著存儲密度的提高，相鄰磁存儲單元的間距不斷減小，存儲單元之間的磁耦合會對信息的存儲產(chǎn)生干擾，使器件的穩(wěn)定性下降。于是，人們想到利用具有垂直易磁化特性的電極材料取代面內(nèi)磁化材料作為存儲單元。采用垂直易磁化電極材料不但能夠最大程度上避免相鄰存儲單元之間的磁耦合，而且能降低翻轉(zhuǎn)磁矩所需能耗、提高元器件的熱穩(wěn)定性，有利于存儲元件的超高密度集成?，F(xiàn)階段相關(guān)領(lǐng)域研究比較成熟的是以CoFeB/ MgO/CoFeB結(jié)構(gòu)為代表的界面誘導(dǎo)磁各向異性隧道結(jié)，這類結(jié)構(gòu)的特點是僅在CoFeB薄膜很薄的情況下才能保持垂直磁各向異性，而CoFeB材料的磁阻尼因子隨薄膜厚度的減小迅速增加，并且體系對于緩沖層種類以及界面處的質(zhì)量要求非常高，在一定程度上給相關(guān)器件的大規(guī)模應(yīng)用帶來不便。針對此問題的一個解決方案是使用自身具有較大垂直磁各向異性 (PMA)的電極材料來實現(xiàn)垂直易磁化，而并非依靠界面的誘導(dǎo)作用。已有科研工作者嘗試?yán)镁哂懈叽怪贝鸥飨虍愋缘腗nGa作為電極材料進(jìn)行了MnGa/MgO/CoFe體系磁性隧道結(jié)的制備工作，然而當(dāng)前僅能在低溫下觀測到較小的隧穿磁阻變化率。
[0005]另一方面，人們發(fā)現(xiàn)對于鐵磁電極與絕緣體勢皇界面處進(jìn)行插層的生長是一項非常重要的工作。原因在于合適的插層材料除了起到緩沖鐵磁電極與絕緣體勢皇間的晶格失配作用外，還能夠避免電極材料與勢皇之間的互擴散及界面氧化問題，改善多層膜間的界面質(zhì)量。不僅如此，如果能找到一種合適的高自旋極化率材料作為插層，還可以改變電極與勢皇層界面的電子態(tài)性質(zhì)，從而進(jìn)一步提高隧道結(jié)的隧穿磁阻變化率。目前已經(jīng)有關(guān)于在 D〇22_MnGa/MgO/CoFe及Llo-MnGa/MgO/CoFe體系中引入Mg、Fe等插層材料的相關(guān)報道，研究表明插層材料的引入的確能夠改善電極與MgO勢皇之間的界面質(zhì)量。然而，上述體系所能達(dá)到的最高TMR與實用化器件所提出的需求還有一定差距。由此可見，對于合適插層材料的尋找和優(yōu)化是一項很有意義的工作。
【發(fā)明內(nèi)容】
[00〇6]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供了一種Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)及制備方法。本發(fā)明將Llo-MnGa電極與Heusler合金插層組成的雙層膜結(jié)構(gòu)植入到磁性隧道結(jié)的設(shè)計當(dāng)中，利用電極與插層間的反鐵磁耦合作用來實現(xiàn)插層磁矩的可控翻轉(zhuǎn)， 并且能使Llo-MnGa的高垂直磁各向異性與Heusler合金的半金屬特性得以兼顧。因此，所述磁隧道結(jié)器件在保證具有垂直易磁化特性的同時，還能具有較高的隧穿磁電阻效應(yīng)。[00〇7]本發(fā)明提供一種Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)，包括:
[0008]一襯底，是實現(xiàn)多層膜外延生長的基礎(chǔ)；
[0009]—緩沖層，其外延生長在襯底上，用于平滑襯底表面并減小晶格失配度；
[0010]一下電極，其外延生長在緩沖層上；
[0011]—下插層，其外延生長在下電極上；[0〇12]—勢皇層，其外延生長在下插層上，厚度為0.8-2nm;[〇〇13] 一上插層，其外延生長在勢皇層上；[0〇14]—上電極，其外延生長在上插層上；
[0015]—覆蓋層，其外延生長在上電極上，對下層結(jié)構(gòu)起保護(hù)作用。[0〇16]本發(fā)明還提供一種Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)的制備方法，包括以下步驟:[〇〇17]步驟1:取一襯底；
[0018]步驟2:在襯底上依次制備緩沖層、下電極、下插層、勢皇層、上插層、上電極和覆蓋層；
[0019]步驟3:真空磁場退火處理，完成制備。[〇〇2〇]相比已有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點如下:
[0021] Llo-MnGa垂直磁各向異性強、飽和磁矩高且磁阻尼因子低，是公認(rèn)實現(xiàn)垂直易磁化特性的良好基材;而半金屬Heus 1 er合金(Co2MnS1、Co2MnAl、Co2FeAl和Co2FeSi)具有理論預(yù)言的高自旋極化率和較高的鐵磁居里溫度。另外，實驗已經(jīng)證實上述半金屬Heusler合金與Llo-MnGa組成的雙層膜結(jié)構(gòu)間存在較強的反鐵磁交換親合作用，使Heusler合金插層的磁化方向能在Llo-MnGa電極的誘導(dǎo)作用下實現(xiàn)可控翻轉(zhuǎn)。不僅如此，半金屬Heusler合金的晶格常數(shù)介于Llo-MnGa和非磁性絕緣體勢皇之間，能夠在上下電極與勢皇層之間起到良好的緩沖作用，對Llo-MnGa體系的垂直易磁化磁性隧道結(jié)尤為適用。以上這些優(yōu)勢是普通垂直磁化結(jié)構(gòu)(如[Co/Pt(Pd)]n多層膜、Pt/C〇Fe、FePt)和普通插層材料(如Fe、C〇、C〇Fe)等所不具備的。對于上述磁性隧道結(jié)體系，我們已經(jīng)在室溫下觀測到了超過5%的隧穿磁電阻信號，且該信號隨測試溫度的降低呈增加趨勢。由此可見，本發(fā)明為提升垂直易磁化磁性隧道結(jié)的隧穿磁電阻特性提供了一種可行的新方法。【附圖說明】[〇〇22]為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中: [0〇23]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明的制備流程圖；
[0025]圖3為圖1結(jié)構(gòu)垂直磁隧道結(jié)的磁滯回線(M-H曲線)；
[0026]圖4為圖1結(jié)構(gòu)的隧穿磁電阻率(TMR)隨外磁場的響應(yīng)曲線?！揪唧w實施方式】
[0027]為更清楚地闡述本發(fā)明的【具體實施方式】，下面將結(jié)合一種Heusler合金為插層的 MnGa基垂直磁隧道結(jié)的具體實施例加以說明:[〇〇28]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)，包括:
[0029]—襯底1，為半絕緣性的GaAs(OOl)材料，是實現(xiàn)多層膜的外延生長的基礎(chǔ)；[0〇3〇]—緩沖層2,外延生長在襯底1上，由約4nm厚的半金屬Heusler合金C〇2MnSi薄膜組成，用于平滑襯底表面并緩沖襯底與長層結(jié)構(gòu)之間的晶格失配；[0〇31 ]—下電極3,外延生長在緩沖層2上，由約20nm的Llo-MnGa薄膜組成;該電極材料具有較高的垂直磁各向異性、高飽和磁矩及低的阻尼因子，是本結(jié)構(gòu)中垂直易磁化特性的來源；[0〇32]—下插層4,外延生長在下電極3上，由約為0.6-1.5nm厚的具有半金屬特性的Heusler合金(:〇#1^1、(:〇#1^1、(:〇#641或(:〇#631薄膜組成。理論預(yù)言這類材料的自旋極化度高達(dá)100%，又因為此類合金與Llo-MnGa組成的雙層膜之間具有較強的反鐵磁交換耦合作用，故能夠在L1-MnGa的誘導(dǎo)作用下體現(xiàn)出垂直方向的磁化特性，并且Heus 1 er合金的磁矩能隨Llo-MnGa—起受到外磁場的作用實現(xiàn)可控翻轉(zhuǎn)；[0〇33]—勢皇層5，外延生長在下插層4上，由厚度約2nm的MgO薄膜組成，勢皇層是實現(xiàn)電子隧穿效應(yīng)的核心部分；[0〇34]—上插層6,外延生長在勢皇層5上，由約為0.6-1.5nm厚的具有半金屬特性的Heusler合金C〇2MnS1、C〇2MnAl、C〇2FeAl或C〇2FeSi薄膜組成，其具體功效同下插層4。勢皇層上下的電極/插層雙層膜的磁化方向隨外場轉(zhuǎn)動，宏觀表現(xiàn)為隧道結(jié)上下電極間的電阻高低變化，該結(jié)構(gòu)可以將外界的磁信號轉(zhuǎn)換為隧道結(jié)上的電信號，從而實現(xiàn)信息的傳遞與記錄；
[0035]一上電極7，外延生長在上插層6上，由約為8-10nm的Llo-MnGa薄膜組成。下Ll〇-MnGa薄膜電極組分中的Mn含量與上Llo-MnGa薄膜電極略有不同，矯頑力He有所差異，這種設(shè)計是為了使上下電極材料的磁矩能夠獨立地受外磁場作用發(fā)生轉(zhuǎn)動；[0〇36]—覆蓋層8，外延生長在上電極7上，由約為0.8-2nm的Pd金屬薄膜組成，對下層結(jié)構(gòu)起保護(hù)作用。[0〇37]請參閱圖2并結(jié)合參閱圖1所示，本發(fā)明還提供一種Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)的制備方法，包括以下步驟:[〇〇38]1.取一本征半絕緣的GaAs(001)襯底1放入MBE制備腔室，腔室真空度為10_7Pa量級。給襯底加熱除氣脫氧后，將襯底溫度升至560°C，沉積GaAs平滑層，生長速率約為10nm/ min，厚度大于300nm。隨后將襯底的溫度降至150-250°C，生長Co2MnSi緩沖層2,用于平滑襯底表面并緩沖襯底與長層結(jié)構(gòu)之間的晶格失配，生長速率約lnm/min，厚度為3-5nm，在150-250°C保持10min進(jìn)行原位退火處理，以減少晶體缺陷；
[0039]2.保持襯底溫度為150_250°C，生長具有高垂直磁各向異性的Llo-MnGa下電極薄膜3,生長速率約lnm/min，厚度為25nm，在150-250°C保持lOmin進(jìn)行原位退火處理，以減少晶體缺陷；
[0040] 3.保持襯底溫度為150-250°c，生長具有半金屬特性的Heusler合金Co2MnSi上插層薄膜4(僅就本例選取C〇2MnSi插層，對于其他實施例還可選用C〇2MnAl、C〇2FeAl或 C〇2FeSi)，生長速率約lnm/min，厚度為0 ? 6-1 ? 5nm，在150_250°C保持lOmin進(jìn)行原位退火處理，以減少晶體缺陷；
[0041] 4.將襯底溫度降至室溫，利用電子束蒸發(fā)設(shè)備生長MgO勢皇層5,打開電子束蒸發(fā)電源，加速電壓為5kV，發(fā)射電流為10-15mA。同時使用晶振儀原位監(jiān)測MgO層厚度，薄膜沉積厚度為〇.，8-2nm，將襯底溫度升至300°C保持20min，進(jìn)行原位退火處理，以減少晶體缺陷； [〇〇42] 5.將襯底的溫度降至150-250°C，生長具有半金屬特性的Heusler合金Co2MnSi上插層6(還可選用C〇2MnAl、C〇2FoA1或C〇2FeSi)，生長速率約lnm/min，厚度為0.6-1.5nm，在 150-250°C保持lOmin進(jìn)行原位退火處理，以減少晶體缺陷；
[0043] 6.保持襯底溫度為150_250°C，生長具有高垂直磁各向異性的Llo-MnGa上電極薄膜7,生長速率約lnm/min，厚度為8-10nm，在150-250 °C保持lOmin進(jìn)行原位退火處理，以減少晶體缺陷；
[0044] 7.將襯底溫度降至室溫，在上述多層膜結(jié)構(gòu)上面生長一層Pd覆蓋層8(還可以選用 Pt、Ta或A1)，厚度約為0.8-2nm。由于Pd為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的貴金屬材料，可以對器件起到表面保護(hù)作用；最終得到結(jié)構(gòu)為GaAs/Co2MnSi緩沖層/Llo-MnGa電極/Co2MnSi插層/MgO勢皇層/C〇2MnSi插層/Llo-MnGa電極/P蓋層的以半金屬Heusler合金為插層的Llo-MnGa基垂直易磁化磁性隧道結(jié)多層膜；
[0045] 8.對步驟7制備的以半金屬Heusler合金為插層的Llo-MnGa基垂直易磁化磁性隧道結(jié)多層膜進(jìn)行真空磁場退火處理，使之性能更加優(yōu)化。
[0046]參閱圖3給出了以半金屬Heusler合金為插層的Llo-MnGa基垂直易磁化磁性隧道結(jié)的磁滯回線(M-H曲線)，施加磁場的方向與探測磁場的方向均垂直于襯底表面。圖中低場區(qū)域磁矩的陡峭跳變對應(yīng)下電極與下插層磁矩隨外磁場的翻轉(zhuǎn)過程，說明下電極的L1 〇-MnGa薄膜具有很好的垂直易磁化特性;圖中高場區(qū)域磁矩的變化對應(yīng)上電極與上插層磁矩隨外磁場的翻轉(zhuǎn)過程，說明上電極的Llo-MnGa薄膜同樣具有垂直易磁化特性。[0〇47]參閱圖4給出了以半金屬Heusler合金為插層的Llo-MnGa基垂直易磁化磁性隧道結(jié)的隧穿磁電阻率(TMR)隨外磁場的響應(yīng)曲線，施加磁場的方向垂直于襯底表面。從圖中能夠看到明顯的隧穿磁電阻信號，說明該結(jié)構(gòu)具有良好的性能。
[0048]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制。盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換;而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【主權(quán)項】
1.一種Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)，包括:一襯底，是實現(xiàn)多層膜外延生長的基礎(chǔ)；一緩沖層，其制作在襯底上，用于平滑襯底表面并減小晶格失配度；一下電極，其外延生長在緩沖層上；一下插層，其外延生長在下電極上；一勢皇層，其外延生長在下插層上；一上插層，其外延生長在勢皇層上；一上電極，其外延生長在上插層上；一覆蓋層，其外延生長在上電極上，對下層結(jié)構(gòu)起保護(hù)作用。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)，其中上、下電極 的材料為具有高垂直磁各向異性的Llo-MnGa薄膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)，其中上、下插層 的材料為 Co2MnS1、C〇2MnAl、C〇2FeAl 或 Co2FeSi 薄膜，其厚度為 0.6-1.5nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)，其中勢皇層的材 料為Al2〇3或MgO，其厚度為0 ? 8-2nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)，其中覆蓋層的材 料為PcUPt、Ta或A1，其厚度為0 ? 8-2nm。6.—種Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)的制備方法，包括以下步驟:步驟1:取一襯底；步驟2:在襯底上依次制備緩沖層、下電極、下插層、勢皇層、上插層、上電極和覆蓋層； 步驟3:真空磁場退火處理，完成制備。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)的制備方法，其中 上、下電極的材料為L1 o-MnGa薄膜。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)的制備方法，其中 上、下插層的材料為(:〇2]?1^、(:〇#1^1、(:〇#641或(:〇#631薄膜，其厚度為0.6-1.511111。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)的制備方法，其中 勢皇層的材料為Al2〇3或MgO,其厚度為0 ? 8-2nm〇10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的Heusler合金為插層的MnGa基垂直磁隧道結(jié)的制備方法，其 中覆蓋層的材料為Pd、Pt、Ta或A1，其厚度為0.8-2nm。
【文檔編號】H01L43/08GK105977375SQ201610552010
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月13日
【發(fā)明人】魯軍, 毛思瑋, 趙旭鵬, 趙建華
【申請人】中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所