專利名稱：一種共振隧穿型磁隧道結元件的制作方法
技術領域：
本發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或磁量子器件等的磁隧道結元件。
背景技術：
磁隧道結元件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組成部分，已獲得了廣泛的應用。該元件的絕緣層兩側的鐵磁層在外磁場或讀寫電流線產生的磁場的驅動下可以平行或反平行排列，從而表現為元件的低或高電阻態，其相應的隧穿磁電阻值(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。圖1為公知的磁隧道結的結構，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(為了描述方便，在下面的敘述中以磁隧道結的核心部分14，15，及16層來代表一個磁隧道結，并簡寫為FM/I/FM)。當在磁隧道結的絕緣層和勢壘層中插入一層非磁金屬(NM)時，即在FM/NM/I/FM結構的磁隧道結中，隨著非磁金屬層的厚度的變化，TMR值出現高低振蕩的現象，這一現象稱為共振磁隧穿效應，具有TMR振蕩變化的磁隧道結有望制成磁隧穿二極管，磁隧穿三極管等磁電子元件。文獻[S.Yuasa et al.，Science 297(2002)，234]揭露了用分子束外延(MBE)的方法制備的FM/NM/I/FM結構的Co(100)/Cu(100)/Al2O3/NiFe共振隧穿型磁隧道結，隨著Cu層的厚度變化，TMR出現振蕩，但是，采用磁控濺射法卻始終都沒有制備出具有TMR振蕩的共振隧穿型磁隧道結。文獻[W.F.EgelhoffJr.et al.，J.Appl.Phys.89(2001)，5209和J.D.R.Buchanan et al.，Phys.Rev.B 66(2002)，104427]揭露了Al在非磁金屬上的生長規律表明用磁控濺射法制備的FM/NM/I/FM結構的樣品由于Al和NM層之間嚴重的界面混合效應，導致絕緣勢壘層(I)失效，從而破壞了制備的磁隧道結，無法獲得共振磁隧穿效應。值得注意的是，該文獻還揭露了Al可以很好地在鐵磁金屬層上生長，從而保證了磁隧道結絕緣層的質量，這也是磁隧道結能夠成功用磁控濺射法制備的原因所在。
因此如何能設計出新結構的共振隧穿型磁隧道結，并能夠采用常見的磁控濺射法來制備相應的磁隧道結，實現TMR值的振蕩，將直接影響到相關元器件的進一步開發和廣泛應用。
發明內容
為了解決采用磁控濺射法制備共振隧穿型磁隧道結的問題，本發明的目的是提供一種共振隧穿型磁隧道結元件。
為了實現上述目的，本發明提供的一種共振隧穿型磁隧道結元件包括一基片和在基片上設置的一緩沖層、一反鐵磁層、一保護層、及一絕緣層，其特征在于，還包括一引導層，設于所述緩沖層上，該引導層具有(111)織構；及一由鐵磁/非磁/鐵磁三層金屬膜形成的振蕩鐵磁層作為自由層設置于所述絕緣層之上或之下。
進一步地，所述基片的材料選自硅或玻璃的一種。
進一步地，所述緩沖層的材料選自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，所述自由鐵磁層的結構為FM/NM/FM，鐵磁層FM選自Co、或NiXFe100-X、或CoYFe100-Y，其中77＜X＜83，10＜Y＜90。
進一步地，所述振蕩鐵磁層中緊鄰近所述絕緣層的鐵磁層的厚度為0.5至3nm，另一鐵磁層的厚度為1至10nm。
進一步地，所述振蕩鐵磁層中的非磁金屬層(NM)的材料選自Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Cr、Ru其中之一，其厚度為0至5nm。
與現有技術相比，本發明具有如下優點1、本發明采用一薄鐵磁層將非磁金屬層與絕緣勢壘層隔開，實現了采用磁控濺射法制備共振隧穿型磁隧道結，其工藝簡單，有利于大規模產業化推廣；2、本發明制備的磁隧道結元件，通過調節由鐵礠/非磁/鐵磁三層金屬膜形成的振蕩鐵磁層中非磁金屬層的厚度，實現了TMR值的振蕩變化。
圖1為公知的磁隧道結元件的結構；
圖2為本發明的共振隧穿型磁隧道結元件的結構；圖3為本發明實施例一的磁隧道結樣品的結電阻值與振蕩鐵磁層中非磁層Cu厚度的關系；其中，實心點代表實施例一所述的磁隧道結樣品，空心點為未加1nmNiFe作覆蓋層的磁隧道結樣品。
具體實施例方式
如圖2所示，本發明的共振隧穿型磁隧道結元件結構其各層依次為基片11、緩沖層12、引導層120、振蕩鐵磁層130、絕緣層14、釘扎鐵磁層15、反鐵磁層16及保護層17。
實施例一磁隧道結Si/Ta(5)/NiFe(10)/Cu(6)/NiFe(10)/Cu(0-4)/NiFe(1)/Al2O3(1.7)/NiFe(8)/FeMn(12)/Cu(50)/Ta(5)，其中括號內的數值為各膜層的厚度，其單位為納米，上述NiFe為Ni81Fe19，上述FeMn為Fe50Mn50。各膜層從Si襯底開始依次沉積緩沖層Ta，引導層NiFe/Cu，振蕩鐵磁層NiFe/Cu/NiFe，絕緣層Al2O3，釘扎鐵磁層NiFe，反鐵磁層FeMn，保護層為Cu/Ta。如圖3所示，隨著Cu厚度從0開始增加，磁隧道結的結電阻值的行為與通常未插入Cu層的磁隧道結[Si/]Ta(5)/NiFe(10)/Cu(6)/NiFe(10)/Al2O3(1.7)/NiFe(8)/FeMn(12)/Cu(50)/Ta(5)]完全一樣，即與Cu層的厚度變化無關。而對于沒有1nm厚的NiFe作覆蓋的磁隧道結[Si/Ta(5)/NiFe(10)/Cu(6)/NiFe(10)/Cu(0-4)/Al2O3(1.7)/NiFe(8)/FeMn(12)/Cu(50)/Ta(5)]，其結電阻在Cu的厚度為0.4nm時就下降到原來不插Cu的5％，即此時的磁隧道結已被破壞，失去了應用價值。這表明采用一薄鐵磁層NiFe將非磁金屬層Cu與絕緣勢壘層隔開，可以避免采用磁控濺射法制備共振隧穿型磁隧道結時，NM和Al層之間產生的嚴重的界面混合，從而保證了絕緣勢壘層的質量。
振蕩鐵磁層NiFe/Cu/NiFe隨著Cu層的厚度變化，在這兩層NiFe之間產生鐵磁或反鐵磁排列，從而導致他們對TMR的貢獻是相加或相減，進而產生TMR值的振蕩。
實施例二磁隧道結Si/Ta(5)/NiFe(10)/Cu(6)/Co(10)/Cu(0-4)/Co(1.2)/Al2O3(1.7)/Co(8)IrMn(12)/Cu(50)/Ta(5)，其中括號內的數值為各膜層的厚度，其單位為納米，上述NiFe為Ni81Fe19，上述IrMn為Ir22Mn78。各膜層從Si襯底開始依次沉積緩沖層Ta，引導層NiFe/Cu，振蕩鐵磁層Co/Cu/Co，絕緣層Al2O3，釘扎鐵磁層Co，反鐵磁層IrMn，保護層為Cu/Fa。振蕩鐵磁層Co/Cu/Co隨著Cu層的厚度變化，在這兩層Co之間產生鐵磁或反鐵磁排列，從而導致他們對TMR的貢獻是相加或相減，進而產生TMR值的振蕩。
權利要求
1.一種共振隧穿型磁隧道結元件，包括一基片和在基片上設置的一緩沖層、一反鐵磁層、一釘扎鐵磁電極層、一絕緣層、及一保護層，其特征在于，還包括一引導層，設于所述緩沖層上，該引導層具有(111)織構；及一由鐵磁/非磁/鐵磁三層金屬膜形成的振蕩鐵磁層作為自由層設置于所述絕緣層之上或之下。
2.如權利要求1所述的一種共振隧穿型磁隧道結元件，其特征在于，所述基片的材料選自硅或玻璃的一種。
3.如權利要求1所述的一種共振隧穿型磁隧道結元件，其特征在于，所述緩沖層的材料選自Ta或(NiXFe100-X)YCr100-Y，其中77＜X＜83，50＜Y＜70。
4.如權利要求1所述的一種共振隧穿型磁隧道結元件，其特征在于，所述引導層的材料選自Cu或Cu/NiXFe100-X，其中77＜X＜83。
5.如權利要求1所述的一種共振隧穿型磁隧道結元件，其特征在于，所述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.如權利要求1所述的一種共振隧穿型磁隧道結元件，其特征在于，所述絕緣層的材料選自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.如權利要求1所述的一種共振隧穿型磁隧道結元件，其特征在于，所述自由鐵磁層的結構為FM/NM/FM，鐵磁層FM選自Co、或NiXFe100-X、或CoYFe100-Y，其中77＜X＜83，10＜Y＜90。
8.如權利要求7所述的一種共振隧穿型磁隧道結元件，其特征在于，所述振蕩鐵磁層中緊鄰近所述絕緣層的鐵磁層的厚度為0.5至3nm，另一鐵磁層的厚度為1至10nm。
9.如權利要求7所述的一種共振隧穿型磁隧道結元件，其特征在于，所述振蕩鐵磁層中的非磁金屬層(NM)的材料選自Cu、Au、Ag、Pt、Pd、Cr、Ru其中之一，其厚度為0至5nm。
全文摘要
本發明公開了一種共振隧穿型磁隧道結元件，該磁隧道結材料包括一基片和在基片上設置的一緩沖層、一引導層、一由鐵磁/非磁/鐵磁三層金屬膜形成的振蕩鐵磁層作為自由層、一絕緣勢壘層、一釘扎鐵磁層、一反鐵磁層、一保護層；由于本發明采用一薄鐵磁層將非磁金屬層與絕緣勢壘層隔開，實現了采用磁控濺射法制備共振隧穿型磁隧道結，其工藝簡單，有利于大規模產業化推廣；此外，本發明制備的磁隧道結元件，通過調節由鐵磁/非磁/鐵磁三層金屬膜形成的振蕩鐵磁層中非磁金屬層的厚度，實現了TMR值的振蕩變化。
文檔編號G11B5/64GK1564247SQ20041003365
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月15日 優先權日2004年4月15日
發明者朱濤, 詹文山 申請人:中國科學院物理研究所