提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種隧道結(jié)(MTJ)薄膜的制備方法，尤其涉及一種提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于MTJ薄膜具有潛在的巨大商業(yè)應(yīng)用價(jià)值，正吸引越來越多的科研人員深入研究。如MTJ可以用于磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)、磁盤驅(qū)動(dòng)器的讀出磁頭、磁性傳感器等，尤其是MRAM，具有非揮發(fā)、高速、高密度、低能耗等諸多優(yōu)良特性，作為下一代隨機(jī)存儲(chǔ)器，被廣泛應(yīng)用于軍事、航空、民用領(lǐng)域等，表現(xiàn)出巨大的市場競爭潛力。
[0003]MRAM實(shí)際是具有隧道結(jié)磁電阻效應(yīng)的磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)一步提高M(jìn)RAM的存儲(chǔ)密度，如何提高M(jìn)TJ的磁電阻效應(yīng)是關(guān)鍵，然而，制備具有大磁電阻比值的MTJ仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。通常常溫制備的頂電極層/鐵磁層/隧穿層/鐵磁層/反鐵磁層/底電極層/基底的MTJ薄膜，為獲得更高的磁電阻比值需要在高溫下進(jìn)行退火工藝，但高溫退火的另一不利影響是加劇層間擴(kuò)散，從而使磁電阻比值下降，在不可避免進(jìn)行退火工藝的前提下，如何減弱層間擴(kuò)散是新的研究方向。本發(fā)明重新設(shè)計(jì)MTJ薄膜的制備流程，避免頂電極層與自由鐵磁層間的擴(kuò)散，制備的MTJ薄膜可以提高磁電阻效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中頂電極層與自由鐵磁層間的擴(kuò)散過大的問題。
[0005]本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:設(shè)計(jì)和制造一種提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，包括如下步驟:(a)在基底上依次沉積底電極層、反鐵磁層、釘扎鐵磁層、隧穿層、自由鐵磁層；(b)對(duì)制備的底電極層、反鐵磁層、釘扎鐵磁層、隧穿層、自由鐵磁層進(jìn)行退火工藝處理；(C)退火工藝處理完畢沉積頂電極層。
[0006]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述的底電極層、反鐵磁層、釘扎鐵磁層、隧穿層、自由鐵磁層、頂電極層利用濺射法沉積。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):退火工藝加熱溫度在280~330°C，并緩慢冷卻所制備的薄膜，并且退火工藝過程中將50000e~60000e磁場施加到所制備的薄膜。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述的底電極層為雙層結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)為Ta/Cu。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述的反鐵磁層為FeMn或IrMn或PtMn中的一種。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述的釘扎鐵磁層為為三層結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)為CoFe/Ru/CoFeB。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述的隧穿層包括但不限于MgO或A10。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述的自由鐵磁層CoFeB。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述的頂電極層為三層結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)為Ru/Ta/Cu。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明制備的隧道結(jié)薄膜避免頂電極層與自由鐵磁層間的擴(kuò)散，其重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、能夠提高磁電阻效應(yīng)，能夠滿足產(chǎn)品使用要求；本發(fā)明的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器被廣泛應(yīng)用于軍事、民事等領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)為具有隧道結(jié)磁電阻效應(yīng)的磁性隧道結(jié)，為了進(jìn)一步提高磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度，極大提高隧道結(jié)的磁電阻效應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0016]一種提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，包括如下步驟:(a)在基底上依次沉積底電極層、反鐵磁層、釘扎鐵磁層、隧穿層、自由鐵磁層；(b)對(duì)制備的底電極層、反鐵磁層、釘扎鐵磁層、隧穿層、自由鐵磁層進(jìn)行退火工藝處理；(c)退火工藝處理完畢沉積頂電極層。
[0017]所述的底電極層、反鐵磁層、釘扎鐵磁層、隧穿層、自由鐵磁層、頂電極層利用濺射法沉積。
[0018]退火工藝加熱溫度在280~330°C，并緩慢冷卻所制備的薄膜，并且退火工藝過程中將50000e~60000e磁場施加到所制備的薄膜。
[0019]所述的底電極層為雙層結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)為Ta/Cu。
[0020]所述的反鐵磁層為FeMn或IrMn或PtMn中的一種。
[0021]所述的釘扎鐵磁層為為三層結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)為CoFe/Ru/CoFeB。
[0022]所述的隧穿層包括但不限于MgO或A10。
[0023]所述的自由鐵磁層CoFeB。
[0024]所述的頂電極層為三層結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)為Ru/Ta/Cu。
[0025]在一實(shí)施例中，根據(jù)本設(shè)計(jì)的制備方法，首先通過高真空磁控濺射設(shè)備在Si/Si02基底上依次沉積底電極層(Ta/Cu) /反鐵磁層(IrMn)/釘扎鐵磁層(CoFe/Ru/CoFeB) /隧穿層(MgO)/自由鐵磁層(CoFeB), ?賤射薄膜厚度依次分別為Ta5.0nm、Cu50nm、IrMnlOnm、CoFe3.0nm> Ru0.8nm、CoFeB5.0nm> MgO1.0nm> CoFeB8.0nm,其次,灘射完畢在高真空磁場退火爐中進(jìn)行真空磁場退火處理，退火條件為退火溫度310°C，磁場為50000e，再次，退火冷卻至室溫的薄膜樣品，在高真空磁控濺射設(shè)備沉積頂電極層(Ru/Ta/Cu)，濺射薄膜厚度依次分別為Rul.0nm、Ta5.0nm、Cu50nm。上述所有薄膜生長條件為:背底真空度為7 X KT7Pa ；濺射氮?dú)夥謮簽?.08 Pa ;樣品架旋轉(zhuǎn)速度為30rpm ;生長速率為0.3-1.4埃/秒；生長時(shí)間為生長厚度/生長速率。
[0026]在又一實(shí)施例中，根據(jù)本設(shè)計(jì)的制備方法，首先通過高真空磁控濺射設(shè)備在Si/S12基底上依次沉積底電極層(Ta/Cu) /反鐵磁層(PtMn)/釘扎鐵磁層(CoFe/Ru/CoFeB)/隧穿層(MgO)/自由鐵磁層(CoFeB)賤射薄膜厚度依次分別為Ta5.0nm、Cu50nm、PtMn20nm、CoFe3.0nm> Ru0.8nm、CoFeB5.0nm> MgO1.0nm> CoFeB8.0nm,其次,灘射完畢在高真空磁場退火爐中進(jìn)行真空磁場退火處理，退火條件為退火溫度330°C，磁場為50000e，再次，退火冷卻至室溫的薄膜樣品，在高真空磁控濺射設(shè)備沉積頂電極層(Ru/Ta/Cu)，濺射薄膜厚度依次分別為Rul.0nm、Ta5.0nm、Cu50nm。上述所有薄膜生長條件為:背底真空度為7 X KT7Pa ；濺射氮?dú)夥謮簽?.08 Pa ;樣品架旋轉(zhuǎn)速度為30rpm ;生長速率為0.3-1.4埃/秒；生長時(shí)間為生長厚度/生長速率。
[0027]根據(jù)上述條件制備的隧道結(jié)薄膜避免頂電極層與自由鐵磁層間的擴(kuò)散，其重復(fù)性好、穩(wěn)定性高，能夠滿足產(chǎn)品使用要求。
[0028]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，其特征在于:包括如下步驟:(a)在基底上依次沉積底電極層、反鐵磁層、釘扎鐵磁層、隧穿層、自由鐵磁層；(b)對(duì)制備的底電極層、反鐵磁層、釘扎鐵磁層、隧穿層、自由鐵磁層進(jìn)行退火工藝處理；(C)退火工藝處理完畢沉積頂電極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，其特征在于:所述的底電極層、反鐵磁層、釘扎鐵磁層、隧穿層、自由鐵磁層、頂電極層利用濺射法沉積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，其特征在于:退火工藝加熱溫度在280~330°C，并緩慢冷卻所制備的薄膜，并且退火工藝過程中將50000e~60000e磁場施加到所制備的薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，其特征在于:所述的底電極層為雙層結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)為Ta/Cu。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，其特征在于:所述的反鐵磁層為FeMn或IrMn或PtMn中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，其特征在于:所述的釘扎鐵磁層為為三層結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)為CoFe/Ru/CoFeB。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，其特征在于:所述的隧穿層包括但不限于MgO或A10。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，其特征在于:所述的自由鐵磁層CoFeB。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高隧道結(jié)薄膜磁電阻效應(yīng)的制備方法，其特征在于:所述的頂電極層為三層結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)為Ru/Ta/Cu。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種隧道結(jié)(MTJ)薄膜的制備方法，其公開了一種可以提高巨磁電阻效應(yīng)的隧道結(jié)薄膜的制備方法，包括如下步驟：(a)在基底上依次沉積底電極層、反鐵磁層、釘扎鐵磁層、隧穿層、自由鐵磁層；(b)對(duì)制備的底電極層、反鐵磁層、釘扎鐵磁層、隧穿層、自由鐵磁層進(jìn)行退火工藝處理；(c)退火工藝處理完畢沉積頂電極層。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器被廣泛應(yīng)用于軍事、民事等領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)為具有隧道結(jié)磁電阻效應(yīng)的磁性隧道結(jié)，為了進(jìn)一步提高磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度，極大提高隧道結(jié)的磁電阻效應(yīng)；發(fā)明重新設(shè)計(jì)隧道結(jié)的制備流程，避免頂電極層與自由鐵磁層間的擴(kuò)散，制備的隧道結(jié)薄膜可以提高磁電阻效應(yīng)。
【IPC分類】H01L43-12
【公開號(hào)】CN104659202
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510074834
【發(fā)明人】周俊, 倪經(jīng), 陳彥, 黃豹, 鄒延珂, 郭韋, 曹照亮
【申請(qǐng)人】西南應(yīng)用磁學(xué)研究所
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年2月13日