专利名称：一种自旋转移器件及其制备方法
技术领域：
本发明属于自旋输运器件领域，特别涉及一种制备自旋转移器件的方法和结构。该器件 可用于磁随机存储器以及微波发生器。
背景技术：
近年来，自旋电子学由于其丰富的物理内涵和广阔的器件应用前景已成为凝聚态物理的 热点领域。巨磁阻和隧道磁阻等自旋相关效应自提出以来，便在读写磁头、磁存储元件、.磁 场探测器等领域得到广泛的应用。然而，巨磁阻和隧道磁阻器件都必须通过外加磁场进行操 作，这在一定程度上增加了器件的复杂度，限制了器件的集成密度和应用范围。1996年，科 学家在理论上提出一种纳米尺度下的新的自旋相关效应通过注入的自旋极化电流与铁磁层
局域电子之间的自旋转移作用，使铁磁层磁化方向改变，从而改变器件的磁阻，称为电流诱 导的磁化翻转。由于自旋转移器件直接采用电流读写，不需要外加磁场，以此为原型制作的 磁存储器件能在很大程度简化电路结构，提高存储密度，具有良好的应用前景。但目前由于
实现磁化翻转所需的电流密度太高，离实际应用还有一段距离。自旋转移器件的基本结构为 "铁磁/非磁/铁磁"的多层膜结构，纵向注入电流垂直于膜平面，横向为约100纳米或更小 的椭圆。器件制作有两类工艺"减法"工艺(subtractive process)和"加法"工艺(additive process)。所谓"减法"工艺，即先在衬底上依次淀积多层膜，再利用光刻和刻蚀工艺，形 成纳米级的器件结构。与"减法"工艺相反，"加法"工艺首先在绝缘层上形成纳米级限制结 构，再向限制结构中依次填充各层薄膜，自对准地形成器件。由于"减法"工艺通常需要采 用化学机械抛光工艺来实现平坦化，工艺的成本和难度较大。"加法"工艺流程相对简单，它 还有一个很大的好处是效率高，可以一次性制作多个模板后，在模板中生长不同厚度和组分 的磁性薄膜，这对于实验初期摸索器件参数非常有利。为防止淀积多层膜时的挂壁现象，通 常将限制结构制作为上小下大的"底切"结构[J. Z Sun etal.，"Spin-torque transfer in batch-fabricated spin-valve magnetic nano junctions (invited)". Journal of Applied Physics, 93(10):6859-6863, 2004].但是，现有的"加法"工艺采用湿法刻蚀来
形成"底切"结构，可控性和重复性差，尤其是在制作纳米级结构时，并且腐蚀液对掩模金 属和下电极都有一定要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自旋转移器件及其制备方法，以实现电流诱导的磁化翻转。 并通过优化磁性多层膜的结构，降低磁化翻转的临界电流。
所述的自旋转移器件是一种被绝缘层包裹的纳米级柱状磁性多层膜结构，其特征在于， 从底层向上到顶层依次含有
第一层为底电极层，是150纳米 250纳米厚的金属铂或铜；
第二层为种子层，是3纳米 5纳米厚的金属钽；
第三层为钉扎层，是10纳米 15纳米厚的铱锰合金；
第四层为被钉扎层，是4纳米 10纳米厚的铁磁性的钴铁合金，磁矩固定；
第五层为隔离层，是4纳米 6纳米厚的金属铜，也可以是1纳米 2纳米厚的氧化镁绝 缘层；
第六层为第一自由层，是1纳米 1.5纳米厚的钴铁合金；
第七层为第二自由层，是3纳米 5纳米厚的镍铁合金；
第八层为顶电极层，是150纳米 250纳米厚的金属铂；
其中第一自由层和第二自由层组成复合自由层，磁矩能自由翻转。所述第二层到第六层
的横截面形状为椭圆形，其长轴长度为100土50纳米。所述第二层到第六层形成一个纳米柱， 且被氧化硅或氮化硅的绝缘层所包围。
所述的自旋转移器件的制备方法，其特征在于，依次含有以下步骤 步骤(1)，在氧化硅衬底上制作以金属铂为材料的底电极层； 步骤(2)，在所述底电极层上淀积以氧化硅或氮化硅为材料的绝缘层； 步骤(3)，在所述绝缘层上淀积以金属铂为材料的金属掩膜层；
步骤(4)，在所述掩模层上利用电子束曝光工艺生成椭圆形图形，再利用Ar离子束刻蚀 将图形从所述掩膜层上的光刻胶上转移到掩膜层，露出所述绝缘层；
步骤(5)，利用反应离子刻蚀所述绝缘层，露出所述底电极层，通过控制刻蚀参数产生 所需的横向刻蚀，形成和所述底电极结构连通的纳米级"底切"结构；
步骤(6)，采用超高真空磁控溅射工艺，向所述底切结构中依次淀积以下各纳米膜层 以金属钽为材料的种子层、以铱锰合金为材料的钉扎层、以铁磁性钴铁合金为材料的被钉扎
层、以金属铜为材料的隔离层、以钴铁合金为材料的第一自由层、以及以镍铁合金为材料的 第二自由层，所述第一自由层和第二自由层构成了磁矩自由翻转的复合自由层，以上各层构 成了厚度预先设定的由铁磁、非磁、铁磁三种类别的材料依次叠合而成的金属多层膜，自对 准形成纳米柱结构；
步骤(7)，向所述多层金属膜的最上层的顶端填充以铂为材料的顶电极金属，再用光刻 和刻蚀工艺制作顶电极图形。
本发明的有益效果是第七层镍铁合金矫顽力较小，磁化易翻转；第六层钴铁合金层避 免了镍铁合金和第五层金属铜的互混，增强了界面的自旋相关散射。复合自由层结构可有效 降低磁化翻转的临界电流密度。以纯干法刻蚀来形成纳米级的"底切"限制结构，大大提高 了工艺的可控性和重复性。利用该工艺制作的自旋转移器件，可在较低电流下实现磁化翻转， 有望用于新一代的磁随机存储器中。该工艺流程也提供了一种制作纳米级"底切"限制结构 模板的方法，可向模板内填充任意的薄膜材料，制作其他类似的纳米级柱状结构。
图1所示为自旋转移器件的结构示意图。
图2所示为自旋转移器件制备方法的工艺流程图。
具体实施例方式
图2为本发明所述制备方法的工艺流程图。所述结构是在氧化硅衬底1上先用光刻和刻 蚀工艺制作出底电极图形2;接着淀积约50纳米的氧化硅或氮化硅绝缘层3，再淀积约30纳 米的金属铂作为掩膜层4;利用电子束曝光工艺在掩膜层4上生成长轴长度约为100纳米的 椭圆形图案，利用Ar离子束刻蚀将图形从光刻胶上转移到金属掩膜层4上，露出绝缘层3; 利用反应离子刻蚀绝缘层3，露出底电极2，通过控制反应离子刻蚀的参数，可产生所需的横 向刻蚀，形成如图所示的底切结构。采用美国LESKER公司的CMS—A超高真空六靶磁控溅射 系统，向纳米级限制结构中依次淀积总厚度约30纳米的金属多层膜5，自对准形成纳米柱状 结构，金属多层膜从下到上依次包括种子层金属钽、钉扎层铱锰合金、被钉扎层钴铁合金、 隔离层金属铜、第一自由层钴铁合金、第二自由层镍铁合金，其中隔离层也可换为氧化镁。 最后向限制结构中填充顶电极金属铂，再通过普通光刻和刻蚀工艺制作顶电极图形6。
权利要求
1.一种自旋转移器件的结构，其特征在于采用由第一铁磁材料、非磁材料、第二铁磁材料依次叠加而成的金属多层膜结构，所述自旋转移器件从底层向上到顶层依次含有第一层为底电极层，是150纳米～250纳米厚的金属铂；第二层为种子层，是3纳米～5纳米厚的金属钽；第三层为钉扎层，是10纳米～15纳米厚的铱锰合金；第四层为被钉扎层，是4纳米～10纳米厚的铁磁性的钴铁合金，磁矩固定；第五层为隔离层，是4纳米～6纳米厚的金属铜；第六层为第一自由层，是1纳米～1.5纳米厚的钴铁合金；第七层为第二自由层，是3纳米～5纳米厚的镍铁合金；第八层为顶电极层，是150纳米～250纳米厚的金属铂；其中第一自由层和第二自由层组成复合自由层，磁矩能自由翻转。
2. 根据权利要求1所述的一种自旋转移器件，其特征在于，其中所述第二层到第六层的横截面形状为椭圆形。
3. 根据权利要求2所述的一种自旋转移器件，其特征在于，所述椭圆形的长轴长度为100 士50纳米。
4. 根据权利要求1所述的一种自旋转移器件，其特征在于，所述第二层到第六层形成一 个纳米柱，且被氧化硅或氮化硅的绝缘层所包围。
5. 根据权利要求1所述的一种自旋转移器件，其特征在于，所述底电极层为金属铜。
6. 根据权利要求1所述的一种自旋转移器件，其特征在于，所述的隔离层为一层绝缘层。
7. 根据权利要求6所述的一种自旋转移器件，其特征在于，所述的绝缘层是1纳米 2 纳米厚的氧化镁。
8. —种自旋转移器件的制备方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步骤 步骤(1)，在氧化硅衬底上制作以金属铂为材料的底电极层；步骤(2)，在所述底电极层上淀积用氧化硅或氮化硅为材料的绝缘层； 步骤(3)，在所述绝缘层上淀积用金属铂为材料的金属掩膜层；步骤(4)，在所述掩模层上利用电子束曝光工艺生成椭圆形图形，再利用Ar离子束刻蚀 将图形从所述掩膜层上的光刻胶上转移到掩膜层，露出所述绝缘层；步骤(5)，利用反应离子刻蚀所述绝缘层，露出所述底电极层，通过控制刻蚀参数产生 所需的横向刻蚀，形成和所述底电极结构连通的纳米级"底切"结构；步骤(6)，采用超高真空磁控溅射工艺，向所述底切结构中依次淀积以下各纳米膜层 以钜为材料的种子层、以铱锰合金为材料的钉扎层、以铁磁性钴铁合金为材料的被钉扎层、 以金属铜为材料的隔离层、以钴铁合金为材料的第一自由层、以及以镍铁合金为材料的第二 自由层，所述第一自由层和第二自由层构成了磁矩自由翻转的复合自由层，以上各层构成了 厚度预先设定的由铁磁、非磁、铁磁三种类别的材料依次叠合而成的金属多层膜，自对准形 成纳米柱结构；步骤(7)，向所述多层金属膜的最上层的顶端填充以铂为材料的顶电极金属，再用光刻 和刻蚀工艺制作出顶电极图形。
9.根据权利要求8所述的一种自旋转移器件的制备方法，其特征在于，所述的隔离层用 绝缘层代替。
全文摘要
一种自旋转移器件及其制备方法，属于自旋输运器件技术领域，其特征在于，在二氧化硅衬底上首先制作底电极，再生长绝缘层和掩模金属，然后通过电子束曝光和离子束刻蚀、反应离子刻蚀在绝缘层中形成和底电极连通的纳米级“底切”限制结构，再通过超高真空磁控溅射向纳米级限制结构中依次淀积“铁磁/非磁/铁磁”金属多层膜，自对准地形成纳米级柱状结构，最后制作顶电极。这种以纯干法刻蚀来形成纳米级“底切”限制模版的方法，工艺的可控性和重复性好。淀积的多层膜结构经过优化，可降低实现电流诱导磁化翻转的临界电流，为新一代的超高密度、低功耗磁随机存储器提供了可能。
文档编号H01L43/00GK101359715SQ20081022302
公开日2009年2月4日 申请日期2008年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者敏 任, 磊 张, 浩 董, 宁 邓, 陈培毅 申请人:清华大学