磁隧道结结构、隧道磁阻元件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种磁隧道结结构，属于磁电子学技术领域。本发明磁隧道结结构包括以下几方面改进：导入超薄金属Mg层从而构成Mg/MgO/Mg三明治超晶格结构的绝缘势垒层；利用两种具有相反磁致伸缩特性的铁磁材料层所构成的超晶格结构作为钉扎型TMR结构的自由层；在自由层侧壁引入可对自由层中边缘微小磁畴实现钉扎作用的附加钉扎层。本发明还公开了一种隧道磁阻元件以及应用该隧道磁阻元件的隧道磁阻磁头、隧道磁阻传感器、磁存储单元。相比现有技术，本发明可有效降MTJ元件中的电磁噪声，大幅提高TMR传感器的灵敏度。
【专利说明】
磁隧道结结构、隧道磁阻元件
技术领域
[0001]本发明涉及一种磁隧道结结构，属于磁电子学技术领域。
【背景技术】
[0002]生物分子识别在RNA链识别，基因检测，细菌诊断，新的药物发现，DNA缺陷及生物战中致命毒剂，食品安全和以恶性肿瘤为代表的重大疾病的早期诊断检测等方面有着广泛的应用。磁生物分子识别、检测和监测是近年来发展起来的一种新型生物分子测量技术。磁性纳米粒子分子识别的基本原理，是利用高性能的磁场传感器来测量标记生物分子的磁性纳米粒子在磁化下的边缘场。发自单个磁性纳米粒子的边缘场大约20e，数量级上类似于
0.50e的地磁场。考虑到测量中磁粒子与磁敏感层的距离，对单磁粒子的检测，传感器必须具有测量低于0.050e磁场强度的能力，这就需要超高敏感的传感系统。虽然大磁矩的磁性纳米粒子能帮助获得大磁边缘场，但是解决磁分子识别技术瓶颈的关键仍取决于传感器技术的突破。目前用于小磁场测量的传感系统有磁各相异性(AMR)、Hall效应、基于超导量子干涉器件(SQUID)和自旋电子共振(SER)等技术。AMR和Hall效应低的敏感度限制他们在生物分子检测中的应用。SQUID和SER具有高的敏感特性，然而SQUID和SER庞大的体积使他们无法用于便携式经济型疾病的生物分子检测和疾病的早期诊断技术。
[0003]基于自旋电子隧穿传输效应发展起来的TMR(Tunneling Magneto Resistance，隧道磁阻)元件，也被称为MT JXMagneticTunnel Junct1ns，磁隧道结)元件，其电阻值在室温下的变化率值高达180%(RA?1.00)，几乎比传统磁传感器高3个量级。与GMR的原理有所不同，磁性隧道结(TMR)由磁性金属/非磁绝缘体/磁性金属(FM/I/FM)组成，在这种结构中如果两铁磁层的磁化方向平行，一个铁磁层中多数自旋子带的电子将进入另一个电极中的多数自旋电子带的空态，同时少数自旋子带的电子也从一电极进入另一电极的少数自旋子带的空态，磁场克服的铁磁层的矫顽力就可使它们的磁化方向转至磁场方向而趋于一致，这时TMR为极小值;如果两电极的磁化方向反平行，则一个电极中的多数子带的自旋与另一个电极的少数自旋子带电子的自旋平行，这样隧道电导过程中一个电极中多数自旋子带的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋子带的空态，TMR为极大值。由于只需反转一个单纯的铁磁层，因而只需一个非常小的外场便可实现TMR极大值，所以其磁场灵敏度极高，同时TMR高的结电阻易于获得较大的电信号输出，使基于TMR的传感器成为极少数具有超高灵敏度的磁场传感器。同时，TMR传感器电信号输出的特点容易与现代半导体电路集成，达到微型化、数字化、网络化、便携式和经济化的目的。
[0004]现有TMR结构又可分为两类:具有钉扎层的钉扎型TMR结构以及不带钉扎层的TMR结构。图1显示了不带钉扎层的TMR结构，在衬底和保护层之间为传统的磁性金属/非磁绝缘体/磁性金属三明治结构，其中的非磁绝缘体又称为绝缘势皇层。钉扎型TMR在传统的磁性金属/非磁绝缘体/磁性金属三明治结构中加入了反铁磁(AF)钉扎层，如图2所示，靠近钉扎层的铁磁层被称之为被钉扎层，另外一层铁磁层则称为自由层。
[0005]在现有TMR传感器结构中，通常选择MgO作为绝缘势皇层，因为它与铁磁层中的磁性金属合金有极小的晶体位错，从而减少了自旋依赖的电子在绝缘层和磁性层界面电子散射，提高了信号输出。然而，单MgO层具有高的绝缘性能从而导致高的结电阻、功耗和电噪声，对TMR传感器的灵敏度提高产生了不利影响。
[0006]此外，由于CoFe材料具有高的自旋极化率，因此现有TMR传感器经常选用单CoFe磁性层作为自由层，从而能增强传感器的dR/R指标。但是CoFe磁性层具有正的磁致伸缩，会带来磁噪声，这也不利于TMR传感器的灵敏度进一步提高。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种磁隧道结结构，可有效降MTJ元件中的电磁噪声，大幅提高TMR传感器的灵敏度。
[0008]本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
一种磁隧道结结构，包括第一铁磁层、第二铁磁层以及夹在第一铁磁层与第二铁磁层之间的绝缘势皇层;所述绝缘势皇层包括MgO层，在所述MgO层与第一铁磁层之间以及MgO层与第二铁磁层之间分别设置有一层厚度小于MgO层厚度的金属Mg薄膜。
[0009]优选地，所述磁隧道结结构还包括设置于第二铁磁层外侧的钉扎层，用于对第二铁磁层进行磁钉扎。
[0010]进一步地，所述第一铁磁层为包括第一磁性层与第二磁性层的复合层，第一磁性层与第二磁性层的磁致伸缩特性相反。
[0011]更进一步地，在第一磁性层与第二磁性层之间设置有非连续的Ta金属层。
[0012]为了抑制钉扎型TMR结构的自由层的边缘微小磁畴旋转所产生的磁噪声，本发明进一步地在第一铁磁层的侧壁周围设置有附加钉扎层，所述附加钉扎层可产生对所述第一铁磁层中边缘微小磁畴实现钉扎作用的磁偶极场。
[00?3]优选地，所述第二铁磁层为CoFe/Ru/CoFe结构的超晶格反铁磁层。
[0014]根据相同的发明思路可以得到以下技术方案:
一种隧道磁阻元件，包括衬底以及设置于所述衬底之上的如上任一技术方案所述磁隧道结结构。
[0015]进一步地，所述隧道磁阻元件还包括设置于衬底与磁隧道结结构之间的缓冲层，以及设置于磁隧道结结构之上的保护层。
[0016]本发明隧道磁阻元件可广泛应用于磁存储、磁阻传感器、读出磁头，磁生物分子检测等方面，以下为几种具体应用:
一种隧道磁阻磁头，包括如上任一技术方案所述隧道磁阻元件。
[0017]—种隧道磁阻传感器，包括如上任一技术方案所述隧道磁阻元件。
[0018]—种磁存储单元，包括如上任一技术方案所述隧道磁阻元件。
[0019]—种磁生物分子检测单元，包括如上任一技术方案所述隧道磁阻元件。
[0020]相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果:
本发明对现有以单MgO层作为绝缘势皇层的TMR结构进行改进，在MgO层两侧导入超薄金属Mg层，从而构成Mg/MgO/Mg三明治超晶格结构的绝缘势皇层，可有效地降低TMR结构的结电阻(RA值)，形成突变的界面MgO，同时阻止MgO在沉积和退火时在铁磁层的扩散，从而有效地抑制磁噪声，提高TMR元件的信噪比和灵敏度。
[0021]本发明进一步利用两种具有相反磁致伸缩特性的铁磁材料层所构成的复合层作为钉扎型TMR结构的自由层，从而综合调整TMR结构的磁致伸缩和dR/R，并进一步通过在两种铁磁材料层界面层插入非连续Ta金属层维持两个铁磁材料层的磁耦合，能获得软性的磁致伸缩以及大的dR/R。
[0022]本发明更进一步在自由层侧壁周围设置附加钉扎层，附加钉扎层可产生对自由层中边缘微小磁畴实现钉扎作用的磁偶极场，可抑制钉扎型TMR结构自由层的边缘微小磁畴旋转所产生的磁噪声，从而进一步提高TMR元件的信噪比和灵敏度。本发明TMR传感器在室温下可获得dR/R?80%，RA?0.45和代表信噪比的Q因子?80，从而使得测量单生物分子成为可能。
[0023]本发明在大幅提高TMR元件的信噪比和灵敏度的同时，并不需要引入昂贵复杂的制备工艺，利用现有TMR元件的制备工艺技术即可实现，有利于规模化生产。
【附图说明】
[0024]图1为一种现有不带钉扎层的TMR结构示意图；
图2为一种现有钉扎型TMR结构不意图；
图3为本发明TMR元件的第一个实施例；
图4为本发明TMR元件的第二个实施例；
图5为本发明TMR元件的第三个实施例。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
为了提高现有TMR器件的灵敏度，本发明的思路是通过有效抑制TMR结构中所存在的磁噪声来实现。本发明具体通过以下几方面进行改进:
一、导入超薄金属Mg层从而构成Mg/MgO/Mg三明治超晶格结构的绝缘势皇层:
现有TMR结构选择MgO作为绝缘势皇层，是因为它与磁性过渡金属合金(例如FeCo)有极小的晶体位错，从而减少了自旋依赖的电子在绝缘层和磁性层界面电子散射和延长自旋依赖电子的平均自由层。另一个原因是因为MgO的特殊的电子能带结构，电子只能从自旋向上的能带Δ I上隧道通过。这样MgO像是一个自旋过滤层，可提高电子的自旋极化率和dR/R。在MTJ传感器电噪声，特别是在高频下，主要起源于传感器中的绝缘势皇层。降低MTJ的RA值可以有效地降低电噪声，本发明在两个铁磁层与MgO层之间分别插入一层超薄的Mg层(厚度小于MgO层厚度)。这种方法能有效地降低TMR结构的结电阻(RA值)，同时形成突变的界面MgO，阻止MgO在沉积和退火时在铁磁层的扩散。
[0026]图3显示了本发明TMR元件的第一个实施例，如图所示，在衬底之上依次形成有:缓冲层、钉扎层、被钉扎层、绝缘势皇层、自由层、保护层，其中绝缘势皇层包括MgO层，在MgO层与自由层层之间以及MgO层与被钉扎层之间分别设置有一层厚度小于MgO层厚度的金属Mg薄膜。图3采用了钉扎型TMR结构为例，实际上，对于非钉扎型TMR结构，同样可以采用这种Mg/MgO/Mg三明治超晶格结构的绝缘势皇层。除了上述绝缘势皇层以外，TMR元件的其它部分可采用现有或将有的各种材料、结构，例如，自由层可使用CoFe或者NiFe，被钉扎层可使用CoFe，反铁磁钉扎层可使用IrMn或Pt/Mn。这种新的TMR结构可以可有效地抑制噪声，提高信噪比和灵敏度。
[0027]二、利用两种具有相反磁致伸缩特性的铁磁材料层所构成的超晶格结构作为钉扎型TMR结构的自由层:
由于CoFe材料具有高的自旋极化率，因此现有TMR传感器经常选用单CoFe磁性层作为自由层，从而能增强传感器的dR/R指标，但是CoFe磁性层具有正的磁致伸缩，会带来磁噪声。为此可以引入具有相反磁致伸缩特性的铁磁材料层与CoFe构成超晶格结构替代现有单CoFe自由层。例如，NiFe磁性层具有良好的磁致伸缩，但具有低的自旋极化率和dR/R；因此结合CoFe和NiFe的自由层可以综合调节磁致伸缩和dR/R。特别是可通过进一步在CoFe/NiFe界面层插入非连续Ta金属层，可维持CoFe/NiFe磁親合，能获得软性的磁致伸缩和大的dR/R ο
[0028]图4显示了本发明TMR元件的第二个实施例，如图所示，在衬底之上依次形成有:缓冲层、钉扎层、被钉扎层、绝缘势皇层、自由层、保护层;其中绝缘势皇层包括MgO层，在MgO层与自由层层之间以及MgO层与被钉扎层之间分别设置有一层厚度小于MgO层厚度的金属Mg薄膜；自由层为包括CoFe磁性层和NiFe磁性层的复合层，在CoFe磁性层和NiFe磁性层之间插入有非连续的Ta金属层，使得CoFe磁性层与NiFe磁性层之间部分接触，而另一部分被Ta金属层隔开。
[0029]三、在自由层侧壁引入可对自由层中边缘微小磁畴实现钉扎作用的附加钉扎层: 磁噪声主要起源于TMR结构中的磁性层在外场下的开关动作。因此抑制磁性层的磁畴在外场下的旋转和跳跃成为抑制噪声的关键。TMR传感器有两个主要的磁性层:一是磁性自由层，另一个是被钉扎层。对磁性自由层，由于器件的尺寸的缩小，磁矫顽力变大，在磁性自由层的边缘存在多个微小的磁畴。这些微小的磁畴在外场下的旋转是磁性自由层磁噪声的主要起源，因此可在自由层的边缘引入硬磁材料构成的附加钉扎层。在磁场退火处理后，硬磁材料的磁偶极沿磁场方向排列，形成一个大的静态磁偶极场，这个磁偶极场可以有效地钉扎微小的磁畴使之成为磁死层，不再随着外加磁场而跳跃，从而抑制磁噪声。
[0030]图5显示了本发明TMR元件的第三个实施例，如图所示，在衬底之上依次形成有:缓冲层、钉扎层、被钉扎层、绝缘势皇层、自由层、保护层;其中绝缘势皇层包括MgO层，在MgO层与自由层层之间以及MgO层与被钉扎层之间分别设置有一层厚度小于MgO层厚度的金属Mg薄膜；自由层为包括CoFe磁性层和NiFe磁性层的复合层，在CoFe磁性层和NiFe磁性层之间插入有非连续的Ta金属层，使得CoFe磁性层与NiFe磁性层之间部分接触，而另一部分被Ta金属层隔开;在自由层与绝缘势皇层的两侧设置有附加钉扎层，该附加钉扎层可产生对自由层中边缘微小磁畴实现钉扎作用的磁偶极场。附加钉扎层的材料可采用钉扎层所使用的材料，例如IrMn或Pt/Mn。
[0031]此外，为抑制被钉扎层的磁畴在外场下的旋转，可考虑使用人工合成的超晶格被钉扎层。这种超晶格被钉扎层是由CoFe/Ru/CoFe构成。CoFe上下层通过Ru层建立极强铁磁耦合，这样被钉扎层的磁畴在外场下很难旋转从而抑制了磁噪声。
[0032]本发明的TMR结构可采用现有工艺技术进行制备，并不会增加生产难度便于规模化量产。以图5所示的TMR元件为例，可采用以下的工艺进行制备:
第I步、利用薄膜真空沉积方法在衬底上依次沉积钉扎层、CoFe/Ru/CoF被钉扎层；
第2步、利用薄膜真空沉积方法沉积Mg/MgO/Mg绝缘势皇层薄膜结构； 第3步、利用薄膜真空沉积方法制作CoFe/NiFe自由层薄膜；
第4步、利用薄膜真空沉积方法沉积保护层；
第5步、光刻保护层薄膜；
第6步、离子束刻蚀制造附加钉扎层结构；
第7步、利用薄膜真空沉积方法沉积附加钉扎层材料；
第8步、在210°C和370°C温度下退火。
[0033]利用上述方法制得的TMR传感器在室温下可获得高达120%的dR/R的灵敏度，使测量单生物分子成为可能。本发明TMR元件可广泛应用于磁存储、磁阻传感器、读出磁头等方面，具有良好的应用前景。
【主权项】
1.一种磁隧道结结构，包括第一铁磁层、第二铁磁层以及夹在第一铁磁层与第二铁磁层之间的绝缘势皇层;其特征在于，所述绝缘势皇层包括MgO层，在所述MgO层与第一铁磁层之间以及MgO层与第二铁磁层之间分别设置有一层厚度小于MgO层厚度的金属Mg薄膜。2.如权利要求1所述磁隧道结结构，其特征在于，还包括设置于第二铁磁层外侧的钉扎层，用于对第二铁磁层进行磁钉扎。3.如权利要求2所述磁隧道结结构，其特征在于，所述第一铁磁层为包括第一磁性层与第二磁性层的复合层，第一磁性层与第二磁性层的磁致伸缩特性相反。4.如权利要求3所述磁隧道结结构，其特征在于，在第一磁性层与第二磁性层之间设置有非连续的Ta金属层。5.如权利要求3所述磁隧道结结构，其特征在于，第一磁性层为CoFe磁性层，第二磁性层为NiFe磁性层。6.如权利要求1?5任一项所述磁隧道结结构，其特征在于，在第一铁磁层的侧壁周围设置有附加钉扎层，所述附加钉扎层可产生对所述第一铁磁层中边缘微小磁畴实现钉扎作用的磁偶极场。7.如权利要求6所述磁隧道结结构，其特征在于，所述第二铁磁层为CoFe/Ru/CoFe结构的超晶格铁磁层。8.—种隧道磁阻元件，其特征在于，包括衬底以及设置于所述衬底之上的如权利要求1?7任一项所述磁隧道结结构。9.如权利要求8所述隧道磁阻元件，其特征在于，还包括设置于衬底与磁隧道结结构之间的缓冲层，以及设置于磁隧道结结构之上的保护层。10.一种隧道磁阻磁头，其特征在于，包括如权利要求8或9所述隧道磁阻元件。11.一种隧道磁阻传感器，其特征在于，包括如权利要求8或9所述隧道磁阻元件。12.一种磁存储单元，其特征在于，包括如权利要求8或9所述隧道磁阻元件。13.一种磁生物分子检测单元，其特征在于，包括如权利要求8或9所述隧道磁阻元件。
【文档编号】H01L43/12GK105938872SQ201610383994
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】章伟, 杨楠, 胡雪峰
【申请人】南京工业大学, 南京益得冠电子科技有限公司