Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结及制备方法
【专利摘要】一种Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结，包括：一衬底，是实现多层膜外延生长的基础；一缓冲层，其制作在衬底上，用于平滑衬底表面并减小晶格失配度；一下电极，其制作在缓冲层上，外延生长；一下插层，其制作在下电极上，外延生长；一势垒层，其制作在下插层上；一上插层，其制作在势垒层上，外延生长；一上电极，其制作在上插层上，外延生长；一覆盖层，其制作在上电极上，对下层结构起保护作用。本发明具有较高的隧穿磁电阻效应。
【专利说明】
Heus I er合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结及制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及自旋电子学材料和以磁隧道结为核心的磁阻式随机存储器领域，具体涉及一种Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结及制备方法。技术背景
[0002]磁性存储设备的不断发展实现了高密度大容量数据存储和微型化的电子元器件， 为我们的日常生活带来了极大的便利。然而，这一切都与自旋电子学材料及相关器件的研究息息相关。磁阻式随机存储器(MRAM)的核心部件是磁性隧道结，其通常由铁磁金属电极/ 绝缘体势皇/铁磁金属电极三明治结构组成。通过外界的控制可以调节两铁磁电极磁矩的相对取向(平行排列或反平行排列)，使电子从一侧电极到另一侧电极的隧穿几率发生变化，从而使隧道结呈现高、低两种不同的电阻状态。磁性隧道结正是利用这种可调控的隧穿磁阻效应(TMR)来实现信号高低电平的变化，以此写入和读取数据。
[0003]为了提高器件性能，科研工作者们付出了大量的努力来优化磁性隧道结的结构， 在取得进展的同时也发现了许多新问题有待进一步改进:
[0004] —方面，随着存储密度的提高，相邻磁存储单元的间距不断减小，存储单元之间的磁耦合会对信息的存储产生干扰，使器件的稳定性下降。于是，人们想到利用具有垂直易磁化特性的电极材料取代面内磁化材料作为存储单元。采用垂直易磁化电极材料不但能够最大程度上避免相邻存储单元之间的磁耦合，而且能降低翻转磁矩所需能耗、提高元器件的热稳定性，有利于存储元件的超高密度集成。现阶段相关领域研究比较成熟的是以CoFeB/ MgO/CoFeB结构为代表的界面诱导磁各向异性隧道结，这类结构的特点是仅在CoFeB薄膜很薄的情况下才能保持垂直磁各向异性，而CoFeB材料的磁阻尼因子随薄膜厚度的减小迅速增加，并且体系对于缓冲层种类以及界面处的质量要求非常高，在一定程度上给相关器件的大规模应用带来不便。针对此问题的一个解决方案是使用自身具有较大垂直磁各向异性 (PMA)的电极材料来实现垂直易磁化，而并非依靠界面的诱导作用。已有科研工作者尝试利用具有高垂直磁各向异性的MnGa作为电极材料进行了MnGa/MgO/CoFe体系磁性隧道结的制备工作，然而当前仅能在低温下观测到较小的隧穿磁阻变化率。
[0005]另一方面，人们发现对于铁磁电极与绝缘体势皇界面处进行插层的生长是一项非常重要的工作。原因在于合适的插层材料除了起到缓冲铁磁电极与绝缘体势皇间的晶格失配作用外，还能够避免电极材料与势皇之间的互扩散及界面氧化问题，改善多层膜间的界面质量。不仅如此，如果能找到一种合适的高自旋极化率材料作为插层，还可以改变电极与势皇层界面的电子态性质，从而进一步提高隧道结的隧穿磁阻变化率。目前已经有关于在 D〇22_MnGa/MgO/CoFe及Llo-MnGa/MgO/CoFe体系中引入Mg、Fe等插层材料的相关报道，研究表明插层材料的引入的确能够改善电极与MgO势皇之间的界面质量。然而，上述体系所能达到的最高TMR与实用化器件所提出的需求还有一定差距。由此可见，对于合适插层材料的寻找和优化是一项很有意义的工作。
【发明内容】
[00〇6]本发明主要解决的技术问题是提供了一种Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结及制备方法。本发明将Llo-MnGa电极与Heusler合金插层组成的双层膜结构植入到磁性隧道结的设计当中，利用电极与插层间的反铁磁耦合作用来实现插层磁矩的可控翻转， 并且能使Llo-MnGa的高垂直磁各向异性与Heusler合金的半金属特性得以兼顾。因此，所述磁隧道结器件在保证具有垂直易磁化特性的同时，还能具有较高的隧穿磁电阻效应。[00〇7]本发明提供一种Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结，包括:
[0008]一衬底，是实现多层膜外延生长的基础；
[0009]—缓冲层，其外延生长在衬底上，用于平滑衬底表面并减小晶格失配度；
[0010]一下电极，其外延生长在缓冲层上；
[0011]—下插层，其外延生长在下电极上；[0〇12]—势皇层，其外延生长在下插层上，厚度为0.8-2nm;[〇〇13] 一上插层，其外延生长在势皇层上；[0〇14]—上电极，其外延生长在上插层上；
[0015]—覆盖层，其外延生长在上电极上，对下层结构起保护作用。[0〇16]本发明还提供一种Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结的制备方法，包括以下步骤:[〇〇17]步骤1:取一衬底；
[0018]步骤2:在衬底上依次制备缓冲层、下电极、下插层、势皇层、上插层、上电极和覆盖层；
[0019]步骤3:真空磁场退火处理，完成制备。[〇〇2〇]相比已有技术，本发明的优点如下:
[0021] Llo-MnGa垂直磁各向异性强、饱和磁矩高且磁阻尼因子低，是公认实现垂直易磁化特性的良好基材;而半金属Heus 1 er合金(Co2MnS1、Co2MnAl、Co2FeAl和Co2FeSi)具有理论预言的高自旋极化率和较高的铁磁居里温度。另外，实验已经证实上述半金属Heusler合金与Llo-MnGa组成的双层膜结构间存在较强的反铁磁交换親合作用，使Heusler合金插层的磁化方向能在Llo-MnGa电极的诱导作用下实现可控翻转。不仅如此，半金属Heusler合金的晶格常数介于Llo-MnGa和非磁性绝缘体势皇之间，能够在上下电极与势皇层之间起到良好的缓冲作用，对Llo-MnGa体系的垂直易磁化磁性隧道结尤为适用。以上这些优势是普通垂直磁化结构(如[Co/Pt(Pd)]n多层膜、Pt/C〇Fe、FePt)和普通插层材料(如Fe、C〇、C〇Fe)等所不具备的。对于上述磁性隧道结体系，我们已经在室温下观测到了超过5%的隧穿磁电阻信号，且该信号随测试温度的降低呈增加趋势。由此可见，本发明为提升垂直易磁化磁性隧道结的隧穿磁电阻特性提供了一种可行的新方法。【附图说明】[〇〇22]为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中: [0〇23]图1为本发明的结构不意图；
[0024]图2为本发明的制备流程图；
[0025]图3为图1结构垂直磁隧道结的磁滞回线(M-H曲线)；
[0026]图4为图1结构的隧穿磁电阻率(TMR)随外磁场的响应曲线。【具体实施方式】
[0027]为更清楚地阐述本发明的【具体实施方式】，下面将结合一种Heusler合金为插层的 MnGa基垂直磁隧道结的具体实施例加以说明:[〇〇28]请参阅图1所示，本发明提供一种Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结，包括:
[0029]—衬底1，为半绝缘性的GaAs(OOl)材料，是实现多层膜的外延生长的基础；[0〇3〇]—缓冲层2,外延生长在衬底1上，由约4nm厚的半金属Heusler合金C〇2MnSi薄膜组成，用于平滑衬底表面并缓冲衬底与长层结构之间的晶格失配；[0〇31 ]—下电极3,外延生长在缓冲层2上，由约20nm的Llo-MnGa薄膜组成;该电极材料具有较高的垂直磁各向异性、高饱和磁矩及低的阻尼因子，是本结构中垂直易磁化特性的来源；[0〇32]—下插层4,外延生长在下电极3上，由约为0.6-1.5nm厚的具有半金属特性的Heusler合金(:〇#1^1、(:〇#1^1、(:〇#641或(:〇#631薄膜组成。理论预言这类材料的自旋极化度高达100%，又因为此类合金与Llo-MnGa组成的双层膜之间具有较强的反铁磁交换耦合作用，故能够在L1-MnGa的诱导作用下体现出垂直方向的磁化特性，并且Heus 1 er合金的磁矩能随Llo-MnGa—起受到外磁场的作用实现可控翻转；[0〇33]—势皇层5，外延生长在下插层4上，由厚度约2nm的MgO薄膜组成，势皇层是实现电子隧穿效应的核心部分；[0〇34]—上插层6,外延生长在势皇层5上，由约为0.6-1.5nm厚的具有半金属特性的Heusler合金C〇2MnS1、C〇2MnAl、C〇2FeAl或C〇2FeSi薄膜组成，其具体功效同下插层4。势皇层上下的电极/插层双层膜的磁化方向随外场转动，宏观表现为隧道结上下电极间的电阻高低变化，该结构可以将外界的磁信号转换为隧道结上的电信号，从而实现信息的传递与记录；
[0035]一上电极7，外延生长在上插层6上，由约为8-10nm的Llo-MnGa薄膜组成。下Ll〇-MnGa薄膜电极组分中的Mn含量与上Llo-MnGa薄膜电极略有不同，矫顽力He有所差异，这种设计是为了使上下电极材料的磁矩能够独立地受外磁场作用发生转动；[0〇36]—覆盖层8，外延生长在上电极7上，由约为0.8-2nm的Pd金属薄膜组成，对下层结构起保护作用。[0〇37]请参阅图2并结合参阅图1所示，本发明还提供一种Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结的制备方法，包括以下步骤:[〇〇38]1.取一本征半绝缘的GaAs(001)衬底1放入MBE制备腔室，腔室真空度为10_7Pa量级。给衬底加热除气脱氧后，将衬底温度升至560°C，沉积GaAs平滑层，生长速率约为10nm/ min，厚度大于300nm。随后将衬底的温度降至150-250°C，生长Co2MnSi缓冲层2,用于平滑衬底表面并缓冲衬底与长层结构之间的晶格失配，生长速率约lnm/min，厚度为3-5nm，在150-250°C保持10min进行原位退火处理，以减少晶体缺陷；
[0039]2.保持衬底温度为150_250°C，生长具有高垂直磁各向异性的Llo-MnGa下电极薄膜3,生长速率约lnm/min，厚度为25nm，在150-250°C保持lOmin进行原位退火处理，以减少晶体缺陷；
[0040] 3.保持衬底温度为150-250°c，生长具有半金属特性的Heusler合金Co2MnSi上插层薄膜4(仅就本例选取C〇2MnSi插层，对于其他实施例还可选用C〇2MnAl、C〇2FeAl或 C〇2FeSi)，生长速率约lnm/min，厚度为0 ? 6-1 ? 5nm，在150_250°C保持lOmin进行原位退火处理，以减少晶体缺陷；
[0041] 4.将衬底温度降至室温，利用电子束蒸发设备生长MgO势皇层5,打开电子束蒸发电源，加速电压为5kV，发射电流为10-15mA。同时使用晶振仪原位监测MgO层厚度，薄膜沉积厚度为〇.，8-2nm，将衬底温度升至300°C保持20min，进行原位退火处理，以减少晶体缺陷； [〇〇42] 5.将衬底的温度降至150-250°C，生长具有半金属特性的Heusler合金Co2MnSi上插层6(还可选用C〇2MnAl、C〇2FoA1或C〇2FeSi)，生长速率约lnm/min，厚度为0.6-1.5nm，在 150-250°C保持lOmin进行原位退火处理，以减少晶体缺陷；
[0043] 6.保持衬底温度为150_250°C，生长具有高垂直磁各向异性的Llo-MnGa上电极薄膜7,生长速率约lnm/min，厚度为8-10nm，在150-250 °C保持lOmin进行原位退火处理，以减少晶体缺陷；
[0044] 7.将衬底温度降至室温，在上述多层膜结构上面生长一层Pd覆盖层8(还可以选用 Pt、Ta或A1)，厚度约为0.8-2nm。由于Pd为化学性质稳定的贵金属材料，可以对器件起到表面保护作用；最终得到结构为GaAs/Co2MnSi缓冲层/Llo-MnGa电极/Co2MnSi插层/MgO势皇层/C〇2MnSi插层/Llo-MnGa电极/P盖层的以半金属Heusler合金为插层的Llo-MnGa基垂直易磁化磁性隧道结多层膜；
[0045] 8.对步骤7制备的以半金属Heusler合金为插层的Llo-MnGa基垂直易磁化磁性隧道结多层膜进行真空磁场退火处理，使之性能更加优化。
[0046]参阅图3给出了以半金属Heusler合金为插层的Llo-MnGa基垂直易磁化磁性隧道结的磁滞回线(M-H曲线)，施加磁场的方向与探测磁场的方向均垂直于衬底表面。图中低场区域磁矩的陡峭跳变对应下电极与下插层磁矩随外磁场的翻转过程，说明下电极的L1 〇-MnGa薄膜具有很好的垂直易磁化特性;图中高场区域磁矩的变化对应上电极与上插层磁矩随外磁场的翻转过程，说明上电极的Llo-MnGa薄膜同样具有垂直易磁化特性。[0〇47]参阅图4给出了以半金属Heusler合金为插层的Llo-MnGa基垂直易磁化磁性隧道结的隧穿磁电阻率(TMR)随外磁场的响应曲线，施加磁场的方向垂直于衬底表面。从图中能够看到明显的隧穿磁电阻信号，说明该结构具有良好的性能。
[0048]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结，包括:一衬底，是实现多层膜外延生长的基础；一缓冲层，其制作在衬底上，用于平滑衬底表面并减小晶格失配度；一下电极，其外延生长在缓冲层上；一下插层，其外延生长在下电极上；一势皇层，其外延生长在下插层上；一上插层，其外延生长在势皇层上；一上电极，其外延生长在上插层上；一覆盖层，其外延生长在上电极上，对下层结构起保护作用。2.根据权利要求1所述的Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结，其中上、下电极 的材料为具有高垂直磁各向异性的Llo-MnGa薄膜。3.根据权利要求1所述的Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结，其中上、下插层 的材料为 Co2MnS1、C〇2MnAl、C〇2FeAl 或 Co2FeSi 薄膜，其厚度为 0.6-1.5nm。4.根据权利要求1所述的Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结，其中势皇层的材 料为Al2〇3或MgO，其厚度为0 ? 8-2nm。5.根据权利要求1所述的Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结，其中覆盖层的材 料为PcUPt、Ta或A1，其厚度为0 ? 8-2nm。6.—种Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结的制备方法，包括以下步骤:步骤1:取一衬底；步骤2:在衬底上依次制备缓冲层、下电极、下插层、势皇层、上插层、上电极和覆盖层； 步骤3:真空磁场退火处理，完成制备。7.根据权利要求6所述的Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结的制备方法，其中 上、下电极的材料为L1 o-MnGa薄膜。8.根据权利要求6所述的Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结的制备方法，其中 上、下插层的材料为(:〇2]?1^、(:〇#1^1、(:〇#641或(:〇#631薄膜，其厚度为0.6-1.511111。9.根据权利要求6所述的Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结的制备方法，其中 势皇层的材料为Al2〇3或MgO,其厚度为0 ? 8-2nm〇10.根据权利要求6所述的Heusler合金为插层的MnGa基垂直磁隧道结的制备方法，其 中覆盖层的材料为Pd、Pt、Ta或A1，其厚度为0.8-2nm。
【文档编号】H01L43/08GK105977375SQ201610552010
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】鲁军, 毛思玮, 赵旭鹏, 赵建华
【申请人】中国科学院半导体研究所