一种低磁滞的磁隧道结元件及其制备方法与流程

本发明属于磁隧道结元件，具体涉及一种低磁滞的磁隧道结元件及其制备方法。

背景技术：

1、一个磁隧道结元件包括磁性自由层、磁性钉扎层以及位于磁性自由层与磁性钉扎层之间的隧道势垒层。磁性自由层由铁磁材料构成，磁性自由层的磁化方向可以随外部磁场的改变而改变。磁性钉扎层是一个磁化方向固定的磁性层，磁性钉扎层的磁化方向被钉扎在一个方向，在一般条件下不会发生改变。

2、对于tmr传感器来说，其磁场响应曲线由磁隧道结元件的磁性自由层的磁化曲线决定。在工程上，通常经过设计，通过控制退磁场、自由层钉扎场等因素来实现不同的灵敏度设计。对于这些手段，自由层的有效磁化强度是决定最后效果的决定因素之一。在磁敏感材料的mr(磁阻)值一定时，tmr传感器的灵敏度及探测范围由设置的退磁场大小所决定。磁场的探测范围由以下经验公式决定：

3、

4、其中为参考层的退磁场、hn为奈尔场，通常此两项为定值，hk为自由层的内部各向异性场，为自由层的退磁场。通常，在tmr传感器的设计过程中，为了降低磁滞需要通过调控材料及结构使得其效果如图1所示，然而图1中也展现出该方案会极大的降低tmr传感器的灵敏度的问题。提高灵敏度的方法主要是降低hk，而降低较多hk后会造成的情况，进而使得磁滞增大。因此，目前的高灵敏度tmr传感器普遍存在着磁滞大从而导致可用范围极小的问题，如图2所示，极大地限制了运用场景。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中高灵敏度tmr传感器磁滞大导致可用范围极小的缺陷，从而提供一种低磁滞的磁隧道结元件及其制备方法。

2、为此，本发明提供了以下技术方案。

3、第一方面，本发明提供了一种低磁滞的磁隧道结元件，包括依次连接的底电极层、磁性钉扎层、被钉扎层、非磁势垒层、复合自由层和顶电极层；

4、所述复合自由层包括依次设置的第一自由层、第一间隔层、第二自由层、第二间隔层和第三自由层；

5、所述第一间隔层和第二间隔层均为非磁金属层。

6、进一步的，所述复合自由层满足以下条件的至少一项：

7、(1)所述第一间隔层材料为ta、ru或w；

8、(2)所述第一间隔层厚度为0.1～1.5nm；

9、(3)所述第一自由层材料为cofeb、cofe、nife、nicofe或cofesib；

10、(4)所述第一自由层厚度为1～50nm；

11、(5)所述第二自由层材料为cofeb、cofe、nife、nicofe或cofesib；

12、(6)所述第二自由层厚度为1～50nm；

13、(7)所述第二间隔层材料为ta、ru或w；

14、(8)所述第二间隔层厚度为0.1～1.5nm；

15、(9)所述第三自由层材料为cofeb、cofe、nife、nicofe或cofesib；

16、(10)所述第三自由层厚度为1～50nm。

17、进一步的，所述复合自由层满足以下条件的至少一项：

18、(1)所述第一间隔层厚度为0.1～0.5nm，所述第二间隔层厚度为0.5～1.5nm，利于形成更好的反铁磁耦合效应。

19、(2)所述第一自由层材料为cofeb，厚度为1～5nm；方便cofeb在退火过程中完全晶化，增加mr值。

20、第二自由层材料为cofe、nife、nicofe或cofesib，厚度为4～50nm；

21、第三自由层材料为cofe、nife、nicofe或cofesib，厚度为4～50nm；

22、(3)所述第二自由层与第三自由层的饱和磁矩相等，具体的，所述第二自由层与第三自由层的厚度相等。

23、进一步的，磁隧道结元件的横截面形状为长方形或椭圆形，长宽比或长轴与短轴之比为(1.5～10)：1。

24、进一步的，满足以下条件中的至少一项：

25、(1)所述底电极层材料包括ta、cu、ru、cun、cofe中的一种或多种；

26、(2)所述底电极层中每一层的厚度为2～30nm；

27、优选地，所述底电极层包括至少一个ta层和一个cun层，每个ta层厚度为2～6nm，每个cun层厚度为10～30nm；

28、(3)所述磁性钉扎层材料为irmn、ptmn、femn、nimn或nio；

29、(4)所述磁性钉扎层厚度为5～25nm；

30、(5)所述非磁势垒层材料为mgo或al2o3；

31、(6)所述非磁势垒层厚度为0.9～5nm；

32、(7)所述顶电极层材料包括ta、ru中的一种或多种；

33、(8)所述顶电极层中每一层厚度为2～30nm。

34、进一步的，满足以下条件中的至少一项：

35、(1)所述复合自由层与顶电极层之间还设置有第二磁性钉扎层；

36、优选地，所述第二磁性钉扎层的材料为irmn、ptmn、femn、nimn或nio；

37、优选地，所述第二磁性钉扎层的厚度为5～25nm；

38、(2)所述被钉扎层包括依次连接的第一铁磁层、非铁磁层和第二铁磁层，第一铁磁层与磁性钉扎层连接；

39、优选地，第一铁磁层材料为cofe；

40、优选地，第一铁磁层厚度为1.5～2.1nm；

41、优选地，非铁磁层材料为ru层；

42、优选地，非铁磁层厚度为0.3～0.9nm；

43、优选地，第二铁磁层材料为cofeb；

44、优选地，厚度为2.4～2.8nm。

45、(3)所述底电极与所述磁性钉扎层之间还设置有种子层。种子层可降低基片表面缺陷对tmr膜堆的影响。

46、优选地，所述种子层为非磁金属层；

47、优选地，所述种子层厚度为2～6nm；

48、更优选地，所述种子层材料为ta和/或ru层。

49、第二方面，本发明提供了一种磁隧道结元件的制备方法，在基片上依次沉积磁隧道结元件的各个层，然后进行第一次退火。

50、进一步的，所述第一次退火满足以下条件中的至少一项：

51、(1)第一次退火时间为50～80min；

52、(2)第一次退火的磁场强度为0.5～1t；

53、(3)第一次退火的磁场方向为平行于基片；

54、(4)第一次退火的温度为280～350℃。

55、进一步的，还包括第二次退火。

56、进一步的，所述第二次退火满足以下条件中的至少一项：

57、(1)第二次退火的时间为25～35min；

58、(2)第二次退火的温度为200～250℃；

59、(3)第二次退火的磁场强度为0.5～1t；

60、(4)第二次退火磁场方向为平行于基片，且垂直于第一次退火时磁场的方向。

61、本发明技术方案，具有如下优点：

62、1.本发明低磁滞的磁隧道结元件包括依次连接的底电极层、磁性钉扎层、被钉扎层、非磁势垒层、复合自由层和顶电极层；所述复合自由层包括依次设置的第一自由层、第一间隔层、第二自由层、第二间隔层和第三自由层；所述第一间隔层和第二间隔层均为非磁金属层。

63、第二自由层、第二间隔层和第三自由层这种结构的设置有助于形成反铁磁耦合结构，尽可能地降低磁隧道结元件的值，使得经封装后tmr传感器的灵敏度受形状影响大大降低，能够在降低hk值的同时保持不变，从而使得整个tmr传感器拥有较高的灵敏度以及较低的磁滞。因此，具有该复合自由层结构的磁隧道结元件的灵敏度变化不大，实现了磁滞的降低。

64、2.本发明的磁隧道结元件的横截面形状为长方形或椭圆形，长宽比或长轴与短轴之比为(1.5～10)：1。在此范围内可以提供较高的形状各向异性，降低器件磁滞和磁噪声。

65、3.本发明的磁隧道结元件所述复合自由层与顶电极层之间还设置有第二磁性钉扎层。第二磁性钉扎层可以提供微弱的钉扎场，进一步降低磁滞，增加线性度。