專利名稱：隧道效應(yīng)磁電阻器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于磁傳感器和存儲器，特別是涉及一種隧道效應(yīng)磁電阻器件。
背景技術(shù)：
磁電阻效應(yīng)在磁記錄和存儲等方面有著十分重要的應(yīng)用前景，近年來人們對此領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。從產(chǎn)生機制上劃分，磁電阻效可分為很多種，但在應(yīng)用上引起人們注意的主要包括金屬多層膜中的巨磁電阻(以下簡稱為GMR)，基于金屬的自旋閥和金屬一絕緣體一金屬結(jié)中的隧道磁電阻(以下簡稱為TMR)。在作為磁性傳感器和存儲器的應(yīng)用中，研究的主要目的是提高器件的磁場靈敏度，即對于一定大小的磁信號，磁電阻器件應(yīng)表現(xiàn)出盡可能大的電阻值變化。
在隧道結(jié)中，當在垂直于薄膜表面的方向上加以電壓時，電子將借助于隧道效應(yīng)穿過絕緣的勢壘層，從一個結(jié)電極流入另一側(cè)的結(jié)電極，形成隧道電流。如果結(jié)電極由具有自旋極化的磁性金屬構(gòu)成，則隧道電流的大小受到兩側(cè)結(jié)電極相互之間的自旋取向的影響，表現(xiàn)出與自旋態(tài)相關(guān)的隧道磁電阻效應(yīng)。在外磁磁場作用下，當兩個結(jié)電極的自旋都取向外磁場方向時，就形成二者平行取向的自旋態(tài)，結(jié)電阻處于低阻態(tài)；從上述的飽和狀態(tài)出發(fā)，逐漸減小外磁場至外磁場為0，然后加以反向磁場并逐漸增大其數(shù)值，在上述的反磁化過程中，如果一個電極的矯頑力小于另一個結(jié)電極，則前者的自旋將在較小的外磁場下翻轉(zhuǎn)，形成兩個電極間自旋反平行取向的態(tài)，從而使結(jié)電阻處于高阻態(tài)。因此，磁性隧道結(jié)的隧道磁電阻效應(yīng)要求兩個主要條件在內(nèi)稟特性上，要求兩個結(jié)電極都由具有自旋極化的材料構(gòu)成；在外稟特性上，要求兩個結(jié)電極矯頑力大小不同。
對于基于TMR的磁性器件而言，磁場靈敏度的極限值取決于隧道結(jié)中上下電極層的自旋極化率。已知的具有自旋極化特性的材料包括Fe、Co、Ni、坡莫合金、CrO2、半哈斯勒合金(如NiMnSb)、鐵磁金屬性的鈣鈦礦型錳氧化合物。由于鈣鈦礦型錳氧化合物的自旋極化率可能達到最大值100％，從而可能在磁信號作用下產(chǎn)生最大值的結(jié)電阻變化，因而是隧道效應(yīng)磁電阻首選的電極層材料。
在美國專利US5792569(
公開日為1998年8月11日)和發(fā)表的文獻(X.W.Li，Y.Lu，G.Q.Gong，G.Xiao，A.Gupta，P.Lecoeur，and J.Z.Sun，J.Appl.Phys.81，5509(1997).)中公開了一種三層結(jié)構(gòu)的隧道效應(yīng)磁電阻，其中以鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物為兩個電極層、以STO為勢壘層。由于兩個電極層采用了相同的磁性材料，因此兩個電極層之間由內(nèi)稟磁性導致的矯頑力差異很小。在上述技術(shù)中將兩個電極層設(shè)計成不同的形狀和尺寸，利用形狀各向異性來調(diào)節(jié)兩個電極層的矯頑力，但在隧道結(jié)中要獲得理想的自旋態(tài)仍存在著困難。該器件的主要缺點是在磁場下結(jié)電阻表現(xiàn)出復雜的變化，從而不能預(yù)測在一定的磁信號作用下，結(jié)電阻是處于高阻態(tài)還是低阻態(tài)。并且該器件的穩(wěn)定性差，磁信號作用之后，結(jié)電阻不能回到初始值。由于該器件難以工作在穩(wěn)定的、可重復的狀態(tài)，因此限制了其實用性。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是針對上述已有技術(shù)在控制電極層的矯頑力方面的缺點，為了改善器件的磁場響應(yīng)特性和穩(wěn)定性，使器件能夠被預(yù)置工作狀態(tài)，并能夠被重復使用，從而提供一種隧道效應(yīng)磁電阻器件。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型提供的隧道效應(yīng)磁電阻器件，包括一襯底，其上有一底電極層、勢壘層和一個頂電極層，勢壘層位于底電極層之上和頂電極層之下；其特征在于還包括一個位于襯底上的反鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物的釘扎層，該釘扎層位于底電極層之下；底電極層呈條狀，兩端是引線引出端；底電極層之上是呈方塊狀的勢壘層和頂電極層，頂電極層的頂部是引線引出端；在勢壘層和頂電極層的周圍是SiO2隔離層；從底電極層和頂電極層的引線引出端各引出一根導電引線或各引出兩根導電引線。
所述的隧道效應(yīng)磁電阻器件，還包括導電引線分別直接固定在頂電極層和底電極層的導電引出端之上。
所述的隧道效應(yīng)磁電阻器件，還包括在底電極層的導線引出端上有貴金屬材料的接觸電極，在頂電極層的導線引出端上有一貴金屬材料的條形接觸電極，導電引線分別直接固定在接觸電極之上。
所述的襯底包括SrTiO3(以下簡稱為STO)，MgO，Al2O3和Si片。
所述的反鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物的釘扎層厚度為30～80nm。
所述的底電極層為鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物，該層厚度為20～100nm。
所述的頂電極層為鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物，該層厚度為20～100nm。
所述的勢壘層是一個厚度為1～8nm的鈣鈦礦型氧化物層。
按照本實用新型的隧道效應(yīng)磁電阻器件，兩個電極層之間的電阻值，也即隧道結(jié)的結(jié)電阻在磁場作用下產(chǎn)生規(guī)律性的變化。從而使結(jié)電阻的大小反映磁信號的大小。依據(jù)檢測結(jié)電阻的方法，可以將本實用新型的隧道效應(yīng)磁電阻器件制成四端器件或兩端器件。在底電極層和頂電極層上各引出兩條導電引線，即形成四端器件。已知大小的電流(例如由恒流源供給的電流)流經(jīng)底電極和頂電極的一組引線時，檢測另一組引線上的電壓信號，就得到結(jié)電阻的值。在底電極層和頂電極層上各引出一條導電引線，即形成兩端器件。已知大小的電壓(例如由恒壓源供給的電壓)施加在兩個電極層的引線上，測量流經(jīng)引線的電流信號，也可以得到結(jié)電阻的值。)隧道效應(yīng)磁電阻器件采用以下步驟制備的；1)首先取一SrTiO3、MgO、Al2O3或Si片，在其上采用常規(guī)的濺射方法順序生長反鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物的釘扎層、鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物的底電極層、鈣鈦礦型氧化物的勢壘層和鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物的頂電極層制成多層膜片；2)采用甩膠機在多層膜上覆蓋一層光刻膠薄膜，然后以一塊玻璃基底的掩膜進行遮擋，在曝光機下進行曝光。經(jīng)NaOH溶液進行顯影后，即制成圖形與用作遮擋的玻璃基掩膜相同的光刻膠掩膜；3)將表面上覆蓋有光刻膠掩膜的多層膜置于離子刻蝕設(shè)備的真空腔體中，進行離子刻蝕，對刻蝕深度的控制以刻透釘扎層之上的三層膜作為標準，經(jīng)刻蝕后，得到與用作遮擋的玻璃基掩膜反相的器件圖形。
4)將刻蝕后的多層膜置于磁控濺射真空鍍膜設(shè)備中，采用純石英靶材，在射頻濺射條件下沉積SiO2層。然后在浸泡在丙酮中，去除光刻膠和光刻膠之上的SiO2層，并進行超聲清洗；5)采用另一塊玻璃基掩膜，重復上述制備光刻膠掩膜、離子刻蝕、沉積SiO2層和超聲清洗各個步驟。其中對離子刻蝕深度的控制以刻透底電極層之上的兩層膜作為標準；6)上述兩次光刻工藝采用的玻璃基掩膜圖形不同并且相互交錯，因此兩次離子刻蝕的交叉區(qū)域成為隧道結(jié)區(qū)。離子刻蝕露出頂電極層之下的底電極層，并被刻蝕成引線焊接區(qū)的形狀。
7)為了使引線與電極層之間形成良好的電接觸，可以在引出導線之前在電極層上沉積一層貴金屬。一種方法是在多層膜上沉積一層貴金屬，采用一塊玻璃基掩膜，在其上制備光刻膠掩，然后浸于碘的碘化鉀溶液中進行濕刻，貴金屬層被部分刻蝕去除，從而制成接觸電極。另一種方法是采用一塊玻璃基掩膜，在多層膜上制備一層光刻膠掩膜，在其上沉積一層貴金屬，然后浸于丙酮中，在去除光刻膠的同時，也去除了光刻膠之上的貴金屬層，剩下的部分貴金屬層形成接觸電極。在接觸電極上引出導電引線。
本實用新型的優(yōu)點本實用新型制備的隧道效應(yīng)磁電阻器件，一個電極層與相鄰的釘扎層之間存在著交換耦合作用，其磁矩的轉(zhuǎn)動為釘扎層的磁矩所釘扎，而另一個電極層的磁矩轉(zhuǎn)動未受約束，成為自由層。因此提高了釘扎電極層的矯頑力，使釘扎電極層的矯頑力大于自由電極層，從而改善的隧道結(jié)器件的自旋態(tài)，達到改善器件的磁場響應(yīng)特性和穩(wěn)定性，使器件能夠被預(yù)置工作狀態(tài)，并能夠被重復使用。


圖1.磁性隧道結(jié)器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1.釘扎層 2.底電極層 3.勢壘層 4.頂電極層5～8.Ag電極 9.基片圖2.多層在制備過程中的表面形貌，圖中所示是還未在表面上沉積貴金屬層的情形；圖3.磁性隧道結(jié)器件的電流-偏壓(I-V)曲線和微分電導一偏壓(dI/dV-V)曲線；圖4.磁性隧道結(jié)器件的結(jié)電阻隨磁場的變化。
多層膜在SrTiO3、MgO、Al2O3或Si片作為襯底9上外延生長，包括厚度為30或80nm的La0.33Ca0.67MnO3釘扎層1、厚度為20或100nm的La0.67Ca0.33MnO3底電極層2、厚度為1或8nm的勢壘層3、厚度為20或80nm的La0.67Ca0.33MnO3頂電極層4。勢壘層3位于底電極層2之上和頂電極層4之下；位于襯底9上的反鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物是釘扎層1，該釘扎層1位于底電極層2之下；底電極層呈條狀，兩端是引線引出端；底電極層2之上是呈方塊狀的勢壘層3和頂電極層4，頂電極層的頂部是引線引出端；在勢壘層3和頂電極層4的周圍是SiO2隔離層。經(jīng)兩次刻蝕后，勢壘層層3和頂電極層4形成尺寸為2×10um2的小長方塊，成為隧道結(jié)的工作區(qū)。在層頂電極層4之上是Ag接觸電極5和6(兩個電極是相連的)，在底電極層2之上是Ag接觸電極7和8。并將電流源連接在接觸電極5和7之間，測量接觸電極6和8之間的電壓值，就可檢測結(jié)電阻的數(shù)值。
參考圖2，采用原子力顯微鏡檢查多層膜在加工過程中的表面形貌。對隧道效應(yīng)磁電阻的制備已經(jīng)完成了1～6步驟，兩次離子刻蝕形成的隧道結(jié)工作區(qū)域(即頂電極11和勢壘層的面積)尺寸為2×10um2。在圖中可看到頂電極層4的表面11，周圍是SiO2隔離層10(未表示在圖1中)。
參考圖3，采用標準的四端法測量上述的隧道結(jié)在垂直于膜面方向的輸運性質(zhì)。非線性的I-V曲線反映出電子隧道效應(yīng)的特征，dI/dV-V曲線近似為拋物線形狀，可采用描述電子隧道效應(yīng)的Brinkman公式進行擬合。在磁場作用下dI/dV-V發(fā)生明顯的變化，結(jié)電阻隨磁場的升高而減小，表明隨磁有序的提高、隧道電流增加的自旋極化特性。
參考圖4，采用標準的四端法測量上述的隧道結(jié)結(jié)電阻隨磁場的變化。在測量開始時，頂、底電極的磁矩由于場冷而同時取向負磁場方向，處于低阻狀態(tài)。在外加正磁場作用下，隨著磁場的增大，自由的頂電極磁矩開始翻轉(zhuǎn)，而底電極的磁矩由于釘扎層的釘扎仍處于初始方向。外磁場達到一定值時形成頂、底電極間磁矩反平行的取向，結(jié)電阻最大；隨著磁場的進一步增加，底電極的磁矩也開始翻轉(zhuǎn)；在飽和狀態(tài)下，相對磁矩取向完全平行，結(jié)電阻最小。因此，在正磁場磁化過程中，隧道磁電阻曲線上在+400Oe的位置出現(xiàn)峰值。同樣的過程，在外加負磁場的測量過程中在-400Oe的位置處出現(xiàn)結(jié)電阻的峰值。在600Oe的磁場范圍內(nèi)隧道結(jié)的電阻變化率達到28％。
在磁電阻曲線上觀察到的雙峰結(jié)構(gòu)表明采用反鐵磁釘扎的方法造成了頂、底電極的磁不對稱性。盡管兩個電極的成分、結(jié)構(gòu)和厚度沒有差異，但底電極在磁性上比自由的頂電極要硬，即前者的矯頑力大于后者。并且結(jié)電阻源于自旋極化的隧道效應(yīng)，結(jié)電阻的大小決定于頂?shù)纂姌O的相對自旋取向。隧道結(jié)對磁場的響應(yīng)表現(xiàn)規(guī)律性，并可預(yù)測在一定的磁信號作用下隧道結(jié)所處的電阻態(tài)。經(jīng)一個周期的磁場作用，結(jié)電阻的大小仍可回到初始值。
權(quán)利要求1.一種隧道效應(yīng)磁電阻器件，包括一襯底，其上有一底電極層、勢壘層和一個頂電極層，勢壘層位于底電極層之上和頂電極層之下；其特征在于還包括一個位于襯底上的反鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物的釘扎層，該釘扎層位于底電極層與襯底之間；底電極層呈條狀，兩端是引線引出端；底電極層之上是呈方塊狀的勢壘層和頂電極層，頂電極層的頂部是引線引出端；在勢壘層和頂電極層的周圍是SiO2隔離層；從底電極層和頂電極層的引線引出端各引出一根導電引線或各引出兩根導電引線。
2.按權(quán)利要求1所述的隧道效應(yīng)磁電阻器件，其特征在于還包括導電引線分別直接固定在頂電極層和底電極層的導電引出端之上。
3.按權(quán)利要求1所述的隧道效應(yīng)磁電阻器件，其特征在于還包括在底電極層的導線引出端上有貴金屬材料的接觸電極，在頂電極層的導線引出端上有一貴金屬材料的條形接觸電極，導電引線分別直接固定在接觸電極之上。
4.按權(quán)利要求1所述的隧道效應(yīng)磁電阻器件，其特征在于所述的基片包括SrTiO3、MgO、Al2O3或Si片。
5.按權(quán)利要求1所述的隧道效應(yīng)磁電阻器件，其特征在于所述的反鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物釘扎層厚度為30～80nm。
6.按權(quán)利要求1所述的隧道效應(yīng)磁電阻器件，其特征在于所述的底電極層為鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物，該層厚度為20～100nm。
7.按權(quán)利要求1所述的隧道效應(yīng)磁電阻器件，其特征在于所述的勢壘層是一個厚度為1～8nm的鈣鈦礦型氧化物層。
8.按權(quán)利要求1所述的隧道效應(yīng)磁電阻器件，其特征在于所述的頂電極層為鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物，該層厚度為20～100nm。
專利摘要本實用新型涉及一種隧道效應(yīng)磁電阻器件。它包括一襯底，其上有一底電極層、勢壘層和一頂電極層，勢壘層位于底電極層之上和頂電極層之下；一位于襯底之上底電極層之下的反鐵磁性的鈣鈦礦型錳氧化合物的釘扎層；底電極層呈條狀，兩端是引線引出端；底電極層之上是呈方塊狀的勢壘層和頂電極層，頂電極層的頂部是引線引出端；在勢壘層和頂電極層的周圍是SiO
文檔編號H01L43/08GK2556792SQ0223585
公開日2003年6月18日 申請日期2002年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月16日
發(fā)明者趙柏儒, 蔡純, 龔偉志, 許波, 張福昌 申請人:中國科學院物理研究所