[发明专利]一种高灵敏度的CoFeB基磁隧道结

说明书

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度的CoFeB基磁隧道结。

背景技术

随着信息时代的到来，海量的资源和信息对于存储设备提出了更高的要求。传统商业存储器，如静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）在无外加电压时存储的信息会丢失；而闪存（flash）虽然具有非易失性，但是其数据处理速度的提高和器件小型化遇到了难以克服的瓶颈。因此开发具有高速、高密度、低能耗和非易失性的存储材料迫在眉睫。

未来有可能商业化的磁随机存储器（MRAM）综合了上述几种随机存储器（RAM）的优点，具有非易失、高速、高密度、低能耗、低成本和抗辐射性能好等诸多优良特性。磁隧道结（MTJ）是一种理想的磁随机存储器，其主体是两层磁性电极中间夹一层隧穿层。这种结构利用了量子隧穿机理，极化电流沿垂直膜平面方向穿过势垒层时，随势垒层上下两个磁电极的磁矩平行或反平行取向不同而呈现低或高的磁电阻状态，显示出很大的磁阻变化和信号输出。

CoFeB是一种重要的半金属磁性材料，理论计算证明其具有100%的自旋极化率，因此受到人们的广泛重视，成为磁隧道结中重要的电极材料。CoFeB基磁隧道结作为磁随机存储器具有诸多其他材料不可比拟的优势：1.研究表明，CoFeB磁性电极搭配（001）织构的MgO绝缘层，可以实现高达600%以上的隧穿磁电阻变化率（TMR）；2.调整CoFeB电极厚度，可以实现垂直磁各向异性，使器件单元尺寸减小，存储密度进一步提高。另外，同其他磁隧道结一样，通过改变势垒层的种类和厚度，CoFeB基磁隧道结的结电阻在相当宽的范围内可以调节，容易与半导体电路匹配。

虽然CoFeB基磁隧道结具有诸多优良性能，但是要实现应用，器件对于磁场的灵敏度亟待提高，能耗还需要进一步降低。同其他隧道结一样，CoFeB基磁隧道结高低磁阻之间的转变要通过调节两个磁性电极磁矩的翻转完成，这就需要CoFeB具有尽量高的磁滞回线矩形度（矩形度R_S＝M_R/M_S，M_R表示剩磁，M_S代表饱和磁化强度）来实现高低磁阻间的快速转变。同时，降低磁阻间的转变磁场对于降低能耗意义重大，而转变磁场直接对应着CoFeB电极矫顽力的大小。综上所述，找到一种方法，实现CoFeB在低磁场下的快速翻转，对于提高磁隧道结的灵敏度，推动其实际应用意义重大。

磁控溅射制备CoFeB基磁隧道结是目前最常用的技术，CoFeB磁性电极需要生长在一定的过渡层上。由于过渡层和CoFeB界面之间的复杂作用，界面的选取和控制对于后续生长的CoFeB磁学性能影响的重要性不言而喻。目前CoFeB基的磁隧道结主要使用Ta作为磁性电极和基片之间的过渡层，很少有工作考虑过渡层对于CoFeB和磁隧道结性能的影响。从调整过渡层的角度出发实现CoFeB同时具有小的矫顽力和高的矩形度，有很大的发展空间。另外，由于CoFeB基隧道结的制备过程中需要对材料进行250–400°C的退火处理，新选择的过渡层还需要有较高的热稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高灵敏度的CoFeB基磁隧道结。

本发明所提供的高灵敏度的CoFeB基磁隧道结，其结构依次包括：基片、过渡层、磁性电极层、绝缘层、磁性电极层、保护层；其中，所述磁性电极层为CoFeB层，所述基片与磁性电极层之间的过渡层为钨（W）层。

本发明所述CoFeB基磁隧道结的具体结构包括：基片（Si/SiO₂）/W/CoFeB/MgO（或Al₂O₃）/CoFeB/Ta，其中，W作为过渡层，其厚度可为3-15nm；两层CoFeB作为磁性电极层，其厚度可为5-20nm，CoFeB层中三种元素的质量分数依次为：Co20%-70%，Fe 20%-70%，B 10%-20%；具有（001）织构的MgO或者非晶的Al₂O₃作为隧穿层（绝缘层），为自旋电子提供隧穿通道，其厚度可为1-3nm；Ta的作用是保护下层CoFeB薄膜免受氧化，其厚度可为1-5nm。

本发明由新的过渡层材料“W”替代传统的“Ta”，可以促进CoFeB基隧道结在低磁场下实现敏锐的翻转（在磁滞回线中表现为高的矩形度），提高隧道结的灵敏度，并且具有良好的热稳定性。