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研制基于氧化镁势垒层的磁性隧道结

2017-08-10 16:55 浏览:683    评论:0       
核心摘要:[研制基于氧化镁势垒层的磁性隧道结]研制基于氧化镁势垒层的磁性隧道结陈晓红1,2*,P.P.Freitas21)华东师范大学物理系和纳光电集
[研制基于氧化镁势垒层的磁性隧道结]

研制基于氧化镁势垒层的磁性隧道结
陈晓红1,2*,P.P.Freitas2


1)华东师范大学物理系和纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心,上海200062
2)INESC-MN,R.Alves Redol 9, 100029 Lisboa, Portugal
* E-mail: xhchen@phy.ecnu.edu.cn

摘要:
我们采用磁控溅射设备Nordiko 2000,利用自然氧化金属镁和直接溅射氧化镁靶等方法研制MgO势垒层。实验表明,采用自然氧化方法制备MgO势垒层,金属镁层厚度、氧气气流和氧化时间与磁性隧道结的TMR值密切相关。镁层6.24Å,氧气流量2sccm和时间80秒时,磁性隧道结的TMR值可以达到53%。利用单晶氧化镁靶直接溅射制备的MgO势垒层,靶材与衬底之间的间距是获得(001)面MgO薄膜层的关键因素。当靶材与衬底间距为5cm时,磁性隧道结TMR值可以达到153%。靶材与衬底间距在6-10cm之间时,MgO薄膜为非晶态,该条件溅射MgO势垒层所制备的磁性隧道结的TMR值为零。

关键词:磁性隧道结 氧化镁势垒层 自然氧化法 磁控溅射

引言
自1974年Julliere研究组采用钴和铁当作电极材料,氧化锗为势垒层研制出自旋相关的磁性隧道结以来[1],磁性隧道结因在硬盘读写头,磁性随机存贮器和磁性传感器具有潜在的应用价值而受到广泛的关注[2]。通常,基于NiO[3],Gd2O3[4]势垒的磁性隧道结(MTJ)表现出很低的隧道磁电阻效应(TMR)。直到1995年TMR值才获得重大突破,Miyarzaki研究小组采用无定形氧化铝为势垒,研制出磁性隧道结的TMR值在室温下可达到18%[5]。目前采用无定型氧化铝为势垒层,非晶的CoFeB 为电极,可获得最高TMR值为80%[6],不过要获得更高TMR值就显得很困难。运用第一原理电子结构计算表明,以(001)面为取向的Fe/MgO/Fe MTJs 有望能达到TMR值100%甚至1000%[7]。 以此理论为指导,Parkin研究组和Yuasa研究组率先分别研制出MgO为势垒层MTJ的TMR值高达180%以上[8, 9]。Yuasa研究组采用MBE方法制备出BCC结构铁电极层和(001)晶面MgO势垒层,Fe/MgO/Fe MTJs的TMR值为180%[8]。Parkin研究组采用磁控溅射方法研制出(001)面MgO势垒层,CoFe/MgO/CoFe MTJs的TMR值达到220%[9]。目前,采用非定型CoFeB电极层,运用磁控溅射方法,MTJ的TMR值可达604%[10]。事实表明,要实现TMR值超过100%,关键是需要得到(001)晶面的MgO势垒层。

为了获得高TMR值,本论文分别以单晶MgO靶和金属镁靶为对象,通过磁控方法制备氧化镁基磁性隧道结。采用单晶MgO靶制备MTJ的TMR值可达到153%。用金属镁靶溅射Mg金属层,然后通过低压氧气氧化形成MgO势垒层,其MTJ的TMR亦可获得53%。


实验方法:
1)自然氧化法制备MgO磁性隧道结
MTJ结构为:Ta/Ru/Ta/MnPt/CoFe/Ru/ CoFeB/{Mg+O2 oxidation}*n /CoFeB/Ta。首先在低纳玻璃衬底上溅射下电极,接着溅射上金属镁层,然后采用高纯氧气氧化金属镁层形成氧化镁势垒,最后再溅射上电极层。接着采用光刻和离子束刻蚀技术形成微米尺度的磁性隧道结。隧道结面积在1至72微米之间。当MTJ微加工结束后,最后在真空和外磁场5000 Oe条件下退火1小时。MTJ器件的下电极、势垒层和上电极溅射过程都在Nordiko 2000中完成。镁层沉积速率为0.26 Å/s,沉积完Mg层后,然后把氧气通入到腔体中氧化Mg层。这里,我们采用多次重复溅射和氧化金属镁层的方法以获均匀氧化镁层和足够厚度的氧化镁势垒层。图1是MgO为势垒的MTJ结构示意图。

2)磁控溅射单晶MgO靶制备MgO磁性隧道结
MTJ基本结构以及制备工艺跟自然氧化法研制MTJ接近,即:Ta70/Ru50/Ta50/MnPt200/CoFe20/Ru8/CoFeB40/MgO(X)/CoFeB30/Ta70/TiWN150。厚度单位为埃。X代表MgO势垒层的不同厚度。为了获得(001)晶面MgO薄膜,溅射MgO薄膜的参数如氩气气压,功率,速率以及靶材与玻璃衬底之间的间距等参数被优化。MgO薄膜晶体结构通过XRD衍射仪来表征。

实验结果和讨论
1)自然氧化金属镁层法制备MgO势垒层
为了获得合理结面积和结电阻的积矢(RA)和充分氧化镁金属层,沉积Mg层厚度分别选择为2.6Å,3.8 Å,5.0 Å,6.2 Å 和7.6 Å。同时通过改变氧化时间和氧气流量来优化镁层的氧化程度。图2是Mg层厚度分别沉积7.6 Å,6.2 Å和3.8 Å,氧化时间80秒和氧气流量2sccm条件下制备出MTJ器件。制备出的微结构MTJ后,在370 oC和5000 Oe下退火1小时。名义上镁层的总厚度分别为30.4 Å、30.1 Å和30.4 Å。镁层经过氧化后,势垒层厚将有一定减少。从TMR与RA统计关系图看出,当每次沉积镁厚度为7.6 Å时制备的磁性隧道结器件,其很大比例的MTJ器件的RA积矢值要小于其他两个厚度制备的MTJ器件的值。不过,最高TMR值来自每次沉积镁厚度为6.24 Å的磁性隧道结。厚度为7.6 Å镁层,可能氧化不充分,是导致RA值偏小的主要原因。

图3是镁层厚度为6.2Å,氧化时间80秒和氧气流量2sccm下制备的MTJ在不同退火温度下的TMR值。当MTJ器件在370 oC和390oC分别退火一小时后,最好磁性隧道结的RA分别为722 Ω•um2和214Ω•um2,TMR值分别为45.9%和53%。390oC退火后,CoFeB和CoFe层通过Ru层相互扩散可能导致了扎钉层中交换偏磁场快速减少。


2)利用单晶MgO靶溅射制备MgO势垒层
氧化镁势垒层的晶体结构与沉积氧化镁薄膜条件密切相关。而获得(001)面MgO势垒层是获得高TMR值得关键。通过改变氩气气压、溅射功率以及靶材与衬底之间的间距等参数以获得(001)面氧化镁晶体结构。针对Nordiko 2000溅射设备,我们发现靶材与衬底之间间距是获得(001)面MgO晶体结构的关键参数。当靶材与衬底之间距离从10cm变到6cm时,氧化镁薄膜表现出非晶态,而它们间距变到5cm时,MgO薄膜表现出(001)面晶体结构。图4是在靶材与衬底间距为5cm时,功率170W,氩气流量10sccm和气压8 mTorr情况下制备氧化镁层的XRD衍射图。峰值19.5º就是对应氧化镁的(001)面。

该条件沉积氧化镁势垒层所对应的MTJ的TMR曲线如图5所示。在340oC退火一小时后,MTJ的TMR值可获得153%。若退火温度为380oC,TMR值提高到180%以上。实验结果表明,只要衬底与靶材之间距离为5cm,溅射MgO薄膜的功率、气压等因素都变得不再敏感,磁性隧道结的TMR值都可超过100%以上,而间距在6-10cm之间变化,MTJ的TMR值几乎为零。

结论
总之,我们研究了自然氧化金属镁和直接溅射氧化镁靶方法制备MgO势垒层。结果表明,当自然氧化金属镁层时,镁层厚度、氧气气流和氧化时间与磁性隧道结的TMR值密切相关。当镁层6.24Å,氧气流量2sccm和时间80秒时,磁性隧道结的TMR值可以达到53%。针对磁控溅射设备Nordiko 2000型号,利用氧化镁靶直接溅射方式制备MgO势垒层,靶材与衬底之间的间距是制备(001)面MgO势垒层的关键因素。当靶材与衬底间距为5cm时,磁性隧道结TMR值可以达到153%。靶材与衬底间距在6-10cm之间时,MgO薄膜表现出无定性态,利用该条件溅射MgO势垒层的MTJ的TMR值为零。

参考文献:
[1]M. Julliere, Tunneling between ferromagnetic films, Physics Letters A 54 (1975) 225-226.
[2]S. Parkin, X. Jiang, C. Kaiser, A. Panchula, K. Roche, M. Samant, Magnetically engineered spintronic sensors and memory, Proceedings of the IEEE 91 (2003) 661-680.
[3]S. Maekawa, U. Gafvert, Electron tunneling between ferromagnetic films, Magnetics, IEEE Transactions on 18 (1982) 707-708.
[4]J. Nowak, J. Rauluszkiewicz, Spin dependent electron tunneling between ferromagnetic films, Journal of magnetism and magnetic materials 109 (1992) 79-90.
[5]T. Miyazaki, N. Tezuka, Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction, Journal of magnetism and magnetic materials 139 (1995) L231-L234.
[6]H.X. Wei, Q.H. Qin, M. Ma, R. Sharif, X.F. Han, 80% tunneling magnetoresistance at room temperature for thin Al-O barrier magnetic tunnel junction with CoFeB as free and reference layers, Journal of applied physics 101 (2007) 09B501-509B501-503.
[7]W.H. Butler, X.G. Zhang, T.C. Schulthess, J.M. MacLaren, Spin-dependent tunneling conductance of Fe| MgO| Fe sandwiches, Physical Review B 63 (2001) 054416.
[8]S. Yuasa, T. Nagahama, A. Fukushima, Y. Suzuki, K. Ando, Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunn

(责任编辑:小编)
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