一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件

摘要

本发明公开了一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件，该磁隧道结元件包括一基片和在基片上设置的一缓冲层、一引导层、一由两不同铁磁材料形成的复合铁磁层作为自由层、一绝缘层、一由两不同铁磁材料形成的复合铁磁层作为钉扎层、一反铁磁层、一保护层。通过调节复合铁磁层中的薄铁磁层的厚度可以连续可调复合铁磁层的自旋极化率，从而可以调控该元件的隧道磁电阻值；通过调节作为自由层的复合铁磁层中薄铁磁层的厚度可以连续可调该自由层的矫顽力，从而可以调节该元件的开关场大小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于磁存储器件如磁性随机存储器或其他磁传感器件的磁隧道结元件。

背景技术

磁隧道结具有较大的磁致电阻变化，是磁存储器件、磁传感器件等的重要元件，已获得广泛的应用。图1为公知的磁隧道结(MTJ)的结构，其各层依次为：基片11、缓冲层12、反铁磁层13、(钉扎)铁磁层14、(自由)铁磁层16、夹在两铁磁层之间的薄绝缘层15、及保护层17。该元件的绝缘层两侧的铁磁层在外磁场或读写电流线产生的磁场的驱动下可以平行或反平行排列，从而表现为元件的低或高电阻态，其相应的隧道磁电阻值(TMR)则定义为此高低电阻之差与两铁磁层平行排列时的电阻之比。隧道磁电阻值大小与铁磁层的自旋极化率(P)的大小有关，可以用公式TMR＝2P₁P₂/(1-P₁P₂)来表示，其中P₁、P₂为绝缘层两侧的铁磁电极层的自旋极化率。通常，MTJ元件的铁磁层的材料为Co，Ni_XFe_100-X，Co_YFe_100-Y等铁磁单质金属或合金，其中以CoFe合金的自旋极化率为最大(大约50％)，但是几乎与成分Y无关，文献[D.J.Monsma andS.S.P.Parkin，Appl.Phys.Lett.77，883(2000)；77，720(2000)]揭露了CoFe合金的自旋极化率在较大的成分范围内基本保持不变即与其组分Y无关。由上述可见，对于采用磁隧道结为敏感元件的磁存储器件或其他磁传感器件来说，如何能调控铁磁电极的自旋极化率，进而得到隧道磁电阻值可调控的磁隧道结元件将大大方便相关器件的设计和应用。

另外，在磁隧道结中自由铁磁层的矫顽力(H_C)大小决定了以该磁隧道结为磁电子器件的高低电阻态之间转变的开关场的大小，采用外磁场或采用读写电流线的电流产生的磁场可以实现对器件高低电阻态之间转变，而如何能调控开关场的大小亦是此类传感器件设计的关键，也是待解决的难点之一。如果能简单地实现对此自由铁磁层的矫顽力的调节，进而就可以实现对该元件开关场的调控，这将大大方便相关器件的设计和应用。

发明内容

为了解决上述铁磁电极自旋极化率及自由铁磁层的矫顽力能够连续可调的问题，本发明的目的是提供一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件。

为了实现上述目的，本发明提供的一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件包括一基片和在基片上设置的一缓冲层、一反铁磁层、一绝缘层、及一保护层，还包括：

一引导层，设在所述缓冲层上，所述引导层具有(111)织构；

一复合铁磁层，作为钉扎层设置于所述反铁磁层上；及

一复合铁磁层，作为自由层设置于所述绝缘层之上。

进一步地，所述的基片的材料选自硅或玻璃的一种。

进一步地，所述的缓冲层的材料选自Ta或(Ni_XFe_100-X)_YCr_100-Y，其中77＜X＜83，50＜Y＜70。

进一步地，所述的引导层的材料选自Cu或Cu/Ni_XFe_100-X双层膜，其中77＜X＜83。

进一步地，所述的反铁磁层的组成元素为Mn和X，所述的元素X选自Fe、Ir、Ni、Pt、Pd中的至少一种。

进一步地，所述的绝缘层的材料选自Al₂O₃，或至少包含Al、Hf、Ti、Zr、Si其中之一的元素的氧化物或氮化物，其厚度为0.5至3nm之间。

进一步地，所述的复合铁磁层的材料选自两种不同铁磁材料组成的双层膜FM₁/FM₂，其中铁磁材料FM₁或FM₂选自Co，Ni_XFe_100-X，或Co_YFe_100-Y的一种但不相同，77＜X＜83，10＜Y＜90。

进一步地，所述的复合铁磁层中的FM₁的厚度为2.5至10nm；FM₂层的厚度为0至4nm之间，并且紧邻绝缘层。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明制备的磁隧道结元件，通过调节复合铁磁层中邻近绝缘层一侧的薄铁磁层的厚度可以连续可调复合铁磁层的自旋极化率，从而可以调控该元件的隧道磁电阻值；通过调节作为自由层的复合铁磁层中邻近绝缘层一侧的薄铁磁层的厚度可以连续可调该自由层的矫顽力，从而可以调节该元件的开关场大小。

附图说明

图1为公知的磁隧道结元件的结构；

图2为本发明的磁隧道结元件的结构；

图3为本发明实施例一的磁隧道结样品的TMR值与CoFe铁磁插层厚度的关系；

图4为本发明实施例三的磁隧道结样品的自由矫顽力H_C与CoFe铁磁插层厚度的关系。

具体实施方式

如图2所示，本发明的磁隧道结元件结构其各层依次为：基片11、缓冲层12、引导层120、反铁磁层13、(钉扎)复合铁磁层140、绝缘层15、(自由)复合铁磁层160及保护层17。

实施例一：磁隧道结Si/Ta(5)/NiFe(20)/Cu(6)/FeMn(12)/NiFe(8)/CoFe(0-4)/Al₂O₃(1.7)/NiFe(13)/Cu(50)/Ta(5)，其中括号内的数值为各膜层的厚度，其单位为纳米，上述NiFe为Ni₈₁Fe₁₉，FeMn为Fe₅₀Mn₅₀，CoFe为Co₅₀Fe₅₀。各膜层从Si衬底开始依次沉积缓冲层Ta，引导层NiFe/Cu，反铁磁层FeMn，复合电极层NiFe/CoFe作为钉扎层，自由层为NiFe(此处可以看作复合铁磁层的特例，即另一层的厚度为0)，保护层Cu/Ta。如图3所示，随着CoFe厚度从0开始增加，复合铁磁层的自旋极化率开始单调增加，TMR值也随之单调增加，从17％增加到饱和值26％，由此实现了铁磁电极自旋极化率的连续可调，从而使得该元件的隧道磁电阻值连续可调。

实施例二：磁隧道结Si/Ta(5)/NiFe(20)/Cu(6)/FeMn(12)/NiFe(8)/Co(0-4)/Al₂O₃(1.7)/NiFe(13)/Cu(50)/Ta(5)，其中括号内的数值为各膜层的厚度，其单位为纳米，上述NiFe为Ni₈₁Fe₁₉，FeMn为Fe₅₀Mn₅₀。各膜层从Si衬底开始依次沉积缓冲层Ta，引导层NiFe/Cu，反铁磁层FeMn，复合电极层NiFe/Co作为钉扎层，自由层为NiFe，保护层Cu/Ta。随着Co厚度从0开始增加，复合铁磁层的自旋极化率开始单调增加，TMR值也随之单调增加，从17％增加到饱和值24％，由此实现了铁磁电极自旋极化率的连续可调，从而使得该元件的隧道磁电阻值连续可调。

实施例三：磁隧道结Si/Ta(5)/NiFe(20)/Cu(6)/FeMn(12)/NiFe(8)/CoFe(2.5)/Al₂O₃(1.7)/CoFe(0-4)/NiFe(13)/Cu(50)/Ta(5)，其中括号内的数值为各膜层的厚度，其单位为纳米，上述NiFe为Ni₈₁Fe₁₉，FeMn为Fe₅₀Mn₅₀，CoFe为Co₅₀Fe₅₀。各膜层从Si衬底开始依次沉积缓冲层Ta，引导层NiFe/Cu，反铁磁层FeMn，复合电极层NiFe/CoFe作为钉扎层，复合电极层CoFe/NiFe作为自由层，保护层Cu/Ta。如图4所示，随着自由层中的CoFe厚度从0开始增加，作为自由层的复合铁磁层的矫顽力开始单调增加，由此实现了自由铁磁电极层的矫顽力的连续可调，进而就可以实现对该元件的开关场的调控。