CN113866691B - 隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法 - Google Patents
隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113866691B CN113866691B CN202111460490.XA CN202111460490A CN113866691B CN 113866691 B CN113866691 B CN 113866691B CN 202111460490 A CN202111460490 A CN 202111460490A CN 113866691 B CN113866691 B CN 113866691B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- tunneling
- ferromagnetic free
- free layer
- ferromagnetic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 title claims abstract description 102
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 7
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 93
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 71
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 claims abstract description 11
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 9
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 7
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 20
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 12
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 8
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- NDVLTYZPCACLMA-UHFFFAOYSA-N silver oxide Chemical compound [O-2].[Ag+].[Ag+] NDVLTYZPCACLMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 4
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 3
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 229910001923 silver oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical group [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910003439 heavy metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
- G01R33/09—Magnetoresistive devices
- G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/0052—Manufacturing aspects; Manufacturing of single devices, i.e. of semiconductor magnetic sensor chips
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
本发明涉及磁传感器领域，提供一种隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法。所述隧穿磁电阻传感器，自下而上依次包括下电极、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、隧穿绝缘层、铁磁自由层及上电极，还包括设置于所述上电极与所述铁磁自由层之间的氧化层；所述氧化层在被施加可控强度的电压的条件下，所述氧化层中的氧离子在电场作用下迁移至所述氧化层与所述铁磁自由层的界面处，改变所述铁磁自由层的磁各向异性，使得所述隧穿磁电阻传感器的隧道结动态范围发生变化。本发明利用可调控的电场驱动氧化层中的氧离子运动，从而改变铁磁自由层的磁各向异性，实现对隧穿磁电阻传感器的动态范围的调控，可满足不同应用环境下的需求。
Description
技术领域
本发明涉及磁传感器领域，具体地涉及一种隧穿磁电阻传感器、一种隧穿磁电阻传感器的制备方法以及一种隧穿磁电阻传感器的使用方法。
背景技术
磁传感器能够感知与磁现象有关的物理量的变化，并将其转变为电信号进行检测，从而直接或间接地探测磁场大小、方向、位移、角度、电流等物理信息。磁电阻(Magnetoresistance，简称MR)传感器具有偏移低、灵敏度高和温度性能好的优点，广泛应用于信息、电机、电力电子、能源管理、汽车、磁信息读写、工业自动控制及生物医学等领域。磁电阻传感器包括AMR(Anisotropy Magnetoresistance，各向异性磁阻)传感器、GMR(Giant Magnetoresistance，巨磁电阻)传感器以及TMR(Tunnel Magnetoresistance，隧穿磁电阻)传感器等类型。TMR（隧穿磁电阻）传感器具有磁场探测范围宽、探测灵敏度高、响应速度快等优点，应用于重要场景中。
由于隧穿磁电阻传感器的磁阻效应与磁性材料的磁化方向、磁各向异性场有关系，其灵敏度和线性测量范围受限于自由层磁各项异性场的大小，现有的隧穿磁电阻传感器的仅能够提供大约100奥斯特（Oe）的线性响应范围，难以满足实际需求。目前，亟需一种灵敏度高且能够实现测量范围调控的隧穿磁电阻传感器，以适应不同环境下的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵敏度高且测量范围可调控的隧穿磁电阻传感器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种隧穿磁电阻传感器，自下而上依次包括下电极、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、隧穿绝缘层、铁磁自由层及上电极，还包括设置于所述上电极与所述铁磁自由层之间的氧化层；所述氧化层的材料包括重金属及该重金属的氧化物；所述氧化层在被施加可控强度的电压的条件下，所述氧化层中的氧离子在电场作用下迁移至所述氧化层与所述铁磁自由层的界面处，使氧化层中重金属的氧化状态发生改变，从而改变所述铁磁自由层的界面磁各向异性，使得所述隧穿磁电阻传感器的隧道结动态范围发生变化。
进一步地，所述氧化层的材料为钽和氧化钽；或者锌和氧化锌；或者银和氧化银；或者铝和氧化铝；或者铜和氧化铜；或者钛和氧化钛。
进一步地，所述反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、隧穿绝缘层及铁磁自由层均为圆柱形状。
进一步地，所述氧化层被施加的电压的强度至少根据以下条件之一确定：氧化层和铁磁自由层的材料和晶格结构；氧化层与铁磁自由层之间的界面质量；隧穿磁电阻传感器的形状和尺寸。
本发明第二方面提供一种隧穿磁电阻传感器的制备方法，所述隧穿磁电阻传感器为本发明第一方面提供的隧穿磁电阻传感器，所述方法包括：
在基底上生长作为下电极的导电层；
在所述作为下电极的导电层上制作垂直磁各向异性隧道结；
在所述垂直磁各向异性隧道结上生长氧化层；
在所述氧化层上生长作为上电极的导电层，形成磁阻膜堆结构。
进一步地，所述在所述作为下电极的导电层上制作垂直磁各向异性隧道结，包括：在所述作为下电极的导电层上依次生长反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、隧穿绝缘层、铁磁自由层，形成垂直磁各向异性隧道结。
进一步地，所述在所述垂直磁各向异性隧道结上生长氧化层，包括：
采用掺氧的重金属材料，在所述铁磁自由层上生长形成含有该重金属材料的氧化物的氧化层。
进一步地，所述重金属材料采用Ta、Zn、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti中的任意一种。
进一步地，所述铁磁自由层的材料采用CoFeB、CoFe、NiFe、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的任意一种，或者所述铁磁自由层采用多层复合结构；所述铁磁被钉扎层的材料采用CoFeB、CoFe、NiFe、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的任意一种。
进一步地，所述方法还包括：
对所述磁阻膜堆结构进行微纳加工，采用光刻、蒸镀和剥离的工艺在所述磁阻膜堆结构制备所需的电路线图。
本发明还提供一种隧穿磁电阻传感器的使用方法，所述隧穿磁电阻传感器为上述的隧穿磁电阻传感器，所述方法包括：在所述隧穿磁电阻传感器的上电极和下电极施加电压；调节施加在所述上电极和所述下电极的电压强度，以调控所述隧穿磁电阻传感器的铁磁自由层的磁各向异性变化程度。
进一步地，所述调节施加在所述上电极和所述下电极的电压强度，包括：
至少根据以下条件之一确定施加在所述上电极和所述下电极的电压强度：所述隧穿磁电阻传感器的氧化层和铁磁自由层的材料及晶格结构；所述隧穿磁电阻传感器的氧化层与铁磁自由层之间的界面质量；所述隧穿磁电阻传感器的形状和尺寸。
本发明实施方式的隧穿磁电阻传感器，在上电极与铁磁自由层之间设计氧化层，利用可调控的电场驱动氧化层中的氧离子向铁磁自由层的界面处运动，使氧化层中重金属的氧化状态发生改变，从而改变铁磁自由层的界面磁各向异性，实现对隧穿磁电阻传感器的动态范围（测量范围）的调控，可满足不同应用环境下的需求。而且，本发明只需对隧穿磁电阻传感器的膜堆结构施加较小的垂直电压，即可实现对其动态范围的非易失性调控，不会对器件造成击穿。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是本发明实施方式提供的隧穿磁电阻传感器的结构示意图；
图2是本发明实施方式提供的隧穿磁电阻传感器在施加垂直方向电场条件下的磁矩变化示意图；
图3是本发明实施方式提供的隧穿磁电阻传感器在电场调控下的磁矩变化示意图；
图4是本发明实施方式提供的隧穿磁电阻传感器的制备方法的流程图。
附图标记说明
10-下电极， 20-反铁磁钉扎层，30-铁磁被钉扎层，40-隧穿绝缘层，
50-铁磁自由层，60-氧化层，70-上电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
基于隧穿磁电阻效应（Tunnel magnetoresistance，简称TMR）的磁隧道结（MTJ）中，铁磁薄层的磁化方向可以在外磁场的控制下被独立的切换，如果极化方向平行，电子隧穿过绝缘层的可能性会更大，宏观表现为电阻小；如果极化方向反平行，电子隧穿过绝缘层的可能性较小，宏观表现是电阻极大。磁隧道结可以在两种电阻状态（高阻态和低阻态）中快速切换，因此基于TMR效应的磁电阻传感器相较于GMR磁电阻传感器，具有灵敏度更高，线性度更好的优势。
本发明的隧穿磁电阻传感器由磁阻单元和导线连接电路组成，磁阻单元包括多个磁阻薄膜层。图1是本发明实施方式提供的隧穿磁电阻传感器的结构示意图。如图1所示，本实施方式提供一种隧穿磁电阻传感器，自下而上依次包括下电极10、反铁磁钉扎层20、铁磁被钉扎层30、隧穿绝缘层40、铁磁自由层50及上电极70，还包括设置于上电极70与铁磁自由层50之间的氧化层60。反铁磁钉扎层20、铁磁被钉扎层30、隧穿绝缘层40、铁磁自由层50及氧化层60即为组成磁阻单元的磁阻薄膜层。所述氧化层60在被施加可控强度的电压的条件下，氧化层60中的氧离子在电场作用下迁移至氧化层60与铁磁自由层50的界面处，改变铁磁自由层50的磁各向异性，从而使得隧穿磁电阻传感器的隧道结动态范围发生变化。
所述氧化层60的材料为重金属及该重金属的氧化物，例如钽和氧化钽；锌和氧化锌；银和氧化银；铝和氧化铝；铜和氧化铜；钛和氧化钛等。在施加电压条件下，金属氧化物中的氧离子在电场作用下运动，当氧离子运动至氧化层60与铁磁自由层50的界面时，会使氧化层中重金属的氧化状态发生改变，从而改变铁磁自由层50的界面磁各向异性，进而改变隧穿磁电阻传感器的动态范围（即测量范围）。
如图1所示，铁磁被钉扎层30和铁磁自由层50内箭头所指的方向表示磁矩方向。通过真空镀膜设备制备的隧穿磁电阻膜堆结构具有垂直磁各项异性，在未施加电压时，铁磁被钉扎层30和铁磁自由层50的磁矩方向均朝向面外。“面外”是指磁阻薄膜层所在的平面之外，与磁阻薄膜层所在的平面呈一定角度的方向为“面外方向”；“面内”是指磁阻薄膜层所在的平面，与磁阻薄膜层所在的平面平行的方向为“面内方向”。图1中铁磁被钉扎层30和铁磁自由层50的磁矩方向为垂直的“面外方向”，此时隧穿磁电阻传感器的量程范围最小。
图2是本发明实施方式提供的隧穿磁电阻传感器在施加电场条件下的磁矩变化示意图。如图2所示，对隧穿磁电阻传感器施加垂直方向的电压条件下，氧化层60的氧离子在电场作用下运动至氧化层60与铁磁自由层50的界面处，使铁磁自由层50的磁矩方向发生改变，磁矩方向由“面外”转向“面内”，由磁矩朝向面外的最小量程范围转变为磁矩朝向面内的最大量程范围，此时隧穿磁电阻传感器的线性度最大。在此过程中，对氧化层60施加较小的电压就能实现对铁磁自由层50的磁矩的非易失性调控，施加的电压不会对铁磁被钉扎层30的磁矩造成影响，只是单独对铁磁自由层50的磁矩进行改变。而且，只需对隧穿磁电阻传感器的膜堆结构施加较小的垂直电压，即可实现对其动态范围的调控，且不会造成对器件的击穿，可延长其使用寿命。
本发明利用隧穿磁电阻中铁磁自由层的磁各向异性场可受电场调控的原理，通过在上电极和下电极施加电场控制磁阻效应的大小和饱和磁场，进而实现对磁阻传感器线性检测范围的调控，实现利用电场对磁阻材料内部磁化方向的调节，与压电调控、材料相变调控等方法相比，本发明的调控方式具有效率高、体积小、能耗低、易于集成的优点。
本发明实施方式中，可以根据一个或多个条件来确定和调控施加到氧化层的电压的强度。这些条件例如：氧化层和铁磁自由层的材料及晶格结构、氧化层与铁磁自由层之间的界面质量、隧穿磁电阻传感器的形状和尺寸等。通过对施加电压的控制，实现对铁磁自由层的磁各向异性变化程度的调控，进而实现对隧穿磁电阻传感器的量程范围的准确调控。图3是本发明实施方式提供的隧穿磁电阻传感器在电场调控下的磁矩变化示意图。如图3所示，对施加到氧化层的电压强度进行调控，铁磁自由层的磁矩方向会随之变化，铁磁自由层的易轴方向与“面内”方向倾斜，此时隧穿磁电阻传感器的量程范围介于最小量程范围与最大量程范围之间。
优选实施方式中，反铁磁钉扎层20、铁磁被钉扎层30、隧穿绝缘层40、铁磁自由层50均为圆柱形状。由于各个磁阻薄膜层存在形状磁各项异性，磁物质的某些性质随着形状的改变而有所变化，不同的形状会呈现出差异的性质，磁矩方向更容易朝向长轴方向，即当磁阻薄膜层为长方形状时，磁矩会朝向长边。本发明的各个磁阻薄膜层设计为圆柱形状，其磁矩可以朝向任意方向，不受形状磁各项异性的影响，对施加到氧化层60的电压强度进行调控，铁磁自由层50的磁矩方向可以朝向任意方向。
本发明实施方式的隧穿磁电阻传感器，在上电极与铁磁自由层之间设计氧化层，利用可调控的电场驱动氧化层中的氧离子运动，从而改变铁磁自由层的磁各向异性，实现对隧穿磁电阻传感器的动态范围（测量范围）的调控，可满足不同应用环境下的需求。而且，本发明只需对隧穿磁电阻传感器的膜堆结构施加较小的垂直电压，即可实现对其动态范围的非易失性调控，不会对器件造成击穿。
图4是本发明实施方式提供的隧穿磁电阻传感器的制备方法的流程图。如图4所示，本发明实施方式提供一种隧穿磁电阻传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S10、在基底上生长作为下电极的导电层。
首先对基底进行清洗，使用丙酮去除基底表面的有机物，使用乙醇去离子水去除丙酮之后，对基底进行加热，去除乙醇去离子水。然后在基底上沉积生长Ta层和CuN层，形成Ta层与CuN层交替的导电层。优选的，Ta层的厚度为5-10nm，CuN层的厚度为10nm。
S11、在作为下电极的导电层上制作垂直磁各向异性隧道结。
将步骤S10形成的结构置于磁控溅射腔体中，根据所需的磁阻薄膜结构进行层层生长，形成堆积层。
具体的，在作为下电极的导电层上依次生长反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、隧穿绝缘层、铁磁自由层，通过调节反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的厚度得到相应的垂直磁各向异性隧道结结构（P-MTJ）。其中，铁磁自由层的材料可采用CoFeB、CoFe、NiFe、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的任意一种，或者铁磁自由层采用多层复合结构。铁磁被钉扎层的材料可采用CoFeB、CoFe、NiFe、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的任意一种。
S12、在所述垂直磁各向异性隧道结上生长氧化层。
采用掺氧的重金属材料，在铁磁自由层上生长形成含有该重金属氧化物的氧化层。所述重金属材料可采用Ta、Zn、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti中的任意一种。
S13、在所述氧化层上生长作为上电极的导电层，形成磁阻膜堆结构。
在铁磁自由层上沉积生长Ta层，在Ta层上覆盖Ru层。在上电极的导电层覆盖Ru层，由于Ru的致密特性，可以保护磁阻膜堆结构，而且被外界空气氧化的Ru层，仍具备导电特性。
所述隧穿磁电阻传感器的制备方法，还包括以下步骤：
对所述磁阻膜堆结构进行微纳加工，采用光刻、蒸镀和剥离的工艺在所述磁阻膜堆结构制备所需的电路线图。具体的，根据设定的结构对磁阻膜堆结构进行光刻工艺，得到所需的器件结构，将器件置于电子束蒸发腔体中蒸镀电极，可使用金、铜等作为蒸镀电极材料。后续，将器件多余的电极剥离，即得到相应的动态范围可调控的隧穿磁电阻传感器器件。
本发明的隧穿磁电阻传感器的制备方法，采用单一膜堆形成垂直磁各向异性隧道结（P-MTJ），采用掺氧的金属材料生长形成氧化层，集成工艺简单，成本低。
本发明实施方式还提供一种隧穿磁电阻传感器的使用方法，应用于上述的隧穿磁电阻传感器，所述方法包括：在隧穿磁电阻传感器的上电极和下电极施加电压，即直接在磁阻膜堆结构的上电极和下电极施加电压。通过在上电极和下电极施加电压，为氧化层提供电压，氧化层中的氧离子在电场作用下迁移至氧化层与铁磁自由层的界面处，从而改变铁磁自由层的磁各向异性，使铁磁自由层的磁矩方向发生改变，使得隧穿磁电阻传感器的隧道结动态范围发生变化，即改变隧穿磁电阻传感器的量程范围。在使用过程中，可以调节施加在上电极和下电极的电压强度，以调控铁磁自由层的磁各向异性变化程度。具体的，可以根据一个或多个条件来确定和调控施加到氧化层的电压的强度，这些条件例如：氧化层和铁磁自由层的材料及晶格结构、氧化层与铁磁自由层之间的界面质量、隧穿磁电阻传感器的形状和尺寸等。通过对施加电压的控制，实现对铁磁自由层的磁各向异性的调控，进而实现对隧穿磁电阻传感器的量程范围的准确调控。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
Claims (7)
1.一种隧穿磁电阻传感器，自下而上依次包括下电极、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、隧穿绝缘层、铁磁自由层及上电极，其特征在于，还包括设置于所述上电极与所述铁磁自由层之间的氧化层；
所述氧化层的材料包括金属及该金属的氧化物，所述氧化层中的金属为Ta、Zn、Ag、Cu、Pt、W、Ti中的任意一种；
所述氧化层在被施加可控强度的电压的条件下，所述氧化层中的氧离子在电场作用下迁移至所述氧化层与所述铁磁自由层的界面处，使氧化层中金属的氧化状态发生改变，从而改变所述铁磁自由层的界面磁各向异性，使得所述隧穿磁电阻传感器的隧道结动态范围发生变化；
所述反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、隧穿绝缘层及铁磁自由层均为圆柱形状。
2.根据权利要求1所述的隧穿磁电阻传感器，其特征在于，所述氧化层被施加的电压的强度至少根据以下条件之一确定：
氧化层和铁磁自由层的材料和晶格结构；
氧化层与铁磁自由层之间的界面质量；
隧穿磁电阻传感器的形状和尺寸。
3.一种隧穿磁电阻传感器的制备方法，所述隧穿磁电阻传感器为权利要求1所述的隧穿磁电阻传感器，其特征在于，所述方法包括：
在基底上生长作为下电极的导电层；
在所述作为下电极的导电层上制作垂直磁各向异性隧道结；
在所述垂直磁各向异性隧道结上生长氧化层；
在所述氧化层上生长作为上电极的导电层，形成磁阻膜堆结构；
所述在所述作为下电极的导电层上制作垂直磁各向异性隧道结，包括：
在所述作为下电极的导电层上依次生长反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、隧穿绝缘层、铁磁自由层，形成垂直磁各向异性隧道结；
所述在所述垂直磁各向异性隧道结上生长氧化层，包括：
采用掺氧的金属材料，在所述铁磁自由层上生长形成含有该金属材料的氧化物的氧化层。
4.根据权利要求3所述的隧穿磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述铁磁自由层的材料采用CoFeB、CoFe、NiFe、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的任意一种，或者所述铁磁自由层采用多层复合结构；
所述铁磁被钉扎层的材料采用CoFeB、CoFe、NiFe、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的任意一种。
5.根据权利要求3所述的隧穿磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述磁阻膜堆结构进行微纳加工，采用光刻、蒸镀和剥离的工艺在所述磁阻膜堆结构制备所需的电路线图。
6.一种隧穿磁电阻传感器的使用方法，所述隧穿磁电阻传感器为权利要求1所述的隧穿磁电阻传感器，其特征在于，所述方法包括：
在所述隧穿磁电阻传感器的上电极和下电极施加电压；
调节施加在所述上电极和所述下电极的电压强度，以调控所述隧穿磁电阻传感器的铁磁自由层的磁各向异性变化程度。
7.根据权利要求6所述的隧穿磁电阻传感器的使用方法，其特征在于，所述调节施加在所述上电极和所述下电极的电压强度，包括：
至少根据以下条件之一确定施加在所述上电极和所述下电极的电压强度：
所述隧穿磁电阻传感器的氧化层和铁磁自由层的材料及晶格结构；
所述隧穿磁电阻传感器的氧化层与铁磁自由层之间的界面质量；
所述隧穿磁电阻传感器的形状和尺寸。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111460490.XA CN113866691B (zh) | 2021-12-02 | 2021-12-02 | 隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111460490.XA CN113866691B (zh) | 2021-12-02 | 2021-12-02 | 隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113866691A CN113866691A (zh) | 2021-12-31 |
| CN113866691B true CN113866691B (zh) | 2022-09-23 |
Family
ID=78985599
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111460490.XA Active CN113866691B (zh) | 2021-12-02 | 2021-12-02 | 隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113866691B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004079936A (ja) * | 2002-08-22 | 2004-03-11 | Fujitsu Ltd | 強磁性トンネル接合を有する積層膜、その製造方法、磁気センサ、磁気記録装置、及び、磁気メモリ装置 |
| CN105954692A (zh) * | 2016-04-26 | 2016-09-21 | 中国科学院物理研究所 | 具有改善的灵敏度和线性度的磁传感器 |
| CN207925523U (zh) * | 2017-12-08 | 2018-09-28 | 北京航空航天大学青岛研究院 | 存储器件及电子设备 |
| CN110927637A (zh) * | 2019-11-30 | 2020-03-27 | 北京航空航天大学青岛研究院 | 一种三轴mtj磁场传感器及其制备方法 |
| US11005034B1 (en) * | 2019-11-22 | 2021-05-11 | Western Digital Technologies, Inc. | Magnetoresistive memory device including a high dielectric constant capping layer and methods of making the same |
Family Cites Families (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006139886A (ja) * | 2004-11-15 | 2006-06-01 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv | 磁気抵抗効果型磁気ヘッド及びその製造方法 |
| JP5003109B2 (ja) * | 2006-11-14 | 2012-08-15 | 富士通株式会社 | 強磁性トンネル接合素子、その製造方法、及びそれを用いた磁気ヘッド、磁気メモリ |
| US7750421B2 (en) * | 2007-07-23 | 2010-07-06 | Magic Technologies, Inc. | High performance MTJ element for STT-RAM and method for making the same |
| JP5734657B2 (ja) * | 2008-09-12 | 2015-06-17 | 日立金属株式会社 | セルフピン型スピンバルブ磁気抵抗効果膜とそれを用いた磁気センサおよび回転角度検出装置 |
| US8987006B2 (en) * | 2011-04-22 | 2015-03-24 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method and system for providing a magnetic junction having an engineered barrier layer |
| US9368176B2 (en) * | 2012-04-20 | 2016-06-14 | Alexander Mikhailovich Shukh | Scalable magnetoresistive element |
| CN102721427B (zh) * | 2012-06-20 | 2015-05-20 | 宁波希磁电子科技有限公司 | 一种薄膜磁阻传感器元件及薄膜磁阻电桥 |
| WO2014025914A1 (en) * | 2012-08-07 | 2014-02-13 | The Regents Of The University Of California | Magnetoresistance sensor with perpendicular anisotropy |
| US20160202330A1 (en) * | 2013-09-09 | 2016-07-14 | Hitachi, Ltd. | Magnetic sensor element |
| US10263179B2 (en) * | 2017-07-18 | 2019-04-16 | Nxp B.V. | Method of forming tunnel magnetoresistance (TMR) elements and TMR sensor element |
| CN108336223B (zh) * | 2017-12-08 | 2024-03-22 | 北京航空航天大学青岛研究院 | 存储器件、存储器件的制备方法及电子设备 |
| CN109037434B (zh) * | 2018-07-06 | 2020-07-28 | 西安交通大学 | 基于人工反铁磁自由层的隧道结器件及磁性随机存储装置 |
| CN109545956A (zh) * | 2018-11-05 | 2019-03-29 | 电子科技大学 | 一种电压可调控的各向异性磁阻传感器及其制备方法 |
| CN110109039B (zh) * | 2019-05-16 | 2021-07-23 | 中国科学院微电子研究所 | 隧穿磁电阻传感器的调控方法及*** |
| CN110176534A (zh) * | 2019-06-03 | 2019-08-27 | 西安交通大学 | 测量范围可调的隧道结磁电阻传感器及其制备方法 |
| CN110212085B (zh) * | 2019-06-03 | 2020-11-10 | 西安交通大学 | 测量范围可调的巨磁电阻传感器及其制备方法 |
| CN210379112U (zh) * | 2019-06-28 | 2020-04-21 | 厦门大学 | 一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构 |
| CN110931633B (zh) * | 2019-11-15 | 2021-08-27 | 北京航空航天大学 | 磁隧道结存储单元及存储器 |
| CN111341907B (zh) * | 2020-02-27 | 2022-03-15 | 北京航空航天大学 | 磁隧道结、存储单元以及磁随机存储器 |
| CN111505544B (zh) * | 2020-04-22 | 2021-07-13 | 西安交通大学 | 一种可重构敏感方向的tmr磁场传感器及制备方法 |
| CN113314166B (zh) * | 2021-05-14 | 2023-12-12 | 致真存储(北京)科技有限公司 | 控制钉扎层畴结构在巨/隧穿磁电阻结构实现多态存储的方法及多态存储器 |
-
2021
- 2021-12-02 CN CN202111460490.XA patent/CN113866691B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004079936A (ja) * | 2002-08-22 | 2004-03-11 | Fujitsu Ltd | 強磁性トンネル接合を有する積層膜、その製造方法、磁気センサ、磁気記録装置、及び、磁気メモリ装置 |
| CN105954692A (zh) * | 2016-04-26 | 2016-09-21 | 中国科学院物理研究所 | 具有改善的灵敏度和线性度的磁传感器 |
| CN207925523U (zh) * | 2017-12-08 | 2018-09-28 | 北京航空航天大学青岛研究院 | 存储器件及电子设备 |
| US11005034B1 (en) * | 2019-11-22 | 2021-05-11 | Western Digital Technologies, Inc. | Magnetoresistive memory device including a high dielectric constant capping layer and methods of making the same |
| CN110927637A (zh) * | 2019-11-30 | 2020-03-27 | 北京航空航天大学青岛研究院 | 一种三轴mtj磁场传感器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A Mems Pressure Sensor Based on Double- Ended Tuning Fork Resonator with on-Chip Thermal Compensation;Dongxiang Han 等;《2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII)》;20191231;全文 * |
| Optimized Differential Self-Inductance Displacement Sensor for Magnetic Bearings: Design, Analysis and Experiment;Kun Wang 等;《IEEE Sensors Journal》;20171231;全文 * |
| 利用金属掩模法制备钉扎型磁性隧道结;由臣等;《物理学报》;20040812(第08期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113866691A (zh) | 2021-12-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6105817B2 (ja) | 温度センサのためのナノ磁性多層膜とその製造方法 | |
| EP3092505B1 (en) | Magnetoresistance element with an improved seed layer to promote an improved response to magnetic fields | |
| EP2696209B1 (en) | Single-chip push-pull bridge-type magnetic field sensor | |
| CN100505360C (zh) | 一种具有线性磁电阻效应的磁性多层膜及其用途 | |
| EP1105743B1 (en) | Method for manufacturing a magnetic sensor device | |
| KR101904024B1 (ko) | 자왜 층 시스템 | |
| CN110212085B (zh) | 测量范围可调的巨磁电阻传感器及其制备方法 | |
| JP2002514770A (ja) | 磁気多重層センサ及びこれを用いたホィートストンブリッジ | |
| CN110176534A (zh) | 测量范围可调的隧道结磁电阻传感器及其制备方法 | |
| US11467232B2 (en) | Magnetoresistive sensor and fabrication method for a magnetoresistive sensor | |
| CN109545956A (zh) | 一种电压可调控的各向异性磁阻传感器及其制备方法 | |
| JP2003525528A (ja) | 磁場を測定する装置および磁場を測定する装置を作製する方法 | |
| CN114937736A (zh) | 一种宽量程tmr传感器隧道结及传感器 | |
| US8164331B2 (en) | Magnetic field measurement method and magnetic sensor | |
| CN113866691B (zh) | 隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法 | |
| CN103383441A (zh) | 一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术 | |
| CN102623018A (zh) | 一种基于垂直磁化自由层的磁性多层膜及磁性传感器 | |
| US11385305B2 (en) | Magnetic sensor array with dual TMR film | |
| CN1356559A (zh) | 一种使用磁隧道结磁电阻材料的三维微弱磁场检测器件 | |
| JP3930362B2 (ja) | 磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜 | |
| CN113866690B (zh) | 三轴隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法 | |
| CN113316725A (zh) | 具有加以激光退火的单个tmr膜的磁性传感器阵列及其表征 | |
| CN101692480A (zh) | 一种提高Co/Cu/NiFe/FeMn自旋阀结构多层膜结构中偏置场稳定性的方法 | |
| CN101692375A (zh) | 一种提高CoFe/AlOx/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜结构中偏置场稳定性的方法 | |
| CN2556792Y (zh) | 隧道效应磁电阻器件 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |