CN213816191U - 一种隧道磁电阻及隧道磁器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种隧道磁电阻及隧道磁器件。隧道磁电阻包括：钉扎层；与所述钉扎层相对设置的自由层，所述自由层为超顺磁层，所述自由层的厚度小于或等于临界厚度；位于所述钉扎层和所述自由层之间的隧穿势垒层；位于所述自由层背向所述隧穿势垒层一侧的底层导电结构。隧道磁电阻中的自由层选用厚度小于或等于临界厚度的超顺磁层，在磁化过程中，组成超顺磁的单畴颗粒的磁矩能够沿同一方向取向而达到磁饱和，磁化率较高，因此，本实用新型提供的隧道磁电阻具有大的饱和场和大的线性度。
Description
技术领域
本实用新型涉及磁传感器技术领域，具体涉及一种隧道磁电阻及隧道磁器件。
背景技术
磁传感技术被广泛应用于新能源、智能交通、工业控制、智能家电及智能网络等领域。目前正在被广泛推广的为TMR(Tunneling Magneto Resistance)技术，即隧道磁电阻。
隧道磁电阻效应产生的机理是自旋相关的隧穿效应，其核心在MTJ (MagneticTunnel Junction)器件，也即是磁性隧道结器件。磁性隧道结包括磁化取向固定的钉扎层、磁化取向可通过磁场电流改变的自由层、以及位于所述钉扎层和所述自由层之间的隧穿势垒层，在磁性隧道结的自由层和钉扎层各连接有一个电极。MTJ器件具有隧道磁电阻效应，当自由层受磁场或电流作用磁化取向方向和钉扎层的磁化取向同向平行时，隧道磁电阻呈现低电阻态；当自由层受磁场或电流作用磁化取向方向和钉扎层的磁化趋向反向平行时，隧道磁电阻呈现高电阻态。
但是目前隧道磁电阻相应地饱和场相对较小，饱和场绝对值一般小于 200Gs，且在饱和场内线性度相对较差。进而对于一些开环设计或者对于饱和场要求较大的传感器应用中受到限制。
实用新型内容
因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中隧道磁电阻饱和场小、线性度差的问题。从而提供一种隧道磁电阻及隧道磁器件。
本实用新型提供一种隧道磁电阻，包括：钉扎层；与所述钉扎层相对设置的自由层，所述自由层为超顺磁层，所述自由层的厚度小于或等于临界厚度；位于所述钉扎层和所述自由层之间的隧穿势垒层。
可选的，所述自由层包括CoFe40B20自由层或CoFe60B20自由层。
可选的，所述自由层的厚度为1.0nm～1.4nm。
可选的，还包括：相对设置的顶层导电结构和底层导电结构，所述钉扎层、自由层和隧穿势垒层均位于所述顶层导电结构和底层导电结构之间，所述钉扎层位于所述顶层导电结构和所述隧穿势垒层之间。
可选的，所述底层导电结构包括底层导电本体和界面层，所述界面层位于所述底层导电本体和所述自由层之间。
可选的，所述界面层包括Ta界面层或Ru界面层。
可选的，所述钉扎层包括：第一子钉扎膜、第二子钉扎膜、第三子钉扎膜和第四子钉扎膜，第一子钉扎膜、第二子钉扎膜、第三子钉扎膜和第四子钉扎膜在自所述自由层隧穿势垒层至所述隧穿势垒层自由层的方向上依次层叠；所述第一子钉扎膜包括CoFe40B20子钉扎膜；所述第二子钉扎膜包括Ru子钉扎膜；所述第三子钉扎膜包括CoFe30子钉扎膜；所述第四子钉扎膜包括PtMn62子钉扎膜。
可选的，所述第一子钉扎膜的厚度为1.4nm～3nm；所述第二子钉扎膜的厚度为0.7nm～1.0nm；所述第三子钉扎膜的厚度为1.5nm～2nm；所述第四子钉扎膜的厚度为15nm～20nm。
本实用新型还提供一种隧道磁器件，包括本实用新型的隧道磁电阻。
可选的，所述隧道磁电阻的数量为若干个，且各隧道磁电阻之间串联连接。
本实用新型技术方案具有以下有益效果：
1.本实用新型技术方案提供的隧道磁电阻，隧道磁电阻中的自由层选用厚度小于或等于临界厚度的超顺磁层，在磁化过程中，组成超顺磁的单畴颗粒的磁矩能够沿同一方向取向而达到磁饱和，磁化率较高，因此，本实用新型提供的隧道磁电阻具有大的饱和场和大的线性度。自由层位于所述底层导电结构和隧穿势垒层之间，因为在形成自由层之前膜层结构较少，底层导电结构较为平整，因此在形成自由层的时候，不容易受前层膜层的影响，从而容易获得连续、均匀的自由层膜层，使工艺更加容易稳定的控制。
2.进一步，所述底层导电结构包括底层导电本体和界面层，所述界面层位于所述底层导电本体和所述自由层之间；所述界面层包括Ta界面层或 Ru界面层。界面层有效防止自由层往底层导电本体扩散，确保了自由层的热稳定性。
3.本实用新型技术方案提供一种隧道磁器件，把若干个隧道磁电阻串联连接形成隧道磁器件，可应用于对饱和场要求较大的传感器领域。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1至图7为本实用新型一种隧道磁电阻形成过程的结构示意图；
图8为本实用新型一实施例提供的退火磁化处理的一种条件；
图9为现有技术隧道磁电阻的TMR输出曲线；
图10为本实用新型一实施例提供的隧道磁电阻的TMR输出曲线；
图11为本实用新型一实施例提供的隧道磁器件的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例提供一种隧道磁电阻的制造方法，包括如下步骤：形成钉扎层；形成自由层，所述自由层的厚度小于或等于临界厚度；在形成所述钉扎层的步骤和形成所述自由层的步骤之间，形成隧穿势垒层；对所述自由层进行退火，使得所述自由层成为超顺磁层。
图1至图7为本实用新型一实施例提供的隧道磁电阻形成过程的结构示意图。
请参考图1，提供基板1a。
所述基板1a可以是硅基板或者玻璃基板。
请参考图2，在基板1a一侧的表面上形成底层导电结构2a。
形成底层导电结构2a的步骤包括：在基板1a的一表面上形成底层导电本体201a；在底层导电本体201a背向基板1a一侧的表面上形成界面层 202a。
界面层202a包括Ta界面层或Ru界面层。
界面层在后续的退火磁化处理中有效防止自由层5a往底层导电本体 201a扩散，确保了自由层5a的热稳定性。
请参考图3，在界面层202a背向底层导电本体201a一侧的表面上形成自由层5a。
本实施例中的自由层5a是单层结构。
在一个实施例中，自由层5a包括CoFe40B20自由层，在其他实施方式中，自由层5a还可以是CoFe60B20自由层。
自由层5a的厚度小于或等于临界厚度。自由层5a的厚度为 1.0nm～1.4nm，例如可以是1.0nm、1.2nm、1.3nm或者1.4nm。
形成所述自由层5a的工艺包括磁控溅射工艺，采用专用的磁控溅射设备，镀膜精度在0.01nm以内，确保自由层5达成需要的膜厚和精度。
请参考图4，在自由层5a背向界面层202a一侧的表面上形成隧穿势垒层4a。
隧穿势垒层4a包括MgO隧穿势垒层。
隧穿势垒层4a的厚度为0.5nm～1.5nm，例如，可以是0.5nm、1nm、1.2nm 或者1.5nm，隧穿势垒层4a的厚度可以根据隧道磁电阻的实际电阻需求调整。
请参考图5，在隧穿势垒层4a背向自由层5a一侧的表面上形成钉扎层 3a。
在本实施例中，形成钉扎层3a的步骤包括：在隧穿势垒层4a背向自由层5a一侧的表面上形成第一子钉扎膜301a；在第一子钉扎膜301a背向隧穿势垒层4a一侧的表面上形成第二子钉扎膜302a；在第二子钉扎膜302a 背向第一子钉扎膜301a一侧的表面上形成第三子钉扎膜303a；在第三子钉扎膜303a背向第二子钉扎膜302a一侧的表面上形成第四子钉扎膜304a。
在一个实施例中，第一子钉扎膜301a包括CoFe40B20子钉扎膜，第一子钉扎膜301a的厚度为1.4nm～3nm，例如，可以是1.4nm、1.8nm、2nm、2.5nm 或者3nm。
在一个实施例中，第二子钉扎膜302a包括Ru子钉扎膜，第二子钉扎膜302a的厚度为0.7nm～1.0nm,例如，可以是0.7nm、0.85nm或者1nm。
在一个实施例中，第三子钉扎膜303a包括CoFe30子钉扎膜，第三子钉扎膜303a的厚度为1.5nm～2nm，例如，可以是1.5nm、1.6nm、1.8nm或者 2nm。
在一个实施例中，第四子钉扎膜304a包括PtMn62子钉扎膜，第四子钉扎膜304a的厚度为15nm～20nm，例如，可以是15nm、16nm、18nm或者20nm。
在一个实施例中，PtMn62作为铁磁层，CoFe40B20、Ru与CoFe30组成反铁磁复合层。
请参考图6，在钉扎层3a、隧穿势垒层4a和自由层5a整体背向基板 1a的一侧形成顶层导电结构6a。
具体的，在钉扎层3a背向隧穿势垒层4a一侧的表面上形成顶层导电结构6a。
形成顶层导电结构6a的步骤包括：在钉扎层3a背向隧穿势垒层4a一侧的表面上形成第一顶层导电膜；在第一顶层导电膜背向钉扎层3a一侧的表面上形成第二顶层导电膜；在第二顶层导电膜背向第一顶层导电膜一侧的表面上形成第三顶层导电膜。
在一个实施例中，第一顶层导电膜可以是Ta导电膜，厚度为4nm～4nm，例如5nm。
在一个实施例中，第二顶层导电膜可以是Ru导电膜，厚度为8nm～12nm，例如10nm。
在一个实施例中，第三顶层导电膜可以是Ta导电膜，厚度为4nm～4nm，例如5nm。
请参考图7，对自由层5a进行退火磁化处理，使得所述自由层5a成为超顺磁层。需要说明的是，退火磁化处理可以是自由层5a制作完之后，隧穿势垒层4a制作之前进行，也可以是整个隧道磁电阻做完之后进行。
请参考图8，图8提供了对自由层5a进行退火磁化处理的一种退火条件，图8中的横轴为时间，单位为小时；图8中的纵向主轴为退火磁化处理采用的温度，单位为℃，图8中的纵向次轴为退火磁化处理施加的磁场，单位为Gs。
在一个实施例中，退火磁化处理中，退火温度为330℃～400℃，例如，可以是330℃、350℃、380℃或400℃。退火温度根据钉扎层3a的材料合理选择，一般退火温度需高于钉扎层3a的材料的居里温度。提高退火温度可以促进自由层5a晶格化，使自由层5a超顺磁效应更加明显，从而使隧道磁电阻的饱和场越大，饱和场内的线性度越好；退火温度过高会影响磁性材料的热稳定性。
在一个实施例中，退火磁化处理中，退火时间为2小时～6小时，例如，可以是2小时、3小时、4小时或6小时。退火时间太短，钉扎层3a和自由层5a的晶格化过程达不到稳定状态，当钉扎层3a和自由层5a达到稳定状态后，过长的退火时间是不必要的。延长退火时间可以促进自由层5a晶格化，使自由层5a超顺磁效应更加明显，从而使隧道磁电阻的饱和场越大，饱和场内的线性度越好。时间过长工艺效率降低，成本增高。
本实施例中，退火磁化处理中，磁化方向平行于所述自由层5a与所述钉扎层3a相对的表面。当退火磁化处理完成后，钉扎层3a形成固定磁矩，钉扎层3中磁矩的方向平行于磁化方向。
在一个实施例中，退火磁化处理中，施加的磁场强度为 4000Gs～20000Gs，例如，可以是4000Gs、10000Gs、15000Gs或者20000Gs。过高的磁场强度是不必要的，过低的磁场强度对钉扎层3a不能进行有效的磁化，磁场强度根据钉扎层3a的材料及厚度合理选择。
在退火磁化过程中，可以通过提高退火温度或延长退火时长来增大隧道磁器件的线性度。
在本实施方式中，因为界面层202a位于底层导电本体201a和自由层 5a之间，因此，界面层202a在退火磁化处理的过程中能够有效地防止自由层5a的扩散，确保了自由层5a的热稳定性。
退火磁化处理使自由层5a晶格化，隧道磁电阻中的自由层5a形成超顺磁。
隧道磁电阻中的自由层5a选用厚度小于或等于临界厚度的超顺磁层，在退火磁化处理过程中，组成超顺磁的单畴颗粒的磁矩能够沿同一方向取向而达到磁饱和，磁化率较高。因此，本实施例提供的隧道磁电阻具有大的饱和场和大的线性度。
在本实施方式中，自由层5a位于所述底层导电结构2a和隧穿势垒层 4a之间，因为在形成自由层5a之前膜层结构较少，底层导电结构2a较为平整，因此在形成自由层5a的时候，不容易受前层膜层的影响，从而容易获得连续、均匀的自由层5a膜层，使工艺更加容易稳定的控制。
本实用新型一实施例提供一种隧道磁电阻，请参考图7，包括：钉扎层 3a；与所述钉扎层3a相对设置的自由层5a，所述自由层5a为超顺磁层，所述自由层5a的厚度小于或等于临界厚度；位于所述钉扎层3a和所述自由层5a之间的隧穿势垒层4a；位于所述自由层5a背向所述隧穿势垒层4a 一侧的底层导电结构2a。
隧道磁电阻还包括基板1a，基板1a位于自由层5a背向隧穿势垒层4a 的一侧。
基板1a可以是硅基板或者玻璃基板。
在本实施方式中，隧道磁电阻具有顶层导电结构6a，所述钉扎层3a、自由层5a和隧穿势垒层4a均位于所述顶层导电结构6a和底层导电结构2a 之间，所述钉扎层3a位于所述顶层导电结构6a和所述隧穿势垒层4a之间。
底层导电结构2a包括底层导电本体201a和界面层202a，界面层202a 位于底层导电本体201a和自由层5a之间；界面层202a包括Ta界面层或 Ru界面层。
自由层5a包括CoFe40B20自由层，在其他实施方式中，自由层5a还可以是CoFe60B20自由层。
本实施例中的自由层5a是单层结构。
自由层5a为超顺磁层，自由层5a的厚度小于或等于临界厚度。自由层5a的厚度为1.0nm～1.4nm，例如可以是1.0nm、1.2nm、1.3nm或者1.4nm。
隧穿势垒层4a包括MgO隧穿势垒层。
隧穿势垒层4a的厚度为0.5nm～1.5nm，例如，可以是0.5nm、1nm、1.2nm 或者1.5nm，隧穿势垒层4a的厚度可以根据隧道磁电阻的实际电阻需求调整。
钉扎层3a包括：第一子钉扎膜301a、第二子钉扎膜302a、第三子钉扎膜303a和第四子钉扎膜304a，第一子钉扎膜301a、第二子钉扎膜302a、第三子钉扎膜303a和第四子钉扎膜304a在自所述自由层5a至所述隧穿势垒层4a的方向上依次层叠。
在一个实施例中，第四子钉扎膜304a包括PtMn62子钉扎膜，第四子钉扎膜304a的厚度为15nm～20nm，例如，可以是15nm、16nm、18nm或者20nm。
在一个实施例中，第三子钉扎膜303a包括CoFe30子钉扎膜，第三子钉扎膜303a的厚度为1.5nm～2nm，例如，可以是1.5nm、1.6nm、1.8nm或者 2nm。
在一个实施例中，第二子钉扎膜302a包括Ru子钉扎膜，第二子钉扎膜302a的厚度为0.7nm～1.0nm,例如，可以是0.7nm、0.85nm或者1nm。
在一个实施例中，第一子钉扎膜301a包括CoFe40B20子钉扎膜，第一子钉扎膜301a的厚度为1.4nm～3nm，例如，可以是1.4nm、1.8nm、2nm、2.5nm 或者3nm。
顶层导电结构6a包括自下而上依次层叠的第一顶层导电膜、第二顶层导电膜和第三顶层导电膜。
在一个实施例中，第一顶层导电膜包括Ta导电膜，厚度为4nm～6nm，例如5nm。
在一个实施例中，第二顶层导电膜包括Ru导电膜，厚度为8nm～12nm，例如10nm。
在一个实施例中，第三顶层导电膜包括Ta导电膜，厚度为4nm～6nm，例如5nm。
请参考图9，图9为现有技术中隧道磁电阻的TMR输出曲线，图9中的横轴为外加磁场强度，单位为Gs；图9中的纵轴为TMR率，单位为％。图9 中隧道磁电阻的饱和场相对较小，绝对值小于300Gs，TMR率随外加磁场的变化线性度小。
请参考图10，图10为本实施例提供的隧道磁电阻的TMR输出曲线，图 10中的横轴为磁场强度，单位为Gs；图10中的纵轴为TMR率，单位为％。图10中的隧道磁电阻因采用了超顺磁层的自由层5，隧道磁电阻的饱和场相对较大，绝对值为2000Gs，且TMR率随外加磁场的变化线性度大。
本实用新型另一实施例还提供一种隧道磁器件，包括上述隧道磁电阻，请参考图11，隧道磁器件中的隧道磁电阻的数量为若干个，且各隧道磁电阻之间串联连接。
在本实施例中，各个隧道磁电阻中的基板1a是整面的，相邻的隧道磁电阻通过底层导电结构2a或者顶层导电结构6a电连接；串联连接可以通过导线7a电连接。
把若干个隧道磁电阻串联连接形成隧道磁器件，可应用于对饱和场要求较大的传感器领域。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种隧道磁电阻，其特征在于，包括：
钉扎层；
与所述钉扎层相对设置的自由层，所述自由层为超顺磁层，所述自由层的厚度小于或等于临界厚度；
位于所述钉扎层和所述自由层之间的隧穿势垒层；
位于所述自由层背向所述隧穿势垒层一侧的底层导电结构。
2.根据权利要求1所述的隧道磁电阻，其特征在于，所述自由层包括CoFe40B20自由层或CoFe60B20自由层。
3.根据权利要求1或2所述的隧道磁电阻，其特征在于，所述自由层的厚度为1.0nm～1.4nm。
4.根据权利要求1所述的隧道磁电阻，其特征在于，还包括：顶层导电结构，所述钉扎层、自由层和隧穿势垒层均位于所述顶层导电结构和底层导电结构之间，所述钉扎层位于所述顶层导电结构和所述隧穿势垒层之间。
5.根据权利要求1所述的隧道磁电阻，其特征在于，所述底层导电结构包括底层导电本体和界面层，所述界面层位于所述底层导电本体和所述自由层之间。
6.根据权利要求5所述的隧道磁电阻，其特征在于，所述界面层包括Ta界面层或Ru界面层。
7.根据权利要求1所述的隧道磁电阻，其特征在于，所述钉扎层包括：第一子钉扎膜、第二子钉扎膜、第三子钉扎膜和第四子钉扎膜，第一子钉扎膜、第二子钉扎膜、第三子钉扎膜和第四子钉扎膜在自所述自由层至所述隧穿势垒层的方向上依次层叠；
所述第一子钉扎膜包括CoFe40B20子钉扎膜；
所述第二子钉扎膜包括Ru子钉扎膜；
所述第三子钉扎膜包括CoFe30子钉扎膜；
所述第四子钉扎膜包括PtMn62子钉扎膜。
8.根据权利要求7所述的隧道磁电阻，其特征在于，所述第一子钉扎膜的厚度为1.4nm～3nm；所述第二子钉扎膜的厚度为0.7nm～1.0nm；所述第三子钉扎膜的厚度为1.5nm～2nm；所述第四子钉扎膜的厚度为15nm～20nm。
9.一种隧道磁器件，其特征在于，包括：如权要1至8中任意一项所述的隧道磁电阻。
10.根据权利要求9所述的隧道磁器件，其特征在于，所述隧道磁电阻的数量为若干个，且各隧道磁电阻之间串联连接。
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| CN202023230036.9U CN213816191U (zh) | 2020-12-28 | 2020-12-28 | 一种隧道磁电阻及隧道磁器件 |
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