專利名稱：一種霍爾自旋天平材料及元器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁性功能薄膜和以磁性多層膜材料為基礎的新型材料及其元器件。
背景技術：
當前的半導體工業(yè)處于“新舊”交替并存的階段?；パa型金屬氧化物半導體器件(CMOS)是一種以電子的電荷屬性為信息載體(二進制)的用若干場效應晶體管構成的元件；以CMOS為基礎的邏輯存儲模式(例如，動態(tài)隨機存儲器DRAM)和邏輯運算模式(例如，MOSFET邏輯門)在大型集成電路中仍然占據著主導地位。但是，在集成電路長遠規(guī)劃(2019-2026)的藍圖中，高集成密度(3D存儲模式)、低能耗、和高運算效率的電路模式將占據最高的優(yōu)先級并成為產業(yè)化和商業(yè)化的首選。
近期，非易失型存儲器(nonvolatile memory, NVM),即數(shù)據像硬盤一樣不隨斷電而轉瞬即逝的研究取得了巨大的進展。NVM可以大致分為兩類，第一類是最早出現(xiàn)的以電子電荷為基礎的非易失型存儲器(charge-based nonvolatile memory)。例如閃存(flash)-執(zhí)行數(shù)據存儲的NAND flash和執(zhí)行代碼存儲的NOR flash，目前已經成功的投產并成為NVM在市場上的主要商品。第二類是新生的以其他物理狀態(tài)為基礎的非易失型存儲器件(non-charge-based nonvolatile memory),包括磁隨機存儲器(magneticRAM, MRAM),鐵電存儲器(ferroelectric RAM, FeRAM),相變存儲器(phase-change RAM,PCRAM),和阻變存儲器(resistance-change RAM, RRAM)等。在所有NVM之中，MRAM是最有望實現(xiàn)“統(tǒng)一存儲器”(即存儲器將硬盤和內存統(tǒng)一)的模式，繼而在近幾年成為各大信息產業(yè)公司(例如，Advanced Micro Devices Inc.,Freescale Semiconductor Inc. , IBM Corporation 等)重點關注和投資研究的對象。MRAM是以磁性隧道結(MTJ)為基元的陣列，每一個MTJ承載一個比特的二進制信息。二進制的信息(I或0)被編譯成為MTJ中兩個磁性層(約幾納米厚)的排列狀態(tài)(平行或反平行)，分別對應于隧穿電流的高/低狀態(tài)(即MTJ中隧穿電阻的低/高態(tài))。讀數(shù)據時則采用測量MTJ的磁電阻值的方式；寫數(shù)據可以采用外加電流產生的磁場來翻轉自由層的磁化方向，即傳統(tǒng)的MRAM原理。近年來發(fā)展的寫數(shù)據可以采用外加自旋極化電流、利用自旋轉移矩效應來翻轉其中一層的磁化方向從而改變兩磁性層的排列狀態(tài)，即自旋轉移矩MRAM (STT-MRAM)0雖然MRAM預計將會在2015-2016年試投產，但是對于其單獨的元件MTJ而言，依然有無法克服的困難，將阻礙其在2020年后更長遠的發(fā)展。首先，MTJ不得不面對室溫下平均僅約200%的磁電阻比值(MR)，使得其讀數(shù)據效率較低。其次，由于MTJ需要電流垂直流入元件，無法實現(xiàn)3D的陣列，大大降低了其集成密度的可發(fā)展性。第三，MTJ的性能強烈的依賴于用于隔離兩鐵磁層材料的絕緣層質量(早先用的是非晶的Al2O3薄膜、近期開始使用具有
(001)取向的MgO薄膜)，因此其材料的制備條件要求很高、造價昂貴且效率較低。此外，磁性隧道結的微加工工藝復雜，包括精細紫外曝光和刻蝕條件，使得MTJ的生產成本很高。第四，為了實現(xiàn)32納米(理論上證明為目前MRAM的尺寸極限)甚至更低的尺寸，磁垂直各向異性，熱穩(wěn)定性和噪音的控制都要求有質的飛躍。第五，MRAM有望成為“邏輯植入型存儲器”(即在存儲器中實現(xiàn)邏輯運算)，但是MTJ僅有兩種物理狀態(tài)(磁電阻高和低)，無法高效率地實現(xiàn)復雜邏輯的運算。縱觀其他的NVM (flash, FeRAM, PCRAM，RRAM)，沒有任何器件能夠同時包容MRAM的優(yōu)點并解決上述所有的問題。因此,尋求新的MRAM基元的材料和元件,或者采用新的物理機制來實現(xiàn)MRAM功能，并能夠在未來5到10年內產業(yè)化的解決方案成為當前的重要問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種磁性功能薄膜和以磁性多層膜材料為基礎的新型材料，并以Halll bar的形式制成元件。此發(fā)明保留了 MTJ的優(yōu)點，以低成本實現(xiàn)NVM，并具有與晶體管媲美的狀態(tài)變化比率，能夠實現(xiàn)3D存儲陣列，且具有復雜邏輯處理的能力。解決了 NVM現(xiàn)存的主要問題。
為了實現(xiàn)本發(fā)明，提出以反?；魻栃?extraordinary Hall effect, EHE)為基礎的新型自旋電子材料-霍爾自旋天平(extraordinary Hall balance, EHB)材料,具體技術方案如下
一種霍爾自旋天平材料，所述材料包括多層薄膜，由兩個具有垂直磁各向異性的磁性層，中間被非磁性絕緣層隔離所組成；其中一磁性層被反鐵磁層釘扎，另外一磁性層與一功能層相連；材料制成Hall bar的形狀。進一步的，所述磁性層是含有Fe、Co或Ni的且具有垂直各向異性的磁性單層膜或者多層膜，磁性層中至少包含一種磁性元素。進一步的，所述材料中間的隔離層以及最頂層的功能層為絕緣材料包括NiO薄膜、Al2O3薄膜、MgO薄膜等。進一步的，所述反鐵磁層為氧化物薄膜或金屬合金薄膜。進一步的,所述氧化物薄膜為NiO薄膜等；所述金屬合金薄膜為IrMn薄膜、FeMn薄膜、NiMn薄膜等。一種元器件，其特征在于由權利要求1-5任一權利要求所述的材料制作。本發(fā)明的優(yōu)點在于EHB不僅包含了 MTJ的優(yōu)點，還包括(I)該裝置利用霍爾電壓為輸出信號，具有很高的靈敏度和信噪比；(2)EHB實現(xiàn)了極高的狀態(tài)比率，解決了 MTJ應用中面臨的主要挑戰(zhàn)；(3)由于EHB的電流平行于膜面，能夠實現(xiàn)3D存儲陣列結構；(4)EHB的材料能夠可以采用大型磁控濺射設備生長、通過簡單的微加工工藝制備為Hall bar結構，大大提升了制備效率并減少了生產成本；(5) EHB具有很強的垂直各向異性，有利于提高信息存儲的密度；(6) EHB能夠輸出3到4種物理狀態(tài)，具有復雜邏輯運算的能力。


圖I為本發(fā)明霍爾自旋天平材料的示意圖。圖2為本發(fā)明霍爾自旋天平工作示意圖。圖3為本發(fā)明霍爾自旋天平原理示意圖，兩鐵磁層的磁化方向平行，獲得高的霍爾電壓。
圖4為本發(fā)明霍爾自旋天平原理示意圖，兩鐵磁層的磁化方向反平行，獲得接近為O的霍爾電壓。圖5為本發(fā)明霍爾自旋天平原理示意圖，兩鐵磁層的磁化方向反向平行，獲得高的反向霍爾電壓。
具體實施例方式圖I所不,EHB材料是一種磁性多層薄膜材料,包括兩個具有垂直磁各向異性的磁性層(如LlO結構的FePt單層薄膜、CoFeB單層膜、Co/Pt多層膜、Fe/Pt多層膜等)和一個非磁隔離層(如A1203薄膜、MgO薄膜等)，其中一磁性層被反鐵磁層(如NiO薄膜、IrMn薄膜、FeMn薄膜、NiMn薄膜等)所釘扎，另外一磁性層與一功能層(如NiO、A1203、MgO薄膜等)相連。EHB材料在生長之后通過簡單微加工制成標準HalI bar的形狀。工作方式如圖2所示沿面內縱向方向外加電流，垂直方向施加外磁場，在面內橫向方向可以輸出霍爾電壓并用作輸出信號。EHB的原理如圖3所示。字母I代表施加電流的方向。由于輸出信號是體系的EHE電壓，而EHE的效果是讓自旋向上的電子偏轉至“天平”一端，而自旋向下的電子偏轉至“天平”的另一端。當兩鐵磁層的磁化方向為平行狀態(tài)時，“天平”兩端的自旋數(shù)目的差異最大；因此能夠測量到較高的霍爾電壓。相反，當兩鐵磁層的磁化強度方向為反平行時，“天平”兩端的自旋電子數(shù)目大致相等，測量到的電壓信號幾乎被抵消為零。這樣，理論上，如果兩鐵磁層具有相同的EHE效應，系統(tǒng)的高電壓狀態(tài)為單層的霍爾電壓的兩倍；而低電壓狀態(tài)理論上為零。EHB實現(xiàn)了近無限大的狀態(tài)比，類似于MTJ中的MR無窮大。另一方面，當兩鐵磁層不對稱的時候，則能夠獲得四個狀態(tài)的霍爾電壓，能夠實現(xiàn)復雜邏輯的能力。如圖4所示，是利用磁控濺射制備的樣品NiO (50) /Pt (O. 6) / [Co (O. 4) /Pt (I. 2) ] JMgO(8)/Pt (O. 6)/[Co (O. 4) /Pt (I. 2)]3/Ni0(l) (in nm)在室溫下的霍爾效應隨磁場變化曲線，在-50 Oe至+50 Oe的磁場范圍內，輸出的霍爾信號由低狀態(tài)變?yōu)楦郀顟B(tài)，狀態(tài)變化率高達31400%，比現(xiàn)今最好的MTJ磁電阻比值高出幾個量級。例如在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結中，室溫的磁電阻比值最高為600%左右(S. Ikeda, J. Hayakawa, H. Ohno etal. 2006 Appl. Phys. Lett. 93，082508)。
權利要求
1.一種霍爾自旋天平材料，所述材料包括多層薄膜，由兩個具有垂直磁各向異性的磁性層，中間被非磁性絕緣層隔離所組成；其中一磁性層被反鐵磁層釘扎，另外一磁性層與一功能層相連；材料制成Hall bar的形狀。
2.根據權利要求I所述的材料，其特征在于所述磁性層是含有Fe、Co或Ni的且具有垂直各向異性的磁性單層膜或者多層膜，磁性層中至少包含一種磁性元素。
3.根據權利要求I所述的材料，其特征在于所述材料中間的隔離層以及最頂層的功能層為絕緣材料包括NiO薄膜、Al2O3薄膜、MgO薄膜等。
4.根據權利要求I所述的材料，其特征在于所述反鐵磁層為氧化物薄膜或金屬合金薄膜。
5.根據權利要求所述的材料，其特征在于所述氧化物薄膜為NiO薄膜等；所述金屬合金薄膜為IrMn薄膜、FeMn薄膜、NiMn薄膜等。
6.—種兀器件,其特征在于由權利要求1-5任一權利要求所述的材料制作。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁性功能薄膜和以磁性多層膜材料為基礎的新型材料及其元器件。一種霍爾自旋天平材料，所述材料包括多層薄膜，由兩個具有垂直磁各向異性的磁性層，中間被非磁性絕緣層隔離所組成；其中一磁性層被反鐵磁層釘扎，另外一磁性層與一功能層相連；材料制成Hallbar的形狀。此發(fā)明保留了MTJ的優(yōu)點，以低成本實現(xiàn)NVM，并具有與晶體管媲美的狀態(tài)變化比率，能夠實現(xiàn)3D存儲陣列，且具有復雜邏輯處理的能力。解決了NVM現(xiàn)存的主要問題。
文檔編號H01L43/10GK102931342SQ20121042103
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權日2012年10月29日
發(fā)明者于廣華, 王守國, 張石磊, 劉洋, 張靜言, 滕蛟, 馮春 申請人:北京科技大學