專(zhuān)利名稱(chēng):包括具有自旋靈敏度的稀磁半導(dǎo)體的隧道結(jié)勢(shì)壘層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于自旋靈敏的電子和光學(xué)應(yīng)用的磁隧道結(jié)(MTJ)器件。這些應(yīng)用包括非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)、用于磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的磁致電阻讀頭、自旋閥/磁隧道晶體管、超快光學(xué)開(kāi)關(guān)、以及具有極化調(diào)制輸出的發(fā)光器件?？砂ū景l(fā)明作為子系統(tǒng)的其他應(yīng)用包括具有可變邏輯功能的邏輯器件和量子計(jì)算機(jī)。特別地，本發(fā)明使用具有自旋過(guò)濾功能的隧道勢(shì)壘來(lái)改善MTJ的屬性和性能。
背景技術(shù)：
磁隧道結(jié)(MTJ)是采用磁致電阻效應(yīng)來(lái)調(diào)制電傳導(dǎo)的器件。MTJ器件包括通過(guò)絕緣勢(shì)壘層分隔開(kāi)的兩鐵磁電極，該絕緣勢(shì)壘層制得足夠薄，從而允許在所述電極之間發(fā)生電荷載流子的量子力學(xué)隧穿(圖1(a))。在電極中，由于磁屬性而電荷載流子是自旋極化的。大多數(shù)自旋分別與每個(gè)電極的磁化方向?qū)R。由于隧穿過(guò)程是自旋相關(guān)的，所以隧道電流的大小是兩個(gè)電極之間磁化的相對(duì)取向的函數(shù)。通過(guò)使用對(duì)磁場(chǎng)有不同響應(yīng)的電極，磁化的相對(duì)取向可以通過(guò)適當(dāng)強(qiáng)度的外磁場(chǎng)控制。通常，電極平行排列時(shí)隧道電流最大，而電極反平行排列時(shí)隧道電流最小。MTJ特別適用于在非易失性存儲(chǔ)器陣列例如MRAM中作為存儲(chǔ)單元以及適用于在例如用于磁記錄盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的磁致電阻讀頭中用作磁場(chǎng)傳感器。
信噪比對(duì)MTJ器件應(yīng)用的性能是非常重要的。信號(hào)大小主要由器件表現(xiàn)的磁致電阻(MR)比值ΔR/R決定，其中ΔR是兩種磁配置之間的電阻差。將信號(hào)定義為電壓輸出，信號(hào)的大小由Ib×ΔR給出，其中Ib是流過(guò)器件的恒定偏置隧道電流。關(guān)于噪聲，噪聲水平隨著增大的器件電阻R而增大。因此，為了實(shí)現(xiàn)MTJ器件的最佳性能，大的MR比值和小的器件電阻是重要的。下面將描述前者的大小如何相關(guān)于鐵磁電極的自旋極化以及后者的大小如何相關(guān)于絕緣勢(shì)壘的屬性。
高M(jìn)R比值需要高度自旋極化的電極層。MR和電極的自旋極化P之間的關(guān)系可以用下面通常采用的近似描述[1]。
ΔR/R＝2P1P2/(1-P1P2)， (1)其中P1和P2分別是MTJ器件中頂和底電極的自旋極化。鐵磁過(guò)渡金屬Fe、Co和Ni及其合金是用作常規(guī)MTJ中的自旋極化電極層的一般材料。用這些材料可實(shí)現(xiàn)的最大自旋極化為約50％[2]。因此，對(duì)于具有自旋極化P＝50％的兩個(gè)電極，根據(jù)方程(1)可獲得的最大MR是67％。這可以看作是常規(guī)MTJ器件中MR的基本極限，且與目前所報(bào)導(dǎo)的情況相當(dāng)。采用前述電極材料的MTJ在室溫下所獲得的一般MR值為20-40％，最佳到約60％，雖然很少。由于不斷增長(zhǎng)的對(duì)更高M(jìn)R效應(yīng)的需求，已經(jīng)進(jìn)行了許多努力來(lái)超越此極限。例如，已經(jīng)嘗試使用一些替代電極材料例如預(yù)言具有接近100％的自旋極化的所謂的半金屬鐵磁體，但是已經(jīng)證實(shí)實(shí)踐上極難實(shí)現(xiàn)半金屬。
MTJ器件的電阻主要由絕緣隧穿勢(shì)壘層的電阻決定，因?yàn)殡娨€(xiàn)和鐵磁電極的電阻對(duì)器件電阻貢獻(xiàn)很小。因此，勢(shì)壘層電阻也是MTJ器件中噪聲的主要來(lái)源。此外，該電阻與器件的側(cè)面積(lateral area)的倒數(shù)成比例，因?yàn)殡娏鞔怪蓖ㄟ^(guò)層平面。對(duì)于高密度應(yīng)用例如MRAM陣列，這變得至關(guān)緊要，因?yàn)樾旁氡入S著MTJ單元的減小的面積而變差。一般將MTJ電阻描述為電阻R乘以面積A(RA)。絕緣勢(shì)壘的RA乘積可以簡(jiǎn)化地表達(dá)為 其中d是勢(shì)壘的厚度，是隧道勢(shì)壘高度(圖1(b))。為了清楚起見(jiàn)，恒量
從指數(shù)項(xiàng)省略。因此，電阻隨d和兩者呈指數(shù)地增大，為了減小MTJ電阻，必須使勢(shì)壘厚度和/或勢(shì)壘高度較小。對(duì)于MRAM應(yīng)用，需要檢測(cè)器件的兩種信號(hào)狀態(tài)且500-1000Ωμm2的RA值產(chǎn)生可接受的信噪比。另一方面，對(duì)于磁致電阻讀頭應(yīng)用，信號(hào)狀態(tài)的連續(xù)范圍必須是可檢測(cè)的且需要10Ωμm2或更小的RA值以與現(xiàn)有的金屬巨磁致電阻頭競(jìng)爭(zhēng)。在現(xiàn)有技術(shù)中，MTJ中的絕緣勢(shì)壘層包括氧化鋁Al2O3。氧化鋁是穩(wěn)定的氧化物絕緣體，其能制得非常薄且保持高度的層連續(xù)性。為了滿(mǎn)足以上RA范圍，證實(shí)氧化鋁勢(shì)壘厚度需要制得超薄，對(duì)于MRAM約1nm且對(duì)于讀頭約0.6-0.7nm。在此厚度狀況MR通常降低，極可能是由于在得到這些非常低的RA值所需的超薄隧道勢(shì)壘層中量子點(diǎn)缺陷和/或細(xì)微針孔的形成。迫使氧化鋁勢(shì)壘厚度在此超薄狀況的主要原因是2.3-3eV的大勢(shì)壘高度，其與常規(guī)鐵磁電極材料一起形成。
因此，為了MTJ器件的進(jìn)一步改善，必須找到增大自旋極化和減小勢(shì)壘電阻而不降低MR的方法?？紤]到上述限制，建議偏離常規(guī)MTJ結(jié)構(gòu)作為適當(dāng)?shù)淖龇ā?br>
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是磁隧道結(jié)，其中現(xiàn)有技術(shù)氧化鋁隧穿勢(shì)壘層被具有較低勢(shì)壘高度且具有自旋過(guò)濾功能的鐵磁半導(dǎo)體構(gòu)成的隧穿勢(shì)壘層所代替。因?yàn)橛纱藢⒆孕`敏度引入到勢(shì)壘層中，所以這允許現(xiàn)有技術(shù)的鐵磁電極之一被非磁電極替代。包括這樣的具有低有效勢(shì)壘高度的自旋過(guò)濾勢(shì)壘(spin filter barrier)的MTJ器件保證了MR效應(yīng)的增強(qiáng)，且具有可調(diào)電阻和更簡(jiǎn)單的MTJ器件結(jié)果。雖然如上概述了本發(fā)明，但是本發(fā)明由所附權(quán)利要求
1-10定義。
為了進(jìn)一步理解本發(fā)明的上述特征和額外特征，請(qǐng)結(jié)合附圖參考下面的詳細(xì)描述。
圖1a示出常規(guī)MTJ器件的剖視圖；圖1b示出圖1a所示MTJ器件的隧穿勢(shì)壘的對(duì)應(yīng)能量圖；圖2a示出根據(jù)本發(fā)明的自旋過(guò)濾勢(shì)壘MTJ器件的剖視圖；圖2b示出圖2a所示自旋過(guò)濾勢(shì)壘MTJ器件的對(duì)應(yīng)能量圖；圖3示出圖2所示MTJ器件中作為自旋過(guò)濾勢(shì)壘的能量劈裂的函數(shù)的計(jì)算極化效率。計(jì)算中，固定勢(shì)壘高度＝1eV被使用且分別對(duì)三種不同勢(shì)壘厚度d＝1、2和3nm計(jì)算極化效率。
圖4示出圖2所示MTJ器件中作為自旋過(guò)濾勢(shì)壘的能量劈裂的函數(shù)的計(jì)算極化效率。計(jì)算中，固定勢(shì)壘厚度d＝2nm被使用且分別對(duì)三種不同勢(shì)壘高度＝0.5、1和1.5eV計(jì)算極化效率。
具體實(shí)施方式由于電極的受限自旋極化和氧化鋁勢(shì)壘的高RA，常規(guī)MTJ器件提供小的進(jìn)一步改善的空間。特別地，已經(jīng)進(jìn)行了許多努力來(lái)開(kāi)發(fā)減小氧化鋁勢(shì)壘厚度至超薄狀態(tài)且保持勢(shì)壘均勻性的有效方法。已經(jīng)表明這是非常困難的。本發(fā)明包括替代類(lèi)型的MTJ器件結(jié)構(gòu)，其具有與常規(guī)MTJ器件相比以減小的RA值提供更高自旋極化的潛能。
圖1(a)示出現(xiàn)有技術(shù)的MTJ器件結(jié)構(gòu)的剖視圖。多數(shù)情況下是Co的底鐵磁電極層(“被固定”層)一般生長(zhǎng)在反鐵磁層(未示出)例如CoO上，反鐵磁層通過(guò)交換偏置確定底鐵磁電極的永久磁化方向。這樣的目的是為了使底電極對(duì)外部施加的磁場(chǎng)不靈敏。另一方面，頂電極(“自由”層)由軟磁材料例如坡莫合金(NiFe)制成，使得其磁化方向可以通過(guò)外磁場(chǎng)而容易地改變。以此方式，所述兩層之間的相對(duì)磁化取向可以被控制。勢(shì)壘在大多數(shù)情況下包括非晶氧化鋁的薄層。電引線(xiàn)連接到低和頂電極層，電流垂直流過(guò)所述層。此器件中的MR效應(yīng)表現(xiàn)為電阻根據(jù)頂“自由”層和底“被固定”層之間相對(duì)磁化取向的改變。
圖2(a)示出本發(fā)明的MTJ器件結(jié)構(gòu)的剖視圖。該器件包括夾在底非磁電極和頂鐵磁電極之間的自旋過(guò)濾隧穿勢(shì)壘。該非磁電極由任何導(dǎo)電材料構(gòu)成且不限于金屬。該頂鐵磁“自由”層電極包括軟磁材料，其中可通過(guò)外磁場(chǎng)容易地操縱磁化。自旋過(guò)濾勢(shì)壘材料可包括摻雜以金屬元素的寬帶隙半導(dǎo)體，該金屬元素在本征非磁的半導(dǎo)體宿主晶體中誘發(fā)鐵磁性。這些類(lèi)型的材料被稱(chēng)為稀磁半導(dǎo)體。與常規(guī)MTJ器件相反，“被固定”層由自旋過(guò)濾勢(shì)壘代表且MR效應(yīng)表現(xiàn)為電阻根據(jù)頂“自由”層與勢(shì)壘之間的相對(duì)磁化取向的改變。下面，將更詳細(xì)地描述鐵磁半導(dǎo)體勢(shì)壘的屬性。
半導(dǎo)體晶體中的鐵磁性由金屬雜質(zhì)之間的自旋極化電荷載流子引起。這導(dǎo)致導(dǎo)帶的自旋相關(guān)能量劈裂。換言之，一個(gè)自旋取向與相反自旋取向相比導(dǎo)帶邊緣較低。當(dāng)MTJ器件中包括鐵磁半導(dǎo)體作為勢(shì)壘層時(shí)，此情形由圖2(b)的能量圖示出。圖中，平均高度為的勢(shì)壘劈裂為由能量2δ分隔開(kāi)的兩個(gè)自旋相關(guān)子帶?，F(xiàn)在，將從一個(gè)電極隧穿到另一電極的電荷載流子面對(duì)兩個(gè)不同的勢(shì)壘高度，一個(gè)針對(duì)自旋向上，一個(gè)針對(duì)自旋向下。由于隧穿過(guò)程靈敏地取決于勢(shì)壘高度，所以導(dǎo)帶的劈裂極大地增大了自旋向上電子的隧穿或然率。與用于未極化勢(shì)壘的方程(2)給出的勢(shì)壘電阻不同，自旋過(guò)濾勢(shì)壘電阻變?yōu)榉殖蓛蓚€(gè)自旋分量 以與定義鐵磁體的自旋極化P類(lèi)似的方式[1]，自旋過(guò)濾勢(shì)壘的極化效率PB可以寫(xiě)為PB=(RA⇓-RA⇑)/(RA⇓+RA⇑)---(4)]]>為了估計(jì)極化效率，自旋過(guò)濾勢(shì)壘將以包括ZnO作為寬帶隙(Eg＝3.2eV)半導(dǎo)體宿主以及誘發(fā)鐵磁性的金屬元素(ME)的鐵磁半導(dǎo)體作為示例。此鐵磁半導(dǎo)體在下面將稱(chēng)為ZnMEO。也可使用其他磁半導(dǎo)體材料。
圖3-4示出對(duì)于各種勢(shì)壘參數(shù)利用方程4計(jì)算的作為能量劈裂2δ的函數(shù)的極化效率PB。圖3中，勢(shì)壘高度固定在1eV，這代表金屬接觸和寬帶隙半導(dǎo)體之間的一般勢(shì)壘高度，勢(shì)壘厚度d在1和3nm之間變化。圖4中，勢(shì)壘厚度d固定在2nm，勢(shì)壘高度在0.5和1.5eV之間變化。簡(jiǎn)要地概括圖3和4的結(jié)果，極化效率隨著增大的勢(shì)壘厚度和減小的勢(shì)壘高度而增大。ZnMEO中能量劈裂的實(shí)際值取決于所使用的ME的類(lèi)型和摻雜水平。由于在這些類(lèi)型的材料中室溫鐵磁性的新發(fā)現(xiàn)，目前沒(méi)有報(bào)導(dǎo)的值可以得到。然而，深入研究的絕緣體EuS在低溫下變?yōu)殍F磁性且因此代表與ZnMEO類(lèi)似的材料類(lèi)。在EuS中，導(dǎo)帶的自旋相關(guān)能量劈裂為360meV[5]。假定ZnMEO中的能量劈裂僅為EuS的一半，即180eV，且使用1eV的勢(shì)壘高度，對(duì)于2nm厚的ZnMEO自旋過(guò)濾勢(shì)壘，根據(jù)圖3，極化效率為約73％。為了估計(jì)圖1中實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明表現(xiàn)的MR，請(qǐng)參考方程1。與常規(guī)MTJ相反，本發(fā)明使用非磁底電極，自旋靈敏度引入在勢(shì)壘層中。因此，方程1中的項(xiàng)P2由自旋過(guò)濾效率PB替代。使用PB＝73％，根據(jù)前述估計(jì)，且對(duì)于高度自旋極化頂電極P1＝50％，獲得115％的MR比值。
本發(fā)明的自旋過(guò)濾器件預(yù)言的超過(guò)100％的MR比值極大地超過(guò)了報(bào)導(dǎo)的常規(guī)MTJ器件的最高M(jìn)R比值(達(dá)60％)。此外，由于圖2實(shí)現(xiàn)的隧穿勢(shì)壘包括寬帶隙半導(dǎo)體，以具有3.2eV帶隙的ZnMEO作為示例，該器件的電阻-面積(RA)乘積固有地低于現(xiàn)有技術(shù)所使用的氧化鋁絕緣體。以此方式，避免了超薄勢(shì)壘厚度狀況。據(jù)估計(jì)，ZnMEO勢(shì)壘將以氧化鋁勢(shì)壘厚度兩倍以上的厚度呈現(xiàn)與氧化鋁匹配的RA值。此估計(jì)得到了近來(lái)對(duì)ZnSe勢(shì)壘層的報(bào)導(dǎo)的支持，ZnSe是與ZnO類(lèi)似的另一寬帶隙半導(dǎo)體，具有2.8eV的帶隙[6]。因此，圖2中實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明，具有前面參照?qǐng)D3-4所描述的特征，滿(mǎn)足改善MTJ器件應(yīng)用例如MRAM陣列和磁致電阻讀頭中對(duì)改善的信噪比的需求。下面將描述本發(fā)明的其他協(xié)同效應(yīng)。
反轉(zhuǎn)鐵磁半導(dǎo)體例如ZnMEO中的磁化方向所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度(矯頑力)通常比一般用作MTJ中的頂電極“自由”層的坡莫合金大兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。這表明本發(fā)明中的自旋過(guò)濾勢(shì)壘層不需要通過(guò)下面的反鐵磁層被磁偏置，如常規(guī)MTJ器件中底電極“被固定”層的情況。這極大地簡(jiǎn)化了MTJ器件結(jié)構(gòu)。此外，與現(xiàn)有技術(shù)鐵磁底電極對(duì)比，非磁底電極的使用開(kāi)闊了導(dǎo)電材料的選擇范圍。這包括金屬導(dǎo)體例如Cu、Al或Au，以及簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。例如，使用n型Si作為底電極以直接方式提供了與Si工藝和CMOS技術(shù)的重要相容性。許多報(bào)導(dǎo)已經(jīng)證實(shí)通過(guò)各種沉積技術(shù)在Si晶片襯底上獲得了良好質(zhì)量的薄的連續(xù)ZnO膜。另一示例提供了非常引人注目的通過(guò)使用簡(jiǎn)并ZnAlO作為底電極層外延ZnMEO勢(shì)壘層的可能。ZnAlO是經(jīng)常在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中用作導(dǎo)體的半金屬，且與ZnMEO具有非常好的晶體匹配。
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權(quán)利要求
1.一種具有隧穿勢(shì)壘層的磁隧道結(jié)，其特征在于所述隧穿勢(shì)壘層包括具有自旋靈敏度的稀磁半導(dǎo)體。
2.如權(quán)利要求
1所述的磁隧道結(jié)，包括耦合到底電極的底引線(xiàn)，該底電極耦合到稀磁半導(dǎo)體，該稀磁半導(dǎo)體耦合到頂電極，該頂電極耦合到頂引線(xiàn)，其特征在于，所述底電極是非磁的。
3.如權(quán)利要求
2所述的磁隧道結(jié)，其特征在于，所述底電極包括n型Si。
4.如權(quán)利要求
2所述的磁隧道結(jié)，其特征在于，所述底電極包括簡(jiǎn)并ZnAlO。
5.如權(quán)利要求
1所述的磁隧道結(jié)，其特征在于，所述隧道結(jié)包括自旋過(guò)濾器件，其具有超過(guò)60％的磁致電阻(MR)比值。
6.如權(quán)利要求
1所述的磁隧道結(jié)，其特征在于，所述稀磁半導(dǎo)體是超過(guò)2.7eV的寬帶隙半導(dǎo)體。
7.如權(quán)利要求
6所述的磁隧道結(jié)，其特征在于，所述稀磁半導(dǎo)體包括ZnMEO。
8.一種部件，其特征在于它包括根據(jù)權(quán)利要求
1-6的任一項(xiàng)所述的磁隧道結(jié)。
9.如權(quán)利要求
8所述的部件，其特征在于它實(shí)現(xiàn)為下列部件中的任一種非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)、用于磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的磁致電阻讀頭、自旋閥/磁隧道晶體管、超快光學(xué)開(kāi)關(guān)、具有極化調(diào)制輸出的發(fā)光器件、邏輯處理器件。
10.一種計(jì)算機(jī)，其特征在于它包括根據(jù)權(quán)利要求
1-6的任一項(xiàng)的磁隧道結(jié)和/或根據(jù)權(quán)利要求
8-9的任一項(xiàng)的部件。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明提供一種具有隧穿勢(shì)壘層的磁隧道結(jié)，其中所述隧穿勢(shì)壘層包括具有自旋靈敏度的稀磁半導(dǎo)體。根據(jù)本發(fā)明該磁隧道結(jié)可包括耦合到底電極的底引線(xiàn)，該底電極耦合到稀磁半導(dǎo)體，該稀磁半導(dǎo)體耦合到頂電極，該頂電極耦合到頂引線(xiàn)，其中所述底電極是非磁的。本發(fā)明還提供采用根據(jù)本發(fā)明的磁隧道結(jié)的各種部件和計(jì)算機(jī)。
文檔編號(hào)H01L43/08GK1998084SQ20058001705
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2005年5月23日
發(fā)明者弗雷德里克·古斯塔夫森 申請(qǐng)人:Nm斯平特羅尼克公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan