隧道效应磁电阻器件制造技术

一种隧道效应磁电阻器件，包括一衬底，其上有一底电极层、势垒层和一个顶电极层，势垒层位于底电极层之上和顶电极层之下；其特征在于：还包括一个位于衬底上的反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的钉扎层，该钉扎层位于底电极层与衬底之间；底电极层呈条状，两端是引线引出端；底电极层之上是呈方块状的势垒层和顶电极层，顶电极层的顶部是引线引出端；在势垒层和顶电极层的周围是ＳｉＯ↓［２］隔离层；从底电极层和顶电极层的引线引出端各引出一根导电引线或各引出两根导电引线。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于磁传感器和存储器，特别是涉及一种隧道效应磁电阻器件。
技术介绍
磁电阻效应在磁记录和存储等方面有着十分重要的应用前景，近年来人们对此领域的研究产生了浓厚的兴趣。从产生机制上划分，磁电阻效可分为很多种，但在应用上引起人们注意的主要包括金属多层膜中的巨磁电阻(以下简称为GMR)，基于金属的自旋阀和金属一绝缘体一金属结中的隧道磁电阻(以下简称为TMR)。在作为磁性传感器和存储器的应用中，研究的主要目的是提高器件的磁场灵敏度，即对于一定大小的磁信号，磁电阻器件应表现出尽可能大的电阻值变化。在隧道结中，当在垂直于薄膜表面的方向上加以电压时，电子将借助于隧道效应穿过绝缘的势垒层，从一个结电极流入另一侧的结电极，形成隧道电流。如果结电极由具有自旋极化的磁性金属构成，则隧道电流的大小受到两侧结电极相互之间的自旋取向的影响，表现出与自旋态相关的隧道磁电阻效应。在外磁磁场作用下，当两个结电极的自旋都取向外磁场方向时，就形成二者平行取向的自旋态，结电阻处于低阻态；从上述的饱和状态出发，逐渐减小外磁场至外磁场为0，然后加以反向磁场并逐渐增大其数值，在上述的反磁化过程中，如果一个电极的矫顽力小于另一个结电极，则前者的自旋将在较小的外磁场下翻转，形成两个电极间自旋反平行取向的态，从而使结电阻处于高阻态。因此，磁性隧道结的隧道磁电阻效应要求两个主要条件在内禀特性上，要求两个结电极都由具有自旋极化的材料构成；在外禀特性上，要求两个结电极矫顽力大小不同。对于基于TMR的磁性器件而言，磁场灵敏度的极限值取决于隧道结中上下电极层的自旋极化率。已知的具有自旋极化特性的材料包括Fe、Co、Ni、坡莫合金、CrO2、半哈斯勒合金(如NiMnSb)、铁磁金属性的钙钛矿型锰氧化合物。由于钙钛矿型锰氧化合物的自旋极化率可能达到最大值100％，从而可能在磁信号作用下产生最大值的结电阻变化，因而是隧道效应磁电阻首选的电极层材料。在美国专利US5792569(公开日为1998年8月11日)和发表的文献(X.W.Li，Y.Lu，G.Q.Gong，G.Xiao，A.Gupta，P.Lecoeur，and J.Z.Sun，J.Appl.Phys.81，5509(1997).)中公开了一种三层结构的隧道效应磁电阻，其中以铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物为两个电极层、以STO为势垒层。由于两个电极层采用了相同的磁性材料，因此两个电极层之间由内禀磁性导致的矫顽力差异很小。在上述技术中将两个电极层设计成不同的形状和尺寸，利用形状各向异性来调节两个电极层的矫顽力，但在隧道结中要获得理想的自旋态仍存在着困难。该器件的主要缺点是在磁场下结电阻表现出复杂的变化，从而不能预测在一定的磁信号作用下，结电阻是处于高阻态还是低阻态。并且该器件的稳定性差，磁信号作用之后，结电阻不能回到初始值。由于该器件难以工作在稳定的、可重复的状态，因此限制了其实用性。
技术实现思路
本技术的目的是针对上述已有技术在控制电极层的矫顽力方面的缺点，为了改善器件的磁场响应特性和稳定性，使器件能够被预置工作状态，并能够被重复使用，从而提供一种隧道效应磁电阻器件。本技术的目的是这样实现的本技术提供的隧道效应磁电阻器件，包括一衬底，其上有一底电极层、势垒层和一个顶电极层，势垒层位于底电极层之上和顶电极层之下；其特征在于还包括一个位于衬底上的反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的钉扎层，该钉扎层位于底电极层之下；底电极层呈条状，两端是引线引出端；底电极层之上是呈方块状的势垒层和顶电极层，顶电极层的顶部是引线引出端；在势垒层和顶电极层的周围是SiO2隔离层；从底电极层和顶电极层的引线引出端各引出一根导电引线或各引出两根导电引线。所述的隧道效应磁电阻器件，还包括导电引线分别直接固定在顶电极层和底电极层的导电引出端之上。所述的隧道效应磁电阻器件，还包括在底电极层的导线引出端上有贵金属材料的接触电极，在顶电极层的导线引出端上有一贵金属材料的条形接触电极，导电引线分别直接固定在接触电极之上。所述的衬底包括SrTiO3(以下简称为STO)，MgO，Al2O3和Si片。所述的反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的钉扎层厚度为30～80nm。所述的底电极层为铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物，该层厚度为20～100nm。所述的顶电极层为铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物，该层厚度为20～100nm。所述的势垒层是一个厚度为1～8nm的钙钛矿型氧化物层。按照本技术的隧道效应磁电阻器件，两个电极层之间的电阻值，也即隧道结的结电阻在磁场作用下产生规律性的变化。从而使结电阻的大小反映磁信号的大小。依据检测结电阻的方法，可以将本技术的隧道效应磁电阻器件制成四端器件或两端器件。在底电极层和顶电极层上各引出两条导电引线，即形成四端器件。已知大小的电流(例如由恒流源供给的电流)流经底电极和顶电极的一组引线时，检测另一组引线上的电压信号，就得到结电阻的值。在底电极层和顶电极层上各引出一条导电引线，即形成两端器件。已知大小的电压(例如由恒压源供给的电压)施加在两个电极层的引线上，测量流经引线的电流信号，也可以得到结电阻的值。)隧道效应磁电阻器件采用以下步骤制备的；1)首先取一SrTiO3、MgO、Al2O3或Si片，在其上采用常规的溅射方法顺序生长反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的钉扎层、铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的底电极层、钙钛矿型氧化物的势垒层和铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的顶电极层制成多层膜片；2)采用甩胶机在多层膜上覆盖一层光刻胶薄膜，然后以一块玻璃基底的掩膜进行遮挡，在曝光机下进行曝光。经NaOH溶液进行显影后，即制成图形与用作遮挡的玻璃基掩膜相同的光刻胶掩膜；3)将表面上覆盖有光刻胶掩膜的多层膜置于离子刻蚀设备的真空腔体中，进行离子刻蚀，对刻蚀深度的控制以刻透钉扎层之上的三层膜作为标准，经刻蚀后，得到与用作遮挡的玻璃基掩膜反相的器件图形。4)将刻蚀后的多层膜置于磁控溅射真空镀膜设备中，采用纯石英靶材，在射频溅射条件下沉积SiO2层。然后在浸泡在丙酮中，去除光刻胶和光刻胶之上的SiO2层，并进行超声清洗；5)采用另一块玻璃基掩膜，重复上述制备光刻胶掩膜、离子刻蚀、沉积SiO2层和超声清洗各个步骤。其中对离子刻蚀深度的控制以刻透底电极层之上的两层膜作为标准；6)上述两次光刻工艺采用的玻璃基掩膜图形不同并且相互交错，因此两次离子刻蚀的交叉区域成为隧道结区。离子刻蚀露出顶电极层之下的底电极层，并被刻蚀成引线焊接区的形状。7)为了使引线与电极层之间形成良好的电接触，可以在引出导线之前在电极层上沉积一层贵金属。一种方法是在多层膜上沉积一层贵金属，采用一块玻璃基掩膜，在其上制备光刻胶掩，然后浸于碘的碘化钾溶液中进行湿刻，贵金属层被部分刻蚀去除，从而制成接触电极。另一种方法是采用一块玻璃基掩膜，在多层膜上制备一层光刻胶掩膜，在其上沉积一层贵金属，然后浸于丙酮中，在去除光刻胶的同时，也去除了光刻胶之上的贵金属层，剩下的部分贵金属层形成接触电极。在接触电极上引出导电引线。本技术的优点本技术制备的隧道效应磁电阻器件，一个电极层与相邻的钉扎层之间存在着交换耦合作用，其磁矩的转动为钉扎层的磁矩所钉扎，而另一个电极层的磁矩转动未受约束，成为自由层。因此提高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道效应磁电阻器件，包括一衬底，其上有一底电极层、势垒层和一个顶电极层，势垒层位于底电极层之上和顶电极层之下；其特征在于还包括一个位于衬底上的反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的钉扎层，该钉扎层位于底电极层与衬底之间；底电极层呈条状，两端是引线引出端；底电极层之上是呈方块状的势垒层和顶电极层，顶电极层的顶部是引线引出端；在势垒层和顶电极层的周围是SiO2隔离层；从底电极层和顶电极层的引线引出端各引出一根导电引线或各引出两根导电引线。2.按权利要求1所述的隧道效应磁电阻器件，其特征在于还包括导电引线分别直接固定在顶电极层和底电极层的导电引出端之上。3.按权利要求1所述的隧道效应磁电阻器件，其特征在于还包括在底电极层的导线引出端上有贵金属材料的接触电极，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵柏儒，蔡纯，龚伟志，许波，张福昌，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：实用新型
国别省市：