專利名稱:包括具有自旋靈敏度的稀磁半導體的隧道結勢壘層的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于自旋靈敏的電子和光學應用的磁隧道結(MTJ)器件。這些應用包括非易失性磁隨機存取存儲器(MRAM)、用于磁盤驅動器的磁致電阻讀頭、自旋閥/磁隧道晶體管、超快光學開關、以及具有極化調制輸出的發(fā)光器件?？砂ū景l(fā)明作為子系統(tǒng)的其他應用包括具有可變邏輯功能的邏輯器件和量子計算機。特別地，本發(fā)明使用具有自旋過濾功能的隧道勢壘來改善MTJ的屬性和性能。
背景技術：
磁隧道結(MTJ)是采用磁致電阻效應來調制電傳導的器件。MTJ器件包括通過絕緣勢壘層分隔開的兩鐵磁電極，該絕緣勢壘層制得足夠薄，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。大多數自旋分別與每個電極的磁化方向對齊。由于隧穿過程是自旋相關的，所以隧道電流的大小是兩個電極之間磁化的相對取向的函數。通過使用對磁場有不同響應的電極，磁化的相對取向可以通過適當強度的外磁場控制。通常，電極平行排列時隧道電流最大，而電極反平行排列時隧道電流最小。MTJ特別適用于在非易失性存儲器陣列例如MRAM中作為存儲單元以及適用于在例如用于磁記錄盤驅動器的磁致電阻讀頭中用作磁場傳感器。
信噪比對MTJ器件應用的性能是非常重要的。信號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。將信號定義為電壓輸出，信號的大小由Ib×ΔR給出，其中Ib是流過器件的恒定偏置隧道電流。關于噪聲，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于鐵磁電極的自旋極化以及后者的大小如何相關于絕緣勢壘的屬性。
高MR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。用這些材料可實現(xiàn)的最大自旋極化為約50％[2]。因此，對于具有自旋極化P＝50％的兩個電極，根據方程(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，且與目前所報導的情況相當。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。由于不斷增長的對更高MR效應的需求，已經進行了許多努力來超越此極限。例如，已經嘗試使用一些替代電極材料例如預言具有接近100％的自旋極化的所謂的半金屬鐵磁體，但是已經證實實踐上極難實現(xiàn)半金屬。
MTJ器件的電阻主要由絕緣隧穿勢壘層的電阻決定，因為電引線和鐵磁電極的電阻對器件電阻貢獻很小。因此，勢壘層電阻也是MTJ器件中噪聲的主要來源。此外，該電阻與器件的側面積(lateral area)的倒數成比例，因為電流垂直通過層平面。對于高密度應用例如MRAM陣列，這變得至關緊要，因為信噪比隨著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)。絕緣勢壘的RA乘積可以簡化地表達為 其中d是勢壘的厚度，是隧道勢壘高度(圖1(b))。為了清楚起見，恒量
從指數項省略。因此，電阻隨d和兩者呈指數地增大，為了減小MTJ電阻，必須使勢壘厚度和/或勢壘高度較小。對于MRAM應用，需要檢測器件的兩種信號狀態(tài)且500-1000Ωμm2的RA值產生可接受的信噪比。另一方面，對于磁致電阻讀頭應用，信號狀態(tài)的連續(xù)范圍必須是可檢測的且需要10Ωμm2或更小的RA值以與現(xiàn)有的金屬巨磁致電阻頭競爭。在現(xiàn)有技術中，MTJ中的絕緣勢壘層包括氧化鋁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。為了滿足以上RA范圍，證實氧化鋁勢壘厚度需要制得超薄，對于MRAM約1nm且對于讀頭約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壘層中量子點缺陷和/或細微針孔的形成。迫使氧化鋁勢壘厚度在此超薄狀況的主要原因是2.3-3eV的大勢壘高度，其與常規(guī)鐵磁電極材料一起形成。
因此，為了MTJ器件的進一步改善，必須找到增大自旋極化和減小勢壘電阻而不降低MR的方法?？紤]到上述限制，建議偏離常規(guī)MTJ結構作為適當的做法。

發(fā)明內容本發(fā)明是磁隧道結，其中現(xiàn)有技術氧化鋁隧穿勢壘層被具有較低勢壘高度且具有自旋過濾功能的鐵磁半導體構成的隧穿勢壘層所代替。因為由此將自旋靈敏度引入到勢壘層中，所以這允許現(xiàn)有技術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壘高度的自旋過濾勢壘(spin filter barrier)的MTJ器件保證了MR效應的增強，且具有可調電阻和更簡單的MTJ器件結果。雖然如上概述了本發(fā)明，但是本發(fā)明由所附權利要求
1-10定義。
為了進一步理解本發(fā)明的上述特征和額外特征，請結合附圖參考下面的詳細描述。
圖1a示出常規(guī)MTJ器件的剖視圖；圖1b示出圖1a所示MTJ器件的隧穿勢壘的對應能量圖；圖2a示出根據本發(fā)明的自旋過濾勢壘MTJ器件的剖視圖；圖2b示出圖2a所示自旋過濾勢壘MTJ器件的對應能量圖；圖3示出圖2所示MTJ器件中作為自旋過濾勢壘的能量劈裂的函數的計算極化效率。計算中，固定勢壘高度＝1eV被使用且分別對三種不同勢壘厚度d＝1、2和3nm計算極化效率。
圖4示出圖2所示MTJ器件中作為自旋過濾勢壘的能量劈裂的函數的計算極化效率。計算中，固定勢壘厚度d＝2nm被使用且分別對三種不同勢壘高度＝0.5、1和1.5eV計算極化效率。
具體實施方式由于電極的受限自旋極化和氧化鋁勢壘的高RA，常規(guī)MTJ器件提供小的進一步改善的空間。特別地，已經進行了許多努力來開發(fā)減小氧化鋁勢壘厚度至超薄狀態(tài)且保持勢壘均勻性的有效方法。已經表明這是非常困難的。本發(fā)明包括替代類型的MTJ器件結構，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)有技術的MTJ器件結構的剖視圖。多數情況下是Co的底鐵磁電極層(“被固定”層)一般生長在反鐵磁層(未示出)例如CoO上，反鐵磁層通過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外部施加的磁場不靈敏。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外磁場而容易地改變。以此方式，所述兩層之間的相對磁化取向可以被控制。勢壘在大多數情況下包括非晶氧化鋁的薄層。電引線連接到低和頂電極層，電流垂直流過所述層。此器件中的MR效應表現(xiàn)為電阻根據頂“自由”層和底“被固定”層之間相對磁化取向的改變。
圖2(a)示出本發(fā)明的MTJ器件結構的剖視圖。該器件包括夾在底非磁電極和頂鐵磁電極之間的自旋過濾隧穿勢壘。該非磁電極由任何導電材料構成且不限于金屬。該頂鐵磁“自由”層電極包括軟磁材料，其中可通過外磁場容易地操縱磁化。自旋過濾勢壘材料可包括摻雜以金屬元素的寬帶隙半導體，該金屬元素在本征非磁的半導體宿主晶體中誘發(fā)鐵磁性。這些類型的材料被稱為稀磁半導體。與常規(guī)MTJ器件相反，“被固定”層由自旋過濾勢壘代表且MR效應表現(xiàn)為電阻根據頂“自由”層與勢壘之間的相對磁化取向的改變。下面，將更詳細地描述鐵磁半導體勢壘的屬性。
半導體晶體中的鐵磁性由金屬雜質之間的自旋極化電荷載流子引起。這導致導帶的自旋相關能量劈裂。換言之，一個自旋取向與相反自旋取向相比導帶邊緣較低。當MTJ器件中包括鐵磁半導體作為勢壘層時，此情形由圖2(b)的能量圖示出。圖中，平均高度為的勢壘劈裂為由能量2δ分隔開的兩個自旋相關子帶。現(xiàn)在，將從一個電極隧穿到另一電極的電荷載流子面對兩個不同的勢壘高度，一個針對自旋向上，一個針對自旋向下。由于隧穿過程靈敏地取決于勢壘高度，所以導帶的劈裂極大地增大了自旋向上電子的隧穿或然率。與用于未極化勢壘的方程(2)給出的勢壘電阻不同，自旋過濾勢壘電阻變?yōu)榉殖蓛蓚€自旋分量 以與定義鐵磁體的自旋極化P類似的方式[1]，自旋過濾勢壘的極化效率PB可以寫為PB=(RA⇓-RA⇑)/(RA⇓+RA⇑)---(4)]]>為了估計極化效率，自旋過濾勢壘將以包括ZnO作為寬帶隙(Eg＝3.2eV)半導體宿主以及誘發(fā)鐵磁性的金屬元素(ME)的鐵磁半導體作為示例。此鐵磁半導體在下面將稱為ZnMEO。也可使用其他磁半導體材料。
圖3-4示出對于各種勢壘參數利用方程4計算的作為能量劈裂2δ的函數的極化效率PB。圖3中，勢壘高度固定在1eV，這代表金屬接觸和寬帶隙半導體之間的一般勢壘高度，勢壘厚度d在1和3nm之間變化。圖4中，勢壘厚度d固定在2nm，勢壘高度在0.5和1.5eV之間變化。簡要地概括圖3和4的結果，極化效率隨著增大的勢壘厚度和減小的勢壘高度而增大。ZnMEO中能量劈裂的實際值取決于所使用的ME的類型和摻雜水平。由于在這些類型的材料中室溫鐵磁性的新發(fā)現(xiàn)，目前沒有報導的值可以得到。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類似的材料類。在EuS中，導帶的自旋相關能量劈裂為360meV[5]。假定ZnMEO中的能量劈裂僅為EuS的一半，即180eV，且使用1eV的勢壘高度，對于2nm厚的ZnMEO自旋過濾勢壘，根據圖3，極化效率為約73％。為了估計圖1中實現(xiàn)的本發(fā)明表現(xiàn)的MR，請參考方程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壘層中。因此，方程1中的項P2由自旋過濾效率PB替代。使用PB＝73％，根據前述估計，且對于高度自旋極化頂電極P1＝50％，獲得115％的MR比值。
本發(fā)明的自旋過濾器件預言的超過100％的MR比值極大地超過了報導的常規(guī)MTJ器件的最高MR比值(達60％)。此外，由于圖2實現(xiàn)的隧穿勢壘包括寬帶隙半導體，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)有技術所使用的氧化鋁絕緣體。以此方式，避免了超薄勢壘厚度狀況。據估計，ZnMEO勢壘將以氧化鋁勢壘厚度兩倍以上的厚度呈現(xiàn)與氧化鋁匹配的RA值。此估計得到了近來對ZnSe勢壘層的報導的支持，ZnSe是與ZnO類似的另一寬帶隙半導體，具有2.8eV的帶隙[6]。因此，圖2中實現(xiàn)的本發(fā)明，具有前面參照圖3-4所描述的特征，滿足改善MTJ器件應用例如MRAM陣列和磁致電阻讀頭中對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。
反轉鐵磁半導體例如ZnMEO中的磁化方向所需的磁場強度(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數量級左右。這表明本發(fā)明中的自旋過濾勢壘層不需要通過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。這極大地簡化了MTJ器件結構。此外，與現(xiàn)有技術鐵磁底電極對比，非磁底電極的使用開闊了導電材料的選擇范圍。這包括金屬導體例如Cu、Al或Au，以及簡并半導體。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技術的重要相容性。許多報導已經證實通過各種沉積技術在Si晶片襯底上獲得了良好質量的薄的連續(xù)ZnO膜。另一示例提供了非常引人注目的通過使用簡并ZnAlO作為底電極層外延ZnMEO勢壘層的可能。ZnAlO是經常在太陽能電池應用中用作導體的半金屬，且與ZnMEO具有非常好的晶體匹配。
參考文獻[1]M.Julliere，Phys.Lett.54A，225(1975)[2]R.Meservey，and P.M.Tedrow，Phys.Rep.238，173(1994)[3]Y.Ji，G.J.Strijkers，F(xiàn).Y.Yang，C.L.Chien，J.M.Byers，A.Anguelouch，G.Xiao，and A.Gupta，Phys.Rev.Lett.86，5585(2001)[4]W.E.Pickett，and J.S.Moodera，Phys.Today 5，39(2001)[5]A.Mauger，and C.Godart，Phys.Rep.141，51(1986)[6]X.Jiang，A.F.Panchula，and S.S.P.Parkin，Appl.Phys.Lett.83，5244(2003)
權利要求
1.一種具有隧穿勢壘層的磁隧道結，其特征在于所述隧穿勢壘層包括具有自旋靈敏度的稀磁半導體。
2.如權利要求
1所述的磁隧道結，包括耦合到底電極的底引線，該底電極耦合到稀磁半導體，該稀磁半導體耦合到頂電極，該頂電極耦合到頂引線，其特征在于，所述底電極是非磁的。
3.如權利要求
2所述的磁隧道結，其特征在于，所述底電極包括n型Si。
4.如權利要求
2所述的磁隧道結，其特征在于，所述底電極包括簡并ZnAlO。
5.如權利要求
1所述的磁隧道結，其特征在于，所述隧道結包括自旋過濾器件，其具有超過60％的磁致電阻(MR)比值。
6.如權利要求
1所述的磁隧道結，其特征在于，所述稀磁半導體是超過2.7eV的寬帶隙半導體。
7.如權利要求
6所述的磁隧道結，其特征在于，所述稀磁半導體包括ZnMEO。
8.一種部件，其特征在于它包括根據權利要求
1-6的任一項所述的磁隧道結。
9.如權利要求
8所述的部件，其特征在于它實現(xiàn)為下列部件中的任一種非易失性磁隨機存取存儲器(MRAM)、用于磁盤驅動器的磁致電阻讀頭、自旋閥/磁隧道晶體管、超快光學開關、具有極化調制輸出的發(fā)光器件、邏輯處理器件。
10.一種計算機，其特征在于它包括根據權利要求
1-6的任一項的磁隧道結和/或根據權利要求
8-9的任一項的部件。
專利摘要
本發(fā)明提供一種具有隧穿勢壘層的磁隧道結，其中所述隧穿勢壘層包括具有自旋靈敏度的稀磁半導體。根據本發(fā)明該磁隧道結可包括耦合到底電極的底引線，該底電極耦合到稀磁半導體，該稀磁半導體耦合到頂電極，該頂電極耦合到頂引線，其中所述底電極是非磁的。本發(fā)明還提供采用根據本發(fā)明的磁隧道結的各種部件和計算機。
文檔編號H01L43/08GK1998084SQ20058001705
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月23日
發(fā)明者弗雷德里克·古斯塔夫森 申請人:Nm斯平特羅尼克公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan