一种隧道磁电阻及其制造方法

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，具体涉及一种隧道磁电阻及其制造方法。

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。

目前常用的具有涡旋磁化效应的隧道磁电阻普遍存在的问题是涡旋磁化初始状态不稳定，容易受到外界环境的变化从而导致磁化曲线的漂移，涡旋磁化曲线热稳定性和磁稳定性较差，在外加磁场或者外界温度变化的情况下磁性曲线容易漂移，不能很好的回到初始状态，从而导致器件性能失效或者工作不稳定。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中隧道磁电阻涡旋磁化初始状态不稳定、容易受到外界环境的变化从而导致磁化曲线的漂移的问题，从而提供一种隧道磁电阻及其制造方法。

本发明提供一种隧道磁电阻，包括：第一钉扎层；与所述第一钉扎层相对设置的自由层；位于所述第一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第二钉扎层。

可选的，所述第二钉扎层的钉扎场方向垂直于第二钉扎层和隧穿势垒层相对的表面。

可选的，所述第二钉扎层的材料包括IrMn或PtMn。

可选的，所述第二钉扎层的厚度为6nm～12nm。

可选的，所述自由层为复合结构，所述自由层包括层叠的第一自由子层和第二自由子层，所述第一自由子层位于所述第二自由子层和所述隧穿势垒层之间。

可选的，所述自由层还包括：位于所述第一自由子层和所述第二自由子层之间的间隔层。

可选的，所述间隔层的材料包括Ta。

可选的，所述间隔层的厚度为0.1nm～0.5nm。

可选的，所述第一自由子层的材料包括CoFeB；所述第二自由子层的材料包括NiFe。

可选的，所述第一自由子层的厚度为1nm～3.5nm；所述第二自由子层的厚度为30nm～60nm。

可选的，所述第一钉扎层包括：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，所述第一子钉扎膜、所述第二子钉扎膜、所述第三子钉扎膜和所述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；所述第一子钉扎膜的材料包括CoFeB；所述第二子钉扎膜的材料包括Ru；所述第三子钉扎膜的材料包括CoFe；所述第四子钉扎膜的材料包括IrMn或PtMn。

可选的，所述第一子钉扎膜的厚度为2nm～3nm；所述第二子钉扎膜的厚度为0.7nm～0.9nm；所述第三子钉扎膜的厚度为1.8nm～2.2nm；所述第四子钉扎膜的厚度为7nm～20nm。

本发明还提供一种隧道磁电阻的制造方法，用于形成本发明的隧道磁电阻，包括如下步骤：形成第一钉扎层；在第一钉扎层上形成隧穿势垒层；在所述隧穿势垒层背向所述第一钉扎层的一侧形成自由层；在所述自由层背向所述隧穿势垒层的一侧形成第二钉扎层。

可选的，形成所述自由层的方法包括：在所述隧穿势垒层背向所述第一钉扎层的一侧形成第一自由子层；在所述第一自由子层背向所述隧穿势垒层的一侧形成第二自由子层。

可选的，形成所述自由层的方法还包括：在形成第一自由子层的步骤和形成第二自由子层的步骤之间，形成间隔层

本发明的技术方案具有以下有益效果：

1.本发明提供的隧道磁电阻，包括：第一钉扎层；与所述第一钉扎层相对设置的自由层；位于所述第一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第二钉扎层。第二钉扎层可以为自由层提供一个较弱的交换偏置场，在外界环境温度或者外磁场移除之后，交换偏置场可以钉扎自由层在初始状态下的方向上，从而避免了隧道磁电阻涡旋磁化初始状态不稳定、容易受到外界环境的变化从而导致磁化曲线的漂移的问题，具有稳定自由层及增加自由层温度稳定性的作用。

2.进一步，第二钉扎层的钉扎场方向垂直于第二钉扎层和隧穿势垒层相对的表面。第二钉扎层可以为自由层提供一个垂直于第二钉扎层和隧穿势垒层相对的表面的较弱的交换偏置场，交换偏置场与隧道磁电阻工作时的外加磁场形成的合磁矩与交换偏置场具有一定的夹角，使自由层在磁化方向上的磁晶各向异性场大于退磁场，因此，磁涡旋效应保持在稳定状态。

3.进一步，自由层为复合结构，自由层包括层叠的第一自由子层和第二自由子层。采用双层自由层可以增大自由层在磁化方向上的磁晶各向异性场的大小，调节自由层的稳定性。

4.进一步，第二自由子层的厚度为30nm～60nm，采用较厚的第二自由子层使第二钉扎层不能完全钉扎第二自由子层，使自由层的磁矩方向可以随外磁场方向的改变而改变，在外磁场去除后，自由层的磁矩方向可以恢复到初始状态的方向上。

5.进一步，间隔层位于第一自由子层和第二自由子层之间。间隔层可以阻止第一自由子层和第二自由子层之间相互扩散，可以增加自由层的温度稳定性。

6.进一步，第一钉扎层包括：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自由层至隧穿势垒层的方向上依次层叠。第一子钉扎膜、第二子钉扎膜和第三子钉扎膜的组合为铁磁层，第四子钉扎膜为反铁磁层，铁磁层在反铁磁层的耦合下磁矩方向被固定不随外磁场方向改变而改变，铁磁层和反铁磁层形成具有固定磁矩方向的第一钉扎层。

7.本发明提供的隧道磁电阻的制造方法，在自由层背向隧穿势垒层的一侧形成第二钉扎层。第二钉扎层可以为自由层提供较弱的交换偏置场，在外界环境温度或者外磁场移除之后，交换偏置场可以钉扎自由层在初始状态下的方向上，从而避免了隧道磁电阻涡旋磁化初始状态不稳定、容易受到外界环境的变化从而导致磁化曲线的漂移的问题，具有稳定自由层及增加自由层温度稳定性的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施方式，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10为本发明一实施例提供的隧道磁电阻形成过程的结构示意图；

图10为本发明一实施例提供的隧道磁电阻的结构示意图；

图11为本发明一实施例提供的隧道磁电阻的磁化曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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。

在本发明的描述中，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发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明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。

本发明提供一种隧道磁电阻的制造方法，包括如下步骤：形成第一钉扎层；在第一钉扎层上形成隧穿势垒层；在所述隧穿势垒层背向所述第一钉扎层的一侧形成自由层；在所述自由层背向所述隧穿势垒层的一侧形成第二钉扎层。

图1至图10为本发明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1。

基板1可以是硅基板或者玻璃基板。

请参考图2，在基板1一侧的表面上形成隔离层2。

隔离层2的材料包括Al

请参考图3，在隔离层2背向基板1一侧的表面上形成种子层3。

具体的，种子层3为至少由第一子种子层和第二子种子层组合形成的复合种子层。第一子种子层位于隔离层2背向基板1一侧的表面上，第二子种子层位于第一子种子层背向隔离层2一侧的表面上，也就是，第一子种子层位于隔离层2和第二子种子层之间。

第一子种子层的材料为Ta，第一子种子层的厚度为5nm～20nm，例如，可以是5nm、10nm、15nm或者20nm。

第二子种子层的材料为Ru，第二子种子层的厚度为5nm～20nm，例如，可以是5nm、10nm、15nm或者20nm。

采用复合种子层使第一钉扎层4生长的表面粗糙度更小，更有利于第一钉扎层4薄膜的生长。

请参考图4，在种子层3背向隔离层2一侧的表面上形成第一钉扎层4。

本实施例中，形成第一钉扎层4的步骤包括：在种子层3背向隔离层2一侧的表面上形成第四子钉扎膜404；在第四子钉扎膜404背向种子层3一侧的表面上形成第三子钉扎膜403；在第三子钉扎膜403背向第四子钉扎膜404一侧的表面上形成第二字钉扎膜402；在第二子钉扎膜402背向第三子钉扎膜403一侧的表面上形成第一子钉扎膜401。

在一个实施例中，第四子钉扎膜404的材料包括IrMn或PtMn，第四子钉扎膜404的厚度为7nm～20nm，例如，可以是7nm、10nm、15nm或者20nm。

在一个实施例中，第三子钉扎膜403的材料包括CoFe，第三子钉扎膜403的厚度为1.8nm～2.2nm，例如，可以是1.8nm、2nm或者2.2nm。

在一个实施例中，第二子钉扎膜402的材料包括Ru，第二子钉扎膜402的厚度为0.7nm～0.9nm，例如，可以是0.7nm、0.8nm或者0.9nm。

在一个实施例中，第一子钉扎膜401的材料包括CoFeB，第一子钉扎膜401的厚度为2nm～3nm，例如，可以是2nm、2.5nm或者3nm。

在一个实施例中，第一子钉扎膜401、第二子钉扎膜402、第三子钉扎膜403组合为铁磁层，第四子钉扎膜404为反铁磁层。

本实施例中，第一钉扎层4的磁矩方向平行于种子层3和隔离层2相对的表面，或者垂直于种子层3和隔离层2相对的表面。

请参考图5，在第一钉扎层4背向种子层3的一侧形成隧穿势垒层5。

隧穿势垒层5的材料包括MgO。

隧穿势垒层5的厚度为0.5nm～1.5nm，例如，可以是0.5nm、1nm、1.2nm或1.5nm。

请参考图6，在隧穿势垒层5背向第一钉扎层4一侧的表面上形成第一自由子层601。

第一自由子层601的材料包括CoFeB，第一自由子层601的厚度为1nm～3.5nm，例如，可以是1nm、2nm、3nm或者3.5nm。

请参考图7，在第一自由子层601背向隧穿势垒层5一侧的表面上形成间隔层603。

间隔层603的材料包括Ta，间隔层603的厚度为0.1nm～0.5nm，例如，可以是0.1nm、0.2nm、0.4nm或者0.5nm。

请参考图8，在间隔层603背向第一自由子层601一侧的表面上形成第二自由子层602。

第二自由子层602的材料包括NiFe，第二自由子层602的厚度为30nm～60nm，例如，可以是30nm、40nm、50nm或者60nm。

本实施例采用较厚的第二自由子层602，使第二钉扎层7不能完全钉扎第二自由子层602，使自由层6的磁矩方向可以随外磁场方向的改变而改变，在外磁场去除后，自由层6的磁矩方向可以恢复到初始状态的方向上。若第二自由子层602的厚度太薄，会使第二自由子层602受到较强的第二钉扎层7钉扎作用，不能使第二自由子层602的磁矩方向可以随外磁场方向的改变而改变，若第二自由子层602的厚度太厚，会使第一自由子层601不能受到第二钉扎层7钉扎作用，不能较好的稳定自由层6。

本实施例中，自由层6为复合结构，自由层6包括层叠的第一自由子层601、第二自由子层602和间隔层603。

采用双层自由层可以增大自由层6在磁化方向上的磁晶各向异性场的大小，调节自由层6的稳定性。

间隔层603可以阻止第一自由子层601和第二自由子层602之间相互扩散，可以增加自由层6的温度稳定性。若间隔层603的厚度太小，难以阻止第一自由子层601和第二自由子层602之间相互扩散，若间隔层603的厚度太大，使第二自由子层602的钉扎场难以穿过间隔层603对第一自由子层601钉扎，使自由层6不能成为一个整体的复合结构。

请参考图9，在第二自由子层602背向间隔层603一侧的表面上形成第二钉扎层7。

第二钉扎层7为自由层6提供一个较弱的交换偏置场，具体的，在退火磁化过程时，沿垂直于第一钉扎层和隧穿势垒层相对的表面的方向上施加外加磁场，退火磁化完成后，第二钉扎层可以为自由层提供一个垂直于第二钉扎层和隧穿势垒层相对的表面的较弱的交换偏置场。

交换偏置场与隧道磁电阻工作时的外加磁场形成的合磁矩与交换偏置场具有一定的夹角θ，由系统能量密度E

第二钉扎层7的材料包括IrMn或PtMn。

第二钉扎层7的厚度为6nm～12nm，例如，可以是6nm、8nm、10nm或者12nm；在6nm～12nm厚度范围内，交换偏置场随第二钉扎层7的厚度增加而减小。如果第二钉扎层7的厚度过大会导致交换偏置场过小，如果第二钉扎层7的厚度过小也会导致交换偏置场过小或者没有交换偏置场，因此第二钉扎层7的厚度根据需求交换偏置场的大小进行合理选择。

本实施例中，第二钉扎层7可以为第一自由子层601和第二自由子层602提供一个较弱的交换偏置场，在外界环境温度或者外磁场移除之后，交换偏置场可以钉扎第一自由子层601和第二自由子层602在初始状态下的方向上。

请参考图10，在第二钉扎层7背向间隔层603一侧的表面上形成覆盖层8。

覆盖层8的材料包括Ta或Ru，覆盖层8的厚度为5nm～10nm，例如，可以是5nm、6nm、8nm或者10nm。

本发明提供的隧道磁电阻的制造方法，在自由层背向隧穿势垒层的一侧形成第二钉扎层。第二钉扎层可以为自由层提供一个垂直于第二钉扎层和隧穿势垒层相对的表面的较弱的交换偏置场，在外界环境温度或者外磁场移除之后，交换偏置场可以钉扎自由层在初始状态下的方向上，从而避免了隧道磁电阻涡旋磁化初始状态不稳定、容易受到外界环境的变化从而导致磁化曲线的漂移的问题，具有稳定自由层及增加自由层温度稳定性的作用。

本实施例还提供一种隧道磁电阻，请参考图10，包括：第一钉扎层4；与所述第一钉扎层4相对设置的自由层6；位于所述第一钉扎层4和所述自由层6之间的隧穿势垒层5；位于所述自由层6背向所述隧穿势垒层5一侧的第二钉扎层7。

隧道磁电阻还包括基板1，基板1位于第一钉扎层4背向隧穿势垒层5的一侧。

基板1可以是硅基板或者玻璃基板。

在本实施例中，隧道磁电阻还包括位于基板1和第一钉扎层4之间的隔离层2和种子层3，隔离层2和种子层3在自基板1至第一钉扎层4的方向上依次层叠，也就是，隔离层2位于基板1和种子层3之间，种子层3位于隔离层2和第一钉扎层4之间。

隔离层2的材料包括Al

种子层3为至少由第一子种子层和第二子种子层组合形成的复合种子层。第一子种子层位于隔离层2背向基板1一侧的表面上，第二子种子层位于第一子种子层背向隔离层2一侧的表面上，也就是，第一子种子层位于隔离层2和第二子种子层之间。

第一子种子层的材料为Ta，第一子种子层的厚度为5nm～20nm，例如，可以是5nm、10nm、15nm或者20nm。

第二子种子层的材料为Ru，第二子种子层的厚度为5nm～20nm，例如，可以是5nm、10nm、15nm或者20nm。

采用复合种子层使第一钉扎层4生长的表面粗糙度更小，更有利于第一钉扎层4薄膜的生长。

第一钉扎层4包括：第一子钉扎膜401、第二子钉扎膜402、第三子钉扎膜403和第四子钉扎膜404，所述第一子钉扎膜401、所述第二子钉扎膜402、所述第三子钉扎膜403和所述第四子钉扎膜404在自所述自由层6至所述隧穿势垒层5的方向上依次层叠。

在一个实施例中，第四子钉扎膜404的材料包括IrMn或PtMn，第四子钉扎膜404的厚度为7nm～20nm，例如，可以是7nm、10nm、15nm或者20nm。

在一个实施例中，第三子钉扎膜403的材料包括CoFe，第三子钉扎膜403的厚度为1.8nm～2.2nm，例如，可以是1.8nm、2nm或者2.2nm。

在一个实施例中，第二子钉扎膜402的材料包括Ru，第二子钉扎膜402的厚度为0.7nm～0.9nm，例如，可以是0.7nm、0.8nm或者0.9nm。

在一个实施例中，第一子钉扎膜401的材料包括CoFeB，第一子钉扎膜401的厚度为2nm～3nm，例如，可以是2nm、2.5nm或者3nm。

在一个实施例中，第一子钉扎膜401、第二子钉扎膜402、第三子钉扎膜403组合为铁磁层，第四子钉扎膜404为反铁磁层。

本实施例中，第一钉扎层4的磁矩方向平行于种子层3和隔离层2相对的表面，或者垂直于种子层3和隔离层2相对的表面。

隧穿势垒层5的材料包括MgO。

隧穿势垒层5的厚度为0.5nm～1.5nm，例如，可以是0.5nm、1nm、1.2nm或1.5nm。

本实施例中，自由层6为复合结构，自由层6包括层叠的第一自由子层601、第二自由子层602和间隔层603。

第一自由子层601位于隧穿势垒层5背向第一钉扎层4一侧的表面上。

第一自由子层601的材料包括CoFeB，第一自由子层601的厚度为1nm～3.5nm，例如，可以是1nm、2nm、3nm或者3.5nm。

第二自由子层602位于第二钉扎层7和间隔层603之间。

第二自由子层602的材料包括NiFe，第二自由子层602的厚度为30nm～60nm，例如，可以是30nm、40nm、50nm或者60nm。

本实施例采用较厚的第二自由子层602使第二钉扎层7不能完全钉扎第二自由子层602，使自由层6的磁矩方向可以随外磁场方向的改变而改变，在外磁场去除后，自由层6的磁矩方向可以恢复到初始状态的方向上。若第二自由子层602的厚度太薄，会使第二自由子层602受到较强的第二钉扎层7钉扎作用，不能使第二自由子层602的磁矩方向可以随外磁场方向的改变而改变，若第二自由子层602的厚度太厚，会使第一自由子层601不能受到第二钉扎层7钉扎作用，不能较好的稳定自由层6。

间隔层603位于第一自由子层601和第二自由子层602之间。

间隔层603的材料包括Ta，间隔层603的厚度为0.1nm～0.5nm，例如，可以是0.1nm、0.2nm、0.4nm或者0.5nm。

采用双层自由层可以增大自由层6在磁化方向上的磁晶各向异性场的大小，调节自由层6的稳定性。

间隔层603可以阻止第一自由子层601和第二自由子层602之间相互扩散，可以增加自由层6的温度稳定性。若间隔层603的厚度太小，难以阻止第一自由子层601和第二自由子层602之间相互扩散，若间隔层603的厚度太大，使第二自由子层602的钉扎场难以穿过间隔层603对第一自由子层601钉扎，使自由层6不能成为一个整体的复合结构。

第二钉扎层7为自由层6提供一个较弱的交换偏置场。

具体的，第二钉扎层的磁矩方向垂直于第二钉扎层和隧穿势垒层相对的表面。第二钉扎层可以为自由层提供一个垂直于第二钉扎层和隧穿势垒层相对的表面的较弱的交换偏置场。

交换偏置场与隧道磁电阻工作时的外加磁场形成的合磁矩与交换偏置场具有一定的夹角θ，由系统能量密度E

第二钉扎层7的厚度为6nm～12nm，例如，可以是6nm、8nm、10nm或者12nm；在6nm～12nm厚度范围内，交换偏置场随第二钉扎层7的厚度增加而减小。如果第二钉扎层7的厚度过大会导致交换偏置场过小，如果第二钉扎层7的厚度过小也会导致交换偏置场过小或者没有交换偏置场，因此第二钉扎层7的厚度根据需求交换偏置场的大小进行合理选择。

本实施例中，第二钉扎层7可以为第一自由子层601和第二自由子层602提供一个较弱的交换偏置场，在外界环境温度或者外磁场移除之后，交换偏置场可以钉扎第一自由子层601和第二自由子层602在初始状态下的方向上。

在第二钉扎层7背向自由层6一侧的表面上设置有覆盖层8。

覆盖层8的材料包括Ta或Ru，覆盖层8的厚度为5nm～10nm，例如，可以是5nm、6nm、8nm或者10nm。

本发明另一实施例还提供一种隧道磁电阻，包括：第一钉扎层；与所述第一钉扎层相对设置的自由层；位于所述第一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第二钉扎层。

本实施例中，自由层为单层自由层，自由层的材料包括NiFe，自由层的厚度为30nm～60nm，例如，可以是30nm、40nm、50nm或者60nm。

其他与上述实施例相同的结构，此处不再一一赘述。

本发明另一实施例还提供一种隧道磁电阻的制作方法，包括如下步骤：形成第一钉扎层；在第一钉扎层上形成隧穿势垒层；在所述隧穿势垒层背向所述第一钉扎层的一侧形成自由层；在所述自由层背向所述隧穿势垒层的一侧形成第二钉扎层。

本实施例中，在形成隧穿势垒层之后，在隧穿势垒层背向第一钉扎层一侧的表面上形成自由层，自由层为单层自由层，自由层的材料包括NiFe，自由层的厚度为30nm～60nm，例如，可以是30nm、40nm、50nm或者60nm。

其他与上述实施例相同的步骤，此处不再一一赘述。

请参考图11，图11中的横轴为磁场强度，图11中的纵轴为TMR率，图11中曲线(a)为初始磁化曲线，曲线(b)为现有技术隧道磁电阻受到外加磁场或温度变化后移除外加条件的磁化曲线，相比初始磁化曲线(a)具有较大的漂移，漂移量通常超过5Gs或者具有更大的漂移量。曲线(c)为本发明提供的隧道磁电阻受外加磁场或温度变化后，去除了外加条件的磁化曲线，与初始磁化曲线(a)基本重合或只有极小的漂移量，漂移量小于0.5Gs。

本发明提供的隧道磁电阻，相比现有技术在自由层背向隧穿势垒层的一侧设置有第二钉扎层。第二钉扎层可以为自由层提供一个垂直于第二钉扎层和隧穿势垒层相对的表面的较弱的交换偏置场，在外界环境温度或者外磁场移除之后，交换偏置场可以钉扎自由层在初始状态下的方向上，从而避免了隧道磁电阻涡旋磁化初始状态不稳定、容易受到外界环境的变化从而导致磁化曲线的漂移的问题，具有稳定自由层及增加自由层温度稳定性的作用。

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发明创造的保护范围之中。