磁隧道結(jié)制備工藝磁隧道結(jié)

磁隧道結(jié)（MTJ）是指在兩塊鐵磁薄片之間夾一層厚度約為0.1nm的極薄絕緣層，構(gòu)成所謂的結(jié)元件。在鐵磁材料中，由于量子力學(xué)交換作用，鐵磁金 屬的 3d軌道局域電子能帶發(fā)生劈裂，使費(fèi)米面附近自旋向上和向下的電子具有不同的能態(tài)密度。 在 MTJ中，TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān) 的隧穿效應(yīng)。MTJ的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層 /非磁絕緣 層 /鐵磁層(FM/I/FM) 的三明治結(jié)構(gòu)。飽和磁化時(shí)，兩鐵磁層的磁化方向互相平行，而通常兩鐵磁層的矯頑力不同，因此反向磁化時(shí)，矯頑力小的鐵磁層磁 化矢量首先翻轉(zhuǎn)，使得兩鐵磁層的磁化方向變成反 平行。電子從一個(gè)磁性層隧穿到另一個(gè)磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關(guān)。

用于制備微米、亞微米和納米磁性隧道結(jié)、磁性隧道結(jié)陣列、TMR磁讀出頭和MRAM方法有光刻和電子束曝光以及離子束刻蝕、化學(xué)反應(yīng)刻蝕、聚焦離子束刻蝕等，其中光刻技術(shù)結(jié)合離子束刻蝕是微加工工藝中具有較低成本、可大規(guī)模生產(chǎn)的首選工藝。因此研究光刻技術(shù)結(jié)合離子束刻蝕方法制備磁性隧道結(jié)，通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，制備出高質(zhì)量的微米和亞微米磁性隧道結(jié)具有很大的實(shí)際應(yīng)用意義。另外，在優(yōu)化制備磁性隧道結(jié)的工藝條件時(shí)，金屬掩模法仍具有低成本、省時(shí)省力、見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)。一般情況下，利用狹縫寬度為60-100μm的金屬掩模法從制備磁性隧道結(jié)樣品到完成TMR測(cè)試，只須3-6h因此金屬掩模法制備磁性隧道結(jié)，既可用于快速優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和工藝條件，也可以作為采用復(fù)雜工藝和技術(shù)制備微米、亞微米或納米磁性隧道結(jié)之前的預(yù)研制方法。

利用金屬掩模法制備磁性隧道結(jié)，既可用于快速優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和工藝條件，又可以作為采用復(fù)雜工藝和技術(shù)制備微米、亞微米或納米磁性隧道結(jié)之前的預(yù)研制方法。而采用光刻技術(shù)中的刻槽和打孔方法及去膠掀離方法制備的磁性隧道結(jié)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砗罂梢垣@得較高的TMR、較低的RS值以及較小的反轉(zhuǎn)場(chǎng)和較高的偏置場(chǎng)。這樣的隧道結(jié)，可以用于制備MRAM的存儲(chǔ)單元或其他磁敏傳感器的探測(cè)單元。

磁隧道結(jié)制備工藝光刻膠及光刻工藝

光刻膠是一種耐蝕刻的薄膜材料。光刻膠在紫外光源輻射之后，溶解度會(huì)與未曝光時(shí)不同。硅基電路制備中，光刻膠以液態(tài)狀態(tài)旋涂在樣片上，而后烘干揮發(fā)去除溶劑成為光刻膠膜。光刻膠的主要作用，是將掩膜板圖形轉(zhuǎn)移到樣片上旋涂的光刻膠上，以及用于做隔離層保護(hù)其他材料，例如刻蝕等。光刻膠的質(zhì)量決定了加工的線寬，也就是制造精度。

在光學(xué)實(shí)驗(yàn)的曝光過(guò)程中，為了達(dá)到圖形轉(zhuǎn)移的目的，必須將光照輻射在光敏材料上。在光學(xué)曝光的過(guò)程中，將材料性質(zhì)改變，在樣片的表面產(chǎn)生輻照?qǐng)D形。這樣，光刻板上的目標(biāo)圖案就被復(fù)制到了樣片上。正性光刻膠在和顯影液的反應(yīng)中，受到光照輻射的部分溶解速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未受到光照輻射的部分。而負(fù)性光刻膠反之，在顯影液中沒(méi)有受到光照輻射的區(qū)域被溶解掉，受到光照輻射的部分被保留。正性光刻膠相對(duì)于負(fù)性光刻膠，優(yōu)點(diǎn)是生成圖形分辨率高，覆蓋臺(tái)階能力較強(qiáng)，遺留殘膠的情況較少等。相比后者，前者在實(shí)驗(yàn)中有著更廣泛的應(yīng)用。

磁隧道結(jié)制備工藝濺射工藝

具體的濺射工藝包括很多種類。各種類型的濺射工藝可以單獨(dú)使用，也可以根據(jù)使用的條件和要求，結(jié)合使用。

磁控濺射是現(xiàn)代手段中比較先進(jìn)的濺射方法，其淀積速率較高，工作氣體壓力較低，相比其他方法有著極大的優(yōu)越性。如圖《磁控濺射原理圖》是磁控濺射原理圖。濺射靶的表面上方的電場(chǎng)，和磁場(chǎng)方向相互垂直，這樣可以將電子的軌跡限制在濺射靶的表面附近。從而，電子碰撞的效率和電離的效率都較高，不會(huì)去轟擊陽(yáng)極襯底。在實(shí)際的濺射儀設(shè)計(jì)中，濺射靶的后方會(huì)放置一個(gè)永久磁體線圈，這樣就實(shí)現(xiàn)了從濺射靶表面穿出磁力線。最后，變成與電場(chǎng)方向垂直的方向返回靶材表面。圖中帶箭頭的線條就是磁力線的方向。

一般的濺射淀積方法淀積速率低和工作氣壓高的缺點(diǎn)。在較低的氣壓下，濺射原子被散射的幾率減小，從而減少了成膜的污染，提高了如射到襯底表面的原子的能量。所以磁控濺射方法比一般濺射方法的濺射速率高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且成膜質(zhì)量相對(duì)一般濺射方法也有著較大的改善。

磁隧道結(jié)制備工藝剝離工藝

剝離工藝有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)，其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單方便，易于操作。并且，剝離工藝避免了干法刻蝕和濕法刻蝕中，腐蝕劑對(duì)樣片的站污和損壞。當(dāng)然，剝離工藝也存在其缺點(diǎn)。剝離工藝過(guò)程中存在的最大問(wèn)題就是側(cè)壁材料。由于材料淀積后，剝離過(guò)程不會(huì)把圖形邊緣的側(cè)壁材料一同剝離掉，所以所得的圖形容易存在邊緣整齊的問(wèn)題。另外，剝離工藝也存在著隨著犧牲層的去除，離開(kāi)樣品表面的目標(biāo)材料重新附著在樣片上，以及由于犧牲層和溶劑反應(yīng)不佳，導(dǎo)致的犧牲層難以剝離掉的情況。 2100433B

磁隧道結(jié)是指在兩塊鐵磁薄片之間夾一層厚度約為0.1nm的極薄絕緣層，構(gòu)成所謂的結(jié)元件。在鐵磁材料中，由于量子力學(xué)交換作用，鐵磁金屬的3d軌道局域電子能帶發(fā)生劈裂，使費(fèi)米（Fermi）面附近自旋向上和向下的電子具有不同的能態(tài)密度。 在磁隧道結(jié)中，TMR（隧穿磁電阻）效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。磁隧道結(jié)的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層 /非磁絕緣層 /鐵磁層（FM/I/FM）的三明治結(jié)構(gòu)。飽和磁化時(shí)，兩鐵磁層的磁化方向互相平行，而通常兩鐵磁層的矯頑力不同，因此反向磁化時(shí)，矯頑力小的鐵磁層磁 化矢量首先翻轉(zhuǎn)，使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個(gè)磁性層隧穿到另一個(gè)磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關(guān)。

氧化鎂磁隧道結(jié)是指以氧化鎂為絕緣勢(shì)壘層的磁隧道結(jié)。

1995年以非晶三氧化二鋁為絕緣勢(shì)壘層，分別以多晶Fe或CoFe作為鐵磁層，室溫下TMR值約為20%。2004年以CoFeB作為鐵磁電極層使得TMR值升至70%，2001年Butle等 通過(guò)ab inito理論計(jì)算，預(yù)測(cè)在Fe(001)/Mg0(001)/Fe(001)磁隧道結(jié)中通過(guò)相干隧穿TMR值可達(dá)1000%以上。2004年，Yuasa等 在分子束外延制每的Fe(001)/Mg0(001)/Fe(001)磁隧道結(jié)中得到了88%的TMR值。隨后，Djayaprawira等 用磁控濺射法制備出CoFeB/Mg0/CoFeB磁隧道結(jié)，其TMR值大于200%，2007年Lee等 在磁控濺射CoFeB/Mg0/CoFeB的磁隧道結(jié)中得到高達(dá)500寫(xiě)的室溫TMR值，5K時(shí)TMR值可達(dá)1010%，氧化鎂磁隧道結(jié)因其巨大的磁電阻效應(yīng)引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，對(duì)氧化鎂磁隧道結(jié)磁電阻效應(yīng)的研究無(wú)論是在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用中都具有重大意義。

繼續(xù)摸索中間絕緣層的生長(zhǎng)工藝，并利用各種微電子加工技術(shù)，制備出磁場(chǎng)電阻高、結(jié)電阻低、重復(fù)率好的優(yōu)質(zhì)單勢(shì)壘磁隧道結(jié)材料。深入研究磁隧道結(jié)的偏壓特性，運(yùn)用全量子力學(xué)模型，結(jié)合磁振子、聲子的激發(fā)及界面能級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)隧道結(jié)磁電阻隨偏壓變化的現(xiàn)象作出理論詮釋。制備雙勢(shì)壘磁隧道結(jié)或選擇自旋極化率符號(hào)相反的鐵磁電極材料，研究反常隧道磁電阻現(xiàn)象及其隨外加偏壓的變化。 2100433B