磁隧道結制備工藝磁隧道結制備工藝簡介

用于制備微米、亞微米和納米磁性隧道結、磁性隧道結陣列、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、化學反應刻蝕、聚焦離子束刻蝕等，其中光刻技術結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。因此研究光刻技術結合離子束刻蝕方法制備磁性隧道結，通過優(yōu)化實驗條件，制備出高質量的微米和亞微米磁性隧道結具有很大的實際應用意義。另外，在優(yōu)化制備磁性隧道結的工藝條件時，金屬掩模法仍具有低成本、省時省力、見效快的優(yōu)點。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樣品到完成TMR測試，只須3-6h因此金屬掩模法制備磁性隧道結，既可用于快速優(yōu)化實驗和工藝條件，也可以作為采用復雜工藝和技術制備微米、亞微米或納米磁性隧道結之前的預研制方法。

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

磁隧道結（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，構成所謂的結元件。在鐵磁材料中，由于量子力學交換作用，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效應的產(chǎn)生機理是自旋相關 的隧穿效應。MTJ的一般結構為鐵磁層 /非磁絕緣 層 /鐵磁層(FM/I/FM) 的三明治結構。飽和磁化時，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，矯頑力小的鐵磁層磁 化矢量首先翻轉，使得兩鐵磁層的磁化方向變成反 平行。電子從一個磁性層隧穿到另一個磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關。

磁隧道結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，溶解度會與未曝光時不同。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，是將掩膜板圖形轉移到樣片上旋涂的光刻膠上，以及用于做隔離層保護其他材料，例如刻蝕等。光刻膠的質量決定了加工的線寬，也就是制造精度。

在光學實驗的曝光過程中，為了達到圖形轉移的目的，必須將光照輻射在光敏材料上。在光學曝光的過程中，將材料性質改變，在樣片的表面產(chǎn)生輻照圖形。這樣，光刻板上的目標圖案就被復制到了樣片上。正性光刻膠在和顯影液的反應中，受到光照輻射的部分溶解速度遠遠大于未受到光照輻射的部分。而負性光刻膠反之，在顯影液中沒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。正性光刻膠相對于負性光刻膠，優(yōu)點是生成圖形分辨率高，覆蓋臺階能力較強，遺留殘膠的情況較少等。相比后者，前者在實驗中有著更廣泛的應用。

磁隧道結制備工藝濺射工藝

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使用，也可以根據(jù)使用的條件和要求，結合使用。

磁控濺射是現(xiàn)代手段中比較先進的濺射方法，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，和磁場方向相互垂直，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，不會去轟擊陽極襯底。在實際的濺射儀設計中，濺射靶的后方會放置一個永久磁體線圈，這樣就實現(xiàn)了從濺射靶表面穿出磁力線。最后，變成與電場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。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數(shù)量級，而且成膜質量相對一般濺射方法也有著較大的改善。

磁隧道結制備工藝剝離工藝

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

磁隧道結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，構成所謂的結元件。在鐵磁材料中，由于量子力學交換作用，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。 在磁隧道結中，TMR（隧穿磁電阻）效應的產(chǎn)生機理是自旋相關的隧穿效應。磁隧道結的一般結構為鐵磁層 /非磁絕緣層 /鐵磁層（FM/I/FM）的三明治結構。飽和磁化時，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，矯頑力小的鐵磁層磁 化矢量首先翻轉，使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個磁性層隧穿到另一個磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關。

氧化鎂磁隧道結是指以氧化鎂為絕緣勢壘層的磁隧道結。

1995年以非晶三氧化二鋁為絕緣勢壘層，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ab inito理論計算，預測在Fe(001)/Mg0(001)/Fe(001)磁隧道結中通過相干隧穿TMR值可達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，其TMR值大于200%，2007年Lee等 在磁控濺射CoFeB/Mg0/CoFeB的磁隧道結中得到高達500寫的室溫TMR值，5K時TMR值可達1010%，氧化鎂磁隧道結因其巨大的磁電阻效應引起了人們越來越多的關注，對氧化鎂磁隧道結磁電阻效應的研究無論是在理論上還是在實際應用中都具有重大意義。

繼續(xù)摸索中間絕緣層的生長工藝，并利用各種微電子加工技術，制備出磁場電阻高、結電阻低、重復率好的優(yōu)質單勢壘磁隧道結材料。深入研究磁隧道結的偏壓特性，運用全量子力學模型，結合磁振子、聲子的激發(fā)及界面能級結構的變化，對隧道結磁電阻隨偏壓變化的現(xiàn)象作出理論詮釋。制備雙勢壘磁隧道結或選擇自旋極化率符號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