带有稳定层中无贵金属反铁磁的自旋阀器件的制作方法

1.各种实施例总体上涉及具有自旋阀层序列的器件和相应的制造方法。


背景技术：

2.自旋阀是一种基于两种(或多种)导电磁性材料互连的技术器件。当磁性层磁化的相对取向从反平行转换为平行时，整个系统(例如从底部到顶部)的电阻会发生数量级上可测的变化。
3.一些自旋阀结构复杂，这限制了使用自旋阀器件的吸引力。


技术实现要素：

4.可能需要提供一种能够以合理消耗来制造的自旋阀。
5.根据示例性实施例，实现了一种带有自旋阀层序列的器件，自旋阀层序列具有磁化方向可变的第一磁性层、磁化方向固定的第二磁性层和稳定层，该稳定层用于稳定第二磁性层的固定磁化方向，稳定层具有无贵金属反铁磁体。
6.根据另一个示例性实施例，提供了一种带有自旋阀层序列的器件，其中自旋阀层序列具有用于稳定磁性层的固定磁化方向的稳定层，并且其中稳定层包含氮化锰或由氮化锰组成。
7.根据另一个示例性实施例，提供了一种用于制造带有自旋阀层序列的器件的方法，该方法包括形成具有可变磁化方向的第一磁性层、形成具有固定磁化方向的第二磁性层，以及形成稳定层，该稳定层用于稳定第二磁性层的固定磁化方向，该稳定层被形成为无贵金属反铁磁体。
8.示例性实施例提供了自旋阀层序列，其可以具有磁化方向可变的磁性层和磁化方向可变的另一磁性层。稳定层使固定磁化方向在其磁性方面稳定，并且可以有利地使用无贵金属反铁磁体来制造稳定层。将氮化锰用于无贵金属反铁磁体是特别有利的。这种无贵金属反铁磁体可以用非常少的制造成本来形成，特别是通过使用简单的锰靶溅射。因此可以有利地取消昂贵的贵金属源(例如含有铱)。以这种方式，可以创建一个可以用合理消耗来制造的带有自旋阀的器件。
9.其他实施例的说明
10.下面描述器件和方法的附加示例性实施例。
11.在本技术的上下文中，术语“自旋阀层序列”可以特别地理解为上下叠置和/或相邻形成的层序列，它们一起承担自旋阀的功能。这种自旋阀可以具有至少一个带有固定磁化方向的磁性层和至少一个带有可变磁化方向的磁性层，它们可以在不同的磁化状态之间切换，以设置自旋阀的不同磁性状态。自旋阀的所述不同磁性状态对应于自旋阀层序列的不同电阻。
12.在本技术的上下文中，术语“带有可变磁化方向的磁性层”可以特别理解为至少一个由磁性或可磁化材料制成的层，其可以通过外部磁场而进入不同的磁化状态。例如，这种
具有可变、可改变或可调整的磁化方向的磁性层可以根据外部磁场的方向和/或大小而有针对性地改变。例如，带有可变磁化方向的磁性层可以在磁化方向平行于带有固定磁化方向的磁性层的磁化状态与磁化方向反平行于该带有固定磁化方向的磁性层的磁化状态之间切换。更一般地，在可变磁化方向于固定磁化方向之间的任何角度都是可能的。因此，所描述的平行和反平行配置仅作为示例提及。例如，在设计为传感器的器件中，可以读出所有可能的角度。例如，带有可变磁化方向的磁性层可以由软磁性材料形成。
13.在本技术的上下文中，术语“带有固定磁化方向的磁性层”可以特别理解为至少一个由磁性材料制成的层，其磁化方向是恒定的、不可改变的或固定的、与外部磁场地无关。例如，带有固定磁化方向的磁性层可以由硬磁性材料形成。
14.在本技术的上下文中，术语“稳定层”可以特别理解为由磁性(特别是反铁磁性)材料制成的层，其引起、促进和/或支持带有固定磁化方向的磁性层的固定磁化方向。换言之，稳定层可有助于避免或甚至防止带有固定磁化方向的层的磁化方向不期望地变化。稳定层可以由天然反铁磁体制成。
15.在本技术的上下文中，术语“无贵金属反铁磁体”可以特别理解为不具有贵金属的反铁磁材料。因此，无贵金属反铁磁体可以由除了贵金属之外的材料形成。在本文中，贵金属可以理解为在氧气和水的影响下在自然环境中永久化学稳定的耐腐蚀金属。贵金属的示例是金、银、铂、钯和铱。因此，无贵金属反铁磁体尤其可以不含金、银、铂、钯和/或铱。本领域技术人员将理解，即使是无贵金属反铁磁体也可能由于制造过程而具有不可避免的和意外的贵金属痕迹，例如在ppm范围内。只要这些痕迹不会显著影响稳定层的技术功能，就可以与这些痕迹无关地讨论无贵金属反铁磁体。
16.在本技术的上下文中，术语“氮化锰”可以特别理解为具有锰和氮的化合物。氮化锰可称为mnynz。所用的氮化锰应以一种或多种反铁磁相存在。只要氮化锰总体上具有反铁磁性能，氮化锰痕迹或少量氮化锰也可以存在于其他相中。根据一个实施例，反铁磁氮化锰可以以mn6n
5+x
的形式存在，并且其中x在0到1的范围内，特别是在0.05到0.35的范围内。例如，x＝0.18。可以通过设置沉积mn6n
5+x
形式的氮化锰的沉积工艺的过程参数来选择x的准确值。可替代地或附加地，反铁磁氮化锰可以以mn3n2的形式存在。
17.根据一个实施例，无贵金属反铁磁体可以是一种或多种过渡金属的氮化物和/或氧化物。特别地，具有部分填充的3d壳的金属被称为过渡金属。所述组中无贵金属反铁磁体的示例是氮化锰和氧化镍。
18.根据一个实施例，稳定层可以具有在从10nm到50nm的范围内的厚度。稳定层的精确厚度可以基于用于其制造的溅射方法的过程参数来设置，并且还可以根据在稳定层沉积之后对稳定层进行退火或用于退火的退火方法的过程参数来选择。
19.根据一个实施例，稳定层可以布置在第二磁性层上方并且在第一磁性层上方。因此，可以实现一个顶部自旋阀。对于这种顶部自旋阀几何结构，如果在溅射时形成具有相对高粗糙度的氮化锰稳定层，则对于层序列的质量无关紧要，这是因为关键的磁性层布置在这种氮化锰稳定层下方并且因此是预先处理。由于这种几何形状，稳定层可以实现空间上靠近的第二磁性层的期望稳定，而不会由于粗糙度明显而出现功能限制。
20.根据一个实施例，该器件可以在稳定层上具有覆盖层。该覆盖层可以配置为保护稳定层、并且无论环境条件如何都确保其功能。
21.根据一个实施例，覆盖层可以具有氮捕获材料。在由过渡金属的氮化物、特别是氮化锰形成稳定层时，在稳定层已经沉积之后例如在退火工艺中(优选在温度升高和在存在磁场的情况下)可能发生不希望的氮通过层序列的迁移。氮还可以进入如下层中：其功能会受到迁移氮的负面影响。一个示例是在tmr(隧道磁阻)层序列情况中的由氧化镁构成的隧道层。如果将设计用于捕获迁移氮的氮捕获材料嵌入覆盖层中，则该材料可以捕获迁移氮，从而使其远离其他层(特别是隧道层)。
22.根据一个实施例，氮捕获材料可以是单质(elementares)钽和/或单质钛。显然，通过将金属钽或钛掺入覆盖层中，可以化合迁移的氮，由此产生氮化钽或氮化钛。由此可以保护层序列中的其他氮敏感层免受氮的不希望影响。
23.根据一个实施例，覆盖层可以具有抗氧化材料。这种抗氧化材料可以保护磁化层，特别是第二磁化层免受环境湿气或环境氧的不期望的腐蚀或氧化。
24.如果无贵金属反铁磁体是过渡金属的氮化物(例如氮化锰)，则覆盖层应具有所述氮捕获材料(优选单质钽和/或单质钛)和额外的抗氧化材料。另一方面，如果无贵金属反铁磁体是过渡金属的氧化物(例如氧化镍)，则覆盖层也可以仅由抗氧化材料形成。
25.根据一个实施例，覆盖层可以具有在从5nm到100nm的范围内的厚度。覆盖层的厚度可以特别地根据是否将氮捕获材料集成到其中和/或覆盖层下方的层序列的材料对腐蚀或氧化的敏感性如何来选择。
26.根据一个实施例，该器件可以在第一磁性层与第二磁性层之间具有电绝缘隧道层。例如，这种介电的隧道层可以由氧化镁形成。显然，在tmr自旋阀的情况下，电荷载流子可以隧道(tunneln)穿过电绝缘隧道层。
27.可替代地，该器件可以在第一磁性层与第二磁性层之间具有导电电流传导层。例如，这种用于在器件操作中传导电流的电流传导层可以由铜形成。显然，使用gmr(巨磁阻)自旋阀，电荷载流子可以通过电流传导层进行电传导。
28.根据一个实施例，第二磁性层可以具有两个铁磁子层，在两个铁磁子层之间布置有用于反铁磁耦合两个铁磁子层的耦合层。两个磁性子层和布置在其间的耦合层构成的布置也可以被称为人造反铁磁体。例如，每个铁磁子层可以具有钴铁(cofe)，并且耦合层可以具有钌或铱。通过这样的配置，钌可以在两个铁磁子层之间产生反平行的自旋耦合，从而实现整体固定磁化的第二磁性层。替代钌，例如也可以使用铱来形成耦合层。可替代地，也可以使用cofeb或cofe和cofeb的混合物作为用于铁磁子层的材料。
29.根据一个实施例，第一磁性层可以是软磁性层。钴铁(cofe)构成的单层可以产生这些特性。显然，软磁层能以很少的磁能重新磁化。这允许设计为传感器的器件具有高灵敏度或设计为数据存储器的器件具有低写入能量。
30.根据一个实施例，自旋阀层序列可以是xmr层序列。更一般地表达，自旋阀层序列可以是结合起来表现出磁阻效应的层序列。xmr层序列可以称为薄层结构，其可以在磁通量的影响下改变其电阻。
31.xmr层序列可能具有gmr(巨磁阻)层序列。gmr层序列具有在不同磁化状态下电阻差异特别大的特性，并且基于磁阻效应。在gmr层序列的情况下，可变电阻可以是欧姆电阻。gmr效应导致结构的电阻取决于磁性层磁化方向的相互取向。这种效应是在由交替的磁性和非磁性薄层(特别是具有几纳米的层厚)形成的结构中获得的。
32.xmr层序列也可以具有tmr(隧道磁阻)层序列。隧道磁阻或tmr效应是磁隧道结中使用的磁阻效应，该磁阻效应是磁电子学的一部分。tmr效应是一种量子力学现象。在tmr层序列的情况下，可变电阻可以是隧道电阻。
33.根据一个实施例，该器件可以设计为传感器。如果磁场对器件起作用，磁场可以特征性地影响、例如反转带有可变磁化的磁性层的磁化，而固定磁性层的磁化基本保持不变。自旋阀层序列的磁性层磁化的相对取向影响它们的电阻。如果将扫描电压施加到自旋阀层序列，则可以通过电流的相应变化来确定磁性层的磁化基于相关联的变化电阻而发生的变化。例如，可以使用惠斯登测量电桥方便地测量这种自旋阀层序列的电阻。
34.根据一个实施例，传感器可以被设计为例如磁场传感器、电流传感器或读数头。在磁场传感器的情况下，被检测磁场可以直接影响磁化可变磁性层的磁化方向，因此可以通过测量电阻来检测磁场。在用于测量流过电导体的电流的电流传感器的情况下，可以间接地测量由电路穿流过的导体产生的磁场。对于用于读取诸如硬盘之类的存储器的读数头，硬盘表面的磁场影响xmr读数头，由此xmr读数头的电阻是所存储数据的量度。
35.根据一个实施例，该器件可以设计为数据存储器。例如，由于两个磁性层的磁化方向彼此平行或反平行的xmr存储元件的电阻不同，在设计为数据存储器的、带有自旋阀层序列的器件中可以存储逻辑信息“0”或“1”。
36.根据一个实施例，该方法可以包括借助溅射形成稳定层。溅射(也称为阴极原子化)是一种物理过程，在该物理过程中，原子通过高能离子(特别是惰性气体离子)的轰击从固体(可以称为靶材)中释放出来，并可以转化为气相。具有上述特征的稳定层可以借助溅射通过使用无贵金属靶以特别简单的方式沉积。
37.根据一个实施例，该方法可以包括使用由过渡金属、特别是锰制成的靶进行溅射。有利地，因此可以省去贵金属靶，贵金属靶非常昂贵并且因此增加了制造消耗。例如，可以使用便宜得多的锰靶或镍靶。令人惊讶的是，采用氮化锰形式的反铁磁体可以实现与具有ptmn或irmn的自旋阀基本相同的性能。然而除了溅射以外，稳定层也可以通过沉积方法产生。
38.根据一个实施例，该方法可以包括在含氮或含氧气氛中溅射。以这种方式，可以提供氮气(或可选地氧气)以由过渡金属、例如锰(或可选地镍)形成无贵金属反铁磁体、例如氮化锰(或氧化镍)。为此目的，将氮组分(例如氧组分)供应到溅射系统中的惰性气体气氛中就足够了，这可以以低消耗实现。
39.根据一个实施例，该方法可以包括对例如借助溅射形成的稳定层的退火(也称为annealing)。稳定层的期望磁特性、特别是关于第二磁性层，可以通过退火过程精确地设置。由此，可以改进所制造的自旋阀层序列的再现性。
40.根据一个实施例，退火可包括加热稳定层、并且随后在外部磁场中冷却稳定层。通过进行这个过程，磁化可以清楚地冻结在自旋阀层序列中。例如，加热可以达到240℃至400℃范围内的最高温度，例如300℃。外部磁场可以例如由永磁体或电磁体提供，其可以产生例如0.05特斯拉至5特斯拉范围内的磁场强度，例如1特斯拉。特别地，待退火的自旋阀层序列可以在这样的磁场中冷却，以便调整其磁化特性。
附图说明
41.实施例在图中示出并且在下面更详细地解释。
42.在此：
43.图1示出根据示例性实施例的具有自旋阀层序列的器件的截面图。
44.图2示出根据另一示例性实施例的具有自旋阀层序列的器件的截面图。
45.图3示出根据示例性实施例的用于制造具有自旋阀层序列的器件的设备的一部分。
46.图4示出根据示例性实施例的用于制造具有自旋阀层序列的器件的设备的另一部分。
47.图5示出根据示例性实施例的关于用于具有不同钽厚度的自旋阀层序列的退火温度的tmr提升。
48.图6示出根据示例性实施例的关于用于具有不同钽厚度的自旋阀层序列的退火温度的电阻。
具体实施方式
49.不同附图中相同或相似的部件被提供有相同的附图标记。
50.在参考附图描述实施例之前，应该解释一些一般性的考虑，示例性实施例是基于这些考虑而开发的：
51.传统的xmr传感器使用自旋阀来检测外部磁场的方向或强度。自旋阀中使用带有固定磁化方向的磁性层和带有可变磁化方向的磁性层。磁化方向可以通过交换相互作用(交换偏置效应)来确定。为此，可以彼此邻接地沉积反铁磁层和铁磁层。使用的典型反铁磁体是ptmn和irmn。两者的制造都非常昂贵，因为它们具有贵金属(铂以及铱)。
52.根据实施例，提供自旋阀层序列，其具有带有可变磁化方向的第一磁性层、和带有固定磁化方向的第二磁性层、以及与第二磁性层磁耦合的稳定层。后者用于稳定固定磁化方向，并且有利地具有无贵金属反铁磁体，特别优选的是氮化锰(mnn)。显然，根据用于反铁磁稳定层的这种实施例，代替ptmn或irmn，可以将无贵金属反铁磁体、特别是氮化锰集成到xmr层堆叠中。因此，通常使用的由irmn或ptmn制成的反铁磁稳定层可以被氮化锰形式的反铁磁体代替。可以在氮气(n2)气氛中低消耗地将氮化锰从锰靶溅射到基板上。
53.根据实施例，用于反铁磁稳定层的常规贵金属基材料(ptmn和irmn)因此可以在自旋阀中被锰替代。
54.由于借助溅射施加的氮化锰可以具有高粗糙度，因此首先施加第一和第二磁性层然后再施加稳定层可能是有利的。以这种方式获得的顶部自旋阀的特征在于性能特别好。在某些性能点上(例如gmr摆动，可以计算为最大电阻与最小电阻之比减去1)，它优于常规对于反铁磁稳定层所使用的材料(特别是ptmn和irmn)。
55.由氮化锰制成的反铁磁稳定层的制造中的另一个相关方面是氮扩散现象：在自旋阀退火期间，可用于产生氮化锰的氮可以扩散通过自旋阀层序列的活性层。在不利的情况下，这会损害自旋阀的功能，特别是在tmr自旋阀中。为了抑制或甚至消除由于氮迁移引起的不希望影响，已经证明特别有利的是，将具有氮捕获材料的覆盖层施加到由氮化锰制成的反铁磁稳定层上。具有氮捕获材料的覆盖层可以特别有利地是具有金属钽或单质钽的
层，其被施加到氮化锰上。该钽层的厚度可以有利地适应含锰层的厚度和退火过程以及溅射过程的过程参数。可替代地，也可以在覆盖层中使用金属钛或单质钛作为氮捕获材料。
56.显然可以执行退火过程以加强自旋阀层序列中的交换相互作用或耦合(交换偏置效应)。在退火过程中，稳定层中的氮浓度降低。
57.因为根据示例性实施例避免了在自旋阀中使用贵金属，所以可以显著减少制造消耗。
58.根据示例性实施例，可以特别有利地使用顶部自旋阀层序列，其中随后形成在磁性层顶侧的稳定层的粗糙度对功能性铁磁层、即第一和第二磁性层没有负面影响。
59.图1示出了根据示例性实施例的具有处于隧道磁阻(tmr)配置的自旋阀层序列102的器件100的截面图。换言之，根据图1的自旋阀层序列102是被配置为tmr层序列的xmr层序列。
60.在横截面中示出的自旋阀层序列102形成在未示出的基板上，在其上施加有晶种层130。基板可以是例如半导体基板或玻璃基板。自旋阀层序列102可以在设计为晶片的衬底上实现，例如在直径在从150mm到300mm的范围内的晶片上实现。
61.在晶种层130上形成软磁的第一磁性层104，其具有可变、可改变或可调整的磁化方向。第一磁性层104例如是铁磁性的cofeb，其磁化方向可以被外部磁场翻转。在操作中，第一磁性层104的磁化可以借助外部磁场改变。
62.自旋阀层序列102还具有形成在第一磁性层104上的电绝缘隧道层112。例如，隧道层112可以由介电的氧化镁形成。根据量子力学隧道效应，如果施加足够的电压，电荷载流子可以隧道穿过隧道层112而不管其电绝缘性。显然，隧道层112的隧道电阻取决于隧道层112上方和下方的磁性层104、106的磁化。
63.带有固定磁化方向的第二磁性层106形成在隧道层112上。更准确地说，第二磁性层106由两个铁磁子层116、118组成，在两个铁磁子层116、118之间布置有用于反铁磁耦合两个铁磁子层116、118的耦合层120。例如，两个铁磁子层116、118可以分别由cofeb形成。耦合层120可以由钌形成，其用于使两个铁磁子层116、118中的自旋彼此反平行地取向并且使它们以该取向保持。虽然通过外部磁场在操作中可以在特征方面影响第一磁性层104的磁化，但是第二磁性层106的磁化即使在存在外部磁场的情况下也保持恒定或不变。在磁性层104、106的磁化方向相互平行或反平行的操作状态中，由磁性层104、106和在此之间布置的隧道层112(或根据图2的电流传导层114)构成的布置的电阻不同。因此可以通过测量自旋阀层序列102的电阻来测量器件100的磁化状态。
64.此外，根据图1，用于稳定第二磁性层106的固定磁化方向的稳定层108直接沉积在第二磁性层106上。稳定层108有利地具有无贵金属反铁磁体，其优选可以是过渡金属的氮化物或氧化物。特别优选的是，无贵金属反铁磁体具有氮化锰或由氮化锰组成。反铁磁氮化锰能以mn6n
5+x
的形式存在，并且其中x优选在从0.05至0.35的范围内，例如0.18。可替代地或附加地，氮化锰能以mn3n2的形式存在，其也代表氮化锰的反铁磁相。这种氮化锰可以借助使用简单且廉价的锰靶在氮气气氛中溅射轻松制造(见图3)。尽管借助溅射产生的氮化锰可以具有相对高的粗糙度，但这在图1所示的顶部自旋阀配置中不是问题，这是因为功能关键的磁性层104、106已经预先沉积，并且因此保持也不受氮化锰稳定层108的相对高的粗糙度的影响。因此，对于自旋阀层序列102的品质来说极其有利的是，根据图1是，稳定层108布
置在第二磁性层106上且在其之上、以及在第一磁性层104之上。
65.可替代地，无贵金属反铁磁体可以是例如氧化镍。
66.稳定层108可以具有在从10nm到50nm的范围内的厚度d。确切的厚度取决于溅射方法(见图3)和随后的退火方法(见图4)的过程参数。
67.根据图1的自旋阀层序列102还有利地在稳定层108上具有厚度d在从5nm到100nm范围内的覆盖层110。所述覆盖层110优选具有氮捕获材料，其特别优选具有单质钽和/或单质钛、或由单质钽和/或单质钛组成。此外，覆盖层110具有抗氧化材料，其特别保护下面的磁性层104、106免受氧化和腐蚀。这具有优点：氮捕获材料防止在溅射期间引入自旋阀层序列102中的氮材料扩散到相邻层中，该扩散尤其可能对隧道层112具有负面影响。相反，这样的氮材料结合在覆盖层110的氮捕获材料中并且因此被防止扩散到不期望区域中。另一方面，覆盖层110中的抗氧化材料防止自旋阀层序列102的在其之下的层的不期望氧化或腐蚀。例如，氮结合钽层可以被引入覆盖层110的抗氧化材料中。
68.在操作中，根据图1的器件100可以暴露于磁场，该磁场可以影响具有可变磁化方向的第一磁性层104的磁化方向。根据影响是导致磁性层104、106的平行磁化还是反平行磁化，自旋阀层序列102呈现不同的电阻值。如果将电流或电压施加到自旋阀层序列102，则可以测量电阻值。根据图1的器件100可以用作磁场传感器、读数头或用作电流传感器。用作电流传感器是可能的，因为要测量的电流又产生磁场，器件100通过改变其电阻对此作出反应。设计为电流传感器的器件100例如可以用于测量电机控制中的电流。设计为磁场传感器的器件100例如可以用于测量磁场，例如可以借助磁性角度传感器执行转向拉杆的角度位置及其变化。
69.可替代地，器件100可以设计为数据存储器，即，设计为mram(磁阻随机存取存储器)存储单元。磁性层104、106的平行或反平行磁化状态可以被赋予逻辑值“0”或“1”，可以根据两种状态下电阻的不同来读取它们。例如，可以通过施加相应的写入磁场来写入这样的存储单元。为了形成mram存储器，可以将多个根据图1的器件100组合成行和列，并且例如借助晶体管来驱控和读出。
70.图2示出了根据另一示例性实施例的具有处于巨磁阻(gmr)配置的自旋阀层序列102的器件100的截面图。换言之，自旋阀堆102是以gmr层序列的特殊形式配置的xmr层序列。
71.根据图2的器件100与根据图1的器件100的区别本质上在于，根据图2，代替隧道层112(如图1中所讨论的)，导电电流传导层114被布置在第一磁性层104与第二磁性层106之间。导电电流传导层114可以由例如铜、或银、或由其他具有较少自旋散射的金属材料形成。
72.图3示出根据示例性实施例的用于制造具有自旋阀层序列102的器件100的设备的一部分。图4示出根据示例性实施例的用于制造具有自旋阀层序列102的器件100的设备的另一部分。
73.更准确地说，图3示出了特别用于沉积稳定层108的溅射设施170。图3中所示的溅射设施170可以被设计成借助dc磁控溅射来沉积层。为此目的，如图1和图2中所描述的相应的自旋阀层序列102被引入到溅射设施170的过程空间172中。使用具有过渡金属、特别是锰的靶材122进行反应溅射。因此，靶材122不含诸如铱或铂的贵金属。借助高压源178可以将高压施加到靶材122上。此外，根据图3的溅射发生在含氮气氛中。为此目的，将氮气从氮源
174引入过程空间172。此外，惰性气体(作为反应气体，例如氩气)从惰性气体源176被引入过程空间172中。不再需要的介质可以通过阀180从过程空间172中排出。以本身已知的方式，在过程空间172中的溅射期间形成等离子体182，其在所描述的配置中引起氮化锰作为稳定层108沉积在处于制造中的自旋阀层序列102的第二磁性层106上。
74.在溅射之后，自旋阀层序列102被从过程空间172移除，并且被引入退火设备184中，其在图4中示出。
75.在退火设备184中，根据图3借助溅射形成的稳定层108和布置在其下方的磁性层104、106被退火。为此，将根据图3制造的自旋阀层序列102引入过程腔186中，在此自旋阀层序列102暴露于外部磁体188(特别是永磁体或电磁体)的强磁场中(例如磁场场强1特斯拉)。自旋阀层序列102可以在退火过程中借助于加热器件190加热到例如300℃的最高温度。退火过程包括借助于加热器件190将自旋阀层序列102与稳定层108一起加热并且随后在由外部磁体188产生的外部磁场中冷却稳定层108。更准确地说，可以加热具有自旋阀层序列102的整个晶片。自旋阀层序列102的带有固定磁化方向的第二磁性层106的磁化状态可以通过退火过程冻结。
76.图5示出关于根据实施例的具有自旋阀层序列102的器件100的功能的图150。更准确地说，图5示出了作为覆盖层110的钽吸气层的厚度和退火温度的函数的tmr提升。图150具有横坐标152，沿着该横坐标示出了根据图4的退火期间的温度。沿图150的纵坐标154绘制了获得的tmr效应的百分比，即tmr提升。纵坐标154的值清楚地表明了tmr效应有多强。图150的三个曲线156、157、158指的是相应覆盖层110的不同钽层厚度(根据曲线156为3nm，根据曲线157为5nm，根据曲线158为7nm)。所述单质钽作为氮捕获材料捕获过量的氮，并防止过量的氮扩散到不期望层(例如图1的隧道层112)中。在图5的示例中，最好的结果是用厚度为5nm的钽层获得的。钽层的厚度影响在退火时从氮化锰层吸收的氮量。如果钽层选择过厚，就会捕获过多的氮，而这些捕获的氮就会从氮化锰中消失。如果钽层选择过薄，捕获的氮太少，氮会不合需要地迁移到相邻层中。钽层的最佳厚度尤其可以取决于在溅射期间在氮气氛中存在多少氮。
77.图6示出关于根据示例性实施例的具有自旋阀层序列102的器件100的功能的图160。图表160具有横坐标152，沿着该横坐标示出了根据图4的退火期间的温度。沿图160的纵坐标162示出了获得的器件100的电阻。更准确地说，电阻是面电阻，即垂直于隧道势垒的电阻。纵坐标162的值清楚地表示tmr势垒电阻。图160的三个曲线166、167、168对应于3nm、5nm和7nm的不同厚度的钽层，如已经结合图讨论的，5nm厚的钽层因此一方面引起最大的磁阻效应(图5中的曲线157)，并且还引起根据图6中的曲线167的器件的最低电阻。
78.因为，如所描述的，产生氮化锰的氮的扩散应该被控制，溅射时的氮含量对于自旋阀的功能是决定性的。因此，特别是在溅射时的氮供给量与钽层厚度之间的化学计量比应该适当设置。例如，过高的氮含量会对mgo隧道势垒(见隧道层112)的特性产生负面影响。
79.通过用作氮捕获器的含钽覆盖层110，可以有利地抑制这种现象。因此，含钽帽部的厚度可以有利地适应mnn溅射过程、mnn厚度和退火的过程参数。
80.另外，需要说明的是，“包括”不排除其他要素或步骤，“一”或“一个”不排除多个。此外，应当指出，已经参考上述实施例之一描述的特征或步骤也可以与上述其他实施例的其他特征或步骤结合使用。权利要求中的任何参考标记不应被解释为限制性的。

技术特征：
1.一种具有自旋阀层序列(102)的器件(100)，其中所述自旋阀层序列(102)具有：带有可变磁化方向的第一磁性层(104)；带有固定磁化方向的第二磁性层(106)；和稳定层(108)，用于稳定所述第二磁性层(106)的所述固定磁化方向；其中所述稳定层(108)具有无贵金属反铁磁体。2.根据权利要求1所述的器件(100)，其中所述无贵金属反铁磁体是过渡金属的氮化物或氧化物。3.根据权利要求1或2所述的器件(100)，其中所述无贵金属反铁磁体包括氮化锰。4.根据权利要求3所述的器件(100)，所述器件具有以下特征之一：其中所述氮化锰以mn6n
5+x
x的形式存在，并且其中x在0至1的范围内、特别是在0.05至0.35的范围内；其中所述氮化锰以mn3n2的形式存在。5.根据权利要求1至4中任一项所述的器件(100)，其中所述稳定层(108)具有在从10nm到50nm的范围内的厚度(d)。6.根据权利要求1至5中任一项所述的器件(100)，其中所述稳定层(108)设置在所述第二磁性层(106)之上并且在所述第一磁性层(104)之上。7.根据权利要求1至6中任一项所述的器件(100)，所述器件具有在所述稳定层(108)上的覆盖层(110)。8.根据权利要求7所述的器件(100)，其中所述覆盖层(110)包括氮捕获材料。9.根据权利要求8所述的器件(100)，其中所述氮捕获材料是单质钽和/或单质钛。10.根据权利要求7至9中任一项所述的器件(100)，其中所述覆盖层(110)具有抗氧化材料。11.根据权利要求7至10中任一项所述的器件(100)，其中所述覆盖层(110)具有在从5nm到100nm的范围内的厚度(d)。12.根据权利要求1至11中任一项所述的器件(100)，具有以下特征之一：具有位于所述第一磁性层(104)与所述第二磁性层(106)之间的电绝缘隧道层(112)；具有位于所述第一磁性层(104)与所述第二磁性层(106)之间的导电电流传导层(114)。13.根据权利要求1至12中任一项所述的器件(100)，其中所述第二磁性层(106)具有两个铁磁子层(116、118)，在所述两个铁磁子层(116、118)之间布置有用于反铁磁耦合所述两个铁磁子层(116、118)的耦合层(120)。14.根据权利要求1至13中任一项所述的器件(100)，其中所述第一磁性层(104)是软磁性层。15.根据权利要求1至14中任一项所述的器件(100)，其中所述自旋阀层序列(102)具有xmr层序列，特别是隧道磁阻层序列或巨磁阻层序列。16.根据权利要求1至15中任一项所述的器件(100)，所述器件被设计为传感器。17.根据权利要求16所述的器件(100)，其中所述传感器被设计为磁场传感器、电流传感器、或读数头。18.根据权利要求1至15中任一项所述的器件(100)，所述器件被设计为数据存储器。
19.一种具有自旋阀层序列(102)的器件(100)，其中所述自旋阀层序列(102)具有用于稳定磁性层(106)的固定磁化方向的稳定层(108)，并且其中所述稳定层(108)包含氮化锰或由氮化锰组成。20.一种用于制造带有自旋阀层序列(102)的器件(100)的方法，所述方法包括：形成磁化方向可变的第一磁性层(104)；形成磁化方向固定的第二磁性层(106)；以及形成稳定层(108)，用于稳定所述第二磁性层(106)的所述固定磁化方向；其中所述稳定层(108)形成为无贵金属反铁磁体。21.根据权利要求20所述的方法，其中所述方法包括通过溅射形成所述稳定层(108)。22.根据权利要求21所述的方法，其中所述方法包括使用由过渡金属、特别是锰制成的靶材(122)进行溅射。23.根据权利要求21或22所述的方法，其中所述方法包括在含氮或含氧气氛中溅射。24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其中所述方法包括对所形成的所述稳定层(108)进行退火。25.根据权利要求24所述的方法，其中所述退火包括加热所述稳定层(108)、并且然后在外部磁场中冷却所述稳定层(108)。

技术总结
本公开的实施例涉及带有稳定层中无贵金属反铁磁的自旋阀器件。一种具有自旋阀层序列(102)的器件(100)，其中自旋阀层序列(102)具有磁化方向可变的第一磁性层(104)、磁化方向固定的第二磁性层(106)磁化、用于稳定第二磁性层(106)的固定磁化方向的稳定层(108)，其中稳定层(108)具有无贵金属反铁磁体。稳定层(108)具有无贵金属反铁磁体。稳定层(108)具有无贵金属反铁磁体。


技术研发人员：K
受保护的技术使用者：英飞凌科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/10/19