本發(fā)明涉及半導體器件領域，具體的涉及一種新型高磁電阻磁隧道結的制備方法。
背景技術：
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從1975年到1995年以前磁性隧道結被研制出來時，由于其低溫和室溫磁電阻較低(TMR≤1％)，一直未受到應有的重視。直到1995年具有室溫高磁電阻(TMR)比值的磁隧道結被制備出來時、它才受到人們高度的重視。這是因為具有室溫高磁電阻、低結電阻(R)和低自由層偏轉場的磁性隧道結，才能適合用在計算機磁讀出頭、磁動態(tài)隨機存儲器(MRAM)和其它磁敏感器件方面。用于硬盤驅動器(HDD)磁讀出頭的磁性隧道結材料一般要求達到TMR≥20％，而結電阻和結面積的積矢約在10Ω·m2量級，自由層的偏轉場低于或接近于Oe；用于磁隨機存儲器的磁性隧道結材料一般要求達到TMR≥30％，而結電阻和結面積的積矢約在2-50kΩ·m2之間，自由層的偏轉場約在10-102Oe之間。
氧化鎂由于具有低損耗和高熱穩(wěn)定性，近年來在磁隧道結中作為隧穿層得到廣泛應用。如何制得性能優(yōu)異的氧化鎂薄膜對磁隧道結的性能具有很大的影響。
技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種新型高磁電阻磁隧道結的制備方法，該方法制得的磁隧道結磁電阻效應高，由其制得的磁性存儲器的性能好。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：
一種新型高磁電阻磁隧道結的制備方法，包括以下步驟：
(1)將Si襯底基片放入無水乙醇中，超聲清洗，烘干待用；然后在烘干后的Si襯底基片上沉積SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上磁控濺射沉積Ru/Fe3O4/Ru/CoFe/NiFe金屬層；
(3)稱取氧化鎂粉末，用行星球磨機在150-300r/min的轉速下，球磨10-30h；并對球磨后的粉末過200目篩分；然后對篩后粉末進行冷等靜壓成型，得到氧化鎂壓坯，最后在1400-1550℃下真空燒結2-10h，燒結結束后根據(jù)所需靶材尺寸進行機械加工，得到氧化鎂靶材；
(4)采用步驟(3)制得的氧化鎂靶材作為靶材，對磁控濺射腔抽真空，然后向該磁控濺射腔中通入一定量的氧氣和氬氣，在NiFe上沉積氧化鎂薄膜；然后在氧化鎂薄膜上濺射沉積NiFe/CoFe/Ru金屬層，形成磁隧道結，最后放入真空中在180-480℃下退火處理30-150min，得到高磁電阻磁隧道結。
作為上述技術方案的優(yōu)選，步驟(1)中，所述SiO2薄膜的厚度為200-400nm。
作為上述技術方案的優(yōu)選，步驟(2)中，所述Ru/Fe3O4/Ru/CoFe/NiFe金屬層中各層的厚度為：Ru 4-10nm，F(xiàn)e3O4 3-5nm，Ru 4-10nm，CoFe 4-8nm，NiFe 4-8nm。
作為上述技術方案的優(yōu)選，步驟(4)中，所述NiFe/CoFe/Ru金屬層中各層的厚度為：NiFe 3-7nm，CoFe 3-7nm，Ru 4-10nm。
作為上述技術方案的優(yōu)選，球磨時的球料比為(1.5-3)：1。
作為上述技術方案的優(yōu)選，冷等靜壓成型的條件為：壓力150-350MPa，保壓時間為5-20min。
作為上述技術方案的優(yōu)選，所述真空燒結的升溫過程為：首先以2-4℃/min的升溫速率升溫至500-1000℃，保溫4-10h，溫度達到1000℃時開始抽真空，10min內(nèi)達到0.1-1.0Pa的真空度，然后以1-2℃/min的升溫速率升溫至燒結溫度，保溫2-10h。
作為上述技術方案的優(yōu)選，步驟(4)中，所述氧化鎂薄膜的厚度為2-6nm。
作為上述技術方案的優(yōu)選，步驟(3)中，所述氧化鎂粉末的純度為99.99％以上，雜質(zhì)元素總含量為100ppm以下，平均粒徑為80-150nm。
作為上述技術方案的優(yōu)選，步驟(3)中，所述氧化鎂壓坯的相對密度為58-62％。
本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明采用球磨-冷等靜壓成型-真空燒結工藝來制備氧化鎂靶材，并合理控制各個步驟的條件，使得制得的氧化鎂靶材致密度高，晶粒尺寸細小均勻，利用其作為靶材制得的氧化鎂薄膜質(zhì)量高，厚度均勻，表面光潔度好；
本發(fā)明制得的磁隧道結磁電阻效應高，熱穩(wěn)定性好，由其制得的磁性磁性存儲器的性能好。
具體實施方式：
為了更好的理解本發(fā)明，下面通過實施例對本發(fā)明進一步說明，實施例只用于解釋本發(fā)明，不會對本發(fā)明構成任何的限定。
實施例1
一種新型高磁電阻磁隧道結的制備方法，包括以下步驟：
(1)將Si襯底基片放入無水乙醇中，超聲清洗，烘干待用；然后在烘干后的Si襯底基片上沉積200nm的SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上磁控濺射沉積Ru/Fe3O4/Ru/CoFe/NiFe金屬層；其中，各層厚度分別為：Ru 4nm，F(xiàn)e3O4 3nm，Ru 4nm，CoFe 4nm，NiFe 4nm；
(3)稱取氧化鎂粉末，用行星球磨機在150r/min的轉速下，球磨10h；并對球磨后的粉末過200目篩分；然后對篩后粉末進行冷等靜壓成型，壓力150MPa，保壓時間為5min，得到氧化鎂壓坯，最后在1400℃下真空燒結2h，燒結結束后根據(jù)所需靶材尺寸進行機械加工，得到氧化鎂靶材；其中，真空燒結的升溫過程為：首先以2℃/min的升溫速率升溫至500-1000℃，保溫4h，溫度達到1000℃時開始抽真空，10min內(nèi)達到0.1Pa的真空度，然后以1℃/min的升溫速率升溫至燒結溫度，保溫2h；
(4)采用步驟(3)制得的氧化鎂靶材作為靶材，對磁控濺射腔抽真空，然后向該磁控濺射腔中通入一定量的氧氣和氬氣，在NiFe上沉積2nm的氧化鎂薄膜；然后在氧化鎂薄膜上濺射沉積NiFe/CoFe/Ru金屬層，形成磁隧道結，最后放入真空中在180℃下退火處理30min，得到高磁電阻磁隧道結；其中，金屬層中各層的厚度分別為：NiFe 3nm，CoFe 3nm，Ru 4nm。
實施例2
一種新型高磁電阻磁隧道結的制備方法，包括以下步驟：
(1)將Si襯底基片放入無水乙醇中，超聲清洗，烘干待用；然后在烘干后的Si襯底基片上沉積250nm的SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上磁控濺射沉積Ru/Fe3O4/Ru/CoFe/NiFe金屬層；其中，各層厚度分別為：Ru 5nm，F(xiàn)e3O4 3.5nm，Ru 5nm，CoFe 7nm，NiFe 7nm；
(3)稱取氧化鎂粉末，用行星球磨機在180r/min的轉速下，球磨15h；并對球磨后的粉末過200目篩分；然后對篩后粉末進行冷等靜壓成型，壓力200MPa，保壓時間為9min，得到氧化鎂壓坯，最后在1430℃下真空燒結4h，燒結結束后根據(jù)所需靶材尺寸進行機械加工，得到氧化鎂靶材；其中，真空燒結的升溫過程為：首先以2.5℃/min的升溫速率升溫至500-1000℃，保溫5h，溫度達到1000℃時開始抽真空，10min內(nèi)達到0.3Pa的真空度，然后以1.2℃/min的升溫速率升溫至燒結溫度，保溫3h；
(4)采用步驟(3)制得的氧化鎂靶材作為靶材，對磁控濺射腔抽真空，然后向該磁控濺射腔中通入一定量的氧氣和氬氣，在NiFe上沉積3nm的氧化鎂薄膜；然后在氧化鎂薄膜上濺射沉積NiFe/CoFe/Ru金屬層，形成磁隧道結，最后放入真空中在230℃下退火處理60min，得到高磁電阻磁隧道結；其中，金屬層中各層的厚度分別為：NiFe 4nm，CoFe 4nm，Ru5nm。
實施例3
一種新型高磁電阻磁隧道結的制備方法，包括以下步驟：
(1)將Si襯底基片放入無水乙醇中，超聲清洗，烘干待用；然后在烘干后的Si襯底基片上沉積300nm的SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上磁控濺射沉積Ru/Fe3O4/Ru/CoFe/NiFe金屬層；其中，各層厚度分別為：Ru 6nm，F(xiàn)e3O4 3.5nm，Ru 6nm，CoFe 7nm，NiFe 7nm；
(3)稱取氧化鎂粉末，用行星球磨機在200r/min的轉速下，球磨20h；并對球磨后的粉末過200目篩分；然后對篩后粉末進行冷等靜壓成型，壓力200MPa，保壓時間為10min，得到氧化鎂壓坯，最后在1470℃下真空燒結5h，燒結結束后根據(jù)所需靶材尺寸進行機械加工，得到氧化鎂靶材；其中，真空燒結的升溫過程為：首先以3℃/min的升溫速率升溫至500-1000℃，保溫6h，溫度達到1000℃時開始抽真空，10min內(nèi)達到0.5Pa的真空度，然后以1.4℃/min的升溫速率升溫至燒結溫度，保溫5h；
(4)采用步驟(3)制得的氧化鎂靶材作為靶材，對磁控濺射腔抽真空，然后向該磁控濺射腔中通入一定量的氧氣和氬氣，在NiFe上沉積5nm的氧化鎂薄膜；然后在氧化鎂薄膜上濺射沉積NiFe/CoFe/Ru金屬層，形成磁隧道結，最后放入真空中在230℃下退火處理60min，得到高磁電阻磁隧道結；其中，金屬層中各層的厚度分別為：NiFe6nm，CoFe 6nm，Ru 5nm。
實施例4
一種新型高磁電阻磁隧道結的制備方法，包括以下步驟：
(1)將Si襯底基片放入無水乙醇中，超聲清洗，烘干待用；然后在烘干后的Si襯底基片上沉積300nm的SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上磁控濺射沉積Ru/Fe3O4/Ru/CoFe/NiFe金屬層；其中，各層厚度分別為：Ru 8nm，F(xiàn)e3O4 4nm，Ru 8nm，CoFe 7nm，NiFe 6nm；
(3)稱取氧化鎂粉末，用行星球磨機在240r/min的轉速下，球磨23h；并對球磨后的粉末過200目篩分；然后對篩后粉末進行冷等靜壓成型，壓力270MPa，保壓時間為15min，得到氧化鎂壓坯，最后在1500℃下真空燒結7h，燒結結束后根據(jù)所需靶材尺寸進行機械加工，得到氧化鎂靶材；其中，真空燒結的升溫過程為：首先以3.5℃/min的升溫速率升溫至500-1000℃，保溫7h，溫度達到1000℃時開始抽真空，10min內(nèi)達到0.7Pa的真空度，然后以1.6℃/min的升溫速率升溫至燒結溫度，保溫6h；
(4)采用步驟(3)制得的氧化鎂靶材作為靶材，對磁控濺射腔抽真空，然后向該磁控濺射腔中通入一定量的氧氣和氬氣，在NiFe上沉積6nm的氧化鎂薄膜；然后在氧化鎂薄膜上濺射沉積NiFe/CoFe/Ru金屬層，形成磁隧道結，最后放入真空中在400℃下退火處理90min，得到高磁電阻磁隧道結；其中，金屬層中各層的厚度分別為：NiFe 5nm，CoFe 5nm，Ru 9nm。
實施例5
一種新型高磁電阻磁隧道結的制備方法，包括以下步驟：
(1)將Si襯底基片放入無水乙醇中，超聲清洗，烘干待用；然后在烘干后的Si襯底基片上沉積380nm的SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上磁控濺射沉積Ru/Fe3O4/Ru/CoFe/NiFe金屬層；其中，各層厚度分別為：Ru 9nm，F(xiàn)e3O4 5nm，Ru 8nm，CoFe 6nm，NiFe 7nm；
(3)稱取氧化鎂粉末，用行星球磨機在280r/min的轉速下，球磨25h；并對球磨后的粉末過200目篩分；然后對篩后粉末進行冷等靜壓成型，壓力320MPa，保壓時間為18min，得到氧化鎂壓坯，最后在1510℃下真空燒結8h，燒結結束后根據(jù)所需靶材尺寸進行機械加工，得到氧化鎂靶材；其中，真空燒結的升溫過程為：首先以3.5℃/min的升溫速率升溫至500-1000℃，保溫9h，溫度達到1000℃時開始抽真空，10min內(nèi)達到0.8Pa的真空度，然后以1.5℃/min的升溫速率升溫至燒結溫度，保溫9h；
(4)采用步驟(3)制得的氧化鎂靶材作為靶材，對磁控濺射腔抽真空，然后向該磁控濺射腔中通入一定量的氧氣和氬氣，在NiFe上沉積4nm的氧化鎂薄膜；然后在氧化鎂薄膜上濺射沉積NiFe/CoFe/Ru金屬層，形成磁隧道結，最后放入真空中在450℃下退火處理120min，得到高磁電阻磁隧道結；其中，金屬層中各層的厚度分別為：NiFe 5nm，CoFe 6nm，Ru 8nm。
實施例6
一種新型高磁電阻磁隧道結的制備方法，包括以下步驟：
(1)將Si襯底基片放入無水乙醇中，超聲清洗，烘干待用；然后在烘干后的Si襯底基片上沉積400nm的SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上磁控濺射沉積Ru/Fe3O4/Ru/CoFe/NiFe金屬層；其中，各層厚度分別為：Ru 10nm，F(xiàn)e3O4 5nm，Ru 10nm，CoFe 8nm，NiFe 8nm；
(3)稱取氧化鎂粉末，用行星球磨機在300r/min的轉速下，球磨30h；并對球磨后的粉末過200目篩分；然后對篩后粉末進行冷等靜壓成型，壓力350MPa，保壓時間為20min，得到氧化鎂壓坯，最后在1550℃下真空燒結10h，燒結結束后根據(jù)所需靶材尺寸進行機械加工，得到氧化鎂靶材；其中，真空燒結的升溫過程為：首先以4℃/min的升溫速率升溫至1000℃，保溫4-10h，溫度達到1000℃時開始抽真空，10min內(nèi)達到1.0Pa的真空度，然后以2℃/min的升溫速率升溫至燒結溫度，保溫10h；
(4)采用步驟(3)制得的氧化鎂靶材作為靶材，對磁控濺射腔抽真空，然后向該磁控濺射腔中通入一定量的氧氣和氬氣，在NiFe上沉積6nm的氧化鎂薄膜；然后在氧化鎂薄膜上濺射沉積NiFe/CoFe/Ru金屬層，形成磁隧道結，最后放入真空中在480℃下退火處理150min，得到高磁電阻磁隧道結；其中，金屬層中各層的厚度分別為：NiFe 7nm，CoFe 7nm，Ru 10nm。
對比例
一種新型高磁電阻磁隧道結的制備方法，包括以下步驟：
(1)將Si襯底基片放入無水乙醇中，超聲清洗，烘干待用；然后在烘干后的Si襯底基片上沉積400nm的SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上磁控濺射沉積Ru/Fe3O4/Ru/CoFe/NiFe金屬層；其中，各層厚度分別為：Ru 10nm，F(xiàn)e3O4 5nm，Ru 10nm，CoFe 8nm，NiFe 8nm；
(4)采用普通熱等靜壓燒結工藝制得的氧化鎂靶材作為靶材，對磁控濺射腔抽真空，然后向該磁控濺射腔中通入一定量的氧氣和氬氣，在NiFe上沉積6nm的氧化鎂薄膜；然后在氧化鎂薄膜上濺射沉積NiFe/CoFe/Ru金屬層，形成磁隧道結，最后放入真空中在480℃下退火處理150min，得到高磁電阻磁隧道結；其中，金屬層中各層的厚度分別為：NiFe 7nm，CoFe 7nm，Ru 10nm。
采用四探針法測量室溫下的磁隧道結的磁電阻隨外加磁場的變化情況。
研究表明：對于實施例1-6制得的磁隧道結的室溫磁電阻比值達到了63％，而對比例的磁隧道結的室溫磁電阻比值僅為10.2％。