[發明專利]一種垂直磁各向異性的多層膜

有效

• 申請號: 200910082039.1
• 申請日: 2009-04-17
• 公開（公告）號: CN101866738A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 馬勤禮;魏紅祥;王守國;韓秀峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01F10/08
• 分類號: H01F10/08;H01F10/14
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

技術領域

本發明屬于自旋電子學材料領域，具體地說，本發明涉及用于磁電阻效應器件的一種垂直磁各向異性的多層膜。

背景技術

基于磁電阻效應尤其是巨磁電阻效應和隧穿磁電阻效應制作的器件，能夠獲得很大的磁電阻，并且生產工藝能和常規的半導體工藝兼容，因此在工業上有很大的應用前景。自旋閥結構和磁性隧道結結構是兩種常用的磁電阻器件結構，所述自旋閥結構和磁性隧道結結構的磁性電極均可以使用具有垂直磁各向異性的材料(如Co/Pt多層膜、L₁₀-FePt合金)制作。圖1示出了現有技術中一種采用Co/Pt多層膜作為磁性電極的用于隧道結結構的垂直磁各向異性多層膜，其核心結構為：SUB/UL/P-FM/I/P-FM/CAP；其中，SUB表示基片，UL表示底層，P-FM表示具有垂直磁各向異性的磁性層，I表示用于隧穿磁電阻器件結構中的勢壘層，CAP表示覆蓋層；所述用于隧道結結構的垂直磁各向異性多層膜各層的具體材料如下：Pt(5nm)/[Pt(2.0nm)/Co(0.7nm)]₅/AlOx(1.0nm)/[Co(0.5nm)/Pt(2.0nm)]₁₀/Pt(10nm)。

與采用面內各向異性的磁性材料相比，使用垂直磁各向異性材料的用于巨磁電阻器件和隧穿磁電阻器件的多層膜，具有以下三個主要優點：首先，具有垂直磁各向異性材料的磁矩垂直于膜面，因此它可以被加工成更小的尺寸而不產生超順磁性擾動，有利于器件的小型化，可以大幅度提高器件的集成密度；其次，當薄膜經過微加工用于電流驅動的自旋電子器件如電流驅動磁矩反轉的磁性存儲器時，采用具有垂直磁各向異性的材料作為磁性層的器件具有更小的臨界電流并具有更好的熱穩定性；再次，使用垂直磁各向異性的多層膜作為自旋閥結構或磁性隧道結結構，能夠獲得特殊的外場響應(如對外場的線性響應)，特別適合磁性傳感器等方面的應用。

然而，目前采用垂直磁各向異性的磁性材料的自旋閥或磁性隧道結結構的磁電阻通常較小，不利于實際應用。

目前，在巨磁電阻器件中以CoFe等為磁性電極的自旋閥結構能夠獲得室溫高達20％(Li，M.，Liao，S.，et?al.2002，DigestInt.Symp.Magn.Mat.Proc.Device?s)的巨磁電阻效應，而采用垂直磁各向異性的材料作為磁性電極的自旋閥目前實驗室報道的結果只有2％左右；在隧穿磁電阻器件中，目前在以CoFeB為磁性電極的AlO_x磁性隧道結中能得到室溫80％(H.X.Wei，Q.H.Qin，M.Ma，R.Sharif，X.F.Han，2007，J.Appl.Phys.101，09B501)的隧穿磁電阻，在以MgO為勢壘的磁性隧道結中則能達到600％(S.Ikeda，J.Hayakawa，H.Ohno?et?al.2006，Appl.Phys.Lett.93，082508)以上，而目前在這種用垂直磁各向異性的材料作為磁性電極的隧道結中在以AlO_x為勢壘的磁性隧道結中隧穿磁電阻只有20％左右，而在以MgO為勢壘的磁性隧道結中也只有60％左右。

目前，已經有一些相關的專利將垂直磁各向異性的磁性材料應用于自旋閥或磁性隧道結結構。

2008年10月1日公開的復旦大學的中國專利申請(公開號是CN101320616A，主題是一種具有垂直磁各向異性的自旋閥)，公開了一種采用具有垂直磁各向異性的Co/Ni多層膜為磁性層的自旋閥結構。其中為了避免具有垂直磁各向異性的磁性層與非磁性層的界面問題，選用了垂直磁各向異性比較弱的Co/Ni多層膜，從而得到比較大的磁電阻。然而，應用更為廣泛的其他的具有垂直磁各向異性材料沒有被得到應用。

2008年12月10日公開的北京科技大學的中國專利申請(公開號是CN101276879A，主題是一種雙自由層垂直鐵磁性隧道結結構)，公開了一種兩個磁性層都含有具有垂直磁各向異性材料的隧道結結構。如前所述，這種直接將具有垂直磁各向異性材料用于磁電阻結構難于得到高的磁電阻，主要原因是這種具有垂直磁各向異性的材料與自旋閥結構的中間非磁性金屬層或磁性隧道結結構的勢壘層的界面難于優化，界面自旋極化率小或者界面附近自旋軌道耦合導致的自旋散射增強等等。

另外，對于采用具有垂直磁各向異性材料為其中一層或全部兩層磁性層的隧道結結構，當薄膜結構中勢壘層的厚度比較薄時，兩個磁性層之間靜磁相互作用的增強會使得具有垂直磁各向異性磁性層的磁矩難于形成理想的垂直膜面的方向，這也會影響隧穿磁電阻的大小以及它對外場的響應的準確性。

發明內容