[發明專利]一種垂直各向異性人工反鐵磁耦合多層膜材料

有效

• 申請號: 201410133550.0
• 申請日: 2014-04-03
• 公開（公告）號: CN103956249B
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 張勖;蔡建旺
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01F10/32
• 分類號: H01F10/32;H01F10/12;H01L43/10
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙)11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發明涉及一種人工反鐵磁材料，具體的說，涉及一種垂直各向異性人工反鐵磁耦合多層膜材料。

背景技術

所謂巨磁阻效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現象。巨磁阻是一種量子力學效應，它產生于層狀的磁性薄膜結構。這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻；當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大。自從巨磁電阻(GMR)效應在人工反鐵磁結構中被發現以來，這種結構就一直受到廣泛的關注。

所謂的人工反鐵磁結構，通常是指兩個鐵磁層通過一個非磁性夾層產生交換耦合作用，而這種耦合作用使得兩個鐵磁層的磁矩呈現反平行狀態，并且可以在一定大小的外磁場范圍內維持這種反平行狀態。這種表現就好像是反鐵磁材料一樣。但是在這種結構中，鐵磁層之間的耦合能一般要遠小于反鐵磁材料的對應值。由于反鐵磁耦合場的存在，人工反鐵磁也可以作為自旋閥(SV)和磁性隧道結(MTJs)結構中的參考層使用。隨著GMR和隧穿電阻效應（TMR）的不斷發展，為人工反鐵磁的應用提供了良好的發展前景。

近年來，關于GMR和TMR的研究均具有向垂直各向異性方向發展的趨勢。在GMR方面，垂直各向異性可以具有比面內各向異性更高的熱穩定性，這就意味著具有垂直各向異性的材料可以制備成更小的存貯單元，因而成為了制備高密度存儲材料的關鍵因素。在TMR方面，具有垂直磁各向異性鐵磁電極的磁隧道（以下簡稱垂直隧道結）被認為可以用于實現下一代高密度非易失性存儲器—磁性隨機存儲器（MRAM）。這主要是因為相對于面內磁隧道結，垂直隧道結能克服小尺度下的邊緣效應，磁電阻率更大、信噪比更高；各向異性能更大，抗熱擾動能力更強、超順磁極限尺寸更小，因此器件的密度可以做得更高更可靠；相對來說臨界翻轉電流減少了一項跟靜磁能有關的量，因此可以更小。在垂直隧道結中，不僅要求自由層具有垂直各向異性，同時，參考層也應具有垂直各向異性。這就使得參考層多是使用具有垂直各項異性的材料制備。

常見的具有垂直磁各向異性的多層膜材料有：過渡-稀土合金（如TbFeCo，GdFeCo等），L10相(Co,Fe)-(Pt,Pd)合金，以及Co/(Pd,Pt,Ni)多層膜。但是這些材料都達不到應用的要求，主要原因有：它們或者熱穩定性差或制備條件苛刻；或者垂直各向異性能不夠大；或者晶體結構和勢壘層MgO（001）不匹配使得磁電阻值太小；或者磁阻尼系數太大使得臨界翻轉電流值大。S.Ikeda[S.Ikeda et al,Nature Mater.9,721(2010)]等人提出一種新的具有磁垂直各向異性的多層膜材料Ta/CoFeB/MgO。此體系利用CoFeB/MgO界面處的界面各向異性能克服退磁能的影響，從而使得鐵磁層CoFeB的磁矩垂直于膜面；需要強調的是，與CoFeB相鄰的非磁性層對CoFeB/MgO體系的垂直各向異性具有明顯的影響。相對于Ru等非磁性層，當使用Ta作為磁性層時，CoFeB/MgO體系可以獲得較大的垂直磁各向異性。然而不足的是，W.G.Wang[W.G.Wang et al,Appl.Phys.Lett.99,102502(2011)]等人發現Ta/CoFeB/MgO體系在通過300℃以上退火數十秒后垂直磁各向異性能就會迅速下降。這無疑將是致命的，因為為了增大磁隧道結的磁電阻值同時減小結的面電阻率，隧道結通常需要在350℃以上的溫度下退火來保證勢壘層MgO很好的晶化。

我們發現，當使用Mo等其他金屬作為此結構的非磁性層時，即Mo/CoFeB/MgO體系具有相較于Ta更大的垂直各向異性，并且樣品的熱穩定性出現了明顯的提高，在400℃溫度退火后，依然可以保持明顯的垂直各向異性[T.Liu,AIP Advances2,032151(2012)]。

因此，提出一種基于熱穩定性好，垂直各向異性好的金屬/CoFeB/MgO體系的垂直各向異性的人工反鐵磁耦合多層膜材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有垂直各向異性的人工反鐵磁耦合多層膜材料。該多層膜材料可用作為巨磁電阻核心器件，或自旋閥或自旋雙勢壘垂直磁隧道結的參考層。

為實現以上目的，本發明提供了一種具有垂直各向異性的人工反鐵磁結構多層膜。該材料通過采用Mo或其他可以促進“CoFeB/MgO”體系垂直各向異性的金屬作為核心非磁性層材料，實現了垂直反鐵磁耦合并且具有良好的熱穩定性。