專利名稱：一種具有納米軟磁核的垂直磁化自旋閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬磁存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非揮發(fā)性磁隨機(jī)存儲(chǔ)器MRAM和其它自 旋電子器件，尤其涉及一種含有面內(nèi)磁各向異性納米軟磁核的垂直磁化自旋閥。
背景技術(shù)：
與面內(nèi)磁化自旋閥相比，具有垂直磁各向異性的巨磁電阻自旋閥或隧道結(jié)器件存 儲(chǔ)單元在MRAM方面具有很大的優(yōu)越性，它不僅對(duì)存儲(chǔ)單元的長(zhǎng)寬比沒(méi)有限制，存儲(chǔ)單元尺 寸越小，邊界處磁渦旋態(tài)越不易出現(xiàn)，有利于記錄密度的提高，而且具有很好的熱穩(wěn)定性。 但傳統(tǒng)的磁場(chǎng)寫入信息方式容易導(dǎo)致近鄰影響，因此近年來(lái)一種全新的寫入方式引起研究 人員的重視，就是采用垂直流過(guò)局域存儲(chǔ)單元的極化電流產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)來(lái)驅(qū)動(dòng)自由 層翻轉(zhuǎn)。這種寫入方式需要的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度太高，不僅能耗高，而且與其它MRAM工藝 不兼容。同時(shí)，正反向磁化翻轉(zhuǎn)所需要的臨界電流大小差別太大，這也會(huì)影響信號(hào)的寫入。 因此，為了實(shí)現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)在高密度磁隨機(jī)存儲(chǔ)器MRAM中的應(yīng)用，必須設(shè)法降低巨磁電 阻器件的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度及其強(qiáng)度的不對(duì)稱性。參考文獻(xiàn)[1]J. Shi, S. Tehrani, M. R. Scheinfein，應(yīng)用物理快報(bào)(美)76，2588 (2000).[2]N. Nishimura 等，應(yīng)用物理雜志(美)91，5246 (2002)；[3]S.Mangin 等，自然材料學(xué)(美)5，210 (2006).[4]T.Seki 等，應(yīng)用物理快報(bào)(美)88，172504(2006)；[5] R. Law 等，應(yīng)用物理快報(bào)(美)91，242504 (2007).[6]N. Thiyagarajah, S. Bae 等，應(yīng)用物理快報(bào)(美)擬，062504 (2008).[7]李暄，張宗芝等，應(yīng)用物理快報(bào)(美)92，122502 (2008).[8]李暄，張宗芝等，新物理雜志(美)11，023027 (2009).[9]邱永成，張宗芝等，應(yīng)用物理快報(bào)(美)95，052507(2009).

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可用于高密度磁隨機(jī)存儲(chǔ)器MRAM存儲(chǔ)的含有納米軟 磁核的垂直磁化自旋閥。本發(fā)明提出的自旋閥，是垂直磁化的自由層中含有納米軟磁核的自旋閥結(jié)構(gòu)。本 發(fā)明首次將[NiFeCo]面內(nèi)磁各向異性材料引入到具有垂直磁各向異性的自旋閥自由層 [Co/Ni]多層膜中，使得驅(qū)動(dòng)自由層磁化翻轉(zhuǎn)的臨界電流密度大大降低，而且改善了平行態(tài) 和反平行態(tài)臨界翻轉(zhuǎn)電流大小的差異，能夠滿足其在高密度自旋轉(zhuǎn)矩型MRAM及其它微納 自旋電子學(xué)器件中的應(yīng)用。本發(fā)明提出的具有納米軟磁核的新型垂直磁化自旋閥，其結(jié)構(gòu)從下到上依次是 緩沖層，參考層，Cu中間層，自由層和保護(hù)層；上述結(jié)構(gòu)中，緩沖層采用Ta/Cu雙層膜，其中 Ta層厚度為3nm，Cu層厚度為0.5-3.0nm，其作用主要是誘導(dǎo)上面參考層的(111)晶向；參考層采用具有垂直磁各向異性的[Pt/Co]N多層膜，其中Pt層在下，Co層在上，厚度分別為 0. 5-1. 5和0. 2-0. 4nm,多層膜的周期數(shù)N = 5 ；Cu中間層厚度為2 5nm ；上面的自由層采用 [Co/Ni]N多層膜，其中Co層在下，Ni層在上，厚度分別為0. 15-0. 33和0. 5-0. 7nm,多層膜 的周期數(shù)N = 3 ；自由層上面的保護(hù)層是厚度為2. 5^3. 5nm的Ta。本發(fā)明中的磁晶各向異性常數(shù)為2. OX 107erg/cm3，飽和磁矩Ms,Mf = 300emu/ cm3。自由層采用具有垂直各向異性的[附/&)],磁性多層膜，制備中保證緊鄰中間Cu層的 單磁性層為Co層。在對(duì)器件進(jìn)行微磁模擬計(jì)算時(shí)認(rèn)為磁性層的自旋極化率為0. 7，自由 層[Ni/Co]N多層膜的各向異性常數(shù)K2為3. OX 106erg/cm3，飽和磁化強(qiáng)度為Ms2 = 650emu/ cm3。自由層中的軟磁納米核采用[NiFeCo]面內(nèi)磁各向異性材料，該軟磁核面積為自由層 面積的2% 12%。各向異性常數(shù)&控制在1.0X104erg/cm3左右，飽和磁化強(qiáng)度Msl控制 在SOOemu/cm3左右。復(fù)合自由層的有效磁化強(qiáng)度由于耦合作用保持在垂直膜面方向，因而 不影響信號(hào)。在上述參數(shù)下對(duì)器件性能進(jìn)行微磁模擬，結(jié)果顯示本發(fā)明中設(shè)計(jì)的自旋閥(軟磁 核面積為6. 3% )自由層從平行態(tài)⑵翻轉(zhuǎn)到反平行態(tài)(AP)時(shí)，比相同參數(shù)的普通自旋閥 臨界翻轉(zhuǎn)電流密度J。減小28. 5%，臨界電流下翻轉(zhuǎn)時(shí)間縮短41. 2%，自由層從反平行態(tài)到 平行態(tài)下(AP-to-P)電流密度減小56.9%，翻轉(zhuǎn)時(shí)間縮短65. 1%。這種新型自旋閥結(jié)構(gòu)降 低了電流密度，改善了臨界翻轉(zhuǎn)電流的非對(duì)稱性，有效促進(jìn)了自旋轉(zhuǎn)矩型非揮發(fā)性磁隨機(jī) 存儲(chǔ)器MRAM的實(shí)際應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明自旋閥的結(jié)構(gòu)示意圖。自下向上分別為參考層，中間層，含有納米軟 磁核的復(fù)合自由層。參考層采用[(^/^、垂直磁化多層膜，自由層采用[Co/Ni]N垂直磁 化多層膜，自由層內(nèi)的納米軟磁核為面內(nèi)磁化的NiFeCo材料。中間層為Cu。圖示K1，K2， Kref分別為納米柱，自由層，參考層的磁各向異性，K2，Kref為垂直方向，K1為面內(nèi)方向。圖2為在本發(fā)明設(shè)計(jì)的參數(shù)下，控制軟磁核面積的比例所得到的臨界翻轉(zhuǎn)電流變 化情況。其中的插圖為隨軟磁核面積變化，器件垂直方向相對(duì)磁化強(qiáng)度的變化，反映器件磁 化強(qiáng)度的方向。圖3為三種不同軟磁核面積比例8下，器件在同樣電流作用下的翻轉(zhuǎn)時(shí)間比較。圖4為軟磁核面積比分別為5 = 12. 5%與5 = 0% (普通垂直各向異性自旋 閥)時(shí)，加電流翻轉(zhuǎn)的磁滯回線。其顯示出在本發(fā)明的自旋閥結(jié)構(gòu)下，器件正反向翻轉(zhuǎn)電流 更具有對(duì)稱性。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。實(shí)施例1本例為一組不同軟磁核面積比下臨界翻轉(zhuǎn)電流密度的變化情況。如圖(2)所 示，在軟磁核面積比8 =4. 17%時(shí)，自由層從平行態(tài)到反平行態(tài)臨界翻轉(zhuǎn)電流密度 為2.56X 107A/cm2，比沒(méi)有軟磁核(5 = 0% )降低了 44. 4 %，反平行態(tài)到平行態(tài)為 0.8X107A/cm2，降低了 18.5%，而此時(shí)自由層的磁化強(qiáng)度基本上仍保持在垂直方向的(z方向的磁化強(qiáng)度僅減小2%，見圖2插圖)。隨著軟磁核面積比5進(jìn)一步的增大，臨界電流密 度得到進(jìn)一步降低。綜合考慮自由層垂直方向磁性信號(hào)的穩(wěn)定性和臨界翻轉(zhuǎn)電流密度的降 低程度，實(shí)驗(yàn)中軟磁核面積比S取6%左右為宜。實(shí)施例2本例為一組不同軟磁核面積比下翻轉(zhuǎn)電流脈沖時(shí)間的變化情況。如圖3所示，本 發(fā)明中設(shè)計(jì)的自旋閥(軟磁核面積為6.3%)比相同參數(shù)的普通自旋閥臨界翻轉(zhuǎn)電流密度， 從平行態(tài)到反平行態(tài)臨界(P-to-AP)電流下翻轉(zhuǎn)時(shí)間減小41.2%，從反平行態(tài)到平行態(tài) (AP-to-P)臨界電流下翻轉(zhuǎn)時(shí)間減小65. 1%。實(shí)施例3本例為普通自旋閥和本發(fā)明自旋閥在改善器件臨界電流對(duì)稱性方面的作用情況。 如圖4所示，在8 =0% (普通垂直各向異性自旋閥)時(shí)，平行態(tài)到反平行態(tài)電流密度J。P_AP， 反平行態(tài)到平行態(tài)電流密度J。AP_P分別為4. 53X 107A/cm2和0. 97X 107A/cm2,其不對(duì)稱比 j/i/jc” 為 4. 67。當(dāng) S = 12. 5%時(shí)，J/-AP，JCAP_P 分別為 1. 98X 107A/Cm2 和 0. 89X 107A/ cm2，其不對(duì)稱比為2. 23，有了很大的改善。
權(quán)利要求
一種磁性層具有垂直磁各向異性的自旋閥，其特征在于該自旋閥結(jié)構(gòu)從下到上依次是緩沖層，參考層，Cu中間層，自由層和保護(hù)層；上述結(jié)構(gòu)中，緩沖層采用Ta/Cu雙層膜，其中Ta層厚度為3nm，Cu層厚度為0.5-3.0nm；參考層采用具有垂直磁各向異性的[Pt/Co]N多層膜，其中Pt層在下，Co層在上，厚度分別為0.5-1.5和0.2-0.4nm，多層膜的周期數(shù)N＝5；Cu中間層厚度為2~5nm；上面的自由層采用[Co/Ni]N多層膜，其中Co層在下，Ni層在上，厚度分別為0.15-0.33和0.5-0.7nm，多層膜的周期數(shù)N＝3；自由層上面的保護(hù)層是厚度為2.5~3.5nm的Ta。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有垂直磁各向異性的自旋閥，其特征在于在由[Co/Ni]多 層膜構(gòu)成的自由層中加入有具有面內(nèi)各向異性的納米尺寸MFeCo軟磁核，該軟磁核面積 為自由層總面積的2% -12%。
全文摘要
本發(fā)明屬于磁存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，具體為具有納米軟磁核的垂直磁化自旋閥。本發(fā)明中的自旋閥結(jié)構(gòu)中磁性參考層和自由層分別采用具有垂直磁各向異性的[Co/Pt]和[Co/Ni]多層膜結(jié)構(gòu)。在保存信息的自由層利用微制備或摻雜的方法加入具有面內(nèi)磁各向異性的[NiFeCo]納米軟磁核。不影響存儲(chǔ)信號(hào)的情況下，納米核面積可控制在自由層總面積的2％-12％左右。通過(guò)對(duì)納米旋閥器件的微磁模擬發(fā)現(xiàn)，具有納米核的垂直磁化自旋閥自由層磁矩翻轉(zhuǎn)電流比普通垂直磁化的自旋閥結(jié)構(gòu)大幅度降低，降幅高達(dá)56.9％，翻轉(zhuǎn)時(shí)間縮短65.1％，臨界翻轉(zhuǎn)電流的強(qiáng)度不對(duì)稱性也有很大改善。本發(fā)明在研發(fā)低能耗的自旋轉(zhuǎn)矩型大容量磁隨機(jī)存儲(chǔ)器MRAM方面具有重大的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G11C11/16GK101853919SQ20101015345
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
發(fā)明者張宗芝, 李暄, 邱永成, 金慶原, 馬斌 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)