专利名称：一种具有垂直磁各向异性的自旋阀的利记博彩app
技术领域：
本发明属磁记录技术领域，具体涉及一种非挥发性磁随机存储器和其它自旋电子器 件，尤其涉及一种具有垂直磁各向异性的自旋阀。
背景技术：
由于传统的自旋阀利用的是磁性薄膜的面内磁各向异性，在制备成未来电子设备中所 需要的纳米量级器件时由于边界磁涡流效应而严重影响性能。随着信息技术的不断发展， 对磁存储技术的要求也不断提高。为了适应超高密度的存储目标，无论是在计算机硬盘， 还是在MRAM中，都要求自旋阀单元降低到几百甚至几时纳米量级的尺寸。但是当尺寸 减小到一定程度，传统自旋阀中具有水平磁各向异性的自由层会有较严重的磁涡旋效应， 使自由层的翻转出现不规则台阶。这种现象会产生巨大的噪声，并导致整个系统的不稳定， 己经成为目前在高密度MRAM研发中的核心问题之一。 参考文献 B. N. Engel, " a/" IEEE Trans. Magn. 41， 132 (2005). J. Shi, S. Tehrani, and M. R. Scheinfein, Appl. Phys, Lett. 76， 2588 (2000). N. Nishimura, W a/" J. Appl. Phys. 91, 5246 (2002); M. S. Lin, W a/" J.Appl. Phys.
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发明内容
本发明的目的在于提出一种可以用于高密度磁存储的自旋阀。
本发明提出的自旋阀，是一种具有垂直磁各向异性的新型自旋阀器件。本发明首次将 Co/Ni多层膜结构引入自旋阀中，作为自旋阀的自由层和参考层，使自旋阀具有了垂直方 向的磁各向异性，满足了自旋阀器件在纳米量级的应用要求。
本发明提出的自旋阀器件的结构如下从下到上一共分为6层，依次是缓冲层、自 由层、Cu中间层、参考层、反铁磁层和保护层，如图1 (a)所示。该结构称之为完整自
旋阀。该结构中，也可以没有反铁磁层，这时，称之为赝自旋阀，如图l (b)所示。要求参考层的矫顽力比自由层大。缓冲层的作用主要是避免由于衬底表面形貌等原因对自旋阀 性质产生不良影响，并且也能诱导上层材料的晶向。自由层和参考层采用自旋极化率较高 的铁磁材料。反铁磁层的作用是钉扎参考层，需要采用反铁磁材料。保护层是为了防止薄 膜氧化， 一般采用不易氧化的金属。
上述结构中，缓冲层2采用Ta / Cu双层膜，其中，Ta层膜厚度为1-10咖，Cu层膜 厚度为0.6-3.0nm。自由层采用Ni/Co多层膜，其中Ni层在下，Co层在上，厚度分别为 Ni 0.50-0.70 nm， Co 0.15-0.25 nm,多层膜的周期数为3-7个周期。Cu中间层厚度为 2.1-3.3 nm。参考层采用Co/Ni多层膜，其中Co层在下，Ni层在上，厚度分别为Co: 0. 15-0.25 nm， Ni: 0.50-0.70 nm，多层膜的周期数为3-7个周期。完整自旋阀中的反铁 磁层采用Fe5QMn5。，厚度为6-20 nm。保护层采用Ta，厚度为1_10 nm。
本发明中的样品采用磁控溅射设备在室温下制备，制备的具体过程为，将干净的康宁 玻璃作为衬底层1放入样品架，经过进样腔传送至主腔，待真空达到5X10—STorr以下时， 开始逐层沉积薄膜，各金属薄膜都采用直流溅射，功率为60-80W,以氩气为工作气体， 溅射气压为2.5 - 6 mTorr。对于完整自旋阀，在室温下沉积完成后，从溅射设备中取出， 在磁场3000 Oe， 150 。C真空退火10分钟后性质会达到最好。
本发明中设计的完整自旋阀和赝自旋阀GMR信号可达5. 4-7. 7%，完整自旋阀的交换偏 置场可达450 0e以上，热稳定性可达250 。C (即在250 。C下退火后，GMR信号减小值小 于最大值的10%)。本发明提出一种具有垂直磁各向异性的新型自旋阀结构。这种新型自旋 阀结构可以用于计算机硬盘的读头，超高密度的非挥发性磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)，或者未来其它自旋电子器件中。
图l为本发明自旋阀的结构图示。其中，(a)为完整自旋阀，(b)为赝自旋阀。 图2为赝自旋阀Corning Glass/Ta 3nm/Cu 0. 6-3. 0nm/[Ni 0. 59nm/Co 0. 33nm]3/Cu 2. 3nm/[Co 0. 25nm /Ni 0. 59nm]5/Ta 3咖的M0KE洄线和GMR洄线。其中(a) ， (f)对应于Cu 0. 6nm; (b)，(g)对应于Cu 1. 2 nm; (c),(h)对应于Cul.8nm; (d)，(i)对应于Cu 2. 4 咖；(e)， (j)对应于Cu 3.0 nm。
图3为赝自旋阀Corning Glass/Ta 3nm/Cu 1.4nm/[Ni 0. 59nm /Co 0. 33nm]3/Cu 2. 3nm/[Co 0. 25nm /脂.59nm]4—7/Ta 3nm的M0KE洄线和GMR洄线。其中(a), (e)对应于参 考层中Co/Ni多层膜为4个周期；(b), (f)对应于参考层中Co/Ni多层膜为5个周期； (c), (g)对应于参考层中Co/Ni多层膜为6个周期；(d)， (h)对应于参考层中Co/Ni多层膜为7个周期。
图4为赝自旋阀Corning Glass/Ta 3nm/Cu 1.4nm/[Ni 0. 59nm /Co 0. 33nm]3/Cu 2. 1-3. 3nm/[Co 0. 25nm /Ni 0. 59nm]5/Ta 3nm的M0KE洄线和GMR洄线。其中(a), (e)对应 于Cu 2.1 nin; (b)， (f)对应于Cu 2.4 nm; (c) ， (g)对应于Cu 2.7 rai; (d)， (h)对应于 Cu 3. 3 nm。
图5为完整自旋阀Corning Glass/Ta 3nm/Cu L4nm/[Ni 0. 59nm /Co 0. 33nm]3/Cu 2.3 nm/[Co 0. 25nm /Ni 0. 59nm]5/FeMn 6,10 nm /Ta 3nm的M0KE洄线和GMR洄线。其中，实 心方块的曲线代表FeMn 6nm的自旋阀；空心圆曲线代表FeMn 10 nra的自旋阀。
图6为完整自旋阀Corning Glass/Ta 3咖/Cu 1.4nm/[Ni 0. 59nm /Co 0. 33nm]3/Cu 2.3 咖/[Co 0. 25nm /Ni 0. 59nm]5/FeMn 10 nm /Ta 3nm，在不同温度，3000 0e下退火10分 钟后的GMR信号变化图。
图中标号l为衬底，2为缓冲层，3为自由层，4为CU中间层，5为参考层，6为反 铁磁层，7为保护层。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步描述本发明。 实施例1
结构Corning Glass/Ta 3nm/Cu 0. 6-3. 0nm/[Ni 0. 59nm/Co 0. 33nm]3/Cu 2. 3nm/[Co 0. 25nm /Ni 0. 59nm]5/Ta 3腦。
本例为一组Cu缓冲层厚度为0.6nm-3.0nm的赝自旋阔。如图2所示，当Cu的厚度 从0.6nm改变至3.0nm时，这组赝自旋阀都表现出比较好的磁垂直各向异性，并且GMR 信号都在5.7 。/。以上。Cu缓冲层小于0.6 nm会破坏磁垂直各向异性，大于3.0 nm会使GMR 信号过小。 实施例2
结构Corning Glass/Ta 3nra/Cu 1.4nm/[Ni 0. 59nm /Co 0. 33nm]3/Cu 2. 3nm/[Co 0. 25nm /Ni0. 59nm]4_7/Ta 3nm
本例是一组参考层Co/Ni多层膜周期数从4-7的赝自旋阀样品。如图3所示，在周期 数从4增大到6时，GMR信号从7.12y。增大到7.72。/。，并且都有较好的磁垂直各向异性。 实施例3
结构Corning Glass/Ta 3nm/Cu 1. 4nm/[Ni 0. 59nm /Co 0. 33nm]3/Cu 2. 1-3. 3nm/[Co 0. 25nm /Ni 0. 59nm]5/Ta 3nm
本例为中间层Cu厚度从2. 1-3.3nm的一系列赝自旋阀。如图4所示，中间层厚度从2. 1 nm增大至3. 3 nm， GMR信号从7. 69%降低到5. 68%，都能满足需要，并且磁垂直各向
异性没有收到影响。
实施例4
结构Corning Glass/Ta 3nm/Cu 1. 4nm/[Ni 0. 59nm / Co 0. 33rmi]3/Cu 2. 3nm/[Co 0. 25rnn /Ni 0. 59ran]5/FeMn 6， 10nm/Ta 3nm
本例为两个具有不同厚度FeMn的完整的垂直自旋阀。比较了不同厚度反铁磁材料FeMn 的影响。图5是该两个自旋阀在150°C， 3000 0e下退火10分钟后的MOKE图和GMR信号 图。从图中可以看出，6nm和10nm的反铁磁层都能有较好的交换偏置和GMR信号。 实施例5
结构Corning Glass/Ta 3nm/Cu 1. 4nm/[Ni 0. 59nm / Co 0. 33nm]3/Cu 2. 3nm/[Co 0. 25nm /Ni 0. 59nm]5/FeMn lOnm/Ta 3nm
图6为该结构完整自旋阀在不同温度，3000 0e磁场下退火10分钟后的GMR信号变 化图。可以看出，退火温度从100 。C至150 °C， GMR信号有微小的上升，之后基本稳定 在6. 10%左右。当退火温度升至225 °C时，GMR信号开始出现下降，250 °C时，下降至 5. 52%，下降幅度仍小于最大值的10%。
权利要求
1、一种具有垂直磁各向异性的自旋阀，其特征在于该自旋阀结构从下到上一共分为6层，依次是缓冲层，自由层，Cu中间层，参考层，反铁磁层和保护层，称该结构为完整自旋阀；或者上述结构中少一个反铁磁层，称该结构为赝自旋阀；其中自由层和参考层分别采用具有垂直磁各向异性的Co/Ni多层膜。
2、 根据权利要求1所述的具有垂直磁各向异性自旋阀，其特征在于所述自由层中， Ni层在下，Co层在上，Ni层厚度为0. 50-0. 70 nm， Co层厚度为0. 15-0. 25 nra,该多层膜 Ni/Co的周期数为3-7;所述参考层中，Co层在下，Ni层在上，Co层厚度为0. 15-0. 25 nm， Ni层厚度为0. 50-0. 70 nm，该多层膜Ni/Co的周期数为3-7。
3、 根据权利要求1所述的具有垂直各向异性的自旋阀，其特征在于所述反铁磁层采 用FeMn，厚度为6-20nm。
全文摘要
本发明属于磁记录技术领域，具体为一种具有垂直磁各向异性的自旋阀。本发明中上下铁磁层采用Co/Ni多层膜结构，利用磁控溅射的方法在常温下沉积而成。Co/Ni多层膜由于其较大的表面和界面各向异性而具有易磁化方向垂直于膜面的特性，且其磁垂直各向异性常数，矫顽力等性质可以通过Co，Ni层的厚度，周期数和缓冲层来调制。另外，Co，Ni都是磁性材料，有较大的自旋极化率。本发明中的完整自旋阀和赝自旋阀GMR信号可达5.4-7.7％，完整自旋阀的交换偏置场可达450Oe以上，热稳定性可达250℃。本发明在计算机硬盘读头，MRAM和其它自旋电子器件中有重大的应用价值。
文档编号H01L43/08GK101320616SQ20081003523
公开日2008年12月10日 申请日期2008年3月27日 优先权日2008年3月27日
发明者张宗芝, 李振亚, 慧 赵, 金庆原, 斌 马 申请人:复旦大学