一种可调控垂直交换耦合场大小的复合磁性多层膜结构制造技术

本发明专利技术属于磁存储技术领域，具体为一种可调控垂直交换耦合场大小的复合磁性多层膜结构。垂直复合薄膜结构为：玻璃衬底/Ta(5) /Cu(3) /[Co(0.28)/Ni(0.58)]

【技术实现步骤摘要】
一种可调控垂直交换耦合场大小的复合磁性多层膜结构
本专利技术属磁存储
，具体涉及一种复合磁性多层膜结构，可用于具有垂直各向异性的巨磁电阻型磁随机存储器MRAM、微波发生器以及其它自旋电子器件等。
技术介绍
基于[Co/Ni]N多层膜的垂直磁化巨磁电阻（GMR）结构，因其不仅具有热稳定性好、无单元尺寸形状限制等特点，同时还具有自旋极化率高、阻尼系数低以及临界翻转电流低等优势，在高密度自旋转矩型磁性随机存储器（STT-MRAM）以及自旋轨道力矩型磁性随机存储器（SOT-MRAM）等方面具有极大应用前景。理论计算表明，Co和Ni单层的厚度在一定范围，即二者的厚度比约为1:2时，在具有强（111）取向的种子层引导生长下，[Co/Ni]多层膜将出现垂直磁各向异性。该多层膜的垂直矫顽力大小虽然可以通过改变重复周期数、种子层厚度、退火温度以及晶格取向等因素进行调控，但是要避免自由层和参考层的同时翻转，提高翻转可靠性，采用高交换偏置的复合型参考层是非常必要的。大量的实验表明，交换偏置场与钉扎层材料所提供的界面交换耦合强度成正比，即在一定范围内界面交换耦合越强，垂直交换偏置场HEB越大。垂直界面耦合强度不仅和钉扎层材料的交换耦合系数大小有关而且也与自身的垂直各向异性强度成正比。在传统的铁磁/反铁磁（FM/AFM）双层膜耦合体系中，交换偏置现象源于反铁磁层在界面处的未抵消磁矩与铁磁层磁矩之间的直接耦合，从而在铁磁层中造成单向各向异性。由于反铁磁层材料本身不具备垂直磁各向异性，同时界面的未被抵消磁矩有限，故要获得强的垂直交换偏置效果是非常有限的，显然不利于实际应用。因此，在不影响多层膜性能的前提下，探求提高多层膜交换偏置场大小的实验设计和方法，对研发高性能的自旋电子器件至关重要。参考文献：1S.Mangin,D.Ravelosona,J.A.Katine,M.J.Carey,B.D.Terris,andE.E.Fullerton,Nat.Mater.5,210(2006).2H.Song,K.Lee,J.Sohn,S.Yang,S.Parkin,C.YouandS.Shin,Appl.Phys.Lett.102,102401(2013).3M.Tang,W.Li,Y.Ren,Z.Zhang,Q.Y.Jin,J.Magn.Magn.Mater.428,269(2017.4J.Liao,H.He,Z.Zhang,B.Ma,andQ.Y.Jin,J.Appl.Phys.109,023907(2011).5G.Wang,Z.Z.Zhang,B.Ma,andQ.Y.Jin,J.Appl.Phys.113,17C111(2013).6G.H.O.Daalderop,P.J.Kelly,andF.J.A.denBroeder,Phys.Rev.Lett.68,682(1992).7F.Garcia,J.Sort,B.Rodmacq,S.Auffret,andB.Dieny,Appl.Phys.Lett.83,3537(2003).8Q.Wu,W.He,H.Liu,Y.Liu,J.CaiandZ.Cheng,J.Appl.Phys.113,033901(2013).9S.Chen,H.Zhao,G.Wang,Z.Zhang,B.Ma,andQ.Y.Jin,ThinSolidFilms534,553(2013).10S.K.Mishra,F.Radu,S.Valencia,D.Schmitz,E.Schierle,H.A.Dürr,andW.Eberhardt,Phys.Rev.B81,212404(2010).11K.Takano,R.H.Kodama,A.E.Berkowitz,W.Cao,andG.Thomas,Phys.Rev.Lett.79,1130(1997).12M.H.Tang,Z.Zhang,S.Tian,J.Wang,B.Ma,andQ.Y.Jin,Sci.Rep.5,10863(2015).13F.Radu,andH.Zabel,SpringerTractsMod.Phys.227,97-184(2008).14S.Romer,M.A.Marioni,K.Thorwarth,N.R.Joshi,C.E.Corticelli,H.J.Hug,S.Oezer,M.Parlinska-WojtanandH.Rohrmann,Appl.Phys.Lett.101,222404(2012).15C.Schubert,B.Hebler,H.Schletter,A.Liebig,M.Daniel,R.Abrudan,F.Radu,andM.Albrecht,Phys.Rev.B87,054415(2013).。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种可调控垂直交换耦合场大小的复合磁性多层膜结构。本专利技术首次利用非磁性金属Cu层加入[Co/Ni]5/TbCo复合结构获得交换偏置效应，研究了不同Cu夹层厚度对界面耦合强度的调控作用以及对复合结构磁矩翻转的影响，通过对相关参数调控和优化，最终研制出具有高交换耦合场的[Co/Ni]5/Cu/TbCo复合结构。本专利技术中，Cu夹入层厚度逐渐从0增加至2.0nm时，复合结构低磁场下的耦合净磁矩翻转消失，并且在Cu夹层厚度为0.7nm以后，[Co/Ni]5和TbCo各层的磁矩开始独立翻转，在保证TbCo磁矩方向不变的情况下，测量发现[Co/Ni]5垂直交换偏置场大小高达3kOe，该结果是普通反铁磁材料所提供偏置场的3倍多。当Cu的厚度持续增大时，交换偏置耦合作用逐渐减弱，并且在Cu厚度大于2.0nm时，偏置效应消失，此时铁磁层和亚铁磁层彻底无耦合作用。最后，在选取夹层Cu厚度为0.9nm的情况下，对整个复合结构进一步进行TbCo层垂直各向异性的优化设计，发现[Co/Ni]5的交换偏置场可从2kOe提高到2.5kOe附近。值得注意的是，在[Co/Ni]层能独立翻转时复合结构中的界面交换耦合强度约为0.8erg/cm2，相比反铁磁材料提供的界面耦合强度有较大的提高。在植入适当的Cu夹层调控界面耦合条件下，得到了如此高的垂直交换偏置场。该结构可直接作为垂直磁化巨磁电阻结构的复合参考层，应用于高密度巨磁阻型MRAM以及其它微纳自旋电子学器件中。本专利技术提出的可调控垂直交换耦合场大小的复合磁性多层膜结构，从下到上依次是：缓冲层、种子层、磁性层、非磁性夹层、亚铁磁钉扎层和保护层，如图1所示。衬底采用康宁玻璃，缓冲层为5.0±0.5nm厚的Ta单层膜，种子层为3.0±0.5nm厚的Cu单层膜，磁性层为具有垂直磁各向异性的[Co/Ni]N多层膜，其中Co层厚度为0.28±0.05nm,Ni层厚度为0.58±0.05nm，周期数为N=5，N可取3~7之间的整数，非磁性夹层为厚度可变的Cu单层膜，亚铁磁钉扎层为具有垂直磁各向异性的TbxCo1-x（tFI）合金，其中首先固定Tb成分为x=25，厚度tFI=12.0nm，研究Cu夹层厚度对交换偏置效果的影响，发现适宜出现偏置效应的夹层Cu厚度范围为0.7~1.4nm。后续选取了夹层Cu厚度固定为0.9nm，研究Tb成分和tFI大小对交换耦合的影响，发现Tb含量在2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调控垂直交换耦合场大小的复合磁性多层膜结构，其特征在于，从下到上依次是：缓冲层、种子层、磁性层、非磁性夹层、亚铁磁钉扎层和保护层；其中，衬底采用康宁玻璃，缓冲层为5.0±0.5nm厚的Ta单层膜，种子层为3.0±0.5 nm厚的Cu单层膜，磁性层为具有垂直磁各向异性的[Co/Ni]

【技术特征摘要】
1.一种可调控垂直交换耦合场大小的复合磁性多层膜结构，其特征在于，从下到上依次是：缓冲层、种子层、磁性层、非磁性夹层、亚铁磁钉扎层和保护层；其中，衬底采用康宁玻璃，缓冲层为5.0±0.5nm厚的Ta单层膜，种子层为3.0±0.5nm厚的Cu单层膜，磁性层为具有垂直磁各向异性的[Co/Ni]N多层膜，多层膜中Co层厚度为0.28±0.05nm,Ni层厚度为0.58±0.05nm，N为周期数，N取3~7之间的整数，非磁性夹层为厚度可变的Cu单层膜，亚铁磁钉扎层为具有垂直磁各向异性的TbxCo1-x（tFI）合金；其中，夹层Cu厚度范围为0.7~1.4nm；防氧化保护层为8±0.5nmTa层。2.一种如权利要求1所述的可调控垂直交换耦合场大小的复合磁性多层膜结构的制备方法，其特征在于，采用直流磁控溅射的方法，在高真空室温条件下依次进行溅射，制备各膜层，具体步骤如下：第一步、制备缓冲层：5.0±0.5nm厚的Ta单层膜；溅射气压8.0±0.2mTorr；溅射功率DC60±2W；沉积速率0.041±0.00...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宗芝，唐明洪，朱伟骅，林亮，赵柄丞，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31