一种环状含金属芯的磁性多层膜及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于：所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的环状，该圆环的内径为１０～１０００００ｎｍ，外径为２０～２０００００ｎｍ；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为５～５００００ｎｍ。按照形成的材料分类，本发明专利技术的环状含金属芯的磁性多层膜包括无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜和钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其可以通过微加工方法或绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模两种方法来制备。本发明专利技术的环状含金属芯的磁性多层膜无退磁场，形状各向异性微弱，能够广泛应用于以磁性多层膜为核心的各种器件，例如，磁性随机存取存储器，计算机磁头，磁敏传感器等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种环状含金属芯的磁性多层膜，及其制备方法，和其在器件中的应用。
技术介绍
自20世纪80年代末期Baibich等人在磁性多层膜系统中首次观察到巨磁电阻效应(Giant Magneto Resistance，GMR)以来，磁性多层膜体系的研究一直是科研人员普遍关注的一个课题。由于GMR效应具有很高的磁电阻比值，因此可以广泛应用到磁电阻型传感器、磁记录读出磁头等领域。用GMR制成的器件不仅具有灵敏度高、体积小、功耗低等优良特点，还可以带来抗辐射、非易失性信息存储等许多新特性。特别是将GMR效应用于磁记录读出磁头则给整个信息记录领域带来了一场深刻的革命，并对相关产业产生了直接而深远的影响。1994年IBM公司利用GMR效应成功研制出硬磁盘读出磁头，将磁盘存储系统的记录密度提高了近20倍，使计算机产业取得了突破性进展；基于GMR效应制成的各类传感器件则由于输出信号增强而使得器件设计大为简化，这直接导致了器件的小型化与廉价化。 继GMR效应发现之后，1995年日本科学家T.Miyazaki和美国科学家J.S.Moodera在磁性隧道结(MTJ)中分别独立获得了室温下18％和10％的隧道磁电阻(TunnelingMagneto Resistance，TMR)比值，从而掀起了磁性隧道结的研究高潮。研究人员基于GMR效应以及磁性隧道结而设计了一种新型磁性随机存取存储器(Magnetic RandomAccess Memory，MRAM)的器件模型，这种器件由于采用了全新的设计而具有许多激动人心的新特性，诸如抗辐射、非易失性信息存储等。典型的MRAM核心部分结构由四部分构成位线(Bit Line)、写字线(Word Line)，读字线(Read Line)和存储单元。位线和写字线，读字线分别位于存储单元的上方和下方，呈纵横交叉排列，存储单元则位于位线和字线的交叉处。MRAM读写过程则由字线和位线电流共同作用而完成，这种工作方式明显的依赖于字线和位线电流所产生的磁场来操控存储单元的磁化状态，结构和工艺十分复杂，给器件的加工和集成带来了极大的不便。 1996年，美国科学家J.Slonczewski从理论上预言了一种新的物理机制—自旋转矩(Spin Torque，ST)效应，这种物理机制可以利用电流自身实现对存储单元磁化状态的操控，当存储单元中流过的电流小于某个特定的临界值IC时，存储单元磁化状态不会被存储单元中流过的电流所改变，从而可以实现读操作；而当存储单元中流过的电流大于这个临界值IC时，存储单元磁化状态将由存储单元中流过的电流的方向所决定，从而可以实现写操作。在随后的十几年中，科学家们对这种新效应进行了大量广泛而深入的研究。如果将这种新机制应用到磁性多层膜系统以及MRAM等器件中，则能够极大地简化器件结构和加工工艺，这将为信息存储领域带来又一次革命性的突破。然而由于现有技术中使用的存储单元(如比特层和其它钉扎层)的几何结构均采用非闭合结构，如矩形、椭圆形等，这种结构在高密度小尺寸存储单元下将会带来较大的退磁场和形状各向异性，这种缺陷无疑会增大自由层的反转场和功耗，对存储单元的磁电性能的均匀性和一致性也带来许多不利的影响，并且给存储单元的设计和制备带来诸多结构上的复杂性，如为减小退磁场一般要采用三明治复合型比特层和底部钉扎层。为了克服这些问题，必须采用新的几何结构和器件设计来消除磁性多层膜自身的退磁场和减小形状各向异性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的磁性多层膜系统物理结构上的缺陷，通过改变多层膜系统的几何结构，提供一种无退磁场和弱形状各向异性的环状含金属芯的磁性多层膜，及其制备方法，和用途。 本专利技术的目的是通过如下的技术方案实现的本专利技术提供的环状含金属芯的磁性多层膜，包括一常规的磁性多层膜的各层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm。 所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料，优选Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al等；该金属芯的作用是从外部施加电流，通过电流产生的环形磁场操控磁性多层膜的磁化状态，从而可以更方便的进行磁性多层膜存储单元的读写操作。 本专利技术提供的环状含金属芯的磁性多层膜，按照形成的材料分类，包括无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜和钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜。 本专利技术提供的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其核心结构包括一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的硬磁层(以下简称HFM)、中间层(以下简称I1)、软磁层(以下简称SFM)及覆盖层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm。 所述的衬底为常规衬底材料，优选Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs衬底等，厚度为0.3～1mm；所述的下部缓冲导电层由金属材料组成，优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，厚度为2～200nm；所述的硬磁层HFM由巨磁电阻效应大的材料，如Co，Fe，Ni，CoFe，NiFeCo，CoFeB，CoFeSiB等组成，厚度为2～20nm；所述的中间层I1由金属层或者绝缘体势垒层构成，其中金属层的材料如Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，绝缘体势垒层的材料如Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中间层的厚度为0.5～10nm；所述的软磁层SFM的组成材料为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料，包括Co，Fe，Ni或它们的金属合金NiFe，CoFeSiB，NiFeSiB，或非晶Co100-x-yFexBy(0＜x＜100，0＜y≤20)，或Heusler合金，如Co2MnSi，Co2Cr0.6Fe0.4Al；软磁层的组成材料优选Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21；所述的软磁层的厚度为1～20nm；所述的覆盖层由不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料组成，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化；所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料，优选Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，或其合金。 本专利技术提供的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，包括一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的反铁磁钉扎层(以下简称AFM)、被钉扎磁性层(以下简称FM1)、中间层(以下简称I2)、自由软磁层(以下简称FM2)及覆盖层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm。 所述的衬底为常规衬底，如Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs衬底等，厚度为0.3～1mm；所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环状含金属芯的磁性多层膜，包括一常规的磁性多层膜的各层，其特征在于：所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的环状，该圆环的内径为１０～１０００００ｎｍ，外径为２０～２０００００ｎｍ；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为５～５００００ｎｍ，所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料。

【技术特征摘要】
1.一种环状含金属芯的磁性多层膜，包括一常规的磁性多层膜的各层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm，所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料。2.如权利要求1所述的环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的金属芯的材料为Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al。3.一种无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其核心结构包括一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的硬磁层、中间层、软磁层及覆盖层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm。4.如权利要求3所述的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的下部缓冲导电层由金属材料组成，厚度为2～200nm；所述的硬磁层由巨磁电阻效应大的材料组成，厚度为2～20nm；所述的中间层由金属层或者绝缘体势垒层构成，其中金属层的材料为Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，绝缘体势垒层的材料为Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中间层的厚度为0.5～10nm；所述的软磁层的组成材料为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料，厚度为1～20nm；所述的覆盖层由不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料组成，厚度为2～10nm；所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料。5.如权利要求3所述的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的衬底为Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs衬底，厚度为0.3～1mm；所述的下部缓冲导电层的组成材料为Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al；所述的硬磁层的组成材料为Co，Fe，Ni，CoFe，NiFeCo，CoFeB或CoFeSiB；所述的软磁层的组成材料为Co，Fe，Ni或它们的金属合金NiFe，CoFeSiB，NiFeSiB；或非晶Co100-x-yFexBy，其中0＜x＜100，0＜y≤20；或Heusler合金；所述的覆盖层的组成材料为Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au或Cr；所述的金属芯的材料为Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，或其合金。6.如权利要求3所述的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的软磁层的组成材料为Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21。7.一种钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，包括一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层、中间层、自由软磁层及覆盖层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm。8.如权利要求7所述的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的下部缓冲导电层由金属材料组成，厚度为2～200nm；所述的反铁磁钉扎层由具有反铁磁性的合金组成，厚度为3～30nm；所述的被钉扎磁性层的组成材料为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，厚度为2～20nm；所述的中间层由金属层或者绝缘体势垒层构成，其中金属层的材料为Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，绝缘体势垒层的材料为Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中间层的厚度为0.5～10nm；所述的自由软磁层的组成材料为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料，厚度为1～20nm；所述的覆盖层由不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料组成，厚度为2～10nm；所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料。9.如权利要求7所述的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的衬底为Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs衬底，厚度为0.3～1mm；所述的下部缓冲导电层的组成材料为Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al；所述的反铁磁钉扎层的组成材料为IrMn，FeMn，PtMn，或CrMn；所述的被钉扎磁性层的组成材料为Fe、Co、Ni及其合金；所述的自由软磁层的组成材料为Co，Fe，Ni或它们的金属合金；或非晶Co100-x-yFexBy，其中0＜x＜100，0＜y≤20；或NiFeSiB，或Heusler合金；所述的覆盖层的组成材料为Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au或Cr；所述的金属芯的材料为Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，或其合...

【专利技术属性】
技术研发人员：马明，韩秀峰，姜丽仙，韩宇男，覃启航，魏红祥，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]