磁性多层膜结构及磁性器件制造技术

本发明专利技术公开了一种磁性多层膜结构，包括：形成在缓冲层或种子层上的第一多层结构；所述第一多层结构包括顺序布置的：参考层、非磁性中间层、自由层和耦合层；其中，耦合层和自由层通过界面的反铁磁或铁磁耦合，耦合层和自由层的磁矩方向反平行或平行排列，非磁性中间层用于隔离或绝缘。本发明专利技术利用耦合层和自由层通过界面的反铁磁或铁磁耦合，或耦合层和参考层通过界面的反铁磁或铁磁耦合，界面的耦合作用提供了较强的垂直磁各向异性，可以在保证垂直磁各向异性的条件下进一步提高自由层或参考层厚度，从而提高TMR值，降低阻尼因子。当耦合层和自由层为反铁磁耦合时，使磁矩方向形成反平行排列，从而降低总体的饱和磁化强度，进而降低外磁场的干扰。低外磁场的干扰。低外磁场的干扰。

【技术实现步骤摘要】
磁性多层膜结构及磁性器件


[0001]本专利技术涉及存储和传感器领域，特别是涉及一种能构成SV(自旋阀)或MTJ(磁性隧道结)的磁性多层膜结构；以及一种具有所述磁性多层膜的磁性器件。

技术介绍

[0002]磁性多层膜，特别是自旋阀(SV)或磁性隧道结(MTJ)结构已经被广泛应用于磁性传感器和磁性随机存储器(MRAM)之中，其中巨磁电阻(GMR)/隧穿磁电阻(TMR)、垂直磁各向异性、自由层的阻尼因子、抵抗外磁场干扰能力等关键参数对器件的性能有至关重要的影响。在MRAM的操作过程中，GMR/TMR值的大小决定MRAM单元信息读取速度，因此，提高TMR值对提升读取容错率，提高读取速度至关重要。同时，GMR/TMR值的大小还决定磁性传感器的灵敏度。垂直磁各向异性是决定信息保存时间的重要指标，在相同器件尺寸的情况下，垂直磁各向异性越强，器件的热稳定性越强，信息在介质中保存的时间越久。自由层的阻尼因子是MRAM另一个重要参数，对于自旋转移矩磁随机存储器(STT
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MRAM)而言，低阻尼因子可以有效降低写入电流；更广泛地，对于MRAM低阻尼因子可以有效降低写入错误率(WER)等。可见如何提升以上几个性能指标是提升磁性传感器与MRAM性能的关键。
[0003]目前，提高TMR的方法主要有优化非磁绝缘层MgO的质量，提升界面的平整度，减少相互扩散等方式，基于此方式TMR可以提升至250％左右。此外通过改变自由层磁性材料(Heusler合金)和非磁绝缘层材料(MgAlO)等方式也有望提高TMR。然而，基于CMOS制程条件下，很难生长出高有序度的Heulser自由层和特定晶格结构的MgAlO非磁绝缘层。此外，提高体系的热稳定性需要提高自由层的垂直磁各向异性(PMA)，然而，Co基合金的自由层的垂直磁各向异性主要来自于界面，较薄的自由层可以提升其热稳定性，却增加了其阻尼因子，同时降低了体系的TMR。同时，器件的抗干扰特性也是在实际应用中必须考虑的因素。目前，器件抵抗外磁场干扰主要依靠磁屏蔽封装技术。由此可见目前没有一种方法能够在既增加自由层垂直磁各向异性，降低阻尼因子的情况下增强TMR值，并且具有很好的抗磁场干扰能力。

技术实现思路

[0004]在
技术实现思路
部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本专利技术的
技术实现思路
部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
[0005]本专利技术要解决的技术问题是提供一种能在增加自由层垂直磁各向异性，降低阻尼因子，增强GMR/TMR值，并且具有相对现有技术具有更好的抗磁场干扰能力的磁性多层膜结构。
[0006]以及，本专利技术还提供了一种具有所述磁性多层膜的磁性器件。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供的磁性多层膜结构，包括：
[0008]形成在缓冲层或种子层上的第一多层结构；
[0009]所述第一多层结构包括顺序或倒序布置的：参考层、非磁性中间层、自由层和耦合层；
[0010]即，所述第一多层结构包括自上而下顺序布置的：参考层、非磁性中间层、自由层和耦合层；
[0011]或，所述第一多层结构包括自上而下顺序布置的：耦合层、自由层、非磁性中间层和参考层。
[0012]其中，耦合层和自由层通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层和自由层的磁矩方向反平行或平行排列，非磁性中间层用于隔离或绝缘。
[0013]可选择的，耦合层、自由层和参考层的磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化，参考层的磁矩方向没有限制。
[0014]可选择的，所述第一多层结构包括顺序或倒序布置的参考层、非磁性中间层、自由层1、耦合层和自由层2；
[0015]即，所述第一多层结构包括自上而下顺序布置的：参考层、非磁性中间层、自由层1、耦合层和自由层2；
[0016]或，所述第一多层结构包括自上而下顺序布置的：自由层2、耦合层、自由层1、非磁性中间层和参考层；
[0017]其中，耦合层与自由层1和自由层2通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层分别与自由层1和自由层2的磁矩方向反平行或平行排列，即自由层1和自由层2磁矩方向相同。
[0018]可选择的，所述参考层、非磁性中间层、自由层1、耦合层和自由层2磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化,参考层的磁矩方向没有限制。
[0019]可选择的，自由层1和自由层2的厚度范围为0.01nm
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10nm，耦合层厚度范围为：0.01nm
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10nm。
[0020]所述第一多层结构包括顺序或倒序布置的参考层2、耦合层、参考层1、非磁性中间层和自由层；
[0021]其中，耦合层与参考层1和参考层2通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层与分别参考层1和参考层2的磁矩方向反平行或平行排列，即参考层1和参考层2磁矩方向相同。
[0022]其中，所述参考层2、耦合层、参考层1、非磁性中间层和自由层磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化，自由层的磁矩方向没有限制。
[0023]可选择的，参考层1和参考层2的厚度范围为：0.01nm
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10nm，耦合层厚度范围为：0.01nm
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10nm。
[0024]可选择的，所述的磁性多层膜结构，所述非磁性中间层为非磁金属层或非磁绝缘层。
[0025]当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁金属层时，其形成SV自旋阀。
[0026]当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁绝缘层时，其形成MTJ磁性隧道结。
[0027]示例性的，对磁性多层膜结构各层的可行材料进行说明如下；
[0028]可选择的，所述的磁性多层膜结构(SV或MTJ)的参考层(包括参考层1和参考层)和
自由层(包括自由层1和自由层2)由磁性材料制造。示例性的，所述磁性材料包括但不限于CoFeB,Co，Fe,Ni,FeB,CoFeSi，CoFe，NiFe，CoFeAl等材料其中至少一种材料组成。
[0029]可选择的，所述磁性多层膜的非磁性中间层由金属材料制造时形成为SV结构。示例性的，所述金属材料包括但不限于铜(Cu)等，以及现有技术中所有已知能应用于SV结构的金属材料。
[0030]可选择的，所述磁性多层膜的非磁性中间层为非磁绝缘层，由绝缘材料制造时形成为MTJ结构。示例性的，所述绝缘材料包括但不限于MgO或AlO
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等，以及现有技术中所有已知能应用于MTJ结构的绝缘材料。
[0031]可选择的，所述的磁性多层膜结构(SV或MTJ)的耦合层由含稀土过渡族材料制造。示例性的，耦合层由镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)和钇(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性多层膜结构，其特征在于，包括：形成在缓冲层或种子层上的第一多层结构；所述第一多层结构包括顺序或倒序布置的：参考层、非磁性中间层、自由层和耦合层；其中，耦合层和自由层通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层和自由层的磁矩方向反平行或平行排列，非磁性中间层用于隔离或绝缘。2.如权利要求1所述的磁性多层膜结构，其特征在于：所述参考层、自由层和耦合层的磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化。3.如权利要求1所述的磁性多层膜结构，其特征在于：所述第一多层结构包括顺序或倒序布置的参考层、非磁性中间层、自由层1、耦合层和自由层2；其中，耦合层与自由层1和自由层2通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层与分别自由层1和自由层2的磁矩方向反平行或平行排列。4.如权利要求3所述的磁性多层膜结构，其特征在于：所述参考层、非磁性中间层、自由层1、耦合层和自由层2磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化。5.如权利要求3所述的磁性多层膜结构，其特征在于：自由层1和自由层2的厚度范围为0.01nm
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10nm，耦合层厚度范围为：0.01nm
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【专利技术属性】
技术研发人员：吴迪，
申请(专利权)人：苏州凌存科技有限公司，
类型：发明
国别省市：