[发明专利]一种垂直各向异性人工反铁磁耦合多层膜材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种人工反铁磁材料，具体的说，涉及一种垂直各向异性人工反铁磁耦合多层膜材料。

背景技术

所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻；当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。自从巨磁电阻(GMR)效应在人工反铁磁结构中被发现以来，这种结构就一直受到广泛的关注。

所谓的人工反铁磁结构，通常是指两个铁磁层通过一个非磁性夹层产生交换耦合作用，而这种耦合作用使得两个铁磁层的磁矩呈现反平行状态，并且可以在一定大小的外磁场范围内维持这种反平行状态。这种表现就好像是反铁磁材料一样。但是在这种结构中，铁磁层之间的耦合能一般要远小于反铁磁材料的对应值。由于反铁磁耦合场的存在，人工反铁磁也可以作为自旋阀(SV)和磁性隧道结(MTJs)结构中的参考层使用。随着GMR和隧穿电阻效应（TMR）的不断发展，为人工反铁磁的应用提供了良好的发展前景。

近年来，关于GMR和TMR的研究均具有向垂直各向异性方向发展的趋势。在GMR方面，垂直各向异性可以具有比面内各向异性更高的热稳定性，这就意味着具有垂直各向异性的材料可以制备成更小的存贮单元，因而成为了制备高密度存储材料的关键因素。在TMR方面，具有垂直磁各向异性铁磁电极的磁隧道（以下简称垂直隧道结）被认为可以用于实现下一代高密度非易失性存储器—磁性随机存储器（MRAM）。这主要是因为相对于面内磁隧道结，垂直隧道结能克服小尺度下的边缘效应，磁电阻率更大、信噪比更高；各向异性能更大，抗热扰动能力更强、超顺磁极限尺寸更小，因此器件的密度可以做得更高更可靠；相对来说临界翻转电流减少了一项跟静磁能有关的量，因此可以更小。在垂直隧道结中，不仅要求自由层具有垂直各向异性，同时，参考层也应具有垂直各向异性。这就使得参考层多是使用具有垂直各项异性的材料制备。

常见的具有垂直磁各向异性的多层膜材料有：过渡-稀土合金（如TbFeCo，GdFeCo等），L10相(Co,Fe)-(Pt,Pd)合金，以及Co/(Pd,Pt,Ni)多层膜。但是这些材料都达不到应用的要求，主要原因有：它们或者热稳定性差或制备条件苛刻；或者垂直各向异性能不够大；或者晶体结构和势垒层MgO（001）不匹配使得磁电阻值太小；或者磁阻尼系数太大使得临界翻转电流值大。S.Ikeda[S.Ikeda et al,Nature Mater.9,721(2010)]等人提出一种新的具有磁垂直各向异性的多层膜材料Ta/CoFeB/MgO。此体系利用CoFeB/MgO界面处的界面各向异性能克服退磁能的影响，从而使得铁磁层CoFeB的磁矩垂直于膜面；需要强调的是，与CoFeB相邻的非磁性层对CoFeB/MgO体系的垂直各向异性具有明显的影响。相对于Ru等非磁性层，当使用Ta作为磁性层时，CoFeB/MgO体系可以获得较大的垂直磁各向异性。然而不足的是，W.G.Wang[W.G.Wang et al,Appl.Phys.Lett.99,102502(2011)]等人发现Ta/CoFeB/MgO体系在通过300℃以上退火数十秒后垂直磁各向异性能就会迅速下降。这无疑将是致命的，因为为了增大磁隧道结的磁电阻值同时减小结的面电阻率，隧道结通常需要在350℃以上的温度下退火来保证势垒层MgO很好的晶化。

我们发现，当使用Mo等其他金属作为此结构的非磁性层时，即Mo/CoFeB/MgO体系具有相较于Ta更大的垂直各向异性，并且样品的热稳定性出现了明显的提高，在400℃温度退火后，依然可以保持明显的垂直各向异性[T.Liu,AIP Advances2,032151(2012)]。

因此，提出一种基于热稳定性好，垂直各向异性好的金属/CoFeB/MgO体系的垂直各向异性的人工反铁磁耦合多层膜材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有垂直各向异性的人工反铁磁耦合多层膜材料。该多层膜材料可用作为巨磁电阻核心器件，或自旋阀或自旋双势垒垂直磁隧道结的参考层。

为实现以上目的，本发明提供了一种具有垂直各向异性的人工反铁磁结构多层膜。该材料通过采用Mo或其他可以促进“CoFeB/MgO”体系垂直各向异性的金属作为核心非磁性层材料，实现了垂直反铁磁耦合并且具有良好的热稳定性。