CN105702416B - 一种具有强垂直磁各向异性的多层膜 - Google Patents
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Abstract
本发明一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于采用铋(Bi)或者Bi合金与铁磁层界面的强界面垂直磁各向异性来获得强垂直磁各向异性。本发明共提出四种实施方案，方案一：该多层膜结构从下到上依次是缓冲层、铁磁层和氧化物势垒层；方案二：该多层膜结构从下到上依次是氧化物势垒层、铁磁层和覆盖层；方案三：该多层膜结构从下到上依次是氧化物势垒层一、铁磁层一、中间层、铁磁层二和氧化物势垒层二。在该氧化物势垒层一的下面还可以有基底；方案四：该多层膜结构从下到上依次是缓冲层、铁磁层一、氧化物势垒层、铁磁层二和覆盖层，该多层膜结构可以作为磁隧道结的核心结构。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，属于非易失性磁存储器和磁逻辑技术领域。
【背景技术】
磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)具有非易失性、可无限次擦写、读写速度快等优点，有望成为下一代低功耗通用存储器，受到了工业界和学术界的广泛关注。
磁随机存储器的核心器件是磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)。磁隧道结的主要由三层组成：参考层(Reference Layer)、氧化物势垒层(Barrier Layer)、自由层(Free Layer)。其中，参考层和自由层由铁磁层材料组成，氧化物势垒层一般由金属氧化物组成。参考层的磁化方向保持不变，用于提供参考；自由层的磁化方向可以翻转，用于存储数据。当参考层和自由层的磁化方向平行时，该结构的电阻较低；当参考层和自由层的磁化方向相反时，该结构的电阻较高，该现象被称为隧穿磁阻效应(TunnelMagnetoresistance,TMR)，相应的低阻和高阻态可分别表征二进制数据“0”和“1”。数据写入时需要翻转自由层的磁化反向，此时所需的临界电流大小称为临界翻转电流。临界翻转电流与许多因素有关，并与磁阻尼系数成正比。
为了使磁随机存储器中的数据能够保存足够长的时间，自由层的热稳定性需要较高。自由层的热稳定性可以用热稳定因子Δ(Thermal Stability Factor)来衡量，可以表示为Δ＝HKMSV/2KBT，其中HK是各向异性场，MS是饱和磁化强度，V是自由层体积，KB是玻尔兹曼常数，T是温度。可以看出，当自由层的磁各向异性较弱时，器件的热稳定性较低；同时，当器件尺寸减小时，热稳定性会降低。
2010年，S.Ikeda等人制备了基于垂直磁各向异性(Perpendicular MagneticAnisotropy,PMA)的磁隧道结，其主要结构为Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta(Ikeda et al.,Nature Materials 9,721(2010))。在该结构中，Ta/CoFeB界面和CoFeB/MgO界面能够产生界面垂直磁各向异性，当钴铁硼(CoFeB)层足够薄的时候(如1.3nm)，该界面垂直磁各向异性能够克服退磁场，从而使CoFeB层的易磁化轴方向垂直于界面方向。此外，采用钼(Mo)代替上述结构中的钽(Ta)后，界面垂直磁各向异性能够增强20％左右(Liu et al.,Scientific Reports 4,5895(2014))；采用铪(Hf)代替上述结构中的Ta后，界面垂直磁各向异性能够增强35％左右(Liu et al.,AIP Advances 2,032151(2012))。
然而，Ta(Mo，Hf)/CoFeB/MgO结构存在明显的不足。首先，该结构的界面垂直磁各向异性较弱，导致该结构的热稳定性也较低。其次，因为界面垂直磁各向异性较弱，为了使易磁化轴垂直于界面方向，就需要采用较薄的CoFeB层来减小退磁场。例如，Hf/CoFeB/MgO结构中CoFeB厚度必须小于1.5nm才能保持垂直磁各向异性(Liu et al.,AIP Advances 2,032151(2012))。CoFeB层较薄会导致磁阻尼系数较大，从而导致该结构的临界翻转电流较大。最后，当横截面尺寸减小时热稳定性会降低，因此为了保持足够的热稳定性，要求该结构的尺寸较大，从而采用该结构形成的磁随机存储器的存储密度较低。
另一种获得垂直磁各向异性的方法是采用双界面结构，其典型结构如图1所示。在该结构中有两个Ta/CoFeB界面和两个CoFeB/MgO界面，可以增强垂直磁各向异性和热稳定性。例如，基于MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的双界面结构的热稳定因子是MgO/CoFeB/Ta结构的1.9倍(Sato et al.,Applied Physics Letters101,022414(2012))。然而，双界面结构增加了薄膜层数，因此增加了工艺复杂度。同时，基于MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的双界面结构的热稳定性仍然不足。例如，当MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO结构的横截面直径为11nm时，热稳定因子小于30，不能满足磁随机存储器的要求(Sato et al.,Applied Physics Letters105,062403(2014))。
【发明内容】
一、发明目的：
针对上述背景中提到的Ta(Mo，Hf)/CoFeB/MgO和双界面结构存在的问题，本发明提供了一种具有强垂直磁各向异性的多层膜。它克服了现有技术的不足，具有垂直磁各向异性强、热稳定性高、临界翻转电流小、尺寸小等优点。
二、技术方案：
本发明提供了一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于采用铋(Bi)或者Bi合金与铁磁层界面的强界面垂直磁各向异性来获得强垂直磁各向异性。本发明共提出四种实施方案。
方案一：本方案包含一种强垂直磁各向异性的多层膜结构，该多层膜结构从下到上依次是缓冲层、铁磁层和氧化物势垒层，如图2所示。在该缓冲层的下面还可以有基底，在该氧化物势垒层的上面还可以有保护层。
所述缓冲层的材料是Bi或者Bi合金，厚度为0.2-200nm。
所述铁磁层的材料是CoFeB、铁硼(FeB)、钴铁(CoFe)、铁(Fe)、Heusler合金(Heusler Alloy)等材料中的一种材料或几种材料的组合，铁磁层的厚度为0.2-5nm。
所述氧化物势垒层的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选氧化镁(MgO)、三氧化二铝(Al2O3)或偏铝酸镁(MgAl2O4)等；氧化物势垒层的厚度为0.2-5nm。
方案二：本方案包含一种强垂直磁各向异性的多层膜结构，该多层膜结构从下到上依次是氧化物势垒层、铁磁层和覆盖层，如图3所示。在该氧化物势垒层的下面还可以有基底，在该覆盖层的上面还可以有保护层。
所述覆盖层的材料是Bi或者Bi合金，厚度为0.2-200nm。
所述铁磁层的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heusler合金等材料中的一种材料或几种材料的组合，铁磁层的厚度为0.2-5nm。
所述氧化物势垒层的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选MgO、Al2O3或MgAl2O4等；氧化物势垒层的厚度为0.2-5nm。
方案三：本方案包含一种强垂直磁各向异性的多层膜结构，该多层膜结构从下到上依次是氧化物势垒层一、铁磁层一、中间层、铁磁层二和氧化物势垒层二。在该氧化物势垒层一的下面还可以有基底，在该氧化物势垒层二的上面还可以有保护层。
所述中间层材料是Bi或者Bi合金，厚度为0.2-2nm。
所述铁磁层一和铁磁层二的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heusler合金等材料中的一种材料或几种材料的组合；铁磁层一和铁磁层二的厚度为0.2-5nm，这两层的材料和厚度可以不一样。
所述氧化物势垒层一和氧化物势垒层二的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选MgO、Al2O3或MgAl2O4等；氧化物势垒层一和氧化物势垒层二的厚度为0.2-5nm，这两层的材料和厚度可以不一样。
方案四：本方案包含一种强垂直磁各向异性的多层膜结构，该多层膜结构从下到上依次是缓冲层、铁磁层一、氧化物势垒层、铁磁层二和覆盖层，该多层膜结构可以作为磁隧道结的核心结构。在缓冲层的下面还可以有基底，在覆盖层的上面还可以有保护层。
所述缓冲层的材料是金属或者金属合金，可选自、但不限于Bi、Bi合金、Mo、Hf、铱(Ir)等，厚度为0.2-200nm；所述覆盖层的材料是金属或者金属合金，可选自、但不限于Bi、Bi合金、Mo、Hf、Ir等，厚度为0.2-200nm；且缓冲层和覆盖层中至少有一层的材料是Bi或者Bi合金。
所述铁磁层一和铁磁层二的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heusler合金等材料中的一种材料或几种材料的组合；铁磁层一和铁磁层二的厚度为0.2-5nm，这两层的材料和厚度可以不一样。
所述氧化物势垒层的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选MgO、Al2O3或MgAl2O4等，厚度为0.2-5nm。
如果缓冲层和覆盖层的材料都是Bi或者Bi合金，则可以通过控制铁磁层一和铁磁层二的材料和厚度来使两个铁磁层的磁各向异性不相等，从而垂直磁各向异性较强的铁磁层可以作为参考层，垂直磁各向异性较弱的铁磁层可以作为自由层。
如果缓冲层和覆盖层中只有一层的材料是Bi或者Bi合金，则邻近Bi或Bi合金的铁磁层具有较强的界面垂直磁各向异性，该铁磁层可以作为参考层，另一个铁磁层可以作为自由层。因为缓冲层和覆盖层材料会影响隧穿磁阻率大小，所以当缓冲层材料是Bi或Bi合金时，可以选择合适的金属或金属合金材料做覆盖层来提高隧穿磁阻率；当覆盖层材料是Bi或Bi合金时，可以选择合适的金属或金属合金材料做缓冲层来可以提高隧穿磁阻率。
所述的多层膜结构是指层状的薄膜堆叠结构，是采用传统的磁控溅射、分子束外延或原子层沉积等方法将各层材料按照从下到上的顺序生长在基底或者其他多层膜上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备的，每一薄膜层的横截面积基本相等，横截面形状一般为圆形、椭圆形、正方形或长方形中的一种。
所述的缓冲层是指铁磁层下面的一层金属或者合金材料，可具有调节垂直磁各向异性、降低表面粗糙度、促进多层膜的生长晶向形成等作用。
所述的覆盖层是指铁磁层上面的一层金属或者合金材料，可具有调节垂直磁各向异性、防氧化、降低表面粗糙度等作用。
所述的铁磁层是指铁磁材料形成的薄膜层，在室温(20到25摄氏度)下其易磁化轴方向应该垂直于薄膜平面方向，可以用来作为磁隧道结中的自由层或者参考层。
所述的氧化物势垒层是指金属氧化物形成的薄膜层，可以用来作为磁隧道结中的势垒层。
所述的中间层是指两个铁磁层中间的金属或者合金材料，可以使两个铁磁层形成层间耦合。
所述的基底可采用硅(Si)、玻璃或其他化学性能稳定且表面平整的物质。
所述的保护层可以采用Ta、钌(Ru)、二氧化硅(SiO2)等多种金属或者非金属材料，保护层的厚度一般为0.5-1000nm。
所述的CoFeB的常用元素配比是Co20Fe60B20、Co40Fe40B20或Co60Fe20B20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。
所述的FeB的常用元素配比是Fe80B20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。
所述的CoFe的常用元素配比是Co50Fe50、Co20Fe80、Co80Fe20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。
所述的Heusler合金可以是钴铁铝(Co2FeAl)、钴锰硅(Co2MnSi)等材料，其中的元素种类和元素配比可以改变。
三、优点和功效：
方案一的优点和功效：1、垂直磁各向异性强；2、热稳定性高；3、临界翻转电流小；4、尺寸小。因为采用了Bi或者Bi合金做缓冲层，缓冲层/铁磁层界面可以产生非常强的界面垂直磁各向异性，所以该多层膜结构具有很强的垂直磁各向异性和热稳定性；同时，因为缓冲层/铁磁层界面可以产生非常强的界面垂直磁各向异性，所以在一定范围内增大铁磁层的厚度后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，从而可以减小磁阻尼系数，进而有利于降低临界翻转电流；同时，因为缓冲层/铁磁层界面可以产生非常强的垂直磁各向异性，所以在一定范围内缩小该多层膜结构的横截面积后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，从而能够减小器件尺寸、增大磁存储密度。
方案二的优点和功效：1、垂直磁各向异性强；2、热稳定性高；3、临界翻转电流小；4、尺寸小。因为采用了Bi或者Bi合金做覆盖层，铁磁层/覆盖层界面可以产生非常强的界面垂直磁各向异性，所以该多层膜结构具有很强的垂直磁各向异性和热稳定性；同时，因为铁磁层/覆盖层界面可以产生非常强的界面垂直磁各向异性，所以在一定范围内增大铁磁层的厚度后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，从而可以减小磁阻尼系数，进而有利于降低临界翻转电流；同时，因为铁磁层/覆盖层界面可以产生非常强的垂直磁各向异性，所以在一定范围内缩小该多层膜结构的横截面积后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，从而能够减小器件尺寸、增大磁存储密度。
方案三的优点和功效：1、垂直磁各向异性强；2、热稳定性高；3、临界翻转电流小；4、尺寸小。因为中间层的厚度很小，所以铁磁层一和铁磁层二具有很强的层间耦合，在数据写入时磁化方向能够同时翻转。因为采用了Bi或者Bi合金做中间层，铁磁层一/中间层界面和中间层/铁磁层二界面都可以产生非常强的界面垂直磁各向异性，所以该多层膜结构具有很强的垂直磁各向异性和热稳定性；同时，因为铁磁层一/中间层界面和中间层/铁磁层二界面都可以产生非常强的界面垂直磁各向异性，所以在一定范围内增大铁磁层一和铁磁层二的厚度后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，从而可以减小磁阻尼系数，进而有利于降低临界翻转电流；同时，因为铁磁层一/中间层界面和中间层/铁磁层二界面都可以产生非常强的垂直磁各向异性，所以在一定范围内缩小该多层膜结构的横截面积后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，从而能够减小器件尺寸、增大磁存储密度。
方案四的优点和功效：1、垂直磁各向异性强；2、热稳定性高；3、临界翻转电流小；4、尺寸小；5、提高隧穿磁阻率，降低读取错误概率。
当缓冲层和覆盖层的材料都是Bi或Bi合金时，因为缓冲层/铁磁层一界面和铁磁层二/覆盖层界面都可以产生非常强的界面垂直磁各向异性，所以该结构的自由层和参考层都具有很强的垂直磁各向异性和热稳定性；同时，因为缓冲层/铁磁层一界面和铁磁层二/覆盖层界面都可以产生非常强的界面垂直磁各向异性，所以在一定范围内增大自由层的厚度后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，从而可以减小磁阻尼系数，进而有利于降低临界翻转电流；同时，因为缓冲层/铁磁层一界面和铁磁层二/覆盖层界面都可以产生非常强的垂直磁各向异性，所以在一定范围内缩小该多层膜结构的横截面积后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，从而能够减小器件尺寸、增大磁存储密度。
如果缓冲层和覆盖层中只有一层的材料是Bi或者Bi合金，因为邻近参考层的金属层所用的材料是Bi或Bi合金，且Bi(Bi合金)/参考层界面可以产生非常强的界面垂直磁各向异性，所以该结构的参考层具有很强的垂直磁各向异性和热稳定性。缓冲层和覆盖层材料会影响隧穿磁阻率大小，当缓冲层材料是Bi或Bi合金时，因为选择了合适的金属或金属合金材料做覆盖层，所以可以提高隧穿磁阻率，从而降低读取错误概率；当覆盖层材料是Bi或Bi合金时，因为选择了合适的金属或金属合金材料做缓冲层，所以可以提高隧穿磁阻率，从而降低读取错误概率。
【附图说明】
图1为双界面结构示意图。该结构具有两个势垒层、两个铁磁层和一个中间层。其中势垒层材料常用MgO，铁磁层材料常用CoFeB，中间层材料常用Ta。
图2为一种具有强垂直磁各向异性的多层膜的示意图，从下到上依次是缓冲层、铁磁层和氧化物势垒层。
图3为一种具有强垂直磁各向异性的多层膜的示意图，从下到上依次是氧化物势垒层、铁磁层和覆盖层。
图4为实施例一的示意图，从下到上依次是基底、缓冲层、铁磁层、氧化物势垒层和保护层。其中基底材料是热氧化的硅，缓冲层材料是Bi，铁磁层材料是Co20Fe60B20，氧化物势垒层材料是MgO，保护层材料是Ta。
图5为实施例二的示意图，从下到上依次是基底、氧化物势垒层、铁磁层、覆盖层和保护层。其中基底材料是热氧化的硅，氧化物势垒层材料是MgO，铁磁层材料是Co20Fe60B20，覆盖层材料是Bi，保护层材料是Ta。
图6为实施例三的示意图，从下到上依次是基底、氧化物势垒层一、铁磁层一、中间层、铁磁层二和氧化物势垒层二和保护层。其中基底材料是热氧化的硅，中间层材料是Bi，铁磁层一和铁磁层二的材料是Co20Fe60B20，氧化物势垒层一和氧化物势垒层二的材料是MgO，保护层材料是Ta。
图7为实施例四的示意图，从下到上依次是基底、缓冲层、铁磁层一、氧化物势垒层、铁磁层二、覆盖层和保护层。其中基底材料是热氧化的硅，缓冲层和覆盖层的材料都是Bi，铁磁层一和铁磁层二的材料都是Co20Fe60B20，氧化物势垒层的材料是MgO，保护层材料是Ta。
图8为实施例五的示意图，从下到上依次是基底、缓冲层、铁磁层一、氧化物势垒层、铁磁层二、覆盖层和保护层。其中基底材料是热氧化的硅；缓冲层材料是Bi；覆盖层的材料采用除Bi以外的金属材料，比如Mo、Hf、Ir等；铁磁层一和铁磁层二的材料都是Co20Fe60B20；氧化物势垒层的材料是MgO；保护层材料是Ta。
【具体实施方式】
以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的发明范围。其特定的结构细节和功能细节仅用来描述特定实施例，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。另外，附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸。
实施例一：
本实施例是方案一的一个具体示例。在本实施例中，采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将缓冲层、铁磁层和氧化物势垒层沉积在热氧化的硅基底上，并且在氧化物势垒层上沉积一层保护层，如图4所示。最后进行光刻、刻蚀等加工，横截面积为圆形。
其中，缓冲层材料是Bi，厚度为1nm；铁磁层材料是Co20Fe60B20，厚度为2.5nm；氧化物势垒层材料是MgO，厚度是1nm；保护层材料是Ta，厚度为5nm。因为Bi/CoFeB界面具有很强的界面垂直磁各向异性，所以当CoFeB为2.5nm时，界面垂直磁各向异性仍然足以克服退磁场，从而使该结构的易磁化轴方向为垂直于薄膜平面方向，并具有很强的垂直磁各向异性以及热稳定性。同时，因为铁磁层厚度较大，该结构的磁阻尼系数得以减小，所以有利于降低临界翻转电流。此外，在一定范围内缩小该多层膜结构的横截面积后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，因此能够减小器件尺寸、增大磁存储密度。
实施例二：
本实施例是方案二的一个具体示例。在本实施例中，采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将氧化物势垒层、铁磁层和覆盖层沉积在热氧化的硅基底上，并且在覆盖层上沉积一层保护层，如图5所示。最后进行光刻、刻蚀等加工，横截面积为圆形。
其中，氧化物势垒层材料是MgO，厚度是1nm；铁磁层材料是Co20Fe60B20，厚度为2.5nm；覆盖层材料是Bi，厚度为1nm；保护层材料是Ta，厚度为5nm。因为CoFeB/Bi界面具有很强的界面垂直磁各向异性，所以当CoFeB为2.5nm时，界面垂直磁各向异性仍然足以克服退磁场，从而使该结构的易磁化轴方向为垂直于薄膜平面方向，并具有很强的垂直磁各向异性以及热稳定性。同时，因为铁磁层厚度较大，该结构的磁阻尼系数得以减小，所以有利于降低临界翻转电流。此外，在一定范围内缩小该多层膜结构的横截面积后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，因此能够减小器件尺寸、增大磁存储密度。
实施例三：
本实施例是方案三的一个具体示例。在本实施例中，采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将氧化物势垒层一、铁磁层一、中间层、铁磁层二和氧化物势垒层二沉积在热氧化的硅基底上，并且在氧化物势垒层二上沉积一层保护层，如图6所示。最后进行光刻、刻蚀等加工，横截面积为圆形。
其中，中间层材料是Bi，厚度为0.4nm；铁磁层一的材料是Co20Fe60B20，厚度为3nm；铁磁层二的材料是Co20Fe60B20，厚度为1nm；氧化物势垒层一和氧化物势垒层二的材料都是MgO，厚度都是1nm；保护层材料是Ta，厚度为5nm。这是一个采用Bi作为中间层的双界面结构，其中中间层Bi的厚度很小，所以铁磁层一和铁磁层二具有很强的层间耦合，在数据写入时这两层的磁化方向能够同时翻转。因为该结构有两个Bi/CoFeB界面和两个CoFeB/MgO界面，且Bi/CoFeB界面具有很强的界面垂直磁各向异性，所以当铁磁层一和铁磁层二分别为3nm和1nm时(总共为4nm)，该结构仍能保持很强的垂直磁各向异性和热稳定性。同时，因为铁磁层厚度较大，该结构的磁阻尼系数得以减小，所以有利于降低临界翻转电流。此外，在一定范围内缩小该多层膜结构的横截面积后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，因此能够减小器件尺寸、增大磁存储密度。
实施例四：
本实施例是方案四的一个具体示例。在本实施例中，采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将缓冲层、铁磁层一、氧化物势垒层、铁磁层二和覆盖层沉积在热氧化的硅基底上，并且在覆盖层上沉积一层保护层，如图7所示。最后进行光刻、刻蚀等加工，横截面积为圆形。
其中，缓冲层和覆盖层的材料都是Bi，厚度都为1nm；铁磁层一的材料是Co20Fe60B20，厚度为2.5nm；铁磁层二的材料是Co20Fe60B20，厚度为3.5nm；氧化物势垒层的材料是MgO，厚度为1nm；保护层材料是Ta，厚度为5nm。这是一个采用Bi作为缓冲层和覆盖层的多层膜结构。其中铁磁层一的垂直磁各向异性较强，可以作为参考层；铁磁层二的垂直磁各向异性较弱，可以作为自由层。因为该结构中CoFeB/Bi界面具有非常强的界面垂直磁各向异性，所以该结构的参考层和自由层都具有很强的垂直磁各向异性和热稳定性。同时，因为自由层的厚度较大(3.5nm)，所以自由层的磁阻尼系数得以减小，从而有利于降低临界翻转电流。此外，在一定范围内缩小该结构的横截面积后，自由层和参考层仍然能保持较高的热稳定性，因此能够减小器件尺寸、增大磁存储密度。
实施例五：
本实施例是方案四的另一个具体示例。在本实施例中，采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将缓冲层、铁磁层一、氧化物势垒层、铁磁层二和覆盖层沉积在热氧化的硅基底上，并且在覆盖层上沉积一层保护层，如图8所示。最后进行光刻、刻蚀等加工，横截面积为圆形。
其中，缓冲层材料是Bi，厚度为1nm；覆盖层的材料采用除Bi以外的金属材料，比如Mo、Hf、Ir等，厚度为1nm。铁磁层一的材料是Co20Fe60B20，厚度为2.5nm；铁磁层二的材料是Co20Fe60B20，厚度为1.0nm；氧化物势垒层的材料是MgO，厚度为1nm；保护层材料是Ta，厚度为5nm。这是一个采用Bi做缓冲层、另一种金属材料做覆盖层的多层膜结构。其中铁磁层一的垂直磁各向异性较强，可以作为参考层；铁磁层二的垂直磁各向异性较弱，可以作为自由层。因为该结构中CoFeB/Bi界面具有非常强的界面垂直磁各向异性，所以该结构的参考层具有很强的垂直磁各向异性和热稳定性。因为缓冲层和覆盖层材料会影响隧穿磁阻率大小，通过选择合适的覆盖层材料，可以提高隧穿磁阻率，从而降低读取错误概率。
最后应该说明的是，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (39)
1.一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：该多层膜结构从下到上依次是缓冲层、铁磁层和氧化物势垒层，并且在氧化物势垒层上沉积一层保护层；
所述缓冲层的材料是Bi或者Bi合金，缓冲层的厚度为0.2-200nm；
所述铁磁层的材料是CoFeB、铁硼FeB、钴铁CoFe、铁Fe、Heusler合金材料中的一种材料或几种材料的组合，铁磁层的厚度为0.2-5nm；
所述氧化物势垒层的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物材料中的一种材料或几种材料的组合，氧化物势垒层的厚度为0.2-5nm；
其中，在该缓冲层的下面增加有基底。
2.根据权利要求1所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：氧化物势垒层的材料是氧化镁MgO、三氧化二铝Al2O3或偏铝酸镁MgAl2O4。
3.根据权利要求1所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的多层膜结构是指层状的薄膜堆叠结构，是采用磁控溅射、分子束外延或原子层沉积方法将各层材料按照从下到上的顺序生长在基底上，然后选用光刻、刻蚀来制备，每一薄膜层的横截面积相等；横截面形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的铁磁层是指铁磁材料形成的薄膜层，在室温下铁磁层磁化轴方向垂直于薄膜平面方向，用来作为磁隧道结中的自由层或者参考层。
5.根据权利要求1所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述CoFeB的元素配比是Co20Fe60B20、Co40Fe40B20或Co60Fe20B20；所述FeB的元素配比是Fe80B20；所述CoFe的元素配比是Co50Fe50、Co20Fe80或Co80Fe20；这里的数字代表元素的百分比。
6.根据权利要求1所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述Heusler合金是钴铁铝Co2FeAl或钴锰硅Co2MnSi材料。
7.根据权利要求1所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述基底选用化学性能稳定且表面平整的材料；所述的保护层选用金属或者非金属材料。
8.根据权利要求1或7所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述基底为硅Si或玻璃。
9.根据权利要求1或7所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的保护层为Ta、钌Ru或二氧化硅SiO2，厚度为0.5-1000nm。
10.一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：该多层膜结构从下到上依次是氧化物势垒层、铁磁层和覆盖层，按照从下到上的顺序将氧化物势垒层、铁磁层和覆盖层沉积在基底上；
所述覆盖层的材料是Bi或者Bi合金，厚度为0.2-200nm；
所述铁磁层的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heusler合金材料中的一种材料或几种材料的组合，铁磁层的厚度为0.2-5nm；
所述氧化物势垒层的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物材料中的一种材料或几种材料的组合，氧化物势垒层的厚度为0.2-5nm；
其中，在该覆盖层的上面增加有保护层。
11.根据权利要求10所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述氧化物势垒层的材料为MgO、Al2O3或MgAl2O4。
12.根据权利要求10所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的多层膜结构是指层状的薄膜堆叠结构，是采用磁控溅射、分子束外延或原子层沉积方法将各层材料按照从下到上的顺序生长在基底上，然后选用光刻、刻蚀来制备，每一薄膜层的横截面积相等；横截面形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形中的一种。
13.根据权利要求10所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的铁磁层是指铁磁材料形成的薄膜层，在室温下铁磁层磁化轴方向垂直于薄膜平面方向，用来作为磁隧道结中的自由层或者参考层。
14.根据权利要求10所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述CoFeB的元素配比是Co20Fe60B20、Co40Fe40B20或Co60Fe20B20；所述FeB的元素配比是Fe80B20；所述CoFe的元素配比是Co50Fe50、Co20Fe80或Co80Fe20；这里的数字代表元素的百分比。
15.根据权利要求10所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述Heusler合金是钴铁铝Co2FeAl或钴锰硅Co2MnSi材料。
16.根据权利要求10所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述基底选用化学性能稳定且表面平整的材料；所述的保护层选用金属或者非金属材料。
17.根据权利要求10或16所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述基底为硅Si或玻璃。
18.根据权利要求10或16所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的保护层为Ta、钌Ru或二氧化硅SiO2，厚度为0.5-1000nm。
19.一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：该多层膜结构从下到上依次是氧化物势垒层一、铁磁层一、中间层、铁磁层二和氧化物势垒层二，按照从下到上的顺序将氧化物势垒层一、铁磁层一、中间层、铁磁层二和氧化物势垒层二沉积在基底上，并且在氧化物势垒层二上沉积一层保护层；
所述中间层材料是Bi或者Bi合金，厚度为0.2-2nm；
所述铁磁层一和铁磁层二的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heusler合金材料中的一种材料或几种材料的组合；铁磁层一和铁磁层二的厚度为0.2-5nm，这两层的材料和厚度不一样；所述铁磁层一和铁磁层二使两个铁磁层形成层间耦合；
所述氧化物势垒层一和氧化物势垒层二的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物材料中的一种材料或几种材料的组合，氧化物势垒层一和氧化物势垒层二的厚度为0.2-5nm，这两层的材料和厚度不一样；
其中，在该氧化物势垒层一的下面增加有基底，在该氧化物势垒层二的上面增加有保护层。
20.根据权利要求19所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述氧化物势垒层一和氧化物势垒层二的材料是MgO、Al2O3或MgAl2O4。
21.根据权利要求19所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的多层膜结构是指层状的薄膜堆叠结构，是采用磁控溅射、分子束外延或原子层沉积方法将各层材料按照从下到上的顺序生长在基底上，然后选用光刻、刻蚀来制备，每一薄膜层的横截面积相等；横截面形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形中的一种。
22.根据权利要求19所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的铁磁层一和铁磁层二是指铁磁材料形成的薄膜层，在室温下铁磁层一和铁磁层二磁化轴方向垂直于薄膜平面方向，用来作为磁隧道结中的自由层或者参考层。
23.根据权利要求19所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述CoFeB的元素配比是Co20Fe60B20、Co40Fe40B20或Co60Fe20B20；所述FeB的元素配比是Fe80B20；所述CoFe的元素配比是Co50Fe50、Co20Fe80或Co80Fe20；这里的数字代表元素的百分比。
24.根据权利要求19所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述Heusler合金是钴铁铝Co2FeAl或钴锰硅Co2MnSi材料。
25.根据权利要求19所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述基底选用化学性能稳定且表面平整的材料；所述的保护层选用金属或者非金属材料。
26.根据权利要求19或25所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述基底为硅Si或玻璃。
27.根据权利要求19或25所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的保护层为Ta、钌Ru或二氧化硅SiO2，厚度为0.5-1000nm。
28.一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：该多层膜结构从下到上依次是缓冲层、铁磁层一、氧化物势垒层、铁磁层二和覆盖层，并且在覆盖层上沉积一层保护层；
所述缓冲层的材料是金属或者金属合金，厚度为0.2-200nm；
所述覆盖层的材料是金属或者金属合金，厚度为0.2-200nm；
所述缓冲层和覆盖层中至少有一层的材料是Bi或者Bi合金；
所述铁磁层一和铁磁层二的材料是CoFeB、FeB、CoFe、Fe、Heusler合金材料中的一种材料或几种材料的组合；铁磁层一和铁磁层二的厚度为0.2-5nm，这两层的材料和厚度不一样；所述铁磁层一和铁磁层二使两个铁磁层形成层间耦合；
所述氧化物势垒层的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物材料中的一种材料或几种材料的组合，厚度为0.2-5nm；
其中，所述缓冲层的下面还增加有基底。
29.根据权利要求28所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述缓冲层和覆盖层的材料为Bi、Bi合金、Mo、Hf或Ir。
30.根据权利要求28所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述氧化物势垒层的材料是MgO、Al2O3或MgAl2O4。
31.根据权利要求28所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：如果缓冲层和覆盖层的材料都是Bi或者Bi合金，则通过控制铁磁层一和铁磁层二的材料和厚度来使两个铁磁层的磁各向异性不相等，从而垂直磁各向异性强的铁磁层作为参考层，垂直磁各向异性弱的铁磁层作为自由层。
32.根据权利要求28所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：如果缓冲层和覆盖层中只有一层的材料是Bi或者Bi合金，则邻近Bi或Bi合金的铁磁层具有强的界面垂直磁各向异性，该铁磁层作为参考层，另一个铁磁层作为自由层。
33.根据权利要求28所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的多层膜结构是指层状的薄膜堆叠结构，是采用磁控溅射、分子束外延或原子层沉积方法将各层材料按照从下到上的顺序生长在基底上，然后选用光刻、刻蚀来制备，每一薄膜层的横截面积相等；横截面形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形中的一种。
34.根据权利要求28所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的铁磁层一和铁磁层二是指铁磁材料形成的薄膜层，在室温下铁磁层一和铁磁层二磁化轴方向垂直于薄膜平面方向，用来作为磁隧道结中的自由层或者参考层。
35.根据权利要求28所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述CoFeB的元素配比是Co20Fe60B20、Co40Fe40B20或Co60Fe20B20；所述FeB的元素配比是Fe80B20；所述CoFe的元素配比是Co50Fe50、Co20Fe80或Co80Fe20；这里的数字代表元素的百分比。
36.根据权利要求28所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述Heusler合金是钴铁铝Co2FeAl或钴锰硅Co2MnSi材料。
37.根据权利要求28所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述基底选用化学性能稳定且表面平整的材料；所述的保护层选用金属或者非金属材料。
38.根据权利要求28或37所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述基底为硅Si或玻璃。
39.根据权利要求28或37所述的一种具有强垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于：所述的保护层为Ta、钌Ru或二氧化硅SiO2，厚度为0.5-1000nm。
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