[发明专利]一种具有垂直磁各向异性的多层膜材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有增强“CoFeB/MgO”界面垂直各向异性性能的复合材料。

背景技术

因为具有高的磁电阻率，磁隧道结一直备受关注。通常，磁隧道结的铁磁电极的磁矩平行于膜面，称之为面内磁隧道结。不过，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）近几年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；临界翻转电流相对来说减少了一项跟静磁能有关的量，因此可以更小。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：热稳定性差或制备条件苛刻；垂直各向异性能不够大；晶体结构和势垒层MgO（001）不匹配使得磁电阻值太小；以及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，Ta层被认为有利于CoFeB的垂直各向异性，至今垂直各向异性CoFeB薄膜都离不开Ta近邻层 [D. C. Worledge et al, Appl. Phys. Lett. 98, 022501 (2011)]。相对于以上三种常规的垂直磁各向异性薄膜，Ta/CoFeB/MgO结构方便地应用于MgO磁隧道结中，制备方法简单；而且，此体系经过简单的退火处理之后，铁磁电极CoFeB和势垒层MgO的晶体结构非常匹配（分别为bcc(001)和fcc(100)，失配度小于4％），因此利用此体系制备出来的隧道结有很高的磁电阻率；同时CoFeB磁阻尼系数小从而临界翻转电流值小。然而，不足的是该体系的垂直磁各向异性能还是太小，以至于随着 CoFeB的厚度增大到只有大约1.5 nm的时候，它的磁矩就从垂直方向回到了面内。不仅如此，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度以上的温度下退火来保证势垒层MgO很好的晶化。

发明内容

针对现有技术中具有垂直磁各向异性的多层膜材料所存在的问题，本发明公开了一种新型具有垂直磁各向异性的多层膜材料，该材料通过采用Mo或Hf作为核心缓冲层材料，增大了垂直磁各向异性能和热稳定性。

为实现上述目的，本发明的1、一种具有垂直磁各向异性的多层膜材料，其特征在于，所述多层膜材料由下至上为：基片、核心缓冲层、非晶铁磁层和氧化物势垒层。

进一步，所述的基片的材料为硅、玻璃或其它化学性能稳定且表面平整的物质。

进一步，所述核心缓冲层的材质为Mo或Hf；厚度为0.5-200 nm。

进一步，所述非晶铁磁层的材质制备态下为非晶态的Co、Fe、B三元类合金，或其它非晶类铁磁材料。该非晶铁磁层的厚度为0.5-10 nm。

进一步，所述的氧化物势垒层的材质为MgO；该氧化物势垒层的厚度为0.5-10 nm。

一种具有垂直磁各向异性的多层膜材料，所述多层膜材料由下至上设置有：基片、氧化物势垒非晶铁磁层和核心保护层。

进一步，所述的基片的材料为硅、玻璃或其它化学性能稳定且表面平整的物质。

进一步，所述核心保护层的材质为Mo或Hf；厚度为0.5-200 nm。

进一步，所述非晶铁磁层的材质制备态下为非晶态的Co、Fe、B三元类合金，或其它非晶类铁磁材料。该非晶铁磁层的厚度为0.5-10 nm。

进一步，所述的氧化物势垒层的材质为MgO；该氧化物势垒层的厚度为0.5-10 nm。