本發(fā)明屬磁存儲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合磁性多層膜結(jié)構(gòu)，可用于具有垂直各向異性的巨磁電阻型磁隨機存儲器MRAM、微波發(fā)生器以及其它自旋電子器件等。

背景技術(shù)：

基于[Co/ Ni]_N多層膜的垂直磁化巨磁電阻（GMR）結(jié)構(gòu)，因其不僅具有熱穩(wěn)定性好、無單元尺寸形狀限制等特點，同時還具有自旋極化率高、阻尼系數(shù)低以及臨界翻轉(zhuǎn)電流低等優(yōu)勢，在高密度自旋轉(zhuǎn)矩型磁性隨機存儲器（STT-MRAM）以及自旋軌道力矩型磁性隨機存儲器（SOT-MRAM）等方面具有極大應(yīng)用前景。理論計算表明，Co和Ni單層的厚度在一定范圍，即二者的厚度比約為1:2時，在具有強（111）取向的種子層引導(dǎo)生長下，[Co/ Ni]多層膜將出現(xiàn)垂直磁各向異性。該多層膜的垂直矯頑力大小雖然可以通過改變重復(fù)周期數(shù)、種子層厚度、退火溫度以及晶格取向等因素進行調(diào)控，但是要避免自由層和參考層的同時翻轉(zhuǎn)，提高翻轉(zhuǎn)可靠性，采用高交換偏置的復(fù)合型參考層是非常必要的。大量的實驗表明，交換偏置場與釘扎層材料所提供的界面交換耦合強度成正比，即在一定范圍內(nèi)界面交換耦合越強，垂直交換偏置場H_EB越大。垂直界面耦合強度不僅和釘扎層材料的交換耦合系數(shù)大小有關(guān)而且也與自身的垂直各向異性強度成正比。在傳統(tǒng)的鐵磁/反鐵磁（FM/AFM）雙層膜耦合體系中，交換偏置現(xiàn)象源于反鐵磁層在界面處的未抵消磁矩與鐵磁層磁矩之間的直接耦合，從而在鐵磁層中造成單向各向異性。由于反鐵磁層材料本身不具備垂直磁各向異性，同時界面的未被抵消磁矩有限，故要獲得強的垂直交換偏置效果是非常有限的，顯然不利于實際應(yīng)用。因此，在不影響多層膜性能的前提下，探求提高多層膜交換偏置場大小的實驗設(shè)計和方法，對研發(fā)高性能的自旋電子器件至關(guān)重要。

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技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種可調(diào)控垂直交換耦合場大小的復(fù)合磁性多層膜結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明首次利用非磁性金屬Cu層加入[Co/Ni]₅/TbCo復(fù)合結(jié)構(gòu)獲得交換偏置效應(yīng)，研究了不同Cu夾層厚度對界面耦合強度的調(diào)控作用以及對復(fù)合結(jié)構(gòu)磁矩翻轉(zhuǎn)的影響，通過對相關(guān)參數(shù)調(diào)控和優(yōu)化，最終研制出具有高交換耦合場的[Co/Ni]₅/Cu/TbCo復(fù)合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中，Cu夾入層厚度逐漸從0增加至2.0nm時，復(fù)合結(jié)構(gòu)低磁場下的耦合凈磁矩翻轉(zhuǎn)消失，并且在Cu夾層厚度為0.7nm以后，[Co/Ni]₅和TbCo各層的磁矩開始獨立翻轉(zhuǎn)，在保證TbCo磁矩方向不變的情況下，測量發(fā)現(xiàn)[Co/Ni]₅垂直交換偏置場大小高達3 kOe，該結(jié)果是普通反鐵磁材料所提供偏置場的3倍多。當(dāng)Cu的厚度持續(xù)增大時，交換偏置耦合作用逐漸減弱，并且在Cu厚度大于2.0nm時，偏置效應(yīng)消失，此時鐵磁層和亞鐵磁層徹底無耦合作用。最后，在選取夾層Cu厚度為0.9nm的情況下，對整個復(fù)合結(jié)構(gòu)進一步進行TbCo層垂直各向異性的優(yōu)化設(shè)計，發(fā)現(xiàn)[Co/Ni]₅的交換偏置場可從2 kOe提高到2.5 kOe附近。值得注意的是，在[Co/Ni]層能獨立翻轉(zhuǎn)時復(fù)合結(jié)構(gòu)中的界面交換耦合強度約為0.8 erg/cm²，相比反鐵磁材料提供的界面耦合強度有較大的提高。在植入適當(dāng)?shù)腃u夾層調(diào)控界面耦合條件下，得到了如此高的垂直交換偏置場。該結(jié)構(gòu)可直接作為垂直磁化巨磁電阻結(jié)構(gòu)的復(fù)合參考層，應(yīng)用于高密度巨磁阻型MRAM以及其它微納自旋電子學(xué)器件中。

本發(fā)明提出的可調(diào)控垂直交換耦合場大小的復(fù)合磁性多層膜結(jié)構(gòu)，從下到上依次是：緩沖層、種子層、磁性層、非磁性夾層、亞鐵磁釘扎層和保護層，如圖1所示。襯底采用康寧玻璃，緩沖層為5.0±0.5nm厚的Ta單層膜，種子層為3.0±0.5 nm厚的Cu單層膜，磁性層為具有垂直磁各向異性的[Co/Ni]_N多層膜，其中Co層厚度為0.28±0.05nm, Ni層厚度為0.58 ±0.05nm，周期數(shù)為N=5，N可取3~7之間的整數(shù)，非磁性夾層為厚度可變的Cu單層膜，亞鐵磁釘扎層為具有垂直磁各向異性的Tb_xCo_1-x（t_FI）合金，其中首先固定Tb成分為x=25，厚度t_FI=12.0nm，研究Cu夾層厚度對交換偏置效果的影響，發(fā)現(xiàn)適宜出現(xiàn)偏置效應(yīng)的夾層Cu厚度范圍為0.7~1.4 nm。后續(xù)選取了夾層Cu厚度固定為0.9nm，研究Tb成分和t_FI大小對交換耦合的影響，發(fā)現(xiàn)Tb含量在25±1%，亞鐵磁層厚度t_FI= 12±0.5 nm時，TbCo層有足夠強的釘扎效果，使得Co/Ni交換偏置場最高能到~2.5 kOe；防氧化保護層為8±0.5 nm Ta層。

本發(fā)明提出的復(fù)合磁性多層膜結(jié)構(gòu)的制備方法，利用磁控濺射儀（例如設(shè)備型號Lesker CMS-18），采用直流磁控濺射的方法，在高真空（優(yōu)于5*10^-8 Torr）室溫條件下依次進行濺射，制備各膜層，具體步驟如下：

第一步、制備緩沖層：5.0±0.5 nm 厚的Ta單層膜。濺射氣壓8.0±0.2 mTorr；濺射功率DC 60±2W；沉積速率 0.041±0.005nm/s；

第二步、制備種子層：3.0 ±0.5 nm厚的Cu單層膜。濺射氣壓3.5±0.2 mTorr；濺射功率DC 60±2W；沉積速率 0.060±0.005 nm/s；

第三步：制備磁性層：[Co(0.28±0.05)/Ni(0.58±0.05)]_N多層膜結(jié)構(gòu)，其中周期重復(fù)數(shù)N=5指的是采用先Co層在下Ni層在上，共計五次這樣順序制備而成。濺射過程中，Co靶和Ni靶共同使用濺射氣壓 6.0 ±0.2mTorr；Co靶濺射功率DC 60±2W；Ni靶濺射功率DC 60±2W；Co沉積速率 0.040±0.005 nm/s；Ni沉積速率 0.036±0.005nm/s；

第四步：制備可變厚度Cu夾入層。濺射氣壓 3.5 ±0.2mTorr；濺射功率DC 60±2W；沉積速率0.060±0.005 nm/s，其厚度通過濺射時間控制；

第五步：制備TbCo層合金；Tb靶和Co靶共同采用使用濺射氣壓7.0 m±0.2Torr；Co靶功率70±2W，TbCo合金的相對成分比通過改變Tb靶功率來確定；某個成分下（即固定Tb靶功率）TbCo合金層厚度由共濺時間決定。

本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于首先選取了具有高垂直各向異性、Tb原子磁矩占優(yōu)勢的亞鐵磁合金TbCo材料作為釘扎層，不僅避免了利用反鐵磁材料作為釘扎層的退火處理工序而且也避免了因退火對磁性層Co/Ni原子間的擴散影響，通過調(diào)控TbCo合金提供的強的界面耦合來實現(xiàn)了對Co/Ni磁性層的交換偏置場大小的調(diào)節(jié)。實驗中，隨著Cu夾層厚度的逐漸增厚（從0到2.0±0.05 nm），剛開始由于非常強的耦合作用，復(fù)合結(jié)構(gòu)的TbCo層與Co/Ni層之間未被抵消的凈磁矩一起同時翻轉(zhuǎn)，直到Cu厚度到達0.7nm左右才出現(xiàn)它們的獨立翻轉(zhuǎn)。保持TbCo層磁矩在某一方向上不變（即外加磁場不大于TbCo的翻轉(zhuǎn)場），我們可以明顯看到Co/Ni層被偏置了，其偏置場和界面耦合強度的變化隨著Cu厚度的逐漸增厚而減小。在Cu厚度比較薄的時候（0.7±0.05到1.4±0.05nm間），隨著界面耦合強度從0.9erg/cm²逐漸衰減至0.15erg/cm²，Co/Ni層的交換偏置場從3.5 kOe降低到了0.5 kOe附近。同時，TbCo層的翻轉(zhuǎn)場也從20 kOe降低到了7.5 kOe。我們對樣品的磁滯回線進行分析發(fā)現(xiàn)，TbCo層的磁矩翻轉(zhuǎn)場隨著Cu的厚度升高而逐漸降低，但是在Cu厚度約大于1.4±0.05 nm以后，其翻轉(zhuǎn)場基本在7.5 kOe，和具有相同成分和厚度的單層TbCo薄膜的矯頑力大小一致。該結(jié)果表明，在[Co/Ni]₅/Cu/TbCo復(fù)合結(jié)構(gòu)中，由于非磁性性Cu層的加入，TbCo層和Co/Ni層的翻轉(zhuǎn)場都將會受到調(diào)制。

為了進一步提高樣品的交換耦合強度，我們固定復(fù)合結(jié)構(gòu)中的Cu層厚度在0.9nm，對TbCo釘扎層的厚度和成分比進行了優(yōu)化。結(jié)果顯示，本發(fā)明中Tb含量為25±0.5%時，Co/Ni層的交換偏置場在TbCo層為12 nm時達到飽和。進一步提高釘扎層厚度對偏置場大小的調(diào)制不起作用。除了增加厚度能提高TbCo層的垂直各向異性以外，Tb含量的變化也可以引起其垂直各向異性的變化。因此，我們調(diào)節(jié)了Tb含量從24±0.5 %變化到27±0.5%，實驗結(jié)果表明隨著Tb含量的逐漸升高，TbCo的垂直各向異性逐漸降低，進而TbCo和Co/Ni的界面耦合強度也逐漸從0.65 erg/cm²降低至0.5erg/cm²，Co/Ni層的偏置場從2.5 kOe降低至1.9 kOe。這些結(jié)果表明，在合適的TbCo層厚度下，選取靠近補償點附近的富Tb成分的TbCo合金作為釘扎層能提供很好的強界面交換耦合作用，然后通過對復(fù)合結(jié)構(gòu)中Cu夾層厚度進行合理設(shè)計，能夠獲得優(yōu)異的交換偏置效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。自下向上分別為玻璃襯底、緩沖層、種子層、磁性層、非磁性夾層、亞鐵磁釘扎層和保護層。磁性層采用[Co/Ni]_N垂直磁化多層膜，非磁性夾層選取Cu金屬，亞鐵磁釘扎層采用TbCo垂直磁化合金，圖示中t_Cu表示Cu夾層厚度，x代表Tb成分，t_FI表示TbCo亞鐵磁層的厚度。

圖2（a）為[Co/Ni]₅和TbCo層中磁化強度方向示意圖。圖2（b）-（e）為在本發(fā)明設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，不同Cu夾層厚度樣品的垂直方向磁滯回線。

圖3（a）為在本發(fā)明設(shè)計的參數(shù)下，[Co/Ni]₅層的垂直交換偏置場（H_EB）和TbCo層的垂直翻轉(zhuǎn)場（H_s-TbCo）隨Cu夾層厚度（t_Cu）的變化情況。圖3（b）為基于本發(fā)明設(shè)計的參數(shù)下，復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品的界面交換耦合強度J隨Cu夾層厚度的變化曲線。

圖4（a）（b）分別為不同TbCo厚度以及Tb成分對復(fù)合結(jié)構(gòu)中[Co/Ni]₅垂直交換偏置場（H_EB）及TbCo層垂直翻轉(zhuǎn)場（H_s-TbCo）的影響結(jié)果。

具體實施方式

下面通過實施例進一步描述本發(fā)明。

實施例1

本例為一組基于本發(fā)明設(shè)計的參數(shù)，非磁性Cu夾層在不同的厚度下，樣品垂直方向磁滯回線的比較，如圖2所示。在t_Cu開始大于0.7nm時，復(fù)合結(jié)構(gòu)的凈磁矩翻轉(zhuǎn)消失，TbCo層和Co/Ni磁性層開始了獨立翻轉(zhuǎn)，但是由于界面存在強的反鐵磁耦合作用，如圖2（d）所示，Co/Ni磁性層出現(xiàn)了約2 kOe 的偏置場。逐漸增大Cu厚度到2.0nm時，TbCo層和Co/Ni層分別表現(xiàn)出了自由獨立的翻轉(zhuǎn)，即TbCo層和Co/Ni的矯頑力分別回歸到7.5 kOe和0.25 kOe左右，如圖2（e）所示?？偨Y(jié)Cu夾層厚度從0.7nm到2.0nm變化時，復(fù)合結(jié)構(gòu)中Co/Ni多層膜的交換偏置場以及TbCo層垂直翻轉(zhuǎn)場隨Cu夾層厚度的變化情況，如圖3（a）所示；圖3（b）為不同Cu夾層厚度下，復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品界面交換耦合強度J_ex的變化情況。可以明顯看到隨著Cu厚度的逐漸增厚，界面耦合強度先迅速降低，然后再緩慢衰減至零。同時Co/Ni層和TbCo層的翻轉(zhuǎn)場也出現(xiàn)了類似的變化規(guī)律。但當(dāng)Cu厚度大于1.4 nm以后，TbCo的矯頑力并沒有一致降低，而是保持在了其自身本征的矯頑力7.5 kOe附近，說明微弱的界面耦合作用對具有強垂直各向異性TbCo層的翻轉(zhuǎn)場影響不大，此時Co/Ni層的交換偏置場也比較小。綜合考慮各層的翻轉(zhuǎn)場大小以及界面耦合強度間的關(guān)系，Cu夾層厚度在0.7 nm到1.4 nm區(qū)間選取比較合適。

實施例2

本例為采取變化TbCo層厚度對其垂直各向異性進行優(yōu)化從而提高Co/Ni層交換偏置場大小的比較，如圖4（a）所示。固定Tb含量為25%，Cu夾層厚度為0.9 nm。變化Tb₂₅Co₇₅的厚度t_FI從9.4 nm到 16 nm，Co/Ni的偏置場先增大后基本保持不變，說明TbCo厚度在超過12 nm以后對其偏置作用的調(diào)制達到飽和作用。故TbCo選取12nm厚最優(yōu)。

實施例3

本例為采取變化Tb含量以優(yōu)化Co/Ni層交換偏置場大小的比較。固定TbCo厚度為12 nm，Cu夾層厚度為0.9 nm。我們改變Tb含量x從24% ~27%變化，實驗結(jié)果如圖 4（b）所示，隨著Tb含量越靠近TbCo合金成分補償點（~22%），Co/Ni層的交換偏置場越大，如24%時候的交換偏置場達到了2.5 kOe附近。通過合理改變Cu夾層厚度，然后再對復(fù)合結(jié)構(gòu)中TbCo合金層的垂直各向異性進行優(yōu)化處理，找到了提高交換偏置場的合適結(jié)構(gòu)和合理參數(shù)范圍，即在結(jié)構(gòu)玻璃襯底/Ta(5) /Cu(3) /[Co(0.28)/Ni(0.58)]₅ /Cu(t_Cu)/Tb_xCo_100-x(t_FI)/Ta (8)中，TbCo合金層厚度應(yīng)該固定在12nm，Tb成分為24%，夾層Cu最優(yōu)范圍是0.7 <t_Cu<1.4 nm時，Co/Ni多層膜能獲得比較高交換偏置場，具有重要的實際應(yīng)用價值。