闭合形状的磁性隧道结制造技术

本发明专利技术提供了一种闭合形状的磁性隧道结。包括磁性固定层、磁性自由层以及设置在磁性固定层和磁性自由层之间的阻挡层；磁性自由层包括至少一组复合子层；复合子层由第一磁性层/非磁性层/第二磁性层组成。通过在磁性隧道结中设置具有至少一组复合子层的磁性自由层，由于该磁性自由层与参考层的磁矩成闭合状且磁性自由层包括至少一组复合子层，可消除层间和相邻单元的杂散磁场、避免层间和相邻单元间的磁性耦合干扰，增强了铁磁耦合自由层的形状各向异性，提高了热稳定性，降低了临界电流密度，避免了使用外磁场或者由较大脉冲电流产生的合成磁场来操控磁化状态所带来的结构和工艺上的复杂性，满足大规模产品化的要求。

【技术实现步骤摘要】
闭合形状的磁性隧道结
本专利技术涉及磁性隧道结
，特别是涉及一种闭合形状的磁性隧道结。
技术介绍
20世纪80年代以巨磁电阻(Giant Magnetoresistane,GMR)的发现为标志的自旋电子学诞生，自此，以磁性多层膜为研究核心的自旋电子学迅速发展。巨磁电阻现象最早发现于1988年,Baibich等人在低温下的反铁磁稱合的Fe/Cr多层膜中发现了 50%左右的磁电阻变化率。种情况下多层膜处于高阻态。通过施加足够强的外场克服反铁磁耦合后，Fe层的磁矩都会沿外场方向平行排列，这种情形多层膜处于低阻态。这种通过施加外场而使相邻铁磁层磁矩的相对取向发生变化，从而引起电阻变化的效应就称之为巨磁电阻效应。GMR效应由于其高的磁电阻比值和高灵敏度而广泛应用于磁电阻性传感器。基于GMR效应的器件具有灵敏度高、体积小、功耗低、抗辐射等优点。特别是GMR应用于计算机读出磁头，使数据存储密度呈指数增长，给计算机信息存储领域带来一场深刻的变革。继GMR效应发现之后，室温下的巨大隧穿磁电阻(Tunneling Magnetoresistance, TMR)效应于1995年被发现，掀起了磁性隧道结的研究热潮。研究人员基于GMR和TMR效应设计的磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)具有非易失性、抗福射、寿命长、速度快等优点而备受工业界关注。但是传统的MRAM设计模型，结构和工艺十分复杂，给器件的加工和集成带来很大的不便。另外，基于自旋转移力矩效应的MRAM，利用电流自身实现对存储单元磁化状态的操控，大大简化了器件结构和加工工艺。目前所使用的存储单元均采用非闭合式单自由层结构，该结构在高密度、小尺寸存储单元下将会带来较大杂散磁场，由于常规结构带来的漏磁场影响，使磁性多层膜的磁化状态不易改变，导致其临界电流密度Jc太高，对存储单元的磁电性能的均匀一致性带来许多不利的影响，不利于器件的应用。另一方面，随着记录密度的提高，存储单元的尺寸不断减小，受热扰动的影响越来越显著，提高单自由层结构的热稳定性成为亟待解决的问题；随着存储单元之间间距减小，存储单元之间的近邻相互作用也越来越大，如噪声和近邻单元间的磁耦合和磁干扰以及热效应和散热问题等，给器件的加工、集成和使用带来了许多不利因素，并且对器件的性能产生不良的影响。为了克服这些问题，需要出现一种新的几何结构和设计来消除磁性隧道结自身的漏磁场和相邻单元的耦合，以降低临界电流密度并提高热稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在提供一种闭合形状的磁性隧道结，该闭合形状的磁性隧道结具有低的临界电流密度以及高的热稳定性。为了解决上述问题，根据本专利技术的一个方面，提供了一种闭合形状的磁性隧道结，包括磁性固定层、磁性自由层以及设置在磁性固定层和磁性自由层之间的阻挡层；磁性自由层包括至少一组复合子层；复合子层由第一磁性层/非磁性层/第二磁性层组成。进一步地，磁性自由层包括多组复合子层；其中，多组复合子层依次排列。进一步地，磁性自由层中所含的复合子层的组数< 5。进一步地,非磁性层为非磁性金属层，非磁性金属层选自Ta、Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au中的一种或多种合金。进一步地，非磁性层的厚度使得第一磁性层和第二磁性层形成铁磁耦合；可选地，非磁性层的厚度为0.2~2.5.nm。进一步地，非磁性层的厚度使得第一磁性层和第二磁性层形成反铁磁耦合；可选地，非磁性层的厚度为0.2~2.5nm。进一步地，第一磁性层和第二磁性层为具有垂直各向异性的铁磁金属；优选地，第一磁性层和第二磁性层选自[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[CoFe/Pt]n、[CoFe/Pd]n、[Co/Ni]n,GdCoFeTbCoFe和[CoFeB/MgO]n中的一种或多种，其中，n取2~10之间的正整数。进一步地，阻挡层的材料选自非晶Al2O3、单晶Mg0、Zn0、Hf02、Alq3、LB有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs、尖 晶石结构的单晶 MgAl204、ZnAl204、SiMg2O4^SiZn2O4 中的一种或多种；优选地，阻挡层的厚度为0.5~5nm。进一步地，磁性隧道结还包括设置在磁性自由层上的覆盖层；优选地，覆盖层的厚度为5~30nm，覆盖层的材料选自Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt和Cu中的一种或多种。进一步地，磁性隧道结的横截面呈闭合的正N边环形或者椭圆环，其中N>3 ;EN边环形的内边长为O~200nm，外边长为10~300nm ;椭圆环的环宽为10~lOOnm，内环短轴的长度为O~200nm,外环短轴的长度为10~300nm,短轴与长轴的长度比为1:1~1:5。进一步地，磁性固定层为硬磁层。进一步地，磁性固定层为反铁磁钉扎层与被钉扎磁性层。应用本专利技术的技术方案，通过改变磁性隧道结的层间结构和几何结构，即在磁性隧道结中设置具有至少一组复合子层的磁性自由层，并且将该复合子层限定为由第一磁性层/非磁性层/第二磁性层组成。具体分析，由于磁性自由层与参考层的磁矩成闭合状，可消除层间和相邻单元的杂散磁场、避免层间和相邻单元间的磁性耦合干扰，有利于提高器件的集成密度和热稳定性，降低临界翻转电流密度，避免了使用外磁场或者由较大脉冲电流产生的合成磁场来操控磁化状态所带来的结构和工艺上的复杂性，满足大规模产品化的要求。由于磁性自由层为包含复合子层的复合自由层结构，使得铁磁耦合自由层的形状各向异性增强，有助于进一步提高热稳定性，而反铁磁耦合自由层界面处的自旋积累可以提高自旋转移力矩效率，有助于进一步降低临界电流密度。本专利技术所提供的包含复合子层的磁性隧道结不仅可以克服临界电流密度低以及热稳定性差的问题，而且更适合于器件化的磁性随机存取存储器、新型磁性隧道结传感器的制备，可广泛地应用于以磁性隧道结为核心的各种器件，例如，磁性随机存储器，计算机磁头，磁敏传感器等。根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。【附图说明】后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中:图1为本专利技术一种典型实施例的磁性隧道结中复合子层的剖面结构示意图；图2a_2b为本专利技术的复合子层中两磁性层为“洋葱态”排布，耦合方式为反铁磁耦合时两磁性层的顶视图，其中，箭头表示磁矩排布方式；图3a_3b为本专利技术的复合子层中两磁性层为“洋葱态”排布，耦合方式为铁磁耦合时两磁性层的顶视图，其中，箭头表示磁矩排布方式；图4a_4b为本专利技术的复合子层中两磁性层为“涡旋态”排布，耦合方式为反铁磁耦合时两磁性层的顶视图，其中，箭头表示磁矩排布方式；图5a_5b为本专利技术的复合子层中两磁性层为“涡旋态”排布，耦合方式为铁磁耦合时两磁性层的顶视图，其中，箭头表示磁矩排布方式；图6为本专利技术的具有垂直各向异性的两磁性层的铁磁耦合方式示意图；图7为本专利技术的具有垂直各向异性的两磁性层的反铁磁耦合方式示意图；图8a_8b为本专利技术的无钉扎型含复合子层的闭合正六边形状的磁性隧道结的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种闭合形状的磁性隧道结，包括磁性固定层(10)、磁性自由层(20)以及设置在所述磁性固定层(10)和所述磁性自由层(20)之间的阻挡层(30)；所述磁性自由层(20)包括至少一组复合子层(21)；所述复合子层(21)由第一磁性层(211)/非磁性层(212)/第二磁性层(213)组成。

【技术特征摘要】
1.一种闭合形状的磁性隧道结，包括磁性固定层(10)、磁性自由层(20)以及设置在所述磁性固定层(10)和所述磁性自由层(20)之间的阻挡层(30)； 所述磁性自由层(20)包括至少一组复合子层(21);所述复合子层(21)由第一磁性层(211)/非磁性层(212)/第二磁性层(213)组成。2.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述磁性自由层(20)包括多组所述复合子层(21);其中，多组所述复合子层(21)依次排列。3.根据权利要求1或2所述的磁性隧道结，其特征在于，所述磁性自由层(20)中所含的所述复合子层(21)的组数< 5。4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述非磁性层(212)为非磁性金属层，所述非磁性金属层选自Ta、Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au中的一种或多种合金。5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述非磁性层(212)的厚度使得所述第一磁性层(211)和所述第二磁性层(213)形成铁磁耦合；可选地，所述非磁性层(212)的厚度0.2?2.5nm。6.根据权利要求1至4中任一项所述的磁性隧道结，其特征在于，所述非磁性层(212)的厚度使得所述第一磁性层(211)和所述第二磁性层(213)形成反铁磁耦合；可选地，所述非磁性层(212)的厚度为0.2?2.5nm。7.根据权利要求1至3中任一项所述的磁性隧道结，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶丙山，李大来，刘厚方，韩秀峰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11