專利名稱：：一種半金屬合成反鐵磁結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于磁存儲
技術(shù)領(lǐng)域：
，提供了一種半金屬合成反鐵磁結(jié)構(gòu)，具有高磁靈敏性及高熱穩(wěn)定性。這種以半金屬材料為磁性層的合成反鐵磁結(jié)構(gòu)能夠降低控制能耗，應(yīng)用于自旋閥和磁隧道結(jié)中能夠提高磁電阻，進而實現(xiàn)超高存儲密度，將被廣泛應(yīng)用于新型磁傳感器或磁隨機存儲器等器件中。
背景技術(shù)：
：自旋閥(SpinValve，簡稱SPV)結(jié)構(gòu)(鐵磁層/銅/鐵磁層/反鐵磁層)和磁隧道結(jié)(MagneticTunnelingJunction,簡稱MTJ)結(jié)構(gòu)(鐵磁層/氧化物/鐵磁層/反鐵磁層)自問世以來，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于磁讀出頭、磁隨機存儲器和磁敏傳感器等領(lǐng)域。提高磁存儲密度的關(guān)鍵在于減小磁存儲單元和磁頭的尺寸，然而，隨著器件尺寸的減小，自由層的縱橫比減小，退磁場急劇增加，甚至導(dǎo)致SPV中的鐵磁薄膜出現(xiàn)復(fù)雜的多磁疇狀態(tài)，改變自由層磁化方向所需的磁翻轉(zhuǎn)場強度急劇升高，控制能耗增高，熱穩(wěn)定性降低。"合成反鐵磁"(SyntheticAntiferromagnet，簡稱SyAF)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)解決了這一難題。SyAF是由兩個鐵磁性層和中間一個極薄的金屬釕層所組成的三層膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，通常當(dāng)釕層的厚度小于lnm時，兩鐵磁性層在較寬溫度范圍內(nèi)呈強反鐵磁性耦合，在膜結(jié)構(gòu)中磁通線為閉合狀態(tài)，避免了退磁場的影響IX/"omato,T.MM權(quán)iV.v4邵/.97,7776f2卯力]。由于SyAF耦合狀態(tài)的特殊性，它可以用來取代SPV和MTJ中的自由層[KJ/a"g'5".^Z)e,IiVoza枉iV.Tezt/^a,a"c/K/womato'Trara.Mag".4ft^rae4'paW2,2245f20O力]或者被釘扎層[KH""z'，■/Z/za"g,G『「79卯刀，從而提高SPV和MTJ的磁翻轉(zhuǎn)性能和對外加磁場的反應(yīng)靈敏度。目前使用的SPV和MTJ中都包含合成反鐵磁結(jié)構(gòu)。半金屬材料是一種具有高自旋極化率的磁性材料，其理論自旋極化率為100%，其中鈷基半金屬Heusler合金材料的磁學(xué)性質(zhì)適用于SPV和MTJ，并成功獲得高磁電阻效應(yīng)的器件。鈷基半金屬Heusler合金材料相對于目前合成反鐵磁結(jié)構(gòu)中的鐵磁層材料(鈷鐵合金或鎳鐵合金)，具有更低的矯頑力和飽和磁化強度，更高的自旋極化率。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提供一種具有高磁靈敏性和高熱穩(wěn)定性的半金屬合成反鐵磁結(jié)構(gòu)，以獲得高磁電阻效應(yīng)的器件，提高SyAF的磁靈敏性和熱穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)超高磁存儲密度。一種半金屬合成反鐵磁結(jié)構(gòu)，合成反鐵磁結(jié)構(gòu)通過常規(guī)的薄膜沉積設(shè)備(例如等離子體濺射、磁控濺射或者分子束外延生長等等)制備而成。結(jié)構(gòu)中上下二層均為半金屬層，半金屬層材料種類包括所有Co占據(jù)A位置的A2BC型Heusler合金材料，厚度為230納米；中間一層為金屬釕層，厚度為0.41納米。利用半金屬中的鈷元素，在半金屬層/釕層/半金屬層的三明治結(jié)構(gòu)中形成強反鐵磁耦合；同時利用鈷基半金屬材料的高自旋極化率，低飽和磁化強度和低矯頑力，提高合成反鐵磁結(jié)構(gòu)的磁靈敏性和熱穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)低磁翻轉(zhuǎn)能耗和高使用溫度。如上所述Co占據(jù)A位置的A2BC型Heusler合金材料包括Co2FeAl、Co2FeSi、Co2MnSi、Co2CrAl、Co2Fe(Ali-xSix)(0<x<l)、C。2(Fe卜xMnx)Si(0〈x〈l)等。本發(fā)明的優(yōu)點在于在半金屬合成反鐵磁結(jié)構(gòu)中，半金屬材料中的鈷元素可以與金屬釕形成強反鐵磁耦合，保證了三層膜的反鐵磁耦合構(gòu)型，同時，采用高自旋極化率，低飽和磁化強度和低矯頑力的半金屬材料作為磁性層，能夠使器件的磁翻轉(zhuǎn)場降低，磁電阻率和熱穩(wěn)定性提高，進而使更高存儲密度成為可能。具體實施例方式發(fā)明人根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，分別利用磁控濺射儀或分子束外延的方法制備了以下63種三層膜結(jié)構(gòu)其特點是以半金屬材料[C02FeAl、Co2FeSi、Co2MnSi、Co2CrAl、C02Fe(AlkSix)(0<x<l)、Co2(FeLxMnx)Si((Kx〈l)等Co占據(jù)A位置的A2BC型Heusler合金]為合成反鐵磁結(jié)構(gòu)的磁性層。上述三層膜的詳細(xì)制備工藝為濺射室本底真空度為2xl0—spa，濺射時氬氣(99.99%)壓為0.5Pa，基片用循環(huán)水冷卻。從底往上第一層從底往上第二層從底往上第三層材料厚度(納米)材料厚度(納米)材料厚度(納米)1Co2FeAl2Ru0.4Co2FeAl2Co2FeAlRu0.6Co2FeAlCo2FeAlRu0.8Co2FeAl4Co2FeAlRu1Co2FeAlCo2FeAl2Ru0.45Co2FeAl106Co2FeAlRu1Co2FeAl107Co2FeAlRu0.5Co2FeAl158Co2FeAlRu0.45Co2FeAl209Co2FeAl5Ru0.45Co2FeAl2510Co2FeAlRu0.45Co2FeAl3011Co2FeAl10Ru0.45Co2FeAl2012Co2FeAl10Ru0.45Co2FeAl3013Co2FeAl20Ru0.45Co2FeAl2014Co2FeAl20Ru0.45Co2FeAl3015Co2FeAl30Ru0.45Co2FeAl3016Co2FeSiRu0.5Co2FeSi17Co2FeSi2Ru1Co2FeSi18Co2FeSiRu0.5Co2FeSi1019Co2FeSiRu0.5Co2FeSi2020Co2FeSiRu0.5Co2FeSi3021Co2FeSi10Ru0.5Co2FeSi1022Co2FeSi20Ru0.5Co2FeSi3023Co2FeSi30Ru0.5Co2FeSi3024Co2Fe(Al0.5Si05)Ru0.5Co2Fe(Al05Si0.5)25Co2Fe(Al0.5Si0.5)2Ru1Co2Fe(Al05Si05)55<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>55Co2(Fe05Mn05)Si30Ru0.5Co2(Fe05Mn0.5)Si3056Co2FeAlRu0.5Co2FeSi2057Co2FeAl10Ru0.5Co2FeSi2058Co2FeAl20Ru0.5Co2FeSi2059Co2Fe(Al05Si05)10Ru0.5Co2(Fe05Mn05)Si2060Co2Fe(Al05Si05)20Ru0.5Co2(Fe05Mn05)Si2061Co2CrAl10Ru0.5Co2FeAl2062Co2FeSi10Ru0.5Co2MnSi2063Co2FeSi20Ru0.5Co2MnSi20通過測試，上述器件在不同程度上均可以實現(xiàn)強反鐵磁耦合，磁翻轉(zhuǎn)場低于10Oe。反鐵磁耦合可以保持到400'C以上。這使得該結(jié)構(gòu)完全可以運用在磁隨機存儲器和磁讀出頭等器件中，并實現(xiàn)超高密度信息存儲。權(quán)利要求1、一種半金屬合成反鐵磁結(jié)構(gòu)，其特征在于以半金屬材料作為磁性層，制備出半金屬層/釕層/半金屬層的三明治結(jié)構(gòu)，兩個半金屬層的磁化方向呈反鐵磁耦合；具體結(jié)構(gòu)為上下二層均為半金屬層，半金屬層材料種類包括所有Co占據(jù)A位置的A2BC型Heusler合金材料，厚度為2～30納米；中間一層為金屬釕層，厚度為0.4～1納米。2、如權(quán)利要求l所述的半金屬合成反鐵磁結(jié)構(gòu)，其特征在于其中半金屬材料為Co2FeAl、Co2FeSi、Co2MnSi、Co2CrAl、Co2Fe(Ah《Six)(0<x<l)或C。2(Fei-xMnx)Si(0〈x〈1)。全文摘要一種半金屬合成反鐵磁結(jié)構(gòu)，屬于磁存儲
技術(shù)領(lǐng)域：
。其特征在于以所有Co占據(jù)A位置的A<sub>2</sub>BC型Heusler合金材料作為磁性層，制備出半金屬層/釕層/半金屬層的三明治結(jié)構(gòu)，兩個半金屬層的磁化方向?qū)崿F(xiàn)了反鐵磁耦合。本發(fā)明的優(yōu)點在于在半金屬合成反鐵磁結(jié)構(gòu)中，半金屬材料中的鈷元素可以與金屬釕形成強反鐵磁耦合，保證了三層膜的反鐵磁耦合構(gòu)型，同時，采用高自旋極化率，低飽和磁化強度和低矯頑力的半金屬材料作為磁性層，能夠使器件的磁翻轉(zhuǎn)場降低，磁電阻率和熱穩(wěn)定性提高，進而使超高存儲密度成為可能。文檔編號G11B5/84GK101593601SQ200910081790公開日2009年12月2日申請日期2009年4月10日優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日發(fā)明者勇姜,張德林,徐曉光申請人:北京科技大學(xué)