一種穩定剩磁態的自旋閥存儲單元的製作方法

2023-05-30 17:15:36

專利名稱：一種穩定剩磁態的自旋閥存儲單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁性材料與元器件技術領域，具體涉及一種穩定剩磁態的自旋閥存儲 單元。
背景技術：
自旋閥存儲單元利用巨磁電阻效應實現信息存儲。自旋閥存儲單元的基本結構 為自由層(鐵磁層Fl) /隔離層(非磁性層)/釘扎層(鐵磁層F2) /偏置層(反鐵磁層)。 由於自由層的磁化取向隨外磁場的變化而改變，而釘扎層由於受反鐵磁層的交換耦合作 用，其磁矩很難改變方向。因而，在外磁場的作用下，自由層和釘扎層的磁矩相對取向會在 平行與反平行間發生變化，當鐵磁層Fl和鐵磁層F2的磁矩方向相同時，自旋閥單元呈現低 阻狀態，用於存儲信息「0」 ；當鐵磁層Fl和鐵磁層F2的磁矩方向相反時，自旋閥單元呈現 高阻狀態，用於存儲信息「1」，如圖1所示。當利用該種自旋閥存儲單元進行存儲時，如將釘扎層的磁矩取向看做固定，存儲 單元存儲的信息只與自由層的磁矩取向有關。為保證信息存儲的可靠性，自旋閥存儲單元 的自由層在無外場作用下其剩磁態應為單疇狀態，因為只有剩磁態為單疇，該存儲單元才 能存儲信息，且存儲的信息才穩定。對於磁性單元來說，其剩磁態除與選擇的磁性材料有關 外，更大程度上決定於存儲單元的形狀和尺寸。已公知的存儲單元形狀主要有矩形、環形和 橢圓形。由於矩形和環形存儲單元在進行信息寫入時所需寫入磁場大且零場下剩磁狀態不 穩定，未被作為自旋閥存儲單元的主要形狀。目前最主要選用的存儲單元形狀為橢圓形。但 由於橢圓形存儲單元的邊緣呈弧形，在進行光刻製備時由於光刻條件的限制很容易使橢圓 的邊緣不平滑，造成橢圓形狀的失真，使得其剩磁狀態改變。因而目前採用橢圓形存儲單元 製備的存儲器存在製備工藝難度大，單元一致性差的問題。因此，如能找到一種形狀的存儲 單元即滿足剩磁狀態穩定又易於製備，將有助於磁信息存儲等領域的發展。

發明內容
本發明所要解決的問題是如何構造一種穩定剩磁態的自旋閥存儲單元，該單元 能克服現有技術所存在的缺陷，既能滿足剩磁態穩定又易於製備。本發明所提出的問題是這樣解決的構造一種穩定剩磁態的自旋閥存儲單元，是 在基片往上依次設置緩衝層、鐵磁層F1、反鐵磁層、隔離層、鐵磁層Fl和覆蓋層，其特徵在 於，該單元為菱形單元，且長軸與短軸之比等於或大於2。按照本發明所提供的穩定剩磁態的自旋閥存儲單元，其特徵在於，基片選用Si基 片或玻璃基片，緩衝層材料為Ta，反鐵磁層材料採用!^MruNiMru IrMn、PtMn或NiO，鐵磁層 Fl和鐵磁層F2材料採用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，隔離層材料為Cu，覆蓋層材料為
Ta0本發明的有益效果通過將常用的橢圓存儲單元形狀改為菱形，降低了對製備工 藝的要求，且通過微磁學模擬，發現菱形單元在長軸L與短軸W之比大於等於2的條件下，其剩磁態呈現單疇態，滿足信息穩定存儲的要求。


圖1是自旋閥存儲單元存儲信息「0」及「1」原理示意圖；其中圖1(a)為低阻態，記錄「0」，圖1(b)高阻態，記錄「1」。圖2是菱形自旋閥存儲單元俯視圖；其中L是菱形單元的長軸，W是菱形單元的短軸，t是菱形單元的厚度。圖3是菱形自由層單元長軸L與短軸W之比為1、1. 5、2、3、4時的剩磁態圖。其中圖3(a)中 W = 200nm;圖 3(b)中 W = 500nm，圖 3 (c)中 W = IOOOnm;圖 3(d) 中 W = 2000nm。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述採用美國國家標準局(NIST)發布的微磁學模擬軟體(該軟體是目前國際上進行 磁性單元磁矩分布模擬的公認軟體)可以看到本發明提出的菱形自旋閥單元在長軸L與短 軸W之比大於2時具有穩定的剩磁態。本發明的單元結構採用基本自旋閥結構，四層薄膜皆為菱形且尺寸相同。模擬中 自由層材料選擇存儲單元中常用的NWe軟磁材料，其飽和磁化強度Ms = 8 X 105A/m、交換 常數A = 13X10_12J/m及單軸各向異性常數K1 = 500J/m3，厚度設定為15nm。模擬時假設 釘扎層被偏置層完全釘扎，釘扎層不隨外場而改變。另外菱形單元長軸L與短軸W之比為 1,1. 5、2、3、4，選取短軸 W 長度為 200nm、500nm、IOOOnm 及 2000nm。從模擬結果(圖幻上可見菱形單元隨著長軸與短軸之比的增大，單元的剩磁態 由多疇的「S」態向雙「C」態過渡，最終由雙「C」態過渡到穩定的單疇態，且對於短軸W越 小的單元，其剩磁態過度到單疇態所對應的長軸與短軸之比越小。對於我們所模擬的W = 200nm-2000nm的菱形單元，在長軸L與短軸W之比大於等於2的條件下，其剩磁態均能呈現 單疇態，滿足信息穩定存儲的要求。
權利要求
1.一種穩定剩磁態的自旋閥存儲單元，是在基片往上依次設置緩衝層、鐵磁層F1、反 鐵磁層、隔離層、鐵磁層Fl和覆蓋層，其特徵在於，該單元為菱形單元，且長軸與短軸之比 等於或大於2。
2.根據權利要求1所述的穩定剩磁態的自旋閥存儲單元，其特徵在於，基片選用Si基 片或玻璃基片，緩衝層材料為Ta，反鐵磁層材料採用!^MruNiMru IrMn、PtMn或NiO，鐵磁層 Fl和鐵磁層F2材料採用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，隔離層材料為Cu，覆蓋層材料為Ta0
全文摘要
本發明公開了一種穩定剩磁態的自旋閥存儲單元，是在基片往上依次設置緩衝層、鐵磁層F1、反鐵磁層、隔離層、鐵磁層F1和覆蓋層，其特徵在於，該單元為菱形單元，且長軸與短軸之比等於或大於2。本發明的有益效果通過將常用的橢圓存儲單元形狀改為菱形，降低了對製備工藝的要求，且通過微磁學模擬，發現菱形單元在長軸L與短軸W之比大於等於2的條件下，其剩磁態呈現單疇態，滿足信息穩定存儲的要求。
文檔編號G11C11/15GK102074266SQ201010593268
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者唐曉莉, 張懷武, 蘇樺, 荊玉蘭, 鍾智勇 申請人:電子科技大學