一种控制反铁磁层及钉扎层磁畴结构在磁性隧道结中实现多态数据存储的方法与流程

本发明涉及一种控制反铁磁层及钉扎层磁畴结构在磁性隧道结中实现多态数据存储的方法，属于信息技术的数据存储领域。

背景技术：

飞速发展的现代信息存储与通信技术，希望未来的电子器件能兼具高密度、低功耗、非易失、高热稳定性等优异性能，甚至能实现信息存储、处理与通信三位一体的功能。为了满足上述需求，研究者寄希望于研制新型自旋电子器件，如自旋场效应晶体管、磁随机存储器、自旋记忆电阻器等。其核心是基于新的材料、新的物理效应以及新的器件设计理念，充分利用电子自旋属性，克服目前微纳尺度下因为量子效应以及电荷输运伴随的焦耳热等导致传统电子器件性能低下的难题。

反铁磁材料自发现以来便被认为是“有趣但无用”的，因为它净磁矩为零，具有无杂散磁场、对磁场和温度不敏感的优点，但难以被外磁场调控。因此，长期以来主要用于交换偏置效应中，在巨磁电阻或隧穿磁电阻器件中起硬磁层的作用。2016年wadley等人报到电场可调控反铁磁序，后引发了反铁磁研究的热潮(wadley,p.etal.science351,587(2016))，促进了反铁磁自旋电子学的发展。

目前研究的重心集中在反铁磁材料的自旋泵浦、自旋轨道耦合、反常霍尔效应以及自旋塞贝克效应等基础物理效应的研究(baltz,v.etal.rev.mod.phys.90,015005(2018))，现有磁存储技术中未考虑有效利用反铁磁材料性能，在存储器件应用方面的研究亟待开展。例如，充分利用反铁磁净磁矩为零，无杂散场的特点，有望避免目前铁磁存储单元因为杂散场的存在，导致相邻铁磁存储单元不能太近的难题，从而进一步提高存储密度；充分利用反铁磁对温度及外磁场不敏感的特性，进一步提高器件的稳定性。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种通过控制反铁磁层及钉扎层磁畴结构在磁性隧道结中实现多态数据存储的方法，并且该方法具有热稳定性高、对外界磁场不敏感、存储密度高的优点，预期在低功耗磁电子存储器件方面有广阔的应用前景。

本发明的原理为：在具有反铁磁层/铁磁钉扎层/绝缘层/铁磁自由层结构的磁性隧道结中，通过在外磁场中退火的方式，改变反铁磁层和与反铁磁层直接耦合的铁磁钉扎层的磁畴结构，改变铁磁自由层与铁磁钉扎层磁矩平行与反平行排列的相对占比，进而获得多个不同的隧穿磁电阻值。通过这种方式，实现在一个物理存储单元中存储多个数值。

术语说明：

1、磁性隧道结：在两个铁磁层之间夹一层厚度极薄的绝缘层，构成的元件，其核心结构为铁磁层/绝缘层/铁磁层。

2、磁电阻：材料与器件的电阻随外加磁场变化的现象。

3、自由层：磁性隧道结中矫顽力小的磁性层，其磁矩易随外磁场改变。

4、钉扎层：磁性隧道结中矫顽力大的磁性层，其磁矩通常固定不变。

5、诱导磁场：隧道结制备过程中，为使其中的磁性层磁矩有序排列，而施加的特定方向的磁场。

本发明的技术方案为：

一种控制反铁磁层及钉扎层磁畴结构在磁性隧道结中实现多态数据存储的方法，所述磁性隧道结包括反铁磁层、钉扎层、绝缘层、自由层，所述反铁磁层、所述钉扎层、所述绝缘层、所述自由层由下自上依次生长，包括步骤如下：

(1)制备磁性隧道结，磁性隧道结制备过程中施加诱导磁场，并设定该诱导磁场方向磁场正方向，制得磁性隧道结；

进一步优选的，所述诱导磁场的磁场强度为500奥斯特。

(2)直接在400℃-500℃的高温条件下退火0.5-2h，或者，施加500-30000奥斯特与诱导磁场同方向的退火磁场，在400℃-500℃的高温条件下退火0.5-2h；

进一步优选的，所述步骤(2)中，在450℃温度条件下退火1h。退火可以降低界面粗糙度，增加磁矩的有序排列，促进绝缘层晶体化，从而提高隧道磁电阻，进一步优化磁性隧道结性能。

(3)在200℃-440℃的低温条件下继续进行退火，同时施加0-30000奥斯特与诱导磁场方向相反的退火磁场；包括：从小到大逐渐增大退火磁场的磁场强度，如第一次施加-200奥斯特的磁场，第二次施加-400奥斯特的磁场，第三次施加-900奥斯特的磁场。随着退火磁场的增大，反铁磁层中越来越多的磁矩会从沿着诱导磁场方向排列，反转到沿着退火磁场方向排列，退火磁场强度不同，反铁磁层中从诱导磁场方向反转的磁矩数目也不相同，又因为反铁磁层与近邻的钉扎层中存在强的磁耦合，所述钉扎层的磁矩也相应的发生反转，从而将反铁磁层及与反铁磁层耦合的钉扎层写入到不同的磁状态；降低退火温度的目的是尽可能减少对器件形貌如表面粗糙度、结晶等的影响。

进一步优选的，所述步骤(3)中，在440℃的温度条件下继续进行退火。

(4)读出不同的磁状态。

根据本发明优选的，所述步骤(4)，是指：利用隧穿磁电阻效应读出不同的磁状态。其原理是：施加一足够小的负磁场，保证自由层磁矩完全沿外磁场方向排列。在此情况下，反铁磁层磁畴的不同分布，导致自由层和钉扎层磁矩平行与反平行排列的占比不同，最终导致隧穿磁电阻显著不同，实现在同一个器件中存储多个数值。

根据本发明优选的，所述反铁磁层的厚度为2-10nm，所述钉扎层的厚度为2-6nm，所述绝缘层的厚度为1-2nm，所述自由层的厚度为2-6nm；

所述反铁磁层的材质为irmn或ptmn，对外界磁场不敏感，所述钉扎层的材质为cofeb或cofe，所述绝缘层的材质为mgo，目前最大的隧穿磁电阻效应都是在mgo隧道结中发现的。所述自由层的材质为cofeb或cofe。上述厚度及材质的选取能够获得较大的隧穿磁电阻。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中，磁性隧道结制备过程，包括如下：

(1)在衬底上，由下自上依次生长厚度为10nm的ta、厚度为5nm的cu、厚度为10nm的ta、厚度为5nm的nife、厚度为8nm的irmn、厚度为4nm的cofeb、厚度为1.6nm的mgo、厚度为3nm的cofeb、厚度为10nm的ta、厚度为10nm的au；厚度为4nm的cofeb为所述钉扎层，与irmn层有强的磁耦合，难以随外磁场改变；厚度为1.6nm的mgo为所述绝缘层，厚度为3nm的cofeb为所述自由层，其矫顽力较小。厚度为8nm的irmn为所述反铁磁层；生长过程中施加500奥斯特的诱导磁场，使所述反铁磁层形成反铁磁序，并控制交换偏置效应的方向；

(2)通过光刻和ar离子刻蚀技术，制备结区为5μm×5μm的磁性隧道结。

本发明的有益效果为：

1、本发明退火温度高达450℃，远高于半导体工业常用的200-300℃，具有热稳定性高的优点。

2、对于本发明实现的4进制而言，n个存储单元能存储的信息数目为4ⁿ，而二进制存储信息数目仅为2ⁿ，存储密度高。

附图说明

图1irmn/cofeb/mgo/cofeb磁性隧道结相反饱和退火磁场的隧穿磁电阻曲线示意图。

图2irmn/cofeb/mgo/cofeb磁性隧道结不同退火磁场的隧穿磁电阻曲线示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例

一种控制反铁磁层及钉扎层磁畴结构在磁性隧道结中实现多态数据存储的方法，包括步骤如下：

(1)在有300nm厚sio2氧化层的(001)si衬底上采用自制磁控溅射仪在室温下由下自上依次生长厚度为10nm的ta、厚度为5nm的cu、厚度为10nm的ta、厚度为5nm的nife、厚度为8nm的irmn、厚度为4nm的cofeb、厚度为1.6nm的mgo、厚度为3nm的cofeb、厚度为10nm的ta、厚度为10nm的au，制备仪器的背景真空优于5×10-⁵帕斯卡。制备仪器的背景真空优于5×10-⁵帕斯卡。厚度为4nm的cofeb为所述钉扎层，与irmn层有强的磁耦合，难以随外磁场改变；厚度为1.6nm的mgo为所述绝缘层，厚度为3nm的cofeb为所述自由层，其矫顽力较小。厚度为8nm的irmn为所述反铁磁层；制备过程中施加500奥斯特的诱导磁场，并且该方向定义为磁场正方向。结合光刻和ar离子刻蚀技术，制备结区有效面积为5微米×5微米的十字交叉结构的磁性隧道结。

(2)在450℃的高温条件下，零外加磁场条件下退火1h，优化磁性隧道结的性能。

(3)如图1所示，如果改变饱和退火磁场的方向，可以看到器件的隧穿磁电阻也相应的发生了改变。隧穿磁电阻最大的峰，及隧穿磁电阻曲线整体平移的方向都发生反转，这正说明磁场退火可以有效的改变反铁磁irmn的磁状态。又因为下层cofeb与irmn直接接触存在强的耦合，因此两者磁畴相互平行排列。

(4)440℃退火1h，退火过程中分别施加-200奥斯特、-700奥斯特及-900奥斯特的磁场。

(5)每次退火后测量所研究磁性隧道结的隧穿磁电阻效应，如图2所示。选取图中虚线所示磁场作为读出磁场，因为在此磁场下，铁磁自由层磁矩都沿负磁场方向排列。不同磁场退火后，反铁磁层的磁矩排列如图中示意图所示。随着退火磁场的逐渐增大，越来越多的磁矩沿退火磁场方向排列，这与初始状态(图中0对应的情况)恰好相反。由于irmn和近邻cofeb的强耦合，两者磁矩始终平行排列。可以看到，随着退火磁场的增大，铁磁自由层与铁磁钉扎层磁矩反平行排列的比重越来越小，因此，磁电阻也越来越小。实验上实现了在同一磁性隧道结中获得4个不同的隧穿磁电阻。

(6)通过进一步优化退火温度和精确控制退火磁场，可以将反铁磁irmn“写入”到更多不同的磁畴状态，同样可以反应在更多不同的隧穿磁电阻效应上。

以上所述是本发明的应用示例，应当指出，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，获得更多的磁和电阻态，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。