磁性多层膜结构及磁性器件的制作方法

1.本发明涉及存储和传感器领域，特别是涉及一种能构成sv(自旋阀)或mtj(磁性隧道结)的磁性多层膜结构；以及一种具有所述磁性多层膜的磁性器件。


背景技术：

2.磁性多层膜，特别是自旋阀(sv)或磁性隧道结(mtj)结构已经被广泛应用于磁性传感器和磁性随机存储器(mram)之中，其中巨磁电阻(gmr)/隧穿磁电阻(tmr)、垂直磁各向异性、自由层的阻尼因子、抵抗外磁场干扰能力等关键参数对器件的性能有至关重要的影响。在mram的操作过程中，gmr/tmr值的大小决定mram单元信息读取速度，因此，提高tmr值对提升读取容错率，提高读取速度至关重要。同时，gmr/tmr值的大小还决定磁性传感器的灵敏度。垂直磁各向异性是决定信息保存时间的重要指标，在相同器件尺寸的情况下，垂直磁各向异性越强，器件的热稳定性越强，信息在介质中保存的时间越久。自由层的阻尼因子是mram另一个重要参数，对于自旋转移矩磁随机存储器(stt-mram)而言，低阻尼因子可以有效降低写入电流；更广泛地，对于mram低阻尼因子可以有效降低写入错误率(wer)等。可见如何提升以上几个性能指标是提升磁性传感器与mram性能的关键。
3.目前，提高tmr的方法主要有优化非磁绝缘层mgo的质量，提升界面的平整度，减少相互扩散等方式，基于此方式tmr可以提升至250％左右。此外通过改变自由层磁性材料(heusler合金)和非磁绝缘层材料(mgalo)等方式也有望提高tmr。然而，基于cmos制程条件下，很难生长出高有序度的heulser自由层和特定晶格结构的mgalo非磁绝缘层。此外，提高体系的热稳定性需要提高自由层的垂直磁各向异性(pma)，然而，co基合金的自由层的垂直磁各向异性主要来自于界面，较薄的自由层可以提升其热稳定性，却增加了其阻尼因子，同时降低了体系的tmr。同时，器件的抗干扰特性也是在实际应用中必须考虑的因素。目前，器件抵抗外磁场干扰主要依靠磁屏蔽封装技术。由此可见目前没有一种方法能够在既增加自由层垂直磁各向异性，降低阻尼因子的情况下增强tmr值，并且具有很好的抗磁场干扰能力。


技术实现要素：

4.在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
5.本发明要解决的技术问题是提供一种能在增加自由层垂直磁各向异性，降低阻尼因子，增强gmr/tmr值，并且具有相对现有技术具有更好的抗磁场干扰能力的磁性多层膜结构。
6.以及，本发明还提供了一种具有所述磁性多层膜的磁性器件。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的磁性多层膜结构，包括：
8.形成在缓冲层或种子层上的第一多层结构；
9.所述第一多层结构包括顺序或倒序布置的：参考层、非磁性中间层、自由层和耦合层；
10.即，所述第一多层结构包括自上而下顺序布置的：参考层、非磁性中间层、自由层和耦合层；
11.或，所述第一多层结构包括自上而下顺序布置的：耦合层、自由层、非磁性中间层和参考层。
12.其中，耦合层和自由层通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层和自由层的磁矩方向反平行或平行排列，非磁性中间层用于隔离或绝缘。
13.可选择的，耦合层、自由层和参考层的磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化，参考层的磁矩方向没有限制。
14.可选择的，所述第一多层结构包括顺序或倒序布置的参考层、非磁性中间层、自由层1、耦合层和自由层2；
15.即，所述第一多层结构包括自上而下顺序布置的：参考层、非磁性中间层、自由层1、耦合层和自由层2；
16.或，所述第一多层结构包括自上而下顺序布置的：自由层2、耦合层、自由层1、非磁性中间层和参考层；
17.其中，耦合层与自由层1和自由层2通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层分别与自由层1和自由层2的磁矩方向反平行或平行排列，即自由层1和自由层2磁矩方向相同。
18.可选择的，所述参考层、非磁性中间层、自由层1、耦合层和自由层2磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化,参考层的磁矩方向没有限制。
19.可选择的，自由层1和自由层2的厚度范围为0.01nm-10nm，耦合层厚度范围为：0.01nm-10nm。
20.所述第一多层结构包括顺序或倒序布置的参考层2、耦合层、参考层1、非磁性中间层和自由层；
21.其中，耦合层与参考层1和参考层2通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层与分别参考层1和参考层2的磁矩方向反平行或平行排列，即参考层1和参考层2磁矩方向相同。
22.其中，所述参考层2、耦合层、参考层1、非磁性中间层和自由层磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化，自由层的磁矩方向没有限制。
23.可选择的，参考层1和参考层2的厚度范围为：0.01nm-10nm，耦合层厚度范围为：0.01nm-10nm。
24.可选择的，所述的磁性多层膜结构，所述非磁性中间层为非磁金属层或非磁绝缘层。
25.当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁金属层时，其形成sv自旋阀。
26.当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁绝缘层时，其形成mtj磁性隧道结。
27.示例性的，对磁性多层膜结构各层的可行材料进行说明如下；
28.可选择的，所述的磁性多层膜结构(sv或mtj)的参考层(包括参考层1和参考层)和
自由层(包括自由层1和自由层2)由磁性材料制造。示例性的，所述磁性材料包括但不限于cofeb,co，fe,ni,feb,cofesi，cofe，nife，cofeal等材料其中至少一种材料组成。
29.可选择的，所述磁性多层膜的非磁性中间层由金属材料制造时形成为sv结构。示例性的，所述金属材料包括但不限于铜(cu)等，以及现有技术中所有已知能应用于sv结构的金属材料。
30.可选择的，所述磁性多层膜的非磁性中间层为非磁绝缘层，由绝缘材料制造时形成为mtj结构。示例性的，所述绝缘材料包括但不限于mgo或alo
x
等，以及现有技术中所有已知能应用于mtj结构的绝缘材料。
31.可选择的，所述的磁性多层膜结构(sv或mtj)的耦合层由含稀土过渡族材料制造。示例性的，耦合层由镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)和钇(y)或者是含有镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)、钇(y)的合金或多层膜结构(包括但不限于[钆/钴]n([gd/co]n)多层膜结构)制造。
[0032]
进一步的，说明耦合层的可行性，以tbco合金为例，其中tb含量为10％～50％，以tbfe合金为例，tb含量为10％-40％，以gdfe合金为例，gd含量为15％-35％。
[0033]
进一步的，说明界面耦合的可行性，以轻稀土钕(nd)为例，nd和磁性层cofeb界面产生铁磁耦合，两层材料磁矩方向平行排列；以重稀土钆(gd)为例，gd和磁性层cofeb界面产生反铁磁耦合，两层材料磁矩呈反平行排列。
[0034]
可选择的，所述的磁性多层膜结构(sv或mtj)，其能用于磁性传感器或者mram。
[0035]
为解决上述技术问题，本发明提供一种磁性器件，所述磁性器件可以是mram或磁性传感器，该磁性器件包括形成在盖帽层与缓冲层之间；或，盖帽层与种子层之间的第二多层结构；
[0036]
所述的磁性器件结构，所述人工合成反铁磁层位于多层结构的第一层或最后一层。
[0037]
即，所述第二多层结构包括自上而下顺序布置的：人工合成反铁磁层、参考层、非磁性中间层、自由层和耦合层；
[0038]
或，所述第二多层结构包括自上而下顺序布置的：耦合层、自由层、非磁性中间层、参考层和人工合成反铁磁层。
[0039]
其中，耦合层和自由层通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，两层的磁矩方向反平行或平行排列，人工合成反铁磁层、参考层的磁矩方向没有限制。
[0040]
其中，所述耦合层和自由层的磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化。
[0041]
可选择的，所述的磁性器件，所述第二多层结构包括自上而下顺序布置的人工合成反铁磁层、参考层、非磁性中间层、自由层1、耦合层和自由层2；
[0042]
或，所述第二多层结构包括自上而下顺序布置的：自由层2、耦合层、自由层1、非磁性中间层、参考层和人工合成反铁磁层；
[0043]
其中，耦合层、自由层1和自由层2通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层分别与自由层1和自由层2的磁矩方向反平行或平行排列，即自由层1和自由层2磁矩方向相同。人工合成反铁磁层和参考层的磁矩方向没有限制。
[0044]
其中，所述人工合成反铁磁层、参考层、自由层和耦合层磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化。
[0045]
可选择的，所述的磁性器件，所述第二多层结构包括顺序布置的人工合成反铁磁层、参考层2、耦合层、参考层1、非磁性中间层和自由层；
[0046]
或，所述第二多层结构包括自上而下顺序布置的：自由层、非磁性中间层、参考层1、耦合层、参考层2和人工合成反铁磁层。
[0047]
其中，耦合层、参考层1和参考层2通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层分别与参考层1和参考层2的磁矩方向反平行或平行排列，即参考层1和参考层2磁矩方向相同。人工合成反铁磁层和自由层的磁矩方向没有限制。
[0048]
其中，所述人工合成反铁磁层、参考层2、耦合层、参考层1和自由层磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化。
[0049]
可选择的，所述的磁性器件，所述参考层(包括参考层1和参考层2)和自由层(包括自由层1和自由层2)由磁性材料制造。示例性的，所述磁性材料包括但不限于cofeb,co，fe,ni,feb,cofesi，cofe，nife，cofeal等材料其中至少一种材料组成。
[0050]
可选择的，对于形成有mtj结构的磁性器件，所述非磁性中间层为非磁绝缘层由绝缘材料制造。示例性的，所述绝缘材料包括但不限于mgo或alo
x
等，以及现有技术中所有已知能应用于mtj结构的绝缘材料。
[0051]
可选择的，对于形成有sv结构的磁性器件，非磁性中间层由金属材料制造。示例性的，所述金属材料包括但不限于铜(cu)等，以及现有技术中所有已知能应用于sv结构的金属材料。
[0052]
可选择的，所述的磁性器件，所述耦合层由含稀土过渡族材料制造。示例性的，耦合层由镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)和钇(y)或者是含有镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)和钇(y)的合金或多层膜结构(包括但不限于钆(gd)/钴(co)多层膜结构)制造。
[0053]
进一步的，说明耦合层的可行性，以tbco合金为例，其中tb含量为10％～50％，以tbfe合金为例，tb含量为10％-40％，以gdfe合金为例，gd含量为15％-35％。
[0054]
进一步的，说明界面耦合的可行性，以轻稀土钕(nd)为例，nd和磁性层cofeb界面产生铁磁耦合，两层材料磁矩方向平行排列；以重稀土钆(gd)为例，gd和磁性层cofeb界面产生反铁磁耦合，两层材料磁矩呈反平行排列。
[0055]
可选择，所述的磁性器件，人工合成反铁磁层中间隔层的两侧结构形成为相互反铁磁耦合，即层间反铁磁耦合。人工合成反铁磁层即合成反铁磁结构，合成反铁磁结构是在两铁磁层之间插入隔层ru，当ru层厚度小于1nm时，ru层两侧的铁磁层具有强烈的反铁磁耦合作用，这种反铁磁耦合效应有效地提高了钉扎场，明显减小隔离层的静磁耦合作用和减少被钉扎层的退磁场，同时ru层对原子扩散还有一定的抑制作用。
[0056]
示例性的，人工合成反铁磁层由人工合成，自上而下顺序包括：第一钴/铂多层膜层、钌层即间隔层、第二钴/铂多层膜层、钴层和和非磁性间隔层(例如，钨层)；
[0057]
或，人工合成反铁磁层自上而下顺序包括：非磁性间隔层(例如，钨层)、钴层、第一钴/铂多层膜层、钌层即间隔层和第二钴/铂多层膜层。
[0058]
本发明利用耦合层和自由层通过界面的反铁磁或铁磁耦合，或耦合层和参考层通过界面的反铁磁或铁磁耦合，界面的耦合作用提供了较强的垂直磁各向异性，可以在保证垂直磁各向异性的条件下进一步提升自由层或参考层厚度，从而提高gmr/tmr值，降低阻尼因子；同时，对于反铁磁耦合的情况，使耦合层和自由层,或耦合层和参考层磁矩方向形成反平行排列，从而降低总体的饱和磁化强度，提供良好的抗磁场干扰能力。
附图说明
[0059]
本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
[0060]
图1～图2是本发明第一实施例结构示意图。
[0061]
图3～图4是本发明第二实施例结构示意图。
[0062]
图5～图6是本发明第三实施例结构示意图。
[0063]
图7～图8是本发明第四实施例结构示意图。
[0064]
图9～图10是本发明第五实施例结构示意图。
[0065]
图11～图12是本发明第六实施例结构示意图。
[0066]
图13～图14是本发明第七实施例结构示意图。
具体实施方式
[0067]
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明下述示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的具体实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性具体实施例的技术方案充分传达给本领域技术人员。
[0068]
第一实施例；
[0069]
本发明提供一种磁性多层膜结构，包括：
[0070]
形成在缓冲层或种子层上的第一多层结构；
[0071]
参考图1所示，所述第一多层结构包括顺序布置的：参考层、非磁性中间层、自由层和耦合层；
[0072]
或，参考图2所示，所述第一多层结构包括顺序布置的：耦合层、自由层、非磁性中间层和参考层；
[0073]
其中，所述参考层、自由层和耦合层的磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化，图1和图2示例性地表示在面内磁化，反铁磁耦合的情况下，耦合层和自由层的磁矩方向。
[0074]
其中，耦合层和自由层通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层和自由层的磁矩方向反平行或平行排列，非磁性中间层用于隔离或绝缘。耦合层和自由层通过界面的反铁磁或铁磁耦合，两层的磁矩方向反平行或平行排列，界面的耦合作用提供了较强的垂直磁各向异性，可以在保证垂直磁各向异性的条件下进一步提升自由层厚度，从而提高gmr/tmr值，降低阻尼因子。对于耦合层和自由层通过界面的反铁磁耦合作用，两层的磁矩方向反平行排列，从而降低总体的饱和磁化强度，进而降低外磁场的干扰。而对于参考层的磁矩方向反向是任意的，不影响本发明的实施。
[0075]
进一步的，上述第一实施例提供的两种磁性多层膜结构因非磁性中间层的材料不同能形成sv自旋阀或mtj磁性隧道结；
[0076]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁金属层时，其形成sv自旋阀。
[0077]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁绝缘层时，其形成mtj磁性隧道结。
[0078]
第二实施例；
[0079]
本发明提供一种磁性多层膜结构，包括：
[0080]
形成在缓冲层或种子层上的第一多层结构；
[0081]
参考图3所示，所述第一多层结构包括顺序布置的参考层、非磁性中间层、自由层1、耦合层和自由层2；
[0082]
或，参考图4所示，所述第一多层结构包括顺序布置的自由层2、耦合层、自由层1、非磁性中间层和参考层；
[0083]
图3和图4示例性地表示自由层1、耦合层和自由层2的磁矩方向；
[0084]
其中，耦合层与自由层1和自由层2通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层分别与自由层1和自由层2的磁矩方向反平行或平行排列。界面的耦合作用提供了较强的垂直磁各向异性，可以在保证垂直磁各向异性的条件下进一步提升自由层1和自由层2的厚度，从而提高gmr/tmr值，降低阻尼因子。当耦合层和自由层1和自由层2通过界面的反铁磁耦合时，磁矩方向反平行排列，从而降低总体的饱和磁化强度，进而降低外磁场的干扰。
[0085]
可选择的，所述参考层、自由层1、耦合层和自由层2磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化。
[0086]
可选择的，所述参考层位于所述第一多层结构的第一层或最后一层，进而该第二实施例提供以下两种磁性多层膜结构；
[0087]
进一步的，上述第二实施例提供的两种磁性多层膜结构因非磁性中间层的材料不同能形成sv自旋阀或mtj磁性隧道结；
[0088]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁金属层时，其形成sv自旋阀。
[0089]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁绝缘层时，其形成mtj磁性隧道结。
[0090]
第三实施例；
[0091]
本发明提供一种磁性多层膜结构，包括：
[0092]
形成在缓冲层或种子层上的第一多层结构；
[0093]
参考图5所示，所述第一多层结构包括顺序布置的参考层2、耦合层、参考层1、非磁性中间层和自由层；
[0094]
或，参考图6所示，所述第一多层结构包括顺序布置的自由层、非磁性中间层、参考层1、耦合层和参考层2。
[0095]
图5和图6示例性地表示参考层1、耦合层和参考层2的磁矩方向；
[0096]
其中，耦合层与参考层1和参考层2通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层分别与参考层1和参考层2的磁矩方向反平行或平行排列。界面的耦合作用提供了较强的垂直磁各向异性，可以在保证垂直磁各向异性的条件下进一步提高参考层1和参考层2的厚度，从而提高gmr/tmr值。耦合层和参考层1和参考层2通过界面的反铁磁耦合，磁矩方向反平行排列，从而降低总体的饱和磁化强度，进而降低外磁场的干扰。而对于自由层的磁矩方向反向是任意的，不影响本发明的实施。
[0097]
进一步的，上述第三实施例提供的两种磁性多层膜因非磁性中间层的材料不同能形成sv自旋阀或mtj磁性隧道结；
[0098]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁金属层时，其形成sv自旋阀。
[0099]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁绝缘层时，其形成mtj磁性隧道结。
[0100]
进一步的，本发明提供上述第一实施例～第三实施例任意一项所述的磁性多层膜结构各层的可行制作材料；
[0101]
可选择的，所述的磁性多层膜结构(sv或mtj)的参考层(包括参考层1和参考层)和自由层(包括自由层1和自由层2)由磁性材料制造。示例性的，所述磁性材料包括但不限于cofeb,co，fe,ni,feb,cofesi，cofe，nife，cofeal等材料其中至少一种材料组成。
[0102]
可选择的，所述磁性多层膜结构的非磁性中间层由金属材料制造时形成为sv结构。示例性的，所述金属材料包括但不限于铜(cu)等，以及现有技术中所有已知能应用于sv结构的金属材料。
[0103]
可选择的，所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁绝缘层，由绝缘材料制造时形成为mtj结构。示例性的，所述绝缘材料包括但不限于mgo或alo
x
等，以及现有技术中所有已知能应用于mtj结构的绝缘材料。
[0104]
可选择的，所述的磁性多层膜结构(sv或mtj)的耦合层由含稀土过渡族材料制造。示例性的，耦合层由镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)和钇(y)或者是含有镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)和钇(y)的合金或多层膜结构(包括但不限于钆(gd)/钴(co)多层膜结构)制造。
[0105]
进一步的，说明耦合层的可行性，以tbco合金为例，其中tb含量为10％～50％，以tbfe合金为例，tb含量为10％-40％，以gdfe合金为例，gd含量为15％-35％。
[0106]
进一步的，说明界面耦合的可行性，以轻稀土钕(nd)为例，nd和磁性层cofeb界面产生铁磁耦合，两层材料磁矩方向平行排列；以重稀土钆(gd)为例，gd和磁性层cofeb界面产生反铁磁耦合，两层材料磁矩呈反平行排列。
[0107]
可选择的，上述第一实施例～第三实施例任意一项所述的磁性器件，其能用于mram或者磁性传感器。
[0108]
此外，还应当理解的是，尽管在这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述不同的元件、参数、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、参数、组件、区域、层和/或部分不应当受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个元件、参数、组件、区域、层或部分与另一个元件、参数、组件、区域、层或部分区分开来。因此，在不脱离根据本发明的示例性实施例的教
导的情况下，以下所讨论的第一元件、参数、组件、区域、层或部分也可以被称作第二元件、参数、组件、区域、层或部分。
[0109]
第四实施例；
[0110]
本发明提供一种磁性器件，所述磁性器件可以是mram或磁性传感器，该磁性器件，包括形成在盖帽层与缓冲层之间；或，盖帽层与种子层之间的第二多层结构；
[0111]
参考图7所示，所述第二多层结构包括顺序布置的人工合成反铁磁层、参考层、非磁性中间层、自由层和耦合层；
[0112]
或，参考图8所示，所述第二多层结构包括顺序布置的：耦合层、自由层、非磁性中间层、参考层、人工合成反铁磁层；
[0113]
图7和图8示例性地表示自由层和耦合层的磁矩方向。
[0114]
其中，耦合层和自由层通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层和自由层的磁矩方向反平行或平行排列，非磁性中间层用于隔离或绝缘。耦合层和自由层通过界面的反铁磁或铁磁耦合，两层的磁矩方向反平行或平行排列，界面的耦合作用提供了较强的垂直磁各向异性，可以在保证垂直磁各向异性的条件下进一步提升自由层厚度，从而提高gmr/tmr值，降低阻尼因子。对于耦合层和自由层通过界面的反铁磁耦合作用，两层的磁矩方向反平行排列，从而降低总体的饱和磁化强度，进而降低外磁场的干扰。而对于参考层的磁矩方向反向是任意的，不影响本发明的实施
[0115]
进一步的，上述第四实施例提供的两种磁性器件的第二多层结构因非磁性中间层的材料不同能形成sv自旋阀或mtj磁性隧道结；
[0116]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁金属层时，其形成sv自旋阀。
[0117]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁绝缘层时，其形成mtj磁性隧道结。
[0118]
第五实施例；
[0119]
本发明提供一种磁性器件，所述磁性器件可以是mram或磁性传感器，该磁性器件，包括形成在盖帽层与缓冲层之间；或，盖帽层与种子层之间的第二多层结构；
[0120]
参考图9所示，所述第二多层结构包括顺序布置的人工合成反铁磁层、参考层、非磁性中间层、自由层1、耦合层和自由层2；
[0121]
或，参考图10所示，所述第二多层结构包括顺序布置的自由层2、耦合层、自由层1、非磁性中间层、参考层和人工合成反铁磁层。
[0122]
所述耦合层、自由层1和自由层2磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化。
[0123]
图9和图10示例性地表示自由层1、耦合层和自由层2的磁矩方向。
[0124]
其中，耦合层、自由层1和自由层2通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层分别与自由层1和自由层2的磁矩方向反平行或平行排列。
[0125]
进一步的，上述第五实施例提供的两种磁性器件的第二多层结构因非磁性中间层的材料不同能形成sv自旋阀或mtj磁性隧道结；
[0126]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁金属层时，其形成sv自旋阀。
[0127]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁绝缘层时，其形成mtj磁性隧道结。
[0128]
第六实施例；
[0129]
本发明提供一种磁性器件，所述磁性器件可以是mram或磁性传感器，该磁性器件，包括形成在盖帽层与缓冲层之间；或，盖帽层与种子层之间的第二多层结构；
[0130]
参考图11所示，所述第二多层结构包括顺序布置的人工合成反铁磁层、参考层2、耦合层、参考层1、非磁性中间层和自由层；
[0131]
或，参考图12所示，所述第二多层结构包括顺序布置的自由层、非磁性中间层、参考层1、耦合层、参考层2和人工合成反铁磁层。
[0132]
图11和图12示例性地表示参考层1、耦合层和参考层2的磁矩方向。
[0133]
其中，耦合层、参考层1和参考层2通过界面的反铁磁或铁磁耦合作用，耦合层分别与参考层1和参考层2的磁矩方向反平行或平行排列，所述耦合层、参考层1和参考层2磁矩方向为垂直磁化、面内磁化或倾斜磁化。
[0134]
进一步的，上述第六实施例提供的两种磁性器件的第二多层结构因非磁性中间层的材料不同能形成sv自旋阀或mtj磁性隧道结；
[0135]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁金属层时，其形成sv自旋阀。
[0136]
当所述磁性多层膜结构的非磁性中间层为非磁绝缘层时，其形成mtj磁性隧道结。
[0137]
进一步的，本发明提供上述第四实施例～第六实施例任意一项所述的磁性器件各层的可行制作材料；
[0138]
可选择的，所述参考层(包括参考层1和参考层)和自由层(包括自由层1和自由层2)由磁性材料制造。示例性的，所述磁性材料包括但不限于cofeb,co，fe,ni,feb,cofesi，cofe，nife，cofeal等材料其中至少一种材料组成。
[0139]
可选择的，所述非磁性中间层由金属材料制造时形成为sv结构。示例性的，所述金属材料包括但不限于铜(cu)等，以及现有技术中所有已知能应用于sv结构的金属材料。
[0140]
可选择的，所述非磁性中间层为非磁绝缘层，由绝缘材料制造时形成为mtj结构。示例性的，所述绝缘材料包括但不限于mgo或alo
x
等，以及现有技术中所有已知能应用于mtj结构的绝缘材料。
[0141]
可选择的，所述耦合层由含稀土过渡族材料制造。示例性的，耦合层由镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)和钇(y)或者是含有镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)和钇(y)的合金或多层膜结构(包括但不限于钆(gd)/钴(co)多层膜结构)制造。
[0142]
进一步的，说明耦合层的可行性，以tbco合金为例，其中tb含量为10％～50％，以tbfe合金为例，tb含量为10％-40％，以gdfe合金为例，gd含量为15％-35％。
[0143]
进一步的，说明界面耦合的可行性，以轻稀土钕(nd)为例，nd和磁性层cofeb界面产生铁磁耦合，两层材料磁矩方向平行排列；以重稀土钆(gd)为例，gd和磁性层cofeb界面产生反铁磁耦合，两层材料磁矩呈反平行排列。
[0144]
第七实施例；
[0145]
以第六实施例所提供的本发明提供一种磁性器件为例，提供一种本发明各层的制作材料的一种可行实施例；
[0146]
参考图13所示，盖帽层为钽层或钌层ta/ru；
[0147]
人工合成反铁磁层由人工合成，自上而下顺序包括：第一钴/铂多层膜层
[0148]
[co/pt]n1、钌层即间隔层ru、第二钴/铂多层膜层[co/pt]n2、钴层co和钨层w；n1，n2代表重复次数。
[0149]
参考层为钴铁硼层cofeb；
[0150]
非磁绝缘层为氧化镁层mgo；
[0151]
自由层1为钴铁硼层cofeb；
[0152]
耦合层为铽tb；
[0153]
自由层2为钴铁硼层cofeb；
[0154]
衬底上的缓冲层或种子层为钽层或氮化钽层ta/tan。
[0155]
或，参考图14所示，盖帽层为钽层或钌层ta/ru；
[0156]
自由层2为钴铁硼层cofeb；
[0157]
耦合层为铽tb；
[0158]
自由层1为钴铁硼层cofeb；
[0159]
非磁绝缘层为氧化镁层mgo；
[0160]
参考层为钴铁硼层cofeb；
[0161]
人工合成反铁磁层由人工合成，自上而下顺序包括：钨层、钴层co、第二钴/铂多层膜层[co/pt]n1、钌层即间隔层ru、第一钴/铂多层膜层[co/pt]n2；n1，n2代表重复次数。
[0162]
衬底上的缓冲层或种子层为钽层或氮化钽层ta/tan。
[0163]
除非另有定义，否则这里所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则诸如在通用字典中定义的术语这类术语应当被解释为具有与它们在相关领域语境中的意思相一致的意思，而不以理想的或过于正式的含义加以解释。
[0164]
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。