基于CoFe／Pd的自旋閥底電極中增強(qiáng)的垂直磁各向異性

韓 娜，竺 云

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

基于CoFe／Pd的自旋閥底電極中增強(qiáng)的垂直磁各向異性

韓 娜，竺 云

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

采用磁控濺射方法制備了Pd（3 nm）／CoFe（0.8 nm）／納米氧化層／CoFe（tnm）／Cu（4 nm）／Pd（5 nm）自旋閥底電極薄膜，并用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)對(duì)樣品的磁性能進(jìn)行了測(cè)量.研究結(jié)果表明：納米氧化層的引入可以使電極薄膜的磁各向異性在退火后從面內(nèi)轉(zhuǎn)到垂直膜面方向，并且這種強(qiáng)烈的垂直磁各向異性在CoFe有效厚度為2 nm時(shí)仍能保持.這種具有非多層膜結(jié)構(gòu)、鐵磁層較厚、熱穩(wěn)定性較高的底電極有利于基于自旋轉(zhuǎn)移矩的垂直磁各向異性全金屬贗自旋閥的發(fā)展.

納米氧化層；垂直磁各向異性；自旋閥

自1988年巨磁電阻（Giant Magnetor esistance，GMR）效應(yīng)［1］被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，金屬磁性多層膜被迅速應(yīng)用到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)讀出磁頭材料、磁性傳感器和磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等器件中，1991年，Dieny等［2］提出的巨磁電阻自旋閥是這類器件中用途較為廣泛的一種結(jié)構(gòu).傳統(tǒng)的自旋閥主要由鐵磁自由層、非磁隔離層、鐵磁被釘扎層（或稱為參考層）和反鐵磁釘扎層等構(gòu)成，電流模式可分為電流平行于膜面（Current In Plance，CIP）和電流垂直于膜面（Cur－rent Perpendicular－to－Plance，CPP）兩種.隨著器件發(fā)展的微型化和存儲(chǔ)密度的提高，基于垂直磁各向 異 性 （Perpendicular Magnetic Anisotropy PMA）的器件由于具有更好的熱穩(wěn)定性、更低的能耗和不受尺寸減小限制等優(yōu)點(diǎn)引起了人們極大的興趣.1996年，Slonczewski［3］和 Berger［4］理論預(yù)測(cè)出通過(guò)納米尺寸（＜100 nm）鐵磁體薄膜的自旋極化電流可以產(chǎn)生自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移矩（Spin Transfer Torque，STT），因此可以在鐵磁性薄膜中產(chǎn)生磁激發(fā)，甚至引起磁化方向的翻轉(zhuǎn).此后，這種基于電流誘導(dǎo)磁化翻轉(zhuǎn)（Current Induce Magnetization Switching，CIMS）的STT器件成為發(fā)展的主流.近年來(lái)，在電流垂直于膜面的模式下，基于自旋轉(zhuǎn)移矩的垂直磁各向異性全金屬贗自旋閥已經(jīng)得到廣泛研究［5－6］.在這些研究中，自旋閥磁性層內(nèi)較強(qiáng)的垂直磁各向異性可以保證獲得更好的熱穩(wěn)定性和更低的開(kāi)關(guān)電流密度［7］.目前，僅有少量的材料體系可以表現(xiàn)出較強(qiáng)的垂直磁各向異性，如Co／Pt，Co／Pd和Co／Ni等多層膜結(jié)構(gòu)［8］；TbFeCo和 Gd－FeCo稀土過(guò)渡族金屬無(wú)定形膜［9］；（001）取向L10有序相結(jié)構(gòu)的FePt和CoPt薄膜［10］等.而每種體系都有相應(yīng)的限制，如L10有序相結(jié)構(gòu)的FePt和CoPt在室溫下無(wú)法制備；稀土過(guò)渡族合金居里溫度較低；Co系多層膜中，磁性層厚度一般不能超過(guò)0.6 nm，而超薄的厚度會(huì)大大降低有效自旋極化并影響磁電阻效應(yīng).此外，多層膜結(jié)構(gòu)制備復(fù)雜，并且在后續(xù)退火過(guò)程中由于界面擴(kuò)散會(huì)造成多層膜結(jié)構(gòu)的毀壞.

為了制備出的薄膜在具有較強(qiáng)垂直磁各向異性的同時(shí)，還保證其磁性層的厚度和熱穩(wěn)定性，本研究采用了一種基于CoFe／Pd的自旋閥底電極結(jié)構(gòu)，考慮在CoFe層中引入納米氧化層.一方面，希望CoFe基的薄膜可以獲得比Co基薄膜更低的開(kāi)關(guān)場(chǎng)［11］；另一方面，希望引入的納米氧化層可以大大增強(qiáng)薄膜的垂直磁各向異性.

1 實(shí)驗(yàn)方法

本研究采用直流磁控濺射系統(tǒng)，在熱氧化的Si基片上沉積薄膜.制備的自旋閥底電極結(jié)構(gòu)（由底層到頂層）為Pd（3）／CoFe（0.8）／納米氧化層／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5），所標(biāo)膜層厚度單位均為nm（全文下同），t的范圍為從1.2 nm到2.5 nm；為了對(duì)比研究，同時(shí)還制備了結(jié)構(gòu)為Pd（3）／CoFe（m）／Cu（4）／Pd（5）的薄膜，m的范圍從0.2 nm到0.6 nm.Pd、Cu和CoFe薄膜由相應(yīng)的金屬靶和合金靶沉積，CoFe合金的成分為Co90Fe10，所用靶材的純度均高于99.99%.濺射系統(tǒng)的本底真空低于4×10－5Pa，用于薄膜沉積的Ar氣氣壓為0.5 Pa，純度高于99.999%.沉積薄膜時(shí)，在基片位置沿平行膜面方向施加約24 k A／m的磁場(chǎng)，以便誘導(dǎo)出面內(nèi)單軸各向異性.其中，納米氧化層通過(guò)在0.5 Pa的高純氧氣中自然氧化3 min形成，制備后的樣品在300℃下真空退火30 min，退火真空低于4×10－5Pa.使用DMS Model 4振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（Vibrating Sam－ple Magnetemeter，VSM）對(duì)樣品的磁化曲線（MH）進(jìn)行測(cè)量.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

對(duì)制備態(tài)和300℃退火后的樣品在室溫下進(jìn)行磁化曲線的測(cè)量，測(cè)量時(shí)，外加磁場(chǎng)的方向垂直于膜面.圖1是Pd（3）／CoFe（0.8）／納米氧化層／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5）在t＝1.8、2和2.2 nm時(shí)的磁化曲線.

圖1 Pd（3）／CoFe（0.8）／納米氧化層／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5）薄膜的磁化曲線Fig.1 M －H curves for Pd（3）／CoFe（0.8）／native oxide／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5）when t＝1.8，2 and 2.2 nm

從圖1可以觀察到，制備態(tài)的樣品都表現(xiàn)出面內(nèi)磁各向異性，而退火后樣品的磁各向異性明顯地從面內(nèi)轉(zhuǎn)向垂直膜面方向.即使是CoFe厚度為2 nm時(shí)，樣品仍舊可以表現(xiàn)出很強(qiáng)的垂直磁各向異性.在其他CoFe／Pd多層膜的研究中，為了獲得垂直磁各向異性，CoFe層厚度不能超過(guò)0.6 nm［11］并且多層膜樣品不能經(jīng)受高溫退火，這是因?yàn)榻缑娼Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著退火溫度的升高而被破壞.而含有納米氧化層的自旋閥底電極不僅不需要做成多層膜結(jié)構(gòu)，而且在CoFe層總厚度達(dá)到2.8 nm時(shí)仍可以獲得很強(qiáng)的垂直磁各向異性.

為了進(jìn)一步研究納米氧化層對(duì)垂直磁各向異性增強(qiáng)的作用，對(duì)沒(méi)有納米氧化層的Pd（3）／CoFe（m）／Cu（4）／Pd（5）薄膜進(jìn)行對(duì)比研究，其中m的范圍從0.2到0.6 nm.測(cè)量結(jié)果顯示，無(wú)論是制備態(tài)還是退火后，沒(méi)有納米氧化層的薄膜即使在CoFe層厚度薄到0.2 nm時(shí)，也不能形成垂直磁各向異性.由此可見(jiàn)，含有納米氧化層的底電極薄膜中極強(qiáng)的垂直磁各向異性不同于單純由CoFe／Pd界面效應(yīng)產(chǎn)生的垂直磁各向異性.

圖2 退火前后 Pd（3）／CoFe（0.8）／納米氧化層／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5）薄膜的磁各向異性能密度Keff與CoFe層厚度t的關(guān)系Fig.2 Variations of Keff as a function of the thickness of the CoFe layer（t）for the as－deposited and 300℃annealed films Pd（3）／CoFe（0.8）／native oxide／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5）

考慮到自旋閥開(kāi)關(guān)場(chǎng)的大小和開(kāi)關(guān)迅速程度密切影響到器件性能，對(duì)引入納米氧化層的底電極退火后的剩磁比Mr／Ms和矯頑力Hc隨CoFe厚度t的變化關(guān)系進(jìn)行分析，如圖3所示.

圖3 退火后Pd（3）／CoFe（0.8）／納米氧化層／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5）薄膜的垂直膜面方向剩磁比和矯頑力隨CoFe厚度t的變化情況Fig.3 Variations of the perpendicular Mr／Ms andHc as a function of the thickness of the CoFe layer（t）for the annealed films Pd（3）／CoFe（0.8）／native oxide／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5）

從圖3可以觀察到，在CoFe有效厚度小于1.8 nm時(shí)，垂直方向剩磁比均在0.9左右.矯頑力Hc在t＝1.2 nm時(shí)達(dá)到最大，約為35.7 k A／m，然后隨著CoFe有效厚度的增加而逐漸減小.這里由矯頑力推測(cè)出Co Fe基薄膜的開(kāi)關(guān)場(chǎng)確實(shí)比Co基薄膜的開(kāi)關(guān)場(chǎng)小［11－12］.通過(guò)對(duì)圖3進(jìn)行分析可知調(diào)節(jié)CoFe層的有效厚度可以優(yōu)化底電極膜的性能，如在t＝1.8 nm時(shí)，底電極薄膜可以在維持較強(qiáng)垂直磁各向異性的同時(shí)減小器件的開(kāi)關(guān)場(chǎng).

3 結(jié)論

本研究通過(guò)磁控濺射方法制備了一種基于CoFe／Pd的 自 旋 閥 底 電 極 結(jié) 構(gòu) Pd（3 nm）／CoFe（0.8 nm）／納 米 氧 化 層／CoFe（tnm）／Cu（4 nm）／Pd（5 nm）.研究發(fā)現(xiàn)，納米氧化層的引入可以大大增強(qiáng)退火后底電極薄膜的垂直磁各向異性甚至在t達(dá)到2 nm時(shí)仍能維持這種垂直磁各向異性，并且CoFe基薄膜可以獲得比Co基薄膜更低的開(kāi)關(guān)場(chǎng).同時(shí)，本研究制備的引入納米氧化層的底電極無(wú)需采用多層膜結(jié)構(gòu)就可以將鐵磁層厚度增大并得到較強(qiáng)的垂直磁各向異性，而且這種底電極更易于制備，具有較小的開(kāi)關(guān)場(chǎng)、更高的自旋極化和熱穩(wěn)定性，這為基于自旋轉(zhuǎn)移矩的垂直磁各向異性全金屬贗自旋閥的發(fā)展提供了一定的參考.

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Enhanced perpendicular magnetic anisotropy in CoFe／Pd based bottom electrode of spin valves

HANNa，ZHUYun

（College of Physics and Electronic Information Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

A bottom electrode structure of spin valves（SVs）is reported，the film prepared by the magnetron sputtering method stacks Pd（3 nm）／CoFe（0.8 nm）／native oxide／CoFe（tnm）／Cu（4 nm）／Pd（5 nm）.The magnetic properties of the film are measured by vibrating sample magnetometer（VSM）.The results indicate that the magnetic anisotropy of the film has been transformed from in－plane to out－of－plane after annealing，and the strong perpendicular magnetic anisotropy（PMA）is still presented even for the film with effective CoFe thickness as large as 2 nm.This kind of bottom electrode film with non－multilayer structure，thick ferromagnetic layer and high thermal stability is beneficial to the development of the spin transfer torque all－metal pseudo－spin－valves with perpendicular magnetic anisotropy.

native oxide layer；perpendicular magnetic anisotropy；spin valves

O484.4＋3

A

1671－1114（2012）01－0035－04

2011－09－11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51001081）；天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（20081101）；天津師范大學(xué)引進(jìn)人才基金資助項(xiàng)目（5RL075）

韓 娜（1987—），女，碩士研究生.

竺 云（1981—），女，講師，主要從事磁性材料方面的研究.

（責(zé)任編校 紀(jì)翠榮）