專利名稱：一種磁性多層膜單元及其制備和磁矩翻轉(zhuǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自旋電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種磁性多層膜單元及 其制備和磁矩翻轉(zhuǎn)方法。
背景技術(shù)：
以磁隨機存儲器(MRAM)為代表的自旋電子學(xué)器件具有數(shù)據(jù)非易失性、抗輻射性、 高速、高密度、低功耗、長壽命等特點，是未來新一代計算機、信息和通信技術(shù)中的核心器 件，是推動高科技產(chǎn)業(yè)和世界經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)技術(shù)之一。自旋電子學(xué)器件的核心是對自旋的操控。而在磁性材料中自旋的宏觀表現(xiàn)就是磁 矩，因此基于磁性材料的自旋電子學(xué)器件中，其核心是對磁矩的操控。傳統(tǒng)的控制磁矩翻轉(zhuǎn) 的方法是利用磁場，通過金屬布中電流產(chǎn)生的磁場，使磁矩翻轉(zhuǎn)，改變電流方向，磁場方向 隨之改變。但是這種基于磁場的控制方法存在功耗較大的問題，特別是陣列式器件中，由于 允許電流變化的范圍非常有限，該方法的實現(xiàn)難度很大，不利于器件集成度的提高。另一方 面，自從1996年電流產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，基于電流的自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)來 操縱磁矩翻轉(zhuǎn)的自旋電子學(xué)器件已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點。通過自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)來操縱磁 矩能夠降低翻轉(zhuǎn)磁矩所需的電流，從而達到減小功耗的效果。然而，該方案仍具有不可忽視 的難點，例如，它的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度不能夠降低，成為器件集成度提高和器件小型化發(fā)展 的瓶頸。并且，該方案的器件制備工藝與半導(dǎo)體CMOS電路不匹配，難以用相同的工藝水平 標(biāo)準(zhǔn)來進行大規(guī)模生產(chǎn)；同時其工藝生產(chǎn)的均勻性以及成品率也面臨很大的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種低功耗、高密度、高集成度且小型化的磁性多層膜 單元。本發(fā)明的目的之二是提供上述磁性多層膜單元的制備方法。本發(fā)明的目的之三是提供一種上述磁性多層膜單元的磁矩翻轉(zhuǎn)控制方法。為實現(xiàn)上述第一個發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種磁性多層膜單元，包括磁性多層 膜核心單元和磁矩控制單元，所述多層膜核心單元包括自由層，所述磁矩控制單元包括兩 個導(dǎo)電層，所述多層膜核心單元的自由層位于所述兩個導(dǎo)電層所形成的電場中。其中，所述兩個導(dǎo)電層均平行于所述磁性多層膜核心單元的膜面。其中，所述兩個導(dǎo)電層均垂直于所述磁性多層膜核心單元的膜面。當(dāng)所述兩個導(dǎo)電層均垂直于所述磁性多層膜核心單元的膜面時，在一些實施例 中，所述導(dǎo)電層的高度(指垂直于所述膜面方向上的尺寸)與所述自由層厚度的比值為 1 1. 5。進一步地，所述磁矩控制單元還可以包括兩個第二導(dǎo)電層，所述被釘扎層位于所 述兩個第二導(dǎo)電層所形成的電場中，所述被釘扎層的高度與所述被釘扎層厚度的比值為 1 1. 5。其中，所述磁性多層膜核心單元采用單勢壘型結(jié)構(gòu)；單勢壘型結(jié)構(gòu)的磁性多層膜核心單元還包括位于所述自由層下側(cè)的緩沖層、釘扎層、被釘扎層和勢壘層，以及位于所述
自由層上側(cè)的覆蓋層。其中，所述多層膜核心單元采用雙勢壘型結(jié)構(gòu)；雙勢壘型的磁性多層膜核心單元 還包括位于所述自由層下側(cè)的緩沖層、下釘扎層、下被釘扎層和下勢壘層，以及位于所述自 由層上側(cè)的上勢壘層、上被釘扎層、上釘扎層和覆蓋層。其中，所述緩沖層厚度為2 200nm，其制作材料可從Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、W、Ti、 Cu、Al、SrTi03、LaA103、Ce02 中選擇；所述釘扎層由具有反鐵磁性的合金制成，如IrMn，F(xiàn)eMn, PtMn, CrMn或Pt (Cr，Mn) 合金，厚度為3 30nm;所述的被釘扎層和自由層均由磁性材料制成；被釘扎層和自由層的材料和厚度可 相同，也可不相同；所述被釘扎層的厚度為0. 3 50nm，所述自由層的厚度為0. 3 50nm ；所述被釘 扎層和自由層可選用的磁性材料包括Co，F(xiàn)e, Ni或它們的金屬合金NixFe1(1(1_x，CoxFe100_x, NiFeCo, CoFeSiB, NiFeSiB，或非晶 Co1(l(l_x_yFi5xBy (0 < χ < 100，0 < y ^ 20)，或 Heusler 合 金，如Co2MnSi, Co2Cra6Fq4Al ；或具有垂直磁各向異性的周期性多層膜，如Co/Pt多層膜、 CoFe/Pt多層膜、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Au多層膜或CoCr/Pt多層膜；或具有垂 直磁各向異性的單層合金薄膜，如CoPt合金、LlO相的!^ePt合金、PtCoNi合金、Co-Cr系合 金(所述 Co-Cr 系合金包括 Co-Cr、Co-Cr-Nb, Co-Cr-Ta 或 Co-Cr-Pt 合金)、TbFeCo 合金、 GdFeCo 合金、Gd-Co 合金、GdFe 合金、TbFe 合金、TbCo/Cr 合金、CoGdZr 合金、CoGdSm 合金、 GdTbFeCo合金或GdTWe合金薄膜；或磁性半導(dǎo)體GaMnAs，GaMnN，以及ZnO摻Co等，或鈣鈦 礦結(jié)構(gòu)的磁性材料，如LaSrMnO、LaCaMnO等；所述的勢壘層厚度為0. 5 lOOnm，用絕緣材料制成，所述絕緣材料優(yōu)選Al2O3， ZnO, TiO, SnO, MgO, TaO, AlN, SiO2，或有機分子材料(如聚氯乙烯PVC，聚乙烯PE，聚丙烯 PP，聚四氟乙烯，有機金屬化合物Alq3等)，或成分調(diào)制的鈣鈦礦氧化物等。所述的覆蓋層厚度為5 lOOOnm，制作材料為電阻率較小的正常金屬，如Ru、 Pt、Ag、Au、Cr、Cu、Al、AlSi 以及其合金；或為超導(dǎo)材料，如 Nb、Sn、Pb、In、Ta、Nb-Ti 以及 YBa2Cu307 等。所述制備磁性多層膜核心單元的平面幾何形狀為橢圓形、長方形、圓形、正方形、 多邊形、圓環(huán)形、橢圓環(huán)形或多邊形環(huán)形。所述導(dǎo)電層厚度為2 200nm，制作材料為Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、W、Ti、Cu、Al、 SrTi03、LaAlO3 或 CeO2。為實現(xiàn)上述第二個發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了一種磁性多層膜單元的制備方法， 該方法包括下列步驟1)在襯底上制備下導(dǎo)電層；2)在所述下導(dǎo)電層上制備磁性多層膜核心單元，所述磁性多層膜核心單元的膜面 與所述下導(dǎo)電層平行；3)在所述磁性多層膜核心單元的頂部制備上絕緣層，然后在所述上絕緣層上制備 上導(dǎo)電層。其中，所述步驟2~)中，還包括在制備磁性多層膜核心單元前，先制備下絕緣層，然后在所述下絕緣層上制備所述磁性多層膜核心單元。為實現(xiàn)上述第二個發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了另一種磁性多層膜單元的制備方 法，該方法包括下列步驟1)在襯底上制備磁性多層膜核心單元；2)在所述制備磁性多層膜核心單元的兩側(cè)制備絕緣層，在所述絕緣層外側(cè)制備兩 個豎直導(dǎo)電層，使所述磁性多層膜核心單元的自由層處于所述兩個豎直導(dǎo)電層之間。為實現(xiàn)上述第三個發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了一種上述磁性多層膜單元的磁矩翻 轉(zhuǎn)控制方法，該方法包括下列步驟1)獲取所述磁性多層膜單元的翻轉(zhuǎn)臨界電壓；2)在所述兩個導(dǎo)電層之間施加不小于所述翻轉(zhuǎn)臨界電壓的電壓，實現(xiàn)磁矩翻轉(zhuǎn)， 即對所述磁性多層膜單元執(zhí)行寫操作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果本發(fā)明極大的降低了器件的功耗。本發(fā)明能夠提高器件的集成度。本發(fā)明的磁矩控制單元和半導(dǎo)體工藝相兼容，有利于發(fā)展大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。本發(fā)明有利于自旋電子學(xué)器件的小型化。本發(fā)明的磁性多層膜具有抗輻射的優(yōu)點。本發(fā)明的磁性多層膜可廣泛應(yīng)用于未來計算機信息通訊產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的邏輯器件、 非易失性存儲器、自旋晶體管以及各種傳感器等自旋電子學(xué)器件中。本發(fā)明有利于拓寬自 旋電子學(xué)器件的應(yīng)用范圍。


以下，結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中圖1是本發(fā)明的一種基于垂直膜面電場的磁性多層膜單元的縱截面示意圖；圖2是本發(fā)明的一種基于平行膜面電場的磁性多層膜單元的示意圖；其中a部分 為縱截面示意圖，b部分為俯視圖；圖3是本發(fā)明的一種基于局域平行膜面電場的磁性多層膜單元的示意圖；其中a 部分為縱截面示意圖，b部分為俯視示意圖；圖4是本發(fā)明的一種基于雙局域平行膜面電場的磁性多層膜單元的示意圖；其中 a部分為縱截面示意圖，b部分為俯視示意圖；圖5是本發(fā)明的一種基于垂直膜面電場的雙勢壘磁性多層膜單元的縱截面示意 圖；圖6是本發(fā)明的一種基于平行膜面電場的雙勢壘磁性多層膜單元的縱截面示意 圖；圖7是本發(fā)明的一種基于局域平行膜面電場的雙勢壘磁性多層膜單元的縱截面 示意圖。
具體實施例方式首先，簡要介紹本發(fā)明所依據(jù)的原理。本案發(fā)明人創(chuàng)造性地提出了一種通過電壓在磁性多層膜中產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)或者使磁性材料的局域3d或4f電子的構(gòu)型發(fā)生變 化，并進而實現(xiàn)磁矩翻轉(zhuǎn)的方法。其原理如下將磁性多層膜置于電場中并增大電場強度，將對磁性多層膜的自由層(磁性層) 形成類似于等效磁場對磁性材料磁矩的作用，其磁轉(zhuǎn)矩變化A^1(F)-(可 參考D.C.Ralph et al，JMMM，32(^2008) 1190)，其中(7)表示施加電壓后轉(zhuǎn)矩，扮±(0) 表示施加電壓前的轉(zhuǎn)矩，A為平衡量綱常數(shù)，e為基本電荷常數(shù)，V為所施加電壓，這里的電 壓均是指形成電場的外加電壓。從上述公式可以看出，磁矩變化近似正比于形成電場的外 加電壓的平方。而另一方面，由于自由層的電導(dǎo)率遠大于勢壘層，因此把磁性多層膜置于電 場中時，在自由層與勢壘層的界面處會產(chǎn)生巨大的電場梯度，從而對界面處的磁性材料的 局域3d或4f電子的構(gòu)型發(fā)生變化，從而形成使磁矩的方向轉(zhuǎn)動的力矩。為方便描述，在下 文中將其稱為電場效應(yīng)。在以上兩種機制的綜合作用下，只需在磁性多層膜的外圍設(shè)置兩 個導(dǎo)電層，然后在兩個導(dǎo)電層間施加電壓，即可形成促使磁矩的方向轉(zhuǎn)動的力矩，只需使該 電壓大于一個臨界值時，自由層磁矩就能夠翻轉(zhuǎn)。由于這種磁矩翻轉(zhuǎn)方法幾乎沒有電流通 過磁性多層膜單元，因此極大的降低了器件的功耗。下面，為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施 例，對本發(fā)明的磁性多層膜單元及其制備方法，以及磁矩控制方法進行詳細說明。應(yīng)當(dāng)理 解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。實施例1本實施例提供了一種基于垂直膜面電場的磁性多層膜單元。如圖1所示，本實施 例的磁性多層膜單元包括磁性多層膜核心單元和磁矩控制單元。其中，多層膜核心單元采用單勢壘型結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括緩沖層1、釘扎層2、 被釘扎層3、勢壘層4、自由層5和覆蓋層6。磁矩控制單元包括兩個導(dǎo)電層7、8，兩個導(dǎo)電 層7、8均平行于磁性多層膜核心單元的膜面，并且多層膜核心單元位于兩個導(dǎo)電層7、8之 間，即多層膜核心單元位于兩個導(dǎo)電層7、8所形成的電場中。本實施例中多層膜核心單元 的導(dǎo)電層與多層膜核心單元之間具有絕緣層，用于將導(dǎo)電層與多層膜核心單元隔開。其中，所述緩沖層厚度為2 200nm，其制作材料可從Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、W、Ti、 Cu、Al、SrTi03、LaA103、Ce02 中選擇；所述釘扎層由具有反鐵磁性的合金制成，如IrMn，F(xiàn)eMn, PtMn, CrMn或Pt (Cr，Mn) 合金，厚度為3 30nm;所述的被釘扎層和自由層均由磁性材料制成；被釘扎層和自由層的材料和厚度可 相同，也可不相同；所述被釘扎層的厚度為0. 3 50nm，所述自由層的厚度為0. 3 50nm ；所述 被釘扎層和自由層可選用的磁性材料包括Co，F(xiàn)e, Ni或它們的金屬合金Nixi^elOO-x， CoxFelOO-x，NiFeCo，CoFeSiB，NiFeSiB，或非晶 ColOO-x-yFexBy (O < χ < 100，0 < y 20)， 或Heusler合金，如Co2MnSi，Co2CrO. 6FeO. 4A1 ；或具有垂直磁各向異性的周期性多層膜， 如Co/Pt多層膜、CoFe/Pt多層膜、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Au多層膜或CoCr/Pt 多層膜；或具有垂直磁各向異性的單層合金薄膜，如CoPt合金、LlO相的!^ePt合金、PtCoNi 合金、Co-Cr 系合金(所述 Co-Cr 系合金包括 Co_Cr、Co-Cr-Nb, Co-Cr-Ta 或 Co-Cr-Pt 合 金)、TbFeCo 合金、GdFeCo 合金、Gd-Co 合金、GdFe 合金、TbFe 合金、TbCo/Cr 合金、CoGdZr合金、CoGdSm合金、GdTbFeCo合金或GdTWe合金薄膜；或磁性半導(dǎo)體GaMnAs，GaMnN,以及 ZnO摻Co等，或鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的磁性材料，如LaSrMnO、LaCaMnO等；所述的勢壘層厚度為0. 5 lOOnm，用絕緣材料制成，所述絕緣材料優(yōu)選A1203， ZnO, TiO, SnO, MgO, TaO, AlN, Si02，或有機分子材料(如聚氯乙烯PVC，聚乙烯PE，聚丙烯 PP，聚四氟乙烯，有機金屬化合物Alq3等)，或成分調(diào)制的鈣鈦礦氧化物等。所述的覆蓋層厚度為5 lOOOnm，制作材料為電阻率較小的正常金屬，如Ru、 Pt、Ag、Au、Cr、Cu、Al、AlSi 以及其合金；或為超導(dǎo)材料，如 Nb、Sn、Pb、In、Ta、Nb-Ti 以及 YBa2Cu307 等。所述制備磁性多層膜核心單元的平面幾何形狀為橢圓形、長方形、圓形、正方形、 多邊形、圓環(huán)形、橢圓環(huán)形或多邊形環(huán)形。所述導(dǎo)電層厚度為2 200nm，制作材料為Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、W、Ti、Cu、Al、 SrTi03、LaA103 或 Ce02。對于本實施例提供的磁性多層膜單元，當(dāng)在導(dǎo)電層上施加電壓時，磁性多層膜的 自由層產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩，并且勢壘層與自由層界面產(chǎn)生電場效應(yīng)。在這兩種機制的綜合 作用下，只要在兩個導(dǎo)電層之間的電壓達到一定臨界值即可使自由層磁矩翻轉(zhuǎn)。對于采用 不同材料、形狀、尺寸的不同磁性多層膜，該臨界值會有所不同。一般地，通過公知的實驗手 段即可測出該臨界值。本實施例中，在翻轉(zhuǎn)自由層磁矩時，由于幾乎沒有電流通過磁性多層 膜單元，因此極大的降低了器件的功耗。本實施例的磁性多層膜可作為核心單元用于自旋 邏輯器件、非易失性存儲器、自旋晶體管以及各種傳感器等自旋電子學(xué)器件中。本實施例的制備方法簡單，成品率高，成本低。實施例2本實施例提供了一種基于平行膜面電場的磁性多層膜單元。如圖2所示，本實施例的磁性多層膜單元包括磁性多層膜核心單元和磁矩控制單元，其中，多層膜核心單元采用單勢壘型結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括緩沖層1、釘扎層2、 被釘扎層3、勢壘層4、自由層5和覆蓋層6。磁矩控制單元包括兩個導(dǎo)電層9、10，兩個導(dǎo)電 層9、10均垂直于磁性多層膜核心單元的膜面，并且多層膜核心單元位于兩個導(dǎo)電層9、10 之間，即多層膜核心單元位于兩個導(dǎo)電層9、10所形成的電場中。本實施例中多層膜核心單 元的導(dǎo)電層與多層膜核心單元之間具有絕緣層，用于將導(dǎo)電層與多層膜核心單元隔開。圖2 的b部分為本實施例的磁性多層膜單元的俯視圖，其中多層膜核心單元的平面形狀為橢圓 形，兩個導(dǎo)電層9、10制作在該橢圓形多層膜核心單元的兩側(cè)，并且兩個導(dǎo)電層9、10與多層 膜核心單元之間填充有絕緣層。本實施例的多層膜核心單元中各層以及導(dǎo)電層的制作材料和厚度可參考實施例 1，這里不再贅述。對于本實施例提供的磁性多層膜單元，當(dāng)在導(dǎo)電層上施加電壓時，磁性多層膜的 自由層產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩，并且自由層與絕緣層界面產(chǎn)生電場效應(yīng)。在這兩種機制的綜合 作用下，只要在兩個導(dǎo)電層之間的電壓達到一定臨界值即可使自由層磁矩翻轉(zhuǎn)。對于采用 不同材料、形狀、尺寸的不同磁性多層膜，該臨界值會有所不同。一般地，通過公知的實驗手 段即可測出該臨界值。本實施例中，在翻轉(zhuǎn)自由層磁矩時，由于幾乎沒有電流通過磁性多層 膜單元，因此極大的降低了器件的功耗。本實施例的磁性多層膜可作為核心單元用于自旋
8邏輯器件、非易失性存儲器、自旋晶體管以及各種傳感器等自旋電子學(xué)器件中。本實施例中，導(dǎo)電層形成的電場能夠直接作用于所述自由層，能夠避免磁矩翻轉(zhuǎn) 過程受到多層膜核心單元的其它層的影響。實施例3本實施例提供了一種基于局域平行膜面電場的磁性多層膜單元。根據(jù)圖3所示，該磁性多層膜單元包括磁性多層膜核心單元和磁矩控制單元。其 中，多層膜核心單元采用單勢壘型結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括緩沖層1、釘扎層2、被釘扎層3、 勢壘層4、自由層5和覆蓋層6。磁矩控制單元包括兩個導(dǎo)電層11、12，多層膜核心單元的自 由層位于兩個導(dǎo)電層11、12之間，即多層膜核心單元的自由層位于兩個導(dǎo)電層11、12所形 成的電場中。兩個導(dǎo)電層11、12的方向與實施例2 —致，本實施例的導(dǎo)電層11、12與實施例 2的導(dǎo)電層的區(qū)別是導(dǎo)電層僅設(shè)置在對應(yīng)于自由層的位置處，導(dǎo)電層的高度(指垂直于所 述膜面方向上的尺寸)與所述自由層厚度的比值一般為1 1. 5。圖3的b部分為本實施 例的磁性多層膜單元的俯視圖，其中多層膜核心單元的平面形狀為橢圓環(huán)形，兩個導(dǎo)電層 11、12的平面形狀為梯形，它們制作在該橢圓環(huán)形多層膜核心單元的兩側(cè)，并且兩個導(dǎo)電層 11、12與多層膜核心單元的自由層之間填充有絕緣層。本實施例的多層膜核心單元中各層以及導(dǎo)電層的制作材料和厚度可參考實施例 1，這里不再贅述。本實施例中，當(dāng)在導(dǎo)電層上施加電壓時，磁性多層膜的自由層產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩， 并且自由層與絕緣層界面產(chǎn)生電場效應(yīng)。在這兩種機制的綜合作用下，只要在兩個導(dǎo)電層 之間的電壓達到一定臨界值即可使自由層磁矩翻轉(zhuǎn)。對于采用不同材料、形狀、尺寸的不同 磁性多層膜，該臨界值會有所不同。一般地，通過公知的實驗手段即可測出該臨界值。本實 施例中，在翻轉(zhuǎn)自由層磁矩時，由于幾乎沒有電流通過磁性多層膜單元，因此極大的降低了 器件的功耗。本實施例的磁性多層膜可作為核心單元用于自旋邏輯器件、非易失性存儲器、 自旋晶體管以及各種傳感器等自旋電子學(xué)器件中。本實施例中，導(dǎo)電層形成的電場能夠直接作用于所述自由層，能夠避免磁矩翻轉(zhuǎn) 過程受到多層膜核心單元的其它層的影響。進一步地，由于本實施例采用了局域電場，該電 場只作用于自由層，因此，本實施例還可以避免磁矩翻轉(zhuǎn)過程所施加的電場影響到多層膜 核心單元的其它層。本實施例中，為了保證能夠?qū)ψ杂蓪邮┘幼銐虻碾妶?，同時又盡量避免 該電場與磁性多層膜核心單元的其它層次相互影響，一般導(dǎo)電層的高度(指垂直于所述膜 面方向上的尺寸)與所述自由層厚度的比值在1 1. 5范圍內(nèi)取值。實施例4本實施例提供了一種基于雙局域平行膜面電場的磁性多層膜單元。根據(jù)圖4所 示，該磁性多層膜單元包括磁性多層膜核心單元和磁矩控制單元。其中，多層膜核心單元采 用單勢壘型結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括緩沖層1、釘扎層2、被釘扎層3、勢壘層4、自由層5和 覆蓋層6。磁矩控制單元包括兩個導(dǎo)電層11、12，多層膜核心單元的自由層位于兩個導(dǎo)電層 11、12之間，即多層膜核心單元的自由層位于兩個導(dǎo)電層11、12所形成的電場中。兩個導(dǎo) 電層11、12的方向與實施例2—致，本實施例的導(dǎo)電層11、12與實施例2的導(dǎo)電層的區(qū)別 是導(dǎo)電層僅設(shè)置在對應(yīng)于自由層的位置處，導(dǎo)電層的高度(指垂直于所述膜面方向上的尺 寸)與所述自由層厚度的比值一般為1 1. 5。圖4的b部分為本實施例的磁性多層膜單元的俯視圖，其中多層膜核心單元的平面形狀為橢圓環(huán)形，兩個導(dǎo)電層11、12的平面形狀 為梯形，它們制作在該橢圓環(huán)形多層膜核心單元的兩側(cè)，并且兩個導(dǎo)電層11、12與多層膜 核心單元的自由層之間填充有絕緣層。特別地，本實施例還設(shè)置了對應(yīng)于被釘扎層3的兩 個第二導(dǎo)電層11' >12'。第二導(dǎo)電層1Γ ,12'的方向與導(dǎo)電層11、12的方向一致。第 二導(dǎo)電層的高度(指垂直于所述膜面方向上的尺寸)與所述自由層厚度的比值一般為1 1.5。并且兩個第二導(dǎo)電層11' ,12'與多層膜核心單元的被釘扎層之間也填充有絕緣層。本實施例的多層膜核心單元中各層以及導(dǎo)電層的制作材料和厚度可參考實施例 1，這里不再贅述。本實施例中，當(dāng)在導(dǎo)電層上施加電壓時，磁性多層膜的自由層產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩， 并且自由層與絕緣層界面產(chǎn)生電場效應(yīng)。在這兩種機制的綜合作用下，只要在兩個導(dǎo)電層 之間的電壓達到一定臨界值即可使自由層磁矩翻轉(zhuǎn)。對于采用不同材料、形狀、尺寸的不同 磁性多層膜，該臨界值會有所不同。一般地，通過公知的實驗手段即可測出該臨界值。本實 施例中，在翻轉(zhuǎn)自由層磁矩時，由于幾乎沒有電流通過磁性多層膜單元，因此極大的降低了 器件的功耗。本實施例的磁性多層膜可作為核心單元用于自旋邏輯器件、非易失性存儲器、 自旋晶體管以及各種傳感器等自旋電子學(xué)器件中。本實施例中，導(dǎo)電層形成的電場能夠直接作用于所述自由層和被釘扎層，可以減 小自由層與被釘扎層之間的耦合，進一步減小臨界翻轉(zhuǎn)電壓。另一方面，本實施例能夠避免 磁矩翻轉(zhuǎn)過程受到多層膜核心單元除自由層和被釘扎層外的其它層的影響。最后，本實施 例還能夠避免磁矩翻轉(zhuǎn)過程影響到多層膜核心單元除自由層和被釘扎層外的其它層的正 常工作。本實施例中，為了保證能夠?qū)ψ杂蓪邮┘幼銐虻碾妶?，同時又盡量避免該電場與磁 性多層膜核心單元的其它層次相互影響，一般導(dǎo)電層11、12的高度(指垂直于所述膜面方 向上的尺寸)與所述自由層厚度的比值在1 1.5范圍內(nèi)取值。導(dǎo)電層11’、12’的高度與 所述被釘扎層厚度的比值在1 1. 5范圍內(nèi)取值。實施例5本實施例提供了 一種基于垂直膜面電場的雙勢壘磁性多層膜單元。根據(jù)圖5所示，該磁性多層膜單元包括多層膜核心單元和磁矩控制單元。其中，多層膜核心單元采用雙勢壘型結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括緩沖層1、下釘扎層 2、下被釘扎層3和下勢壘層4、自由層5、上勢壘層4'、上被釘扎層3'、上釘扎層2'和覆 蓋層6。磁矩控制單元包括兩個導(dǎo)電層7、8，兩個導(dǎo)電層7、8均平行于磁性多層膜核心單元 的膜面，并且多層膜核心單元位于兩個導(dǎo)電層7、8之間，即多層膜核心單元位于兩個導(dǎo)電 層7、8所形成的電場中。本實施例中多層膜核心單元的導(dǎo)電層與多層膜核心單元之間具有 絕緣層，用于將導(dǎo)電層與多層膜核心單元隔開。本實施例的多層膜核心單元中各層以及導(dǎo)電層的制作材料和厚度可參考實施例 1，這里不再贅述。本實施例中，當(dāng)在導(dǎo)電層上施加電壓時，磁性多層膜的自由層產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩， 并且勢壘層與自由層界面產(chǎn)生電場效應(yīng)。在這兩種機制的綜合作用下，只要在兩個導(dǎo)電層 之間的電壓達到一定臨界值即可使自由層磁矩翻轉(zhuǎn)。對于采用不同材料、形狀、尺寸的不同 磁性多層膜，該臨界值會有所不同。一般地，通過公知的實驗手段即可測出該臨界值。本實 施例中，在翻轉(zhuǎn)自由層磁矩時，由于幾乎沒有電流通過磁性多層膜單元，因此極大的降低了器件的功耗。本實施例的磁性多層膜可作為核心單元用于自旋邏輯器件、非易失性存儲器、 自旋晶體管以及各種傳感器等自旋電子學(xué)器件中。本實施例的制備方法簡單，成品率高，成本低。實施例6本實施例提供了一種基于平行膜面電場的雙勢壘磁性多層膜單元。根據(jù)圖6所 示，該磁性多層膜單元包括多層膜核心單元和磁矩控制單元。其中，多層膜核心單元采用雙勢壘型結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括緩沖層1、下釘扎層 2、下被釘扎層3和下勢壘層4、自由層5、上勢壘層4'、上被釘扎層3'、上釘扎層2'和覆 蓋層6。磁矩控制單元包括兩個導(dǎo)電層9、10，兩個導(dǎo)電層9、10均垂直于磁性多層膜核心單 元的膜面，并且多層膜核心單元位于兩個導(dǎo)電層9、10之間，即多層膜核心單元位于兩個導(dǎo) 電層9、10所形成的電場中。本實施例中多層膜核心單元的導(dǎo)電層與多層膜核心單元之間 具有絕緣層，用于將導(dǎo)電層與多層膜核心單元隔開。兩個導(dǎo)電層9、10制作在多層膜核心單 元的兩側(cè)，并且兩個導(dǎo)電層9、10與多層膜核心單元之間填充有絕緣層。本實施例的多層膜核心單元中各層以及導(dǎo)電層的制作材料和厚度可參考實施例 1，這里不再贅述。本實施例中，當(dāng)在導(dǎo)電層上施加電壓時，磁性多層膜的自由層產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩， 并且自由層與絕緣層界面產(chǎn)生電場效應(yīng)。在這兩種機制的綜合作用下，只要在兩個導(dǎo)電層 之間的電壓達到一定臨界值即可使自由層磁矩翻轉(zhuǎn)。對于采用不同材料、形狀、尺寸的不同 磁性多層膜，該臨界值會有所不同。一般地，通過公知的實驗手段即可測出該臨界值。本實 施例中，在翻轉(zhuǎn)自由層磁矩時，由于幾乎沒有電流通過磁性多層膜單元，因此極大的降低了 器件的功耗。本實施例的磁性多層膜可作為核心單元用于自旋邏輯器件、非易失性存儲器、 自旋晶體管以及各種傳感器等自旋電子學(xué)器件中。本實施例是一種雙勢壘磁性多層膜。與實施例2相同，本實施例的導(dǎo)電層形成的 電場能夠直接作用于所述自由層，能夠避免磁矩翻轉(zhuǎn)過程受到多層膜核心單元的其它層的影響。實施例7本實施例提供了一種基于局域平行膜面電場的雙勢壘磁性多層膜單元。根據(jù)圖7 所示，該磁性多層膜單元包括多層膜核心單元和磁矩控制單元。其中，多層膜核心單元采用雙勢壘型結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括緩沖層1、下釘扎層 2、下被釘扎層3和下勢壘層4、自由層5、上勢壘層4'、上被釘扎層3'、上釘扎層2'和覆 蓋層6。磁矩控制單元包括兩個導(dǎo)電層11、12，多層膜核心單元的自由層位于兩個導(dǎo)電層 11、12之間，即多層膜核心單元的自由層位于兩個導(dǎo)電層11、12所形成的電場中。兩個導(dǎo) 電層11、12的方向與實施例6—致，本實施例的導(dǎo)電層11、12與實施例2的導(dǎo)電層的區(qū)別 是導(dǎo)電層僅設(shè)置在對應(yīng)于自由層的位置處，導(dǎo)電層的高度(指垂直于所述膜面方向上的尺 寸)與所述自由層厚度的比值一般為1 1.5。兩個導(dǎo)電層11、12制作在多層膜核心單元 的兩側(cè)，并且兩個導(dǎo)電層11、12與多層膜核心單元的自由層之間填充有絕緣層。本實施例的多層膜核心單元中各層以及導(dǎo)電層的制作材料和厚度可參考實施例 1，這里不再贅述。本實施例中，當(dāng)在導(dǎo)電層上施加電壓時，磁性多層膜的自由層產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩，并且自由層與絕緣層界面產(chǎn)生電場效應(yīng)。在這兩種機制的綜合作用下，只要在兩個導(dǎo)電層 之間的電壓達到一定臨界值即可使自由層磁矩翻轉(zhuǎn)。對于采用不同材料、形狀、尺寸的不同 磁性多層膜，該臨界值會有所不同。一般地，通過公知的實驗手段即可測出該臨界值。本實 施例中，在翻轉(zhuǎn)自由層磁矩時，由于幾乎沒有電流通過磁性多層膜單元，因此極大的降低了 器件的功耗。本實施例的磁性多層膜可作為核心單元用于自旋邏輯器件、非易失性存儲器、 自旋晶體管以及各種傳感器等自旋電子學(xué)器件中。本實施例是一種雙勢壘磁性多層膜。與實施例3相同，本實施例的導(dǎo)電層形成的 電場能夠直接作用于所述自由層，能夠避免磁矩翻轉(zhuǎn)過程受到多層膜核心單元的其它層的 影響。進一步地，由于本實施例采用了局域電場，該電場只作用于自由層，因此，本實施例還 可以避免磁矩翻轉(zhuǎn)過程所施加的電場影響到多層膜核心單元的其它層。實施例8本實施例提供了一種制備實施例1的磁性多層膜單元的方法，該方法包括下列步 驟(需要說明的是，下述步驟2至6是制備單勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的一種方法，步 驟2至6可以用其它公知的制備單勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的技術(shù)替換)1)選擇一個襯底Si/Si02，厚500 μ m，經(jīng)過常規(guī)方法清洗之后，利用薄膜生長設(shè)備 磁控濺射方法來沉積下部導(dǎo)電層Ru，厚度IOOnm ；2)利用磁控濺射方法在下部導(dǎo)電層上沉積SW2絕緣層，厚度50nm，然后依次沉 積磁性多層膜的各層，即Ta(5nm)/RiK20nm)/Ta(5nm)作為底部緩沖層1，IrMn(12nm)作為 釘扎層2，CoFeB (4nm)作為被釘扎層3，MgO (2nm)作為勢壘層4，CoFeB (4nm)作為自由層5 和Ru(IOnm)/CiK20nm)/Ru(IOnm)作為覆蓋層6。上述磁性多層膜的生長條件備底真空 IX 10_6帕；濺射用高純度氬氣氣壓0. 07帕；濺射功率120瓦；樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp ； 生長溫度室溫；生長速率0. 3 1. 1埃/秒；生長時間薄膜厚度/生長速率；并且在沉 積釘扎層2、被釘扎層3和自由層5時，施加IOOOe平面磁場來誘導(dǎo)磁性層的單軸各向異性。3)采用微加工工藝，將步驟2~)中沉積了磁性多層膜加工成橢圓環(huán)形，橢圓的長軸 為磁性層的單軸各向異性的方向；所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光或 電子束曝光機上，根據(jù)所需的橢圓形對片基進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻 蝕方法把該磁性多層膜刻成橢圓形。4)在步驟3)得到的刻蝕成形的橢圓形的磁性多層膜上，利用磁控濺射沉積厚度 為50nm的SW2絕緣層將磁性多層膜進行掩埋并且隔離；5)利用剝離工藝去膠，使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。6)利用磁控濺射沉積厚度IOOnm的Cu作為電極層，再利用常規(guī)的微加工工藝，將 電極層加工成電極形狀；7)利用磁控濺射在電極層上沉積厚度50nm的SW2作為絕緣層和IOOnm的Cu作 為上部導(dǎo)電層。即得到本發(fā)明所提供的新型磁性多層膜單元，當(dāng)上下導(dǎo)電層施加電壓時，其 磁性多層膜處于形成的電場中。實施例9本實施例提供了一種制備實施例2的磁性多層膜單元的方法，該方法包括下列步 驟(需要說明的是，下述步驟1至5是制備單勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的一種方法，步驟1至5可以用其它公知的制備單勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的技術(shù)替換)1)選擇一個襯底Si/Si02，厚500 μ m,經(jīng)過常規(guī)方法清洗之后，利用磁控濺射 方法依次沉積磁性多層膜的各層，即Ta(5nm)/RiK20nm)/Ta(5nm)作為底部緩沖層1， IrMn(Iaim)作為釘扎層2，CoPt (3nm) /CoFeB(Inm)作為被釘扎層3，MgO (2. 5nm)作為勢壘 層 4，CoFeB (Inm) /CoPt (3nm)作為自由層 5 禾Π Ru (IOnm) /Cu (20nm) /Ru (IOnm)作為覆蓋層 6。 上述磁性多層膜的生長條件備底真空1X 10_6帕；濺射用高純度氬氣氣壓0. 07帕；濺射 功率120瓦；樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp ；生長溫度室溫；生長速率0. 3 1. 1埃/秒；生長 時間薄膜厚度/生長速率。2)采用微加工工藝，將步驟1)中沉積了磁性多層膜加工成橢圓環(huán)形，橢圓的長軸 為磁性層的單軸各向異性的方向；所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光或 電子束曝光機上，根據(jù)所需的橢圓形對片基進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻 蝕方法把該磁性多層膜刻成橢圓環(huán)形。3)在步驟2)得到的刻蝕成形的橢圓形的磁性多層膜上，利用磁控濺射沉積厚度 為50nm的SW2絕緣層將磁性多層膜進行掩埋并且隔離；4)利用剝離工藝去膠，使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。5)利用磁控濺射沉積厚度IOOnm的Cu作為電極層，再利用常規(guī)的微加工工藝，將 電極層加工成電極形狀；6)利用微加工工藝，在以上所述的橢圓形磁性多層膜的長軸兩邊覆蓋絕緣層，并 在絕緣層上制備出用于容納豎直導(dǎo)電層9、10的凹槽。所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光或 電子束曝光機上，根據(jù)所需的導(dǎo)電層形狀對片基進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離 子刻蝕方法刻出導(dǎo)電層的形狀的凹槽，其它區(qū)域仍然有光刻膠掩埋；7)利用磁控濺射沉積IOOnm的Cu作為導(dǎo)電層，然后通過剝離工藝進行去光刻膠， 即剝離導(dǎo)電層以外區(qū)域的金屬Cu。即得到本發(fā)明所提供的新型磁性多層膜單元，當(dāng)兩個豎 直導(dǎo)電層施加電壓時，其磁性多層膜處于形成的電場中。實施例10本實施例提供了一種制備實施例3的磁性多層膜單元的方法，該方法包括下列步 驟(需要說明的是，下述步驟1至5是制備單勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的一種方法，步 驟1至5可以用其它公知的制備單勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的技術(shù)替換)1)選擇一個襯底Si/Si02，厚500μπι，經(jīng)過常規(guī)方法清洗之后，利用磁控濺 射方法依次沉積磁性多層膜的各層，即Ta(5nm)/RiK20nm)/Ta(5nm)作為底部緩沖層 1，IrMn (12nm)作為釘扎層2，CoFeB (4nm)作為被釘扎層3，MgO (2nm)作為勢壘層4， CoFeB(4nm)作為自由層5和Ru(IOnm)/CuQOnm)/Ru(IOnm)作為覆蓋層6。上述磁性多層 膜的生長條件備底真空1X 10_6帕；濺射用高純度氬氣氣壓0. 07帕；濺射功率120瓦； 樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp ；生長溫度室溫；生長速率0. 3 1. 1埃/秒；生長時間薄膜厚 度/生長速率；并且在沉積釘扎層2、被釘扎層3和自由層5時，施加IOOOe平面磁場來誘 導(dǎo)磁性層的單軸各向異性。2)采用微加工工藝，將步驟1)中沉積了磁性多層膜加工成橢圓形，橢圓的長軸為
13磁性層的單軸各向異性的方向；所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光或 電子束曝光機上，根據(jù)所需的橢圓形對片基進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻 蝕方法把該磁性多層膜刻成橢圓環(huán)形。3)在步驟2)得到的刻蝕成形的橢圓形的磁性多層膜上，利用磁控濺射沉積厚度 為IOOnm的S^2絕緣層將磁性多層膜進行掩埋并且隔離；4)利用剝離工藝去膠，使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。5)利用磁控濺射沉積厚度IOOnm的Cu作為電極層，再利用常規(guī)的微加工工藝，將 電極層加工成電極形狀；6)利用微加工工藝，在以上所述的橢圓形磁性多層膜的長軸兩邊覆蓋絕緣層，并 在絕緣層上制備用于容納豎直導(dǎo)電層11、12的凹槽。所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光或 電子束曝光機上，根據(jù)所需的導(dǎo)電層形狀對片基進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離 子刻蝕方法刻出該導(dǎo)電層的形狀，并且刻過自由層即停止；然后利用去膠劑浸泡進行去膠； 必要時還可以利用反應(yīng)離子刻蝕機進行輔助去膠。7)利用離子束輔助沉積方法沉積鍥型Pt作為導(dǎo)電層，靠近磁性多層膜的一端厚 度為4nm。即得到本發(fā)明所提供的新型磁性多層膜單元，其頂視圖如圖4所示，當(dāng)兩個豎直 導(dǎo)電層施加電壓時，其磁性多層膜的自由層處于形成的電場中。圖4的b部分中，磁性多層 膜核心單元的平面形狀(即水平截面)為橢圓環(huán)形，豎直導(dǎo)電層的平面形狀(即水平截面) 為梯形。實施例11本實施例提供了一種制備實施例4的磁性多層膜單元的方法，該方法包括下列步 驟(需要說明的是，下述步驟1至5是制備單勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的一種方法，步 驟1至5可以用其它公知的制備單勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的技術(shù)替換)1)選擇一個襯底Si/Si02，厚500 μ m,經(jīng)過常規(guī)方法清洗之后，利用磁控濺射 方法依次沉積磁性多層膜的各層，即Ta(5nm)/RiK20nm)/Ta(5nm)作為底部緩沖層1， IrMn (12nm)作為釘扎層2，CoPt (3nm) /CoFeB(Inm)作為被釘扎層3，AlO (2nm)作為勢壘層 4，CoFeB (Inm)/CoPt (3nm)作為自由層 5 和 Ru (IOnm)/Cu (20nm)/Ru (IOnm)作為覆蓋層 6。 上述磁性多層膜的生長條件備底真空1 X ΙΟ"6帕；濺射用高純度氬氣氣壓0. 07帕；濺射 功率120瓦；樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp ；生長溫度室溫；生長速率0. 3 1. 1埃/秒；生長 時間薄膜厚度/生長速率。2)采用微加工工藝，將步驟1)中沉積了磁性多層膜加工成橢圓形，橢圓的長軸為 磁性層的單軸各向異性的方向；所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光或 電子束曝光機上，根據(jù)所需的橢圓形對片基進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻 蝕方法把該磁性多層膜刻成橢圓環(huán)形。3)在步驟2)得到的刻蝕成形的橢圓形的磁性多層膜上，利用磁控濺射沉積厚度 為IOOnm的S^2絕緣層將磁性多層膜進行掩埋并且隔離；4)利用剝離工藝去膠，使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。
5)利用磁控濺射沉積厚度IOOnm的Cu作為電極層，再利用常規(guī)的微加工工藝，將 電極層加工成電極形狀；6)利用聚焦離子束刻蝕方法，在以上所述的橢圓形磁性多層膜的長軸兩邊覆蓋絕 緣層，并在絕緣層上刻蝕出用于容納豎直導(dǎo)電層11’、12’的凹槽。7)利用離子束輔助沉積方法沉積鍥型Pt作為導(dǎo)電層11’、12’，靠近磁性多層膜的 一端厚度為4nm。當(dāng)兩個豎直導(dǎo)電層施加電壓時，其磁性多層膜的被釘扎層處于形成的電場 中。8)利用微加工工藝以及磁控濺射沉積絕緣層將步驟7)中的導(dǎo)電層11’、12’隔離， 絕緣層厚度與勢壘層厚度相同，然后再利用離子束輔助沉積方法沉積楔形Pt作為導(dǎo)電層 11、12，靠近磁性多層膜自由層的一端厚度與自由層相當(dāng)。即得到本發(fā)明所提供的新型磁性 多層膜單元，當(dāng)豎直導(dǎo)電層施加電壓時，其磁性多層膜的被釘扎層和自由層處于形成的電 場中。實施例12本實施例提供了一種制備實施例5的磁性多層膜單元的方法，該方法包括下列步 驟(需要說明的是，下述步驟2至6是制備雙勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的一種方法，步 驟2至6可以用其它公知的制備雙勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的技術(shù)替換)1)選擇一個襯底Si/Si02，厚500 μ m，經(jīng)過常規(guī)方法清洗之后，利用薄膜生長設(shè)備 磁控濺射方法來沉積下部導(dǎo)電層Ru，厚度IOOnm ；2)利用磁控濺射方法在下部導(dǎo)電層上沉積SW2絕緣層，厚度50nm，然后依次沉 積磁性多層膜的各層，即Ta(5nm)/RiK20nm)/Ta(5nm)作為底部緩沖層1，IrMn(12nm)作 為釘扎層2，CoFe (4nm)作為被釘扎層3，AlO(Inm)作為勢壘層4，CoFeB (4nm)作為自由 層5，AlO(Inm)作為勢壘層4’，CoFe (4nm)作為被釘扎層3’，IrMn (12nm)作為釘扎層2， 和Ru(IOnm)/CiK20nm)/Ru(IOnm)作為覆蓋層6。上述磁性多層膜的生長條件備底真空 IX 10_6帕；濺射用高純度氬氣氣壓0. 07帕；濺射功率120瓦；樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp ； 生長溫度室溫；生長速率0. 3 1. 1埃/秒；生長時間薄膜厚度/生長速率；并且在沉 積釘扎層2和2’、被釘扎層3和3’以及自由層5時，施加IOOOe平面磁場來誘導(dǎo)磁性層的 單軸各向異性。3)采用微加工工藝，將步驟2~)中沉積了磁性多層膜加工成橢圓形，橢圓的長軸為 磁性層的單軸各向異性的方向；所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光或 電子束曝光機上，根據(jù)所需的橢圓形對片基進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻 蝕方法把該磁性多層膜刻成橢圓環(huán)形。4)在步驟3)得到的刻蝕成形的橢圓形的磁性多層膜上，利用磁控濺射沉積厚度 為50nm的SW2絕緣層將磁性多層膜進行掩埋并且隔離；5)利用剝離工藝去膠，使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。6)利用磁控濺射沉積厚度IOOnm的Cu作為電極層，再利用常規(guī)的微加工工藝，將 電極層加工成電極形狀；7)利用磁控濺射在電極層上沉積厚度50nm的SW2作為絕緣層和IOOnm的Cu作 為上部導(dǎo)電層。即得到本發(fā)明所提供的新型磁性多層膜單元，當(dāng)上下導(dǎo)電層施加電壓時，其磁性多層膜處于形成的電場中。實施例13本實施例提供了一種制備實施例6的磁性多層膜單元的方法，該方法包括下列步 驟(需要說明的是，下述步驟1至5是制備雙勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的一種方法，步 驟1至5可以用其它公知的制備雙勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的技術(shù)替換)1)選擇一個襯底Si/Si02，厚500 μ m,經(jīng)過常規(guī)方法清洗之后，利用磁控濺射 方法依次沉積磁性多層膜的各層，即Ta(5nm)/RiK20nm)/Ta(5nm)作為底部緩沖層1， IrMn (12nm)作為釘扎層2，CoPt (4nm) /CoFeB(Inm)作為被釘扎層3，AlO(Inm)作為勢壘層 4，CoFe(Inm)作為自由層5，AlO(Inm)作為勢壘層4，，CoFeB (Inm)/CoPt (3nm)作為被釘扎 層3’，IrMn(12nm)作為釘扎層2’和Ru(IOnm)/CuQOnm)/Ru(IOnm)作為覆蓋層6。上述磁 性多層膜的生長條件備底真空1X 10_6帕；濺射用高純度氬氣氣壓0. 07帕；濺射功率 120瓦；樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp ；生長溫度室溫；生長速率0. 3 1. 1埃/秒；生長時間 薄膜厚度/生長速率。2)采用微加工工藝，將步驟1)中沉積了磁性多層膜加工成橢圓環(huán)形，橢圓的長軸 為磁性層的單軸各向異性的方向；所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光或 電子束曝光機上，根據(jù)所需的橢圓形對片基進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻 蝕方法把該磁性多層膜刻成橢圓形。3)在步驟2)得到的刻蝕成形的橢圓形的磁性多層膜上，利用磁控濺射沉積厚度 為50nm的SW2絕緣層將磁性多層膜進行掩埋并且隔離；4)利用剝離工藝去膠，使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。5)利用磁控濺射沉積厚度IOOnm的Cu作為電極層，再利用常規(guī)的微加工工藝，將 電極層加工成電極形狀；6)利用微加工工藝，在以上所述的橢圓形磁性多層膜的長軸兩邊覆蓋絕緣層，并 在絕緣層上制備用于容納豎直導(dǎo)電層9、10的凹槽。所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光或 電子束曝光機上，根據(jù)所需的導(dǎo)電層形狀對片基進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離 子刻蝕方法刻出該導(dǎo)電層的形狀；7)利用磁控濺射沉積IOOnm的Cu作為導(dǎo)電層，然后通過剝離工藝進行去膠。即得 到本發(fā)明所提供的新型磁性多層膜單元，當(dāng)兩個豎直導(dǎo)電層施加電壓時，其磁性多層膜處 于形成的電場中。實施例14本實施例提供了一種制備實施例7的磁性多層膜單元的方法，該方法包括下列步 驟(需要說明的是，下述步驟1至5是制備雙勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的一種方法，步 驟1至5可以用其它公知的制備雙勢壘結(jié)構(gòu)磁性多層膜核心單元的技術(shù)替換)1)選擇一個襯底Si/Si02，厚500 μ m,經(jīng)過常規(guī)方法清洗之后，利用磁控濺射 方法依次沉積磁性多層膜的各層，即Ta(5nm)/RiK20nm)/Ta(5nm)作為底部緩沖層1， IrMn (12nm)作為釘扎層2，Coi^e Gnm)作為被釘扎層3，Mg(K2nm)作為勢壘層4，CoFeB Gnm) 作為自由層5，MgO (2nm)作為勢壘層4，CoFe (4nm)作為被釘扎層3’，IrMn (12nm)作為釘扎層2’和Ru(IOnm)/CiK20nm)/Ru(IOnm)作為覆蓋層6。上述磁性多層膜的生長條件備 底真空1X 10_6帕；濺射用高純度氬氣氣壓0. 07帕；濺射功率120瓦；樣品架旋轉(zhuǎn)速率 20rmp ；生長溫度室溫；生長速率0. 3 1. 1埃/秒；生長時間薄膜厚度/生長速率；并 且在沉積釘扎層2、被釘扎層3和自由層5時，施加IOOOe平面磁場來誘導(dǎo)磁性層的單軸各 向異性。2)采用微加工工藝，將步驟1)中沉積了磁性多層膜加工成橢圓環(huán)形，橢圓的長軸 為磁性層的單軸各向異性的方向；所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光或 電子束曝光機上，根據(jù)所需的橢圓形對片基進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻 蝕方法把該磁性多層膜刻成橢圓形。3)在步驟2)得到的刻蝕成形的橢圓形的磁性多層膜上，利用磁控濺射沉積厚度 為IOOnm的S^2絕緣層將磁性多層膜進行掩埋并且隔離；4)利用剝離工藝去膠，使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。5)利用磁控濺射沉積厚度IOOnm的Cu作為電極層，再利用常規(guī)的微加工工藝，將 電極層加工成電極形狀；6)利用微加工工藝，在以上所述的橢圓形磁性多層膜的長軸兩邊覆蓋絕緣層，并 在絕緣層上制備用于容納豎直導(dǎo)電層9、10的凹槽。所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光或 電子束曝光機上，根據(jù)所需的導(dǎo)電層形狀對片基進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離 子刻蝕方法刻出該導(dǎo)電層的形狀，并且刻過自由層即停止；然后利用去膠劑浸泡進行去膠； 必要時還可以利用反應(yīng)離子刻蝕機進行輔助去膠。7)利用離子束輔助沉積方法沉積鍥型Pt作為導(dǎo)電層，靠近磁性多層膜的一端厚 度為4nm。即得到本發(fā)明所提供的新型磁性多層膜單元，當(dāng)兩個豎直導(dǎo)電層施加電壓時，其 磁性多層膜的自由層處于形成的電場中。以上所述內(nèi)容，僅為本發(fā)明具體的實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁性多層膜單元，包括磁性多層膜核心單元和磁矩控制單元，所述多層膜核心 單元包括自由層，所述磁矩控制單元包括兩個導(dǎo)電層，所述多層膜核心單元的自由層位于 所述兩個導(dǎo)電層所形成的電場中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性多層膜單元，其特征在于，所述兩個導(dǎo)電層均平行于所 述磁性多層膜核心單元的膜面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性多層膜單元，其特征在于，所述兩個導(dǎo)電層均垂直于所 述磁性多層膜核心單元的膜面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁性多層膜單元，其特征在于，所述導(dǎo)電層的高度與所述自 由層厚度的比值為1 1.5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的磁性多層膜單元，其特征在于，所述磁性多層膜核心單 元采用單勢壘型結(jié)構(gòu)；單勢壘型結(jié)構(gòu)的磁性多層膜核心單元還包括位于所述自由層下側(cè)的 緩沖層、釘扎層、被釘扎層和勢壘層，以及位于所述自由層上側(cè)的覆蓋層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁性多層膜單元，其特征在于，所述磁矩控制單元還包括兩 個第二導(dǎo)電層，所述被釘扎層位于所述兩個第二導(dǎo)電層所形成的電場中，所述被釘扎層的 高度與所述被釘扎層厚度的比值為1 1. 5。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的磁性多層膜單元，其特征在于，所述多層膜核心單元采 用雙勢壘型結(jié)構(gòu)；雙勢壘型的磁性多層膜核心單元還包括位于所述自由層下側(cè)的緩沖層、 下釘扎層、下被釘扎層和下勢壘層，以及位于所述自由層上側(cè)的上勢壘層、上被釘扎層、上 釘扎層和覆蓋層。
8.利要求1所述的磁性多層膜單元，其特征在于，所述制備磁性多層膜核心單元的平 面幾何形狀為橢圓形、長方形、圓形、正方形、多邊形、圓環(huán)形、橢圓環(huán)形或多邊形環(huán)形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性多層膜單元，其特征在于，所述導(dǎo)電層厚度為2 200nm,制作材料為 Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、W、Ti、Cu、Al、SrTiO3> LaAlO3 或 Ce02。
10.一種磁性多層膜單元的制備方法，該方法包括下列步驟1)在襯底上制備下導(dǎo)電層；2)在所述下導(dǎo)電層上制備磁性多層膜核心單元，所述磁性多層膜核心單元的膜面與所 述下導(dǎo)電層平行；3)在所述磁性多層膜核心單元的頂部制備上絕緣層，然后在所述上絕緣層上制備上導(dǎo) 電層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁性多層膜單元的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中， 還包括在制備磁性多層膜核心單元前，先制備下絕緣層，然后在所述下絕緣層上制備所述 磁性多層膜核心單元。
12.一種磁性多層膜單元的制備方法，該方法包括下列步驟1)在襯底上制備磁性多層膜核心單元；2)在所述制備磁性多層膜核心單元的兩側(cè)制備絕緣層，在所述絕緣層外側(cè)制備兩個豎 直導(dǎo)電層，使所述磁性多層膜核心單元的自由層處于所述兩個豎直導(dǎo)電層之間。
13.—種權(quán)利要求1所述的磁性多層膜單元的磁矩翻轉(zhuǎn)控制方法，該方法包括下列步驟1)獲取所述磁性多層膜單元的翻轉(zhuǎn)臨界電壓；2)在所述兩個導(dǎo)電層之間施加不小于所述翻轉(zhuǎn)臨界電壓的電壓，實現(xiàn)磁矩翻轉(zhuǎn)，即對 所述磁性多層膜單元執(zhí)行寫操作。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種磁性多層膜單元，包括磁性多層膜核心單元和磁矩控制單元，所述多層膜核心單元包括自由層，所述磁矩控制單元包括兩個導(dǎo)電層，所述多層膜核心單元的自由層位于所述兩個導(dǎo)電層所形成的電場中。另外，本發(fā)明還提供了相應(yīng)的磁性多層膜單元制備方法和磁矩翻轉(zhuǎn)控制方法。本發(fā)明極大的降低了器件的功耗；能夠提高器件的集成度；制備工藝與半導(dǎo)體工藝相兼容，有利于發(fā)展大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)；有利于自旋電子學(xué)器件的小型化；具有抗輻射的優(yōu)點。本發(fā)明的磁性多層膜可廣泛應(yīng)用于未來計算機信息通訊產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的邏輯器件、非易失性存儲器、自旋晶體管以及各種傳感器等自旋電子學(xué)器件中。本發(fā)明有利于拓寬自旋電子學(xué)器件的應(yīng)用范圍。
文檔編號G11C11/15GK102082018SQ20091024158
公開日2011年6月1日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者于國強, 張曙豐, 溫振超, 王譯, 韓秀峰, 魏紅祥 申請人:中國科學(xué)院物理研究所