CN105845823B

CN105845823B - 一种磁性器件及制备方法

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Publication number: CN105845823B
Application number: CN201610199587.2A
Authority: CN
Inventors: 任杨; 魏钰睿; 刘小凯; 史蓉蓉; 李喜玲; 郭党委
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2016-04-04
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2036-04-04
Also published as: CN105845823A

Abstract

本发明公开了一种磁性器件及这种器件的制备方法和可能的用途。本发明的这种磁性器件，包括绝缘材料的衬底和附着于衬底上的由软磁材料构成的单元，所述的单元是由厚度为20～80nm软磁材料薄膜构成的两个相近或相连的等边矩形环构成，其中：矩形边长为100nm～1μm，矩形边长∶环厚度等于10:1～2:1，两环间的间距等于50 nm～两环相连处共用一个环边，且所述单元中的两个矩形环的尖角均倒圆。本发明器件对磁随机存储器而言，不需要用很大的写入场就能写入信息，并且提供了更多稳定磁畴态成为新的编译代码。相应的研究表明，本发明的器件之一可以具有更多种的磁畴形态，因此可以提供更多状态的存储信息，而且当本发明的器件具有低的翻转场和多种涡旋态稳定度，可用于磁读写器件，也可在用于纳米开关器件提供有更多的开关选择。

Description

一种磁性器件及制备方法

技术领域

本发明涉及一种磁性器件及这种器件的制备方法和用途。

背景技术

磁性纳米环由于存在稳定的顺时针和逆时针旋转的涡旋态磁畴，其优良的性能广泛用于设计制造磁存储介质或磁记录器件以及磁性开关器件。如中国专利CN2008102223121公开的一种利用铁磁性纳米环巨磁电阻效应的可作为存储元件的磁场传感器，又如美国专利US7,002,839B2公开的环状存储元件。

对于磁随机存储器或磁性存储元件的读写装置而言，要求具有低的翻转场。其翻转场与磁性纳米环器件的结构，环间磁相互作用，材料，环尺寸，环宽和厚度等都有很大的关系。对于材料而言，软磁材料能获得较低的翻转场，比如NiFe合金，Co等。对于环尺寸而言，环半径越小，涡旋态到洋葱态的翻转场就越大，而环宽越大，涡旋态到洋葱态的翻转场就越小。过大的环半径使得存储密度降低。过大的环宽，又会导致其涡旋态不稳定。厚度越小，信噪比会降低并且涡旋态的稳定度也会下降。据报道对于厚度为12纳米的单个Co纳米环，其环半径为520纳米，环宽为175纳米，其涡旋态到洋葱态的翻转场为410奥斯特，而随着环宽减小到110纳米，其翻转场为850奥斯特。而厚度为50纳米的单个NiFe合金纳米环，其环半径为1200纳米，环宽为300纳米，其涡旋态到洋葱态的翻转场为530奥斯特。所以选择合适的环半径，环宽和厚度，对于磁随机存储器而言是非常有必要的，但这方面的研究已经很多。随着记录密度的增大，磁相互作用对稳定的涡旋态的影响变得至关重要，但是这方面的研究还不多。

另一方面，现有的磁存储元件及读写装置均只有两种状态，显然，如果能够多一种状态将会使应用领域得以扩展。

在单个磁性纳米环结构中，由于存在顺时针和逆时针旋转的涡旋态磁畴结构，磁存储的单位可以通过涡旋态旋转方向的不同分别定义为“0”和“1”.如果磁性纳米环有更多稳定的磁畴态，在定义二进制的基础上，可以得到更多的代码，编码信息可以更加灵活。并且这对于磁性开关器件而言，将能得到灵活性更大的开关信息编译。

发明内容

本发明提供一种较现有技术具有更低翻转场的磁性器件，同时提供这种器件的制备方法和用途。

本发明的这种磁性器件，包括绝缘材料的衬底和附着于衬底上的由软磁材料构成的单元，所述的单元是由厚度为20～80nm软磁材料薄膜构成的两个相近或相连的等边矩形环构成，其中：矩形边长为100nm～1μm，矩形边长∶环厚度等于10:1～2:1，两环间的间距等于50 nm～两环相连处共用一个环边，且所述单元中的两个矩形环的尖角均导圆。本发明中所述的软磁材料是指具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料，例如：CoFe，CoFeB, Fe，Ni，也可用多层膜结构，如CoFe/NiFe等。

优选的，本发明的磁性器件的矩形环宽度为800nm，环厚度为200nm，两环间的间距为零，且两环相连接处的侧边为一直线，两环的四个角倒圆角半径为200 nm，如此形成本发明的一种形式的器件。

本发明的另一种器件形式是所述的矩形环宽度为800nm，环厚度为200nm，两环间的间距为零，且两环相连接处的侧边均带有导圆的圆角，两环的八个角倒圆角半径为200nm。

本发明的磁性器件的制备方法是：在衬底材料上用掩模制作技术形成所需的两个等边矩形模版，例如采用光刻或电子束曝光离子刻蚀等方法，然后在模版上进行软磁材料沉积形成两个等边矩形的软磁材料的薄膜，所述的软磁材料沉积可以采用电子束蒸镀，或磁控溅射技术或分子束外延生长技术。

本发明的一种磁性器件具体制备方法是：所述的衬底材料为硅片，将硅片放置于匀胶机上，用PMMA胶滴满硅片后匀胶，得到均匀胶层，再将涂有胶层的Si片进行后烘，用电子束曝光机进行曝光并显影和定影，得所需形状的双环结构，再用电子束蒸镀的方法在双环结构中进行软磁材料的蒸镀，然后除去刻胶，得到所需形状的双环软磁薄膜的单元。

优选的本发明的磁性器件制备方法制备出的器件，所蒸镀的材料为Ni₈₀Fe₂₀的软磁材料，薄膜的厚度为50 nm。

本发明的磁性器件可以在磁读写器件中的应用，也可在磁性纳米开关器件中或磁传感器中的应用。

本发明器件对磁随机存储器而言，不需要用很大的写入场就能写入信息，并且提供了更多稳定磁畴态成为新的编译代码。相应的研究表明，本发明的器件之一可以具有更多种的磁畴形态，因此可以提供更多状态的存储信息，而且当本发明的器件如用于磁性纳米开关器件时将能够有更多的开关选择。本发明基于选择一定膜厚，环半径和环宽的磁性纳米环结构，公开了磁相互作用对磁性纳米环器件的涡旋态稳定度和翻转场的影响，为发展磁性纳米器件提供实验以及理论及实践提供了依据。

附图说明

图1为本发明的四种不同类型的器件的扫描电镜照片，其中：A为两环连接处相叠加型（即：两环相连处共用一个环边）的器件，其相接的侧边为一直线；B为两环连接处接型的器件，其相接的侧边均带有倒圆的圆角；C为两环相接近型器件；D为两环相距较远型的“器件”。

图2为本发明的四种器件的微磁模拟图。

图3为A器件磁畴随磁场变化关系图。

图4分别为本发明的A、B器件的微磁模拟图，其中：■曲线为A型器件，▽曲线为B型器件。

图5为本发明的A器件的翻转场与磁场方向变化关系图，图中：六边形点标记的曲线为H_n；正三角点形标记的曲线为H_{a n1}曲线；圆点标记的曲线为H_an2。

图6和图7为本发明的器件用于读写装置的示意图。其中图6和图7中：1为位线，2为读出线，3为存取晶体管，4为字线，5为本发明的磁性双纳米环单元，6为读出放大器。

具体实施方式

本发明以下结合实施例进行详细解说。

一、器件制备实施例

将硅片切割成5×5mm²大小（硅片主要参数：P型，电阻率：<0.0015>，晶向：<100>，厚度：375um），洗净硅片，放入烘烤箱中，在150度下烘烤30分钟，取出后，放置于匀胶机上，用吸管抽取适量的PMMA胶，滴满硅片（950K的PMMA正胶，型号为AR-P 679），用4000转的速度，甩胶1分钟，取下硅片，放入烘烤箱，150度烘烤2分钟后取出。将匀胶后的硅片放入电子束曝光机，电子束曝光机参数设置为高压30 kV，区域剂量300 uC/cm²，将设计好的耦合纳米环图样用正胶工艺曝光在硅片上。将硅片取出后，放入显影液，显影45秒，再放入定影液1分钟，在去离子水清洗后，用氮气吹干硅片表面，并用显微镜，将放大倍数调节到100倍观察纳米环图样。将具有纳米环图样的硅片放入电子束蒸镀仪，设置电子束蒸镀长膜速率为0.02 nm/s，高真空为5×10^-8 torr，蒸镀50nm的Ni₈₀Fe₂₀在硅片上，最后覆盖上3nm的Ta作为保护层。从电子束蒸镀仪取出硅片，在丙酮中浸泡半小时，然后放在超声里几秒钟观察至电子束刻胶完全脱落，用去离子水洗净，并用氮气吹干，共制备出就可以得到相应的器件。本发明制备实施例共制备出四种形式的器件，参见附图1。所制备的四种耦合度不同的双环具体参数为：(i)型耦合纳米双环结构（即附图1中的A器件），每个环的边长为800，环边的宽为200 nm，环内孔的边长为400 nm，两环间的长度为1400 nm，即两环相连处共用一个边；(ii)型耦合纳米双环结构（即附图1中的B器件），每个环的边长为800，环边的宽为200 nm，环内孔的边长为400 nm，两环间的长度为1600 nm；(iii)（即附图1中C器件）型纳米双环结构，由两分离单环组成，两环的间距为50 nm，每个环的边长为800，环边的宽为200 nm，环内孔的边长为400 nm；(iv)型纳米双环结构（即附图1中的D器件），同样由两分离单环组成，，每个环的边长为800，环边的宽为200 nm，环内孔的边长为400 nm，但两环的间距为500 nm。

利用微聚焦磁光克尔效应仪对本发明的四种器件进行检测，可以获得各器件相应的磁滞回线，并通过磁力显微镜观察其磁滞回线中翻转位置处的磁畴，其结果参见附图3。A器件的磁滞回线对应三个反转场，其大小分别为120奥斯特、300奥斯特和460奥斯特，由于A器件存在三个反转场，与文献报道的磁性纳米环结构存在的正洋葱态-涡旋态-反洋葱态的磁畴的两次转变不一致，发明人利用磁力显微镜在不同的反转场下观察其磁畴随磁场的变化关系，从图3的A器件磁畴随磁场变化关系图可知，A器件的磁滞回线的三个反转场对应于正洋葱态-上环顺时针涡旋态-下环时针涡旋态-反洋葱态的转变，即A器件具有新型磁畴结构。

B器件的磁滞回线对应两个反转场，即正洋葱态-涡旋态-反洋葱态之间翻转场，分别为120奥斯特和410奥斯特。B器件对比与C器件和D器件的涡旋态-反洋葱态之间翻转场510和590奥斯特而言，减少了30%以上。而现有技术，一般都是单环结构或者有一定环间距的多环结构，类比于C和D器件的情况，在相同的膜厚，环大小和环宽情况下，对比与现在的单环器件，A和B器件有更大的优势，即，更多稳定的磁畴态和低翻转场。可见与现有技术相比，本发明的A、B器件具有较低的翻转场。由附图2可知所述A和B器件具有较低的涡旋态到反洋葱态翻转场，并且A器件的磁畴可以实现连续可调控，即随磁场变化，A器件的磁畴出现正洋葱态-上环顺时针涡旋态-下环时针涡旋态-反洋葱态的转变，即A器件具有新型磁畴结构，参见图3。对比于C器件，B器件的涡旋态到反洋葱态的翻转场减小了近三分之一。可见对比与A和B器件，C和D器件的翻转场较大，不利于磁随机存储器的写入。

为使本发明的器件性能更为清楚的表现，仅对A和B器件进行微磁模拟，得到附图4的微磁模拟图。从图3中可以看到，对于A器件（即图4中的8字叠加型），其磁滞回线出现了三个台阶，分别对应于正洋葱态-上环顺时针涡旋态-下环时针涡旋态-反洋葱态之间的转变；对于B器件，其磁滞回线出现两个台阶，对应于磁畴状态的转变为正洋葱态-涡旋态-反洋葱态。对于B器件，其第二个台阶的翻转场对比A器件第三个台阶的翻转场而言大大减小了。从微磁模拟可以看出，其结果与实验结果定性相符。

从翻转场与磁场方向关系图的附图5就可以获得本专利上述的(i)（即A器件）的磁各向异性行为：A器件具有面内磁各向异性，其磁滞回线的三个反转场随着磁场方向的变化会发生变化。H_n、H_an1和H_an2分别对应于正洋葱态-上环顺时针涡旋态的反转场、上环顺时针涡旋态-下环时针涡旋态的反转场和下环时针涡旋态-反洋葱态的反转场（如图2中对A器件磁滞回线进行微分后得到的三个峰标示）。我们把磁场方向平行于A器件长边的位置定义为0度，三个翻转场分别为120奥斯特、300奥斯特和460奥斯特，H_n、H_an1和H_an2随着磁场角度从0度增加到360度，具有4度对称轴，即从磁场0度到90度变化为一个周期。H_n随着磁场角度的增大呈非线性变化，在磁场45度附近达到最大值，磁场90度时为最小值，H_an1与H_n随磁场变化的趋势一致。而第三个反转场H_an3仅在磁场从0增加到15度、75度增加到90度不为0，即上环顺时针涡旋态和下环时针涡旋态仅在磁场从0增加到15度、75度增加到90度存在，而磁场从15度到75度并不存在这两种新型磁畴态。A器件的磁各向异性可以调制三种反转场大小，并且可以调制磁畴态的变化，使得A器件比C、D器件具有更多优势，即：可利用磁场方向变化调制其反转场和磁畴态。

此外，(i)型耦合双纳米环结构的A器件的磁畴不仅具有可以实现连续可调控的性质外，其磁畴变化还具有正洋葱态-上环顺时针涡旋态-下环顺时针涡旋态-反洋葱态。对于磁随机存储的读写而言，纳米环磁存储的单位可以通过涡旋态旋转方向的不同分别定义为“0”和“1”.对于本专利的A器件而言，其负磁场下的上环顺时针涡旋态和下环顺时针涡旋态可以分别定义为0,1，且正磁场下的上环顺时针涡旋态和下环顺时针涡旋态可以定义更多新的编译代码，为磁随机存储器的读写编译提供了多元选择。再者，如A器件中的上环顺时针涡旋态和下环顺时针涡旋态，就可以使得磁性开关器件有更多不同的选择。

图6和图7分别为应用A器件作为磁存储单元的实施例电路的结构示意图。该实施例中需要在在A器件的单层Ni₈₀Fe₂₀上再覆盖1 nm的MgO，蒸镀3 nm的CoFeB在MgO上，最后覆盖上3nm的Ta作为保护层，即使A器件成为磁存储单元。图6是信号写入电路，通入电流后，电流经过纳米耦合双环存储单元，信号写入存储单元，要求输入的电流不破环CoFeB层的磁化状态，电流经过位线和字线后，读出线中偏置信号为0，存取晶体管通道被关闭，因此，可以通过改变同步磁场大小决定NiFe层的涡旋态旋转的方向，从而定义写入信号“0”和“1”，如果NiFe层涡旋态和CoFeB层涡旋态旋转方向一致，信号为1，反之，信号为0。图7的实施例是信号读出电路，当信号被写入纳米耦合双环存储单元后，通过加一个读出电压到位线来读取信号，与此同时，在字线加入选择电压，这时存取晶体管通道被打开，因此电流流过位线可被读出放大器探测到。在这种情况下，当NiFe层涡旋态和CoFeB层涡旋态旋转方向相反为高阻态，反之，NiFe层涡旋态和CoFeB层涡旋态旋转方向一致为低阻态，一个字节的记录是由探测到的电流数值决定的。相对于现有技术，本专利B器件做磁随机存储器时，其读出和写入时可以加低翻转场就可以实现（相对于单环而言），另外，本专利A器件作为磁随机存储器，其编码代码可以有更多可编译选择，可以选择正磁场下的上环顺时针涡旋态和下环顺时针涡旋态，或者负磁场下的上环顺时针涡旋态和下环顺时针涡旋态，记为编译代码0和1。

Claims

1.一种磁性器件，包括绝缘材料的衬底和附着于衬底上的由软磁材料构成的单元，其特征在于所述的单元由厚度为20～80nm软磁材料薄膜构成的两个相连的等边矩形环构成，其中：矩形边长为100nm～1μm，矩形边长∶环厚度等于10:1～2:1，且所述单元中的两个矩形环的四个角尖角均倒圆。

2.如权利要求1所述的磁性器件，其特征在于所述的矩形环宽度为800nm，环厚度为200nm，两环间的间距为零，且两环相连接处的侧边为一直线，两环的四个角倒圆角半径为200 nm。

3.如权利要求1所述的磁性器件，其特征在于所述的矩形环宽度为800nm，环厚度为200nm，两环间的间距为零，且两环相连接处的侧边均带有倒圆的圆角，两环的八个角倒圆角半径为200 nm。

4.权利要求1 或2 或3 所述的磁性器件的制备方法，其特征在于在衬底材料上用掩模制作技术形成所需的两个等边矩形模版，然后在模版上进行软磁材料沉积形成两个等边矩形的软磁材料的薄膜。

5.如权利要求4所述的磁性器件的制备方法，其特征在于所述的衬底材料为硅片，将硅片放置于匀胶机上，用PMMA胶滴满硅片后匀胶，得到均匀胶层，再将涂有胶层的Si片进行后烘，用电子束曝光机进行曝光并显影和定影，得所需形状的双环结构，再用电子束蒸镀的方法在双环结构中进行软磁材料的蒸镀，然后除去刻胶，得到得所需形状的双环软磁薄膜的单元。

6.如权利要求5所述的磁性器件的制备方法，其特征在于蒸镀的材料为Ni₈₀Fe₂₀的软磁材料，薄膜的厚度为50 nm。

7.权利要求1或2或3所述的磁性器件在磁读写器件中的应用。

8.权利要求1或2或3所述的磁性器件在磁性纳米开关器件中的应用。

9.权利要求1或2或3所述的磁性器件在磁传感器中的应用。