基于CoFe／Pd的自旋阀底电极中增强的垂直磁各向异性

韩 娜，竺 云

（天津师范大学 物理与电子信息学院，天津 300387）

基于CoFe／Pd的自旋阀底电极中增强的垂直磁各向异性

韩 娜，竺 云

（天津师范大学 物理与电子信息学院，天津 300387）

采用磁控溅射方法制备了Pd（3 nm）／CoFe（0.8 nm）／纳米氧化层／CoFe（tnm）／Cu（4 nm）／Pd（5 nm）自旋阀底电极薄膜，并用振动样品磁强计对样品的磁性能进行了测量.研究结果表明：纳米氧化层的引入可以使电极薄膜的磁各向异性在退火后从面内转到垂直膜面方向，并且这种强烈的垂直磁各向异性在CoFe有效厚度为2 nm时仍能保持.这种具有非多层膜结构、铁磁层较厚、热稳定性较高的底电极有利于基于自旋转移矩的垂直磁各向异性全金属赝自旋阀的发展.

纳米氧化层；垂直磁各向异性；自旋阀

自1988年巨磁电阻（Giant Magnetor esistance，GMR）效应［1］被发现以来，金属磁性多层膜被迅速应用到计算机硬盘读出磁头材料、磁性传感器和磁随机存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等器件中，1991年，Dieny等［2］提出的巨磁电阻自旋阀是这类器件中用途较为广泛的一种结构.传统的自旋阀主要由铁磁自由层、非磁隔离层、铁磁被钉扎层（或称为参考层）和反铁磁钉扎层等构成，电流模式可分为电流平行于膜面（Current In Plance，CIP）和电流垂直于膜面（Cur－rent Perpendicular－to－Plance，CPP）两种.随着器件发展的微型化和存储密度的提高，基于垂直磁各向 异 性 （Perpendicular Magnetic Anisotropy PMA）的器件由于具有更好的热稳定性、更低的能耗和不受尺寸减小限制等优点引起了人们极大的兴趣.1996年，Slonczewski［3］和 Berger［4］理论预测出通过纳米尺寸（＜100 nm）铁磁体薄膜的自旋极化电流可以产生自旋角动量转移矩（Spin Transfer Torque，STT），因此可以在铁磁性薄膜中产生磁激发，甚至引起磁化方向的翻转.此后，这种基于电流诱导磁化翻转（Current Induce Magnetization Switching，CIMS）的STT器件成为发展的主流.近年来，在电流垂直于膜面的模式下，基于自旋转移矩的垂直磁各向异性全金属赝自旋阀已经得到广泛研究［5－6］.在这些研究中，自旋阀磁性层内较强的垂直磁各向异性可以保证获得更好的热稳定性和更低的开关电流密度［7］.目前，仅有少量的材料体系可以表现出较强的垂直磁各向异性，如Co／Pt，Co／Pd和Co／Ni等多层膜结构［8］；TbFeCo和 Gd－FeCo稀土过渡族金属无定形膜［9］；（001）取向L10有序相结构的FePt和CoPt薄膜［10］等.而每种体系都有相应的限制，如L10有序相结构的FePt和CoPt在室温下无法制备；稀土过渡族合金居里温度较低；Co系多层膜中，磁性层厚度一般不能超过0.6 nm，而超薄的厚度会大大降低有效自旋极化并影响磁电阻效应.此外，多层膜结构制备复杂，并且在后续退火过程中由于界面扩散会造成多层膜结构的毁坏.

为了制备出的薄膜在具有较强垂直磁各向异性的同时，还保证其磁性层的厚度和热稳定性，本研究采用了一种基于CoFe／Pd的自旋阀底电极结构，考虑在CoFe层中引入纳米氧化层.一方面，希望CoFe基的薄膜可以获得比Co基薄膜更低的开关场［11］；另一方面，希望引入的纳米氧化层可以大大增强薄膜的垂直磁各向异性.

1 实验方法

本研究采用直流磁控溅射系统，在热氧化的Si基片上沉积薄膜.制备的自旋阀底电极结构（由底层到顶层）为Pd（3）／CoFe（0.8）／纳米氧化层／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5），所标膜层厚度单位均为nm（全文下同），t的范围为从1.2 nm到2.5 nm；为了对比研究，同时还制备了结构为Pd（3）／CoFe（m）／Cu（4）／Pd（5）的薄膜，m的范围从0.2 nm到0.6 nm.Pd、Cu和CoFe薄膜由相应的金属靶和合金靶沉积，CoFe合金的成分为Co90Fe10，所用靶材的纯度均高于99.99%.溅射系统的本底真空低于4×10－5Pa，用于薄膜沉积的Ar气气压为0.5 Pa，纯度高于99.999%.沉积薄膜时，在基片位置沿平行膜面方向施加约24 k A／m的磁场，以便诱导出面内单轴各向异性.其中，纳米氧化层通过在0.5 Pa的高纯氧气中自然氧化3 min形成，制备后的样品在300℃下真空退火30 min，退火真空低于4×10－5Pa.使用DMS Model 4振动样品磁强计（Vibrating Sam－ple Magnetemeter，VSM）对样品的磁化曲线（MH）进行测量.

2 实验结果及讨论

对制备态和300℃退火后的样品在室温下进行磁化曲线的测量，测量时，外加磁场的方向垂直于膜面.图1是Pd（3）／CoFe（0.8）／纳米氧化层／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5）在t＝1.8、2和2.2 nm时的磁化曲线.

图1 Pd（3）／CoFe（0.8）／纳米氧化层／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5）薄膜的磁化曲线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

从图1可以观察到，制备态的样品都表现出面内磁各向异性，而退火后样品的磁各向异性明显地从面内转向垂直膜面方向.即使是CoFe厚度为2 nm时，样品仍旧可以表现出很强的垂直磁各向异性.在其他CoFe／Pd多层膜的研究中，为了获得垂直磁各向异性，CoFe层厚度不能超过0.6 nm［11］并且多层膜样品不能经受高温退火，这是因为界面结构会随着退火温度的升高而被破坏.而含有纳米氧化层的自旋阀底电极不仅不需要做成多层膜结构，而且在CoFe层总厚度达到2.8 nm时仍可以获得很强的垂直磁各向异性.

为了进一步研究纳米氧化层对垂直磁各向异性增强的作用，对没有纳米氧化层的Pd（3）／CoFe（m）／Cu（4）／Pd（5）薄膜进行对比研究，其中m的范围从0.2到0.6 nm.测量结果显示，无论是制备态还是退火后，没有纳米氧化层的薄膜即使在CoFe层厚度薄到0.2 nm时，也不能形成垂直磁各向异性.由此可见，含有纳米氧化层的底电极薄膜中极强的垂直磁各向异性不同于单纯由CoFe／Pd界面效应产生的垂直磁各向异性.

图2 退火前后 Pd（3）／CoFe（0.8）／纳米氧化层／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5）薄膜的磁各向异性能密度Keff与CoFe层厚度t的关系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）

考虑到自旋阀开关场的大小和开关迅速程度密切影响到器件性能，对引入纳米氧化层的底电极退火后的剩磁比Mr／Ms和矫顽力Hc随CoFe厚度t的变化关系进行分析，如图3所示.

图3 退火后Pd（3）／CoFe（0.8）／纳米氧化层／CoFe（t）／Cu（4）／Pd（5）薄膜的垂直膜面方向剩磁比和矫顽力随CoFe厚度t的变化情况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）

从图3可以观察到，在CoFe有效厚度小于1.8 nm时，垂直方向剩磁比均在0.9左右.矫顽力Hc在t＝1.2 nm时达到最大，约为35.7 k A／m，然后随着CoFe有效厚度的增加而逐渐减小.这里由矫顽力推测出Co Fe基薄膜的开关场确实比Co基薄膜的开关场小［11－12］.通过对图3进行分析可知调节CoFe层的有效厚度可以优化底电极膜的性能，如在t＝1.8 nm时，底电极薄膜可以在维持较强垂直磁各向异性的同时减小器件的开关场.

3 结论

本研究通过磁控溅射方法制备了一种基于CoFe／Pd的 自 旋 阀 底 电 极 结 构 Pd（3 nm）／CoFe（0.8 nm）／纳 米 氧 化 层／CoFe（tnm）／Cu（4 nm）／Pd（5 nm）.研究发现，纳米氧化层的引入可以大大增强退火后底电极薄膜的垂直磁各向异性甚至在t达到2 nm时仍能维持这种垂直磁各向异性，并且CoFe基薄膜可以获得比Co基薄膜更低的开关场.同时，本研究制备的引入纳米氧化层的底电极无需采用多层膜结构就可以将铁磁层厚度增大并得到较强的垂直磁各向异性，而且这种底电极更易于制备，具有较小的开关场、更高的自旋极化和热稳定性，这为基于自旋转移矩的垂直磁各向异性全金属赝自旋阀的发展提供了一定的参考.

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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

国家自然科学基金资助项目（51001081）；天津市高等学校科技发展计划资助项目（20081101）；天津师范大学引进人才基金资助项目（5RL075）

韩 娜（1987—），女，硕士研究生.

竺 云（1981—），女，讲师，主要从事磁性材料方面的研究.

（责任编校 纪翠荣）