[发明专利]具有几何形状的磁性多层膜及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁性多层膜的制备方法和用途，特别是涉及一种具有三角形、五边形、六边形、八边形、十边形、十六边形等多边形闭合环状的磁性多层膜、和含金属芯的三角形、五边形、六边形、八边形、十边形、十六边形等多边形闭合环状的磁性多层膜及它们的制备方法，和基于这些闭合环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器(MRAM)及其控制方法。

背景技术

由于磁电阻效应可以广泛应用到磁电阻型传感器、磁记录读出磁头等领域，因此自20世纪80年代末期Baibich等人在磁性多层膜系统中首次观察到巨磁电阻效应(GiantMagneto Resistance，GMR)以来，磁性多层膜体系的研究一直是科研人员普遍关注的一个课题。由于GMR效应具有很高的磁电阻比值，因此用GMR制成的器件不仅具有灵敏度高、体积小、功耗低等优良特点，还可以带来抗辐射、非易失性信息存储等许多新特性。特别是将GMR效应用于磁记录读出磁头则给整个信息记录领域带来了一场深刻的革命，并对相关产业产生了直接而深远的影响。1994年IBM公司利用GMR效应成功研制出硬磁盘读出磁头，将磁盘存储系统的记录密度提高了近20倍，使计算机产业取得了突破性进展；基于GMR效应制成的各类传感器件则由于输出信号增强而使得器件设计大为简化，这直接导致了器件的小型化与廉价化。

继巨磁电阻效应发现之后，1995年日本科学家T.Miyazaki和美国科学家J.S.Moodera在磁性隧道结(MTJ)中分别独立获得了室温下18％和10％的隧道磁电阻(Tunneling Magneto Resistance，TMR)比值，从而掀起了磁性隧道结的研究高潮。研究人员基于GMR效应以及磁性隧道结而设计了一种新型磁性随机存取存储器(MagneticRandom Access Memory，MRAM)的器件模型，这种器件由于采用了全新的设计而具有许多激动人心的新特性，诸如抗辐射、非易失性信息存储等。典型的MRAM器件设计其核心部分结构由四部分构成：位线(Bit Line)、写字线(Word Line)，读字线(Read Line)和存储单元。位线和写字线，读字线分别位于存储单元的上方和下方，呈纵横交叉排列，存储单元则位于位线和字线的交叉处。MRAM存储单元的写操作过程则是通过流经字线和位线的两个脉冲电流共同产生的合成磁场驱动比特层磁矩反转来完成，因此这种工作方式明显依赖于字线和位线两个脉冲电流所产生的磁场这样一个中间环节来操控存储单元的磁化状态，导致其结构和工艺制备过程十分复杂，给MRAM器件的加工和集成带来了极大的不便和较高成本。

1996年，美国科学家J.Slonczewski从理论上预言了一种新的物理机制-自旋转矩(Spin Torque，ST)效应，这种物理机制可以利用电流自身实现对存储单元磁化状态的操控，当存储单元中流过的电流小于某个特定的临界值I_C时，存储单元磁化状态不会被存储单元中流过的电流所改变，从而可以实现读操作；而当存储单元中流过的电流大于这个临界值I_C时，存储单元磁化状态将由存储单元中流过的电流的方向所决定，从而可以实现写操作。在随后的十几年中，科学家们对这种新效应进行了大量广泛而深入的研究。如果将这种新机制应用到磁性多层膜系统以及MRAM等器件中，则能够极大地简化器件结构和加工工艺，这将为信息存储领域带来又一次革命性的突破。

在现有技术中使用的存储单元如比特层(软磁层)和其它被钉扎磁性层(或硬磁层)-的几何结构均采用非闭合结构，如矩形、椭圆形等，这种结构在高密度小尺寸存储单元下将会带来较大的退磁场和形状各向异性，这种缺陷无疑会增大比特层(软磁层)的反转场(矫顽力)和功耗，同时在高密度状态下磁存储单元之间的磁耦合和相互干扰不可避免，对存储单元的磁电性能的均匀性和一致性也带来许多不利的影响和磁噪声，并且给存储单元的设计和制备带来诸多结构上和工艺过程中的复杂性。目前为减小退磁场，作为存储单元的磁性隧道结其上下磁电极一般大都采用三明治式人工钉扎复合型的比特层和底部钉扎层(如：Co-Fe/Ru/Co-Fe-B和Py/Ru/Co-Fe-B)。但其比特层的反转场和功耗仍然没有降低到一个理想和期望的最低值。为了克服这些问题，必须采用新的几何结构和器件设计原理来减小存储单元比特层的形状各向异性，并进一步消除磁性多层膜经过微加工和纳米加工小尺寸图型化后存储单元自身产生的退磁场。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的磁性多层膜系统物理结构上的缺陷，通过改变多层膜系统的几何结构，提供一种无退磁场和弱形状各向异性的闭合形状的磁性多层膜。