CoFeB-MgO-CoFeB磁性隧道結(jié)的濺射生長(zhǎng)與微納加工制備.pdf

1、電子具有兩個(gè)基本的內(nèi)秉屬性，即電子的自旋和電荷。傳統(tǒng)電子學(xué)僅僅利用了電子的電荷這一屬性，卻忽視了電子的自旋屬性。在傳統(tǒng)電子學(xué)技術(shù)中，人們都是利用電場(chǎng)來(lái)操縱電子的輸運(yùn)行為。而傳統(tǒng)微電子學(xué)的成熟大大推動(dòng)了電子技術(shù)、信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，構(gòu)筑了當(dāng)前的信息世界。隨著技術(shù)的進(jìn)步，器件的尺寸越來(lái)越小，逐漸向亞微米、納米級(jí)發(fā)展。隨之而來(lái)的諸多問(wèn)題也應(yīng)運(yùn)而生，其中制約技術(shù)進(jìn)步最主要的一個(gè)問(wèn)題就是焦耳熱問(wèn)題。為此，科研工作者們開(kāi)始尋求利用電子的自旋特性來(lái)解

2、決發(fā)熱問(wèn)題并拓展器件的新特性，隨之一門新興學(xué)科——自旋電子學(xué)悄然崛起。自旋電子學(xué)同時(shí)考慮了電子的電荷和自旋兩種屬性，期待研發(fā)出與傳統(tǒng)微電子器件相比具有更高速度、更高穩(wěn)定性以及低功耗等優(yōu)點(diǎn)的新型自旋電子學(xué)器件。
　　時(shí)至今日，隨著自旋電子學(xué)中基于自旋流的產(chǎn)生、操控以及探測(cè)等技術(shù)的逐漸成熟，已經(jīng)有越來(lái)越多的自旋電子學(xué)器件進(jìn)入人們的視野，如磁傳感器、超高密度存儲(chǔ)磁頭以及非易失性的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器等。新型多功能自旋電子學(xué)器件利用電子的電荷

3、和自旋雙重屬性，大大提高了信息的處理速度和存儲(chǔ)密度，減少損耗，使得人們能夠從這一革命性的技術(shù)中獲得巨大的便利。
　　1988年，德國(guó)科學(xué)家Peter Gurunberg與法國(guó)科學(xué)家Albert Fert分別獨(dú)立地在Fe/Cr金屬多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻(GMR)效應(yīng)，并將其應(yīng)用到了計(jì)算機(jī)硬盤中，使磁記錄技術(shù)得到飛躍式的發(fā)展。GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)不僅是自旋電子學(xué)成長(zhǎng)歷程中的里程碑，也因此使他們二人共同獲得了2007年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后

4、，基于磁電阻效應(yīng)的研究與應(yīng)用激起了全世界范圍內(nèi)人們的研究熱情。其中，GMR效應(yīng)最重要的應(yīng)用便是用在計(jì)算機(jī)硬盤的磁頭上。1995年，第一個(gè)商業(yè)化的GMR傳感器問(wèn)世，1997年IBM公司生產(chǎn)出了第一個(gè)基于GMR效應(yīng)的讀出磁頭。而隨著傳統(tǒng)的磁記錄硬盤的讀寫速度、存儲(chǔ)密度極限不斷被提高，在2001年，基于隧穿磁電阻(TMR)效應(yīng)磁頭技術(shù)的高密度硬盤由TDK公司試制成功，繼續(xù)助力提高磁記錄密度。為了適應(yīng)更高密度信息存儲(chǔ)的需求，每個(gè)信息記錄單元的體

5、積也越來(lái)越小，為此就需要將許多矯頑力很大的磁性材料應(yīng)用到硬盤之中。然而受硬盤磁頭磁矩大小的局限，難以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元磁矩的快速翻轉(zhuǎn)。為了應(yīng)對(duì)磁記錄領(lǐng)域發(fā)展的這種瓶頸，許多新型磁記錄硬盤技術(shù)呼之欲出，比如微波輔助磁記錄、熱輔助磁記錄等。其中微波輔助磁記錄的原理是利用微波的能量來(lái)輔助磁記錄單元磁矩的翻轉(zhuǎn)。而微波的產(chǎn)生利用的是自旋矩納米振蕩器，其原理是利用磁性隧道結(jié)中的自旋轉(zhuǎn)移矩(STT)效應(yīng)，在盡量不依賴外磁場(chǎng)的條件下，利用極化電流驅(qū)使非釘扎層

6、的磁矩產(chǎn)生繞有效場(chǎng)的穩(wěn)定進(jìn)動(dòng)進(jìn)而輸出高頻微波信號(hào)。微波輔助磁記錄技術(shù)有望大大提高磁記錄密度，有著巨大的應(yīng)用前景。其技術(shù)關(guān)鍵之一就是制備納米尺度高功率的自旋微波振蕩器。另外，自旋微波振蕩器在信號(hào)傳輸與處理，仿生學(xué)等領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用前景。
　　本論文的工作，其初衷是研究微波輔助磁記錄，其關(guān)鍵是制備高功率的自旋矩納米振蕩器，而其根本就是生長(zhǎng)制備用于自旋納米振蕩器的CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)。磁性隧道結(jié)的性能主要是以TM

7、R比值和結(jié)電阻與結(jié)面積的乘積（RA值）兩個(gè)參數(shù)來(lái)反映的。利用磁控濺射的方法在背景真空優(yōu)于5×10-6pa的八靶輪濺室中濺射生長(zhǎng)多層膜。設(shè)計(jì)了一整套完整的微加工制作流程，利用紫外光刻和氬離子刻蝕的方法，對(duì)2.5cm×2.5cm的樣品進(jìn)行微加工制備。實(shí)驗(yàn)室濺射儀的八靶輪濺室中一共有8個(gè)靶，都為兩英寸靶材，且等間距環(huán)狀放置。由于MgO層的成膜質(zhì)量在磁性隧道結(jié)中尤為重要，所以在本論文工作中期使用新的進(jìn)口三英寸靶替換了原先的兩英寸MgO靶，經(jīng)過(guò)對(duì)