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

1、電子具有兩個基本的內(nèi)秉屬性，即電子的自旋和電荷。傳統(tǒng)電子學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)電子學技術(shù)中，人們都是利用電場來操縱電子的輸運行為。而傳統(tǒng)微電子學的成熟大大推動了電子技術(shù)、信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，構(gòu)筑了當前的信息世界。隨著技術(shù)的進步，器件的尺寸越來越小，逐漸向亞微米、納米級發(fā)展。隨之而來的諸多問題也應運而生，其中制約技術(shù)進步最主要的一個問題就是焦耳熱問題。為此，科研工作者們開始尋求利用電子的自旋特性來解

2、決發(fā)熱問題并拓展器件的新特性，隨之一門新興學科——自旋電子學悄然崛起。自旋電子學同時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)點的新型自旋電子學器件。
　　時至今日，隨著自旋電子學中基于自旋流的產(chǎn)生、操控以及探測等技術(shù)的逐漸成熟，已經(jīng)有越來越多的自旋電子學器件進入人們的視野，如磁傳感器、超高密度存儲磁頭以及非易失性的磁隨機存取存儲器等。新型多功能自旋電子學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，德國科學家Peter Gurunberg與法國科學家Albert Fert分別獨立地在Fe/Cr金屬多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻(GMR)效應，并將其應用到了計算機硬盤中，使磁記錄技術(shù)得到飛躍式的發(fā)展。GMR效應的發(fā)現(xiàn)不僅是自旋電子學成長歷程中的里程碑，也因此使他們二人共同獲得了2007年的諾貝爾物理學獎。此后

4、，基于磁電阻效應的研究與應用激起了全世界范圍內(nèi)人們的研究熱情。其中，GMR效應最重要的應用便是用在計算機硬盤的磁頭上。1995年，第一個商業(yè)化的GMR傳感器問世，1997年IBM公司生產(chǎn)出了第一個基于GMR效應的讀出磁頭。而隨著傳統(tǒng)的磁記錄硬盤的讀寫速度、存儲密度極限不斷被提高，在2001年，基于隧穿磁電阻(TMR)效應磁頭技術(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。為了適應更高密度信息存儲的需求，每個信息記錄單元的體

5、積也越來越小，為此就需要將許多矯頑力很大的磁性材料應用到硬盤之中。然而受硬盤磁頭磁矩大小的局限，難以實現(xiàn)存儲單元磁矩的快速翻轉(zhuǎn)。為了應對磁記錄領(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，在盡量不依賴外磁場的條件下，利用極化電流驅(qū)使非釘扎層

6、的磁矩產(chǎn)生繞有效場的穩(wěn)定進動進而輸出高頻微波信號。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傳輸與處理，仿生學等領(lǐng)域也有著巨大的應用前景。
　　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）兩個參數(shù)來反映的。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多層膜。設計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2.5cm×2.5cm的樣品進行微加工制備。實驗室濺射儀的八靶輪濺室中一共有8個靶，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口三英寸靶替換了原先的兩英寸MgO靶，經(jīng)過對