磁性存储器相关磁三明治材料及其应用特性研究

论文题目: 磁性存储器相关磁三明治材料及其应用特性研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料物理与化学

作者: 文岐业

导师: 张怀武

关键词: 磁性随机存储器,磁三明治材料,巨磁阻效应,非晶软磁薄膜,快速循环退火热处理,自旋电子器件

文献来源: 电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 电子是电荷的载体,同时又是自旋的载体。利用电子“电荷”实现了半导体技术的革命,而利用电子“自旋”正在实现信息存储领域的新一次革命。随着巨磁电阻磁头、磁性随机存储器(MRAM)、自旋晶体管等自旋电子器件在重大基础理论和应用技术上的突破,自旋电子学的理论和应用研究成为当前电子学与信息技术领域的热点。其中基于巨磁阻效应(GMR)的MRAM以其非挥发性、高速读取和低能耗的特点而有望成为下一代通用存储器,因而是信息存储领域最具吸引力的研究方向之一。 两个磁性层被一个非磁性层隔开而成的“铁磁层/非磁层/铁磁层”磁三明治结构,是实现MRAM器件最核心的组件。为了适应MRAM器件大存储密度的需要,磁三明治单元在长宽尺寸上向深亚微米发展,在厚度上则仅为几十纳米。在这样小的尺寸下,磁三明治单元层间静磁耦合效应和边缘退磁场显著增强,引起自旋电子输运特性的深刻变化从而对器件应用产生影响:其次,微小单元磁畴结构和磁化翻转机制也会出现变化,可能引起单元均匀性变差、读写误操作和能耗的增加。最后,界面粗糙度、层间原子扩散等微结构缺陷的存在对器件稳定性的影响也变得明显。这些问题,已经制约了MRAM器件的进一步发展。 本论文正是针对以上问题,在深入分析其内在物理机制的基础上,以磁三明治材料为主要研究对象,在基础理论、实验仿真、材料和工艺上都作了探索性和创新性研究,主要内容为: (1)深入分析了纳米磁性多层膜中自旋电子输运的唯象理论模型。通过对边界条件的调整,计算了耦合型磁性多层膜巨磁阻系数随非磁性隔离层厚度的振荡变化,得到了与实验一致的结果。推导了磁三明治材料巨磁阻效应唯象理论五层模型,计算了GMR效应与界面不对称散射因子(Ns)和电子平均自由程(λ)的关系。首次在理论上解释了界面自旋相关散射强、电子平均自由程短的非晶薄膜可以使磁三明治材料以极薄的磁性层获得相对较大的巨磁阻效应。 (2)应有有限元微磁学方法,模拟了亚微米单层薄膜椭圆型单元的长宽比、薄膜厚度对其磁化翻转行为的影响,得到与实验观察一致的结果。基于MRAM器件中电流线提供的非均匀磁场,研究了深亚微米尺度磁三明治单元的磁化翻转行为。结果表明,无论是单层膜还是磁三明治,其磁化翻转模式都强烈依赖于单元的长宽比R和薄膜厚度。对磁三明治单元,应该选择相对较大的长宽比以得到单一稳定的磁化翻转模式,但是R值过大将会导致翻转场过大。而较薄的磁性层(<10nm)既可以降低薄膜的静磁能从而减小对周围单元的干扰,又可以得到单一的翻转模式而提高器件操作的稳定性,因而可以有效提高MRAM的磁化翻转特性和存储密度。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 磁三明治材料及其基本结构

1.2 自旋电子器件的研究状况

1.3 MRAM的应用前景及存在的挑战

1.4 磁三明治材料在MRAM器件应用中存在的问题

1.5 本论文的主要内容和研究方法

第二章 磁性多层膜自旋电子输运理论模型研究

2.1 自旋通道的mott二流体模型

2.2 C-B唯象理论的基本模型)

2.3 C-B模型的改进对其在多层膜巨磁阻振荡效应分析

2.4 C-B五层模型的拓展及其在磁三明治结构中的应用

2.5 磁三明治结构微磁学模型建立

2.6 小结

第三章 单层膜单元和MRAM单元磁化翻转特性的有限元微磁学析

3.1 有限元微磁学方法及其有效场拓展

3.2 磁单元制作、磁畴观察及其数值模拟方法

3.3 椭圆形NiFe薄膜单元翻转行为的理论模拟和实验研究

3.4 亚微米超薄MRAM磁三明治单元的磁化翻转行为研究

3.5 小结

第四章 基于非晶态钴基软磁薄膜的磁三明治结构及其性能研究

4.1 引言

4.2 非晶软磁薄膜优良性能的来源—畴壁模型

4.3 非晶态CoNbZr薄膜的基本性能研究

4.4 非晶磁三明治的巨磁阻效应、热稳定性和微结构研究

4.5 微米尺度CoNbZr/Co/Cu/Co磁三明治单元的自旋电子性能

4.6 小结

第五章 快速(循环)退火对磁三明治微观结构和磁阻性能的改善

5.1 快速(循环)退火方法的特点和实验装置

5.2 快速循环退火方法制备NiFe/Ag不连续膜

5.3 快速退火对非晶磁三明治微结构和磁阻性能的影响

5.4 快速循环退火对磁三明治磁阻性能的影响

5.5 快速(循环)退火纳米晶化机理分析

5.6 小结

第六章 MRAM存储单元设计、制作和应用特性研究

6.1 MRAM存储单元设计

6.2 3×3MRAM单元阵列的制作

6.3 亚微米Co基磁三明治单元的磁畴结构和应用特性

6.4 小结

第七章 总结和展望

7.1 论文主要工作总结

7.2 展望

参考文献

致谢

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发布时间: 2005-09-23

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