一种通过电流诱导在磁性多层膜中产生斯格明子的方法、磁性存储单元及存储器
阅读说明：本技术 一种通过电流诱导在磁性多层膜中产生斯格明子的方法、磁性存储单元及存储器 (Method for generating sigramins in magnetic multilayer film through current induction, magnetic storage unit and memory ) 是由 周钰卿 周艳 赵月雷 武凯 杨晟 张溪超 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种通过电流诱导在磁性多层膜中产生斯格明子的方法,所述方法包含如下步骤：S1、提供所述磁性多层膜,所述磁性多层膜包括依次层叠设置的第一磁性层、非磁性金属层和第二磁性层,所述磁性多层膜中形成一个以上反铁磁耦合的第一条带、以及一个以上铁磁耦合的第二条带,所述第一条带和所述第二条带交替形成；所述第一条带和所述第二条带沿第一方向相互平行；S2、将所述磁性多层膜接入电路并通入交流电流,在所述第一条带和所述第二条带的交界处产生所述斯格明子；其中,所述交流电流的频率为47 kHz-52 kHz,峰值大小为37mA-39mA。该方法可用于制备高集成度的器件,也便于和现有的半导体工艺兼容。(The present invention provides a method for generating a sigramin in a magnetic multilayer film by current induction, the method comprising the steps of: s1, providing the magnetic multilayer film, wherein the magnetic multilayer film comprises a first magnetic layer, a non-magnetic metal layer and a second magnetic layer which are sequentially stacked, more than one antiferromagnetically coupled first strip and more than one ferromagnetically coupled second strip are formed in the magnetic multilayer film, and the first strip and the second strip are alternately formed; the first and second strips are parallel to each other in a first direction; s2, switching the magnetic multilayer film into a circuit and introducing alternating current to generate the sigramins at the junction of the first strip and the second strip; wherein the frequency of the alternating current is 47kHz-52kHz, and the peak value is 37mA-39 mA. The method can be used for preparing devices with high integration level and is convenient to be compatible with the existing semiconductor process.)
技术领域
本发明涉及磁性存储技术领域，具体涉及一种通过电流诱导在磁性多层膜中产生斯格明子的方法、磁性存储单元及存储器。
背景技术
磁性斯格明子是一种在微纳米尺度上的具有拓扑不变性的空间自旋结构，并且可以稳定存在于具有极强自旋轨道耦合作用的块磁体或者是与重金属毗邻的纳米磁性薄膜中，由于其尺寸小，功耗低且基于该结构的存贮设备具有非易失性的诸多优点，被视作是下一代信息单元的选择之一。该拓扑磁结构的产生主要是材料内磁交换作用，磁各向异性以及界面所提供的Dzyaloshinskii—Moriya interaction(DMI作用)三种作用相互竞争的结果，因此，如果想要斯格明子能够在薄膜中稳定产生，就必须要通过外部条件的操控使得三者竞争达到一种理想的状态。
目前领域内产生斯格明子的方法主要以外加磁场、辐照诱导和电流诱导三种方法为主，而前两者由于技术上的限制，很难运用到实际的产业化生产中，例如，施加外磁场的方法会让器件的结构过于复杂，不利于实现信息的高存储密度，而利用X射线辐照的方法则对于设备要求过高，需要用到同步辐射光源，无法实现规模化的生产。与这两者相比，电流诱导的方法更有利于与现有的半导体工艺相结合。
发明内容
本发明介绍一种全新的电流诱导产生方法，主要通过在人工合成反铁磁薄膜反铁磁与铁磁区域交界处施以大小与频率适当的脉冲电流，使得形状规则且较为分散的斯格明子得以在交界处出现，与现有的其他斯格明子产生方法相比，该方法可用于制备高集成度的器件，也便于和现有的半导体工艺兼容。
本发明实施例提供了一种通过电流诱导在磁性多层膜中产生斯格明子的方法，所述方法包含如下步骤：
S1、提供所述磁性多层膜，所述磁性多层膜包括依次层叠设置的第一磁性层、非磁性金属层和第二磁性层，所述非磁性金属层位于所述第一磁性层和第二磁性层之间，所述磁性多层膜中形成一个以上所述第一磁性层和第二磁性层处于反铁磁耦合的第一条带、以及一个以上所述第一磁性层和第二磁性层处于铁磁耦合的第二条带，所述第一条带和所述第二条带交替形成；所述第一条带和所述第二条带沿第一方向相互平行，所述第一条带和所述第二条带沿第二方向交替分布，其中，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，所述第一方向垂直于所述磁性多层膜的厚度方向；
S2、将所述磁性多层膜接入电路并通入交流电流，所述交流电流沿所述第一方向通过所述磁性多层膜，并在所述第一条带和所述第二条带的交界处产生所述斯格明子；
其中，所述交流电流的频率为47kHz-52kHz，所述交流电流的峰值大小为37mA-39mA。
优选的是，所述交流电流包括方形波脉冲电流；
优选的是，施加的电流脉冲个数为10000。
优选的是，所述第一磁性层和第二磁性层均为垂直磁化层，即所述第一磁性层和第二磁性层的净磁矩方向垂直于薄膜表面。
优选的是，所述非磁性金属层包括Ru；
优选的是，所述非磁性金属层形成为楔形膜；
优选的是，所述非磁性金属层具有沿所述第二方向渐变的厚度；
优选的是，所述非磁性金属层的最大厚度为3nm。
优选的是，所述第一磁性层和第二磁性层包括Co/Pt多层膜结构；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt/Co]n多层膜结构，其中，n为大于1的自然数；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co/Pt]m多层膜结构，其中，m为大于1的自然数；
优选的是，m＝n；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]n多层膜结构；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]m多层膜结构。
优选的是，在所述第二方向分布有一个以上的所述边界；
在所述第二方向分布有两个所述边界；
优选的是，在步骤S1和步骤S2中外磁场强度为零。
本发明还提供一种磁性多层膜，所述磁性多层膜包括依次层叠设置的第一磁性层、非磁性金属层和第二磁性层，所述非磁性金属层位于所述第一磁性层和第二磁性层之间，所述磁性多层膜中形成一个以上所述第一磁性层和第二磁性层处于反铁磁耦合的第一条带、以及一个以上所述第一磁性层和第二磁性层处于铁磁耦合的第二条带，所述第一条带和所述第二条带交替形成；所述第一条带和所述第二条带沿第一方向相互平行，所述第一条带和所述第二条带沿第二方向交替分布，其中，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，所述第一方向垂直于所述磁性多层膜的厚度方向；所述非磁性金属层具有沿所述第二方向渐变的厚度。
优选的是，所述第一磁性层和第二磁性层均为垂直磁化层，即所述第一磁性层和第二磁性层的净磁矩方向垂直于薄膜表面。
优选的是，所述非磁性金属层包括Ru；
优选的是，所述非磁性金属层的最大厚度为3nm。
优选的是，所述第一磁性层和第二磁性层包括Co/Pt多层膜结构；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt/Co]n多层膜结构，其中，n为大于1的自然数；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co/Pt]m多层膜结构，其中，m为大于1的自然数；
优选的是，m＝n；
优选的是，所述第一磁性层包括[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]n多层膜结构；
优选的是，所述第二磁性层包括[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]m多层膜结构。
优选的是，在所述第二方向分布有一个以上的所述边界。
本发明还提供一种磁性存储单元，所述磁性存储单元包括上述任一种所述的磁性多层膜。
本发明还提供一种磁性存储器，所述磁性存储器包括上述的磁性存储单元。
本发明提供了一种全新的电流诱导产生方法，主要通过在人工合成反铁磁薄膜反铁磁与铁磁区域交界处施以大小与频率适当的脉冲电流，使得形状规则且较为分散的斯格明子得以在反铁磁区域出现，与现有的其他斯格明子产生方法相比，该方法对器件的形状和尺寸无特定要求，可用于制备高集成度的器件，也便于和现有的半导体工艺兼容。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为本发明中的磁性多层膜的薄膜结构图(侧视图)(a)，薄膜铁磁与反铁磁区域分布图(俯视图)(b)，条状收缩器件形状(俯视图)(c)，器件在没有通电流的情况下磁畴随磁场改变的情况(d)。
图2显示为本发明施加脉冲电流前器件的磁畴分布情况(a)，而(b)和(c)为两次施加脉冲电流后分别产生的斯格明子，位置不同。
图3显示为本发明施加不同峰值大小的电流时器件的斯格明子的分布情况。
图4显示为通直流电时候，器件所出现的沿着电流方向运动的条状畴(a)，及在样品两侧施加峰值为41mA的脉冲电流时，所出现的条状畴(b)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种通过电流诱导在磁性多层膜中产生斯格明子的方法，该发明利用在铁磁与反铁磁交界处施加脉冲电流的方式，可以在反铁磁区域产生斯格明子。所述磁性多层膜的具体结构为Ta(5nm)/[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]3/Ru(0-3nm)/[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]3/Ta(5nm),其中[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]3和[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]3为两个垂直磁化层，其中Ru层为非磁性金属层，所述Ru层为楔形膜，自薄到厚均匀地分布在薄膜上，如图1(a)所示。上、下的Ta为保护层和盖层，第一磁性层包括[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]3，第二磁性层包括[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]3。通过改变两个磁性层之间非磁性层Ru的厚度，可以将铁磁的相互作用(优选平行排列)调整为反铁磁的相互作用(优选反平行排列)，使得薄膜上铁磁与反铁磁区域交错，如图1(b)，其中，区域1和区域3均为反铁磁条带，而区域2和区域4均为铁磁条带，反铁磁条带与铁磁条带交替分布在所述磁性多层膜上。定义非磁性层Ru层厚度渐变的方向为第二方向(图1(a)中水平方向)，则反铁磁条带和铁磁条带沿第二方向交替分布。反铁磁条带和铁磁条带沿第一方向相互平行延伸(图1(a)中垂直于纸面方向)，则第一方向与第二方向相互垂直，第一方向与第二方向均位于磁性多层膜面内，且第一方向与磁性多层膜厚度方向相互垂直。
在制备样品时使铁磁区域与反铁磁区域的边界恰好能够落在器件的条状收缩块上，再施加条件适当的脉冲电流，从而使磁斯格明子得以产生。
器件的制备：
包括磁性多层膜的器件的具体结构为Ta(5)/[Pt(0.5)/Co(0.5)]3/Ru(0-3nm)/[Co(0.5)/Pt(0.5)]3/Ta(5)，单位为纳米，Ta是用来做打底层和保护层。
器件生长在已经光刻好器件上面，所述已经光刻好器件包括如图1(c)所示的硅片(300nm热氧化层)。采用AJA公司的超高真空磁控溅射仪先镀5纳米的Ta作为缓冲层，然后是Pt/Co的磁化层以及Ru的楔形结构，最后镀5nm的Ta作为保护层。
生长完毕后，使用丙酮超声波清洗硅片表面的光刻胶，使硅片只留下如图1(c)形状的器件。这里需要强调的在制备样品的Ru层时，需要利用磁控溅射配备的挡板在样品上制备出一层厚度自0到3nm的均匀渐变的楔形薄膜，使得铁磁与反铁磁区域交互出现在样品上，如图1(d)所示铁磁与反铁磁区域的边界刚好能落在器件的条形收缩区域30上。
器件特性的表征：
磁光克尔是一种可用于探测磁性薄膜的磁畴成像的技术，也可用于观测电流驱动磁畴运动的成像。我们采用磁光克尔显微镜来表征器件的磁畴分布状况，图1(d)展示了在没有通电流的情况下，器件磁畴随外磁场的变化。如图1(d)所示，条形收缩区域30上方是反铁磁区域，下方是铁磁区域，从正饱和(positive saturation)开始，往负饱和(Negativesaturation)方向改变外磁场，反铁磁区域磁矩先行翻转(单畴翻转)，继续降低磁场，铁磁区域磁矩翻转(迷宫畴)，可以看到铁磁与反铁磁区域的边界落在器件的条形收缩区域30上。
如图1(c)所示，区域10和区域20分别为正负电极，正负电极接电流源用于提供直流与脉冲电流。器件被放在磁光克尔显微镜下方的电磁铁上，磁场方向为垂直膜面。在对所述器件通电流之前，使所述器件或磁性多层膜所处的外磁场从200mT的正饱和磁场逐渐降低磁场到零。如图2(a)所示，外磁场为0mT时，代表反铁磁层翻转的白色磁畴刚好停留于条状区域的两边(但并未接触)。将磁场保持在0mT不变，使得样品外接的电流源向样品两侧电极通频率为50kHz，峰值为39mA的方形波(square)脉冲电流,每次施加的电流脉冲个数为10000个。观测到较为分散且形状规则的斯格明子出现在器件的条状收缩区域上，且与反铁磁层翻转磁畴的颜色一致。图2(b)和(c)为两次施加脉冲电流后分别产生的斯格明子，位置不同。值得注意的是，每一次施加脉冲电流时，所产生的斯格明子位置随机且分散性很好能长时间稳定存在。
而当改变所加脉冲电流的峰值大小时，如图3所示，从200mT的正饱和磁场逐渐降低磁场到零，保持磁场为0mT不变，在器件两侧向样品施加频率为50kHz，峰值大小不同的方形波(square)脉冲电流，在35mA时无明显现象，在37mA时有少数清晰的的斯格明子出现，在39mA时有较多且形状规律的斯格明子出现，在41mA时，有少数斯格明子与条状畴同时出现。因而只有当脉冲电流的峰值大小适当且在一定区间内(37mA-39mA)，才能产生独立且分散的斯格明子。
对比例：
在样品两侧施加方向自下而上的直流电时，在条状区域上方出现随直流电流方向运动的白色条状畴和少量的斯格明子，如图4(a)所示，由此可判断该体系内具有较强的DMI，理应产生的都为奈尔型磁畴。然而通直流电时，由于电流作用时间较长，条状区域出只能出现形状不规则且较为密集的小块磁畴，因而无法用直流电产生分散性较好的斯格明子。同样，当脉冲电流峰值过大时(例如大于50mA)，如图4(b)所示，也会在条状区域处产生白色的奈尔型条状畴。因此在施加脉冲电流时，控制脉冲电流的峰值大小和频率是产生分散性较好的斯格明子的关键。
本发明提供了一种全新的电流诱导产生方法，主要通过在人工合成反铁磁薄膜反铁磁与铁磁区域交界处施以大小与频率适当的脉冲电流，使得形状规则且较为分散的斯格明子得以在交界处附近出现，与现有的其他斯格明子产生方法相比，该方法可用于制备高集成度的器件，也便于和现有的半导体工艺兼容。基于磁性斯格明子的逻辑器件体积更小，稳定性更高，耗能更低。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
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