專利名稱：一種提高CoFe/AlOx/CoFe/IrMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)穩(wěn)定性的方法，屬于磁電子學(xué)和
磁記錄技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1988年以來(lái)，隨著交流阻抗隨外磁場(chǎng)而變化的巨磁阻抗材料、電阻率隨外磁場(chǎng) 而變化的巨磁電阻材料和幾何尺寸隨外磁場(chǎng)而伸縮變化的巨磁致伸縮材料的問(wèn)世，出現(xiàn) 了磁電子器件這一新概念。基于多層膜巨磁電阻材料和自旋隧道結(jié)磁電阻材料的磁阻傳 感器比目前廣泛應(yīng)用的基于各向異性磁電阻材料傳感器具有更大的磁電阻效應(yīng)，靈敏度 及信噪比更高，應(yīng)用范圍更廣，可廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)、車輛工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、儀器儀 表以及空間技術(shù)。目前，在國(guó)際上已將基于多層膜巨磁電阻材料和自旋隧道結(jié)磁電阻 材料的磁電子傳感器應(yīng)用于磁場(chǎng)測(cè)量、電流測(cè)量、位置測(cè)量、位移與速度測(cè)量、應(yīng)變測(cè) 量、DNA檢測(cè)等領(lǐng)域。 對(duì)磁電子器件中使用的磁性多層膜而言，在反向飽和場(chǎng)下長(zhǎng)時(shí)間停留偏置場(chǎng)會(huì) 逐漸降低，這一點(diǎn)在使用溫度高于室溫時(shí)表現(xiàn)得尤為明顯。磁性多層膜的這一熱磁穩(wěn)定 性問(wèn)題嚴(yán)重地影響著磁電子器件可靠性和使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，人們大多在制備薄 膜之前通過(guò)選擇合適的緩沖層、鐵磁層及反鐵磁層材料與厚度，控制多層膜材料的微觀 結(jié)構(gòu)與組織，來(lái)得到熱磁穩(wěn)定性相對(duì)較好的磁性多層膜。但到目前為止磁性多層膜的熱 磁穩(wěn)定性問(wèn)題都沒(méi)有得到很好的解決。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)展了離子輻照對(duì)磁性薄 膜/多層膜的性能影響研究，并發(fā)現(xiàn)離子輻照一般會(huì)破壞鐵磁層的磁性或改變磁晶各向異 性、增強(qiáng)疇壁運(yùn)動(dòng)、減小磁性耦合強(qiáng)度和磁電阻，如發(fā)明專利基于薄膜/多層膜納米磁電 子器件的無(wú)掩模制備方法(200710133293.0)所述。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高CoFe/A10x/CoFe/IrMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)中
偏置場(chǎng)穩(wěn)定性的方法，可有效地提高磁電子器件的可靠性和使用壽命。 本發(fā)明通過(guò)離子輻照引起的材料微觀結(jié)構(gòu)的變化以及化學(xué)元素在界面間的擴(kuò)散
來(lái)調(diào)整或改變鐵磁層與反鐵磁層的界面耦合特性，從而提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)的
穩(wěn)定性。
—種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)穩(wěn)定性的方法，包括以下步驟
(1)、按襯底、緩沖層、磁性層、保護(hù)層的順序沉積制作磁性多層膜，在沉積磁 性層時(shí)，根據(jù)需要施加50 500Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)或沉積完成后進(jìn)行必要磁場(chǎng)熱處理；
(2)、利用聚焦鎵離子工作站作為離子輻照設(shè)備，對(duì)按上述第(l)步方法制備的磁 性多層膜或由此磁性多層膜構(gòu)成的磁性敏感單元所需改性的部位進(jìn)行離子輻照改性；其 中離子輻照參數(shù)為離子束能量為10 30keV，離子束流為100pA 5nA ;
其特征在于第(1)步所述磁性多層膜為具有頂置式交換偏置磁性耦合的結(jié)構(gòu)， 第(2)步所述離子輻照的劑量為5X 1011 5X 1014ions/cm2。 —種提高CoFe/A10x/CoFe/IrMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)穩(wěn)定性的方法， 包括以下步驟 (1)、利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過(guò)常規(guī)方法清洗的lmm厚的單晶硅襯底上依 次沉積厚度為4nm的下部緩沖層Ta，厚度為3nm的CoFe鐵磁層，厚度為lnm的A10x 層，厚度為3nm的CoFe層，厚度為12nm的IrMn和厚度為12nm的保護(hù)層Ta，上述磁 性薄膜的生長(zhǎng)條件備底真空5X10-7pa，濺射用高純度氬氣氣壓7X10-2Pa，濺射功 率120W，樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm，生長(zhǎng)溫度室溫，生長(zhǎng)速率0.03 0.12nm/s， 在沉積時(shí)，施加2000e平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，方向平行于膜面方向； (2)、沉積好的磁性薄膜采用聚焦離子束工作站進(jìn)行輻照改性，離子輻照的劑量 為lX1014ions/cm2，離子束能量為30keV，離子束流為lnA。 本發(fā)明采用聚焦離子束技術(shù)，通過(guò)低劑量的離子輻照改性使得磁性多層膜的微 觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化以及化學(xué)元素在界面間發(fā)生擴(kuò)散來(lái)優(yōu)化鐵磁層與反鐵磁層間的界面耦合 性能。與專利基于薄膜/多層膜納米磁電子器件的無(wú)掩模制備方法(200710133293.0)相 比，區(qū)別在于本專利通過(guò)低劑量的離子輻照改性使得磁性多層膜的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化以 及化學(xué)元素在界面間發(fā)生擴(kuò)散來(lái)優(yōu)化鐵磁層與反鐵磁層間的界面耦合性能，而前者通過(guò) 較大劑量的離子輻照來(lái)去除磁性層的磁性 以達(dá)到無(wú)掩膜制造磁電子器件的目的。
本發(fā)明提供的一種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)穩(wěn)定性的方法，還可應(yīng)用于由 磁性多層膜構(gòu)成的巨磁阻電阻傳感器、磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、磁記錄器件等磁敏感器件 中的磁敏感單元，具有方法簡(jiǎn)單、效果好等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋閥結(jié)構(gòu)磁性多層膜經(jīng)1 X 1013ions/cm2的鎵離子輻 照后的偏置場(chǎng)的穩(wěn)定性。 圖2為Co/Cu/NiFe/FeMn自旋閥結(jié)構(gòu)磁性多層膜經(jīng)5 X 10"ions/cm2的鎵離子輻照 后的偏置場(chǎng)的穩(wěn)定性。 圖3為CoFe/A10x/CoFe/IrMn自旋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)多層膜經(jīng)1 X 1014ions/cm2的鎵離子 輻照后的偏置場(chǎng)的穩(wěn)定性。 圖4為FeNi/A10x/NiFe/FeMn自旋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)多層膜經(jīng)5 X 1014ions/cm2的鎵離子 輻照后的偏置場(chǎng)的穩(wěn)定性。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)例進(jìn)一步描述本發(fā)明。 實(shí)施例l、基于CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜 利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過(guò)常規(guī)方法清洗的1mm厚的單晶硅襯底上依次沉 積厚度為5nm的下部緩沖層Ta，厚度為5nm的CoFe鐵磁層，厚度為2.5nm的Cu層，厚 度為5nmCoFe層，厚度為12nm的IrMn和厚度為8nm的保護(hù)層Ta。上述磁性薄膜的生長(zhǎng) 條件備底真空5X10-7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓7X10-2Pa;濺射功率120W;樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm;生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.03 0.12nm/s ;在沉積時(shí)， 施加lOOOe平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，方向平行于膜面方向。沉積好的磁性多層膜采用聚焦離子束 工作站進(jìn)行離子輻照改性，離子輻照的劑量為lX1013ionS/cm2，離子束能量為30keV，離 子束流為lnA。首先在聚焦離子束工作站上上載離子束與樣品臺(tái)的控制程序，再運(yùn)行程 序?qū)Υ判远鄬幽みM(jìn)行離子輻照，經(jīng)輻照后的樣品的熱穩(wěn)定性可明顯得到提高，如圖l所 示，圖中的偏置場(chǎng)大小可利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)來(lái)記錄磁性多層膜的磁滯回線方法 獲得。 實(shí)施例2、基于Co/Cu/NiFe/FeMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜 利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過(guò)常規(guī)方法清洗的lmm厚的單晶硅襯底上依次沉 積厚度為5nm的下部緩沖層Ta，厚度為4nm的Co鐵磁層，厚度為2nm的Cu層，厚度為 10nm NiFe層，厚度為13nm的PtMn和厚度為3nm的保護(hù)層Ta。上述磁性薄膜的生長(zhǎng)條
件備底真空5X10-7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓7X10-2Pa;濺射功率120W ;樣
品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm ;生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.03 0.12nm/s ;在沉積時(shí)，施 加lOOOe平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，方向平行于膜面方向。沉積好的磁性多層膜采用聚焦離子束工 作站進(jìn)行輻照改性，離子輻照的劑量為5X10"ions/cm2，離子束能量為30keV，離子束流 為lnA。首先在聚焦離子束工作站上上載離子束與樣品臺(tái)的控制程序，再運(yùn)行程序?qū)Υ?性多層膜進(jìn)行離子輻照，經(jīng)輻照后的樣品的熱穩(wěn)定性可明顯得到提高，如圖2所示，圖 中的偏置場(chǎng)大小可利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)來(lái)記錄磁性多層膜的磁滯回線方法獲得。
實(shí)施例3、基于CoFe/A10x/CoFe/IrMn自旋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)多層膜
利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過(guò)常規(guī)方法清洗的lmm厚的單晶硅襯底上依次沉 積厚度為4nm的下部緩沖層Ta，厚度為3nm的CoFe鐵磁層，厚度為lnm的A10x層， 厚度為3nm的CoFe層，厚度為12nm的IrMn和厚度為12nm的保護(hù)層Ta。 上述磁性薄
膜的生長(zhǎng)條件備底真空5X10-7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓7X10-2Pa;濺射功率
120W;樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm;生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.03 0.12nm/s ;在沉 積時(shí)，施加200Oe平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，方向平行于膜面方向。沉積好的磁性薄膜采用聚焦離 子束工作站進(jìn)行輻照改性，離子輻照的劑量為1X10"ions/cm2，離子束能量為30keV，離 子束流為lnA。首先在聚焦離子束工作站上上載離子束與樣品臺(tái)的控制程序，再運(yùn)行程 序?qū)Υ判远鄬幽みM(jìn)行離子輻照，經(jīng)輻照后的樣品的熱穩(wěn)定性可明顯得到提高，如圖3所 示，圖中的偏置場(chǎng)大小可利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)來(lái)記錄磁性多層膜的磁滯回線方法 獲得。 實(shí)施例4、基于FeNi/AKVNiFe/FeMn自旋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)多層膜
利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過(guò)常規(guī)方法清洗的lmm厚的單晶硅襯底上依次沉 積厚度為3nm的下部緩沖層Ta，厚度為10nm的FeNi鐵磁層，厚度為lnm的A10x層， 厚度為10nm的NiFe層，厚度為10nm的FeMn和厚度為13nm的保護(hù)層Ta。上述磁性薄
膜的生長(zhǎng)條件備底真空5X10-7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓7X10-2Pa;濺射功率
120W;樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm;生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.03 0.12nm/s ;在沉 積時(shí)，施加200Oe平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，方向平行于膜面方向。沉積好的磁性薄膜采用聚焦離 子束工作站進(jìn)行輻照改性，離子輻照的劑量為5X10"ions/cm2，離子束能量為30keV，離 子束流為lnA。首先在聚焦離子束工作站上上載離子束與樣品臺(tái)的控制程序，再運(yùn)行程序?qū)Υ判远鄬幽みM(jìn)行離子輻照，經(jīng)輻照后的樣品其熱穩(wěn)定性可明顯得到提高，如圖4所示，圖中的偏置場(chǎng)大小可利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)來(lái)記錄磁性多層膜的磁滯回線方法獲得。
權(quán)利要求
一種提高CoFe/AlOx/CoFe/IrMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)穩(wěn)定性的方法，包括以下步驟(1)、利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過(guò)常規(guī)方法清洗的1mm厚的單晶硅襯底上依次沉積厚度為4nm的下部緩沖層Ta，厚度為3nm的CoFe鐵磁層，厚度為1nm的AlOx層，厚度為3nm的CoFe層，厚度為12nm的IrMn和厚度為12nm的保護(hù)層Ta，上述磁性薄膜的生長(zhǎng)條件備底真空5×10-7pa，濺射用高純度氬氣氣壓7×10-2pa，濺射功率120W，樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm，生長(zhǎng)溫度室溫，生長(zhǎng)速率0.03～0.12nm/s，在沉積時(shí)，施加200Oe平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，方向平行于膜面方向；(2)、沉積好的磁性薄膜采用聚焦離子束工作站進(jìn)行輻照改性，離子輻照的劑量為1×1014ions/cm2，離子束能量為30keV，離子束流為1nA。
全文摘要
一種提高CoFe/AlOx/CoFe/IrMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)穩(wěn)定性的方法，屬磁電子學(xué)和磁記錄技術(shù)領(lǐng)域。一種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)穩(wěn)定性的方法，屬磁電子學(xué)和磁記錄技術(shù)領(lǐng)域。它包括以下步驟(1)、沉積制作CoFe/AlOx/CoFe/IrMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜；(2)、利用聚焦鎵離子工作站作為離子輻照設(shè)備，進(jìn)行離子輻照改性，離子輻照的劑量為1×1014ions/cm2，離子束能量為30keV，離子束流為1nA。本方法可應(yīng)用于由磁性多層膜構(gòu)成的巨磁阻電阻傳感器、磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、磁記錄器件等磁敏感器件中的磁敏感單元，具有方法簡(jiǎn)單、效果好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01F41/14GK101692375SQ200910164869
公開(kāi)日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者周廣宏, 李子全, 王寅崗, 陳建康 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)