專利名稱：一種降低自旋閥薄膜矯頑力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息電子、功能材料領(lǐng)域，特別是提供了一種降低自旋閥薄膜 矯頑力的方法。
背景技術(shù)：
自旋閥是在20世紀(jì)90年代初,由B. Dieny et al. J. Appl. Phys. 69, 4774 (1991)
提出的一種實用化的巨磁電阻材料，它以其低飽和場，高靈敏度等優(yōu)點率先進(jìn)入 實用化階段，在短短的幾年內(nèi)，就開發(fā)出一系列高靈敏度磁電子器件，在磁傳感 器、計算機硬盤讀頭和磁電阻隨機存儲器(MRAM)等方面具有廣闊的應(yīng)用前 景。這種自旋閥結(jié)構(gòu)利用外場下自由層的磁矩相對于被釘扎層磁矩取向的不同來 實現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)。目前，普遍采用在強磁場下進(jìn)行一次退火來改善薄膜性能， 提高磁電阻變化率。如Emma Kerr et al. J. Appl. Phys. 97， 093910 (2005)系統(tǒng)研 究了在磁場下退火時不同磁場強度對自旋閥性能的影響。采用在強磁場下進(jìn)行一 次退火這種辦法，雖然可以提高薄膜的磁電阻變化率，但矯頑力在退火后并沒有 得到明顯改善；而在磁傳感器等實際器件應(yīng)用中，如果不能將薄膜的矯頑力減小 到10e以下，將導(dǎo)致磁傳感器的線性工作范圍區(qū)很窄，這對其工作環(huán)境產(chǎn)生了限 制；如果能夠明顯降低薄膜的矯頑力，則會增大實際應(yīng)用時的線性工作區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用二次退火降低自旋閥薄膜矯頑力的方法，解 決了將自旋閥薄膜應(yīng)用在磁傳感器中由于矯頑力偏大所導(dǎo)致的線性工作區(qū)較窄 這一問題。
本發(fā)明是在磁控濺射儀中制備自旋閥薄膜，在真空退火爐中進(jìn)行退火，退火 時，本底真空為1X10" lX10—5Pa，在1000 3000 0e磁場下，磁場方向沿 著自旋閥薄膜制備態(tài)時的易軸方向，在100 30(TC溫度下，保溫0.5 3h后，降 至室溫，其特征在于對退火后的自旋閥薄膜進(jìn)行第二次退火，退火時，在50 300 0e磁場下，100 30(TC溫度下，保溫0.5 3h。
進(jìn)一步地，在第二次退火時，磁場方向與第一次退火時的磁場方向垂直。
再進(jìn)一步地，退火時通入一定流量的N2作為保護(hù)氣體。
本發(fā)明利用鐵磁材料沿不同方向磁化時磁疇的運動方式不同，即鐵磁材料沿 難軸方向磁化時主要依靠磁疇的轉(zhuǎn)動，沿易軸方向磁化時主要依靠疇壁的移動， 而沿難軸方向磁化時的矯頑力要小于沿易軸方向磁化時的矯頑力這一特點，通過 兩次退火，成功實現(xiàn)自由層的易軸方向與被釘扎層的磁矩方向成垂直排列，這樣 可保證在平行于被釘扎層磁矩的外磁場作用下，自由層轉(zhuǎn)向與被釘扎層的磁矩一 致的方向，即自由層沿著其難軸方向磁化，這主要是通過磁疇的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)磁矩 取向的重新排列，可明顯降低自旋閥薄膜的矯頑力。
本發(fā)明的優(yōu)點在于較傳統(tǒng)退火工藝相比，通過增加一次低場退火，使薄膜 矯頑力得到了明顯降低，擴大了其線性工作區(qū)，對改進(jìn)磁傳感器的性能有重要的 應(yīng)用價值。


圖1是在Si基片上沉積的自旋閥薄膜Ta40A/NiFe20A/IrMnl00A/CoFe30A/ Cu20A/CoFel5A/NiFe30A/Ta30A在不同退火條件下的矯頑力玩隨低場退火溫度 的變化關(guān)系。
具體實施例方式
在磁控濺射儀中制備自旋閥薄膜。首先將Si基片用有機化學(xué)溶劑、去離子 水以及酒精超聲清洗，然后在Si基片上生長IrMn底釘扎自旋閥結(jié)構(gòu) Ta40A/NiFe20A/IrMnl00A/CoFe30A/Cu20A/CoFel5A/NiFe30A/Ta30A ，在濺射 時氬氣(純度為99.99%)壓為0.15Pa,濺射室本底真空為2X l(T5Pa;濺射過程中， 基片以20r/min的速率旋轉(zhuǎn)，并且基片表面外加有平行于膜面方向的磁場，大小 為250 Oe。將制備好的樣品放在真空退火爐中進(jìn)行兩次退火，退火時升溫降溫 速率為15°C/min，在退火過程中通入流速為0.5L/min的高純氮氣，第一次退火 時磁場方向與樣品制備態(tài)時方向一致，第二次退火時磁場方向與樣品制備態(tài)時方 向垂直。具體退火條件及實驗結(jié)果如圖l所示
曲線(a)退火條件為在lX10-"Pa真空度下，在1000Oe磁場下，在120 。C溫度下進(jìn)行第一次磁場下退火，保溫時間0.5h;當(dāng)保溫結(jié)束后，將退火爐溫度 降至室溫，將樣品垂直卯。改變方向進(jìn)行再次退火，第二次退火條件為在60Oe
磁場下，在100 30(TC溫度下，保溫0.5h 。
曲線(b)退火條件為在5X10^Pa真空度下，在2000Oe磁場下，在210 。C溫度下進(jìn)行第一次磁場下退火，保溫時間1.5h;當(dāng)保溫結(jié)束后，將退火爐溫度 降至室溫，將樣品垂直9(T改變方向進(jìn)行再次退火，第二次退火條件為在150Oe 磁場下，在100 30(TC溫度下，保溫1.5h 。
曲線(c)退火條件為在1X10—Spa真空度下，在3000Oe磁場下，在280 。C溫度下進(jìn)行第一次磁場下退火，保溫時間2.5h;當(dāng)保溫結(jié)束后，將退火爐溫度 降至室溫，將樣品垂直90°改變方向進(jìn)行再次退火，第二次退火條件為在280Oe 磁場下，在100 300'C溫度下，保溫2.5h 。
從圖l中可以看出，制備態(tài)時自旋閥薄膜的矯頑力較大，為5.650e。在采 用了低場退火后，在100 30(TC溫度范圍內(nèi)，自旋閥薄膜的矯頑力均有了明顯 降低，對于曲線b所對應(yīng)的退火條件，在第二次退火溫度為200'C時，矯頑力變 化最為明顯，由制備態(tài)時的5.650e降至0.5Oe，同時對磁電阻值的測量也發(fā)現(xiàn)由 原來的8.0%升至9.2% 。這說明，在低磁場下進(jìn)行第二次退火可以有效地降低 自旋閥薄膜的的矯頑力，改善薄膜的磁性能。
權(quán)利要求
1.一種降低自旋閥薄膜矯頑力的方法，在磁控濺射儀中制備自旋閥薄膜，在真空退火爐中進(jìn)行退火，退火時，本底真空為1×10-4～1×10-5Pa，在1000～3000Oe磁場下，磁場方向沿著自旋閥薄膜制備態(tài)時的易軸方向，在100～300℃溫度下，保溫0.5～3h后，降至室溫，其特征在于對退火后的自旋閥薄膜進(jìn)行第二次退火，退火時，在50～300Oe磁場下，100～300℃溫度下，保溫0.5～3h。
2. 如權(quán)利要求l所述的一種降低自旋閥薄膜矯頑力的方法，其特征是 在所述的第二次退火時，磁場方向與第一次退火時的磁場方向垂直。
3. 如權(quán)利要求l， 2所述的一種降低自旋閥薄膜矯頑力的方法，其特征在于退火時通入一定流量的N2作為保護(hù)氣體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用二次退火降低自旋閥薄膜矯頑力的方法，屬于信息電子、功能材料領(lǐng)域。在磁控濺射儀中制備自旋閥薄膜，在真空退火爐中進(jìn)行退火。其特征在于采用兩次退火，退火順序依次為在1000～3000Oe磁場下，在100～300℃溫度下，保溫0.5～3h后，降至室溫；再在50～300Oe磁場下，在100～300℃溫度下，保溫0.5～3h；第一次退火時的磁場方向沿著自旋閥薄膜制備態(tài)時的易軸方向，第二次退火時的磁場方向與第一次退火時的磁場方向垂直；退火時本底真空度為1×10^-4～1×10^-5Pa；退火時通入一定流量的N₂作為保護(hù)氣體。本發(fā)明的優(yōu)點在于利用兩次退火，既提高了自旋閥薄膜在室溫下的磁阻效應(yīng)，又明顯降低了薄膜的矯頑力。本發(fā)明對改進(jìn)磁傳感器的性能有重要的應(yīng)用價值。
文檔編號C23C14/58GK101182632SQ200710179580
公開日2008年5月21日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者雷 丁, 于廣華, 蛟 滕 申請人:北京科技大學(xué)