專利名稱：一種制備雙垂直自旋閥的方法及其結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁性存儲技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種制備雙垂直自旋閥的方法及其結(jié)構(gòu)。該自旋閥用作計算機硬盤讀出磁頭，或用在磁隨機存儲器、傳感器等設(shè)備中。
背景技術(shù)：
當今時代是信息時代，各行業(yè)的信息交流對信息的存儲密度和穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。在過去的十幾年中，信息存儲技術(shù)尤其是磁記錄技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，特別是應(yīng)用了巨磁電阻自旋閥薄膜材料制作的磁頭，使得硬盤的面記錄密度大幅提高。目前實驗室縱向磁記錄密度已經(jīng)達到150Gb/in2，并向著下一個目標1Tb/in2進軍。目前讀出磁頭主要是采用電流平行于平面構(gòu)型的巨磁電阻(GMR)自旋閥薄膜器件(即CIP-SPV)。由于理論研究表明，如果繼續(xù)使用CIP-SPV磁頭的話，計算機硬盤的存儲密度最多只能達到200-250Gb/in2就會趨向飽和。所以，電流垂直于平面巨磁電阻自旋閥(CPP-SPV)成為最具潛力的下一代讀出磁頭材料。相對于CIP-SPV，CPP-SPV的關(guān)鍵優(yōu)勢在于隨著存儲密度的提高，存儲元件的尺寸大幅度減小，CIP-SPV的GMR輸出信號也將隨之減小，而CPP-SPV則正好相反，GMR輸出信號反而增加，讀出靈敏度進一步得到提高。盡管如此，通常結(jié)構(gòu)的CPP-SPV薄膜材料磁各向異性的易軸方向都是平行于膜面，當把它們加工成小尺寸元件時，總希望薄膜具有單磁疇結(jié)構(gòu)；然而，當進一步把元件做到亞微米甚至更小尺寸時，將帶來一系列問題在薄膜的邊緣出現(xiàn)磁化卷縮(magnetization curling)，從而導(dǎo)致薄膜渦流磁化(Vortex magnetization)，出現(xiàn)渦流磁疇結(jié)構(gòu)。如果用來做器件時，將導(dǎo)致存儲信息的丟失，從而限制了高信息存儲技術(shù)的進一步發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種制備雙垂直自旋閥的方法及其結(jié)構(gòu)，即電流垂直于平面構(gòu)型、并且磁各向異性易軸垂直膜面的自旋閥薄膜材料及其制備方法。
本發(fā)明中的雙垂直自旋閥系采用玻璃或單晶硅基片，通過等離子體濺射、磁控濺射或者分子束外延生長手段制備而成的一種金屬多層膜結(jié)構(gòu)，然后通過照相平版印刷或電子束印刷、離子刻蝕的手段分別在金屬多層膜的頂層和底層膜面制作出兩個電極，使該自旋閥在工作時，信號電流的流動方向垂直于金屬多層膜膜面。
本發(fā)明中的雙垂直自旋閥是一種金屬多層膜結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如下雙垂直自旋閥的最底層為1～20納米厚的金屬鉑，稱為底電極層。
從底往上第二層為一個鈷/鉑復(fù)合結(jié)構(gòu)，它是由2～20層的金屬鈷和金屬鉑交替重疊而成(底層為金屬鈷，頂層為金屬鉑)，其中金屬鈷層的厚度為0.1～0.4納米，金屬鉑層的厚度為1～3納米。稱為底復(fù)合層。
從底往上第三層為金屬鈷，厚度為0.1～1納米。第三層與第二層合并稱為自由層。因為它們的磁矩在外加磁場下可以自由旋轉(zhuǎn)。
從底往上第四層為金屬銅，厚度為1～10納米，稱為隔離層。該隔離層也可以用1～4納米厚的金屬鉑或三氧化二鋁代替。
從底往上第五層為金屬鈷，厚度為0.1～2納米。
從底往上第六層為另一個鉑/鈷復(fù)合結(jié)構(gòu)，被稱為頂復(fù)合層。它是由2～20層的金屬鉑和金屬鈷交替重疊而成(底層為金屬鉑，頂層為金屬鈷)，其中金屬鉑的厚度為1～3納米，金屬鈷的厚度為0.1～0.4納米。該復(fù)合結(jié)構(gòu)(即第六層)與第五層的磁矩均被反鐵磁層釘扎，因而被稱為釘扎層。
從底往上第七層為反鐵磁性的鐵錳合金或其他錳合金層，厚度為5～40納米。
從底往上第八層為1～10納米的金屬鉑，為頂電極層。
本發(fā)明的優(yōu)點在于巧妙地將電流垂直薄膜平面與磁各向異性易軸垂直薄膜面兩個特征完美結(jié)合在一起。通過電流垂直于薄膜平面構(gòu)型，大幅度的提高自旋閥的磁電阻效應(yīng)；由于自旋閥的釘扎層和自由層均采用極薄的金屬鉑和金屬鈷交替重疊的復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得釘扎層和自由層磁各向異性的易軸均垂直于膜面，有效的改善了自旋閥的磁均勻性，使這種自旋閥材料加工到納米級時，仍可保持單磁疇結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
實施例1利用磁控濺射儀制備了兩種自旋閥材料其中一種是普通自旋閥結(jié)構(gòu)，其多層膜由底層往上分別為金屬鉭(6nm)/鎳鐵合金(7nm)/金屬銅(2.6nm)/鎳鐵合金(4nm)/鐵錳合金(15nm)/金屬鉭(6nm)(括號內(nèi)數(shù)據(jù)為薄膜的厚度，nm表示納米)，其特點是電流平行于平面構(gòu)型、并且磁各向異性易軸平行膜面；另外一種是本發(fā)明的雙垂直自旋閥結(jié)構(gòu)，為金屬鉑(6nm)/[金屬鈷(0.4nm)/金屬鉑(2nm)]5/金屬鈷(0.8nm)/金屬銅(3nm)/Co(0.8nm)/[Pt(2nm)/Co(0.4nm)]5/FeMn(15nm)/Pt(2nm)(下標數(shù)字為復(fù)合結(jié)構(gòu)的重復(fù)層數(shù))，其特點是電流垂直于平面構(gòu)型、并且磁各向異性易軸垂直膜面。上述兩種自旋閥的詳細制備工藝為濺射室本底真空度為2×10-5Pa，濺射時氬氣(99.99％)壓為0.5Pa；基片用循環(huán)水冷卻，對于結(jié)構(gòu)一材料平行于基片方向加有250Oe的磁場，以誘發(fā)平行的易磁化方向?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)二材料垂直于基片方向加有50Oe的磁場，以誘發(fā)垂直的易磁化方向。濺射出的兩種金屬多層膜通過電子束印刷和離子刻蝕的手段被加工成300nm×300nm的元件。測試結(jié)果表明，雙垂直自旋閥器件的室溫磁電阻效應(yīng)比普通自旋閥增加30％左右。另外，普通自旋閥器件周圍出現(xiàn)渦流磁疇結(jié)構(gòu)，而垂直自旋閥則呈現(xiàn)出單磁疇結(jié)構(gòu)。
實施例2實驗制備出十種結(jié)構(gòu)的雙垂直自旋閥器件，結(jié)構(gòu)如下表表示
本發(fā)明分別用等離子體濺射、磁控濺射和分子束外延生長等三種方法制備出上述十種結(jié)構(gòu)的雙垂直自旋閥器件共計三十個，器件的尺寸均為300納米×300納米。通過測試，發(fā)現(xiàn)上述所有這些自旋閥在室溫下的磁電阻效應(yīng)比通常結(jié)構(gòu)的自旋閥要提高30％以上。磁力顯微鏡測試顯示，這些雙垂直自旋閥器件均顯示出良好的單磁疇特征。
權(quán)利要求
1.一種制備雙垂直自旋閥的方法，其特征在于采用玻璃或單晶硅基片，通過等離子體濺射、磁控濺射或者分子束外延生長手段制備而成的一種金屬多層膜結(jié)構(gòu)，然后通過照相平版印刷或電子束印刷、離子刻蝕的手段分別在金屬多層膜的頂層和底層膜面制作出兩個電極，使該自旋閥在工作時，信號電流的流動方向垂直于金屬多層膜膜面。
2.一種用權(quán)利要求1所述方法制備的雙垂直自旋閥，其特征在于具體結(jié)構(gòu)為a、雙垂直自旋閥的最底層為1～20納米厚的金屬鉑，稱為底電極層；b、從底往上第二層為一個鈷/鉑復(fù)合結(jié)構(gòu)，它是由2～20層的金屬鈷和金屬鉑交替重疊而成，底層為金屬鈷，頂層為金屬鉑，其中金屬鈷層的厚度為0.1～0.4納米，金屬鉑層的厚度為1～3納米，稱為底復(fù)合層；c、從底往上第三層為金屬鈷，厚度為0.1～1納米；d、從底往上第四層為金屬銅，厚度為1～10納米，稱為隔離層；e、從底往上第五層為金屬鈷，厚度為0.1～2納米；f、從底往上第六層為另一個鉑/鈷復(fù)合結(jié)構(gòu)，被稱為頂復(fù)合層；它是由2～20層的金屬鉑和金屬鈷交替重疊而成，底層為金屬鉑，頂層為金屬鈷，其中金屬鉑的厚度為1～3納米，金屬鈷的厚度為0.1～0.4納米；g、從底往上第七層為反鐵磁性的鐵錳合金或錳合金層，厚度為5～40納米；h、從底往上第八層為1～10納米的金屬鉑，為頂電極層。
3.按照權(quán)利要求2所述的雙垂直自旋閥，其特征在于隔離層為1～4納米厚的金屬鉑或三氧化二鋁。
全文摘要
一種制備雙垂直自旋閥的方法及其結(jié)構(gòu)，采用玻璃或單晶硅基片，通過等離子體濺射、磁控濺射或者分子束外延生長手段制備而成的一種金屬多層膜結(jié)構(gòu)，然后通過照相平版印刷或電子束印刷、離子刻蝕的手段分別在金屬多層膜的頂層和底層膜面制作出兩個電極，使該自旋閥在工作時，信號電流的流動方向垂直于金屬多層膜膜面。本發(fā)明的優(yōu)點在于將電流垂直薄膜平面與磁各向異性易軸垂直薄膜面兩個特征完美結(jié)合在一起大幅度的提高自旋閥的磁電阻效應(yīng)；有效的改善了自旋閥的磁均勻性，使這種自旋閥材料加工到納米級時，仍可保持單磁疇結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01R33/09GK1641750SQ20041010184
公開日2005年7月20日 申請日期2004年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者于廣華, 姜勇, 騰蛟, 王立錦, 張輝, 朱逢吾 申請人:北京科技大學(xué)