專利名稱：一種基于垂直磁化自由層的磁性多層膜及磁性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有膜狀結(jié)構(gòu)的磁性元件，尤其涉及一種基于垂直磁化自由層的磁性元件及基于該多層膜的磁阻(MR)傳感器
背景技術(shù)：
在信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，磁頭主要由磁阻傳感器(MR, magnetoresistive)組成。通常情況下，磁阻傳感器至少包括參考層、隔離層和自由層，其中自由層也叫敏感層，其磁化狀態(tài)容易隨磁通密度變化而發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生改變。磁阻變化大小取決于兩磁性層(自由層與參考層)之間的夾角。隨著存儲(chǔ)密度的增加，磁阻傳感器的尺寸相應(yīng)地越來(lái)越小。對(duì)平衡磁化方向?yàn)槊鎯?nèi)的常規(guī)磁阻傳感器而言，為了獲得較好的線性輸出(或響應(yīng))，一種方法是利用磁性材料的形狀各向異性；第二種方法采用特殊設(shè)計(jì)(如惠斯通橋)進(jìn)行補(bǔ)償，使器件復(fù)雜化。這兩種方法都不利于器件的小型化。而且，對(duì)采用面內(nèi)磁化材料的常規(guī)磁阻傳感器而言，尺寸小還會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，如敏感層的磁化狀態(tài)易受熱效果和外界磁場(chǎng)影響，進(jìn)而導(dǎo)致噪音增加和不穩(wěn)定性；同時(shí)，在小尺寸下敏感層的磁化方向還可能會(huì)偏離面內(nèi)平衡方向，這導(dǎo)致輸出信號(hào)的減弱。因此，利用材料的形狀化的面內(nèi)磁化方案難以滿足微小化要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于垂直磁化自由層的磁性多層膜，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
一種基于垂直磁化自由層的磁性多層膜，包括
具有面內(nèi)平衡磁化狀態(tài)的第一磁性層；
形成于第一磁性層之上的非磁性隔離層；
以及，形成于非磁性隔離層之上的具有垂直磁化的磁性自由層。作為優(yōu)選的方案，所述非磁性隔離層采用厚度為I. O nm 6. O nm的非磁性金屬層和/或厚度為O. 5 nm 3. O nm的隧道絕緣層。進(jìn)一步的，所述非磁性隔離層優(yōu)選采用無(wú)機(jī)材料絕緣膜和/或有機(jī)材料絕緣膜，所述無(wú)機(jī)材料絕緣膜可優(yōu)選自金屬氧化物絕緣膜、金屬絕緣氮化膜、類金剛石薄膜、EuS薄膜和Ga2O3薄膜中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此。所述金屬氧化物或金屬氮化物是由能構(gòu)成絕緣層的金屬元素經(jīng)氧化或氮化形成，所述金屬元素可優(yōu)選自Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Mg中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此。作為優(yōu)選的方案，所述第一磁性層主要由具有面內(nèi)平衡磁化狀態(tài)的磁性材料制成，所述磁性材料優(yōu)選采用具有磁性的合金和/或化合物。進(jìn)一步的，所述磁性材料可優(yōu)選自3d過(guò)渡族磁性金屬或其合金、4f稀土金屬或其合金和半金屬磁性材料中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此；
所述3d過(guò)渡族磁性金屬或其合金可優(yōu)選自Fe、Co、Ni、CoFe, NiFe和CoFeB中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此；
所述半金屬磁性材料可優(yōu)選自Fe304、CrO2> Laa7Sra3MnO3和Heussler合金中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此。作為優(yōu)選的方案，所述磁性自由層由具有垂直磁化的磁性材料制成，所述磁性材料可優(yōu)選自Fe、CoFeB, Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、Cu/Ni和TeFeCoAl中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此。
作為優(yōu)選的方案，該磁性多層膜還可包括反鐵磁性層，前述第一磁性層形成于該反鐵磁性層之上。進(jìn)一步的，所述反鐵磁性層優(yōu)選由反鐵磁性合金和/或反鐵磁性化合物形成； 所述反鐵磁性合金可優(yōu)選自Pt-Μη、Pd-Mn> Fe-Mn> Ir-Mn和Rh-Mn中的任意一種或兩
種以上的組合，但不限于此。本發(fā)明的另一目的在于提供一種磁性傳感器，它包含如上所述的磁性多層膜。藉由前述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明磁性多層膜中兩個(gè)磁性層的磁化方向呈90°，在制成磁傳感器時(shí)具有尺寸小、分辨率高以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明基于垂直磁化自由層的磁性傳感器的結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖I所示磁性傳感器的磁場(chǎng)響應(yīng)曲線示意 圖3是本發(fā)明實(shí)施例I中基于垂直磁化自由層的磁性傳感器的結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中基于垂直磁化自由層的磁性傳感器的結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明實(shí)施例3中基于垂直磁化自由層的磁性傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式概括的講，本發(fā)明的基于垂直磁化自由層的磁性多層膜包括如下核心薄膜結(jié)構(gòu)[L1/SL/L2]，其中LI表示具有面內(nèi)平衡磁化的鐵磁性層或半金屬磁性層，其磁化方向相對(duì)固定，稱為參考層；SL表示非磁性隔離層，當(dāng)SL為非磁性金屬層時(shí)，其厚度在I. O 6. Onm之間，而當(dāng)SL為隧道絕緣層時(shí)，其典型厚度在O. 5 nm與3. O nm之間；L2為具有垂直磁化的鐵磁性層，其平衡磁化方向垂直于LI層，且其磁化方向可在小的外磁場(chǎng)作用下發(fā)生變化，稱為自由層。本發(fā)明的磁傳感器(MR傳感器)具有前述垂直磁化自由層的多層薄膜的結(jié)構(gòu)，一個(gè)通過(guò)該MR傳感器的電流，就可檢測(cè)到由于自由層的磁化方向的旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的MR傳感器的電阻變化，將它作為所檢測(cè)的磁場(chǎng)的一個(gè)函數(shù)。參閱圖I所不，作為本發(fā)明的典型實(shí)施方式之一，該基于垂直磁化自由層的傳感器包括一個(gè)鐵磁性層或半金屬磁性層LI和一個(gè)具有垂直磁化的鐵磁性層L2,在層LI和L2之間夾有厚度為一到幾個(gè)納米的非磁性金屬層或絕緣勢(shì)壘層SL。檢測(cè)電流通常垂直于多層膜表面。該圖I中，Mk1j代表參考層磁矩,Mfl代表自由層的磁矩。在圖I中，LI的磁化方向是平行于薄膜表面的，并且其磁化方向相對(duì)固定的，L2的磁化方向是垂直于薄膜表面，并且其磁化方向是自由的。當(dāng)存在外部磁場(chǎng)H的情況下，L2的磁化方向可隨外部磁場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器的電阻R隨外部磁場(chǎng)H而變化，變化關(guān)系如下
R = Rs +(lf2)*AR(\-cos0)(I)
其中，式代表基準(zhǔn)態(tài)下的電阻，即該基準(zhǔn)態(tài)下，LI和L2的磁化方向平行4代表LI與L2的磁化方向所形成的夾角，ΔΛ則代表電阻R在磁化方向平行和反平行兩種狀態(tài)之間的變化。如圖2所示，在零場(chǎng)附近表現(xiàn)為很好的線性關(guān)系，其磁電阻比ΔΛ/ i 與LI和L2磁性層的自旋極化率有關(guān)，用這種結(jié)構(gòu)制作的傳感器將具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小和分辨率高等特點(diǎn)。以下結(jié)合若干較佳實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例I 參閱圖3，該基于垂直磁化自由層的傳感器10的結(jié)構(gòu)如下由二氧化硅(SiO2)或類似材料制成的一個(gè)絕緣層IOA形成在一個(gè)硅基片10上，在IOA上面形成一個(gè)種子層10B;然后在種子層IOB上形成一個(gè)下部磁性層LI (參考層)，該層的磁化方向平行于薄膜表面的，并且其磁化方向相對(duì)固定的；一個(gè)形成于鐵磁性層LI之上的隔離層SL; —個(gè)形成于隔離層SL之上的另一個(gè)磁性層L2 (敏感層)以及一個(gè)形成于L2層之上的保護(hù)層CL。L2層的磁化方向垂直于薄膜平面，與第一個(gè)磁性材料層在沒(méi)有磁場(chǎng)作用下大約成90度角，L2層的磁化方向的改變是對(duì)一個(gè)作用的磁場(chǎng)作出反應(yīng)以及旋轉(zhuǎn)形成的。應(yīng)當(dāng)注意到,前述種子層IOB可由Ta、CuN、Ru等非磁性金屬構(gòu)成；前述隔離層SL可由Au、Ci^P Cr等非磁性金屬、或金屬氧化物絕緣膜、或金屬氮化物絕緣膜、有機(jī)或無(wú)機(jī)材料絕緣膜、或類金剛石薄膜、或EuS等材料構(gòu)成。磁性層LI可選自于3d過(guò)渡族鐵磁性金屬或4f稀土金屬及其合金,如Fe、CoFe> CoFeB、Heusler合金;磁性L2層可由Fe、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、Cu/Ni、TeFeCoAl等具有垂直磁化的材料構(gòu)成；保護(hù)層CL可由Au、Pt等金屬材料構(gòu)成。實(shí)施例2
在前述實(shí)施例中，下部磁性層LI的平衡磁化方向由材料的面內(nèi)磁化決定，其方向是相對(duì)固定的。但當(dāng)LI層由矯頑力較小的磁性材料構(gòu)成時(shí)，其磁化方向在可以在較小的外場(chǎng)作用發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響傳感器的磁場(chǎng)工作范圍。針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)施例進(jìn)一步提出一種屬于釘扎型傳感器的基于垂直磁化自由層的傳感器20，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，即由二氧化硅(SiO2)或類似材料制成的一個(gè)絕緣層20A形成在一個(gè)硅基片20上，在20A上面形成一個(gè)種子層20B;然后在種子層20B上形成一個(gè)反鐵磁性層AFM，在反鐵磁性層AFM之上形成一下下部磁性層LI (參考層)，參考層的平衡磁化方向由于反鐵磁性的釘扎作用而相對(duì)固定的；一個(gè)形成于鐵磁性層LI之上的隔離層SL; —個(gè)形成于隔離層SL之上的另一個(gè)磁性層L2(敏感層)以及一個(gè)形成于L2層之上的保護(hù)層CL。L2層的磁化方向垂直于薄膜平面，與第一個(gè)磁性材料層在沒(méi)有磁場(chǎng)作用下大約成90度角，L2層的磁化方向的改變是對(duì)一個(gè)作用的磁場(chǎng)作出反應(yīng)以及旋轉(zhuǎn)形成的。本實(shí)施例中的種子層20B、磁性層LI、隔離層SL、磁性層L2和保護(hù)層CL的材料與第一實(shí)施例相似，故省略其描述。前述反鐵磁性層AFM由Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn、Rh-Mn或NiO等反鐵磁合金構(gòu)成；前述反鐵磁性層AFM也可前述反鐵磁性合金與FM/匪復(fù)合多層膜構(gòu)成，其中FM/匪與LI形成人造反鐵磁性層，從而使LI的平衡磁化方向固定。這里FM可由CoFe等鐵磁性合金構(gòu)成,匪由Ru、Cu、Ag等非磁性金屬構(gòu)成,其厚度在O. 8 nm左右。實(shí)施例3
在前述實(shí)施例1、2中，具有垂直磁化的磁性層L2形成于隔離層SL之上。同樣，當(dāng)具有垂直磁化的磁性層L2形成于隔離層SL之下亦可。圖5示出了又一種基于垂直磁化自由層傳感器30的結(jié)構(gòu)，具體如下由二氧化硅(SiO2)或類似材料制成的一個(gè)絕緣層30A形成在一個(gè)硅基片30上，在30A上面形成一個(gè)種子層30B;然后在種子層30B上形成一個(gè)具有垂直磁化的磁性層L2，其平衡磁化方向與薄膜平面成90度角；一個(gè)形成于磁性層L2之上的隔離層SL; —個(gè)形成于隔離層SL之上的上部磁性層LI和反鐵磁性層AFM，上部磁性層的平衡磁化方向平行于薄膜平面，且其磁化方向相對(duì)固定。一個(gè)形成于磁性LI層之上的保護(hù)層CL。本實(shí)施例中的種子層30B、磁性層LI、隔離層SL、磁性層L2、反鐵磁性層AFM和保護(hù)層CL的材料與第一實(shí)施例相似，故省略其描述。需要指出的是，上述較佳實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于垂直磁化自由層的磁性多層膜，其特征在于，它包括 具有面內(nèi)平衡磁化狀態(tài)的第一磁性層(LI); 形成于第一磁性層(LI)之上的非磁性隔離層(SL)； 以及，形成于非磁性隔離層(SL)之上的具有垂直磁化的磁性自由層(L2)。
2.如權(quán)利要求I所述的基于垂直磁化自由層的磁性多層膜，其特征在于，所述非磁性隔離層優(yōu)選采用厚度為I. O nm 6. O nm的非磁性金屬層和/或厚度為O. 5 nm 3. O nm的隧道絕緣層。
3.如權(quán)利要求I或2所述的基于垂直磁化自由層的磁性多層膜，其特征在于，所述非磁性隔離層優(yōu)選采用無(wú)機(jī)材料絕緣膜和/或有機(jī)材料絕緣膜，所述無(wú)機(jī)材料絕緣膜至少選自金屬氧化物絕緣膜、金屬絕緣氮化膜、類金剛石薄膜、EuS薄膜和Ga2O3薄膜中的任意一種或兩種以上的組合。
4.如權(quán)利要求3所述的基于垂直磁化自由層的磁性多層膜，其特征在于，所述金屬氧化物或金屬氮化物是由能構(gòu)成絕緣層的金屬元素經(jīng)氧化或氮化形成，所述金屬元素至少選自Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Mg中的任意一種或兩種以上的組合。
5.如權(quán)利要求I所述的基于垂直磁化自由層的磁性多層膜，其特征在于，所述第一磁性層(LI)主要由具有面內(nèi)平衡磁化狀態(tài)的磁性材料制成，所述磁性材料優(yōu)選采用具有磁性的合金和/或化合物。
6.如權(quán)利要求5所述的基于垂直磁化自由層的磁性多層膜，其特征在于，所述磁性材料至少選自3d過(guò)渡族磁性金屬或其合金、4f稀土金屬或其合金和半金屬磁性材料中的任意一種或兩種以上的組合； 所述3d過(guò)渡族磁性金屬或其合金至少選自Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe和CoFeB中的任意一種或兩種以上的組合； 所述半金屬磁性材料至少選自Fe304、CrO2> Laa7Sra3MnO3和Heussler合金中的任意一種或兩種以上的組合。
7.如權(quán)利要求I所述的基于垂直磁化自由層的磁性多層膜，其特征在于，所述磁性自由層(L2)由具有垂直磁化的磁性材料制成，所述磁性材料至少選自Fe、CoFeB, Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、Cu/Ni和TeFeCoAl中的任意一種或兩種以上的組合。
8.如權(quán)利要求I所述的基于垂直磁化自由層的磁性多層膜，其特征在于，它還包括反鐵磁性層，所述第一磁性層(LI)形成于該反鐵磁性層之上。
9.如權(quán)利要求8所述的基于垂直磁化自由層的磁性多層膜，其特征在于，所述反鐵磁性層優(yōu)選由反鐵磁合金和/或反鐵磁化合物形成； 所述反鐵磁合金至少選自Pt-Μη、Pd-Mn> Fe-Mn> Ir-Mn和Rh-Mn中的任意一種或兩種以上的組合。
10.一種磁性傳感器，其特征在于，它包含如權(quán)利要求I所述的基于垂直磁化自由層的磁性多層膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于垂直磁化自由層的磁性多層膜及磁性傳感器。該磁性多層膜包括具有面內(nèi)平衡磁化狀態(tài)的第一磁性層;形成于第一磁性層之上的非磁性隔離層;以及，形成于非磁性隔離層之上的具有垂直磁化的自由層。該磁性傳感器包含有該磁性多層膜。藉由前述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明磁性多層膜中兩個(gè)磁性層的磁化方向呈90°，在制成磁傳感器時(shí)具有尺寸小、分辨率高以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G11B5/31GK102623018SQ20121009419
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者張寶順, 曾中明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所