專利名稱:一種環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，及其制備方法，和其在器件中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
自20世紀(jì)80年代末期Baibich等人在磁性多層膜系統(tǒng)中首次觀察到巨磁電阻效應(yīng)(Giant Magneto Resistance，GMR)以來(lái)，磁性多層膜體系的研究一直是科研人員普遍關(guān)注的一個(gè)課題。由于GMR效應(yīng)具有很高的磁電阻比值，因此可以廣泛應(yīng)用到磁電阻型傳感器、磁記錄讀出磁頭等領(lǐng)域。用GMR制成的器件不僅具有靈敏度高、體積小、功耗低等優(yōu)良特點(diǎn)，還可以帶來(lái)抗輻射、非易失性信息存儲(chǔ)等許多新特性。特別是將GMR效應(yīng)用于磁記錄讀出磁頭則給整個(gè)信息記錄領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)深刻的革命，并對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了直接而深遠(yuǎn)的影響。1994年IBM公司利用GMR效應(yīng)成功研制出硬磁盤讀出磁頭，將磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的記錄密度提高了近20倍，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)取得了突破性進(jìn)展；基于GMR效應(yīng)制成的各類傳感器件則由于輸出信號(hào)增強(qiáng)而使得器件設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，這直接導(dǎo)致了器件的小型化與廉價(jià)化。
繼GMR效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后，1995年日本科學(xué)家T.Miyazaki和美國(guó)科學(xué)家J.S.Moodera在磁性隧道結(jié)(MTJ)中分別獨(dú)立獲得了室溫下18％和10％的隧道磁電阻(TunnelingMagneto Resistance，TMR)比值，從而掀起了磁性隧道結(jié)的研究高潮。研究人員基于GMR效應(yīng)以及磁性隧道結(jié)而設(shè)計(jì)了一種新型磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Magnetic RandomAccess Memory，MRAM)的器件模型，這種器件由于采用了全新的設(shè)計(jì)而具有許多激動(dòng)人心的新特性，諸如抗輻射、非易失性信息存儲(chǔ)等。典型的MRAM核心部分結(jié)構(gòu)由四部分構(gòu)成位線(Bit Line)、寫字線(Word Line)，讀字線(Read Line)和存儲(chǔ)單元。位線和寫字線，讀字線分別位于存儲(chǔ)單元的上方和下方，呈縱橫交叉排列，存儲(chǔ)單元?jiǎng)t位于位線和字線的交叉處。MRAM讀寫過(guò)程則由字線和位線電流共同作用而完成，這種工作方式明顯的依賴于字線和位線電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)操控存儲(chǔ)單元的磁化狀態(tài)，結(jié)構(gòu)和工藝十分復(fù)雜，給器件的加工和集成帶來(lái)了極大的不便。
1996年，美國(guó)科學(xué)家J.Slonczewski從理論上預(yù)言了一種新的物理機(jī)制—自旋轉(zhuǎn)矩(Spin Torque，ST)效應(yīng)，這種物理機(jī)制可以利用電流自身實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)單元磁化狀態(tài)的操控，當(dāng)存儲(chǔ)單元中流過(guò)的電流小于某個(gè)特定的臨界值IC時(shí)，存儲(chǔ)單元磁化狀態(tài)不會(huì)被存儲(chǔ)單元中流過(guò)的電流所改變，從而可以實(shí)現(xiàn)讀操作；而當(dāng)存儲(chǔ)單元中流過(guò)的電流大于這個(gè)臨界值IC時(shí)，存儲(chǔ)單元磁化狀態(tài)將由存儲(chǔ)單元中流過(guò)的電流的方向所決定，從而可以實(shí)現(xiàn)寫操作。在隨后的十幾年中，科學(xué)家們對(duì)這種新效應(yīng)進(jìn)行了大量廣泛而深入的研究。如果將這種新機(jī)制應(yīng)用到磁性多層膜系統(tǒng)以及MRAM等器件中，則能夠極大地簡(jiǎn)化器件結(jié)構(gòu)和加工工藝，這將為信息存儲(chǔ)領(lǐng)域帶來(lái)又一次革命性的突破。然而由于現(xiàn)有技術(shù)中使用的存儲(chǔ)單元(如比特層和其它釘扎層)的幾何結(jié)構(gòu)均采用非閉合結(jié)構(gòu)，如矩形、橢圓形等，這種結(jié)構(gòu)在高密度小尺寸存儲(chǔ)單元下將會(huì)帶來(lái)較大的退磁場(chǎng)和形狀各向異性，這種缺陷無(wú)疑會(huì)增大自由層的反轉(zhuǎn)場(chǎng)和功耗，對(duì)存儲(chǔ)單元的磁電性能的均勻性和一致性也帶來(lái)許多不利的影響，并且給存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)和制備帶來(lái)諸多結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，如為減小退磁場(chǎng)一般要采用三明治復(fù)合型比特層和底部釘扎層。為了克服這些問(wèn)題，必須采用新的幾何結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)來(lái)消除磁性多層膜自身的退磁場(chǎng)和減小形狀各向異性。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的磁性多層膜系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)上的缺陷，通過(guò)改變多層膜系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)，提供一種無(wú)退磁場(chǎng)和弱形狀各向異性的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，及其制備方法，和用途。
本發(fā)明的目的是通過(guò)如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，包括一常規(guī)的磁性多層膜的各層，其特征在于所述的磁性多層膜的橫截面呈閉合的環(huán)狀，該圓環(huán)的內(nèi)徑為10～100000nm，外徑為20～200000nm；還包括位于該環(huán)狀多層膜的幾何中心位置的一個(gè)金屬芯，該金屬芯的直徑為5～50000nm。
所述的金屬芯的材料為電阻率較小的金屬材料，優(yōu)選Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al等；該金屬芯的作用是從外部施加電流，通過(guò)電流產(chǎn)生的環(huán)形磁場(chǎng)操控磁性多層膜的磁化狀態(tài)，從而可以更方便的進(jìn)行磁性多層膜存儲(chǔ)單元的讀寫操作。
本發(fā)明提供的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，按照形成的材料分類，包括無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜和釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜。
本發(fā)明提供的無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其核心結(jié)構(gòu)包括一襯底及其上的下部緩沖導(dǎo)電層，在所述的下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積的硬磁層(以下簡(jiǎn)稱HFM)、中間層(以下簡(jiǎn)稱I1)、軟磁層(以下簡(jiǎn)稱SFM)及覆蓋層，其特征在于所述的磁性多層膜的橫截面呈閉合的圓環(huán)狀，該圓環(huán)的內(nèi)徑為10～100000nm，外徑為20～200000nm；還包括位于該環(huán)狀多層膜的幾何中心位置的一個(gè)金屬芯，該金屬芯的直徑為5～50000nm。
所述的襯底為常規(guī)襯底材料，優(yōu)選Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs襯底等，厚度為0.3～1mm；所述的下部緩沖導(dǎo)電層由金屬材料組成，優(yōu)選Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，厚度為2～200nm；所述的硬磁層HFM由巨磁電阻效應(yīng)大的材料，如Co，F(xiàn)e，Ni，CoFe，NiFeCo，CoFeB，CoFeSiB等組成，厚度為2～20nm；所述的中間層I1由金屬層或者絕緣體勢(shì)壘層構(gòu)成，其中金屬層的材料如Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，絕緣體勢(shì)壘層的材料如Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中間層的厚度為0.5～10nm；所述的軟磁層SFM的組成材料為自旋極化率高，矯頑力較小的鐵磁材料，包括Co，F(xiàn)e，Ni或它們的金屬合金NiFe，CoFeSiB，NiFeSiB，或非晶Co100-x-yFexBy(0＜x＜100，0＜y≤20)，或Heusler合金，如Co2MnSi，Co2Cr0.6Fe0.4Al；軟磁層的組成材料優(yōu)選Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21；所述的軟磁層的厚度為1～20nm；所述的覆蓋層由不易被氧化的且具有較大電阻的金屬材料組成，優(yōu)選Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr等，厚度為2～10nm，用于保護(hù)材料不被氧化；所述的金屬芯的材料為電阻率較小的金屬材料，優(yōu)選Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，或其合金。
本發(fā)明提供的釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，包括一襯底及其上的下部緩沖導(dǎo)電層，在所述的下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積的反鐵磁釘扎層(以下簡(jiǎn)稱AFM)、被釘扎磁性層(以下簡(jiǎn)稱FM1)、中間層(以下簡(jiǎn)稱I2)、自由軟磁層(以下簡(jiǎn)稱FM2)及覆蓋層，其特征在于所述的磁性多層膜的橫截面呈閉合的圓環(huán)狀，該圓環(huán)的內(nèi)徑為10～100000nm，外徑為20～200000nm；還包括位于該環(huán)狀多層膜的幾何中心位置的一個(gè)金屬芯，該金屬芯的直徑為5～50000nm。
所述的襯底為常規(guī)襯底，如Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs襯底等，厚度為0.3～1mm；所述的下部緩沖導(dǎo)電層由金屬材料組成，優(yōu)選Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，厚度為2～200nm；所述的反鐵磁釘扎層AFM由具有反鐵磁性的合金組成，優(yōu)選IrMn，F(xiàn)eMn，PtMn，或CrMn，厚度為3～30nm；所述的被釘扎磁性層FM1的組成材料為具有較高自旋極化率的鐵磁性金屬，如Fe、Co、Ni及其合金，優(yōu)選CoFe合金，NiFe合金，非晶CoFeB合金，CoFeSiB等，厚度為2～20nm；所述的中間層I2由金屬層或者絕緣體勢(shì)壘層構(gòu)成，其中金屬層的材料如Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，絕緣體勢(shì)壘層的材料如Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中間層的厚度為0.5～10nm；所述的自由軟磁層FM2的組成材料為自旋極化率高，矯頑力較小的鐵磁材料，包括Co，F(xiàn)e，Ni或它們的金屬合金，或非晶Co100-x-yFexBy(0＜x＜100，0＜y≤20)，或NiFeSiB，或Heusler合金，如Co2MnSi，Co2Cr0.6Fe0.4Al；軟磁層材料優(yōu)選Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21；所述的軟磁層的厚度為1～20nm；所述的覆蓋層由不易被氧化的且具有較大電阻的金屬材料組成，優(yōu)選Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr等，厚度為2～10nm，用于保護(hù)材料不被氧化；所述的金屬芯的材料為電阻率較小的金屬材料，優(yōu)選Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，或其合金。
本發(fā)明提供的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜可以通過(guò)微加工方法或絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模兩種方法來(lái)制備。
本發(fā)明提供一種利用微加工方法制備所述的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的方法，包括如下的步驟1)選擇一個(gè)襯底，經(jīng)過(guò)常規(guī)方法清洗之后，在常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)設(shè)備(例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等)上沉積下部緩沖導(dǎo)電層；2)利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等，在下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積本發(fā)明的無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的硬磁層HFM、中間層I1、軟磁層SFM以及覆蓋層；在沉積硬磁層和軟磁層時(shí)，可以選擇施加50～5000Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)；或是利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等，在下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積本發(fā)明的釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的反鐵磁釘扎層AFM、被釘扎磁性層FM1、中間層I2、自由軟磁層FM2以及覆蓋層；沉積反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層和自由軟磁層時(shí)，可以選擇施加50～5000Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)；3)采用微加工工藝將步驟2)中沉積了磁性多層膜的襯底加工成環(huán)狀結(jié)構(gòu)；所述的微加工工藝的具體步驟為首先經(jīng)過(guò)涂膠、前烘，再在電子束曝光機(jī)上，根據(jù)所需的環(huán)狀圖形對(duì)片基進(jìn)行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜刻成環(huán)形，最后用去膠劑浸泡進(jìn)行去膠；必要時(shí)還可以利用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)進(jìn)行輔助去膠；4)在步驟3)得到的刻蝕成形的環(huán)狀磁性多層膜上，利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等，沉積一層絕緣層將各環(huán)狀多層膜進(jìn)行掩埋并且相互隔離；所述的絕緣層為常規(guī)的絕緣體材料，優(yōu)選SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO或有機(jī)分子材料(如聚氯乙烯PVC，聚乙烯PE，聚丙烯PP等)，厚度為100～1000nm；5)利用微加工工藝，在環(huán)狀多層膜的幾何中心位置制備一個(gè)直徑為5～50000nm金屬芯；所述的微加工工藝包括首先定位到環(huán)狀多層膜的幾何中心位置，接著利用聚焦離子束刻蝕、紫外、深紫外曝光、電子束曝光、化學(xué)反應(yīng)刻蝕等微加工方法對(duì)絕緣層進(jìn)行刻蝕，形成直徑為5～50000nm的柱狀孔洞，之后利用電化學(xué)沉積方法、磁控濺射、聚焦離子束輔助沉積等方法在孔洞位置沉積金屬材料，形成金屬芯；所述的金屬芯的材料優(yōu)選電阻率較小的材料，優(yōu)選Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al等，或其合金；6)利用微加工工藝的紫外、深紫外曝光或電子束曝光方法，以及聚焦離子束刻蝕或者化學(xué)反應(yīng)干刻或化學(xué)反應(yīng)濕刻，在沉積有環(huán)狀多層膜的位置上對(duì)絕緣層進(jìn)行刻蝕使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露，得到本發(fā)明的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜。
本發(fā)明提供一種利用絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模方法制備所述的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的方法，包括如下的步驟1)選擇一個(gè)襯底，經(jīng)過(guò)常規(guī)方法清洗之后，在常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)設(shè)備(例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等)上沉積下部緩沖導(dǎo)電層(該下部緩沖導(dǎo)電層在后續(xù)加工時(shí)成為導(dǎo)電電極)；2)在步驟1)中得到的襯底上有規(guī)則或隨機(jī)地分離地分散一層絕緣體微米、亞微米或納米顆粒；利用所選擇的絕緣體微米、亞微米或納米顆粒的尺寸和形狀，來(lái)控制最終獲得的環(huán)狀磁性多層膜單元的尺寸和形狀；
所述的絕緣體微米、亞微米或納米顆粒為常規(guī)的絕緣微米、亞微米或納米顆粒，優(yōu)選SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO或有機(jī)分子(如聚氯乙烯PVC，聚乙烯PE，聚丙烯PP等)微米、亞微米或納米顆粒，直徑為10～100000nm；3)利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等，在鋪有絕緣體微米、亞微米或納米顆粒的下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積本發(fā)明的無(wú)釘扎型環(huán)狀磁性多層膜的硬磁層HFM、中間層I1、軟磁層SFM以及覆蓋層；沉積硬磁層和軟磁層時(shí)，可以選擇施加50～5000Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)；或是利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等，在下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積本發(fā)明的釘扎型環(huán)狀磁性多層膜的反鐵磁釘扎層AFM、被釘扎磁性層FM1、中間層I2、自由軟磁層FM2以及覆蓋層；沉積反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層和自由軟磁層時(shí)，可以選擇施加50～5000Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)；4)對(duì)沉積了磁性多層膜的片基進(jìn)行離子刻蝕，由于絕緣體微米、亞微米或納米顆粒起到了掩模的作用，沉積于顆粒下方的磁性多層膜被保留，而暴露于無(wú)顆粒處的磁性多層膜被刻去，最后被保留下來(lái)的沉積于絕緣體微米、亞微米或納米顆粒下方的磁性多層膜形成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)；5)利用微加工工藝，在沉積有環(huán)狀多層膜的位置上進(jìn)行選擇性化學(xué)反應(yīng)干刻或化學(xué)反應(yīng)濕刻，將殘留的絕緣體微米、亞微米或納米顆?？倘?，環(huán)狀磁性多層膜得以暴露；然后在刻蝕成形的環(huán)狀磁性多層膜上，利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等，沉積一層絕緣層將各環(huán)狀多層膜進(jìn)行掩埋并且相互隔離；所述的絕緣層為常規(guī)的絕緣體材料，優(yōu)選SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO或有機(jī)分子(如聚氯乙烯PVC，聚乙烯PE，聚丙烯PP等)材料，厚度為100～1000nm；再利用微加工工藝的紫外、深紫外曝光或電子束曝光方法，以及聚焦離子束刻蝕或者化學(xué)反應(yīng)干刻或化學(xué)反應(yīng)濕刻，在沉積有環(huán)狀多層膜的位置上對(duì)絕緣層進(jìn)行刻蝕，使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露；最后利用微加工工藝，在環(huán)狀多層膜的幾何中心位置制備一個(gè)直徑為5～50000nm金屬芯；所述的微加工工藝包括首先定位到環(huán)狀多層膜的幾何中心位置，接著利用聚焦離子束刻蝕、紫外、深紫外曝光、電子束曝光、化學(xué)反應(yīng)刻蝕等微加工方法對(duì)絕緣層進(jìn)行刻蝕，形成直徑為5～50000nm的柱狀孔洞，之后利用電化學(xué)沉積方法、磁控濺射、聚焦離子束輔助沉積等方法在孔洞位置沉積金屬材料，形成金屬芯；所述的金屬芯的材料優(yōu)選電阻率較小的材料，優(yōu)選Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al等，或其合金；6)利用微加工工藝的紫外、深紫外曝光或電子束曝光方法，以及聚焦離子束刻蝕或者化學(xué)反應(yīng)干刻或化學(xué)反應(yīng)濕刻，在沉積有環(huán)狀多層膜的位置上對(duì)絕緣層進(jìn)行刻蝕使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露，得到本發(fā)明的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜。
使用時(shí)，將上述環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜進(jìn)一步加工，引出電極，具體步驟如下7)利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等，沉積一層導(dǎo)電層；所述的導(dǎo)電層為電阻率較小的金屬，優(yōu)選Au、Ag、Pt、Cu、Al、SiAl等或其金屬合金，厚度為2～200nm；8)利用常規(guī)的半導(dǎo)體微加工工藝，將導(dǎo)電層加工成電極，每個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)引出四個(gè)電極，即得到含有本發(fā)明的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的元器件；所述的常規(guī)半導(dǎo)體微加工工藝包括首先經(jīng)過(guò)涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光機(jī)或電子束曝光機(jī)上，利用帶有待加工圖案的光刻版進(jìn)行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜上的導(dǎo)電層刻成四個(gè)電極的形狀，最后用去膠劑等浸泡進(jìn)行去膠。
本發(fā)明的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜能夠廣泛應(yīng)用于以磁性多層膜為核心的各種器件，例如，磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)磁頭，磁敏傳感器等。
本發(fā)明提供的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，使用微加工方法或絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模方法制備的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，來(lái)代替常規(guī)的磁性多層膜。在現(xiàn)有技術(shù)使用常規(guī)的非環(huán)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，由于常規(guī)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的退磁場(chǎng)和形狀各向異性的影響，使磁性多層膜的磁化狀態(tài)不易改變，在器件應(yīng)用上必須依賴外部施加的較大磁場(chǎng)或者由較大脈沖電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)來(lái)操控其磁化狀態(tài)，功耗大、成本高，并給器件的加工、集成和使用帶來(lái)許多不利因素，如噪聲和近鄰單元間的磁耦合和磁干擾以及熱效應(yīng)和散熱問(wèn)題等，并且對(duì)器件的性能產(chǎn)生不良的影響。而本發(fā)明通過(guò)改變磁性多層膜的幾何結(jié)構(gòu)，可以克服上述缺陷，提高磁性多層膜的性能，使其在保持磁性多層膜原有特征和性能的情況下，還具有無(wú)退磁場(chǎng)和最小磁各向異性，磁化狀態(tài)易于改變并且可由電流直接操控等優(yōu)點(diǎn)，避免了使用外磁場(chǎng)或者由較大脈沖電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)來(lái)操控磁化狀態(tài)所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)和工藝上的復(fù)雜性，能夠滿足大規(guī)模產(chǎn)品化的要求，即本發(fā)明的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜更適合于器件化的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、新型磁性多層膜傳感器的制備。
圖1是本發(fā)明的無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的結(jié)構(gòu)示意圖(底部的襯底、下部緩沖導(dǎo)電層以及頂部的覆蓋層未在圖中給出)；圖1-1為頂視圖，圖1-2為剖面結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的結(jié)構(gòu)示意圖(底部的襯底、下部緩沖導(dǎo)電層以及頂部的覆蓋層未在圖中給出)；圖2-1為頂視圖，圖2-2為剖面結(jié)構(gòu)圖；其中，1硬磁層HFM、2中間層I1、3軟磁層SFM、4反鐵磁釘扎層AFM、5被釘扎磁性層FM1、6中間層I2、7自由軟磁層FM2、8金屬芯，其余部分均為絕緣介質(zhì)所填埋。
具體實(shí)施方式實(shí)施例1、利用微加工方法制備無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性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SiO2/Si襯底上依次沉積厚度為5nm的下部緩沖導(dǎo)電層Ru，厚度為3nm的硬磁層(HFM)Co，厚度為1nm的中間層(I1)Cu，厚度為1nm的軟磁層(SFM)Co和厚度為4nm的覆蓋層Ru。上述磁性多層膜的生長(zhǎng)條件備底真空5×10-7帕；濺射用高純度氬氣氣壓0.07帕；濺射功率120瓦；樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp；生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.3～1.1埃/秒；生長(zhǎng)時(shí)間薄膜厚度/生長(zhǎng)速率；在沉積硬磁層和軟磁層時(shí)，要加上誘導(dǎo)磁場(chǎng)50Oe。沉積好的磁性多層膜采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先經(jīng)過(guò)涂膠、前烘，再在電子束曝光機(jī)上，根據(jù)所需的環(huán)狀圖形對(duì)片基進(jìn)行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜刻成環(huán)形，最后用去膠劑浸泡進(jìn)行去膠，即形成圓環(huán)狀幾何結(jié)構(gòu)，環(huán)的內(nèi)徑為500nm，外徑為800nm，寬度為300nm。然后在此刻蝕成形的環(huán)狀磁性多層膜上，利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等，沉積一層100nm厚的SiO2絕緣層，將各環(huán)狀多層膜進(jìn)行掩埋并且相互隔離。采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到環(huán)狀多層膜的幾何中心位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對(duì)SiO2絕緣層進(jìn)行刻蝕，形成直徑為300nm的柱狀孔洞，之后利用聚焦離子束輔助沉積方法在孔洞位置沉積金屬材料Au，形成一個(gè)直徑為300nm的Au金屬芯。然后采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)進(jìn)行刻蝕，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到沉積有環(huán)狀多層膜的位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對(duì)SiO2絕緣層進(jìn)行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的環(huán)狀磁性多層膜暴露。最后利用高真空磁控濺射設(shè)備沉積一層厚度為2nm的導(dǎo)電層Au，生長(zhǎng)條件如前所述，用常規(guī)半導(dǎo)體微加工工藝加工出電極，即首先經(jīng)過(guò)涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光機(jī)上，利用帶有待加工圖案的光刻版進(jìn)行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜上的導(dǎo)電層刻成四個(gè)電極的形狀，最后用去膠劑浸泡進(jìn)行去膠，即得到本發(fā)明的無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
實(shí)施例2、利用絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模方法制備無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性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0.3mm厚的SiO2/Si襯底上依次沉積厚度為50nm的下部緩沖導(dǎo)電層Ta，在下部緩沖導(dǎo)電層上分散一層直徑為100nm的SiO2絕緣體微米、亞微米或納米顆粒，之后再利用高真空磁控濺射設(shè)備依次生長(zhǎng)厚度為20nm的硬磁層(HFM)Co75Fe25，厚度為10nm的中間層(I1)MgO，厚度為10nm的軟磁層(SFM)Co75Fe25和厚度為10nm的覆蓋層Ta。上述磁性多層膜的生長(zhǎng)條件備底真空5×10-7帕；濺射用高純度氬氣氣壓0.07帕；濺射功率120瓦；樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp；生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.3～1.1埃/秒；生長(zhǎng)時(shí)間薄膜厚度/生長(zhǎng)速率；在沉積反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層和自由軟磁層時(shí)，要加上誘導(dǎo)磁場(chǎng)200Oe。對(duì)沉積了磁性多層膜的片基進(jìn)行離子刻蝕，由于絕緣體微米、亞微米或納米顆粒起到了掩模的作用，沉積于顆粒下方的磁性多層膜被保留，而暴露于無(wú)顆粒處的磁性多層膜被刻去，最后被保留下來(lái)的沉積于絕緣體微米、亞微米或納米顆粒下方的磁性多層膜形成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)的內(nèi)徑為50nm，外徑為100nm，寬度為50nm。采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到環(huán)狀多層膜的幾何中心位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對(duì)SiO2絕緣層進(jìn)行刻蝕，形成直徑為30nm的柱狀孔洞，之后利用聚焦離子束輔助沉積方法在孔洞位置沉積金屬材料Al，形成一個(gè)直徑為30nm的Al金屬芯。然后采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到沉積有環(huán)狀多層膜的位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對(duì)SiO2絕緣層進(jìn)行刻蝕，使得絕緣體微米、亞微米或納米顆粒下掩埋的環(huán)狀磁性多層膜暴露。最后利用高真空磁控濺射設(shè)備沉積一層厚度為10nm的導(dǎo)電層Cu，生長(zhǎng)條件如前所述，用常規(guī)半導(dǎo)體微加工工藝加工出電極，即首先經(jīng)過(guò)涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光機(jī)上，利用帶有待加工圖案的光刻版進(jìn)行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜上的導(dǎo)電層刻成四個(gè)電極的形狀，最后用去膠劑浸泡進(jìn)行去膠，即得到本發(fā)明的無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。實(shí)施例3、利用微加工方法制備釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性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0.8mm厚的SiO2/Si襯底上依次沉積厚度為25nm的下部緩沖導(dǎo)電層Cr，厚度為10nm的反鐵磁釘扎層(AFM)IrMn，厚度為3nm的被釘扎磁性層(FM1)Co90Fe10；然后沉積1nm的Al，經(jīng)等離子體氧化50秒形成的絕緣層作為中間層(I2)；在該中間層上依次沉積厚度為1nm的自由軟磁層(FM2)Co90Fe10和厚度為2nm的覆蓋層Cu。上述磁性多層膜的生長(zhǎng)條件備底真空5×10-7帕；濺射用高純度氬氣氣壓0.07帕；濺射功率120瓦；樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp；生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.3～1.1埃/秒；生長(zhǎng)時(shí)間薄膜厚度/生長(zhǎng)速率；在沉積硬磁層和軟磁層時(shí)，要加上誘導(dǎo)磁場(chǎng)150Oe。沉積好的磁性多層膜經(jīng)過(guò)背景技術(shù)中介紹的微加工采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先經(jīng)過(guò)涂膠、前烘，再在電子束曝光機(jī)上，根據(jù)所需的環(huán)狀圖形對(duì)片基進(jìn)行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜刻成環(huán)形，最后用去膠劑浸泡進(jìn)行去膠，即形成圓環(huán)狀幾何結(jié)構(gòu)，環(huán)的內(nèi)徑為300nm，外徑為600nm，寬度為300nm。然后在此刻蝕成形的環(huán)狀磁性多層膜上，利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等，沉積一層50nm厚的SiO2絕緣層，將各環(huán)狀多層膜進(jìn)行掩埋并且相互隔離。采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到環(huán)狀多層膜的幾何中心位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對(duì)SiO2絕緣層進(jìn)行刻蝕，形成直徑為300nm的柱狀孔洞，之后利用聚焦離子束輔助沉積方法在孔洞位置沉積金屬材料Cu，形成一個(gè)直徑為300nm的Cu金屬芯。然后采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)進(jìn)行刻蝕，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到沉積有環(huán)狀多層膜的位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對(duì)SiO2絕緣層進(jìn)行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的環(huán)狀磁性多層膜暴露。最后利用高真空磁控濺射設(shè)備沉積一層厚度為5nm的導(dǎo)電層Cu，生長(zhǎng)條件如前所述，用常規(guī)半導(dǎo)體微加工工藝加工出電極，即首先經(jīng)過(guò)涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光機(jī)上，利用帶有待加工圖案的光刻版進(jìn)行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜上的導(dǎo)電層刻成四個(gè)電極的形狀，最后用去膠劑浸泡進(jìn)行去膠，即得到本發(fā)明的釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
實(shí)施例4、利用絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模方法制備釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性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0.4mm厚的SiO2/Si襯底襯底上依次沉積厚度為30nm的下部緩沖導(dǎo)電層Pt，在下部緩沖導(dǎo)電層上分散一層直徑為5000nm的SiO2絕緣體微米、亞微米或納米顆粒，之后再利用高真空磁控濺射設(shè)備依次生長(zhǎng)厚度為2nm的反鐵磁釘扎層(AFM)PtMn，厚度為2nm的被釘扎磁性層(FM1)Ni79Fe21；然后沉積10nm的TiO作為中間層(I2)；在該中間層上依次沉積厚度為10nm的自由軟磁層(FM2)Ni79Fe21和厚度為2nm的覆蓋層Au。上述磁性多層膜的生長(zhǎng)條件備底真空5×10-7帕；濺射用高純度氬氣氣壓0.07帕；濺射功率120瓦；樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp；生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.3～1.1埃/秒；生長(zhǎng)時(shí)間薄膜厚度/生長(zhǎng)速率；在沉積反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層和自由軟磁層時(shí)，要加上誘導(dǎo)磁場(chǎng)100Oe。對(duì)沉積了磁性多層膜的片基進(jìn)行離子刻蝕，由于絕緣體微米、亞微米或納米顆粒起到了掩模的作用，沉積于顆粒下方的磁性多層膜被保留，而暴露于無(wú)顆粒處的磁性多層膜被刻去，最后被保留下來(lái)的沉積于絕緣體微米、亞微米或納米顆粒下方的磁性多層膜形成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)的內(nèi)徑為800nm，外徑為5000nm，寬度為4200nm。采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到環(huán)狀多層膜的幾何中心位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對(duì)SiO2絕緣層進(jìn)行刻蝕，形成直徑為500nm的柱狀孔洞，之后利用聚焦離子束輔助沉積方法在孔洞位置沉積金屬材料Al，形成一個(gè)直徑為500nm的Al金屬芯。然后采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到沉積有環(huán)狀多層膜的位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對(duì)SiO2絕緣層進(jìn)行刻蝕，使得絕緣體微米、亞微米或納米顆粒下掩埋的環(huán)狀磁性多層膜暴露。最后利用高真空磁控濺射設(shè)備沉積一層厚度為8nm的導(dǎo)電層Al，生長(zhǎng)條件如前所述，用常規(guī)半導(dǎo)體微加工工藝加工出電極，即首先經(jīng)過(guò)涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光機(jī)上，利用帶有待加工圖案的光刻版進(jìn)行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜上的導(dǎo)電層刻成四個(gè)電極的形狀，最后用去膠劑浸泡進(jìn)行去膠，即得到本發(fā)明的釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
實(shí)施例5～10、按照實(shí)施例1相同的方法，利用微加工方法制備無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其磁性多層膜的各層材料和厚度列于表1中。
表1、本發(fā)明的利用微加工方法制備無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的結(jié)構(gòu)
實(shí)施例11～16、按照實(shí)施例2相同的方法，利用絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模方法制備無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其磁性多層膜的各層材料和厚度列于表2中。
表2、本發(fā)明的利用絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模方法制備無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的結(jié)構(gòu)
實(shí)施例17～22、按照實(shí)施例3相同的方法，利用微加工方法制備釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其磁性多層膜的各層材料和厚度列于表3中。
表3、本發(fā)明的利用微加工方法制備釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的結(jié)構(gòu)
實(shí)施例23～28、按照實(shí)施例4相同的方法，利用絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模方法制備釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其磁性多層膜的各層材料和厚度列于表4中。
表4、本發(fā)明的利用絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模方法制備釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的結(jié)構(gòu)
權(quán)利要求
1.一種環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，包括一常規(guī)的磁性多層膜的各層，其特征在于所述的磁性多層膜的橫截面呈閉合的環(huán)狀，該圓環(huán)的內(nèi)徑為10～100000nm，外徑為20～200000nm；還包括位于該環(huán)狀多層膜的幾何中心位置的一個(gè)金屬芯，該金屬芯的直徑為5～50000nm，所述的金屬芯的材料為電阻率較小的金屬材料。
2.如權(quán)利要求
1所述的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其特征在于所述的金屬芯的材料為Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al。
3.一種無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其核心結(jié)構(gòu)包括一襯底及其上的下部緩沖導(dǎo)電層，在所述的下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積的硬磁層、中間層、軟磁層及覆蓋層，其特征在于所述的磁性多層膜的橫截面呈閉合的圓環(huán)狀，該圓環(huán)的內(nèi)徑為10～100000nm，外徑為20～200000nm；還包括位于該環(huán)狀多層膜的幾何中心位置的一個(gè)金屬芯，該金屬芯的直徑為5～50000nm。
4.如權(quán)利要求
3所述的無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其特征在于所述的下部緩沖導(dǎo)電層由金屬材料組成，厚度為2～200nm；所述的硬磁層由巨磁電阻效應(yīng)大的材料組成，厚度為2～20nm；所述的中間層由金屬層或者絕緣體勢(shì)壘層構(gòu)成，其中金屬層的材料為Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，絕緣體勢(shì)壘層的材料為Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中間層的厚度為0.5～10nm；所述的軟磁層的組成材料為自旋極化率高，矯頑力較小的鐵磁材料，厚度為1～20nm；所述的覆蓋層由不易被氧化的且具有較大電阻的金屬材料組成，厚度為2～10nm；所述的金屬芯的材料為電阻率較小的金屬材料。
5.如權(quán)利要求
3所述的無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其特征在于所述的襯底為Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs襯底，厚度為0.3～1mm；所述的下部緩沖導(dǎo)電層的組成材料為Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al；所述的硬磁層的組成材料為Co，F(xiàn)e，Ni，CoFe，NiFeCo，CoFeB或CoFeSiB；所述的軟磁層的組成材料為Co，F(xiàn)e，Ni或它們的金屬合金NiFe，CoFeSiB，NiFeSiB；或非晶Co100-x-yFexBy，其中0＜x＜100，0＜y≤20；或Heusler合金；所述的覆蓋層的組成材料為Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au或Cr；所述的金屬芯的材料為Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，或其合金。
6.如權(quán)利要求
3所述的無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其特征在于所述的軟磁層的組成材料為Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21。
7.一種釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，包括一襯底及其上的下部緩沖導(dǎo)電層，在所述的下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積的反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層、中間層、自由軟磁層及覆蓋層，其特征在于所述的磁性多層膜的橫截面呈閉合的圓環(huán)狀，該圓環(huán)的內(nèi)徑為10～100000nm，外徑為20～200000nm；還包括位于該環(huán)狀多層膜的幾何中心位置的一個(gè)金屬芯，該金屬芯的直徑為5～50000nm。
8.如權(quán)利要求
7所述的釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其特征在于所述的下部緩沖導(dǎo)電層由金屬材料組成，厚度為2～200nm；所述的反鐵磁釘扎層由具有反鐵磁性的合金組成，厚度為3～30nm；所述的被釘扎磁性層的組成材料為具有較高自旋極化率的鐵磁性金屬，厚度為2～20nm；所述的中間層由金屬層或者絕緣體勢(shì)壘層構(gòu)成，其中金屬層的材料為Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，絕緣體勢(shì)壘層的材料為Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中間層的厚度為0.5～10nm；所述的自由軟磁層的組成材料為自旋極化率高，矯頑力較小的鐵磁材料，厚度為1～20nm；所述的覆蓋層由不易被氧化的且具有較大電阻的金屬材料組成，厚度為2～10nm；所述的金屬芯的材料為電阻率較小的金屬材料。
9.如權(quán)利要求
7所述的釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其特征在于所述的襯底為Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs襯底，厚度為0.3～1mm；所述的下部緩沖導(dǎo)電層的組成材料為Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al；所述的反鐵磁釘扎層的組成材料為IrMn，F(xiàn)eMn，PtMn，或CrMn；所述的被釘扎磁性層的組成材料為Fe、Co、Ni及其合金；所述的自由軟磁層的組成材料為Co，F(xiàn)e，Ni或它們的金屬合金；或非晶Co100-x-yFexBy，其中0＜x＜100，0＜y≤20；或NiFeSiB，或Heusler合金；所述的覆蓋層的組成材料為Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au或Cr；所述的金屬芯的材料為Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，或其合金。
10.如權(quán)利要求
7所述的釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其特征在于所述的被釘扎磁性層的組成材料為CoFe合金，NiFe合金，非晶CoFeB合金，或CoFeSiB；所述的自由軟磁層的組成材料為Co2MnSi，Co2Cr0.6Fe0.4Al，Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21。
11.一種利用微加工方法制備權(quán)利要求
1至10之一所述的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的方法，包括如下的步驟1)選擇一個(gè)襯底，經(jīng)過(guò)常規(guī)方法清洗之后，在常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)設(shè)備上沉積下部緩沖導(dǎo)電層；2)利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，在下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積本發(fā)明的無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的硬磁層、中間層、軟磁層以及覆蓋層；或是利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，在下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積本發(fā)明的釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層、中間層、自由軟磁層以及覆蓋層；3)采用微加工工藝將步驟2)中沉積了磁性多層膜的襯底加工成環(huán)狀結(jié)構(gòu)；4)在步驟3)得到的刻蝕成形的環(huán)狀磁性多層膜上，利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，沉積一層厚度為100～1000nm的絕緣層將各環(huán)狀多層膜進(jìn)行掩埋并且相互隔離；5)首先定位到環(huán)狀多層膜的幾何中心位置，接著利用微加工方法對(duì)絕緣層進(jìn)行刻蝕，形成直徑為5～50000nm的柱狀孔洞，之后向此孔洞中沉積金屬材料，在環(huán)狀多層膜的幾何中心位置制備一個(gè)直徑為5～50000nm金屬芯；6)利用微加工工藝，在沉積有環(huán)狀多層膜的位置上對(duì)絕緣層進(jìn)行刻蝕使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露，得到本發(fā)明的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜。
12.如權(quán)利要求
11所述的利用微加工方法制備環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的方法，其特征在于所述步驟2)在沉積硬磁層和軟磁層時(shí)，或沉積反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層和自由軟磁層時(shí)，施加50～5000Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)；所述的步驟3)還包括利用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)進(jìn)行輔助去膠；所述步驟4)的絕緣層為SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO，聚氯乙烯，聚乙烯或聚丙烯。
13.一種利用絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模方法制備權(quán)利要求
1至10之一所述的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的方法，包括如下的步驟1)選擇一個(gè)襯底，經(jīng)過(guò)常規(guī)方法清洗之后，在常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)設(shè)備上沉積下部緩沖導(dǎo)電層；2)在步驟1)中得到的襯底上分散一層直徑為10～100000nm的絕緣體顆粒；3)利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，在鋪有絕緣體顆粒的下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積本發(fā)明的無(wú)釘扎型環(huán)狀磁性多層膜的硬磁層、中間層、軟磁層以及覆蓋層；或是利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，在下部緩沖導(dǎo)電層上依次沉積本發(fā)明的釘扎型環(huán)狀磁性多層膜的反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層、中間層、自由軟磁層以及覆蓋層；4)對(duì)沉積了磁性多層膜的片基進(jìn)行離子刻蝕，由于絕緣體顆粒起到了掩模的作用，沉積于顆粒下方的磁性多層膜被保留，而暴露于無(wú)顆粒處的磁性多層膜被刻去，最后被保留下來(lái)的沉積于絕緣體顆粒下方的磁性多層膜形成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)；5)利用微加工工藝，在沉積有環(huán)狀多層膜的位置上進(jìn)行選擇性化學(xué)反應(yīng)干刻或化學(xué)反應(yīng)濕刻，將殘留的絕緣體微米、亞微米或納米顆?？倘?，環(huán)狀磁性多層膜得以暴露；然后在刻蝕成形的環(huán)狀磁性多層膜上，利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，沉積一層厚度為100～1000nm的絕緣層將各環(huán)狀多層膜進(jìn)行掩埋并且相互隔離；再利用微加工工藝，在沉積有環(huán)狀多層膜的位置上對(duì)絕緣層進(jìn)行刻蝕，使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露；最后利用微加工工藝，首先定位到環(huán)狀多層膜的幾何中心位置，接著利用微加工方法對(duì)絕緣層進(jìn)行刻蝕，形成直徑為5～50000nm的柱狀孔洞，之后向此孔洞中沉積金屬材料，在環(huán)狀多層膜的幾何中心位置制備一個(gè)直徑為5～50000nm金屬芯；6)利用微加工，在沉積有環(huán)狀多層膜的位置上對(duì)絕緣層進(jìn)行刻蝕使絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露，得到本發(fā)明的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜。
14.如權(quán)利要求
13所述的利用微加工方法制備環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的方法，其特征在于所述步驟2)的絕緣體顆粒為SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO，聚氯乙烯，聚乙烯，或聚丙烯的微米、亞微米或納米顆粒；所述步驟3)在沉積硬磁層和軟磁層時(shí)，或沉積反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層和自由軟磁層時(shí)，施加50～5000Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)；所述步驟5)的絕緣層為SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO，聚氯乙烯，聚乙烯或聚丙烯。
15.如權(quán)利要求
11或13所述的制備環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的方法，還進(jìn)一步包括如下的步驟7)利用常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)手段，沉積一層導(dǎo)電層；所述的導(dǎo)電層為電阻率較小的金屬，厚度為2～200nm；8)利用常規(guī)的半導(dǎo)體微加工工藝，將導(dǎo)電層加工成電極，每個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)引出四個(gè)電極，得到含有本發(fā)明的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜的元器件。
16.如權(quán)利要求
1至10之一所述的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜在以磁性多層膜為核心的各種器件中的應(yīng)用。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其特征在于所述的磁性多層膜的橫截面呈閉合的環(huán)狀，該圓環(huán)的內(nèi)徑為10～100000nm，外徑為20～200000nm；還包括位于該環(huán)狀多層膜的幾何中心位置的一個(gè)金屬芯，該金屬芯的直徑為5～50000nm。按照形成的材料分類，本發(fā)明的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜包括無(wú)釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜和釘扎型環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜，其可以通過(guò)微加工方法或絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模兩種方法來(lái)制備。本發(fā)明的環(huán)狀含金屬芯的磁性多層膜無(wú)退磁場(chǎng)，形狀各向異性微弱，能夠廣泛應(yīng)用于以磁性多層膜為核心的各種器件，例如，磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)磁頭，磁敏傳感器等。
文檔編號(hào)H01L43/08GK1992105SQ200510135370
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年12月31日
發(fā)明者馬明, 韓秀峰, 姜麗仙, 韓宇男, 覃啟航, 魏紅祥 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan