專利名稱：一種抑制具有垂直磁各向異性薄膜中錳擴散的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于磁性多層膜的制備技術領域，特別是提供了一種抑制具有垂直磁各向異性薄膜中Mn擴散的方法，磁性多層膜的改性。
背景技術：
目前以至將來，利用磁性多層膜制作磁性隨機存儲器或高靈敏度磁傳感器等相關器件時，為了達到高密度信息存儲或高靈敏度等性能，必須把元件做到亞微米甚至更小尺寸。然而，到目前為止，用來做元器件的所有磁性多層膜利用的基本上都是具有平行膜面的磁各向異性交換耦合的磁性多層膜(即磁各向異性的易軸平行于膜面)，如磁隧道結或自旋閥。當把它們加工成小尺寸元件時，總希望薄膜具有單磁疇結構。然而，當進一步把元件做到亞微米甚至更小尺寸時，將帶來不利問題在薄膜的邊緣出現(xiàn)磁化卷縮(magnetizationcurling)，從而導致薄膜渦流磁化(Vortex magnetization)，亦即出現(xiàn)渦流磁疇結構，如果用來做磁性隨機存儲器等相關器件，將導致存儲信息的丟失，從而限制了高信息存儲技術的進一步發(fā)展[J.Shi，S.Tehrani，and M.R.Scheinfein，“Geometry dependence of magnetizationvortices in patterned submicron NiFe elements”，Appl.Phys.Lett.76，2588(2000).]。為了解決這一問題，最近研究出了具有垂直膜面的磁各向異性交換耦合的磁性多層膜(即磁各向異性的易軸垂直于膜面)，如(Pt/Co)n/CoO，(Pt/Co)n/FeMn，(Pt/Co)n/NiO，這里n表示Pt/Co雙層膜重復的次數(shù)。用這樣的多層膜(這種多層膜可以進一步做成自旋閥或磁隧道結等)加工成元件到亞微米尺寸甚至更小尺寸時，薄膜總會處于單磁疇結構狀態(tài)，從而克服了平行膜面的磁各向異性交換耦合的磁性多層膜的致命缺陷[S.Maat，K.Takano，S.S.P.Parkin，et al.，“Perpendicular exchange bias of Co/Pt multilayers”，Phys.Rev.Lett.87，087202(2001)]。FeMn或其它反鐵磁Mn合金是交換耦合場較大的反鐵磁材料，因此它們常?？杀挥米鼋粨Q耦合磁性多層膜中的反鐵磁層；而Pt/Co多層膜由于具有較好的垂直磁各向異性常被用做鐵磁層。在FeMn或其它反鐵磁Mn合金為反鐵磁層的這樣的多層膜中，當為了取得好的垂直磁各向異性和大的交換耦合場時需要在磁場中熱處理，盡管時間不長，但Mn還是很容易擴散到Pt/Co中，從而破壞該多層膜的垂直磁各向異性以及垂直交換耦合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種抑制具有垂直磁各向異性薄膜中Mn擴散的方法，解決了Mn在Pt/Co中容易擴散到的問題。
本發(fā)明提出在FeMn(或其它反鐵磁Mn合金，如NiMn、PtMn、IrMn等)與Pt/Co多層膜之間插入Co的納米氧化層或CoFe的納米氧化層NOL(nano-oxide layers)來阻止Mn的擴散。用該方法可以阻止Mn的擴散，從而大大提高垂直磁各向異性及交換耦合場，更好地滿足磁電阻有關器件制作對交換耦合場指標的需要。
本發(fā)明是在(Pt/Co)n/FeMn結構中的(Pt/Co)n與FeMn層之間插入1～2nm CoFe或Co等任一種的納米氧化層NOL，這里FeMn也可以為其它反鐵磁Mn合金。將清洗干凈的玻璃基片或單晶硅基片上沉積Pt(60～200)/[Pt(20～40)/Co(3～5)]3～20/NOL/FeMn(70～150)/Pt(60～100)。制備過程是在磁控濺射儀中進行，濺射室本底真空度為1×10-5～6×10-5Pa，濺射時氬氣壓(99.99％)為0.4～0.7Pa；基片用循環(huán)水冷卻。其中NOL是在通入樣品制備室氧氣，氣壓為0.2～1Pa，氧化1～5分鐘條件下形成的。樣品制備完畢后，在真空度小于6×10-5Pa的退火爐中熱處理10～20分鐘，退火溫度200～400℃，垂直于基片方向磁場為500～1000奧斯特。
本發(fā)明所述的其他反鐵磁Mn合金為NiMn、PtMn、IrMn、RhMn和PdPtMn等本發(fā)明的優(yōu)點在于因為采用納米氧化層NOL插入(Pt/Co)n與FeMn或其它反鐵磁Mn合金之間。Mn原子將與NOL中的Co的氧化物或Fe的氧化物反應形成MnO，從而使Mn原子陷在NOL中，阻止它的向(Pt/Co)n中的進一步擴散。這樣就保證了多層膜具有良好的垂直磁各向異性及垂直交換耦合場。該發(fā)明具有制備方便、成本低、交換耦合場提高明顯等優(yōu)點。
具體實施例方式
實施例1在磁控濺射儀中制備磁性多層膜。首先將單晶Si(001)基片用有機化學溶劑和去離子水超聲清洗，然后裝入濺射室樣品基座上。基片用循環(huán)水冷卻。濺射室本底真空3×10-5Pa，在濺射時氬氣(純度為99.99％)壓為0.5Pa的條件下依次沉積Pt(100)/[Pt(40)/Co(3)]3/NOL/FeMn(140)/Pt(60)。其中NOL是Co90Fe10(12)的氧化物，在通入樣品制備室氧氣，氣壓為0.3Pa，氧化2分鐘條件下形成的。樣品制備完畢后，在真空度優(yōu)于6×10-5Pa的退火爐中熱處理12分鐘，退火溫度250℃，垂直于基片方向磁場為1000奧斯特。
X射線光電子能譜深度剖析表明沒有Mn原子擴散到(Pt/Co)中，這就是說，插入納米氧化層可以使Mn的擴散被抑制。磁性測試結果表明垂直交換耦合場為280Oe，不插入納米氧化層時為220Oe，提高約27％。
實施例2在磁控濺射儀中制備具有垂直磁各向異性的磁性多層膜。將具有3000 SiO2氧化層的單晶Si(001)基片清洗干凈，然后裝入濺射室樣品基座上?；醚h(huán)水冷卻。濺射室本底真空2×10-5Pa，在濺射時氬氣(純度為99.99％)壓為0.4Pa的條件下依次沉積Pt(150)/[Pt(50)/Co(3)]3/NOL/PtMn(200)/Pt(100)。其中NOL是Co(14)的氧化物，在通入樣品制備室氧氣，氣壓為0.5Pa，氧化5分鐘條件下形成的。樣品制備完畢后，在真空度優(yōu)于6×10-5Pa的退火爐中熱處理10分鐘，退火溫度400℃，垂直于基片方向磁場為1000奧斯特。
俄歇電子能譜深度剖析表明沒有Mn原子擴散到(Pt/Co)中，這就是說，插入納米氧化層可以使Mn的擴散被抑制。磁性測試結果表明垂直交換耦合場為350Oe，不插入納米氧化層時為280Oe，提高約25％。
權利要求
1.一種抑制具有垂直磁各向異性薄膜中Mn擴散的方法，其特征在于在FeMn或其他反鐵磁Mn合金與Pt/Co多層膜之間插入Co的納米氧化層或CoFe的納米氧化層來阻止Mn的擴散。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于在(Pt/Co)n/FeMn結構中的(Pt/Co)n與FeMn層之間插入1～2nm CoFe或Co任一種的納米氧化層NOL；將清洗干凈的玻璃基片或單晶硅基片上沉積Pt(60～200)/[Pt(20～40)/Co(3～5)]3～20/NOL/FeMn(70～150)/Pt(60～100)；制備過程是在磁控濺射儀中進行，濺射室本底真空度為1×10-5～6×10-5Pa，濺射時氬氣壓為0.4～0.7Pa；基片用循環(huán)水冷卻；其中NOL是在通入樣品制備室氧氣，氣壓為0.2～1Pa，氧化1～5分鐘條件下形成的；樣品制備完畢后，在真空度小于6×10-5Pa的退火爐中熱處理10～20分鐘，退火溫度200～400℃，，垂直于基片方向磁場為500～1000奧斯特。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于濺射時所用氬氣純度為99.99％。
4.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的其他反鐵磁Mn合金為NiMn、PtMn、IrMn、RhMn和PdPtMn。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種抑制具有垂直磁各向異性薄膜中Mn擴散的方法，在FeMn或其他反鐵磁Mn合金與Pt/Co多層膜之間插入Co的納米氧化層或CoFe的納米氧化層來阻止Mn的擴散。本發(fā)明的優(yōu)點在于因為采用納米氧化層NOL插入(Pt/Co)n與FeMn或其它反鐵磁Mn合金之間。Mn原子將與NOL中的Co的氧化物或Fe的氧化物反應形成MnO，從而使Mn原子陷在NOL中，阻止它的向(Pt/Co)n中的進一步擴散。這樣就保證了多層膜具有良好的垂直磁各向異性及垂直交換耦合場。本發(fā)明具有制備方便、成本低、交換耦合場提高明顯等優(yōu)點。
文檔編號H01L43/00GK1674147SQ20051001139
公開日2005年9月28日 申請日期2005年3月7日 優(yōu)先權日2005年3月7日
發(fā)明者于廣華, 滕蛟, 翟中海, 姜勇, 王立錦 申請人:北京科技大學