專利名稱：一種提高Co/Cu/NiFe/FeMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場穩(wěn)定性的方法，屬于磁電子學(xué)和
磁記錄技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1988年以來，隨著交流阻抗隨外磁場而變化的巨磁阻抗材料、電阻率隨外磁場而變化的巨磁電阻材料和幾何尺寸隨外磁場而伸縮變化的巨磁致伸縮材料的問世，出現(xiàn)了磁電子器件這一新概念。基于多層膜巨磁電阻材料和自旋隧道結(jié)磁電阻材料的磁阻傳感器比目前廣泛應(yīng)用的基于各向異性磁電阻材料傳感器具有更大的磁電阻效應(yīng)，靈敏度及信噪比更高，應(yīng)用范圍更廣，可廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)、車輛工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、儀器儀表以及空間技術(shù)。目前，在國際上已將基于多層膜巨磁電阻材料和自旋隧道結(jié)磁電阻材料的磁電子傳感器應(yīng)用于磁場測量、電流測量、位置測量、位移與速度測量、應(yīng)變測量、DNA檢測等領(lǐng)域。 對磁電子器件中使用的磁性多層膜而言，在反向飽和場下長時間停留偏置場會逐漸降低，這一點在使用溫度高于室溫時表現(xiàn)得尤為明顯。磁性多層膜的這一熱磁穩(wěn)定性問題嚴重地影響著磁電子器件可靠性和使用壽命。在實際應(yīng)用中，人們大多在制備薄膜之前通過選擇合適的緩沖層、鐵磁層及反鐵磁層材料與厚度，控制多層膜材料的微觀結(jié)構(gòu)與組織，來得到熱磁穩(wěn)定性相對較好的磁性多層膜。但到目前為止磁性多層膜的熱磁穩(wěn)定性問題都沒有得到很好的解決。當前，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了離子輻照對磁性薄膜/多層膜的性能影響研究，并發(fā)現(xiàn)離子輻照一般會破壞鐵磁層的磁性或改變磁晶各向異性、增強疇壁運動、減小磁性耦合強度和磁電阻，如發(fā)明專利基于薄膜/多層膜納米磁電子器件的無掩模制備方法(200710133293.0)所述。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高Co/Cu/NiFe/FeMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場穩(wěn)定性的方法，可有效地提高磁電子器件的可靠性和使用壽命。 本發(fā)明通過離子輻照引起的材料微觀結(jié)構(gòu)的變化以及化學(xué)元素在界面間的擴散來調(diào)整或改變鐵磁層與反鐵磁層的界面耦合特性，從而提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場的穩(wěn)定性。
—種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場穩(wěn)定性的方法，包括以下步驟
(1)、按襯底、緩沖層、磁性層、保護層的順序沉積制作磁性多層膜，在沉積磁性層時，根據(jù)需要施加50 500Oe的平面誘導(dǎo)磁場或沉積完成后進行必要磁場熱處理；
(2)、利用聚焦鎵離子工作站作為離子輻照設(shè)備，對按上述第(l)步方法制備的磁性多層膜或由此磁性多層膜構(gòu)成的磁性敏感單元所需改性的部位進行離子輻照改性；其中離子輻照參數(shù)為離子束能量為10 30keV，離子束流為100pA 5nA ;
其特征在于第(1)步所述磁性多層膜為具有頂置式交換偏置磁性耦合的結(jié)構(gòu)，第(2)步所述離子輻照的劑量為5X 1011 5X 1014ions/cm2。 —種提高Co/Cu/NiFe/FeMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場穩(wěn)定性的方法，包括以下步驟(1)、利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的lmm厚的單晶硅襯底上依次沉積厚度為5nm的下部緩沖層Ta，厚度為4nm的Co鐵磁層，厚度為2nm的Cu層，厚度為10nm NiFe層，厚度為13nm的PtMn和厚度為3nm的保護層Ta。 上述磁性薄膜的生長條件備底真空5X10-7pa，濺射用高純度氬氣氣壓7X10-2Pa，濺射功率120W，樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm，生長溫度室溫，生長速率0.03 0.12nm/s，在沉積時，施加lOOOe平面誘導(dǎo)磁場，方向平行于膜面方向； (2)、沉積好的磁性多層膜采用聚焦離子束工作站進行輻照改性，離子輻照的劑量為5X10"ions/cm2，離子束能量為30keV，離子束流為lnA。 本發(fā)明采用聚焦離子束技術(shù)，通過低劑量的離子輻照改性使得磁性多層膜的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化以及化學(xué)元素在界面間發(fā)生擴散來優(yōu)化鐵磁層與反鐵磁層間的界面耦合性能。與專利基于薄膜/多層膜納米磁電子器件的無掩模制備方法(200710133293.0)相比，區(qū)別在于本專利通過低劑量的離子輻照改性使得磁性多層膜的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化以及化學(xué)元素在界面間發(fā)生擴散來優(yōu)化鐵磁層與反鐵磁層間的界面耦合性能，而前者通過較大劑量的離子輻照來去除磁性層的磁性以達到無掩膜制造磁電子器件的目的。
本發(fā)明提供的一種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場穩(wěn)定性的方法，還可應(yīng)用于由磁性多層膜構(gòu)成的巨磁阻電阻傳感器、磁性隨機存取存儲器、磁記錄器件等磁敏感器件中的磁敏感單元，具有方法簡單、效果好等優(yōu)點。


圖1為CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋閥結(jié)構(gòu)磁性多層膜經(jīng)1 X 1013ions/cm2的鎵離子輻照后的偏置場的穩(wěn)定性。 圖2為Co/Cu/NiFe/FeMn自旋閥結(jié)構(gòu)磁性多層膜經(jīng)5 X 10"ions/cm2的鎵離子輻照后的偏置場的穩(wěn)定性。 圖3為CoFe/A10x/CoFe/IrMn自旋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)多層膜經(jīng)1 X 1014ions/cm2的鎵離子輻照后的偏置場的穩(wěn)定性。 圖4為FeNi/A10x/NiFe/FeMn自旋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)多層膜經(jīng)5 X 1014ions/cm2的鎵離子輻照后的偏置場的穩(wěn)定性。
具體實施例方式
下面通過實例進一步描述本發(fā)明。 實施例l、基于CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜 利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的1mm厚的單晶硅襯底上依次沉積厚度為5nm的下部緩沖層Ta，厚度為5nm的CoFe鐵磁層，厚度為2.5nm的Cu層，厚度為5nm CoFe層，厚度為12nm的IrMn和厚度為8nm的保護層Ta。上述磁性薄膜的生長條件備底真空5X10-7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓7X10-2Pa;濺射功率120W;樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm;生長溫度室溫；生長速率0.03 0.12nm/s ;在沉積時，施加lOOOe平面誘導(dǎo)磁場，方向平行于膜面方向。沉積好的磁性多層膜采用聚焦離子束工作站進行離子輻照改性，離子輻照的劑量為lX1013ionS/cm2，離子束能量為30keV，離子束流為lnA。首先在聚焦離子束工作站上上載離子束與樣品臺的控制程序，再運行程序?qū)Υ判远鄬幽みM行離子輻照，經(jīng)輻照后的樣品的熱穩(wěn)定性可明顯得到提高，如圖l所示，圖中的偏置場大小可利用振動樣品磁強計(VSM)來記錄磁性多層膜的磁滯回線方法獲得。 實施例2、基于Co/Cu/NiFe/FeMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜 利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的lmm厚的單晶硅襯底上依次沉積厚度為5nm的下部緩沖層Ta，厚度為4nm的Co鐵磁層，厚度為2nm的Cu層，厚度為10nm NiFe層，厚度為13nm的PtMn和厚度為3nm的保護層Ta。上述磁性薄膜的生長條
件備底真空5X10-7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓7X10-2Pa;濺射功率120W ;樣
品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm ;生長溫度室溫；生長速率0.03 0.12nm/s ;在沉積時，施加lOOOe平面誘導(dǎo)磁場，方向平行于膜面方向。沉積好的磁性多層膜采用聚焦離子束工作站進行輻照改性，離子輻照的劑量為5X10"ions/cm2，離子束能量為30keV，離子束流為lnA。首先在聚焦離子束工作站上上載離子束與樣品臺的控制程序，再運行程序?qū)Υ判远鄬幽みM行離子輻照，經(jīng)輻照后的樣品的熱穩(wěn)定性可明顯得到提高，如圖2所示，圖中的偏置場大小可利用振動樣品磁強計(VSM)來記錄磁性多層膜的磁滯回線方法獲得。
實施例3、基于CoFe/A10x/CoFe/IrMn自旋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)多層膜
利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的lmm厚的單晶硅襯底上依次沉積厚度為4nm的下部緩沖層Ta，厚度為3nm的CoFe鐵磁層，厚度為lnm的A10x層，厚度為3nm的CoFe層，厚度為12nm的IrMn和厚度為12nm的保護層Ta。 上述磁性薄
膜的生長條件備底真空5X10-7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓7X10-2Pa;濺射功率
120W;樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm;生長溫度室溫；生長速率0.03 0.12nm/s ;在沉積時，施加200Oe平面誘導(dǎo)磁場，方向平行于膜面方向。沉積好的磁性薄膜采用聚焦離子束工作站進行輻照改性，離子輻照的劑量為1X10"ions/cm2，離子束能量為30keV，離子束流為lnA。首先在聚焦離子束工作站上上載離子束與樣品臺的控制程序，再運行程序?qū)Υ判远鄬幽みM行離子輻照，經(jīng)輻照后的樣品的熱穩(wěn)定性可明顯得到提高，如圖3所示，圖中的偏置場大小可利用振動樣品磁強計(VSM)來記錄磁性多層膜的磁滯回線方法獲得。 實施例4、基于FeNi/AKVNiFe/FeMn自旋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)多層膜
利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的lmm厚的單晶硅襯底上依次沉積厚度為3nm的下部緩沖層Ta，厚度為10nm的FeNi鐵磁層，厚度為lnm的A10x層，厚度為10nm的NiFe層，厚度為10nm的FeMn和厚度為13nm的保護層Ta。上述磁性薄
膜的生長條件備底真空5X10-7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓7X10-2Pa;濺射功率
120W;樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm;生長溫度室溫；生長速率0.03 0.12nm/s ;在沉積時，施加200Oe平面誘導(dǎo)磁場，方向平行于膜面方向。沉積好的磁性薄膜采用聚焦離子束工作站進行輻照改性，離子輻照的劑量為5X10"ions/cm2，離子束能量為30keV，離子束流為lnA。首先在聚焦離子束工作站上上載離子束與樣品臺的控制程序，再運行程
5序?qū)Υ判远鄬幽みM行離子輻照，經(jīng)輻照后的樣品其熱穩(wěn)定性可明顯得到提高，如圖4所 示，圖中的偏置場大小可利用振動樣品磁強計(VSM)來記錄磁性多層膜的磁滯回線方法 獲得。
權(quán)利要求
一種提高Co/Cu/NiFe/FeMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場穩(wěn)定性的方法，包括以下步驟(1)、利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的1mm厚的單晶硅襯底上依次沉積厚度為5nm的下部緩沖層Ta，厚度為4nm的Co鐵磁層，厚度為2nm的Cu層，厚度為10nm NiFe層，厚度為13nm的PtMn和厚度為3nm的保護層Ta。上述磁性薄膜的生長條件備底真空5×10-7Pa，濺射用高純度氬氣氣壓7×10-2Pa，濺射功率120W，樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm，生長溫度室溫，生長速率0.03～0.12nm/s，在沉積時，施加100Oe平面誘導(dǎo)磁場，方向平行于膜面方向；(2)、沉積好的磁性多層膜采用聚焦離子束工作站進行輻照改性，離子輻照的劑量為5×1011ions/cm2，離子束能量為30keV，離子束流為1nA。
全文摘要
一種提高Co/Cu/NiFe/FeMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場穩(wěn)定性的方法，屬磁電子學(xué)和磁記錄技術(shù)領(lǐng)域。一種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場穩(wěn)定性的方法，屬磁電子學(xué)和磁記錄技術(shù)領(lǐng)域。它包括以下步驟(1)、沉積制作Co/Cu/NiFe/FeMn自旋閥結(jié)構(gòu)多層膜；(2)、利用聚焦鎵離子工作站作為離子輻照設(shè)備，進行離子輻照改性，離子輻照的劑量為5×1011ions/cm2，離子束能量為30keV，離子束流為1nA。本方法可應(yīng)用于由磁性多層膜構(gòu)成的巨磁阻電阻傳感器、磁性隨機存取存儲器、磁記錄器件等磁敏感器件中的磁敏感單元，具有方法簡單、效果好等優(yōu)點。
文檔編號H01L43/00GK101692480SQ200910164870
公開日2010年4月7日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者周廣宏, 李子全, 王寅崗, 陳建康 申請人:南京航空航天大學(xué)