一种提高CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜结构中偏置场稳定性的方法转让专利
申请号 : CN200810098871.6
文献号 : CN100585898C
文献日 : 2010-01-27
发明人 : 王寅岗 , 李子全 , 陈建康 , 周广宏
申请人 : 南京航空航天大学
摘要 :
一种提高CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜结构中偏置场稳定性的方法，属磁电子学和磁记录技术领域。一种提高磁性多层膜结构中偏置场稳定性的方法，属磁电子学和磁记录技术领域。它包括以下步骤：(1)沉积制作CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜；(2)利用聚焦镓离子工作站作为离子辐照设备，进行离子辐照改性，离子辐照的剂量为1×1013ions/cm2，离子束能量为30keV，离子束流为1nA。本方法可应用于由磁性多层膜构成的巨磁阻电阻传感器、磁性随机存取存储器、磁记录器件等磁敏感器件中的磁敏感单元，具有方法简单、效果好等优点。
权利要求 :
1、一种提高CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜结构中偏置场稳定性的方法，包括以下步骤： (1)、利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的单晶硅衬底上依次沉积厚度为5nm的下部缓冲层Ta，厚度为5nm的CoFe铁磁层，厚度为2.5nm的Cu层，厚度为5nm CoFe层，厚度为12nm的IrMn和厚度为8nm的保护层Ta，上述磁性薄膜的生长条件：备底真空：5×10-7Pa，溅射用高纯度氩气气压：7×10-2Pa，溅射功率：120W，样品架旋转速率：20rpm，生长温度：室温，生长速率：0.03～0.12nm/s，在沉积时，施加100Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向； (2)、沉积好的磁性多层膜采用聚焦离子束工作站进行离子辐照改性，离子辐照的剂量为1×1013ions/cm2，离子束能量为30keV，离子束流为1nA。
说明书 :
一种提高CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜结构中偏置场稳定
性的方法
所属技术领域
本发明涉及一种提高磁性多层膜结构中偏置场稳定性的方法，属于磁电子学和磁 记录技术领域。
背景技术
1988年以来，随着交流阻抗随外磁场而变化的巨磁阻抗材料、电阻率随外磁场 而变化的巨磁电阻材料和几何尺寸随外磁场而伸缩变化的巨磁致伸缩材料的问世，出 现了磁电子器件这一新概念。基于多层膜巨磁电阻材料和自旋隧道结磁电阻材料的磁 阻传感器比目前广泛应用的基于各向异性磁电阻材料传感器具有更大的磁电阻效应， 灵敏度及信噪比更高，应用范围更广，可广泛应用于信息技术、车辆工业、生物医学、 仪器仪表以及空间技术。目前，在国际上已将基于多层膜巨磁电阻材料和自旋隧道结 磁电阻材料的磁电子传感器应用于磁场测量、电流测量、位置测量、位移与速度测量、 应变测量、DNA检测等领域。
对磁电子器件中使用的磁性多层膜而言，在反向饱和场下长时间停留偏置场会逐 渐降低，这一点在使用温度高于室温时表现得尤为明显。磁性多层膜的这一热磁稳定 性问题严重地影响着磁电子器件可靠性和使用寿命。在实际应用中，人们大多在制备 薄膜之前通过选择合适的缓冲层、铁磁层及反铁磁层材料与厚度，控制多层膜材料的 微观结构与组织，来得到热磁稳定性相对较好的磁性多层膜。但到目前为止磁性多层 膜的热磁稳定性问题都没有得到很好的解决。当前，国内外许多学者开展了离子辐照 对磁性薄膜/多层膜的性能影响研究，并发现离子辐照一般会破坏铁磁层的磁性或改 变磁晶各向异性、增强畴壁运动、减小磁性耦合强度和磁电阻，如发明专利基于薄膜 /多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法（200710133293.0)所述。
对磁电子器件中使用的磁性多层膜而言，在反向饱和场下长时间停留偏置场会逐 渐降低，这一点在使用温度高于室温时表现得尤为明显。磁性多层膜的这一热磁稳定 性问题严重地影响着磁电子器件可靠性和使用寿命。在实际应用中，人们大多在制备 薄膜之前通过选择合适的缓冲层、铁磁层及反铁磁层材料与厚度，控制多层膜材料的 微观结构与组织，来得到热磁稳定性相对较好的磁性多层膜。但到目前为止磁性多层 膜的热磁稳定性问题都没有得到很好的解决。当前，国内外许多学者开展了离子辐照 对磁性薄膜/多层膜的性能影响研究，并发现离子辐照一般会破坏铁磁层的磁性或改 变磁晶各向异性、增强畴壁运动、减小磁性耦合强度和磁电阻，如发明专利基于薄膜 /多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法（200710133293.0)所述。
发明内容
3本发明的目的在于提供一种提高CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜结构中偏 置场稳定性的方法，可有效地提高磁电子器件的可靠性和使用寿命。
本发明通过离子辐照引起的材料微观结构的变化以及化学元素在界面间的扩散 来调整或改变铁磁层与反铁磁层的界面耦合特性，从而提高磁性多层膜结构中偏置场 的稳定性。
一种提高磁性多层膜结构中偏置场稳定性的方法，包括以下步骤：
(1) 、按衬底、缓冲层、磁性层、保护层的顺序沉积制作磁性多层膜，在沉积磁 性层时，根据需要施加50〜500Oe的平面诱导磁场或沉积完成后进行必要磁场热处理;
(2) 、利用聚焦镓离子工作站作为离子辐照设备，对按上述第（1)步方法制备 的磁性多层膜或由此磁性多层膜构成的磁性敏感单元所需改性的部位进行离子辐照 改性；其中离子辐照参数为：离子東能量为10〜30keV,离子東流为100pA〜5nA;
其特征在于：第（1 )步所述磁性多层膜为具有顶置式交换偏置磁性耦合的结构， 第（2)步所述离子辐照的剂量为5xl0U〜5xl0"ions/cm2。
一种提高CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜结构中偏置场稳定性的方法，包 括以下步骤：
(1)、利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的lmm厚的单晶硅衬底上依 次沉积厚度为5nm的下部缓冲层Ta,厚度为5nm的CoFe铁磁层，厚度为2.5nm的Cu层， 厚度为5nm CoFe层，厚度为12nm的IrMn和厚度为8nm的保护层Ta,上述磁性薄膜的 生长条件：备底真空：5xlO—7Pa,溅射用高纯度氩气气压：7xl(r2Pa,溅射功率：120W, 样品架旋转速率：20rpm,生长温度：室温，生长速率：0.03-0.12nm/s,在沉积时， 施加100Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向；
(2)、沉积好的磁性多层膜采用聚焦离子東工作站进行离子辐照改性，离子辐照 的剂量为lxl013ions/cm2,离子東能量为30keV，离子東流为lnA。
本发明釆用聚焦离子東技术，通过低剂量的离子辐照改性使得磁性多层膜的微观 结构发生变化以及化学元素在界面间发生扩散来优化铁磁层与反铁磁层间的界面耦 合性能。与专利基于薄膜/多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法(200710133293.0)
相比，区别在于本专利通过低剂量的离子辐照改性使得磁性多层膜的微观结构发生变 化以及化学元素在界面间发生扩散来优化铁磁层与反铁磁层间的界面耦合性能，而前 者通过较大剂量的离子辐照来去除磁性层的磁性以达到无掩膜制造磁电子器件的目的。本发明提供的一种提高磁性多层膜结构中偏置场稳定性的方法，还可应用于由磁 性多层膜构成的巨磁阻电阻传感器、磁性随机存取存储器、磁记录器件等磁敏感器件 中的磁敏感单元，具有方法简单、效果好等优点。
本发明通过离子辐照引起的材料微观结构的变化以及化学元素在界面间的扩散 来调整或改变铁磁层与反铁磁层的界面耦合特性，从而提高磁性多层膜结构中偏置场 的稳定性。
一种提高磁性多层膜结构中偏置场稳定性的方法，包括以下步骤：
(1) 、按衬底、缓冲层、磁性层、保护层的顺序沉积制作磁性多层膜，在沉积磁 性层时，根据需要施加50〜500Oe的平面诱导磁场或沉积完成后进行必要磁场热处理;
(2) 、利用聚焦镓离子工作站作为离子辐照设备，对按上述第（1)步方法制备 的磁性多层膜或由此磁性多层膜构成的磁性敏感单元所需改性的部位进行离子辐照 改性；其中离子辐照参数为：离子東能量为10〜30keV,离子東流为100pA〜5nA;
其特征在于：第（1 )步所述磁性多层膜为具有顶置式交换偏置磁性耦合的结构， 第（2)步所述离子辐照的剂量为5xl0U〜5xl0"ions/cm2。
一种提高CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜结构中偏置场稳定性的方法，包 括以下步骤：
(1)、利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的lmm厚的单晶硅衬底上依 次沉积厚度为5nm的下部缓冲层Ta,厚度为5nm的CoFe铁磁层，厚度为2.5nm的Cu层， 厚度为5nm CoFe层，厚度为12nm的IrMn和厚度为8nm的保护层Ta,上述磁性薄膜的 生长条件：备底真空：5xlO—7Pa,溅射用高纯度氩气气压：7xl(r2Pa,溅射功率：120W, 样品架旋转速率：20rpm,生长温度：室温，生长速率：0.03-0.12nm/s,在沉积时， 施加100Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向；
(2)、沉积好的磁性多层膜采用聚焦离子東工作站进行离子辐照改性，离子辐照 的剂量为lxl013ions/cm2,离子東能量为30keV，离子東流为lnA。
本发明釆用聚焦离子東技术，通过低剂量的离子辐照改性使得磁性多层膜的微观 结构发生变化以及化学元素在界面间发生扩散来优化铁磁层与反铁磁层间的界面耦 合性能。与专利基于薄膜/多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法(200710133293.0)
相比，区别在于本专利通过低剂量的离子辐照改性使得磁性多层膜的微观结构发生变 化以及化学元素在界面间发生扩散来优化铁磁层与反铁磁层间的界面耦合性能，而前 者通过较大剂量的离子辐照来去除磁性层的磁性以达到无掩膜制造磁电子器件的目的。本发明提供的一种提高磁性多层膜结构中偏置场稳定性的方法，还可应用于由磁 性多层膜构成的巨磁阻电阻传感器、磁性随机存取存储器、磁记录器件等磁敏感器件 中的磁敏感单元，具有方法简单、效果好等优点。
附图说明
图1为CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构磁性多层膜经1><1013 iom/cm2的镓离子辐 照后的偏置场的稳定性。
图2为Co/Cu/NiFe/FeMn自旋阀结构磁性多层膜经5xl011 ions/cm2的镓离子辐照 后的偏置场的稳定性。
图3为CoFe/A10,/CoFe/IrMn自旋随道结结构多层膜经lx1014 ions/cm2的镓离子 辐照后的偏置场的稳定性。
图4为FeNi/A10,/NiFe/FeMn自旋隧道结结构多层膜经5><1014 ions/cm2的镓离子 辐照后的偏置场的稳定性。
图2为Co/Cu/NiFe/FeMn自旋阀结构磁性多层膜经5xl011 ions/cm2的镓离子辐照 后的偏置场的稳定性。
图3为CoFe/A10,/CoFe/IrMn自旋随道结结构多层膜经lx1014 ions/cm2的镓离子 辐照后的偏置场的稳定性。
图4为FeNi/A10,/NiFe/FeMn自旋隧道结结构多层膜经5><1014 ions/cm2的镓离子 辐照后的偏置场的稳定性。
具体实施方式
下面通过实例进一步描述本发明。 实施例1 、基于CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的lmm厚的单晶硅衬底上依次沉 积厚度为5nm的下部缓冲层Ta,厚度为5nm的CoFe铁磁层，厚度为2.5nm的Cu层，厚 度为5nm CoFe层，厚度为12nm的IrMn和厚度为8nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的生 长条件：备底真空：5x10—7Pa;溅射用高纯度氩气气压：7xl0，a;溅射功率：120W; 样品架旋转速率：20rpm;生长温度：室温；生长速率：0.03~0.12nm/s;在沉积时， 施加100Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性多层膜采用聚焦离子 東工作站进行离子辐照改性，离子辐照的剂量为lxl04ons/cm2,离子東能量为30keV， 离子東流为'lnA。首先在聚焦离子東工作站上上载离子東与样品台的控制程序，再运 行程序对磁性多层膜进行离子辐照，经辐照后的样品的热稳定性可明显得到提高，如 图l所示，图中的偏置场大小可利用振动样品磁强计（VSM)来记录磁性多层膜的磁 滞回线方法获得。
实施例2、基于Co/Cu/NiFe/FeMn自旋闽结构多层膜利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的lmm厚的单晶硅衬底上依次沉 积厚度为5nm的下部缓冲层Ta,厚度为4nm的Co铁磁层，厚度为2nm的Cu层，厚度为 lOnmMFe层，厚度为13nm的PtMn和厚度为3nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的生长条 件：备底真空：5xlO—7Pa;溅射用高纯度氩气气压：7x10—2Pa;溅射功率：120W;样 品架旋转速率：20rpm;生长温度：室温；生长速率：0.03~0.12nm/s;在沉积时，施 力口100Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性多层膜采用聚焦离子束 工作站进行辐照改性，离子辐照的剂量为5xl()Hions/cm2,离子東能量为30keV,离子 束流为lnA。首先在聚焦离子束工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程 序对磁性多层膜进行离子辐照，经辐照后的样品的热稳定性可明显得到提高，如图2 所示，图中的偏置场大小可利用振动样品磁强计（VSM)来记录磁性多层膜的磁滞 回线方法获得。
实施例3、基于CoFe/AKVCoFe/IrMn自旋隧道结结构多层膜
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的lmm厚的单晶硅衬底上依次沉 积厚度为4nm的下部缓冲层Ta，厚度为3nm的CoFe铁磁层，厚度为lnm的Al(^层，厚 度为3nm的CoFe层，厚度为12nm的IrMn和厚度为12nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的 生长条件：备底真空：5xlO-7Pa;溅射用高纯度氩气气压：7xl(T2Pa;溅射功率：120W; 样品架旋转速率：20rpm;生长温度：室温；生长速率：0.03-0.12nm/s;在沉积时， 施加200Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性薄膜采用聚焦离子東 工作站进行辐照改性，离子辐照的剂量为lxlO"ions/cm2,离子東能量为30keV,离子 束流为lnA。首先在聚焦离子東工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程 序对磁性多层膜进行离子辐照，经辐照后的样品的热稳定性可明显得到提高，如图3 所示，图中的偏置场大小可利用振动样品磁强计（VSM)来记录磁性多层膜的磁滞 回线方法获得。
实施例4、基于FeNi/AK^/NiFe/FeMn自旋隧道结结构多层膜
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的lmm厚的单晶硅衬底上依次沉 积厚度为3nm的下部缓冲层Ta,厚度为10nm的FeNi铁磁层，厚度为lnm的A10x层，厚 度为10nm的NiFe层，厚度为10nm的FeMn和厚度为13nm的保护层Ta。上述磁性薄膜 的生长条件：备底真空：5xl(T7Pa;溅射用高纯度氩气气压：7>
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的lmm厚的单晶硅衬底上依次沉 积厚度为5nm的下部缓冲层Ta,厚度为5nm的CoFe铁磁层，厚度为2.5nm的Cu层，厚 度为5nm CoFe层，厚度为12nm的IrMn和厚度为8nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的生 长条件：备底真空：5x10—7Pa;溅射用高纯度氩气气压：7xl0，a;溅射功率：120W; 样品架旋转速率：20rpm;生长温度：室温；生长速率：0.03~0.12nm/s;在沉积时， 施加100Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性多层膜采用聚焦离子 東工作站进行离子辐照改性，离子辐照的剂量为lxl04ons/cm2,离子東能量为30keV， 离子東流为'lnA。首先在聚焦离子東工作站上上载离子東与样品台的控制程序，再运 行程序对磁性多层膜进行离子辐照，经辐照后的样品的热稳定性可明显得到提高，如 图l所示，图中的偏置场大小可利用振动样品磁强计（VSM)来记录磁性多层膜的磁 滞回线方法获得。
实施例2、基于Co/Cu/NiFe/FeMn自旋闽结构多层膜利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的lmm厚的单晶硅衬底上依次沉 积厚度为5nm的下部缓冲层Ta,厚度为4nm的Co铁磁层，厚度为2nm的Cu层，厚度为 lOnmMFe层，厚度为13nm的PtMn和厚度为3nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的生长条 件：备底真空：5xlO—7Pa;溅射用高纯度氩气气压：7x10—2Pa;溅射功率：120W;样 品架旋转速率：20rpm;生长温度：室温；生长速率：0.03~0.12nm/s;在沉积时，施 力口100Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性多层膜采用聚焦离子束 工作站进行辐照改性，离子辐照的剂量为5xl()Hions/cm2,离子東能量为30keV,离子 束流为lnA。首先在聚焦离子束工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程 序对磁性多层膜进行离子辐照，经辐照后的样品的热稳定性可明显得到提高，如图2 所示，图中的偏置场大小可利用振动样品磁强计（VSM)来记录磁性多层膜的磁滞 回线方法获得。
实施例3、基于CoFe/AKVCoFe/IrMn自旋隧道结结构多层膜
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的lmm厚的单晶硅衬底上依次沉 积厚度为4nm的下部缓冲层Ta，厚度为3nm的CoFe铁磁层，厚度为lnm的Al(^层，厚 度为3nm的CoFe层，厚度为12nm的IrMn和厚度为12nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的 生长条件：备底真空：5xlO-7Pa;溅射用高纯度氩气气压：7xl(T2Pa;溅射功率：120W; 样品架旋转速率：20rpm;生长温度：室温；生长速率：0.03-0.12nm/s;在沉积时， 施加200Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性薄膜采用聚焦离子東 工作站进行辐照改性，离子辐照的剂量为lxlO"ions/cm2,离子東能量为30keV,离子 束流为lnA。首先在聚焦离子東工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程 序对磁性多层膜进行离子辐照，经辐照后的样品的热稳定性可明显得到提高，如图3 所示，图中的偏置场大小可利用振动样品磁强计（VSM)来记录磁性多层膜的磁滞 回线方法获得。
实施例4、基于FeNi/AK^/NiFe/FeMn自旋隧道结结构多层膜
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的lmm厚的单晶硅衬底上依次沉 积厚度为3nm的下部缓冲层Ta,厚度为10nm的FeNi铁磁层，厚度为lnm的A10x层，厚 度为10nm的NiFe层，厚度为10nm的FeMn和厚度为13nm的保护层Ta。上述磁性薄膜 的生长条件：备底真空：5xl(T7Pa;溅射用高纯度氩气气压：7>