專利名稱：一種可提高巨磁電阻效應(yīng)的自旋閥制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬磁電子學(xué)和磁記錄技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可提高巨磁電阻效應(yīng)的自旋閥制備方法。
背景技術(shù)：
自從在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻(GMR)效應(yīng)以來，巨磁電阻材料在超高密度磁記錄等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為國際上最前沿的研究課題之一。早期人們主要研究的是具有強(qiáng)烈反鐵磁耦合的多層膜材料，但是這些巨磁電阻材料的靈敏度非常低。目前受到普遍重視的是弱耦合或無耦合的自旋閥結(jié)構(gòu)材料。自旋閥具有如下的基本結(jié)構(gòu)襯底(Si)/緩沖層/鐵磁層/Cu/鐵磁層/反鐵磁/覆蓋層。一般人們使用Co及其合金作為鐵磁層，同時(shí)有很多反鐵磁材料可供選擇。
超高密度磁記錄的存儲(chǔ)密度得到了飛速發(fā)展，這得益于目前所用的巨磁電阻器件-自旋閥的應(yīng)用。過去十余年里，人們一直致力于提高自旋閥的巨磁電阻效應(yīng)和提高器件的靈敏度。因此尋找新的磁性材料和新的樣品制備方法，將在超高密度磁記錄領(lǐng)域中具有重要的意義，有助于推動(dòng)信息存儲(chǔ)等高科技領(lǐng)域的發(fā)展，并有可能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是對傳統(tǒng)的自旋閥連續(xù)制備方法加以改進(jìn)，提出了一種新的制備自旋閥的方法，以提高自旋閥的巨磁電阻效應(yīng)。
本發(fā)明提出的自旋閥的制備方法，具體步驟如下用真空鍍膜方法，在襯底濺射形成緩沖層，停止沉積；10分鐘-10小時(shí)之后，繼續(xù)依次濺射鐵磁層、Cu層、鐵磁層、反鐵磁層和覆蓋層；其中緩沖層為Ta，厚度為0.5-10納米，鐵磁層采用Fe、Co、Ni或它們的合金之一種，厚度為0.5-10納米，兩層鐵磁層之間的隔離層Cu，厚度為1.5-3.5納米，反鐵磁層采用NiO、FeMn、IrMn，PtMn之一種，厚度為2-30納米，覆蓋層采用Ta，厚度為1-20納米。
本發(fā)明在實(shí)際操作時(shí)可將襯底(Si或玻璃)放入無水酒精和丙酮溶液中，用超聲波發(fā)生器進(jìn)行清洗兩至三遍。將襯底放進(jìn)濺射腔內(nèi)，抽真空，本底真空度降到3.0×10-5Pa以下時(shí)(一般真空度越高越好)，通氬氣。氬氣壓通常維持在0.3-0.4Pa。采用直流濺射方式，在玻璃或硅等襯底上制備緩沖層Ta，接著關(guān)掉Ta靶和氬氣閥門，停止濺射。將濺射系統(tǒng)抽回至3.0×10-5Pa，然后再次通入氬氣，并仍保持氬氣壓在0.3-0.4Pa，啟輝Cu靶和鐵磁材料(如Co、Fe、Ni等)靶，并依次濺射鐵磁層、Cu層、鐵磁層三層膜結(jié)構(gòu)，然后再濺射反鐵磁層和覆蓋層Ta，靜置后開腔，取出樣品并測量。
本發(fā)明方法中，緩沖層和覆蓋層Ta的濺射速率可控制為0.5-2/s。鐵磁層和隔離層Cu的濺射速率分別控制為0.5-3/s。反鐵磁層的濺射速度控制為0.2-3/s，其中NiO的濺射速率可為0.2-1/s，F(xiàn)eMn、IrMn和PtMn的濺射速率為0.5-3/s。
本發(fā)明對傳統(tǒng)的自旋閥制備方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了兩步法制備自旋閥。由于該方法對各種自旋閥的性能都有所改善(巨磁電阻提高1-2％)，因此本發(fā)明將對超高密度磁記錄技術(shù)具有重大的潛在應(yīng)用價(jià)值。


圖1.玻璃/Ta(5nm)/Co(3.5nm)/Cu(3.5nm)/Co(3.5nm)/FeMn(8nm)/Ta(4nm)自旋閥，比較兩種制備方法的巨磁電阻效應(yīng)。
圖2.玻璃/Ta(5nm)/Co(3.5nm)/Cu(3.5nm)/Co(3.5nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)自旋閥，比較兩種制備方法的巨磁電阻效應(yīng)。
圖3.Si(100)/Ta(5nm)/Co(3.5nm)/Cu(3.5nm)/Co(3.5nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)自旋閥，比較兩種制備方法的巨磁電阻效應(yīng)。
其中虛線為改進(jìn)后的巨磁電阻值，實(shí)線為傳統(tǒng)辦法的巨磁電阻值具體實(shí)施方式
實(shí)施例1玻璃/Ta(5nm)/Co(3.5nm)/Cu(3.5nm)/Co(3.5nm)/FeMn(8nm)/Ta(4nm)自旋閥的制備(括號(hào)內(nèi)數(shù)值為厚度，下同)。
用計(jì)算機(jī)控制的多功能磁控濺射設(shè)備制備襯底/Ta(5nm)/Co(3.5nm)/Cu(3.5nm)/Co(3.5nm)/FeMn(8nm)/Ta(4nm)結(jié)構(gòu)的自旋閥，其中采用玻璃作為襯底，F(xiàn)eMn作反鐵磁材料。濺射系統(tǒng)的真空度、氬氣壓力和濺射流程同前。緩沖層和覆蓋層Ta的濺射速率1.0/s，Co和Cu的濺射速率分別為2.1/s和1.8/s，F(xiàn)eMn的濺射速率為1.3/s。為了比較，又采用傳統(tǒng)的方法制備，用四探針方法測量了樣品的巨磁電阻效應(yīng)。如圖1所示給出室溫時(shí)樣品的實(shí)驗(yàn)曲線，傳統(tǒng)方法和兩步法制備的樣品的巨磁電阻效應(yīng)分別為2.5％和4.8％。
實(shí)施例2.玻璃/Ta(10nm)/Co(2nm)/Cu(2nm)/Co(2nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)自旋閥的制備。
用計(jì)算機(jī)控制的多功能磁控濺射設(shè)備制備襯底/Ta(10nm)/Co(2nm)/Cu(2nm)/Co(2nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)結(jié)構(gòu)的自旋閥，其中采用玻璃作為襯底，NiO作為反鐵磁材料。濺射系統(tǒng)的真空度、氬氣壓力和濺射流程同前。緩沖層和覆蓋層Ta的濺射速率0.5/s，Co和Cu的濺射速率分別為0.8/s和1/s，F(xiàn)eMn的濺射速率為0.45/s。為了比較，又采用傳統(tǒng)的方法制備，用四探針方法測量了樣品的巨磁電阻效應(yīng)。如圖2所示，室溫時(shí)樣品的實(shí)驗(yàn)曲線，傳統(tǒng)方法和兩步法制備的樣品的巨磁電阻效應(yīng)分別為6.5％和7.8％。
實(shí)施例3. Si(100)/Ta(5nm)/Co(10nm)/Cu(2nm)/Co(10nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)自旋閥的制備。
用計(jì)算機(jī)控制的多功能磁控濺射設(shè)備制備了襯底/Ta(5nm)/Co(10nm)/Cu(2nm)/Co(10nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)自旋閥，其中采用Si(100)作為襯底，NiO作為反鐵磁材料。濺射系統(tǒng)的真空度、氬氣壓力和濺射流程同前。緩沖層和覆蓋層Ta的濺射速率2/s，Co和Cu的濺射速率分別為3/s，NiO的濺射速率為1/s。為了比較，再采用傳統(tǒng)的方法制備，用四探針方法測量了樣品的巨磁電阻效應(yīng)。如圖3所示，室溫時(shí)樣品的實(shí)驗(yàn)曲線，傳統(tǒng)方法和兩步法制備的樣品的巨磁電阻效應(yīng)分別為6.2％和7.5％。
本發(fā)明中，鐵磁層采用Ni或Fe，反鐵磁層采用IrMn或PtMn等都能獲得與上述實(shí)施例類似的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種自旋閥的制備方法，其特征在于用真空鍍膜方法，在襯底測射形成緩沖層，停止沉積；10分鐘-10小時(shí)之后，繼續(xù)依次濺射鐵磁層、Cu層、鐵磁層、反鐵磁層和覆蓋層；其中緩沖層為Ta，厚度為0.5-10納米，鐵磁層采用Fe、Co、Ni或它們的合金之一種，厚度為0.5-10納米，兩層鐵磁層之間的隔離層Cu，厚度為1.5-3.5納米，反鐵磁層采用NiO、FeMn、IrMn，、PtMn之一種，厚度為2-30納米，覆蓋層采用Ta，厚度為1-20納米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于濺射系統(tǒng)的本底真空度為3.0×10-5Pa以下，氬氣氣氛，氬氣壓力為0.3-0.4Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于緩沖層和覆蓋層Ta的濺射速率為0.5-2/s，鐵磁層和隔離層Cu的濺射速率分別為0.5-3/s，反鐵磁層的濺射速度為0.2-3/s。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于反鐵磁層中，NiO的濺射速率分別為0.2-1/s，F(xiàn)eMn、IrMn和PtMn的濺射速率為0.5-3/s。
5.根權(quán)利要求1的所述的制備方法，其特征在于所述襯底為玻璃或單晶硅。
全文摘要
本發(fā)明屬磁電子學(xué)和磁記錄技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種制備自旋閥的新方法。不同于傳統(tǒng)的連續(xù)生長，首先在襯底上生長一層Ta緩沖層，然后停止濺射，約一段時(shí)間之后，繼續(xù)濺射鐵磁/Cu/鐵磁，及反鐵磁層和覆蓋層，其中鐵磁可以是鐵、鈷、鎳及其合金，反鐵磁可以是鐵錳，氧化鎳，銥錳及鉑錳。由此完成的自旋閥的巨磁電阻效應(yīng)比連續(xù)生長自旋閥的性能得到明顯的提高。這種改善的制備方法有助于進(jìn)一步提高和改善自旋閥巨磁電阻的靈敏度。
文檔編號(hào)C23C14/18GK1603454SQ20041006758
公開日2005年4月6日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者周仕明, 王磊, 楊德政 申請人:復(fù)旦大學(xué)