專利名稱：一種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)而變化的巨磁阻抗材料、電阻率隨外磁場(chǎng) 而變化的巨磁電阻材料和幾何尺寸隨外磁場(chǎng)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?；诙鄬幽ぞ薮烹娮璨牧虾妥孕淼澜Y(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(guó)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(chǎng)測(cè)量、電流測(cè)量、位置測(cè)量、位移與速度測(cè)量、 應(yīng)變測(cè)量、DNA檢測(cè)等領(lǐng)域。
對(duì)磁電子器件中使用的磁性多層膜而言，在反向飽和場(chǎng)下長(zhǎng)時(shí)間停留偏置場(chǎng)會(huì)逐 漸降低，這一點(diǎn)在使用溫度高于室溫時(shí)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(yán)重地影響著磁電子器件可靠性和使用壽命。在實(shí)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(duì)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(dāng)前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開展了離子輻照 對(duì)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(huì)破壞鐵磁層的磁性或改 變磁晶各向異性、增強(qiáng)疇壁運(yùn)動(dòng)、減小磁性耦合強(qiáng)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磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)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(kuò)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(chǎng) 的穩(wěn)定性。
一種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)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(hù)層的順序沉積制作磁性多層膜，在沉積磁
性層時(shí)，根據(jù)需要施加50 500Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)或沉積完成后進(jìn)行必要磁場(chǎng)熱處理；
(2) 、利用聚焦鎵離子工作站作為離子輻照設(shè)備，對(duì)按上述第(1)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(jìn)行離子輻照 改性；其中離子輻照參數(shù)為離子?xùn)|能量為10 30keV,離子?xùn)|流為100pA 5nA;
其特征在于離子輻照的劑量為5xlO" 5xlO"ions/cm2，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)。
本發(fā)明采用聚焦離子?xùn)|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(kuò)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(kuò)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(dá)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(chǎng)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(jī)存取存儲(chǔ)器、磁記錄器件等磁敏感器件 中的磁敏感單元，具有方法簡(jiǎn)單、效果好等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋閥結(jié)構(gòu)磁性多層膜經(jīng)b1013 ions/cm2的鎵離子輻 照后的偏置場(chǎng)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)5xl011 ions/cm2的鎵離子輻照 后的偏置場(chǎng)的穩(wěn)定性。
圖3為CoFe/A10,/CoFe/工rMn自旋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)多層膜經(jīng)lx1014 ions/cm2的鎵離子 輻照后的偏置場(chǎng)的穩(wěn)定性。
圖4為FeNi/A107NiFe/FeMn自旋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)多層膜經(jīng)5xl014 ions/cm2的鎵離子 輻照后的偏置場(chǎng)的穩(wěn)定性。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)例進(jìn)一步描述本發(fā)明。 實(shí)施例1 、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(hù)層Ta。上述磁性薄膜的生 長(zhǎng)條件備底真空5xl(T7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓7xlO-2Pa;濺射功率120W; 樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm;生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.03~0.12nm/s;在沉積時(shí)， 施加100Oe平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，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(jìn)行離子輻照改性，離子輻照的劑量為lxlO"ions/cm2,離子?xùn)|能量為30keV, 離子?xùn)|流為lnA。首先在聚焦離子?xùn)|工作站上上載離子?xùn)|與樣品臺(tái)的控制程序，再運(yùn) 行程序?qū)Υ判远鄬幽みM(jìn)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(chǎng)大小可利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)來記錄磁性多層膜的磁 滯回線方法獲得。
實(shí)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 lOnmNiFe層，厚度為13nm的PtMn和厚度為3nm的保護(hù)層Ta。上述磁性薄膜的生長(zhǎng)條 件備底真空5xl0—7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓7xl(T2Pa;濺射功率120W;樣 品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm;生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.03-0.12nm/s;在沉積時(shí)，施 加100Oe平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，方向平行于膜面方向。沉積好的磁性多層膜采用聚焦離子?xùn)| 工作站進(jìn)行輻照改性，離子輻照的劑量為5xl0"ions/cm2,離子?xùn)|能量為30keV，離子 東流為lnA。首先在聚焦離子?xùn)|工作站上上載離子?xùn)|與樣品臺(tái)的控制程序，再運(yùn)行程 序?qū)Υ判远鄬幽みM(jìn)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(chǎng)大小可利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)來記錄磁性多層膜的磁滯 回線方法獲得。
實(shí)施例3、基于CoFe/AKVCoFe/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A10i層，厚 度為3nm的CoFe層，厚度為12nm的IrMn和厚度為12nm的保護(hù)層Ta。上述磁性薄膜的 生長(zhǎng)條件備底真空5xl(T7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓7xl0,a;濺射功率120W; 樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm;生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.03~0.12nm/s;在沉積時(shí)， 施加200Oe平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，方向平行于膜面方向。沉積好的磁性薄膜采用聚焦離子?xùn)| 工作站進(jìn)行輻照改性，離子輻照的劑量為lxl0、ons/cm2，離子?xùn)|能量為30keV，離子 東流為lnA。首先在聚焦離子?xùn)|工作站上上載離子?xùn)|與樣品臺(tái)的控制程序，再運(yùn)行程 序?qū)Υ判远鄬幽みM(jìn)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(chǎng)大小可利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)來記錄磁性多層膜的磁滯 回線方法獲得。
實(shí)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AK^層，厚 度為10nm的NiFe層，厚度為10nm的FeMn和厚度為13nm的保護(hù)層Ta。上述磁性薄膜 的生長(zhǎng)條件備底真空5xl0—》a;濺射用高純度氬氣氣壓7><l(r2Pa;濺射功率 120W;樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rpm;生長(zhǎng)溫度室溫；生長(zhǎng)速率0.03-0.12nm/s;在沉
積時(shí)，施加200Oe平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，方向平行于膜面方向。沉積好的磁性薄膜釆用聚焦 離子?xùn)|工作站進(jìn)行輻照改性，離子輻照的劑量為5xl0、ons/cm2，離子束能量為30keV， 離子?xùn)|流為lnA。首先在聚焦離子束工作站上上載離子?xùn)|與樣品臺(tái)的控制程序，再運(yùn) 行程序?qū)Υ判远鄬幽みM(jìn)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(chǎng)大小可利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)來記錄磁性多層膜的磁 滯回線方法獲得。
權(quán)利要求
1、一種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)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(hù)層的順序沉積制作磁性多層膜，在沉積磁性層時(shí)，根據(jù)需要施加50～500Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)或沉積完成后進(jìn)行必要磁場(chǎng)熱處理；(2)、利用聚焦鎵離子工作站作為離子輻照設(shè)備，對(duì)按上述第(1)步方法制備的磁性多層膜或此磁性多層膜構(gòu)成的磁性敏感單元所需改性的部位進(jìn)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；其特征在于離子輻照的劑量為5×1011～5×1014ions/cm2。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)穩(wěn)定性的方法，其 特征在于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)。
全文摘要
一種提高磁性多層膜結(jié)構(gòu)中偏置場(chǎng)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)沉積磁性層；(2)利用聚焦鎵離子工作站作為離子輻照設(shè)備，進(jìn)行離子輻照改性；其特征在于離子輻照的劑量為5×10¹¹～5×10¹⁴ions/cm²。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(jī)存取存儲(chǔ)器、磁記錄器件等磁敏感器件中的磁敏感單元，具有方法簡(jiǎn)單、效果好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01F10/08GK101345286SQ20081009887
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)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(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)