專利名稱：一種垂直磁各向異性的多層膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自旋電子學(xué)材料領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及用于磁電阻效應(yīng)器件的一種垂直磁各向異性的多層膜。
背景技術(shù)：
基于磁電阻效應(yīng)尤其是巨磁電阻效應(yīng)和隧穿磁電阻效應(yīng)制作的器件，能夠獲得很 大的磁電阻，并且生產(chǎn)工藝能和常規(guī)的半導(dǎo)體工藝兼容，因此在工業(yè)上有很大的應(yīng)用前景。 自旋閥結(jié)構(gòu)和磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)是兩種常用的磁電阻器件結(jié)構(gòu)，所述自旋閥結(jié)構(gòu)和磁性隧道 結(jié)結(jié)構(gòu)的磁性電極均可以使用具有垂直磁各向異性的材料(如Co/Pt多層膜、Lltl-FePt合 金)制作。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種采用Co/Pt多層膜作為磁性電極的用于隧道結(jié)結(jié) 構(gòu)的垂直磁各向異性多層膜，其核心結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM/I/P-FM/CAP ；其中，SUB表示基 片，UL表示底層，P-FM表示具有垂直磁各向異性的磁性層，I表示用于隧穿磁電阻器件結(jié) 構(gòu)中的勢壘層，CAP表示覆蓋層；所述用于隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的垂直磁各向異性多層膜各層的具 體材料如下Pt(5nm)/[Pt(2. Onm) /Co (0. 7nm) ] 5/A10x (1. Onm)/[Co (0. 5nm) /Pt (2. Onm) ] J Pt(IOnm)。與采用面內(nèi)各向異性的磁性材料相比，使用垂直磁各向異性材料的用于巨磁電阻 器件和隧穿磁電阻器件的多層膜，具有以下三個主要優(yōu)點(diǎn)首先，具有垂直磁各向異性材料 的磁矩垂直于膜面，因此它可以被加工成更小的尺寸而不產(chǎn)生超順磁性擾動，有利于器件 的小型化，可以大幅度提高器件的集成密度；其次，當(dāng)薄膜經(jīng)過微加工用于電流驅(qū)動的自旋 電子器件如電流驅(qū)動磁矩反轉(zhuǎn)的磁性存儲器時，采用具有垂直磁各向異性的材料作為磁性 層的器件具有更小的臨界電流并具有更好的熱穩(wěn)定性；再次，使用垂直磁各向異性的多層 膜作為自旋閥結(jié)構(gòu)或磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，能夠獲得特殊的外場響應(yīng)(如對外場的線性響應(yīng))， 特別適合磁性傳感器等方面的應(yīng)用。然而，目前采用垂直磁各向異性的磁性材料的自旋閥或磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的磁電阻 通常較小，不利于實(shí)際應(yīng)用。目前，在巨磁電阻器件中以CoFe等為磁性電極的自旋閥結(jié)構(gòu)能夠獲得室溫高達(dá) 20% (Li, M. ， Liao, S. ， et al. 2002, Digestlnt. Symp. Magn. Mat. Proc. Device s)白勺gii 電阻效應(yīng)，而采用垂直磁各向異性的材料作為磁性電極的自旋閥目前實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的結(jié)果只 有2%左右；在隧穿磁電阻器件中，目前在以CoFeB為磁性電極的AlOx磁性隧道結(jié)中能得到 室溫 80% (H. X. Wei，Q. H. Qin, M. Ma, R. Sharif, X. F. Han, 2007，J. App 1. Phys. 101，09B501) 的隧穿磁電阻，在以MgO為勢壘的磁性隧道結(jié)中則能達(dá)到600% (S. Ikeda, J. Hayakawa, H. Ohno et al. 2006，Appl. Phys. Lett. 93，082508)以上，而目前在這種用垂直磁各向異性 的材料作為磁性電極的隧道結(jié)中在以AlOx為勢壘的磁性隧道結(jié)中隧穿磁電阻只有20%左 右，而在以MgO為勢壘的磁性隧道結(jié)中也只有60%左右。目前，已經(jīng)有一些相關(guān)的專利將垂直磁各向異性的磁性材料應(yīng)用于自旋閥或磁性 隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。
2008年10月1日公開的復(fù)旦大學(xué)的中國專利申請(公開號是CN101320616A，主題 是一種具有垂直磁各向異性的自旋閥)，公開了一種采用具有垂直磁各向異性的Co/Ni多 層膜為磁性層的自旋閥結(jié)構(gòu)。其中為了避免具有垂直磁各向異性的磁性層與非磁性層的界 面問題，選用了垂直磁各向異性比較弱的Co/M多層膜，從而得到比較大的磁電阻。然而， 應(yīng)用更為廣泛的其他的具有垂直磁各向異性材料沒有被得到應(yīng)用。2008年12月10日公開的北京科技大學(xué)的中國專利申請(公開號是 C N101276879A,主題是一種雙自由層垂直鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu))，公開了一種兩個磁性層都含 有具有垂直磁各向異性材料的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。如前所述，這種直接將具有垂直磁各向異性材 料用于磁電阻結(jié)構(gòu)難于得到高的磁電阻，主要原因是這種具有垂直磁各向異性的材料與自 旋閥結(jié)構(gòu)的中間非磁性金屬層或磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的勢壘層的界面難于優(yōu)化，界面自旋極化 率小或者界面附近自旋軌道耦合導(dǎo)致的自旋散射增強(qiáng)等等。另外，對于采用具有垂直磁各向異性材料為其中一層或全部兩層磁性層的隧道結(jié) 結(jié)構(gòu)，當(dāng)薄膜結(jié)構(gòu)中勢壘層的厚度比較薄時，兩個磁性層之間靜磁相互作用的增強(qiáng)會使得 具有垂直磁各向異性磁性層的磁矩難于形成理想的垂直膜面的方向，這也會影響隧穿磁電 阻的大小以及它對外場的響應(yīng)的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在保證優(yōu)良的垂直磁各向 異性性能的前提下，能夠提高磁電阻性能、減小彼此之間的靜磁相互作用以及減小相應(yīng)器 件的反轉(zhuǎn)場或反轉(zhuǎn)電流的垂直磁各向異性的多層膜。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的一種垂直磁各向異性的多層膜，由下至上依 次包括基片、底層、下磁性層、中間層、上磁性層和覆蓋層，所述下磁性層和上磁性層中至 少一個是垂直磁各向異性的磁性層，所述中間層是非磁性金屬層或勢壘層；所述垂直磁各 向異性的磁性層為復(fù)合磁性層，包括主體層和過渡層，所述主體層采用垂直磁各向異性材 料制作，所述過渡層采用自旋極化率高于所述垂直磁各向異性材料的磁性金屬材料制作， 所述過渡層位于所述主體層和中間層之間。其中，中間層為非磁性金屬層時，所述垂直磁各 向異性的多層膜是用于巨磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)，中間層為勢壘層時所述垂直磁各向異性 的多層膜是用于隧道結(jié)器件的薄膜結(jié)構(gòu)。上述技術(shù)方案中，當(dāng)所述中間層為勢壘層時，所述復(fù)合磁性層還包括第二過渡層， 所述第二過渡層采用自旋擴(kuò)散長度大于3nm的金屬材料制作，所述第二過渡層位于所述主 體層和勢壘層之間。上述技術(shù)方案中，所述復(fù)合磁性層還包括軟磁性層，當(dāng)所述復(fù)合磁性層是下磁性 層時，所述軟磁性層位于所述主體層和底層之間；當(dāng)所述復(fù)合磁性層是上磁性層時，所述軟 磁性層位于所述主體層和覆蓋層之間。上述技術(shù)方案中，所述主體層采用具有垂直磁各向異性的鐵磁性金屬或合金薄 膜，厚度為3 lOOnm。上述技術(shù)方案中，所述主體層采用具有垂直磁各向異性的周期性多層膜、具有垂 直磁各向異性的合金單層薄膜。對于具有垂直磁各向異性的周期性多層膜，優(yōu)選Co/Pt多 層膜、CoFe/Pt多層膜、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Au多層膜、CoCr/Pt多層膜；對于具有垂直磁各向異性的合金，優(yōu)選CoPt合金、LlO相的FePt合金、PtCoNi合金或Co-Cr系 合金，包括Co-Cr、Co-Cr-Nb, Co-Cr-Ta或Co-Cr-Pt，所述具有垂直磁各向異性的合金還可 以優(yōu)選 TbFeCo，GdFeCo, Gd-Co, GdFe, TbFe, TbCo/Cr、CoGdZr, CoGdSm、GdTbFeCo 或 GdTbFe寸。上述技術(shù)方案中，所述上磁性層和下磁性層其中一層可以是具有面內(nèi)各向異性的磁性層，采用自旋極化率比較高的易軸在面內(nèi)的鐵磁性金屬或者合金薄膜，制作材料優(yōu)選 Co，F(xiàn)e，Ni，Co-Fe，Co-Fe-B 或 Ni-Fe 合金(如=Ni81Fe19)，厚度為 1. O IOnm0上述技術(shù)方案中，所述非磁性金屬層一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、 Ag、Au或其合金制作，厚度為1. O IOnm ；所述勢壘層一般采用A1203、MgO、A1N、Ta2O5, ZnO 或TiO2等材料制作，厚度一般在為0. 5 5nm。上述技術(shù)方案中，所述復(fù)合磁性層的過渡層優(yōu)選Co，F(xiàn)e, Ni, Co-Fe, Co-Fe-B, Co-Cr-Fe或Ni-Fe合金(如=Ni81Fe19)制作，厚度為0. 1 2nm。主要目的是在保證復(fù)合磁 性層具有垂直磁各向異性的前提下，有效地改善界面和薄膜結(jié)構(gòu)的磁學(xué)性質(zhì)，提高具有垂 直磁各向異性的磁性層和金屬層或勢壘層界面附近的自旋極化率，從而大幅度提高器件的 磁電阻值。上述技術(shù)方案中，所述復(fù)合磁性層的第二過渡層優(yōu)選Cu、Ru、Mg或Al制作，厚度為 0. 1 1. Onm。主要目的是在保證磁電阻不會大幅下降的條件下，有效增加隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中兩 個磁性層的距離，以減小彼此之間的靜磁相互作用，而保證器件對外場響應(yīng)的準(zhǔn)確性。上述技術(shù)方案中，所述復(fù)合磁性層的軟磁性層(軟磁材料定義為具有低矯頑力和 高磁導(dǎo)率的磁性材料。軟磁材料易于磁化，也易于退磁)，具有很小的矯頑力，它與其他磁 性材料復(fù)合后作為復(fù)合磁性層可以減小相應(yīng)器件的反轉(zhuǎn)場或反轉(zhuǎn)電流。所述軟磁性層優(yōu)選 Ni-Fe合金(如=Ni81Fe19)，或Fe-Al合金制作，厚度為0. 5nm 2. Onm。上述技術(shù)方案中，所述底層可以是導(dǎo)電性比較好且沉積的薄膜和襯底結(jié)合緊密的 金屬層(包括單層以及多層不同的金屬薄膜)，其材料優(yōu)選Ta、Ru、Cr、Pt，Pd，Cu，厚度為 3 50nm。也可以是所述金屬層和反鐵磁層的的復(fù)合層。其中反鐵磁層為具有反鐵磁性的 合金材料優(yōu)選Ir-Mn，F(xiàn)e-Mn,或Pt_Mn，厚度為2 20nm。上述技術(shù)方案中，所述覆蓋層為不易被氧化且導(dǎo)電性比較好的的金屬層(包括單 層以及多層不同的金屬薄膜)，其材料優(yōu)選Ta、CU、RU、Pt、Ag、AU等，厚度為2 40nm，用于 保護(hù)核心結(jié)構(gòu)不被氧化和腐蝕。上述技術(shù)方案中，所述基片為Si襯底或Si-SiO2襯底，厚度為0. 3 1mm。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的另一種垂直磁各向異性的多層膜，由下至上 依次包括基片、底層、下磁性層、勢壘層、上磁性層和覆蓋層，所述下磁性層和上磁性層中 至少一個是垂直磁各向異性的磁性層，所述垂直磁各向異性的磁性層為復(fù)合磁性層，包括 主體層和過渡層，所述主體層采用垂直磁各向異性材料制作，所述過渡層采用自旋擴(kuò)散長 度大于3nm的金屬材料制作，所述過渡層位于所述主體層和勢壘層之間。本發(fā)明提供的垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)，經(jīng)過后期的微加工光刻過程，可以 加工成尺寸大小從數(shù)十納米到數(shù)十微米的不同形狀的結(jié)。其形狀包括空心或?qū)嵭牡拈L徑比 從1 1到1 3的橢圓、長寬比從1 1到1 3的矩形、以及一些正多邊形(邊數(shù)N = 4,6,8,10，12，16,20,24)。
本發(fā)明的提供的垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)可用于巨磁電阻器件或隧穿磁電 阻器件。比如磁性傳感器、磁隨機(jī)存儲器和磁性邏輯器件等。本發(fā)明具有如下技術(shù)效果本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中不利于磁電阻提高的界面因素，通過采用包含具有垂直 磁各向異性的磁性層的復(fù)合磁性層來改善這種應(yīng)用于磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)，在保證垂直 磁各向異性的前提下，有效地改善界面和薄膜結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，從而大幅度提高器件的磁電阻。 對于采用包含具有垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層為其中一層或全部兩層磁性層的巨 磁電阻結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合磁性層主要用于提高磁性層和中間金屬層界面的自旋極化率以提高 器件的磁電阻值；對于采用包含具有垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層為其中一層或全部 兩層磁性層的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合磁性層不但可以用于提高磁性層和中間金屬層界面的 自旋極化率以提高器件的磁電阻值而且還可以在保持器件磁電阻值基本不減小的情況下 有效增加兩個磁性層的距離，減弱相互之間的影響以保證器件對外場響應(yīng)的準(zhǔn)確性。另外， 本發(fā)明的復(fù)合磁性層還具有減小矯頑力的作用以減小相應(yīng)器件的反轉(zhuǎn)場或反轉(zhuǎn)電流。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中全部兩層磁性層均采用垂直磁各向異性材料的多層膜結(jié)構(gòu)示 意圖；該多層膜一般用于隧穿磁電阻器件；圖2是本發(fā)明一些實(shí)施例中，其中某一層磁性層采用包含垂直磁各向異性材料的 復(fù)合磁性層的多層膜結(jié)構(gòu)示意圖；該多層膜一般用于巨磁電阻器件；圖3是本發(fā)明一些實(shí)施例中，全部兩層磁性層均采用包含垂直磁各向異性材料的 復(fù)合磁性層的多層膜結(jié)構(gòu)示意圖；該多層膜一般用于巨磁電阻器件；圖4是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作為全 部兩層磁性層的用于巨磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)SUB/UL/P-FM1/TFM1/NM/TFM2/P-FM2/CAP 的示意圖；圖5是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作為其 中某一層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)一 SUB/UL/P-FM/TFM/I/FM/CAP的示 意圖；圖6是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作為其 中某一層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)二 SUB/UL/P-FM/TNM/I/FM/CAP的示 意圖；圖7是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作為其 中某一層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)三SUB/UL/P-FM/TFM/TNM/I/FM/CAP 的示意圖；圖8是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作為全 部兩層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)一 SUB/UL/P-FM1/TFM/I/P-FM2/CAP的 示意圖；圖9是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作為全 部兩層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)二 SUB/UL/P-FM1/TNM/I/P-FM2/CAP的 示意圖10是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作為 全部兩層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)三SUB/UL/P-FM1/TFM/TNM/I/P-FM2/ CAP的示意圖；圖11是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作 為全部兩層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)四SUB/UL/P-FM1/TFM1/I/TFM2/ P-FM2/CAP的示意圖；圖12是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作 為全部兩層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)五SUB/UL/P-FMI/ MI/I/ M2/ P-FM2/CAP的示意圖；圖13是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作為全部兩層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)六SUB/UL/P-FM1/TFM/I/TNM/P-FM2/ CAP的示意圖；圖14是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作為 全部兩層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)七SUB/UL/P-FM1/TFM1/TNM/I/TFM2/ P-FM2/CAP的示意圖；圖15是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作為 全部兩層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)八SUB/UL/P-FMI/TFM/ MI/I/ M2/ P-FM2/CAP的示意圖；圖16是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料的復(fù)合磁性層作為 全部兩層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)九SUB/UL/P-FMI/TFMI/ MI/I/ M2/ TFM2/P-FM2/CAP 的示意圖；圖17是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料和軟磁薄層的復(fù)合 磁性層作為其中某一層磁性層的用于巨磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)SUB/UL/S-FM/P-FM/TFM/ NM/FM/CAP的示意圖；圖18是本發(fā)明一些實(shí)施例中，采用包含垂直磁各向異性材料和軟磁薄層的復(fù)合 磁性層作為全部兩層磁性層的用于隧穿磁電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)之一 SUB/UL/P-FM1/TFM1/ I/TFM2/P-FM2/S-FM/CAP 的示意圖；圖19是本發(fā)明實(shí)施例1中薄膜結(jié)構(gòu)為Pt (IOnm) / [Pt (0. 6nm) /Co (0. 4nm) ] 5/ Co (0. 4nm) /Cu (2nm) /Co (4nm) /Ta (IOnm)的小結(jié) R-H 測試結(jié)果示意圖；圖 20 是本發(fā)明實(shí)施例 2 中薄膜結(jié)構(gòu)為 Ta (5nm) /Ru (IOnm) /Ta (5nm) / [Pt (0. 7nm) / Co(l. 2nm) ] 5/CoFeB (0. 5nm) /AlOx (Inm) /CoFeB (4nm) /Ta(IOnm)的小結(jié) R-H 測試結(jié)果示意圖。圖面說明FM表示易軸在面內(nèi)的磁性層；P-FM表示具有垂直磁各向異性的磁性層；匪表示具 有較長自旋擴(kuò)散長度的用于巨磁電阻器件結(jié)構(gòu)中間層的非磁性金屬；I表示用于隧穿磁電 阻器件結(jié)構(gòu)中的勢壘層； !表示用于界面優(yōu)化并與具有垂直各向異性的磁性層構(gòu)成復(fù)合 磁性層的金屬層，這種金屬材料具有較大自旋擴(kuò)散長度，用于減弱隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中兩個磁性 層相互作用，并且保證隧穿磁電阻不會有較大幅度的減??；TFM表示用于界面優(yōu)化并與具 有垂直各向異性的磁性層構(gòu)成復(fù)合磁性層的金屬層，這種金屬材料具有高的自旋極化率，用于提高復(fù)合磁性層與匪層或I層界面附近的自選極化率。S-FM表示用于復(fù)合磁性層的 軟磁性層(軟磁材料定義為具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率的磁性材料。軟磁材料易于磁化，也 易于退磁)，它具有很小的矯頑力，它與其他磁性材料復(fù)合后作為復(fù)合磁性層可以減小相應(yīng) 器件的反轉(zhuǎn)場或反轉(zhuǎn)電流。CAP表示覆蓋層；UL表示底層；SUB表示基片。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供的垂直磁各向異性的多層膜是一種具有改善界面的多層膜結(jié)構(gòu)，由下 至上依次包括基片、底層、下磁性層、中間層、上磁性層和覆蓋層，所述中間層是非磁性金 屬層或勢壘層；所述下磁性層和上磁性層中至少一個是復(fù)合磁性層，所述復(fù)合磁性層包括 主體層和過渡層，所述主體層采用垂直磁各向異性材料制作，所述過渡層采用自旋極化率 高于所述垂直磁各向異性材料的磁性金屬材料制作，所述過渡層位于所述主體層和中間層 之間。其中，中間層為非磁性金屬層時，所述垂直磁各向異性的多層膜是用于巨磁電阻器件 的薄膜結(jié)構(gòu)，中間層為勢壘層時所述垂直磁各向異性的多層膜是用于隧道結(jié)器件的薄膜結(jié) 構(gòu)。當(dāng)所述中間層為勢壘層時，所述復(fù)合磁性層還包括第二過渡層，所述第二過渡層 采用自旋擴(kuò)散長度大于3nm的金屬材料制作，所述第二過渡層位于所述主體層和勢壘層之 間。本發(fā)明中，前文所述的過渡層位于主體層和中間層之間，但所述過渡層并不一定限于鄰 接于主體層和中間層，比如主體層與過渡層間可以插入第二過渡層，同理，第二過渡層與主 體層間也可以插入過渡層。另外，當(dāng)所述中間層為勢壘層時，也可以單獨(dú)采用自旋擴(kuò)散長度 大于3nm的金屬材料制作所述過渡層。所述復(fù)合磁性層還包括軟磁性層，當(dāng)所述復(fù)合磁性層是下磁性層時，所述軟磁性 層位于所述主體層和底層之間；當(dāng)所述復(fù)合磁性層是上磁性層時，所述軟磁性層位于所述 主體層和覆蓋層之間。所述主體層采用具有垂直磁各向異性的鐵磁性金屬或合金薄膜，厚度優(yōu)選3 IOOnm0所述主體層采用具有垂直磁各向異性的周期性多層膜或具有垂直磁各向異性的 單層合金薄膜；當(dāng)所述主體層采用具有垂直磁各向異性的周期性多層膜時，所述主體層為 Co/Pt多層膜、CoFe/Pt多層膜、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Au多層膜或CoCr/Pt多層 膜；當(dāng)所述主體層采用具有垂直磁各向異性的單層合金薄膜時，所述主體層為CoPt合金、 LlO相的FePt合金、PtCoNi合金、Co-Cr系合金、TbFeCo合金、GdFeCo合金、Gd-Co合金、 GdFe 合金、TbFe 合金、TbCo/Cr 合金、CoGdZr 合金、CoGdSm 合金、GdTbFeCo 合金或 GdTbFe 合金薄膜；所述Co-Cr系合金包括Co-Cr、Co-Cr-Nb, Co-Cr-Ta或Co-Cr-Pt合金。所述復(fù)合磁性層的過渡層采用Co、Fe、Ni、Co-Fe, Co-Fe-B, Co-Cr-Fe或Ni-Fe合 金制作，厚度優(yōu)選0. 1 2nm。所述復(fù)合磁性層的第二過渡層優(yōu)選Cu、Ru、Mg或Al制作，厚度優(yōu)選0. 1 1. Onm。所述軟磁性層采用Ni-Fe合金或Fe-Al合金制作，厚度優(yōu)選0. 5nm 2. Onm。所述垂直磁各向異性的多層膜加工成尺寸大小從數(shù)十納米到數(shù)十微米的具有一 定平面形狀的結(jié)，所述平面形狀包括空心或?qū)嵭牡膱A、橢圓、矩形或者正多邊形；所述橢圓 的短軸與長軸比值小于或等于1 3，所述矩形的長寬比小于或等于1 3。
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。實(shí)施例1如圖2所示，本實(shí)施例的垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)如下SUB/UL/P_FM/TFM/NM/FM/CAP。該多層膜結(jié)構(gòu)可用作巨磁電阻器件的核心單元。本實(shí)施例的垂直磁各向異性的多層膜的制備方法如下1)選擇一個厚度為Imm的Si-SiO2襯底作為基片SUB，并在磁控濺射設(shè)備上以真空 優(yōu)于2 X Io^6Pa,沉積速率為0. lnm/s，沉積時氬氣壓為0. 07Pa的條件，在該基片上沉積IOnm Pt底層UL ；2)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2 X Io^6Pa,沉積速率為0. lnm/s,氬氣 壓為0.07Pa的條件，在底層UL上沉積具有垂直磁各向異性的磁性層[Pt(0.6nm)/ Co (0. 4nm) ] 55nm,即交替生長 0. 6nm Pt 和 0. 4nm Co 5 次。3)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在具有垂直磁各向異性的磁性層P-FM上沉積與具有垂直磁各向異性的磁 性層構(gòu)成復(fù)合磁性層的金屬層0. 4nm的Co ；4)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在金屬層TFM上沉積非磁性金屬層2nm的Cu。5)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在非磁性金屬層NM上沉積磁性層Co 4nm。6)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在磁性層FM上沉積IOnm Ta的覆蓋層CAP。該多層膜結(jié)構(gòu)經(jīng)過后期微加工工藝，制備成大小是4Χ8(μπι2)的小結(jié)。其測試結(jié) 果如圖19所示。測試溫度是室溫300Κ，測試模式是恒流模式，測試電流大小是2. 5mA。從 圖中可以看到，在垂直于膜面方向，小結(jié)表現(xiàn)出具有對外磁場線性響應(yīng)的磁電阻，其大小是 2%，磁場靈敏度能達(dá)到0. 001% /Oe，可用于磁性傳感器。實(shí)施例2如圖5所示，本實(shí)施例所提供的垂直磁各向異性的多層膜結(jié)構(gòu)如下SUB/UL/ P-FM/TFM/I/FM/CAP。該多層膜結(jié)構(gòu)可用作隧道結(jié)磁阻器件的核心單元。本實(shí)施例的垂直磁各向異性的多層膜的制備方法如下1)選擇一個厚度為Imm的Si-SiO2襯底作為基片SUB，并在磁控濺射設(shè)備上以真 空優(yōu)于2X 10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s,沉積時氬氣壓為0. 07Pa的條件，在該基片上沉積 Ta (5nm) /Ru (IOnm) /Ta (5nm)的底層 UL ；2)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2 X IO-6Pa,沉積速率為0. lnm/s,氬氣壓 為0.07Pa的條件，在底層UL上沉積具有垂直磁各向異性的磁性層結(jié)構(gòu)[Pt(0. 7nm)/ Co(l. 2nm) ] 59. 5nm,即交替生長 0. 7nm Pt 和 1. 2nm Co 5 次。3)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0.06nm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在具有垂直磁各向異性的磁性層P-FM上沉積與具有垂直磁各向異性的磁 性層構(gòu)成復(fù)合磁性層的金屬插入層0. 5nm的Co4ciFe4ciB2ci ；4)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6a，沉積速率為0.07nm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在金屬插入層TFM上沉積勢壘層Inm的A10x。
6)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0.06nm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在勢壘層I上沉積具有面內(nèi)磁各向異性的磁性層4nm的C04ciFe4ciB2ci7)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在具有面內(nèi)磁各向異性的磁性層FM上沉積IOnm Ta覆蓋層CAP。該多層膜結(jié)構(gòu)經(jīng)過后期微加工工藝，制備成大小是4Χ8(μπι2)的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。 其測試結(jié)果如圖20所示。測試溫度是室溫300Κ，測試模式是恒流模式，測試電流大小是 2. 5mA，在垂直于膜面方向，小結(jié)表現(xiàn)出具有對外磁場線性響應(yīng)的磁電阻，其大小是15%，磁 場靈敏度能達(dá)到0. 0042% /0e，可用于磁性傳感器。
實(shí)施例3 8實(shí)施例3 8是用于巨磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM/TFM/NM/FM/CAP的多層 膜(如圖2所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如表1所示。(以下表格中“金屬層”代表與具有垂直磁各向異性的磁性層共同構(gòu)成復(fù)合磁性層 的金屬層)表 1 實(shí)施例9 14實(shí)施例9 14是用于巨磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM1/TFM/NM/P-FM2/CAP 的多層膜(如圖3所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如表2所示。表 2
實(shí)施例I5 2O實(shí)施例15 20是用于巨磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM1/TFM1/匪/TFM2/ P-FM2/CAP的多層膜(如圖4所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如表 實(shí)施例21 26實(shí)施例21 26是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM/TFM/I/FM/CAP的 多層膜(如圖5所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如表4所示。表 4 實(shí)施例27 32實(shí)施例27 32是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM/TNM/I/FM/CAP的 多層膜(如圖6所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如表5所示。表 5 實(shí)施例33 38實(shí)施例33 38是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM/TFM/TNM/I/FM/CAP 的多層膜(如圖7所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如表6所示。表6 實(shí)施例39 44實(shí)施例39 44是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM1/TFM/I/P-FM2/CAP 的多層膜(如圖8所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如表7所示。表7
實(shí)施例45 50實(shí)施例39 44是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM1/TNM/I/P-FM2/CAP 的多層膜(如圖9所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如表8所示。表8 實(shí)施例51 56是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM1/TFM/TNM/I/ P-FM2/CAP的多層膜(如圖10所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如 表9所示。表9 實(shí)施例57 62實(shí)施例57 62是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM1/TFM1/I/TFM2/ P-FM2/CAP的多層膜(如圖11所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如 表10所示。表10
實(shí)施例63 68實(shí)施例63 68是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FMl/TWl/I/imC/ P-FM2/CAP的多層膜(如圖12所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如 表11所示。 表11 實(shí)施例69 74實(shí)施例69 74是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM1/TFM/I/TNM/ P-FM2/CAP的多層膜(如圖13所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚度如 表12所示。表 12 實(shí)施例75 80實(shí)施例75 80是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM1/TFM1/TNM/I/ TFM2/P-FM2/CAP的多層膜(如圖14所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚 度如表13所示。表 13 實(shí)施例81 86實(shí)施例81 86是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM1/TFM/ M1/I/ M2/P-FM2/CAP的多層膜(如圖15所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各層的厚 度如表14所示。表14 實(shí)施例87 92實(shí)施例87 92是用于隧穿磁電阻器件的結(jié)構(gòu)為SUB/UL/P-FM1/TFM1/TW1/I/ TW2/TFM2/P-FM2/CAP的多層膜(如圖16所示)，所述多層膜各層所采用的具體材料和各 層的厚度如表15所示。表15 此處提出的各個實(shí)施例是為了更好地解釋本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用，并使得本技術(shù)領(lǐng)域 的熟練人員可以利用本發(fā)明。但是本領(lǐng)域的一般熟練人員可以理解，上面的描述和實(shí)施例 僅僅是為了說明而舉的例子。本發(fā)明的核心思想在于為了克服存在包含具有垂直磁各向異 性的磁性層的用于磁電阻器件(巨磁電阻和隧道磁電阻)這種結(jié)構(gòu)中不利于磁電阻提高的 界面因素，通過采用包含具有垂直磁各向異性的磁性層的復(fù)合磁性層來改善這種應(yīng)用于磁 電阻器件的薄膜結(jié)構(gòu)，在保證垂直磁各向異性的前提下，有效地改善界面和薄膜結(jié)構(gòu)的性 質(zhì)，從而大幅度提高器件的磁電阻值以及其對外場響應(yīng)的準(zhǔn)確性。
權(quán)利要求
一種垂直磁各向異性的多層膜，由下至上依次包括基片、底層、下磁性層、中間層、上磁性層和覆蓋層；其特征在于，所述下磁性層和上磁性層中至少一個是復(fù)合磁性層，所述復(fù)合磁性層包括主體層和過渡層，所述主體層采用垂直磁各向異性材料制作，所述過渡層采用自旋極化率高于所述垂直磁各向異性材料的磁性金屬材料制作，所述過渡層位于所述主體層和中間層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直磁各向異性的多層膜，其特征在于，所述中間層為勢壘 層，所述復(fù)合磁性層還包括第二過渡層，所述第二過渡層采用自旋擴(kuò)散長度大于3nm的金 屬材料制作，所述第二過渡層位于所述主體層和勢壘層之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直磁各向異性的多層膜，其特征在于，所述復(fù)合磁性層的 第二過渡層采用01、肋、1%或八1制作，厚度為0. 1 l.Onm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直磁各向異性的多層膜，其特征在于，所述復(fù)合磁性層還 包括軟磁性層，所述軟磁性層位于所述下磁性層的主體層和所述底層之間或者位于所述上 磁性層的主體層和所述覆蓋層之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的垂直磁各向異性的多層膜，其特征在于，所述軟磁性層采用 Ni-Fe合金或Fe-Al合金制作，厚度為0. 5nm 2. Onm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直磁各向異性的多層膜，其特征在于，所述主體層采用具 有垂直磁各向異性的鐵磁性金屬或合金薄膜，厚度為3 lOOnm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直磁各向異性的多層膜，其特征在于，所述主體層采用具 有垂直磁各向異性的周期性多層膜或具有垂直磁各向異性的單層合金薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂直磁各向異性的多層膜，其特征在于，所述具有垂直磁各 向異性的周期性多層膜包括Co/Pt多層膜、CoFe/Pt多層膜、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、 Co/Au多層膜或CoCr/Pt多層膜；具有垂直磁各向異性的單層合金薄膜包括CoPt合金、L10 相的FePt合金、PtCoNi合金Co-Cr系合金、TbFeCo合金、GdFeCo合金、Gd-Co合金、GdFe合 金、TbFe合金、TbCo/Cr合金、CoGdZr合金、CoGdSm合金、GdTbFeCo合金或GdTbFe合金薄 膜；所述 Co-Cr 系合金包括 Co-Cr、Co-Cr-Nb, Co-Cr-Ta 或 Co_Cr-Pt。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直磁各向異性的多層膜，其特征在于，所述復(fù)合磁性層的 過渡層采用 Co、Fe、Ni、Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Cr-Fe 或 Ni-Fe 合金制作，厚度為 0. 1 2nm。
10.一種垂直磁各向異性的多層膜，由下至上依次包括基片、底層、下磁性層、勢壘 層、上磁性層和覆蓋層，所述下磁性層和上磁性層中至少一個是垂直磁各向異性的磁性層， 其特征在于，所述垂直磁各向異性的磁性層為復(fù)合磁性層，包括主體層和過渡層，所述主體 層采用垂直磁各向異性材料制作，所述過渡層采用自旋擴(kuò)散長度大于3nm的金屬材料制 作，所述過渡層位于所述主體層和勢壘層之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及垂直磁各向異性的多層膜，包括基片、底層、下磁性層、中間層、上磁性層和覆蓋層；下磁性層和上磁性層中至少一個是復(fù)合磁性層，復(fù)合磁性層包括主體層和過渡層，主體層采用垂直磁各向異性材料制作，過渡層采用自旋極化率高于所述垂直磁各向異性材料的磁性金屬材料制作，過渡層位于主體層和中間層之間。當(dāng)所述中間層為勢壘層時，所述復(fù)合磁性層還可以采用自旋擴(kuò)散長度大于3nm的金屬材料制作。本發(fā)明在保證優(yōu)良的垂直磁各向異性性能的前提下，能夠提高磁電阻性能、減小彼此之間的靜磁相互作用以及減小相應(yīng)器件的反轉(zhuǎn)場或反轉(zhuǎn)電流。本發(fā)明可用于巨磁電阻器件或隧穿磁電阻器件，比如磁性傳感器、磁隨機(jī)存儲器和磁性邏輯器件等。
文檔編號H01F10/08GK101866738SQ200910082039
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者王守國, 韓秀峰, 馬勤禮, 魏紅祥 申請人:中國科學(xué)院物理研究所