專利名稱：一種雙交換偏置場型自旋閥的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于磁性材料與元器件技術領域，涉及磁記錄技術，具體涉及一種交換偏置場型 自旋閥。
背景技術：
巨磁電阻(GMR)效應是指在磁性多層膜材料中利用外加磁場導致的電阻變化。其在傳 感器、磁性隨機存儲器等方面都具有廣泛的應用背景。自旋閥是目前實現(xiàn)巨磁電阻效應的最 重要結構，由于該結構具有低的飽和場和高的靈敏度，使基于巨磁電阻效應的傳感器、超高 密度存儲技術得到了飛躍的發(fā)展。
自旋閥的基本結構為自由層(鐵磁層F1)/隔離層(非磁性層)/釘扎層(鐵磁層F2)/偏 置層(反鐵磁層)。根據(jù)釘扎層/偏置層在自旋閥中所處位置的不同，自旋閥結構還可細分為頂 自旋閥及底自旋閥。頂自旋閥中釘扎層/偏置層雙層膜位于頂層，而底自旋閥中釘扎層/偏置層 雙層膜位于底層，如圖1 (a)、 (b)所示。利用自旋閥結構作為信息存儲單元時，工作原理 為兩鐵磁層(F1、 F2)被一相對較厚的非磁性層隔開，使鐵磁層F1和F2層間去耦合。鐵磁 層F1的磁矩的磁化取向隨外磁場的變化而改變，而鐵磁層F2由于同反鐵磁層的交換耦合作 用，產生一沿膜面的交換偏置場，使鐵磁層F2的磁矩在小于交換偏置場的外磁場作用下不會 改變方向。因而在小于釘扎場的外磁場的作用下，由于鐵磁層F1磁矩取向的改變，可使鐵磁 層F1和F2的磁矩相對取向在平行與反平行間發(fā)生變化，從而使自旋閥呈低電阻和高電阻態(tài)， 實現(xiàn)信息"0"、 "l"碼的存儲，如圖2 (a)、 (b)所示。由此可見，目前常見的利用自旋閥結構 產生巨磁電阻效應實現(xiàn)信息"O"、 'T'碼的存儲，都是依靠釘扎層磁矩固定，外磁場來改變自 由層(鐵磁層F1)磁矩取向實現(xiàn)的。因而，使釘扎層/偏置層中產生大的交換偏置場固定釘扎層 磁矩，是保證信息可靠存儲的關鍵。
由上述介紹可見，釘扎層/偏置層雙層膜形成大的交換偏置場是在自旋閥結構中實現(xiàn)巨磁 電阻效應的關鍵。目前，在釘扎層/偏置層雙層膜中實現(xiàn)交換偏置場可采取以下兩種方法一 是采用在自旋閥多層膜制備過程中磁場下沉積獲得，二則是在自旋闊多層膜制備好后采用磁 場下退火處理獲得。當采用磁場下沉積方法時，獲得的交換偏置場較?。欢敳捎么艌鱿峦?火處理方法時，雖可獲得較大的交換偏置場，但由于高溫退火時溫度的影響，會造成自旋閥 多層膜層間互擴散嚴重，而劣化其巨磁電阻性能。因此，尋找室溫下擴展交換偏置場區(qū)域(即在室溫下制備具有較大交換偏置場的自旋閥結構)的結構或方法，將有助于磁信息存儲等領 域的發(fā)展。本發(fā)明著手解決這種需要。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是對基本的自旋閥結構進行改進，提供一種雙交換偏置場型自旋閥，可在 室溫下人為擴展自旋閩的交換偏置場區(qū)域，拓寬自旋闊的高電阻區(qū)域，從而有利于提高交換 偏置場型自旋閥在信息存儲或其他應用中的穩(wěn)定性。且本發(fā)明提供的雙交換偏置場型自旋閥， 可在室溫下制備，無需高溫退火處理，具有良好的巨磁電阻性能。
本發(fā)明技術方案為
一種雙交換偏置場型自旋闊，包括雙交換偏置場型自旋闊結構。所述雙交換偏置場型自
旋閥結構由基片Z緩沖層/反鐵磁層AFMl/鐵磁層Fl/隔離層/鐵磁層F2 /反鐵磁層AFM2/覆蓋層 構成，如圖3所示。其中，反鐵磁AFM1/鐵磁層F1之間由于鐵磁層同反鐵磁層的交換耦合 作用，產生一沿膜面的交換偏置場Hexl;反鐵磁AFM2/鐵磁層F2之間由于鐵磁層同反鐵磁 層的交換耦合作用，也產生一沿膜面的交換偏置場Hex2;但交換偏置場Hexl、 Hd的方向正 好相反，如圖4所示。
上述方案中，基片可選用Si基片或玻璃基片，緩沖層材料為Ta，反鐵磁層AFM1和反 鐵磁層AFM2材料采用FeMn、 NiMn、 TrMn、 PtMn或MO，鐵磁層Fl和鐵磁層F2材料采 用Ni、 Fe、 Co或Ni/Fe/Co的合金，隔離層材料為Cu，覆蓋層材料為Ta。
制備如上述技術方案的雙交換偏置場型自旋閥時，采用薄膜沉積工藝在基片上依次制備 緩沖層/反鐵磁層AFMl/鐵磁層Fl/隔離層/鐵磁層F2 /反鐵磁層AFM2/覆蓋層。只需特別指出 的是，制備反鐵磁AFMl/鐵磁層Fl雙層膜時采用沿膜面的外磁場條件下沉積，外磁場大小 可選擇在50Oe-300Oe之間；制備反鐵磁層AFM2 /鐵磁層F2雙層膜時也釆用沿膜面的外磁 場條件下沉積，外磁場大小與制備反鐵磁AFMl/鐵磁層Fl雙層膜時X用的外磁場相同，但 方向相反。即在制備反鐵磁AFMl/鐵磁層Fl雙層膜和反鐵磁層AFM2 /鐵磁層F2雙層膜吋， 均采用外磁場條件下的薄膜沉積工藝，但兩種外磁場為沿膜面大小相同、方向相反夂二者方 向呈反T行)
利用本發(fā)明所述的雙交換偏置場型自旋閥作為信息存儲單元時，其工作原理如圖5所示: 由于H^、 H^方向相反，因而在零場作用下，兩鐵磁層F1、 F2磁矩反向平行，此時自旋閥 呈高阻態(tài)，對應著信息存儲為"l";當沿交換偏置場Hex方向施加-大于Hex2與鐵磁層F2的 矯頑力He2之和的外磁場時，鐵磁層F2的磁矩方向發(fā)生翻轉，此時自旋閥為低阻態(tài)，對應存
4儲信息為"0";當沿交換偏置場Hex2方向施加一大于Hexl與鐵磁層Fl的矯頑力Hd之和的外 磁場時，鐵磁層F1的磁矩方向發(fā)生翻轉，此時自旋閥也為低阻態(tài)，對應存儲信息為"0"。
本發(fā)明的有益效果是利用雙交換偏置場，可在室溫下人為擴展自旋閥的交換偏置場區(qū) 域，拓寬自旋閥的高電阻區(qū)域，從而有利于提高交換偏置場型自旋閥在信息存儲或其他應用 巾的穩(wěn)定性。另外，通過對雙交換偏置場自旋闊兩交換偏置場大小的調制，使本發(fā)明的自旋 閥可工作在需要的磁場區(qū)域。且本發(fā)明提供的雙交換偏置場型自旋閥，可在室溫下制備，無 需高溫退火處理，避免了高溫退火帶來的自旋閥多層膜層間互擴散的負面影響，從而具有良 好的膜層穩(wěn)定性和巨磁電阻性能。
圖1是現(xiàn)有的自旋閥基本結構示意圖。其中(a)為現(xiàn)有的頂自旋閥結構示意圖，(b)為 現(xiàn)有的底自旋闊結構示意圖。
圖2是現(xiàn)有的自旋閥巨磁電阻狀態(tài)示意圖。其中(a)為現(xiàn)有自旋閥低阻狀態(tài)示意圖，(b) 為現(xiàn)有自旋閥高阻狀態(tài)示意圖。
圖3是本發(fā)明提出的雙交換偏置場自旋閥的結構示意圖。
圖4是本發(fā)明提出的雙交換偏置場自旋閥的交換偏置場方向示意圖。
圖5是本發(fā)明提出的雙交換偏置場自旋閥做信息存儲時E磁電阻效應示意圖。
圖6是一種現(xiàn)有的頂自旋閥和本發(fā)明提供的雙交換偏置場自旋閥巨磁電阻效應測試曲 線。其中A是頂自旋閥實例Ta(10nm)/NiFe(6nm)/Cu(4nm)/NiFe(12nm)/FeMn(15腿)/Ta(5腿) 巨磁電阻效應測試曲線。B是實施本發(fā)明的雙交換偏置場5旋閥實例 Ta( 1 Onm)/FeMn( 15nm)/NiFe(6nm)/Cu(4nm)/NiFe( 12nm)/FeMn( 15nm)/Ta(5nm)巨磁電阻效應測
試曲線。
具體實施例方式
用計算機控制的四粑磁控濺射設備在 Si基片上制備 Ta(10nm)/FeMn(15nm)/NiFe(6nm)/Cu(4nm)/NiFe(12nm)/FeMn(15nm)/Ta(5腿)雙交換偏置場自 旋閥。沉積時采用 一 對永磁鐵提供沿膜面的300Oe沉積磁場，當 Ta(10nm)/FeMn(15nm)/NiFe(6nm)/Cu(4nm)多層膜沉積完成后，將永磁體沿垂直于膜面的軸旋 轉180度，使磁場的方向反平行于最初沉積吋磁場方向，繼續(xù)濺射 NiFe(12nm)/FeMn(15nm)/Ta(5nm)多層膜，最終完成雙交換偏置場自旋閥的制備。為了比較，采用相同的濺射條件，制備了 Ta(10nm)/NiFe(6nm)/Cu(4nm)/NiFe(12nm)/FeMn(15nm)/Ta(5nm)
頂自旋閥，用四探針法測試了樣品的巨磁電阻效應，如圖6所示。從測試曲線對比可見，采 用本發(fā)明所提出的雙交換偏置場自旋閥其高電阻區(qū)域(對應信息存儲為"1")為-750e —
1250e，且巨磁電阻變化率有一定的上升；而采用常規(guī)的頂自旋閥其高電阻區(qū)域僅為50e_ 650e。由于本發(fā)明所提出的雙交換偏置場型自旋閥通過對交換偏置場的擴展，使其高電阻區(qū) 域增長為現(xiàn)有頂自旋閥的兩倍以上，有利于提高交換偏置場型自旋閥在信息存儲或其他應用 中的穩(wěn)定性。
權利要求
1、一種雙交換偏置場型自旋閥，包括雙交換偏置場型自旋閥結構，其特征在于，所述雙交換偏置場型自旋閥結構由基片/緩沖層/反鐵磁層AFM1/鐵磁層F1/隔離層/鐵磁層F2/反鐵磁層AFM2/覆蓋層構成；其中，反鐵磁AFM1/鐵磁層F1之間由于鐵磁層同反鐵磁層的交換耦合作用，產生一沿膜面的交換偏置場Hex1；反鐵磁AFM2/鐵磁層F2之間由于鐵磁層同反鐵磁層的交換耦合作用，也產生一沿膜面的交換偏置場Hex2；但交換偏置場Hex1、Hex2的方向正好相反。
2、 根據(jù)權利要求l所述的雙交換偏置場型自旋閥，其特征在于，所述雙交換偏置場型自 旋閥結構的基片為Si基片或玻璃基片。
3、 根據(jù)權利要求l所述的雙交換偏置場型自旋闊，其特征在于，所述雙交換偏置場型自 旋閥結構的緩沖層材料為Ta。
4、 根據(jù)權利要求l所述的雙交換偏置場型自旋閥，其特征在于，所述雙交換偏置場型自 旋閥結構的反鐵磁層AFMl和反鐵磁層AFM2材料采用FeMn、 NiMn、 IrMn、 PtMn或NiO。
5、 根據(jù)權利要求l所述的雙交換偏置場型自旋閥，其特征在于，所述雙交換偏置場型自 旋閥結構的鐵磁層Fl和鐵磁層F2材料采用Ni、 Fe、 Co或Ni/Fe/Co的合金。
6、 根據(jù)權利要求l所述的雙交換偏置場型自旋閥，其特征在于，所述雙交換偏置場型自 旋閥結構的隔離層材料為Cu。
7、 根據(jù)權利要求l所述的雙交換偏置場型自旋閥，其特征在于，所述雙交換偏置場型自 旋閥結構的覆蓋層材料為Ta。
全文摘要
本發(fā)明屬于磁性材料與元器件技術領域，涉及磁記錄技術，具體涉及一種交換偏置場型自旋閥。本發(fā)明提供的一種雙交換偏置場型自旋閥，其中雙交換偏置場型自旋閥結構由基片/緩沖層/反鐵磁層AFM1/鐵磁層F1/隔離層/鐵磁層F2/反鐵磁層AFM2/覆蓋層構成；反鐵磁AFM1/鐵磁層F1之間產生一沿膜面的交換偏置場H<sub>ex1</sub>；反鐵磁AFM2/鐵磁層F2之間也產生一沿膜面的交換偏置場H<sub>ex2</sub>；但交換偏置場H<sub>ex1</sub>、H<sub>ex2</sub>的方向正好相反。本發(fā)明利用雙交換偏置場，可在室溫下擴展自旋閥的交換偏置場區(qū)域，拓寬自旋閥的高電阻區(qū)域，從而有利于提高交換偏置場型自旋閥在信息存儲或其他應用中的穩(wěn)定性。且本發(fā)明提供的雙交換偏置場型自旋閥，可在室溫下制備，無需高溫退伙處理，具有良好的膜層穩(wěn)定性和巨磁電阻性能。
文檔編號H01L43/08GK101471420SQ200810045689
公開日2009年7月1日 申請日期2008年7月30日 優(yōu)先權日2008年7月30日
發(fā)明者唐曉莉, 張懷武, 樺 蘇, 荊玉蘭, 鐘智勇 申請人:電子科技大學