專利名稱：一種雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁性材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及磁記錄技術(shù)，具體涉及一種雙交換 偏置場(chǎng)型自旋閥的制備方法。
背景技術(shù)：
巨磁電阻(GMR)效應(yīng)是指在磁性多層膜材料中利用外加磁場(chǎng)導(dǎo)致的電阻變化，其 在傳感器、磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器等方面都具有廣泛的應(yīng)用背景。自旋閥是目前實(shí)現(xiàn)巨磁電阻效 應(yīng)的最重要結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)具有飽和場(chǎng)低和靈敏度高的特點(diǎn)，使基于巨磁電阻效應(yīng)的傳 感器、超高密度存儲(chǔ)技術(shù)得到了飛躍的發(fā)展。自旋閥的基本結(jié)構(gòu)為自由層(鐵磁層Fl)/隔離層(非磁性層)/釘扎層(鐵磁 層F2)/偏置層(反鐵磁層)，其中共包括一層反鐵磁層及兩層磁性層，如圖1所示。而作 為自旋閥基本結(jié)構(gòu)擴(kuò)展的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥，由于具有比基本自旋閥結(jié)構(gòu)更好的場(chǎng)響 應(yīng)、更低的巴克豪森噪聲及可調(diào)制的場(chǎng)應(yīng)用范圍，因而也有較大的應(yīng)用空間。其基本結(jié)構(gòu) 為反鐵磁層AFMl/鐵磁層Fl/隔離層/鐵磁層F2/反鐵磁層AFM2，如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥對(duì)場(chǎng)應(yīng)用范圍的調(diào)制，在該結(jié)構(gòu)自旋閥制備過程中 需要將反鐵磁層AFMl/鐵磁層Fl的交換偏置場(chǎng)Hexl與鐵磁層F2/反鐵磁層AFM2的交換偏 置場(chǎng)Hex2設(shè)置于相反的方向，且為了使該自旋閥能工作在不同的場(chǎng)應(yīng)用范圍，Hexl及Hex2 的大小需根據(jù)所需調(diào)制的場(chǎng)范圍進(jìn)行設(shè)置。傳統(tǒng)雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥中實(shí)現(xiàn)Hexl和Hex2方向相反有兩種方法一種是在 雙交換偏置自旋閥多層膜鍍制完成后，將其置于外加磁場(chǎng)中退火設(shè)定Hexl，然后改變退火 的外磁場(chǎng)方向，使該磁場(chǎng)方向與第一次退火時(shí)磁場(chǎng)方向正好相反，設(shè)定Hex2;第二種則是 在雙交換偏置自旋閥制備過程中，在一方向的外磁場(chǎng)下沉積反鐵磁層AFMl/鐵磁層Fl，然 后改變外磁場(chǎng)方向，使其與第一次的外磁場(chǎng)方向相反，沉積鐵磁層F2/反鐵磁層AFM2，這樣 可以設(shè)置交換偏置場(chǎng)正好相反的Hexl和Hex2。采用外磁場(chǎng)下沉積方法制備雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥雖然可以方便地獲得方向相 反的雙交換偏置場(chǎng)Hexl和Hex2，但其工藝較為復(fù)雜、成本較高，且對(duì)于Hexl、Hex2場(chǎng)大小 的設(shè)置則只有通過控制鐵磁層Fl與鐵磁層F2的厚度來實(shí)現(xiàn)，大大限制了雙交換偏置場(chǎng)自 旋閥應(yīng)用的靈活性。采用外加磁場(chǎng)下退火處理制備雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥時(shí)，雖可獲得較 大的交換偏置場(chǎng)，但由于高溫退火時(shí)溫度的影響，會(huì)造成自旋閥多層膜層間互擴(kuò)散嚴(yán)重，而 劣化其巨磁電阻性能。因此，尋找室溫下可按需設(shè)定自由設(shè)定交換偏置場(chǎng)的方向和大小的 雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的制備方法，將有助于磁信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的制備方法，該方法工藝簡(jiǎn)單、易控，無需 高溫退火處理，在室溫下就能按需求自由設(shè)定交換偏置場(chǎng)的方向和大小。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的制備方法，包括以下步驟步驟1 采用薄膜沉積工藝并在外磁場(chǎng)作用下，制備雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥。所述雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，由基片往上，依次是緩沖層、反鐵磁 層AFM1、鐵磁層F1、隔離層、鐵磁層F2、反鐵磁層AFM2和覆蓋層?；蛇x用Si基片或玻 璃基片，緩沖層材料為Ta，反鐵磁層AFMl和反鐵磁層AFM2材料采用FeMn、NiMn、IrMruPtMn 或NiO，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。所述外磁場(chǎng)為單一方向、大小恒定的 磁場(chǎng)，其方向沿膜面且平行于雙交換偏置自 旋閥單元長(zhǎng)邊，大小在500e 3000e之間。沉積鐵磁層Fl和F2時(shí)，鐵磁層Fl的沉積厚度與鐵磁層F2的沉積厚度應(yīng)不相同， 以使得反鐵磁層AFMl和鐵磁層Fl之間的交換偏置場(chǎng)Hexl與鐵磁層F2和反鐵磁層AFM2 之間的交換偏置場(chǎng)Hex2的大小不相同(交換偏置場(chǎng)的大小同鐵磁層厚度呈反比)。只需特別指出的是，由于在薄膜沉積過程中不需改變外磁場(chǎng)方向，此時(shí)獲得的反 鐵磁層AFMl和鐵磁層Fl之間的交換偏置場(chǎng)Hexl與鐵磁層F2/反鐵磁層AFM2之間的交換 偏置場(chǎng)Hex2的方向是相同的。步驟2 采用振動(dòng)樣品磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試計(jì)測(cè)量步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥 中，反鐵磁層AFMl和鐵磁層Fl之間的交換偏置場(chǎng)Hexl的大小，以及鐵磁層F2和反鐵磁層 AFM2之間的交換偏置場(chǎng)Hex2的大小。設(shè)其中較小的偏置場(chǎng)為H1，較大的偏置場(chǎng)為H2。步驟3 對(duì)步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥施加外磁場(chǎng)作用，所述外磁場(chǎng)的大 小大于Hl且小于H2、方向與步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的交換偏置場(chǎng)方向相反； 同時(shí)在步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥中形成較小交換偏置場(chǎng)Hl的鐵磁層膜面沿交 換偏置場(chǎng)方向施加脈沖電流，所述脈沖電流的電流密度為105A/cm2 106A/cm2 ；根據(jù)所施加 的外磁場(chǎng)H和脈沖電流的大小的不同，即可改較小的偏置場(chǎng)Hl的大小和方向，從而獲得不 同的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥。本發(fā)明的基本原理可以描述如下由于外磁場(chǎng)H小于H2，形成較大交換偏置場(chǎng)的鐵磁層的磁矩不會(huì)受該外場(chǎng)的影響 仍然保持在原交換偏置場(chǎng)的方向；但是由于外磁場(chǎng)H大于H1，形成較小交換偏置場(chǎng)的鐵磁 層的磁矩將取向外磁場(chǎng)方向。脈沖電流的作用將使Hl減小，而H2不變，且Hl隨脈沖電流 的增大而減小。在外磁場(chǎng)合脈沖電流的同時(shí)作用下，Hl的大小和方向都將發(fā)生改變。在選 定的外磁場(chǎng)下，當(dāng)脈沖電流足夠大時(shí)即可使Hl方向完全改變，變得與外場(chǎng)方向一致。因此， 本發(fā)明采用外磁場(chǎng)和脈沖電流雙重作用，可簡(jiǎn)化雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥制備過程，方便地 對(duì)雙交換偏置場(chǎng)自旋閥的交換偏置場(chǎng)大小和方向進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)對(duì)鐵磁層和反鐵磁雙層膜在外磁場(chǎng)下沿反鐵磁層膜面施加脈沖電流時(shí)，由于流 經(jīng)反鐵磁電流為自旋極化電流，當(dāng)它流經(jīng)鐵磁層和反鐵磁層的交界面時(shí)，自旋極化電子所 攜帶的自旋角動(dòng)量將轉(zhuǎn)移給鐵磁層和反鐵磁層交界面的凈磁矩，使交界面的凈磁矩遭受一 力矩作用而改變?nèi)∠颍以摿氐淖饔脤⑹箖舸啪氐姆较蜈呌谧孕龢O化電子自旋的取向。 由于鐵磁層和反鐵磁層交界面的凈磁矩與交換偏置場(chǎng)的大小成正比，而自旋極化電流通過 自旋角動(dòng)量的改變來改變鐵磁層和反鐵磁層交界面的凈磁矩，進(jìn)而改變鐵磁和反鐵磁層之 間的交換偏置場(chǎng)方向和大小。電流對(duì)鐵磁層和反鐵磁層之間的交換偏置場(chǎng)的改變規(guī)則如下當(dāng)沿與鐵磁層和反鐵磁層之間的交換偏置場(chǎng)相反方向施加一外磁場(chǎng)，且該外磁場(chǎng)大于 此時(shí)鐵磁層和反鐵磁層之間的交換偏置場(chǎng)時(shí)，鐵磁層磁矩將沿外磁場(chǎng)方向取向，此時(shí)通過 鐵磁層到達(dá)鐵磁層和反鐵磁層交界面的自旋電子極化取向?qū)⒁惭赝獯艌?chǎng)方向，這樣就會(huì)對(duì) 鐵磁層和反鐵磁層交界面凈磁矩產(chǎn)生如圖3所示的力矩，使交界面磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)沿 初始交換偏置場(chǎng)方向的凈磁矩將減少，因而交換偏置場(chǎng)減小。由于自旋極化電子對(duì)交界面 磁矩產(chǎn)生的力矩大小同電流密度呈正比，電流密度越大，交界面磁矩發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)越大，沿初 始交換偏置場(chǎng)方向的凈磁矩越小，交換偏置場(chǎng)越小。當(dāng)電流密度足夠大時(shí)，就會(huì)使交界面磁 矩完全翻轉(zhuǎn)，如圖4所示，此時(shí)交換偏置場(chǎng)方向相對(duì)于初始的交換偏置場(chǎng)方向發(fā)生了完全 翻轉(zhuǎn)。本發(fā)明的有益效果是 本發(fā)明利用自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)改變雙交換偏置場(chǎng)自旋閥中較小的交換偏置場(chǎng)的大小 和方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙交換偏置自旋閥應(yīng)用場(chǎng)范圍的調(diào)制，而無需在制備過程中改變沉積磁場(chǎng) 方向或沉積完成后在外磁場(chǎng)中退火實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用場(chǎng)的設(shè)定，大大簡(jiǎn)化了制備步驟。另外，由于 設(shè)定的交換偏置場(chǎng)大小同脈沖電流大小相關(guān)，因而可靈活調(diào)制場(chǎng)的范圍，而不是設(shè)定后就 不能更改，增加了該種雙交換偏置自旋閥應(yīng)用的靈活性。


圖1是自旋閥基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是雙交換偏置自旋閥結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是鐵磁層和反鐵磁層交界面凈磁矩在自旋轉(zhuǎn)矩的作用下減小示意圖。圖4是增大脈沖電流下，鐵磁層和反鐵磁層交界面凈磁矩在自旋轉(zhuǎn)矩的作用下翻 轉(zhuǎn)示意圖。
具體實(shí)施例方式一種雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的制備方法，包括以下步驟步驟1 采用薄膜沉積工藝并在外磁場(chǎng)作用下，制備雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥。所述雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，由基片往上，依次是緩沖層、反鐵磁 層AFM1、鐵磁層F1、隔離層、鐵磁層F2、反鐵磁層AFM2和覆蓋層?；蛇x用Si基片或玻 璃基片，緩沖層材料為Ta，反鐵磁層AFMl和反鐵磁層AFM2材料采用FeMn、NiMn、IrMruPtMn 或NiO，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。所述外磁場(chǎng)為單一方向、大小恒定的磁場(chǎng)，其方向沿膜面且平行于雙交換偏置自 旋閥單元長(zhǎng)邊，大小在500e 3000e之間。沉積鐵磁層Fl和F2時(shí)，鐵磁層Fl的沉積厚度與鐵磁層F2的沉積厚度應(yīng)不相同， 以使得反鐵磁層AFMl和鐵磁層Fl之間的交換偏置場(chǎng)Hexl與鐵磁層F2和反鐵磁層AFM2 之間的交換偏置場(chǎng)Hex2的大小不相同(交換偏置場(chǎng)的大小同鐵磁層厚度呈反比)。只需特別指出的是，由于在薄膜沉積過程中不需改變外磁場(chǎng)方向，此時(shí)獲得的反 鐵磁層AFMl和鐵磁層Fl之間的交換偏置場(chǎng)Hexl與鐵磁層F2/反鐵磁層AFM2之間的交換 偏置場(chǎng)Hex2的方向是相同的。
步驟2 采用振動(dòng)樣品磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試計(jì)測(cè)量步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥 中，反鐵磁層AFMl和鐵磁層Fl之間的交換偏置場(chǎng)Hexl的大小，以及鐵磁層F2和反鐵磁層 AFM2之間的交換偏置場(chǎng)Hex2的大小。設(shè)其中較小的偏置場(chǎng)為H1，較大的偏置場(chǎng)為H2。
步驟3 對(duì)步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥施加外磁場(chǎng)作用，所述外磁場(chǎng)的大 小大于Hl且小于H2、方向與步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的交換偏置場(chǎng)方向相反； 同時(shí)在步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥中形成較小交換偏置場(chǎng)Hl的鐵磁層膜面沿交 換偏置場(chǎng)方向施加脈沖電流，所述脈沖電流的電流密度為105A/cm2 106A/cm2 ；根據(jù)所施加 的外磁場(chǎng)H和脈沖電流的大小的不同，即可改較小的偏置場(chǎng)Hl的大小和方向，從而獲得不 同的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥。
權(quán)利要求
一種雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的制備方法，包括以下步驟步驟1采用薄膜沉積工藝并在外磁場(chǎng)作用下，制備雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥；所述雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥結(jié)構(gòu)由基片往上，依次是緩沖層、反鐵磁層AFM1、鐵磁層F1、隔離層、鐵磁層F2、反鐵磁層AFM2和覆蓋層；所述外磁場(chǎng)為單一方向、大小恒定的磁場(chǎng)，其方向沿膜面且平行于雙交換偏置自旋閥單元長(zhǎng)邊，大小在50Oe～300Oe之間；沉積鐵磁層F1和F2時(shí)，鐵磁層F1的沉積厚度與鐵磁層F2的沉積厚度應(yīng)不相同，以使得反鐵磁層AFM1和鐵磁層F1之間的交換偏置場(chǎng)Hex1與鐵磁層F2和反鐵磁層AFM2之間的交換偏置場(chǎng)Hex2的大小不相同；步驟2采用振動(dòng)樣品磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試計(jì)測(cè)量步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥中，反鐵磁層AFM1和鐵磁層F1之間的交換偏置場(chǎng)Hex1的大小，以及鐵磁層F2和反鐵磁層AFM2之間的交換偏置場(chǎng)Hex2的大?。辉O(shè)其中較小的偏置場(chǎng)為H1，較大的偏置場(chǎng)為H2；步驟3對(duì)步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥施加外磁場(chǎng)作用，所述外磁場(chǎng)的大小大于H1且小于H2、方向與步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的交換偏置場(chǎng)方向相反；同時(shí)在步驟1所得的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥中形成較小交換偏置場(chǎng)H1的鐵磁層膜面沿交換偏置場(chǎng)方向施加脈沖電流；根據(jù)所施加的外磁場(chǎng)H和脈沖電流的大小的不同，即可改較小的偏置場(chǎng)H1的大小和方向，從而獲得不同的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的制備方法，其特征在于，步驟3中所 述脈沖電流的電流密度為105A/cm2 106A/cm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的制備方法，其特征在于，所述雙交 換偏置場(chǎng)型自旋閥的基片選用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、IrMn、PtMn或NiO，鐵磁層F1和鐵磁層F2材料采用Ni、 Fe、Co或NiFeCo合金，隔離層材料為Cu，覆蓋層材料為Ta。
全文摘要
一種雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥的制備方法，屬于磁性材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域。首先采用薄膜沉積工藝并在外磁場(chǎng)作用下，制備雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥，其中交換偏置場(chǎng)大小不同，方向相同；然后通過振動(dòng)樣品磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試計(jì)測(cè)兩個(gè)交換偏置場(chǎng)的大??；最后施加介于兩個(gè)交換偏置場(chǎng)之間大小、方向相反的外磁場(chǎng)，同時(shí)在形成較小交換偏置場(chǎng)的鐵磁層膜面沿交換偏置場(chǎng)方向施加脈沖電流；根據(jù)所施加的外磁場(chǎng)H和脈沖電流的大小的不同，即可改較小的偏置場(chǎng)的大小和方向，從而獲得不同的雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥。本發(fā)明利用自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)來調(diào)制雙交換偏置場(chǎng)型自旋閥中較小的交換偏置場(chǎng)的大小和方向，簡(jiǎn)化了制備步驟，增加了該種雙交換偏置自旋閥應(yīng)用的靈活性。
文檔編號(hào)H01L43/12GK101853920SQ201019087050
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者唐曉莉, 張懷武, 蘇樺, 荊玉蘭, 鐘智勇 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)