专利名称：一种降低自旋阀薄膜矫顽力的方法
技术领域：
本发明属于信息电子、功能材料领域，特别是提供了一种降低自旋阀薄膜 矫顽力的方法。
背景技术：
自旋阀是在20世纪90年代初,由B. Dieny et al. J. Appl. Phys. 69, 4774 (1991)
提出的一种实用化的巨磁电阻材料，它以其低饱和场，高灵敏度等优点率先进入 实用化阶段，在短短的几年内，就开发出一系列高灵敏度磁电子器件，在磁传感 器、计算机硬盘读头和磁电阻随机存储器(MRAM)等方面具有广阔的应用前 景。这种自旋阀结构利用外场下自由层的磁矩相对于被钉扎层磁矩取向的不同来 实现巨磁电阻效应。目前，普遍采用在强磁场下进行一次退火来改善薄膜性能， 提高磁电阻变化率。如Emma Kerr et al. J. Appl. Phys. 97， 093910 (2005)系统研 究了在磁场下退火时不同磁场强度对自旋阀性能的影响。采用在强磁场下进行一 次退火这种办法，虽然可以提高薄膜的磁电阻变化率，但矫顽力在退火后并没有 得到明显改善；而在磁传感器等实际器件应用中，如果不能将薄膜的矫顽力减小 到10e以下，将导致磁传感器的线性工作范围区很窄，这对其工作环境产生了限 制；如果能够明显降低薄膜的矫顽力，则会增大实际应用时的线性工作区。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用二次退火降低自旋阀薄膜矫顽力的方法，解 决了将自旋阀薄膜应用在磁传感器中由于矫顽力偏大所导致的线性工作区较窄 这一问题。
本发明是在磁控溅射仪中制备自旋阀薄膜，在真空退火炉中进行退火，退火 时，本底真空为1X10" lX10—5Pa，在1000 3000 0e磁场下，磁场方向沿 着自旋阀薄膜制备态时的易轴方向，在100 30(TC温度下，保温0.5 3h后，降 至室温，其特征在于对退火后的自旋阀薄膜进行第二次退火，退火时，在50 300 0e磁场下，100 30(TC温度下，保温0.5 3h。
进一步地，在第二次退火时，磁场方向与第一次退火时的磁场方向垂直。
再进一步地，退火时通入一定流量的N2作为保护气体。
本发明利用铁磁材料沿不同方向磁化时磁畴的运动方式不同，即铁磁材料沿 难轴方向磁化时主要依靠磁畴的转动，沿易轴方向磁化时主要依靠畴壁的移动， 而沿难轴方向磁化时的矫顽力要小于沿易轴方向磁化时的矫顽力这一特点，通过 两次退火，成功实现自由层的易轴方向与被钉扎层的磁矩方向成垂直排列，这样 可保证在平行于被钉扎层磁矩的外磁场作用下，自由层转向与被钉扎层的磁矩一 致的方向，即自由层沿着其难轴方向磁化，这主要是通过磁畴的转动来实现磁矩 取向的重新排列，可明显降低自旋阀薄膜的矫顽力。
本发明的优点在于较传统退火工艺相比，通过增加一次低场退火，使薄膜 矫顽力得到了明显降低，扩大了其线性工作区，对改进磁传感器的性能有重要的 应用价值。
图1是在Si基片上沉积的自旋阀薄膜Ta40A/NiFe20A/IrMnl00A/CoFe30A/ Cu20A/CoFel5A/NiFe30A/Ta30A在不同退火条件下的矫顽力玩随低场退火温度 的变化关系。
具体实施例方式
在磁控溅射仪中制备自旋阀薄膜。首先将Si基片用有机化学溶剂、去离子 水以及酒精超声清洗，然后在Si基片上生长IrMn底钉扎自旋阀结构 Ta40A/NiFe20A/IrMnl00A/CoFe30A/Cu20A/CoFel5A/NiFe30A/Ta30A ，在溅射 时氩气(纯度为99.99%)压为0.15Pa,溅射室本底真空为2X l(T5Pa;溅射过程中， 基片以20r/min的速率旋转，并且基片表面外加有平行于膜面方向的磁场，大小 为250 Oe。将制备好的样品放在真空退火炉中进行两次退火，退火时升温降温 速率为15°C/min，在退火过程中通入流速为0.5L/min的高纯氮气，第一次退火 时磁场方向与样品制备态时方向一致，第二次退火时磁场方向与样品制备态时方 向垂直。具体退火条件及实验结果如图l所示
曲线(a)退火条件为在lX10-"Pa真空度下，在1000Oe磁场下，在120 。C温度下进行第一次磁场下退火，保温时间0.5h;当保温结束后，将退火炉温度 降至室温，将样品垂直卯。改变方向进行再次退火，第二次退火条件为在60Oe
磁场下，在100 30(TC温度下，保温0.5h 。
曲线(b)退火条件为在5X10^Pa真空度下，在2000Oe磁场下，在210 。C温度下进行第一次磁场下退火，保温时间1.5h;当保温结束后，将退火炉温度 降至室温，将样品垂直9(T改变方向进行再次退火，第二次退火条件为在150Oe 磁场下，在100 30(TC温度下，保温1.5h 。
曲线(c)退火条件为在1X10—Spa真空度下，在3000Oe磁场下，在280 。C温度下进行第一次磁场下退火，保温时间2.5h;当保温结束后，将退火炉温度 降至室温，将样品垂直90°改变方向进行再次退火，第二次退火条件为在280Oe 磁场下，在100 300'C温度下，保温2.5h 。
从图l中可以看出，制备态时自旋阀薄膜的矫顽力较大，为5.650e。在采 用了低场退火后，在100 30(TC温度范围内，自旋阀薄膜的矫顽力均有了明显 降低，对于曲线b所对应的退火条件，在第二次退火温度为200'C时，矫顽力变 化最为明显，由制备态时的5.650e降至0.5Oe，同时对磁电阻值的测量也发现由 原来的8.0%升至9.2% 。这说明，在低磁场下进行第二次退火可以有效地降低 自旋阀薄膜的的矫顽力，改善薄膜的磁性能。
权利要求
1.一种降低自旋阀薄膜矫顽力的方法，在磁控溅射仪中制备自旋阀薄膜，在真空退火炉中进行退火，退火时，本底真空为1×10-4～1×10-5Pa，在1000～3000Oe磁场下，磁场方向沿着自旋阀薄膜制备态时的易轴方向，在100～300℃温度下，保温0.5～3h后，降至室温，其特征在于对退火后的自旋阀薄膜进行第二次退火，退火时，在50～300Oe磁场下，100～300℃温度下，保温0.5～3h。
2. 如权利要求l所述的一种降低自旋阀薄膜矫顽力的方法，其特征是 在所述的第二次退火时，磁场方向与第一次退火时的磁场方向垂直。
3. 如权利要求l， 2所述的一种降低自旋阀薄膜矫顽力的方法，其特征在于退火时通入一定流量的N2作为保护气体。
全文摘要
本发明提供了一种利用二次退火降低自旋阀薄膜矫顽力的方法，属于信息电子、功能材料领域。在磁控溅射仪中制备自旋阀薄膜，在真空退火炉中进行退火。其特征在于采用两次退火，退火顺序依次为在1000～3000Oe磁场下，在100～300℃温度下，保温0.5～3h后，降至室温；再在50～300Oe磁场下，在100～300℃温度下，保温0.5～3h；第一次退火时的磁场方向沿着自旋阀薄膜制备态时的易轴方向，第二次退火时的磁场方向与第一次退火时的磁场方向垂直；退火时本底真空度为1×10<sup>-4</sup>～1×10<sup>-5</sup>Pa；退火时通入一定流量的N<sub>2</sub>作为保护气体。本发明的优点在于利用两次退火，既提高了自旋阀薄膜在室温下的磁阻效应，又明显降低了薄膜的矫顽力。本发明对改进磁传感器的性能有重要的应用价值。
文档编号C23C14/58GK101182632SQ200710179580
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者雷 丁, 于广华, 蛟 滕 申请人:北京科技大学