专利名称：一种基于垂直磁化自由层的磁性多层膜及磁性传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有膜状结构的磁性元件，尤其涉及一种基于垂直磁化自由层的磁性元件及基于该多层膜的磁阻(MR)传感器
背景技术：
在信息数据存储系统中，磁头主要由磁阻传感器(MR, magnetoresistive)组成。通常情况下，磁阻传感器至少包括参考层、隔离层和自由层，其中自由层也叫敏感层，其磁化状态容易随磁通密度变化而发生改变，进而导致输出电压发生改变。磁阻变化大小取决于两磁性层(自由层与参考层)之间的夹角。随着存储密度的增加，磁阻传感器的尺寸相应地越来越小。对平衡磁化方向为面内的常规磁阻传感器而言，为了获得较好的线性输出(或响应)，一种方法是利用磁性材料的形状各向异性；第二种方法采用特殊设计(如惠斯通桥)进行补偿，使器件复杂化。这两种方法都不利于器件的小型化。而且，对采用面内磁化材料的常规磁阻传感器而言，尺寸小还会带来一系列的问题，如敏感层的磁化状态易受热效果和外界磁场影响，进而导致噪音增加和不稳定性；同时，在小尺寸下敏感层的磁化方向还可能会偏离面内平衡方向，这导致输出信号的减弱。因此，利用材料的形状化的面内磁化方案难以满足微小化要求。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种基于垂直磁化自由层的磁性多层膜，从而克服现有技术中的不足。为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案
一种基于垂直磁化自由层的磁性多层膜，包括
具有面内平衡磁化状态的第一磁性层；
形成于第一磁性层之上的非磁性隔离层；
以及，形成于非磁性隔离层之上的具有垂直磁化的磁性自由层。作为优选的方案，所述非磁性隔离层采用厚度为I. O nm 6. O nm的非磁性金属层和/或厚度为O. 5 nm 3. O nm的隧道绝缘层。进一步的，所述非磁性隔离层优选采用无机材料绝缘膜和/或有机材料绝缘膜，所述无机材料绝缘膜可优选自金属氧化物绝缘膜、金属绝缘氮化膜、类金刚石薄膜、EuS薄膜和Ga2O3薄膜中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。所述金属氧化物或金属氮化物是由能构成绝缘层的金属元素经氧化或氮化形成，所述金属元素可优选自Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Mg中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。作为优选的方案，所述第一磁性层主要由具有面内平衡磁化状态的磁性材料制成，所述磁性材料优选采用具有磁性的合金和/或化合物。进一步的，所述磁性材料可优选自3d过渡族磁性金属或其合金、4f稀土金属或其合金和半金属磁性材料中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此；
所述3d过渡族磁性金属或其合金可优选自Fe、Co、Ni、CoFe, NiFe和CoFeB中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此；
所述半金属磁性材料可优选自Fe304、CrO2> Laa7Sra3MnO3和Heussler合金中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。作为优选的方案，所述磁性自由层由具有垂直磁化的磁性材料制成，所述磁性材料可优选自Fe、CoFeB, Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、Cu/Ni和TeFeCoAl中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
作为优选的方案，该磁性多层膜还可包括反铁磁性层，前述第一磁性层形成于该反铁磁性层之上。进一步的，所述反铁磁性层优选由反铁磁性合金和/或反铁磁性化合物形成； 所述反铁磁性合金可优选自Pt-Μη、Pd-Mn> Fe-Mn> Ir-Mn和Rh-Mn中的任意一种或两
种以上的组合，但不限于此。本发明的另一目的在于提供一种磁性传感器，它包含如上所述的磁性多层膜。藉由前述结构，本发明磁性多层膜中两个磁性层的磁化方向呈90°，在制成磁传感器时具有尺寸小、分辨率高以及结构简单等特点。
图I是本发明基于垂直磁化自由层的磁性传感器的结构示意 图2是图I所示磁性传感器的磁场响应曲线示意 图3是本发明实施例I中基于垂直磁化自由层的磁性传感器的结构示意 图4是本发明实施例2中基于垂直磁化自由层的磁性传感器的结构示意 图5是本发明实施例3中基于垂直磁化自由层的磁性传感器的结构示意图。
具体实施例方式概括的讲，本发明的基于垂直磁化自由层的磁性多层膜包括如下核心薄膜结构[L1/SL/L2]，其中LI表示具有面内平衡磁化的铁磁性层或半金属磁性层，其磁化方向相对固定，称为参考层；SL表示非磁性隔离层，当SL为非磁性金属层时，其厚度在I. O 6. Onm之间，而当SL为隧道绝缘层时，其典型厚度在O. 5 nm与3. O nm之间；L2为具有垂直磁化的铁磁性层，其平衡磁化方向垂直于LI层，且其磁化方向可在小的外磁场作用下发生变化，称为自由层。本发明的磁传感器(MR传感器)具有前述垂直磁化自由层的多层薄膜的结构，一个通过该MR传感器的电流，就可检测到由于自由层的磁化方向的旋转而导致的MR传感器的电阻变化，将它作为所检测的磁场的一个函数。参阅图I所不，作为本发明的典型实施方式之一，该基于垂直磁化自由层的传感器包括一个铁磁性层或半金属磁性层LI和一个具有垂直磁化的铁磁性层L2,在层LI和L2之间夹有厚度为一到几个纳米的非磁性金属层或绝缘势垒层SL。检测电流通常垂直于多层膜表面。该图I中，Mk1j代表参考层磁矩,Mfl代表自由层的磁矩。在图I中，LI的磁化方向是平行于薄膜表面的，并且其磁化方向相对固定的，L2的磁化方向是垂直于薄膜表面，并且其磁化方向是自由的。当存在外部磁场H的情况下，L2的磁化方向可随外部磁场发生变化，导致传感器的电阻R随外部磁场H而变化，变化关系如下
R = Rs +(lf2)*AR(\-cos0)(I)
其中，式代表基准态下的电阻，即该基准态下，LI和L2的磁化方向平行4代表LI与L2的磁化方向所形成的夹角，ΔΛ则代表电阻R在磁化方向平行和反平行两种状态之间的变化。如图2所示，在零场附近表现为很好的线性关系，其磁电阻比ΔΛ/ i 与LI和L2磁性层的自旋极化率有关，用这种结构制作的传感器将具有结构简单、尺寸小和分辨率高等特点。以下结合若干较佳实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明。实施例I 参阅图3，该基于垂直磁化自由层的传感器10的结构如下由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成的一个绝缘层IOA形成在一个硅基片10上，在IOA上面形成一个种子层10B;然后在种子层IOB上形成一个下部磁性层LI (参考层)，该层的磁化方向平行于薄膜表面的，并且其磁化方向相对固定的；一个形成于铁磁性层LI之上的隔离层SL; —个形成于隔离层SL之上的另一个磁性层L2 (敏感层)以及一个形成于L2层之上的保护层CL。L2层的磁化方向垂直于薄膜平面，与第一个磁性材料层在没有磁场作用下大约成90度角，L2层的磁化方向的改变是对一个作用的磁场作出反应以及旋转形成的。应当注意到,前述种子层IOB可由Ta、CuN、Ru等非磁性金属构成；前述隔离层SL可由Au、Ci^P Cr等非磁性金属、或金属氧化物绝缘膜、或金属氮化物绝缘膜、有机或无机材料绝缘膜、或类金刚石薄膜、或EuS等材料构成。磁性层LI可选自于3d过渡族铁磁性金属或4f稀土金属及其合金,如Fe、CoFe> CoFeB、Heusler合金;磁性L2层可由Fe、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、Cu/Ni、TeFeCoAl等具有垂直磁化的材料构成；保护层CL可由Au、Pt等金属材料构成。实施例2
在前述实施例中，下部磁性层LI的平衡磁化方向由材料的面内磁化决定，其方向是相对固定的。但当LI层由矫顽力较小的磁性材料构成时，其磁化方向在可以在较小的外场作用发生翻转，进而影响传感器的磁场工作范围。针对上述问题，本实施例进一步提出一种属于钉扎型传感器的基于垂直磁化自由层的传感器20，其结构如图4所示，即由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成的一个绝缘层20A形成在一个硅基片20上，在20A上面形成一个种子层20B;然后在种子层20B上形成一个反铁磁性层AFM，在反铁磁性层AFM之上形成一下下部磁性层LI (参考层)，参考层的平衡磁化方向由于反铁磁性的钉扎作用而相对固定的；一个形成于铁磁性层LI之上的隔离层SL; —个形成于隔离层SL之上的另一个磁性层L2(敏感层)以及一个形成于L2层之上的保护层CL。L2层的磁化方向垂直于薄膜平面，与第一个磁性材料层在没有磁场作用下大约成90度角，L2层的磁化方向的改变是对一个作用的磁场作出反应以及旋转形成的。本实施例中的种子层20B、磁性层LI、隔离层SL、磁性层L2和保护层CL的材料与第一实施例相似，故省略其描述。前述反铁磁性层AFM由Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn、Rh-Mn或NiO等反铁磁合金构成；前述反铁磁性层AFM也可前述反铁磁性合金与FM/匪复合多层膜构成，其中FM/匪与LI形成人造反铁磁性层，从而使LI的平衡磁化方向固定。这里FM可由CoFe等铁磁性合金构成,匪由Ru、Cu、Ag等非磁性金属构成,其厚度在O. 8 nm左右。实施例3
在前述实施例1、2中，具有垂直磁化的磁性层L2形成于隔离层SL之上。同样，当具有垂直磁化的磁性层L2形成于隔离层SL之下亦可。图5示出了又一种基于垂直磁化自由层传感器30的结构，具体如下由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成的一个绝缘层30A形成在一个硅基片30上，在30A上面形成一个种子层30B;然后在种子层30B上形成一个具有垂直磁化的磁性层L2，其平衡磁化方向与薄膜平面成90度角；一个形成于磁性层L2之上的隔离层SL; —个形成于隔离层SL之上的上部磁性层LI和反铁磁性层AFM，上部磁性层的平衡磁化方向平行于薄膜平面，且其磁化方向相对固定。一个形成于磁性LI层之上的保护层CL。本实施例中的种子层30B、磁性层LI、隔离层SL、磁性层L2、反铁磁性层AFM和保护层CL的材料与第一实施例相似，故省略其描述。需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于垂直磁化自由层的磁性多层膜，其特征在于，它包括 具有面内平衡磁化状态的第一磁性层(LI); 形成于第一磁性层(LI)之上的非磁性隔离层(SL)； 以及，形成于非磁性隔离层(SL)之上的具有垂直磁化的磁性自由层(L2)。
2.如权利要求I所述的基于垂直磁化自由层的磁性多层膜，其特征在于，所述非磁性隔离层优选采用厚度为I. O nm 6. O nm的非磁性金属层和/或厚度为O. 5 nm 3. O nm的隧道绝缘层。
3.如权利要求I或2所述的基于垂直磁化自由层的磁性多层膜，其特征在于，所述非磁性隔离层优选采用无机材料绝缘膜和/或有机材料绝缘膜，所述无机材料绝缘膜至少选自金属氧化物绝缘膜、金属绝缘氮化膜、类金刚石薄膜、EuS薄膜和Ga2O3薄膜中的任意一种或两种以上的组合。
4.如权利要求3所述的基于垂直磁化自由层的磁性多层膜，其特征在于，所述金属氧化物或金属氮化物是由能构成绝缘层的金属元素经氧化或氮化形成，所述金属元素至少选自Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Mg中的任意一种或两种以上的组合。
5.如权利要求I所述的基于垂直磁化自由层的磁性多层膜，其特征在于，所述第一磁性层(LI)主要由具有面内平衡磁化状态的磁性材料制成，所述磁性材料优选采用具有磁性的合金和/或化合物。
6.如权利要求5所述的基于垂直磁化自由层的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性材料至少选自3d过渡族磁性金属或其合金、4f稀土金属或其合金和半金属磁性材料中的任意一种或两种以上的组合； 所述3d过渡族磁性金属或其合金至少选自Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe和CoFeB中的任意一种或两种以上的组合； 所述半金属磁性材料至少选自Fe304、CrO2> Laa7Sra3MnO3和Heussler合金中的任意一种或两种以上的组合。
7.如权利要求I所述的基于垂直磁化自由层的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性自由层(L2)由具有垂直磁化的磁性材料制成，所述磁性材料至少选自Fe、CoFeB, Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、Cu/Ni和TeFeCoAl中的任意一种或两种以上的组合。
8.如权利要求I所述的基于垂直磁化自由层的磁性多层膜，其特征在于，它还包括反铁磁性层，所述第一磁性层(LI)形成于该反铁磁性层之上。
9.如权利要求8所述的基于垂直磁化自由层的磁性多层膜，其特征在于，所述反铁磁性层优选由反铁磁合金和/或反铁磁化合物形成； 所述反铁磁合金至少选自Pt-Μη、Pd-Mn> Fe-Mn> Ir-Mn和Rh-Mn中的任意一种或两种以上的组合。
10.一种磁性传感器，其特征在于，它包含如权利要求I所述的基于垂直磁化自由层的磁性多层膜。
全文摘要
本发明公开了一种基于垂直磁化自由层的磁性多层膜及磁性传感器。该磁性多层膜包括具有面内平衡磁化状态的第一磁性层;形成于第一磁性层之上的非磁性隔离层;以及，形成于非磁性隔离层之上的具有垂直磁化的自由层。该磁性传感器包含有该磁性多层膜。藉由前述结构，本发明磁性多层膜中两个磁性层的磁化方向呈90°，在制成磁传感器时具有尺寸小、分辨率高以及结构简单等特点。
文档编号G11B5/31GK102623018SQ20121009419
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月1日 优先权日2012年4月1日
发明者张宝顺, 曾中明 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所