专利名称:一种环状含金属芯的磁性多层膜及其制备方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种环状含金属芯的磁性多层膜，及其制备方法，和其在器件中的应用。
背景技术：
自20世纪80年代末期Baibich等人在磁性多层膜系统中首次观察到巨磁电阻效应(Giant Magneto Resistance，GMR)以来，磁性多层膜体系的研究一直是科研人员普遍关注的一个课题。由于GMR效应具有很高的磁电阻比值，因此可以广泛应用到磁电阻型传感器、磁记录读出磁头等领域。用GMR制成的器件不仅具有灵敏度高、体积小、功耗低等优良特点，还可以带来抗辐射、非易失性信息存储等许多新特性。特别是将GMR效应用于磁记录读出磁头则给整个信息记录领域带来了一场深刻的革命，并对相关产业产生了直接而深远的影响。1994年IBM公司利用GMR效应成功研制出硬磁盘读出磁头，将磁盘存储系统的记录密度提高了近20倍，使计算机产业取得了突破性进展；基于GMR效应制成的各类传感器件则由于输出信号增强而使得器件设计大为简化，这直接导致了器件的小型化与廉价化。
继GMR效应发现之后，1995年日本科学家T.Miyazaki和美国科学家J.S.Moodera在磁性隧道结(MTJ)中分别独立获得了室温下18％和10％的隧道磁电阻(TunnelingMagneto Resistance，TMR)比值，从而掀起了磁性隧道结的研究高潮。研究人员基于GMR效应以及磁性隧道结而设计了一种新型磁性随机存取存储器(Magnetic RandomAccess Memory，MRAM)的器件模型，这种器件由于采用了全新的设计而具有许多激动人心的新特性，诸如抗辐射、非易失性信息存储等。典型的MRAM核心部分结构由四部分构成位线(Bit Line)、写字线(Word Line)，读字线(Read Line)和存储单元。位线和写字线，读字线分别位于存储单元的上方和下方，呈纵横交叉排列，存储单元则位于位线和字线的交叉处。MRAM读写过程则由字线和位线电流共同作用而完成，这种工作方式明显的依赖于字线和位线电流所产生的磁场来操控存储单元的磁化状态，结构和工艺十分复杂，给器件的加工和集成带来了极大的不便。
1996年，美国科学家J.Slonczewski从理论上预言了一种新的物理机制—自旋转矩(Spin Torque，ST)效应，这种物理机制可以利用电流自身实现对存储单元磁化状态的操控，当存储单元中流过的电流小于某个特定的临界值IC时，存储单元磁化状态不会被存储单元中流过的电流所改变，从而可以实现读操作；而当存储单元中流过的电流大于这个临界值IC时，存储单元磁化状态将由存储单元中流过的电流的方向所决定，从而可以实现写操作。在随后的十几年中，科学家们对这种新效应进行了大量广泛而深入的研究。如果将这种新机制应用到磁性多层膜系统以及MRAM等器件中，则能够极大地简化器件结构和加工工艺，这将为信息存储领域带来又一次革命性的突破。然而由于现有技术中使用的存储单元(如比特层和其它钉扎层)的几何结构均采用非闭合结构，如矩形、椭圆形等，这种结构在高密度小尺寸存储单元下将会带来较大的退磁场和形状各向异性，这种缺陷无疑会增大自由层的反转场和功耗，对存储单元的磁电性能的均匀性和一致性也带来许多不利的影响，并且给存储单元的设计和制备带来诸多结构上的复杂性，如为减小退磁场一般要采用三明治复合型比特层和底部钉扎层。为了克服这些问题，必须采用新的几何结构和器件设计来消除磁性多层膜自身的退磁场和减小形状各向异性。
发明内容本发明的目的在于克服现有的磁性多层膜系统物理结构上的缺陷，通过改变多层膜系统的几何结构，提供一种无退磁场和弱形状各向异性的环状含金属芯的磁性多层膜，及其制备方法，和用途。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供的环状含金属芯的磁性多层膜，包括一常规的磁性多层膜的各层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm。
所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料，优选Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al等；该金属芯的作用是从外部施加电流，通过电流产生的环形磁场操控磁性多层膜的磁化状态，从而可以更方便的进行磁性多层膜存储单元的读写操作。
本发明提供的环状含金属芯的磁性多层膜，按照形成的材料分类，包括无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜和钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜。
本发明提供的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其核心结构包括一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的硬磁层(以下简称HFM)、中间层(以下简称I1)、软磁层(以下简称SFM)及覆盖层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm。
所述的衬底为常规衬底材料，优选Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs衬底等，厚度为0.3～1mm；所述的下部缓冲导电层由金属材料组成，优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，厚度为2～200nm；所述的硬磁层HFM由巨磁电阻效应大的材料，如Co，Fe，Ni，CoFe，NiFeCo，CoFeB，CoFeSiB等组成，厚度为2～20nm；所述的中间层I1由金属层或者绝缘体势垒层构成，其中金属层的材料如Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，绝缘体势垒层的材料如Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中间层的厚度为0.5～10nm；所述的软磁层SFM的组成材料为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料，包括Co，Fe，Ni或它们的金属合金NiFe，CoFeSiB，NiFeSiB，或非晶Co100-x-yFexBy(0＜x＜100，0＜y≤20)，或Heusler合金，如Co2MnSi，Co2Cr0.6Fe0.4Al；软磁层的组成材料优选Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21；所述的软磁层的厚度为1～20nm；所述的覆盖层由不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料组成，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化；所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料，优选Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，或其合金。
本发明提供的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，包括一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的反铁磁钉扎层(以下简称AFM)、被钉扎磁性层(以下简称FM1)、中间层(以下简称I2)、自由软磁层(以下简称FM2)及覆盖层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm。
所述的衬底为常规衬底，如Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs衬底等，厚度为0.3～1mm；所述的下部缓冲导电层由金属材料组成，优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，厚度为2～200nm；所述的反铁磁钉扎层AFM由具有反铁磁性的合金组成，优选IrMn，FeMn，PtMn，或CrMn，厚度为3～30nm；所述的被钉扎磁性层FM1的组成材料为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，如Fe、Co、Ni及其合金，优选CoFe合金，NiFe合金，非晶CoFeB合金，CoFeSiB等，厚度为2～20nm；所述的中间层I2由金属层或者绝缘体势垒层构成，其中金属层的材料如Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，绝缘体势垒层的材料如Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中间层的厚度为0.5～10nm；所述的自由软磁层FM2的组成材料为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料，包括Co，Fe，Ni或它们的金属合金，或非晶Co100-x-yFexBy(0＜x＜100，0＜y≤20)，或NiFeSiB，或Heusler合金，如Co2MnSi，Co2Cr0.6Fe0.4Al；软磁层材料优选Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21；所述的软磁层的厚度为1～20nm；所述的覆盖层由不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料组成，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化；所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料，优选Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，或其合金。
本发明提供的环状含金属芯的磁性多层膜可以通过微加工方法或绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模两种方法来制备。
本发明提供一种利用微加工方法制备所述的环状含金属芯的磁性多层膜的方法，包括如下的步骤1)选择一个衬底，经过常规方法清洗之后，在常规的薄膜生长设备(例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等)上沉积下部缓冲导电层；2)利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，在下部缓冲导电层上依次沉积本发明的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜的硬磁层HFM、中间层I1、软磁层SFM以及覆盖层；在沉积硬磁层和软磁层时，可以选择施加50～5000Oe的平面诱导磁场；或是利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，在下部缓冲导电层上依次沉积本发明的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜的反铁磁钉扎层AFM、被钉扎磁性层FM1、中间层I2、自由软磁层FM2以及覆盖层；沉积反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层和自由软磁层时，可以选择施加50～5000Oe的平面诱导磁场；3)采用微加工工艺将步骤2)中沉积了磁性多层膜的衬底加工成环状结构；所述的微加工工艺的具体步骤为首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的环状图形对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成环形，最后用去胶剂浸泡进行去胶；必要时还可以利用反应离子刻蚀机进行辅助去胶；4)在步骤3)得到的刻蚀成形的环状磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层绝缘层将各环状多层膜进行掩埋并且相互隔离；所述的绝缘层为常规的绝缘体材料，优选SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO或有机分子材料(如聚氯乙烯PVC，聚乙烯PE，聚丙烯PP等)，厚度为100～1000nm；5)利用微加工工艺，在环状多层膜的几何中心位置制备一个直径为5～50000nm金属芯；所述的微加工工艺包括首先定位到环状多层膜的几何中心位置，接着利用聚焦离子束刻蚀、紫外、深紫外曝光、电子束曝光、化学反应刻蚀等微加工方法对绝缘层进行刻蚀，形成直径为5～50000nm的柱状孔洞，之后利用电化学沉积方法、磁控溅射、聚焦离子束辅助沉积等方法在孔洞位置沉积金属材料，形成金属芯；所述的金属芯的材料优选电阻率较小的材料，优选Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al等，或其合金；6)利用微加工工艺的紫外、深紫外曝光或电子束曝光方法，以及聚焦离子束刻蚀或者化学反应干刻或化学反应湿刻，在沉积有环状多层膜的位置上对绝缘层进行刻蚀使绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露，得到本发明的环状含金属芯的磁性多层膜。
本发明提供一种利用绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模方法制备所述的环状含金属芯的磁性多层膜的方法，包括如下的步骤1)选择一个衬底，经过常规方法清洗之后，在常规的薄膜生长设备(例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等)上沉积下部缓冲导电层(该下部缓冲导电层在后续加工时成为导电电极)；2)在步骤1)中得到的衬底上有规则或随机地分离地分散一层绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒；利用所选择的绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒的尺寸和形状，来控制最终获得的环状磁性多层膜单元的尺寸和形状；
所述的绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒为常规的绝缘微米、亚微米或纳米颗粒，优选SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO或有机分子(如聚氯乙烯PVC，聚乙烯PE，聚丙烯PP等)微米、亚微米或纳米颗粒，直径为10～100000nm；3)利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，在铺有绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒的下部缓冲导电层上依次沉积本发明的无钉扎型环状磁性多层膜的硬磁层HFM、中间层I1、软磁层SFM以及覆盖层；沉积硬磁层和软磁层时，可以选择施加50～5000Oe的平面诱导磁场；或是利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，在下部缓冲导电层上依次沉积本发明的钉扎型环状磁性多层膜的反铁磁钉扎层AFM、被钉扎磁性层FM1、中间层I2、自由软磁层FM2以及覆盖层；沉积反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层和自由软磁层时，可以选择施加50～5000Oe的平面诱导磁场；4)对沉积了磁性多层膜的片基进行离子刻蚀，由于绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒起到了掩模的作用，沉积于颗粒下方的磁性多层膜被保留，而暴露于无颗粒处的磁性多层膜被刻去，最后被保留下来的沉积于绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒下方的磁性多层膜形成了环状结构；5)利用微加工工艺，在沉积有环状多层膜的位置上进行选择性化学反应干刻或化学反应湿刻，将残留的绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒刻去，环状磁性多层膜得以暴露；然后在刻蚀成形的环状磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层绝缘层将各环状多层膜进行掩埋并且相互隔离；所述的绝缘层为常规的绝缘体材料，优选SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO或有机分子(如聚氯乙烯PVC，聚乙烯PE，聚丙烯PP等)材料，厚度为100～1000nm；再利用微加工工艺的紫外、深紫外曝光或电子束曝光方法，以及聚焦离子束刻蚀或者化学反应干刻或化学反应湿刻，在沉积有环状多层膜的位置上对绝缘层进行刻蚀，使绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露；最后利用微加工工艺，在环状多层膜的几何中心位置制备一个直径为5～50000nm金属芯；所述的微加工工艺包括首先定位到环状多层膜的几何中心位置，接着利用聚焦离子束刻蚀、紫外、深紫外曝光、电子束曝光、化学反应刻蚀等微加工方法对绝缘层进行刻蚀，形成直径为5～50000nm的柱状孔洞，之后利用电化学沉积方法、磁控溅射、聚焦离子束辅助沉积等方法在孔洞位置沉积金属材料，形成金属芯；所述的金属芯的材料优选电阻率较小的材料，优选Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al等，或其合金；6)利用微加工工艺的紫外、深紫外曝光或电子束曝光方法，以及聚焦离子束刻蚀或者化学反应干刻或化学反应湿刻，在沉积有环状多层膜的位置上对绝缘层进行刻蚀使绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露，得到本发明的环状含金属芯的磁性多层膜。
使用时，将上述环状含金属芯的磁性多层膜进一步加工，引出电极，具体步骤如下7)利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层导电层；所述的导电层为电阻率较小的金属，优选Au、Ag、Pt、Cu、Al、SiAl等或其金属合金，厚度为2～200nm；8)利用常规的半导体微加工工艺，将导电层加工成电极，每个环状结构引出四个电极，即得到含有本发明的环状含金属芯的磁性多层膜的元器件；所述的常规半导体微加工工艺包括首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机或电子束曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂等浸泡进行去胶。
本发明的环状含金属芯的磁性多层膜能够广泛应用于以磁性多层膜为核心的各种器件，例如，磁性随机存取存储器，计算机磁头，磁敏传感器等。
本发明提供的环状含金属芯的磁性多层膜，使用微加工方法或绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模方法制备的环状结构，来代替常规的磁性多层膜。在现有技术使用常规的非环状结构时，由于常规结构带来的退磁场和形状各向异性的影响，使磁性多层膜的磁化状态不易改变，在器件应用上必须依赖外部施加的较大磁场或者由较大脉冲电流产生的合成磁场来操控其磁化状态，功耗大、成本高，并给器件的加工、集成和使用带来许多不利因素，如噪声和近邻单元间的磁耦合和磁干扰以及热效应和散热问题等，并且对器件的性能产生不良的影响。而本发明通过改变磁性多层膜的几何结构，可以克服上述缺陷，提高磁性多层膜的性能，使其在保持磁性多层膜原有特征和性能的情况下，还具有无退磁场和最小磁各向异性，磁化状态易于改变并且可由电流直接操控等优点，避免了使用外磁场或者由较大脉冲电流产生的合成磁场来操控磁化状态所带来的结构和工艺上的复杂性，能够满足大规模产品化的要求，即本发明的环状含金属芯的磁性多层膜更适合于器件化的磁性随机存取存储器、新型磁性多层膜传感器的制备。
图1是本发明的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜的结构示意图(底部的衬底、下部缓冲导电层以及顶部的覆盖层未在图中给出)；图1-1为顶视图，图1-2为剖面结构图；图2是本发明的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜的结构示意图(底部的衬底、下部缓冲导电层以及顶部的覆盖层未在图中给出)；图2-1为顶视图，图2-2为剖面结构图；其中，1硬磁层HFM、2中间层I1、3软磁层SFM、4反铁磁钉扎层AFM、5被钉扎磁性层FM1、6中间层I2、7自由软磁层FM2、8金属芯，其余部分均为绝缘介质所填埋。
具体实施方式实施例1、利用微加工方法制备无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的SiO2/Si衬底上依次沉积厚度为5nm的下部缓冲导电层Ru，厚度为3nm的硬磁层(HFM)Co，厚度为1nm的中间层(I1)Cu，厚度为1nm的软磁层(SFM)Co和厚度为4nm的覆盖层Ru。上述磁性多层膜的生长条件备底真空5×10-7帕；溅射用高纯度氩气气压0.07帕；溅射功率120瓦；样品架旋转速率20rmp；生长温度室温；生长速率0.3～1.1埃/秒；生长时间薄膜厚度/生长速率；在沉积硬磁层和软磁层时，要加上诱导磁场50Oe。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的环状图形对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成环形，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成圆环状几何结构，环的内径为500nm，外径为800nm，宽度为300nm。然后在此刻蚀成形的环状磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层100nm厚的SiO2绝缘层，将各环状多层膜进行掩埋并且相互隔离。采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到环状多层膜的几何中心位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，形成直径为300nm的柱状孔洞，之后利用聚焦离子束辅助沉积方法在孔洞位置沉积金属材料Au，形成一个直径为300nm的Au金属芯。然后采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的环状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为2nm的导电层Au，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其结构示意图如图1所示。
实施例2、利用绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模方法制备无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的0.3mm厚的SiO2/Si衬底上依次沉积厚度为50nm的下部缓冲导电层Ta，在下部缓冲导电层上分散一层直径为100nm的SiO2绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒，之后再利用高真空磁控溅射设备依次生长厚度为20nm的硬磁层(HFM)Co75Fe25，厚度为10nm的中间层(I1)MgO，厚度为10nm的软磁层(SFM)Co75Fe25和厚度为10nm的覆盖层Ta。上述磁性多层膜的生长条件备底真空5×10-7帕；溅射用高纯度氩气气压0.07帕；溅射功率120瓦；样品架旋转速率20rmp；生长温度室温；生长速率0.3～1.1埃/秒；生长时间薄膜厚度/生长速率；在沉积反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层和自由软磁层时，要加上诱导磁场200Oe。对沉积了磁性多层膜的片基进行离子刻蚀，由于绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒起到了掩模的作用，沉积于颗粒下方的磁性多层膜被保留，而暴露于无颗粒处的磁性多层膜被刻去，最后被保留下来的沉积于绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒下方的磁性多层膜形成了环状结构，环的内径为50nm，外径为100nm，宽度为50nm。采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到环状多层膜的几何中心位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，形成直径为30nm的柱状孔洞，之后利用聚焦离子束辅助沉积方法在孔洞位置沉积金属材料Al，形成一个直径为30nm的Al金属芯。然后采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，使得绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒下掩埋的环状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为10nm的导电层Cu，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其结构示意图如图1所示。实施例3、利用微加工方法制备钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的0.8mm厚的SiO2/Si衬底上依次沉积厚度为25nm的下部缓冲导电层Cr，厚度为10nm的反铁磁钉扎层(AFM)IrMn，厚度为3nm的被钉扎磁性层(FM1)Co90Fe10；然后沉积1nm的Al，经等离子体氧化50秒形成的绝缘层作为中间层(I2)；在该中间层上依次沉积厚度为1nm的自由软磁层(FM2)Co90Fe10和厚度为2nm的覆盖层Cu。上述磁性多层膜的生长条件备底真空5×10-7帕；溅射用高纯度氩气气压0.07帕；溅射功率120瓦；样品架旋转速率20rmp；生长温度室温；生长速率0.3～1.1埃/秒；生长时间薄膜厚度/生长速率；在沉积硬磁层和软磁层时，要加上诱导磁场150Oe。沉积好的磁性多层膜经过背景技术中介绍的微加工采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的环状图形对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成环形，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即形成圆环状几何结构，环的内径为300nm，外径为600nm，宽度为300nm。然后在此刻蚀成形的环状磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层50nm厚的SiO2绝缘层，将各环状多层膜进行掩埋并且相互隔离。采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到环状多层膜的几何中心位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，形成直径为300nm的柱状孔洞，之后利用聚焦离子束辅助沉积方法在孔洞位置沉积金属材料Cu，形成一个直径为300nm的Cu金属芯。然后采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的环状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为5nm的导电层Cu，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其结构示意图如图2所示。
实施例4、利用绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模方法制备钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的0.4mm厚的SiO2/Si衬底衬底上依次沉积厚度为30nm的下部缓冲导电层Pt，在下部缓冲导电层上分散一层直径为5000nm的SiO2绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒，之后再利用高真空磁控溅射设备依次生长厚度为2nm的反铁磁钉扎层(AFM)PtMn，厚度为2nm的被钉扎磁性层(FM1)Ni79Fe21；然后沉积10nm的TiO作为中间层(I2)；在该中间层上依次沉积厚度为10nm的自由软磁层(FM2)Ni79Fe21和厚度为2nm的覆盖层Au。上述磁性多层膜的生长条件备底真空5×10-7帕；溅射用高纯度氩气气压0.07帕；溅射功率120瓦；样品架旋转速率20rmp；生长温度室温；生长速率0.3～1.1埃/秒；生长时间薄膜厚度/生长速率；在沉积反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层和自由软磁层时，要加上诱导磁场100Oe。对沉积了磁性多层膜的片基进行离子刻蚀，由于绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒起到了掩模的作用，沉积于颗粒下方的磁性多层膜被保留，而暴露于无颗粒处的磁性多层膜被刻去，最后被保留下来的沉积于绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒下方的磁性多层膜形成了环状结构，环的内径为800nm，外径为5000nm，宽度为4200nm。采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到环状多层膜的几何中心位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，形成直径为500nm的柱状孔洞，之后利用聚焦离子束辅助沉积方法在孔洞位置沉积金属材料Al，形成一个直径为500nm的Al金属芯。然后采用现有技术中的微加工技术，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有环状多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO2绝缘层进行刻蚀，使得绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒下掩埋的环状磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为8nm的导电层Al，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其结构示意图如图2所示。
实施例5～10、按照实施例1相同的方法，利用微加工方法制备无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其磁性多层膜的各层材料和厚度列于表1中。
表1、本发明的利用微加工方法制备无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜的结构
实施例11～16、按照实施例2相同的方法，利用绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模方法制备无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其磁性多层膜的各层材料和厚度列于表2中。
表2、本发明的利用绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模方法制备无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜的结构
实施例17～22、按照实施例3相同的方法，利用微加工方法制备钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其磁性多层膜的各层材料和厚度列于表3中。
表3、本发明的利用微加工方法制备钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜的结构
实施例23～28、按照实施例4相同的方法，利用绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模方法制备钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其磁性多层膜的各层材料和厚度列于表4中。
表4、本发明的利用绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模方法制备钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜的结构
权利要求
1.一种环状含金属芯的磁性多层膜，包括一常规的磁性多层膜的各层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm，所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料。
2.如权利要求
1所述的环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的金属芯的材料为Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al。
3.一种无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其核心结构包括一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的硬磁层、中间层、软磁层及覆盖层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm。
4.如权利要求
3所述的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的下部缓冲导电层由金属材料组成，厚度为2～200nm；所述的硬磁层由巨磁电阻效应大的材料组成，厚度为2～20nm；所述的中间层由金属层或者绝缘体势垒层构成，其中金属层的材料为Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，绝缘体势垒层的材料为Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中间层的厚度为0.5～10nm；所述的软磁层的组成材料为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料，厚度为1～20nm；所述的覆盖层由不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料组成，厚度为2～10nm；所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料。
5.如权利要求
3所述的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的衬底为Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs衬底，厚度为0.3～1mm；所述的下部缓冲导电层的组成材料为Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al；所述的硬磁层的组成材料为Co，Fe，Ni，CoFe，NiFeCo，CoFeB或CoFeSiB；所述的软磁层的组成材料为Co，Fe，Ni或它们的金属合金NiFe，CoFeSiB，NiFeSiB；或非晶Co100-x-yFexBy，其中0＜x＜100，0＜y≤20；或Heusler合金；所述的覆盖层的组成材料为Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au或Cr；所述的金属芯的材料为Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，或其合金。
6.如权利要求
3所述的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的软磁层的组成材料为Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21。
7.一种钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，包括一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层、中间层、自由软磁层及覆盖层，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm。
8.如权利要求
7所述的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的下部缓冲导电层由金属材料组成，厚度为2～200nm；所述的反铁磁钉扎层由具有反铁磁性的合金组成，厚度为3～30nm；所述的被钉扎磁性层的组成材料为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，厚度为2～20nm；所述的中间层由金属层或者绝缘体势垒层构成，其中金属层的材料为Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，绝缘体势垒层的材料为Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中间层的厚度为0.5～10nm；所述的自由软磁层的组成材料为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料，厚度为1～20nm；所述的覆盖层由不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料组成，厚度为2～10nm；所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料。
9.如权利要求
7所述的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的衬底为Si、Si/SiO2、SiC、SiN或GaAs衬底，厚度为0.3～1mm；所述的下部缓冲导电层的组成材料为Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al；所述的反铁磁钉扎层的组成材料为IrMn，FeMn，PtMn，或CrMn；所述的被钉扎磁性层的组成材料为Fe、Co、Ni及其合金；所述的自由软磁层的组成材料为Co，Fe，Ni或它们的金属合金；或非晶Co100-x-yFexBy，其中0＜x＜100，0＜y≤20；或NiFeSiB，或Heusler合金；所述的覆盖层的组成材料为Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au或Cr；所述的金属芯的材料为Ta、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，或其合金。
10.如权利要求
7所述的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的被钉扎磁性层的组成材料为CoFe合金，NiFe合金，非晶CoFeB合金，或CoFeSiB；所述的自由软磁层的组成材料为Co2MnSi，Co2Cr0.6Fe0.4Al，Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21。
11.一种利用微加工方法制备权利要求
1至10之一所述的环状含金属芯的磁性多层膜的方法，包括如下的步骤1)选择一个衬底，经过常规方法清洗之后，在常规的薄膜生长设备上沉积下部缓冲导电层；2)利用常规的薄膜生长手段，在下部缓冲导电层上依次沉积本发明的无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜的硬磁层、中间层、软磁层以及覆盖层；或是利用常规的薄膜生长手段，在下部缓冲导电层上依次沉积本发明的钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜的反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层、中间层、自由软磁层以及覆盖层；3)采用微加工工艺将步骤2)中沉积了磁性多层膜的衬底加工成环状结构；4)在步骤3)得到的刻蚀成形的环状磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，沉积一层厚度为100～1000nm的绝缘层将各环状多层膜进行掩埋并且相互隔离；5)首先定位到环状多层膜的几何中心位置，接着利用微加工方法对绝缘层进行刻蚀，形成直径为5～50000nm的柱状孔洞，之后向此孔洞中沉积金属材料，在环状多层膜的几何中心位置制备一个直径为5～50000nm金属芯；6)利用微加工工艺，在沉积有环状多层膜的位置上对绝缘层进行刻蚀使绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露，得到本发明的环状含金属芯的磁性多层膜。
12.如权利要求
11所述的利用微加工方法制备环状含金属芯的磁性多层膜的方法，其特征在于所述步骤2)在沉积硬磁层和软磁层时，或沉积反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层和自由软磁层时，施加50～5000Oe的平面诱导磁场；所述的步骤3)还包括利用反应离子刻蚀机进行辅助去胶；所述步骤4)的绝缘层为SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO，聚氯乙烯，聚乙烯或聚丙烯。
13.一种利用绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模方法制备权利要求
1至10之一所述的环状含金属芯的磁性多层膜的方法，包括如下的步骤1)选择一个衬底，经过常规方法清洗之后，在常规的薄膜生长设备上沉积下部缓冲导电层；2)在步骤1)中得到的衬底上分散一层直径为10～100000nm的绝缘体颗粒；3)利用常规的薄膜生长手段，在铺有绝缘体颗粒的下部缓冲导电层上依次沉积本发明的无钉扎型环状磁性多层膜的硬磁层、中间层、软磁层以及覆盖层；或是利用常规的薄膜生长手段，在下部缓冲导电层上依次沉积本发明的钉扎型环状磁性多层膜的反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层、中间层、自由软磁层以及覆盖层；4)对沉积了磁性多层膜的片基进行离子刻蚀，由于绝缘体颗粒起到了掩模的作用，沉积于颗粒下方的磁性多层膜被保留，而暴露于无颗粒处的磁性多层膜被刻去，最后被保留下来的沉积于绝缘体颗粒下方的磁性多层膜形成了环状结构；5)利用微加工工艺，在沉积有环状多层膜的位置上进行选择性化学反应干刻或化学反应湿刻，将残留的绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒刻去，环状磁性多层膜得以暴露；然后在刻蚀成形的环状磁性多层膜上，利用常规的薄膜生长手段，沉积一层厚度为100～1000nm的绝缘层将各环状多层膜进行掩埋并且相互隔离；再利用微加工工艺，在沉积有环状多层膜的位置上对绝缘层进行刻蚀，使绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露；最后利用微加工工艺，首先定位到环状多层膜的几何中心位置，接着利用微加工方法对绝缘层进行刻蚀，形成直径为5～50000nm的柱状孔洞，之后向此孔洞中沉积金属材料，在环状多层膜的几何中心位置制备一个直径为5～50000nm金属芯；6)利用微加工，在沉积有环状多层膜的位置上对绝缘层进行刻蚀使绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露，得到本发明的环状含金属芯的磁性多层膜。
14.如权利要求
13所述的利用微加工方法制备环状含金属芯的磁性多层膜的方法，其特征在于所述步骤2)的绝缘体颗粒为SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO，聚氯乙烯，聚乙烯，或聚丙烯的微米、亚微米或纳米颗粒；所述步骤3)在沉积硬磁层和软磁层时，或沉积反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层和自由软磁层时，施加50～5000Oe的平面诱导磁场；所述步骤5)的绝缘层为SiO2，Al2O3，ZnO，TiO，SnO，聚氯乙烯，聚乙烯或聚丙烯。
15.如权利要求
11或13所述的制备环状含金属芯的磁性多层膜的方法，还进一步包括如下的步骤7)利用常规的薄膜生长手段，沉积一层导电层；所述的导电层为电阻率较小的金属，厚度为2～200nm；8)利用常规的半导体微加工工艺，将导电层加工成电极，每个环状结构引出四个电极，得到含有本发明的环状含金属芯的磁性多层膜的元器件。
16.如权利要求
1至10之一所述的环状含金属芯的磁性多层膜在以磁性多层膜为核心的各种器件中的应用。
专利摘要
本发明涉及一种环状含金属芯的磁性多层膜，其特征在于所述的磁性多层膜的横截面呈闭合的环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm；还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的直径为5～50000nm。按照形成的材料分类，本发明的环状含金属芯的磁性多层膜包括无钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜和钉扎型环状含金属芯的磁性多层膜，其可以通过微加工方法或绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模两种方法来制备。本发明的环状含金属芯的磁性多层膜无退磁场，形状各向异性微弱，能够广泛应用于以磁性多层膜为核心的各种器件，例如，磁性随机存取存储器，计算机磁头，磁敏传感器等。
文档编号H01L43/08GK1992105SQ200510135370
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月31日
发明者马明, 韩秀峰, 姜丽仙, 韩宇男, 覃启航, 魏红祥 申请人:中国科学院物理研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan