专利名称：一种抑制具有垂直磁各向异性薄膜中锰扩散的方法
技术领域：
本发明属于磁性多层膜的制备技术领域，特别是提供了一种抑制具有垂直磁各向异性薄膜中Mn扩散的方法，磁性多层膜的改性。
背景技术：
目前以至将来，利用磁性多层膜制作磁性随机存储器或高灵敏度磁传感器等相关器件时，为了达到高密度信息存储或高灵敏度等性能，必须把元件做到亚微米甚至更小尺寸。然而，到目前为止，用来做元器件的所有磁性多层膜利用的基本上都是具有平行膜面的磁各向异性交换耦合的磁性多层膜(即磁各向异性的易轴平行于膜面)，如磁隧道结或自旋阀。当把它们加工成小尺寸元件时，总希望薄膜具有单磁畴结构。然而，当进一步把元件做到亚微米甚至更小尺寸时，将带来不利问题在薄膜的边缘出现磁化卷缩(magnetizationcurling)，从而导致薄膜涡流磁化(Vortex magnetization)，亦即出现涡流磁畴结构，如果用来做磁性随机存储器等相关器件，将导致存储信息的丢失，从而限制了高信息存储技术的进一步发展[J.Shi，S.Tehrani，and M.R.Scheinfein，“Geometry dependence of magnetizationvortices in patterned submicron NiFe elements”，Appl.Phys.Lett.76，2588(2000).]。为了解决这一问题，最近研究出了具有垂直膜面的磁各向异性交换耦合的磁性多层膜(即磁各向异性的易轴垂直于膜面)，如(Pt/Co)n/CoO，(Pt/Co)n/FeMn，(Pt/Co)n/NiO，这里n表示Pt/Co双层膜重复的次数。用这样的多层膜(这种多层膜可以进一步做成自旋阀或磁隧道结等)加工成元件到亚微米尺寸甚至更小尺寸时，薄膜总会处于单磁畴结构状态，从而克服了平行膜面的磁各向异性交换耦合的磁性多层膜的致命缺陷[S.Maat，K.Takano，S.S.P.Parkin，et al.，“Perpendicular exchange bias of Co/Pt multilayers”，Phys.Rev.Lett.87，087202(2001)]。FeMn或其它反铁磁Mn合金是交换耦合场较大的反铁磁材料，因此它们常常可被用做交换耦合磁性多层膜中的反铁磁层；而Pt/Co多层膜由于具有较好的垂直磁各向异性常被用做铁磁层。在FeMn或其它反铁磁Mn合金为反铁磁层的这样的多层膜中，当为了取得好的垂直磁各向异性和大的交换耦合场时需要在磁场中热处理，尽管时间不长，但Mn还是很容易扩散到Pt/Co中，从而破坏该多层膜的垂直磁各向异性以及垂直交换耦合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制具有垂直磁各向异性薄膜中Mn扩散的方法，解决了Mn在Pt/Co中容易扩散到的问题。
本发明提出在FeMn(或其它反铁磁Mn合金，如NiMn、PtMn、IrMn等)与Pt/Co多层膜之间插入Co的纳米氧化层或CoFe的纳米氧化层NOL(nano-oxide layers)来阻止Mn的扩散。用该方法可以阻止Mn的扩散，从而大大提高垂直磁各向异性及交换耦合场，更好地满足磁电阻有关器件制作对交换耦合场指标的需要。
本发明是在(Pt/Co)n/FeMn结构中的(Pt/Co)n与FeMn层之间插入1～2nm CoFe或Co等任一种的纳米氧化层NOL，这里FeMn也可以为其它反铁磁Mn合金。将清洗干净的玻璃基片或单晶硅基片上沉积Pt(60～200)/[Pt(20～40)/Co(3～5)]3～20/NOL/FeMn(70～150)/Pt(60～100)。制备过程是在磁控溅射仪中进行，溅射室本底真空度为1×10-5～6×10-5Pa，溅射时氩气压(99.99％)为0.4～0.7Pa；基片用循环水冷却。其中NOL是在通入样品制备室氧气，气压为0.2～1Pa，氧化1～5分钟条件下形成的。样品制备完毕后，在真空度小于6×10-5Pa的退火炉中热处理10～20分钟，退火温度200～400℃，垂直于基片方向磁场为500～1000奥斯特。
本发明所述的其他反铁磁Mn合金为NiMn、PtMn、IrMn、RhMn和PdPtMn等本发明的优点在于因为采用纳米氧化层NOL插入(Pt/Co)n与FeMn或其它反铁磁Mn合金之间。Mn原子将与NOL中的Co的氧化物或Fe的氧化物反应形成MnO，从而使Mn原子陷在NOL中，阻止它的向(Pt/Co)n中的进一步扩散。这样就保证了多层膜具有良好的垂直磁各向异性及垂直交换耦合场。该发明具有制备方便、成本低、交换耦合场提高明显等优点。
具体实施例方式
实施例1在磁控溅射仪中制备磁性多层膜。首先将单晶Si(001)基片用有机化学溶剂和去离子水超声清洗，然后装入溅射室样品基座上。基片用循环水冷却。溅射室本底真空3×10-5Pa，在溅射时氩气(纯度为99.99％)压为0.5Pa的条件下依次沉积Pt(100)/[Pt(40)/Co(3)]3/NOL/FeMn(140)/Pt(60)。其中NOL是Co90Fe10(12)的氧化物，在通入样品制备室氧气，气压为0.3Pa，氧化2分钟条件下形成的。样品制备完毕后，在真空度优于6×10-5Pa的退火炉中热处理12分钟，退火温度250℃，垂直于基片方向磁场为1000奥斯特。
X射线光电子能谱深度剖析表明没有Mn原子扩散到(Pt/Co)中，这就是说，插入纳米氧化层可以使Mn的扩散被抑制。磁性测试结果表明垂直交换耦合场为280Oe，不插入纳米氧化层时为220Oe，提高约27％。
实施例2在磁控溅射仪中制备具有垂直磁各向异性的磁性多层膜。将具有3000 SiO2氧化层的单晶Si(001)基片清洗干净，然后装入溅射室样品基座上。基片用循环水冷却。溅射室本底真空2×10-5Pa，在溅射时氩气(纯度为99.99％)压为0.4Pa的条件下依次沉积Pt(150)/[Pt(50)/Co(3)]3/NOL/PtMn(200)/Pt(100)。其中NOL是Co(14)的氧化物，在通入样品制备室氧气，气压为0.5Pa，氧化5分钟条件下形成的。样品制备完毕后，在真空度优于6×10-5Pa的退火炉中热处理10分钟，退火温度400℃，垂直于基片方向磁场为1000奥斯特。
俄歇电子能谱深度剖析表明没有Mn原子扩散到(Pt/Co)中，这就是说，插入纳米氧化层可以使Mn的扩散被抑制。磁性测试结果表明垂直交换耦合场为350Oe，不插入纳米氧化层时为280Oe，提高约25％。
权利要求
1.一种抑制具有垂直磁各向异性薄膜中Mn扩散的方法，其特征在于在FeMn或其他反铁磁Mn合金与Pt/Co多层膜之间插入Co的纳米氧化层或CoFe的纳米氧化层来阻止Mn的扩散。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于在(Pt/Co)n/FeMn结构中的(Pt/Co)n与FeMn层之间插入1～2nm CoFe或Co任一种的纳米氧化层NOL；将清洗干净的玻璃基片或单晶硅基片上沉积Pt(60～200)/[Pt(20～40)/Co(3～5)]3～20/NOL/FeMn(70～150)/Pt(60～100)；制备过程是在磁控溅射仪中进行，溅射室本底真空度为1×10-5～6×10-5Pa，溅射时氩气压为0.4～0.7Pa；基片用循环水冷却；其中NOL是在通入样品制备室氧气，气压为0.2～1Pa，氧化1～5分钟条件下形成的；样品制备完毕后，在真空度小于6×10-5Pa的退火炉中热处理10～20分钟，退火温度200～400℃，，垂直于基片方向磁场为500～1000奥斯特。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于溅射时所用氩气纯度为99.99％。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的其他反铁磁Mn合金为NiMn、PtMn、IrMn、RhMn和PdPtMn。
全文摘要
本发明提供了一种抑制具有垂直磁各向异性薄膜中Mn扩散的方法，在FeMn或其他反铁磁Mn合金与Pt/Co多层膜之间插入Co的纳米氧化层或CoFe的纳米氧化层来阻止Mn的扩散。本发明的优点在于因为采用纳米氧化层NOL插入(Pt/Co)n与FeMn或其它反铁磁Mn合金之间。Mn原子将与NOL中的Co的氧化物或Fe的氧化物反应形成MnO，从而使Mn原子陷在NOL中，阻止它的向(Pt/Co)n中的进一步扩散。这样就保证了多层膜具有良好的垂直磁各向异性及垂直交换耦合场。本发明具有制备方便、成本低、交换耦合场提高明显等优点。
文档编号H01L43/00GK1674147SQ20051001139
公开日2005年9月28日 申请日期2005年3月7日 优先权日2005年3月7日
发明者于广华, 滕蛟, 翟中海, 姜勇, 王立锦 申请人:北京科技大学