专利名称：易轴垂直取向的人工合成反铁磁体和赝自旋阀薄膜结构的制作方法
技术领域：
本发明属磁记录技术领域，具体涉及一种高密度非挥发性磁随机存储器和其它
自旋电子器件，尤其涉及一种具有垂直磁各向异性的人工合成反铁磁赝自旋阀。
背景技术：
由于人工合成反铁磁结构可以降低层间静磁耦合并减小钉扎层的退磁场，已经 被广泛用于传统的面内磁化巨磁电阻自旋阀和磁隧道结器件中，并在硬盘读头和磁随机 存储器中发挥重要作用。近年来，垂直磁化自旋阀的诸多优点，比如强的磁稳定性，高 的信息存储密度以及翻转可靠性等，为更低尺度自旋电子器件的设计和实用化提供了可 能性。而普通垂直磁各向异性自旋阀由于自由层和参考层的翻转场差别一般比较小，温 度升高时这种差别甚至消失，造成其磁化强度的同时翻转从而使信号降低甚至消失。我 们把人工合成反铁磁结构与垂直各向异性自旋阀结合起来，既保留了垂直各向异性自旋 阀在高存储密度方面的潜在优势，同时引入了较大的翻转场平台，从而大大改善了自旋 阀巨磁电阻信号的热稳定性，解决了垂直磁化自旋电子学器件在将来的实用中所面临的 这一关键问题。
参考文献 [l]N.Nishimura， etal.， J.Appl.Phys.91， 5246(2002). [2]Z.Y丄iu and S.Adenwalla， Phys.Rev丄ett.91， 037207(2003). [3]S.Mangin， etal.， Nat.Mater.5， 210(2006). [4]H.Meng and J.P.Wang， Appl.Phys丄ett.88， 172506(2006). [5]T.Seki etal.， Appl.Phys丄ett.88， 172504(2006) ; 89， 172504(2006). [6]W.Chen， etal.， Appl.Phys丄ett.92， 012507(2008). [7]Zhenya丄i， etal.， J.Appl.Phys. 106， 013907(2009).
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以用于高密度磁存储的人工合成垂直磁化反铁磁
体和赝自旋阀结构。 本发明提出的人工合成反铁磁体，是一种以[Co/Ni]膜为基的具有垂直磁各向异 性的人工合成反铁磁结构，并首次将其引入到赝自旋阀结构中作为参考层，使垂直磁化 的自旋阀有了更好的稳定性，能够满足其在高密度磁电阻型不挥发随机存储器及其它微 纳自旋电子学器件中的应用。 本发明提出的反铁磁体结构如图l所示， 一共分为3层，自下而上依次是缓冲 层、人工合成反铁磁层和保护层。上述结构中，缓冲层采用Ta/Cu双层膜，其中Ta层 厚度为l-10nm， Cu层厚度为0.6-3.0nm，其作用主要是避免由于衬底表面形貌等原因对 自旋阀性质产生不良影响，并且也能诱导上层材料的晶向。人工合成反铁磁层由两个具 有垂直磁各向异性的[Co/Ni]多层膜中间夹一非磁性的Ru层构成，其中Ru层的厚度为0.5-0.9nm，以保证具有强的反铁磁耦合，Ru层下面的[Co/Ni]多层膜中，Ni层在下，厚 度为0.50-0.70nm， Co层在上，厚度为0.15-0.33nm，多层膜的周期数为2-8 ; Ru层上面 的[Co/Ni]多层膜中，Co层在下，厚度为0.15-0.33nm， Ni层在上，厚度为0.50-0.70nm，
该多层膜的周期数为3-5;保护层是为了防止薄膜氧化，采用不易氧化的金属Ta，厚度为 l-10腿。 本发明提出的人工合成反铁磁赝自旋阀结构如图2所示，从下到上一共分为5 层，依次是缓冲层、自由层、Cu中间层、人工合成反铁磁层和保护层。即在上述反铁 磁体结构中，于缓冲层与人工合成反铁磁层之间依次增加自由层和Cu中间层。缓冲层 的结构和作用与图1相同，自由层采用自旋极化率较高的铁磁材料[Ni/Co]垂直磁化多层 膜，其中Ni层在下，Co层在上，厚度分别为0.50-0.70nm和0.15-0.33nm，多层膜的周期 数为2-4。采用上述的人工合成反铁磁体结构作为参考层。Cu中间层厚度为2.1-3.3nm。 为了减小分流作用造成的巨磁电阻信号降低，在保证性能的条件下尽量降低各膜层厚度 和多层膜的重复周期数。 本发明中的结构采用直流磁控溅射设备在室温下制备，各金属薄膜都采用直流 溅射，以氩气为工作气体。具体步骤如下 以清洗并烘干后的康宁玻璃作为衬底，把衬底传送到磁控溅射设备的溅射腔 室，待腔室的真空度达到1X10-8Torr以下时，腔室中通入氩气作为工作气体，溅射时Ar 气压为5.86-6.llmTorr，并在衬底与靶材之间加一溅射功率，开始逐层沉积薄膜。衬底上 先溅射Ta/Cu作为缓冲层；[Co/Ni]多层膜沉积时，Co靶和Ni靶采用同一条件溅射，同 时起辉，依次交替沉积，通过控制两个靶材上的挡板各自打开的时间来分别控制Co层和 Ni层的厚度。其中Co的溅射速率为0.4lA/s， Ni的溅射速率为0,59 A/s。通过调节溅射功 率和腔内气压来获得不同材料的沉积速率，从而调控膜层厚度和优化结构性能。在沉积 过程中衬底以20rpm的速度旋转以保证薄膜的均匀性。热稳定性的测试是在一套真空磁 场热处理系统中完成的。将样品在真空腔内加热至所需温度后保温10分钟，然后降到室 温。整个过程中外加一垂直于样品表面的磁场，大小为3000Oe。 本发明中设计的人工合成反铁磁赝自旋阀的自由层和参考层磁化强度翻转场差 异达800Oe，室温巨磁电阻信号可达6.0%，信号热稳定性优异，经30(TC下退火后信号 仍高达4.0%。本发明提出的这种具有垂直磁各向异性的新型人工合成反铁磁赝自旋阀结 构，可以用于计算机硬盘的读头、超高密度的非挥发性磁随机存储器，或者其它自旋电 子器件中。
图1为本发明人工合成反铁磁体结构示意图。
图2为本发明赝自旋阀结构示意图。 图3为人工合成反铁磁结构Coming Glass/Ta 3.0nm/Cu 1.4nm/[Ni 0.59nm/ Co0.25nm]3/Ru 0.4-1.2nm/[Co 0.25nm/Ni 0.59nm]5/Ta 3.0nm的MOKE回线。其中(a)-(f)分 别对应于Ru的厚度为0.4nm、 0.5nm、 0.6nm、 0.7nm、 0.9nm禾P 1.2nm。 (c)中标出了反 铁磁耦合场的计算方法，其强度已在(c)、 (d)、 (e)中标出。 图4为人工合成反铁磁结构Coming Glass/Ta 3.0nm/Cu 1.4nm/[Ni 0.59nm/Co0.33nm]N/Ru 0.7nm/[Co 0.25nm/Ni 0.59nm]3/Ta 3.0nm的MOKE回线。其中(a)-(d)分别
对应于多层膜周期数N为2、 3、 4、 5，图中的粗箭头和细箭头分别代表下面铁磁多层膜 和上面铁磁多层膜的磁矩。 图5为赝自旋阀Corning Glass/Ta 3.0nm/Cu 1.4nm/[Ni 0.59nm/Co 0.33nm]N/Cu 2.3nm/[Co 0.33nm/Ni 0.59nm]4/Ru 0.7nm/[Co 0.25nm/Ni 0.59nm]3/Ta 3.0nm的室 益巨磁电阻 回线。(a)-(c)分别对应于周期数N为2、 3、 4。 图6为赝自旋阀Corning Glass/Ta 3.0nm/Cu 1.4nm/[Ni 0.59nm/Co 0.33nm]3/Cu 2.3nm/[Co 0.33nm/Ni 0.59nm]4/Ru 0.7nm/[Co 0.25nm/Ni 0.59nm]3/Ta 3.0nm在不同温度， 3000Oe外加磁场下退火10分钟后的巨磁电阻信号回线。其中(a)-(e)分别代表退火温度 为20。C、 150°C、 180°C、 200°C、 230°C、 250°C、 280°C 。 图7为赝自旋阀Corning Glass/Ta 3.0nm/Cu 1.4nm/[Ni 0.59nm/Co 0.33nm]3/Cu 2.3nm/[Co 0.33nm/Ni 0.59nm]4/Ru 0.7nm/[Co 0.25nm/Ni 0.59nm]3/Ta 3.0nm在不同温度， 3000Oe外加磁场下退火10分钟后的巨磁电阻信号随退火温度的变化图。
图中标号l为衬底，2为缓冲层，3为人工合成反铁磁层，4为保护层，5为自 由层，6为Cu中间层。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1 结构Corning Glass/Ta 3.0nm/Cu 1.4nm/[Ni 0.59nm/Co 0.25nm]3/Ru 0.4-1.2nm/ [Co0.25nm/Ni 0.59nm]5/Ta 3.0nm。 本例为一组非铁磁Ru层的厚度为0.4-1.2nm的人工合成反铁磁结构。如图3所 示，当Ru层的厚度为0.5-0.9nm时，表现为反铁磁耦合，厚度较小时耦合强度随厚度增 加而增加，厚度为0.7nm时反铁磁耦合达到最强，耦合场大小为4640Oe，之后耦合强度 随厚度增加而递减。当Ru的厚度减小到0.4nm或增加到1.2nm时，反铁磁耦合消失，变 为铁磁耦合。
实施例2 结构Corning Glass/Ta 3.0nm/Cu 1.4nm/[Ni 0.59nm/Co 0.33nm]N/Ru 0.7nm/ [Co0.25nm/Ni 0.59nm]3/Ta 3.0nm。 本例为一组下[Co/Ni]多层膜周期数N为2-5的人工合成反铁磁结构。如图4 所示，在周期数由2增大到5的过程中， 一直保持着良好的垂直磁各向异性。周期数为 4时，上下磁性多层膜的磁矩在零场附近较大的磁场范围保持反平行状态，有利于获得优 异的巨磁电阻自旋阀性能。
实施例3 结构Corning Glass/Ta 3.0nm/Cu 1.4nm/[Ni 0.59nm/Co 0.33nm]N/Cu 2.3nm/ [Co0.33nm/Ni 0.59nm]4/Ru 0.7nm/[Co 0.25nm/Ni 0.59nm]3/Ta 3.0nm。 本例为一组自由层[Co/Ni]多层膜周期数N为2-4的人工合成反铁磁赝自旋阀样 品。如图5所示，周期数为2时，垂直各向异性不是很好，且信号只有4.2%;周期数 为3时，样品有很好的垂直各向异性，巨磁电阻信号可达6.0%，而且高信号时的自由层和参考层的翻转场有高达800Oe的差异；周期数N为4时，巨磁电阻信号与N二3时相 似，但垂直各向异性变差，磁翻转场的差别也减小。
实施例4 结构Corning Glass/Ta 3.0nm/Cu 1.4nm/[Ni 0.59nm/Co 0.33nm]3/Cu 2.3nm/ [Co0.33nm/Ni 0.59nm]4/Ru 0.7nm/[Co 0.25nm/Ni 0.59nm]3/Ta 3.0腿。 图6和图7分别为含有反铁磁参考层的赝自旋阀在不同温度，3000Oe磁场下退 火10分钟后的巨磁电阻信号随磁场和退火温度的变化曲线。可以看出，室温下制备态样 品的垂直各向异性很好，且信号达6.0%;当退火温度在18(TC时，信号开始略有下降， 但下降速度很缓慢，直到30(TC，仍有4.0%的信号。
权利要求
一种具有垂直磁各向异性的人工合成反铁磁体，其特征在于一共分为3层，自下而上依次是缓冲层、人工合成反铁磁层和保护层；其中，缓冲层采用Ta/Cu双层膜，其中Ta层厚度为1-10nm，Cu层厚度为0.6-3.0nm；人工合成反铁磁层由两个具有垂直磁各向异性的[Co/Ni]多层膜中间夹一非磁性的Ru层构成，其中Ru层的厚度为0.5-0.9nm，Ru层下面的[Co/Ni]多层膜中，Ni层在下，厚度为0.50-0.70nm，Co层在上，厚度为0.15-0.33nm，该多层膜的周期数为2-8；Ru层上面的[Co/Ni]多层膜中，Co层在下，厚度为0.15-0.33nm，Ni层在上，厚度为0.50-0.70nm，该多层膜的周期数为3-5；保护层采用金属Ta，厚度为1-10nm。
2. 根据权利要求1所述的具有垂直磁各向异性的人工合成反铁磁体，其特征在于在缓冲层与人工合成反铁磁层之间依次设有自由层和Cu中间层，构成赝自旋阀；其中，自由层采用铁磁材料[Ni/Co]垂直磁化多层膜，其中Ni层在下，厚度为0.50-0.70nm， Co层在上，厚度为0.15-0.33nm，该多层膜的周期数为24， Cu中间层厚度为2.1-3.3nm。
全文摘要
本发明属于磁记录技术领域，具体为一种易轴垂直取向的人工合成反铁磁体和赝自旋阀薄膜结构。本发明中的人工合成反铁磁体是由中间被非磁性层Ru隔开的两个垂直磁化[Co/Ni]多层膜构成的三明治结构，赝自旋阀结构采用了上述人工合成的反铁磁体作为磁性参考层，单个[Co/Ni]多层膜作为自由层。通过调节Ru层的厚度可以获得不同的反铁磁层间耦合强度，而自旋阀的巨磁电阻信号大小及其热稳定性可以通过通过[Co/Ni]多层膜的周期数来调制。本发明中的赝自旋阀其自由层和参考层磁化翻转场的差别可达800Oe，室温巨磁电阻信号优于6.0％，经300℃热处理后的信号仍高达5.0％，具有优异的热稳定性。本发明在计算机硬盘读头，MRAM和其它自旋电子器件中有重大的应用价值。
文档编号H01F10/32GK101692374SQ20091019721
公开日2010年4月7日 申请日期2009年10月15日 优先权日2009年10月15日
发明者张宗芝, 贺赫, 金庆原, 马斌 申请人:复旦大学