专利名称：上钉扎型铜锰合金磁自旋阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁自旋阀，尤其涉及一种上钉扎型铜锰合金磁自旋阀，可用于数据存储、读出磁头和各种类型的电磁传感器，属于材料工程技术领域。
现有技术中，自旋阀和隧道结被认为是当今最有前景的磁性纳米材料，在高空间分辨率、高灵敏度传感器及高密度随机存储器方面潜力巨大，世界各大公司及研究机构目前都在竟相开发这些器件，特别是某些器件已经商品化，获得了巨大的经济利益。钴铜(Co/Cu)系列是目前金属多层膜巨磁电阻(GMR)研究中得到GMR数值较大的一个系统，也是研究的较成熟的一个系统，目前之所以未能投入应用，主要是其饱和场太大。如果能在保持相对高的GMR的同时，降低其饱和场/开关场，对于实际应用来讲无疑是具有重要意义的。在Co/Cu系列中利用磁性层掺杂降低饱和场的工作已有报道，有人利用CoAl合金作为磁性层，在Co-Al/Cu多层膜中发现这种系统的饱和场比Co/Cu系列的要低许多，虽然巨磁电阻有所降低，但是其灵敏度却有很大的提高。也有人曾用和Cu有关的合金CuNi，CuZn和CuAg作为非磁层对巨磁电阻进行过研究，但是他们不是针对降低饱和场的。针对降低饱和场，人们进行了一系列有关合金作为非磁层的研究，例如，H.Wang，etal，J.Appl.Phys.85(1999).5030中所介绍的，采用某一特定成分的铜锰合金CuMn(Mn原子含量为8％)作为非磁层，得到了较低饱和场/开关场的结果。但这一结果不完整，没有系统化。总之，在Co/Cu/Co结构中利用Co层厚度的不同研究和制备自旋阀未见满意的结果，主要是饱和场偏大，并且磁阻回线(电阻随磁场扫描变化曲线)的双峰结构不理想。虽然利用一些材料的钉扎特性可以使双峰结构得到一定程度的改善，但并不十分理想，而且其饱和场/开关场仍然偏大。总的来说，现有技术中以Co/Cu/Co为基础结构的自旋阀普遍存在磁阻回线对称性差，台阶不够宽和平坦，尤其是涉及钉扎材料较多且成分复杂、工艺烦琐，极大影响了这个系统的自旋阀的实际应用。
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种新型的上钉扎型铜锰合金磁自旋阀，使之不仅能把饱和场降下来，又可得到理想的双峰结构，使其低场特性类似隧道结，但其制作工艺要比隧道结简单的多，这对实际应用具有重要意义。
为实现这样的目的，本发明采用新配方的非磁层搀杂技术并且结合一定的磁性层钉扎工艺，制备的磁自旋阀的结构为Co/CuMn/Co-CoO，即在Co/Cu/Co结构中，以CuMn合金层替代非磁中介层Cu以降低饱和场/开关场，再辅以上钉扎Co-CoO层替代Co层并保持合适的配比，以进一步改善自旋阀性能。
本发明采用直流磁控溅射工艺制备，衬底为硅片Si，保持底层Co层和上钉扎层Co-CoO厚度2.0nm固定不变，中间层CuMn合金膜的成分为Cu1-xMnx，x的取值范围为3％～11％，最佳区域为5％～6％。采用Cu和Mn复合靶，即把体积和形状完全相同的一些Mn小立方体颗粒均匀摆放在Cu靶的溅射区域上，以此制备厚度在1.0～2.6nm之间的CuMn合金膜。这样制备的样品可以避免合金型靶材因为Cu和Mn的溅射率不同而导致的溅射成分的不稳定。制备时的本底真空为4.6×10-5Pa，溅射时的Ar气压为0.3Pa，CuMn合金采用直流溅射，溅射电流为40mA，Co磁性层和CoO钉扎层均采用射频溅射获得，溅射功率为160W。
制备过程中Co和CuMn的沉积率分别为0.08和0.1nm/秒。上钉扎层Co-CoO的制备分为两部分，前半段Co层厚度为1.0nm，采用普通射频溅射获得，功率为160W，后半段CoO的制备方法与常用的等离子体氧化法不同，采用5∶2的Ar气和O2气混合后反应制备，完成后不出真空室再经高纯氧气、150～180度的高温氧化两小时获得。
本发明在Co/Cu/Co结构中，以最佳配方的CuMn合金层替代非磁中介层后，系统的饱和场/开关场降低约1个多数量级，灵敏度有大幅度提高，同时再辅以上钉扎Co-CoO层替代Co层，自旋阀性能会进一步得到改善。和Co/Cu/Co-CoO系统比较，饱和场/开关场降低了约1个多数量级，和Co/CuMn/Co系统比较，台阶宽度有所增加，同时系统的磁电阻数值也有所提高。本发明无论和国际同类自旋阀系统相比，还是和非同类自旋阀系统相比，都具有显著的进步和实用价值。
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例磁自旋阀的衬底为硅片Si，保持Co层厚度2.0nm固定不变，中间层CuMn合金膜的成分为Cu94Mn6，采用Cu和Mn复合靶制备，其厚度为1.2nm。采用磁控溅射工艺制备，本底真空为4.6×10-5Pa，溅射时的Ar气压为0.3Pa，溅射电流为40mA。制备过程中Co和CuMn的沉积率分别为0.08和0.1nm/秒。底层Co(2.0nm)和上钉扎层Co-CoO的前半段Co层(1.0nm)，采用射频溅射获得，功率为160W，后半段CoO采用5∶2的Ar气和O2气混合后反应制备，溅射功率仍为160W，完成后不出真空室再经高纯氧气160度的高温氧化两小时获得。
采用本发明制备的Co/CuMn/Co-CoO(Mn原子含量为6％)自旋阀的前、后开关场(或饱和场)仅分别为±20 Oe和±45 Oe，巨磁电阻值为3.5％。比Co/Cu/Co系统的±1000 Oe小一个多数量级，台阶非常平展，宽度为25 Oe。比Co/Cu94Mn6(1.2nm)/Co系统自旋阀的20 Oe的峰宽略宽，巨磁电阻值也略高。和Co/Cu94Mn6/Co系统相比，该系统性能有所改善，具有较好的低场特性。
权利要求
1.一种上钉扎型铜锰合金磁自旋阀，其特征在于其结构为Co/CuMn/Co-CoO，即在Co/Cu/Co结构中，以CuMn合金层替代非磁中介层Cu，再以上钉扎Co-CoO层替代Co层，中间层CuMn合金膜的成分为Cu1-xMnx，x的取值范围为3％～11％。
2.如权利要求1所说的上钉扎型铜锰合金磁自旋阀，其特征在于所说的中间层合金膜成份Cu1-xMnx中x的取值范围为5％～6％。
3.一种上钉扎型铜锰合金磁自旋阀的制备工艺，其特征在于采用非磁层搀杂并结合磁性层钉扎工艺制备Co/CuMn/Co-CoO，采用磁控溅射工艺，衬底为硅片Si，保持底层Co层和上钉扎Co-CoO层厚度2.0nm固定不变，中间层CuMn合金膜采用Cu和Mn复合靶制备，其厚度在1.0～2.6nm之间，制备时的本底真空为4.6×10-5Pa，溅射时的Ar气压为0.3Pa，溅射电流为40mA，上钉扎层Co-CoO的前半段Co层厚度为1.0nm，采用射频溅射获得，功率为160W，后半段CoO采用5∶2的Ar气和O2气混合后反应制备，溅射功率为160W，完成后不出真空室再经高纯氧气、150～180度的高温氧化两小时获得。
全文摘要
一种上钉扎型铜锰合金磁自旋阀,采用非磁层掺杂并结合磁性层钉扎工艺,制备的磁自旋阀的结构为Co/CuMn/Co－CoO,即在Co/Cu/Co结构中,以CuMn合金层替代非磁中介层Cu以降低饱和场,再辅以上钉扎Co－CoO层替代Co层,以进一步改善性能。中间层CuMn合金膜的成分为Cu
文档编号H01F10/12GK1275780SQ0011654
公开日2000年12月6日 申请日期2000年6月15日 优先权日2000年6月15日
发明者王辉, 夏宇兴 申请人:上海交通大学