[发明专利]一种提高铱锰自旋阀热稳定性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及巨磁电阻多层膜的制备方法，特别是涉及自旋阀巨磁电阻多层膜的制备。

背景技术

自旋阀多层膜是近十几年迅速发展起来的一种实用化的巨磁电阻材料，它在传感器、计算机硬盘读头和磁电阻随机存储器等方面具有广阔的应用前景。反铁磁FeMn、NiMn、NiO、IrMn、PtMn、CrPtMn等合金是目前用于自旋阀和隧道结的主要钉扎材料，它们对铁磁层的钉扎特性以及热稳定性是影响器件性能的关键因素。上述反铁磁材料有各自的优缺点，FeMn是较早被用于自旋阀巨磁电阻多层膜的钉扎材料，它与NiFe有较大的交换耦合场，但是目前看来它有两个缺点：一是易腐蚀，另一是截止温度较低。NiMn虽然抗腐蚀性好一些，交换耦合场也很大，但它被用作钉扎材料时需要长时间的较高温度的退火，以便产生磁有序排列，这会增加制作工序，甚至会在自旋阀多层膜间引起严重的扩散。磁性金属氧化物如NiO、CoO和α-Fe₂O₃近几年也被用于反铁磁材料。K.Nakamoto，et.al，IEEE Trans.Magn.，32，3247(1996)报道用NiO做钉扎材料，制作工艺相对简单，并且NiO具有优越的抗腐蚀性能，但是用NiO作钉扎层，它对NiFe磁性层的交换耦合作用较弱。Hiromi N.Fuke，et.al，Appl.Phys.L.，75，3680(1999)报道反铁磁IrMn合金有较大的磁电阻和较好的抗腐蚀性，且不需要热处理，但其截止温度为260℃。PtMn有较大的交换耦合场、较高的截止温度(380℃)，但缺点是需要热处理。在高温热处理后Mn原子会扩散到铁磁材料中，上述扩散导致自旋阀巨磁电阻多层膜的磁电阻值(MR)下降、交换耦合场(H_ex)降低，从而影响其磁学稳定性及热稳定性。根据国外文献Mahesh G.Samant，et.al，Appl.Phys.Lett.，76，3097(2000)报道，从制作器件的角度来讲，一般选择综合性能良好的IrMn作为反铁磁材料。提高IrMn的截止温度，改善其热稳定性是IrMn材料研究中需要关注的问题。

发明内容

本发明的目的在于提高反铁磁材料IrMn的热稳定性，在IrMn靶上放置Pt片来置备Ir(Pt)Mn，增大反铁磁材料和铁磁材料之间的交换耦合场H_ex、提高MR值；同时，在以Ir(Pt)Mn为反铁磁材料的自旋阀中引入CoFe纳米氧化层阻挡Mn扩散，提高自旋阀的热稳定性，从而提高器件的性能。

本发明是通过将Pt片放置在IrMn靶上制备反铁磁材料Ir(Pt)Mn，再在以Ir(Pt)Mn为反铁磁材料的自旋阀中插入CoFe的纳米氧化层(NOL)，即在Ir(Pt)Mn为反铁磁材料的自旋阀Ta/NiFe/Ir(Pt)Mn/CoFe/Cu/CoFe/Ta结构的基础上，制备出性能改进的纳米氧化层自旋阀巨磁电阻多层膜。

制备过程是在磁控溅射仪中进行，在清洗干净的单晶硅基片上依次沉积Ta(50～60)/镍铁Ni₈₁Fe₁₉(20～30)/铱铂锰Ir(Pt)Mn(60～70)/钴铁Co₉₀Fe₁₀(35～45)/纳米氧化层NOL/钴铁Co₉₀Fe₁₀(20～30)/铜Cu(25～30)/钴铁Co₉₀Fe₁₀(45～55)/纳米氧化层NOL/钽Ta(30～40)。溅射室本底真空度为1.0×10^-6～6.0×10^-7Pa，溅射时氩气(99.99％)压力为0.4～0.7Pa；基片用循环水冷却，平行于基片方向加有150～250Oe的磁场，以诱发一个易磁化方向。样品在真空退火炉中退火，真空度为1.0×10^-5～6.0×10^-5Pa，磁场为800～1000Oe，退火温度200～300℃，退火时间10～30分钟。

在IrMn靶上对称放置Pt片，通过放置不同数量的Pt片来调节Pt的含量，Pt片的数目可以是4或6或8或10或12个，Mn的含量控制在66％到80％之间。

纳米氧化层(NOL)的制备是在磁控溅射仪中的样品制备室中通入氧气，由Co₉₀Fe₁₀在0.5～1.0Pa纯氧中自然氧化形成，氧化时间为1～20分钟。