專利名稱：上釘扎型銅錳合金磁自旋閥的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁自旋閥，尤其涉及一種上釘扎型銅錳合金磁自旋閥，可用于數據存儲、讀出磁頭和各種類型的電磁傳感器，屬于材料工程技術領域。
現有技術中，自旋閥和隧道結被認為是當今最有前景的磁性納米材料，在高空間分辨率、高靈敏度傳感器及高密度隨機存儲器方面潛力巨大，世界各大公司及研究機構目前都在竟相開發這些器件，特別是某些器件已經商品化，獲得了巨大的經濟利益。鈷銅(Co/Cu)系列是目前金屬多層膜巨磁電阻(GMR)研究中得到GMR數值較大的一個系統，也是研究的較成熟的一個系統，目前之所以未能投入應用，主要是其飽和場太大。如果能在保持相對高的GMR的同時，降低其飽和場/開關場，對于實際應用來講無疑是具有重要意義的。在Co/Cu系列中利用磁性層摻雜降低飽和場的工作已有報道，有人利用CoAl合金作為磁性層，在Co-Al/Cu多層膜中發現這種系統的飽和場比Co/Cu系列的要低許多，雖然巨磁電阻有所降低，但是其靈敏度卻有很大的提高。也有人曾用和Cu有關的合金CuNi，CuZn和CuAg作為非磁層對巨磁電阻進行過研究，但是他們不是針對降低飽和場的。針對降低飽和場，人們進行了一系列有關合金作為非磁層的研究，例如，H.Wang，etal，J.Appl.Phys.85(1999).5030中所介紹的，采用某一特定成分的銅錳合金CuMn(Mn原子含量為8％)作為非磁層，得到了較低飽和場/開關場的結果。但這一結果不完整，沒有系統化。總之，在Co/Cu/Co結構中利用Co層厚度的不同研究和制備自旋閥未見滿意的結果，主要是飽和場偏大，并且磁阻回線(電阻隨磁場掃描變化曲線)的雙峰結構不理想。雖然利用一些材料的釘扎特性可以使雙峰結構得到一定程度的改善，但并不十分理想，而且其飽和場/開關場仍然偏大。總的來說，現有技術中以Co/Cu/Co為基礎結構的自旋閥普遍存在磁阻回線對稱性差，臺階不夠寬和平坦，尤其是涉及釘扎材料較多且成分復雜、工藝煩瑣，極大影響了這個系統的自旋閥的實際應用。
本發明的目的在于針對現有技術的上述不足，提供一種新型的上釘扎型銅錳合金磁自旋閥，使之不僅能把飽和場降下來，又可得到理想的雙峰結構，使其低場特性類似隧道結，但其制作工藝要比隧道結簡單的多，這對實際應用具有重要意義。
為實現這樣的目的，本發明采用新配方的非磁層攙雜技術并且結合一定的磁性層釘扎工藝，制備的磁自旋閥的結構為Co/CuMn/Co-CoO，即在Co/Cu/Co結構中，以CuMn合金層替代非磁中介層Cu以降低飽和場/開關場，再輔以上釘扎Co-CoO層替代Co層并保持合適的配比，以進一步改善自旋閥性能。
本發明采用直流磁控濺射工藝制備，襯底為硅片Si，保持底層Co層和上釘扎層Co-CoO厚度2.0nm固定不變，中間層CuMn合金膜的成分為Cu1-xMnx，x的取值范圍為3％～11％，最佳區域為5％～6％。采用Cu和Mn復合靶，即把體積和形狀完全相同的一些Mn小立方體顆粒均勻擺放在Cu靶的濺射區域上，以此制備厚度在1.0～2.6nm之間的CuMn合金膜。這樣制備的樣品可以避免合金型靶材因為Cu和Mn的濺射率不同而導致的濺射成分的不穩定。制備時的本底真空為4.6×10-5Pa，濺射時的Ar氣壓為0.3Pa，CuMn合金采用直流濺射，濺射電流為40mA，Co磁性層和CoO釘扎層均采用射頻濺射獲得，濺射功率為160W。
制備過程中Co和CuMn的沉積率分別為0.08和0.1nm/秒。上釘扎層Co-CoO的制備分為兩部分，前半段Co層厚度為1.0nm，采用普通射頻濺射獲得，功率為160W，后半段CoO的制備方法與常用的等離子體氧化法不同，采用5∶2的Ar氣和O2氣混合后反應制備，完成后不出真空室再經高純氧氣、150～180度的高溫氧化兩小時獲得。
本發明在Co/Cu/Co結構中，以最佳配方的CuMn合金層替代非磁中介層后，系統的飽和場/開關場降低約1個多數量級，靈敏度有大幅度提高，同時再輔以上釘扎Co-CoO層替代Co層，自旋閥性能會進一步得到改善。和Co/Cu/Co-CoO系統比較，飽和場/開關場降低了約1個多數量級，和Co/CuMn/Co系統比較，臺階寬度有所增加，同時系統的磁電阻數值也有所提高。本發明無論和國際同類自旋閥系統相比，還是和非同類自旋閥系統相比，都具有顯著的進步和實用價值。
以下結合實施例對本發明的技術方案作進一步描述。
實施例磁自旋閥的襯底為硅片Si，保持Co層厚度2.0nm固定不變，中間層CuMn合金膜的成分為Cu94Mn6，采用Cu和Mn復合靶制備，其厚度為1.2nm。采用磁控濺射工藝制備，本底真空為4.6×10-5Pa，濺射時的Ar氣壓為0.3Pa，濺射電流為40mA。制備過程中Co和CuMn的沉積率分別為0.08和0.1nm/秒。底層Co(2.0nm)和上釘扎層Co-CoO的前半段Co層(1.0nm)，采用射頻濺射獲得，功率為160W，后半段CoO采用5∶2的Ar氣和O2氣混合后反應制備，濺射功率仍為160W，完成后不出真空室再經高純氧氣160度的高溫氧化兩小時獲得。
采用本發明制備的Co/CuMn/Co-CoO(Mn原子含量為6％)自旋閥的前、后開關場(或飽和場)僅分別為±20 Oe和±45 Oe，巨磁電阻值為3.5％。比Co/Cu/Co系統的±1000 Oe小一個多數量級，臺階非常平展，寬度為25 Oe。比Co/Cu94Mn6(1.2nm)/Co系統自旋閥的20 Oe的峰寬略寬，巨磁電阻值也略高。和Co/Cu94Mn6/Co系統相比，該系統性能有所改善，具有較好的低場特性。
權利要求
1.一種上釘扎型銅錳合金磁自旋閥，其特征在于其結構為Co/CuMn/Co-CoO，即在Co/Cu/Co結構中，以CuMn合金層替代非磁中介層Cu，再以上釘扎Co-CoO層替代Co層，中間層CuMn合金膜的成分為Cu1-xMnx，x的取值范圍為3％～11％。
2.如權利要求1所說的上釘扎型銅錳合金磁自旋閥，其特征在于所說的中間層合金膜成份Cu1-xMnx中x的取值范圍為5％～6％。
3.一種上釘扎型銅錳合金磁自旋閥的制備工藝，其特征在于采用非磁層攙雜并結合磁性層釘扎工藝制備Co/CuMn/Co-CoO，采用磁控濺射工藝，襯底為硅片Si，保持底層Co層和上釘扎Co-CoO層厚度2.0nm固定不變，中間層CuMn合金膜采用Cu和Mn復合靶制備，其厚度在1.0～2.6nm之間，制備時的本底真空為4.6×10-5Pa，濺射時的Ar氣壓為0.3Pa，濺射電流為40mA，上釘扎層Co-CoO的前半段Co層厚度為1.0nm，采用射頻濺射獲得，功率為160W，后半段CoO采用5∶2的Ar氣和O2氣混合后反應制備，濺射功率為160W，完成后不出真空室再經高純氧氣、150～180度的高溫氧化兩小時獲得。
全文摘要
一種上釘扎型銅錳合金磁自旋閥,采用非磁層摻雜并結合磁性層釘扎工藝,制備的磁自旋閥的結構為Co/CuMn/Co－CoO,即在Co/Cu/Co結構中,以CuMn合金層替代非磁中介層Cu以降低飽和場,再輔以上釘扎Co－CoO層替代Co層,以進一步改善性能。中間層CuMn合金膜的成分為Cu
文檔編號H01F10/12GK1275780SQ0011654
公開日2000年12月6日 申請日期2000年6月15日 優先權日2000年6月15日
發明者王輝, 夏宇興 申請人:上海交通大學