CN101866738B

CN101866738B - 一种垂直磁各向异性的多层膜

Info

Publication number: CN101866738B
Application number: CN2009100820391A
Authority: CN
Inventors: 马勤礼; 魏红祥; 王守国; 韩秀峰
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2029-04-17
Also published as: CN101866738A

Abstract

本发明涉及垂直磁各向异性的多层膜，包括：基片、底层、下磁性层、中间层、上磁性层和覆盖层；下磁性层和上磁性层中至少一个是复合磁性层，复合磁性层包括主体层和过渡层，主体层采用垂直磁各向异性材料制作，过渡层采用自旋极化率高于所述垂直磁各向异性材料的磁性金属材料制作，过渡层位于主体层和中间层之间。当所述中间层为势垒层时，所述复合磁性层还可以采用自旋扩散长度大于3nm的金属材料制作。本发明在保证优良的垂直磁各向异性性能的前提下，能够提高磁电阻性能、减小彼此之间的静磁相互作用以及减小相应器件的反转场或反转电流。本发明可用于巨磁电阻器件或隧穿磁电阻器件，比如磁性传感器、磁随机存储器和磁性逻辑器件等。

Description

一种垂直磁各向异性的多层膜

技术领域

本发明属于自旋电子学材料领域，具体地说，本发明涉及用于磁电阻效应器件的一种垂直磁各向异性的多层膜。

背景技术

基于磁电阻效应尤其是巨磁电阻效应和隧穿磁电阻效应制作的器件，能够获得很大的磁电阻，并且生产工艺能和常规的半导体工艺兼容，因此在工业上有很大的应用前景。自旋阀结构和磁性隧道结结构是两种常用的磁电阻器件结构，所述自旋阀结构和磁性隧道结结构的磁性电极均可以使用具有垂直磁各向异性的材料(如Co/Pt多层膜、L₁₀-FePt合金)制作。图1示出了现有技术中一种采用Co/Pt多层膜作为磁性电极的用于隧道结结构的垂直磁各向异性多层膜，其核心结构为：SUB/UL/P-FM/I/P-FM/CAP；其中，SUB表示基片，UL表示底层，P-FM表示具有垂直磁各向异性的磁性层，I表示用于隧穿磁电阻器件结构中的势垒层，CAP表示覆盖层；所述用于隧道结结构的垂直磁各向异性多层膜各层的具体材料如下：Pt(5nm)/[Pt(2.0nm)/Co(0.7nm)]₅/AlOx(1.0nm)/[Co(0.5nm)/Pt(2.0nm)]₁₀/Pt(10nm)。

与采用面内各向异性的磁性材料相比，使用垂直磁各向异性材料的用于巨磁电阻器件和隧穿磁电阻器件的多层膜，具有以下三个主要优点：首先，具有垂直磁各向异性材料的磁矩垂直于膜面，因此它可以被加工成更小的尺寸而不产生超顺磁性扰动，有利于器件的小型化，可以大幅度提高器件的集成密度；其次，当薄膜经过微加工用于电流驱动的自旋电子器件如电流驱动磁矩反转的磁性存储器时，采用具有垂直磁各向异性的材料作为磁性层的器件具有更小的临界电流并具有更好的热稳定性；再次，使用垂直磁各向异性的多层膜作为自旋阀结构或磁性隧道结结构，能够获得特殊的外场响应(如对外场的线性响应)，特别适合磁性传感器等方面的应用。

然而，目前采用垂直磁各向异性的磁性材料的自旋阀或磁性隧道结结构的磁电阻通常较小，不利于实际应用。

目前，在巨磁电阻器件中以CoFe等为磁性电极的自旋阀结构能够获得室温高达20％(Li，M.，Liao，S.，et al.2002，DigestInt.Symp.Magn.Mat.Proc.Devices)的巨磁电阻效应，而采用垂直磁各向异性的材料作为磁性电极的自旋阀目前实验室报道的结果只有2％左右；在隧穿磁电阻器件中，目前在以CoFeB为磁性电极的AlO_x磁性隧道结中能得到室温80％(H.X.Wei，Q.H.Qin，M.Ma，R.Sharif，X.F.Han，2007，J.Appl.Phys.101，09B501)的隧穿磁电阻，在以MgO为势垒的磁性隧道结中则能达到600％(S.Ikeda，J.Hayakawa，H.Ohno et al.2006，Appl.Phys.Lett.93，082508)以上，而目前在这种用垂直磁各向异性的材料作为磁性电极的隧道结中在以AlO_x为势垒的磁性隧道结中隧穿磁电阻只有20％左右，而在以MgO为势垒的磁性隧道结中也只有60％左右。

目前，已经有一些相关的专利将垂直磁各向异性的磁性材料应用于自旋阀或磁性隧道结结构。

2008年10月1日公开的复旦大学的中国专利申请(公开号是CN101320616A，主题是一种具有垂直磁各向异性的自旋阀)，公开了一种采用具有垂直磁各向异性的Co/Ni多层膜为磁性层的自旋阀结构。其中为了避免具有垂直磁各向异性的磁性层与非磁性层的界面问题，选用了垂直磁各向异性比较弱的Co/Ni多层膜，从而得到比较大的磁电阻。然而，应用更为广泛的其他的具有垂直磁各向异性材料没有被得到应用。

2008年12月10日公开的北京科技大学的中国专利申请(公开号是CN101276879A，主题是一种双自由层垂直铁磁性隧道结结构)，公开了一种两个磁性层都含有具有垂直磁各向异性材料的隧道结结构。如前所述，这种直接将具有垂直磁各向异性材料用于磁电阻结构难于得到高的磁电阻，主要原因是这种具有垂直磁各向异性的材料与自旋阀结构的中间非磁性金属层或磁性隧道结结构的势垒层的界面难于优化，界面自旋极化率小或者界面附近自旋轨道耦合导致的自旋散射增强等等。

另外，对于采用具有垂直磁各向异性材料为其中一层或全部两层磁性层的隧道结结构，当薄膜结构中势垒层的厚度比较薄时，两个磁性层之间静磁相互作用的增强会使得具有垂直磁各向异性磁性层的磁矩难于形成理想的垂直膜面的方向，这也会影响隧穿磁电阻的大小以及它对外场的响应的准确性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种在保证优良的垂直磁各向异性性能的前提下，能够提高磁电阻性能、减小彼此之间的静磁相互作用以及减小相应器件的反转场或反转电流的垂直磁各向异性的多层膜。

为实现上述发明目的，本发明提供的一种垂直磁各向异性的多层膜，由下至上依次包括：基片、底层、下磁性层、中间层、上磁性层和覆盖层，所述下磁性层和上磁性层中至少一个是垂直磁各向异性的磁性层，所述中间层是非磁性金属层或势垒层；所述垂直磁各向异性的磁性层为复合磁性层，包括主体层和过渡层，所述主体层采用垂直磁各向异性材料制作，所述过渡层采用自旋极化率高于所述垂直磁各向异性材料的磁性金属材料制作，所述过渡层位于所述主体层和中间层之间。其中，中间层为非磁性金属层时，所述垂直磁各向异性的多层膜是用于巨磁电阻器件的薄膜结构，中间层为势垒层时所述垂直磁各向异性的多层膜是用于隧道结器件的薄膜结构。

上述技术方案中，当所述中间层为势垒层时，所述复合磁性层还包括第二过渡层，所述第二过渡层采用自旋扩散长度大于3nm的金属材料制作，所述第二过渡层位于所述主体层和势垒层之间。

上述技术方案中，所述复合磁性层还包括软磁性层，当所述复合磁性层是下磁性层时，所述软磁性层位于所述主体层和底层之间；当所述复合磁性层是上磁性层时，所述软磁性层位于所述主体层和覆盖层之间。

上述技术方案中，所述主体层采用具有垂直磁各向异性的铁磁性金属或合金薄膜，厚度为3～100nm。

上述技术方案中，所述主体层采用具有垂直磁各向异性的周期性多层膜、具有垂直磁各向异性的合金单层薄膜。对于具有垂直磁各向异性的周期性多层膜，优选Co/Pt多层膜、CoFe/Pt多层膜、Co/Pd多层膜、Co/Ni多层膜、Co/Au多层膜、CoCr/Pt多层膜；对于具有垂直磁各向异性的合金，优选CoPt合金、L10相的FePt合金、PtCoNi合金或Co-Cr系合金，包括Co-Cr、Co-Cr-Nb、Co-Cr-Ta或Co-Cr-Pt，所述具有垂直磁各向异性的合金还可以优选TbFeCo，GdFeCo、Gd-Co、GdFe、TbFe、TbCo/Cr、CoGdZr、CoGdSm、GdTbFeCo或GdTbFe等。

上述技术方案中，所述上磁性层和下磁性层其中一层可以是具有面内各向异性的磁性层，采用自旋极化率比较高的易轴在面内的铁磁性金属或者合金薄膜，制作材料优选Co，Fe，Ni，Co-Fe，Co-Fe-B或Ni-Fe合金(如：Ni₈₁Fe₁₉)，厚度为1.0～10nm。

上述技术方案中，所述非磁性金属层一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制作，厚度为1.0～10nm；所述势垒层一般采用Al₂O₃、MgO、AlN、Ta₂O₅、ZnO或TiO₂等材料制作，厚度一般在为0.5～5nm。

上述技术方案中，所述复合磁性层的过渡层优选Co，Fe，Ni，Co-Fe，Co-Fe-B，Co-Cr-Fe或Ni-Fe合金(如：Ni₈₁Fe₁₉)制作，厚度为0.1～2nm。主要目的是在保证复合磁性层具有垂直磁各向异性的前提下，有效地改善界面和薄膜结构的磁学性质，提高具有垂直磁各向异性的磁性层和金属层或势垒层界面附近的自旋极化率，从而大幅度提高器件的磁电阻值。

上述技术方案中，所述复合磁性层的第二过渡层优选Cu、Ru、Mg或Al制作，厚度为0.1～1.0nm。主要目的是在保证磁电阻不会大幅下降的条件下，有效增加隧道结结构中两个磁性层的距离，以减小彼此之间的静磁相互作用，而保证器件对外场响应的准确性。

上述技术方案中，所述复合磁性层的软磁性层(软磁材料定义为具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁)，具有很小的矫顽力，它与其他磁性材料复合后作为复合磁性层可以减小相应器件的反转场或反转电流。所述软磁性层优选Ni-Fe合金(如：Ni₈₁Fe₁₉)，或Fe-Al合金制作，厚度为0.5nm～2.0nm。

上述技术方案中，所述底层可以是导电性比较好且沉积的薄膜和衬底结合紧密的金属层(包括单层以及多层不同的金属薄膜)，其材料优选Ta、Ru、Cr、Pt，Pd，Cu，厚度为3～50nm。也可以是所述金属层和反铁磁层的的复合层。其中反铁磁层为具有反铁磁性的合金材料优选Ir-Mn，Fe-Mn，或Pt-Mn，厚度为2～20nm。

上述技术方案中，所述覆盖层为不易被氧化且导电性比较好的的金属层(包括单层以及多层不同的金属薄膜)，其材料优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au等，厚度为2～40nm，用于保护核心结构不被氧化和腐蚀。

上述技术方案中，所述基片为Si衬底或Si-SiO₂衬底，厚度为0.3～1mm。

为实现上述发明目的，本发明提供的另一种垂直磁各向异性的多层膜，由下至上依次包括：基片、底层、下磁性层、势垒层、上磁性层和覆盖层，所述下磁性层和上磁性层中至少一个是垂直磁各向异性的磁性层，所述垂直磁各向异性的磁性层为复合磁性层，包括主体层和过渡层，所述主体层采用垂直磁各向异性材料制作，所述过渡层采用自旋扩散长度大于3nm的金属材料制作，所述过渡层位于所述主体层和势垒层之间。

本发明提供的垂直磁各向异性的多层膜结构，经过后期的微加工光刻过程，可以加工成尺寸大小从数十纳米到数十微米的不同形状的结。其形状包括空心或实心的长径比从1∶1到1∶3的椭圆、长宽比从1∶1到1∶3的矩形、以及一些正多边形(边数N＝4，6，8，10，12，16，20，24)。

本发明的提供的垂直磁各向异性的多层膜结构可用于巨磁电阻器件或隧穿磁电阻器件。比如磁性传感器、磁随机存储器和磁性逻辑器件等。

本发明具有如下技术效果：

本发明克服了现有技术中不利于磁电阻提高的界面因素，通过采用包含具有垂直磁各向异性的磁性层的复合磁性层来改善这种应用于磁电阻器件的薄膜结构，在保证垂直磁各向异性的前提下，有效地改善界面和薄膜结构的性质，从而大幅度提高器件的磁电阻。对于采用包含具有垂直磁各向异性材料的复合磁性层为其中一层或全部两层磁性层的巨磁电阻结构，这种复合磁性层主要用于提高磁性层和中间金属层界面的自旋极化率以提高器件的磁电阻值；对于采用包含具有垂直磁各向异性材料的复合磁性层为其中一层或全部两层磁性层的隧道结结构，这种复合磁性层不但可以用于提高磁性层和中间金属层界面的自旋极化率以提高器件的磁电阻值而且还可以在保持器件磁电阻值基本不减小的情况下有效增加两个磁性层的距离，减弱相互之间的影响以保证器件对外场响应的准确性。另外，本发明的复合磁性层还具有减小矫顽力的作用以减小相应器件的反转场或反转电流。

附图说明

图1是现有技术中全部两层磁性层均采用垂直磁各向异性材料的多层膜结构示意图；该多层膜一般用于隧穿磁电阻器件；

图2是本发明一些实施例中，其中某一层磁性层采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层的多层膜结构示意图；该多层膜一般用于巨磁电阻器件；

图3是本发明一些实施例中，全部两层磁性层均采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层的多层膜结构示意图；该多层膜一般用于巨磁电阻器件；

图4是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为全部两层磁性层的用于巨磁电阻器件的薄膜结构：SUB/UL/P-FM1/TFM1/NM/TFM2/P-FM2/CAP的示意图；

图5是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为其中某一层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构一：SUB/UL/P-FM/TFM/I/FM/CAP的示意图；

图6是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为其中某一层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构二：SUB/UL/P-FM/TNM/I/FM/CAP的示意图；

图7是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为其中某一层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构三：SUB/UL/P-FM/TFM/TNM/I/FM/CAP的示意图；

图8是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为全部两层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构一：SUB/UL/P-FM1/TFM/I/P-FM2/CAP的示意图；

图9是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为全部两层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构二：SUB/UL/P-FM1/TNM/I/P-FM2/CAP的示意图；

图10是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为全部两层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构三：SUB/UL/P-FM1/TFM/TNM/I/P-FM2/CAP的示意图；

图11是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为全部两层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构四：SUB/UL/P-FM1/TFM1/I/TFM2/P-FM2/CAP的示意图；

图12是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为全部两层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构五：SUB/UL/P-FM1/TNM1/I/TNM2/P-FM2/CAP的示意图；

图13是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为全部两层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构六：SUB/UL/P-FM1/TFM/I/TNM/P-FM2/CAP的示意图；

图14是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为全部两层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构七：SUB/UL/P-FM1/TFM1/TNM/I/TFM2/P-FM2/CAP的示意图；

图15是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为全部两层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构八：SUB/UL/P-FM1/TFM/TNM1/I/TNM2/P-FM2/CAP的示意图；

图16是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料的复合磁性层作为全部两层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构九：SUB/UL/P-FM1/TFM1/TNM1/I/TNM2/TFM2/P-FM2/CAP的示意图；

图17是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料和软磁薄层的复合磁性层作为其中某一层磁性层的用于巨磁电阻器件的薄膜结构：SUB/UL/S-FM/P-FM/TFM/NM/FM/CAP的示意图；

图18是本发明一些实施例中，采用包含垂直磁各向异性材料和软磁薄层的复合磁性层作为全部两层磁性层的用于隧穿磁电阻器件的薄膜结构之一：SUB/UL/P-FM1/TFM1/I/TFM2/P-FM2/S-FM/CAP的示意图；

图19是本发明实施例1中薄膜结构为Pt(10nm)/[Pt(0.6nm)/Co(0.4nm)]₅/Co(0.4nm)/Cu(2nm)/Co(4nm)/Ta(10nm)的小结R-H测试结果示意图；

图20是本发明实施例2中薄膜结构为Ta(5nm)/Ru(10nm)/Ta(5nm)/[Pt(0.7nm)/Co(1.2nm)]5/CoFeB(0.5nm)/AlOx(1nm)/CoFeB(4nm)/Ta(10nm)的小结R-H测试结果示意图。

图面说明：

FM表示易轴在面内的磁性层；P-FM表示具有垂直磁各向异性的磁性层；NM表示具有较长自旋扩散长度的用于巨磁电阻器件结构中间层的非磁性金属；I表示用于隧穿磁电阻器件结构中的势垒层；TNM表示用于界面优化并与具有垂直各向异性的磁性层构成复合磁性层的金属层，这种金属材料具有较大自旋扩散长度，用于减弱隧道结结构中两个磁性层相互作用，并且保证隧穿磁电阻不会有较大幅度的减小；TFM表示用于界面优化并与具有垂直各向异性的磁性层构成复合磁性层的金属层，这种金属材料具有高的自旋极化率，用于提高复合磁性层与NM层或I层界面附近的自选极化率。S-FM表示用于复合磁性层的软磁性层(软磁材料定义为具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁)，它具有很小的矫顽力，它与其他磁性材料复合后作为复合磁性层可以减小相应器件的反转场或反转电流。CAP表示覆盖层；UL表示底层；SUB表示基片。

具体实施方式

本发明提供的垂直磁各向异性的多层膜是一种具有改善界面的多层膜结构，由下至上依次包括：基片、底层、下磁性层、中间层、上磁性层和覆盖层，所述中间层是非磁性金属层或势垒层；所述下磁性层和上磁性层中至少一个是复合磁性层，所述复合磁性层包括主体层和过渡层，所述主体层采用垂直磁各向异性材料制作，所述过渡层采用自旋极化率高于所述垂直磁各向异性材料的磁性金属材料制作，所述过渡层位于所述主体层和中间层之间。其中，中间层为非磁性金属层时，所述垂直磁各向异性的多层膜是用于巨磁电阻器件的薄膜结构，中间层为势垒层时所述垂直磁各向异性的多层膜是用于隧道结器件的薄膜结构。

当所述中间层为势垒层时，所述复合磁性层还包括第二过渡层，所述第二过渡层采用自旋扩散长度大于3nm的金属材料制作，所述第二过渡层位于所述主体层和势垒层之间。本发明中，前文所述的过渡层位于主体层和中间层之间，但所述过渡层并不一定限于邻接于主体层和中间层，比如主体层与过渡层间可以***第二过渡层，同理，第二过渡层与主体层间也可以***过渡层。另外，当所述中间层为势垒层时，也可以单独采用自旋扩散长度大于3nm的金属材料制作所述过渡层。

所述复合磁性层还包括软磁性层，当所述复合磁性层是下磁性层时，所述软磁性层位于所述主体层和底层之间；当所述复合磁性层是上磁性层时，所述软磁性层位于所述主体层和覆盖层之间。

所述主体层采用具有垂直磁各向异性的铁磁性金属或合金薄膜，厚度优选3～100nm。

所述主体层采用具有垂直磁各向异性的周期性多层膜或具有垂直磁各向异性的单层合金薄膜；当所述主体层采用具有垂直磁各向异性的周期性多层膜时，所述主体层为Co/Pt多层膜、CoFe/Pt多层膜、Co/Pd多层膜、Co/Ni多层膜、Co/Au多层膜或CoCr/Pt多层膜；当所述主体层采用具有垂直磁各向异性的单层合金薄膜时，所述主体层为CoPt合金、L10相的FePt合金、PtCoNi合金、Co-Cr系合金、TbFeCo合金、GdFeCo合金、Gd-Co合金、GdFe合金、TbFe合金、TbCo/Cr合金、CoGdZr合金、CoGdSm合金、GdTbFeCo合金或GdTbFe合金薄膜；所述Co-Cr系合金包括Co-Cr、Co-Cr-Nb、Co-Cr-Ta或Co-Cr-Pt合金。

所述复合磁性层的过渡层采用Co、Fe、Ni、Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Cr-Fe或Ni-Fe合金制作，厚度优选0.1～2nm。

所述复合磁性层的第二过渡层优选Cu、Ru、Mg或Al制作，厚度优选0.1～1.0nm。

所述软磁性层采用Ni-Fe合金或Fe-Al合金制作，厚度优选0.5nm～2.0nm。

所述垂直磁各向异性的多层膜加工成尺寸大小从数十纳米到数十微米的具有一定平面形状的结，所述平面形状包括空心或实心的圆、椭圆、矩形或者正多边形；所述椭圆的短轴与长轴比值小于或等于1∶3，所述矩形的长宽比小于或等于1∶3。

下面结合具体实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

如图2所示，本实施例的垂直磁各向异性的多层膜结构如下：SUB/UL/P-FM/TFM/NM/FM/CAP。该多层膜结构可用作巨磁电阻器件的核心单元。

本实施例的垂直磁各向异性的多层膜的制备方法如下：

1)选择一个厚度为1mm的Si-SiO₂衬底作为基片SUB，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该基片上沉积10nm Pt底层UL；

2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在底层UL上沉积具有垂直磁各向异性的磁性层[Pt(0.6nm)/Co(0.4nm)]₅5nm，即交替生长0.6nm Pt和0.4nm Co 5次。

3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在具有垂直磁各向异性的磁性层P-FM上沉积与具有垂直磁各向异性的磁性层构成复合磁性层的金属层0.4nm的Co；

4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在金属层TFM上沉积非磁性金属层2nm的Cu。

5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在非磁性金属层NM上沉积磁性层Co 4nm。

6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性层FM上沉积10nm Ta的覆盖层CAP。

该多层膜结构经过后期微加工工艺，制备成大小是4×8(μm²)的小结。其测试结果如图19所示。测试温度是室温300K，测试模式是恒流模式，测试电流大小是2.5mA。从图中可以看到，在垂直于膜面方向，小结表现出具有对外磁场线性响应的磁电阻，其大小是2％，磁场灵敏度能达到0.001％/Oe，可用于磁性传感器。

实施例2

如图5所示，本实施例所提供的垂直磁各向异性的多层膜结构如下：SUB/UL/P-FM/TFM/I/FM/CAP。该多层膜结构可用作隧道结磁阻器件的核心单元。

本实施例的垂直磁各向异性的多层膜的制备方法如下：

1)选择一个厚度为1mm的Si-SiO₂衬底作为基片SUB，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该基片上沉积Ta(5nm)/Ru(10nm)/Ta(5nm)的底层UL；

2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在底层UL上沉积具有垂直磁各向异性的磁性层结构[Pt(0.7nm)/Co(1.2nm)]₅ 9.5nm，即交替生长0.7nm Pt和1.2nm Co 5次。

3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在具有垂直磁各向异性的磁性层P-FM上沉积与具有垂直磁各向异性的磁性层构成复合磁性层的金属***层0.5nm的Co₄₀Fe₄₀B₂₀；

4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6a，沉积速率为0.07nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在金属***层TFM上沉积势垒层1nm的AlO_x。

6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在势垒层I上沉积具有面内磁各向异性的磁性层4nm的Co₄₀Fe₄₀B₄₀

7)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在具有面内磁各向异性的磁性层FM上沉积10nm Ta覆盖层CAP。

该多层膜结构经过后期微加工工艺，制备成大小是4×8(μm²)的隧道结结构。其测试结果如图20所示。测试温度是室温300K，测试模式是恒流模式，测试电流大小是2.5mA，在垂直于膜面方向，小结表现出具有对外磁场线性响应的磁电阻，其大小是15％，磁场灵敏度能达到0.0042％/Oe，可用于磁性传感器。

实施例3～8

实施例3～8是用于巨磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM/TFM/NM/FM/CAP的多层膜(如图2所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表1所示。

(以下表格中“金属层”代表与具有垂直磁各向异性的磁性层共同构成复合磁性层的金属层)

表1

实施例9～14

实施例9～14是用于巨磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TFM/NM/P-FM2/CAP的多层膜(如图3所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表2所示。

表2

实施例15～20

实施例15～20是用于巨磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TFM1/NM/TFM2/P-FM2/CAP的多层膜(如图4所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表3所示。

表3

实施例21～26

实施例21～26是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM/TFM/I/FM/CAP的多层膜(如图5所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表4所示。

表4

实施例27～32

实施例27～32是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM/TNM/I/FM/CAP的多层膜(如图6所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表5所示。

表5

实施例33～38

实施例33～38是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM/TFM/TNM/I/FM/CAP的多层膜(如图7所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表6所示。

表6

实施例39～44

实施例39～44是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TFM/I/P-FM2/CAP的多层膜(如图8所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表7所示。

表7

实施例45～50

实施例39～44是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TNM/I/P-FM2/CAP的多层膜(如图9所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表8所示。

表8

实施例51～56

实施例51～56是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TFM/TNM/I/P-FM2/CAP的多层膜(如图10所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表9所示。

表9

实施例57～62

实施例57～62是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TFM1/I/TFM2/P-FM2/CAP的多层膜(如图11所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表10所示。

表10

实施例63～68

实施例63～68是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TNM1/I/TNM2/P-FM2/CAP的多层膜(如图12所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表11所示。

表11

实施例69～74

实施例69～74是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TFM/I/TNM/P-FM2/CAP的多层膜(如图13所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表12所示。

表12

实施例75～80

实施例75～80是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TFM1/TNM/I/TFM2/P-FM2/CAP的多层膜(如图14所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表13所示。

表13

实施例81～86

实施例81～86是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TFM/TNM1/I/TNM2/P-FM2/CAP的多层膜(如图15所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表14所示。

表14

实施例87～92

实施例87～92是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TFM1/TNM1/I/TNM2/TFM2/P-FM2/CAP的多层膜(如图16所示)，所述多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表15所示。

表15

实施例93～98

实施例93～95是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/S-FM/P-FM/TFM/NM/FM/CAP的多层膜(如图17所示)，实施例96～98是用于隧穿磁电阻器件的结构为SUB/UL/P-FM1/TFM1/I/TFM2/P-FM2/S-FM/CAP的多层膜(如图18所示)，

实施例93～98中多层膜各层所采用的具体材料和各层的厚度如表16所示。

表16

此处提出的各个实施例是为了更好地解释本发明的实际应用，并使得本技术领域的熟练人员可以利用本发明。但是本领域的一般熟练人员可以理解，上面的描述和实施例仅仅是为了说明而举的例子。本发明的核心思想在于为了克服存在包含具有垂直磁各向异性的磁性层的用于磁电阻器件(巨磁电阻和隧道磁电阻)这种结构中不利于磁电阻提高的界面因素，通过采用包含具有垂直磁各向异性的磁性层的复合磁性层来改善这种应用于磁电阻器件的薄膜结构，在保证垂直磁各向异性的前提下，有效地改善界面和薄膜结构的性质，从而大幅度提高器件的磁电阻值以及其对外场响应的准确性。

Claims

1.一种垂直磁各向异性的多层膜，由下至上依次包括：基片、底层、下磁性层、势垒层、上磁性层和覆盖层；其特征在于，所述下磁性层和上磁性层中至少一个是复合磁性层，所述复合磁性层包括主体层和第二过渡层，所述主体层采用垂直磁各向异性材料制作，所述第二过渡层位于所述主体层和中间层之间，所述第二过渡层采用自旋扩散长度大于3nm的金属材料制作，用于减弱所述下磁性层和上磁性层之间的静磁相互作用，所述复合磁性层还包括过渡层，所述过渡层采用自旋极化率高于所述垂直磁各向异性材料的磁性金属材料制作，所述过渡层位于所述主体层和所述第二过渡层之间。

2.根据权利要求1所述的垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于，所述复合磁性层的第二过渡层采用Cu、Ru、Mg或Al制作，厚度为0.1～1.0nm。

3.根据权利要求1所述的垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于，所述复合磁性层还包括软磁性层，所述软磁性层位于所述下磁性层的主体层和所述底层之间或者位于所述上磁性层的主体层和所述覆盖层之间。

4.根据权利要求3所述的垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于，所述软磁性层采用Ni-Fe合金或Fe-Al合金制作，厚度为0.5nm～2.0nm。

5.根据权利要求1所述的垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于，所述主体层采用具有垂直磁各向异性的铁磁性金属或合金薄膜，厚度为3～100nm。

6.根据权利要求1所述的垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于，所述主体层采用具有垂直磁各向异性的周期性多层膜或具有垂直磁各向异性的单层合金薄膜。

7.根据权利要求6所述的垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于，所述具有垂直磁各向异性的周期性多层膜包括Co/Pt多层膜、CoFe/Pt多层膜、Co/Pd多层膜、Co/Ni多层膜、Co/Au多层膜或CoCr/Pt多层膜；具有垂直磁各向异性的单层合金薄膜包括CoPt合金、L10相的FePt合金、PtCoNi合金、Co-Cr系合金、TbFeCo合金、GdFeCo合金、Gd-Co合金、GdFe合金、TbFe合金、TbCo/Cr合金、CoGdZr合金、CoGdSm合金、GdTbFeCo合金或GdTbFe合金薄膜；所述Co-Cr系合金包括Co-Cr、Co-Cr-Nb、Co-Cr-Ta或Co-Cr-P t。

8.根据权利要求1所述的垂直磁各向异性的多层膜，其特征在于，所述复合磁性层的过渡层采用Co、Fe、Ni、Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Cr-Fe或Ni-Fe 合金制作，厚度为0.1～2nm。

9.一种垂直磁各向异性的多层膜，由下至上依次包括：基片、底层、下磁性层、势垒层、上磁性层和覆盖层，所述下磁性层和上磁性层中至少一个是垂直磁各向异性的磁性层，其特征在于，所述垂直磁各向异性的磁性层为复合磁性层，包括主体层和过渡层，所述主体层采用垂直磁各向异性材料制作，所述过渡层位于所述主体层和势垒层之间，所述过渡层采用自旋扩散长度大于3nm的金属材料制作，用于减弱所述下磁性层和上磁性层之间的静磁相互作用。