CN1297953C

CN1297953C - 一种双垂直自旋阀

Info

Publication number: CN1297953C
Application number: CNB2004101018475A
Authority: CN
Inventors: 于广华; 姜勇; 腾蛟; 王立锦; 张辉; 朱逢吾
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: CN1641750A

Abstract

一种制备双垂直自旋阀的方法及其结构，采用玻璃或单晶硅基片，通过等离子体溅射、磁控溅射或者分子束外延生长手段制备而成的一种金属多层膜结构，然后通过照相平版印刷或电子束印刷、离子刻蚀的手段分别在金属多层膜的顶层和底层膜面制作出两个电极，使该自旋阀在工作时，信号电流的流动方向垂直于金属多层膜膜面。本发明的优点在于将电流垂直薄膜平面与磁各向异性易轴垂直薄膜面两个特征完美结合在一起大幅度的提高自旋阀的磁电阻效应；有效的改善了自旋阀的磁均匀性，使这种自旋阀材料加工到纳米级时，仍可保持单磁畴结构。

Description

一种双垂直自旋阀

技术领域

本发明属于磁性存储技术领域，特别是提供了一种制备双垂直自旋阀的方法及其结构。该自旋阀用作计算机硬盘读出磁头，或用在磁随机存储器、传感器等设备中。

技术背景

当今时代是信息时代，各行业的信息交流对信息的存储密度和稳定性提出了越来越高的要求。在过去的十几年中，信息存储技术尤其是磁记录技术得到了飞速的发展，特别是应用了巨磁电阻自旋阀薄膜材料制作的磁头，使得硬盘的面记录密度大幅提高。目前实验室纵向磁记录密度已经达到150Gb/in²，并向着下一个目标1Tb/in²进军。目前读出磁头主要是采用电流平行于平面构型的巨磁电阻(GMR)自旋阀薄膜器件(即CIP-SPV)。由于理论研究表明，如果继续使用CIP-SPV磁头的话，计算机硬盘的存储密度最多只能达到200-250Gb/in²就会趋向饱和。所以，电流垂直于平面巨磁电阻自旋阀(CPP-SPV)成为最具潜力的下一代读出磁头材料。相对于CIP-SPV，CPP-SPV的关键优势在于：随着存储密度的提高，存储元件的尺寸大幅度减小，CIP-SPV的GMR输出信号也将随之减小，而CPP-SPV则正好相反，GMR输出信号反而增加，读出灵敏度进一步得到提高。尽管如此，通常结构的CPP-SPV薄膜材料磁各向异性的易轴方向都是平行于膜面，当把它们加工成小尺寸元件时，总希望薄膜具有单磁畴结构；然而，当进一步把元件做到亚微米甚至更小尺寸时，将带来一系列问题：在薄膜的边缘出现磁化卷缩(magnetization curling)，从而导致薄膜涡流磁化(Vortex magnetization)，出现涡流磁畴结构。如果用来做器件时，将导致存储信息的丢失，从而限制了高信息存储技术的进一步发展。

发明内容

本发明目的在于提供一种制备双垂直自旋阀的方法及其结构，即电流垂直于平面构型、并且磁各向异性易轴垂直膜面的自旋阀薄膜材料及其制备方法。

本发明中的双垂直自旋阀系采用玻璃或单晶硅基片，通过等离子体溅射、磁控溅射或者分子束外延生长手段制备而成的一种金属多层膜结构，然后通过照相平版印刷或电子束印刷、离子刻蚀的手段分别在金属多层膜的顶层和底层膜面制作出两个电极，使该自旋阀在工作时，信号电流的流动方向垂直于金属多层膜膜面。

本发明中的双垂直自旋阀是一种金属多层膜结构，具体结构如下：

双垂直自旋阀的最底层为1～20纳米厚的金属铂，称为底电极层。

从底往上第二层为一个钴/铂复合结构，它是由2～20层的金属钴和金属铂交替重叠而成(底层为金属钴，顶层为金属铂)，其中金属钴层的厚度为0.1～0.4纳米，金属铂层的厚度为1～3纳米。称为底复合层。

从底往上第三层为金属钴，厚度为0.1～1纳米。第三层与第二层合并称为自由层。因为它们的磁矩在外加磁场下可以自由旋转。

从底往上第四层为金属铜，厚度为1～10纳米，称为隔离层。该隔离层也可以用1～4纳米厚的金属铂或三氧化二铝代替。

从底往上第五层为金属钴，厚度为0.1～2纳米。

从底往上第六层为另一个铂/钴复合结构，被称为顶复合层。它是由2～20层的金属铂和金属钴交替重叠而成(底层为金属铂，顶层为金属钴)，其中金属铂的厚度为1～3纳米，金属钴的厚度为0.1～0.4纳米。该复合结构(即第六层)与第五层的磁矩均被反铁磁层钉扎，因而被称为钉扎层。

从底往上第七层为反铁磁性的铁锰合金或其他锰合金层，厚度为5～40纳米。

从底往上第八层为1～10纳米的金属铂，为顶电极层。

本发明的优点在于：巧妙地将电流垂直薄膜平面与磁各向异性易轴垂直薄膜面两个特征完美结合在一起。通过电流垂直于薄膜平面构型，大幅度的提高自旋阀的磁电阻效应；由于自旋阀的钉扎层和自由层均采用极薄的金属铂和金属钴交替重叠的复合结构，使得钉扎层和自由层磁各向异性的易轴均垂直于膜面，有效的改善了自旋阀的磁均匀性，使这种自旋阀材料加工到纳米级时，仍可保持单磁畴结构。

具体实施方式

实施例1：利用磁控溅射仪制备了两种自旋阀材料：其中一种是普通自旋阀结构，其多层膜由底层往上分别为金属钽(6nm)/镍铁合金(7nm)/金属铜(2.6nm)/镍铁合金(4nm)/铁锰合金(15nm)/金属钽(6nm)(括号内数据为薄膜的厚度，nm表示纳米)，其特点是电流平行于平面构型、并且磁各向异性易轴平行膜面；另外一种是本发明的双垂直自旋阀结构，为金属铂(6nm)/[金属钴(0.4nm)/金属铂(2nm)]5/金属钴(0.8nm)/金属铜(3nm)/Co(0.8nm)[Pt(2nm)/Co(0.4nm)]5/FeMn(15nm)/Pt(2nm)(下标数字为复合结构的重复层数)，其特点是电流垂直于平面构型、并且磁各向异性易轴垂直膜面。上述两种自旋阀的详细制备工艺为：溅射室本底真空度为2×10^-5Pa，溅射时氩气(99.99％)压为0.5Pa；基片用循环水冷却，对于结构一材料平行于基片方向加有250Oe的磁场，以诱发平行的易磁化方向；对于结构二材料垂直于基片方向加有50Oe的磁场，以诱发垂直的易磁化方向。溅射出的两种金属多层膜通过电子束印刷和离子刻蚀的手段被加工成300nm×300nm的元件。测试结果表明，双垂直自旋阀器件的室温磁电阻效应比普通自旋阀增加30％左右。另外，普通自旋阀器件周围出现涡流磁畴结构，而垂直自旋阀则呈现出单磁畴结构。

实施例2：实验制备出十种结构的双垂直自旋阀器件，结构如下表表示：

本发明分别用等离子体溅射、磁控溅射和分子束外延生长等三种方法制备出上述十种结构的双垂直自旋阀器件共计三十个，器件的尺寸均为300纳米×300纳米。通过测试，发现上述所有这些自旋阀在室温下的磁电阻效应比通常结构的自旋阀要提高30％以上。磁力显微镜测试显示，这些双垂直自旋阀器件均显示出良好的单磁畴特征。

Claims

1、一种双垂直自旋阀，其特征在于：结构为：

a、双垂直自旋阀的最底层为1～20纳米厚的金属铂，称为底电极层；

b、从底往上第二层为一个钴/铂复合结构，它是由金属钴和金属铂各2～20层交替重叠而成，底层为金属钴，顶层为金属铂，其中金属钴层的厚度为0.1～0.4纳米，金属铂层的厚度为1～3纳米，称为底复合层；

c、从底往上第三层为金属钴，厚度为0.1～1纳米；

d、从底往上第四层为金属铜，厚度为1～10纳米，称为隔离层；

e、从底往上第五层为金属钴，厚度为0.1～2纳米；

f、从底往上第六层为另一个铂/钴复合结构，被称为顶复合层；它是由2～20层的金属铂和金属钴交替重叠而成，底层为金属铂，顶层为金属钴，其中金属铂的厚度为1～3纳米，金属钴的厚度为0.1～0.4纳米；

g、从底往上第七层为反铁磁性的铁锰合金或锰合金层，厚度为5～40纳米；

h、从底往上第八层为1～10纳米的金属铂，为顶电极层。

2、按照权利要求1所述的双垂直自旋阀，其特征在于：隔离层为1～4纳米厚的金属铂或三氧化二铝。