[發明專利]一種鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場方向的調制方法

無效

• 申請號: 201110400671.3
• 申請日: 2011-12-06
• 公開（公告）號: CN102496449A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 唐曉莉;蘇樺;張懷武;荊玉蘭;鐘智勇
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01F41/00
• 分類號: H01F41/00;H01F41/14;H01F10/10
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 葛啟函

技術領域

本發明屬于磁性材料與元器件技術領域，具體涉及鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場方向的調制方法。

背景技術

鐵磁(FM)/反鐵磁(AFM)雙層薄膜在外磁場中從高于反鐵磁材料奈爾溫度冷卻到室溫，或者在磁場下沉積后，鐵磁層的磁滯回線將沿磁場方向偏離原點，磁滯回線偏離原點的量被稱為釘扎場，而釘扎場的方向平行于冷卻過程或沉積過程中的外磁場方向。由于FM/AFM雙層膜中的這種特殊性能，使其被應用到了磁電阻傳感器、磁性隨機存儲器等基于自旋閥(其基本結構為：自由層(鐵磁層FM1)/隔離層(非磁性層金屬層)/被釘扎層(鐵磁層FM2)/偏置層(反鐵磁層AFM))或隧道結(其基本結構為：自由層(鐵磁層FM1)/隧穿層(超薄氧化物層)/被釘扎層(鐵磁層FM2)/偏置層(反鐵磁層AFM))典型結構的自旋電子器件中。由于在自旋閥或隧道結實際應用過程中，特別是在其作為傳感器應用時，其傳感性能決定于鐵磁層FM2與鐵磁層FM1磁矩的相對取向。如在自旋閥或隧道結作為線性傳感器時，需要鐵磁層FM2的磁矩與鐵磁層FM1的磁矩呈90°取向，而在某些新型傳感器構建中需要鐵磁層FM2的磁矩與鐵磁層FM1的磁矩呈所需要的夾角。

由于鐵磁層FM1的磁矩取向由該層材料的材料屬性、形狀各向異性等所決定，因而在制備完成后不易調整，而鐵磁層FM2的磁矩取向與釘扎場方向一致，因而通常通過調制釘扎場方向進行鐵磁層FM2與鐵磁層FM1磁矩取向的調整。目前對于鐵磁層FM2釘扎場方向的調整一般采用以下兩種方式進行：一是在自旋閥或隧道結多層薄膜沉積過程中，加上一確定方向的沉積磁場，先沿沉積磁場方向誘導鐵磁層FM1的磁矩取向，這樣在多層膜沉積完成后鐵磁層FM1及鐵磁層FM2的磁矩將處于平行的取向，而后在退火設備中將多層膜加熱到反鐵磁材料奈爾溫度以上，在冷卻過程中沿所需角度方向加一外磁場，重新設置鐵磁層FM2的釘扎場方向，以達到調制鐵磁層FM1與鐵磁層FM2間磁矩角度的目的；第二種方法則是在自旋閥或隧道結多層薄膜沉積過程中按兩步沉積法進行，首先在鐵磁層FM1沉積過程中先加上一確定方向的沉積磁場，用于誘導其磁矩取向，在鐵磁層FM1沉積完成鐵磁層FM2沉積開始前旋轉沉積磁場取向到需要角度，用于設定鐵磁層FM2的交換偏置場(釘扎場)方向。但采用方法一進行兩層磁性層角度設置時需要額外的退火過程，且在退火過程中容易造成自旋閥或隧道結層間擴散嚴重而劣化其性能；而采用方法二由于需要按要求調整沉積磁場方向，因而磁場下沉積部分系統需專門設計，費用高，且在鐵磁層FM1與FM2角度設置后，如還需進行角度調整則無法完成。由于在自旋閥或隧道結典型結構中，自由層(鐵磁層FM1)的磁矩取向與薄膜沉積過程中的磁場方向一致，因而只要實現鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場方向的調制，即可使鐵磁層FM1與鐵磁層FM2的磁矩呈所需要的夾角。因此，如能按需要調制鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場的方向，將大大簡化該類器件的制備步驟和降低生產過程中對設備的依賴性。

發明內容

本發明提供一種鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場方向的調制方法，該方法工藝簡單、易控，無需高溫退火處理，在室溫下就能按需求調制釘扎場場的方向以滿足應用。

本發明的目的通過下述技術方案實現：

一種鐵磁/反鐵磁雙層膜釘扎場方向的調制方法，包括以下步驟：

步驟1：采用薄膜沉積工藝并在外磁場H1作用下，制備鐵磁(FM)/反鐵磁(AFM)雙層膜。

所述鐵磁/反鐵磁雙層膜中，鐵磁層可選擇Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，反鐵磁層可選用FeMn、NiMn、IrMn或PtMn合金。

所述外磁場H1為單一方向、大小恒定的磁場，其方向沿膜面、大小在50Oe～300Oe之間。

只需特別指出的是，步驟1制備完成的鐵磁/反鐵磁雙層膜，其釘扎場Hex的方向與外磁場H1方向一致，并且定義該方向為釘扎場Hex的初始方向。

步驟2：在步驟1所得的鐵磁/反鐵磁雙層膜中以釘扎場Hex的初始方向為起點，沿角度θ方向施加外磁場H2，如圖1所示，所述外磁場H2的大小應大于釘扎場Hex與鐵磁層矯頑力之和，同時在該雙層膜膜面沿外磁場H2方向施加一脈沖電流，所述脈沖電流的電流密度應大于10⁵A/cm²，作用完成后，即可產生沿角度θ方向的新釘扎場。

本發明的基本原理可以描述如下：