[發明專利]激光退火提高鐵磁/反鐵磁雙層膜交換偏置場熱穩定性方法

無效

• 申請號: 201210309566.3
• 申請日: 2012-08-28
• 公開（公告）號: CN102832336A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 周廣宏;章躍;潘旋;朱雨富;丁紅燕
• 申請（專利權）人: 淮陰工學院
• 主分類號: H01L43/12
• 分類號: H01L43/12
• 代理公司: 淮安市科翔專利商標事務所 32110
• 代理人: 韓曉斌

技術領域

本發明涉及一種激光退火提高鐵磁/反鐵磁雙層膜交換偏置場熱穩定性的方法，屬于磁電子器件制造技術領域。

背景技術

1956年，Meiklejohn和Bean首次在Co/CoO雙層膜中，發現了交換偏置效應。近年來，基于交換偏置效應的磁電子器件在磁電阻讀出磁頭、磁隨機存儲器、磁傳感器等方面獲得成功應用，對社會經濟和國防建設的發展產生了巨大的影響。

通常情況下，鐵磁/反鐵磁雙層膜體系要獲得穩定的交換偏置場必須進行高溫磁場退火處理（大于反鐵磁層材料的奈耳溫度）。然而，在進行高溫磁場退火時，由于長時間的高溫作用會導致鐵磁/反鐵磁界面處的化學元素發生擴散，從而導致疇壁釘扎的松弛和耦合場的減小。近年來，國外有許多著名的研究機構先后開展了磁性薄膜材料的高溫快速退火研究，希望利用400℃以上的高溫、短時（<5min）加熱來減緩磁性薄膜層間的化學元素擴散。由于交換偏置場的熱穩定性強烈地依賴于材料的界面特性，任何影響界面特性的因素都將會影響到鐵磁/反鐵磁雙層膜交換偏置場的熱穩定性。這種工藝不可避免地造成基片的高溫及快速冷卻，緩沖層內的應力及緩沖層與基片間熱膨脹系數失配對磁性材料的性能產生一定的影響。

激光快速退火技術是近年來剛發展起來的一項新技術，與傳統退火工藝相比，具有以下優點：(1)結晶速度快，約為1m/s，退火組織結構質量高；(2)可實現三維定域退火，激光退火便于準確定位處理，不影響周邊和下方結構的性能；(3)退火周期短，一般為0.1μ?s~10s，不需要高真空環境；(4)可在較低的基體溫度下進行退火，基體變形小。目前，激光快速退火已成功地應用于半導體行業，以調整薄膜的晶體結構、控制雜質元素的擴散等。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種激光快速退火提高鐵磁/反鐵磁雙層膜交換偏置場的熱穩定性方法，利用激光快速退火，在短時間內迅速地將鐵磁/反鐵磁雙層膜加熱到奈耳溫度以上，熱驅動的時間較短，化學元素擴散幾乎來不及發生，抑制鐵磁/反鐵磁界面處化學元素的擴散行為，從而提高鐵磁/反鐵磁雙層膜交換偏置場的熱穩定性。

本發明的技術解決方案是該方法包括以下步驟：

（1）按襯底、緩沖層、磁性層、保護層的順序采用物理氣相沉積法（PVD），制作鐵磁/反鐵磁雙層膜；

（2）利用連續波激光或脈沖激光作為光源，對雙層膜進行激光快速退火；其中，在激光快速退火時，施加100~500Oe的平面誘導磁場；其中，激光快速退火的工藝參數為：輸出功率2～10W，掃描速度5～20cm/s。

其中，所述的鐵磁層為CoFe、NiFe或Co，反鐵磁層為IrMn或FeMn。

其中，鐵磁/反鐵磁雙層膜的制作方法是：利用高真空磁控濺射設備在經過清洗的單晶硅襯底上沉積緩沖層、磁性層、保護層，得鐵磁/反鐵磁雙層膜；其中，緩沖層Ta厚度為5nm，鐵磁層厚度為5nm，反鐵磁層厚度為10～15nm，保護層Ta厚度為8nm；其中，鐵磁/反鐵磁雙層膜的生長條件為：背底真空5×10^-6Pa；濺射氣壓0.3Pa；濺射功率30W；氬氣流量20sccm；基片溫度室溫。

本發明的方法工藝簡單，操作容易，效果顯著，可應用于基于鐵磁/反鐵磁雙層膜的巨磁阻電阻傳感器、磁性隨機存取存儲器、磁記錄器件等。

具體實施方式

下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術解決方案，這些實施例不能理解為是對技術方案的限制。

實施例1：利用高真空磁控濺射設備在經過清洗的單晶硅襯底上沉積厚度為5nm的緩沖層Ta、厚度為5nm的CoFe鐵磁層、厚度為12nm的IrMn反鐵磁層、厚度為8nm的保護層Ta；其中，鐵磁/反鐵磁雙層膜的生長條件為：背底真空5×10^-6Pa；濺射氣壓0.3Pa；濺射功率30W；氬氣流量20sccm；基片溫度室溫；對鐵磁/反鐵磁雙層膜采用連續波激光進行激光快速退火處理，退火的同時沿平行于膜面的方向施加300Oe的平面誘導磁場，激光快速退火的工藝參數為：輸出功率6W，掃描速度10cm/s。經激光快速退火后的CoFe/IrMn雙層膜的交換偏置場的熱穩定性得到明顯提高。