CN100487938C - 基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法 - Google Patents
基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法，属于磁电子器件制造技术领域。其特征在于包括以下步骤：(1)按衬底、缓冲层、磁性层、保护层的顺序沉积制作磁性器件基体，其中在沉积磁性层时施加50～500Oe的平面诱导磁场；(2)利用聚焦镓离子工作站作为加工设备，进行无掩膜离子辐照加工；(3)其中离子辐照参数为：离子辐照的剂量为1×1013～1×1018ions/cm2，离子束能量为20～30keV，离子束流为100pA～5nA；(4)利用聚焦离子束工作站在磁性薄膜器件的周围沉积出所需的电极。本方法具有无需制备掩模、方法简单、效率高的优点。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备的方法，属于磁电子器件制造技术领域。
背景技术
1988年以来，随着交流阻抗随外磁场而变化的巨磁阻抗材料、电阻率随外磁场而变化的巨磁电阻材料和几何尺寸随外磁场而伸缩变化的巨磁致伸缩材料的问世，出现了磁电子器件这一新概念。基于多层膜巨磁电阻材料和自旋隧道结磁电阻材料的磁阻传感器比目前广泛应用的基于各向异性磁电阻材料传感器具有更大的磁电阻效应，灵敏度及信噪比更高，应用范围更广，可广泛应用于信息技术、车辆工业、生物医学、仪器仪表以及空间技术。目前，在国际上已将基于多层膜巨磁电阻材料和自旋隧道结磁电阻材料的磁电子传感器应用于磁场测量、电流测量、位置测量、位移与速度测量、应变测量、DNA检测等领域。
1975年，法国学者Julliere利用金属掩模法制备出Fe/Ge/Co结构的磁性隧道结，此后的二十多年，人们一直致力于金属掩模法制备各种磁性电子器件。目前用于制备基于磁性纳米单层膜或多层膜的微米、亚微米和纳米磁电子传感器芯片的方法主要有光刻、电子束微影技术、离子束刻蚀及化学反应刻蚀等，其中光刻技术结合离子束或化学反应刻蚀是微加工工艺中具有较低成本、可大规模生产的工艺；电子束微影技术可以制备纳米级器件，是高度集成化磁电子器件的首选工艺，两者均获得广泛应用。但采用光刻技术制备亚微米级器件比较困难，对制备纳米级器件更是无能为力；而电子束微影技术设备要求很高，而且两者均具有需要预制掩模，工艺复杂，生产周期长的缺点，不适合于单件、小批量生产和新产品的试制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有光刻、电子束微影技术、离子束刻蚀及化学反应刻蚀技术中需要预制掩模，工艺复杂，生产周期长，不适合于单件、小批量生产和新产品的试制的缺点，提供一种无需制备掩模、方法简单、效率高的加工制作纳米磁电子器件的新方法。
一种基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、按衬底、缓冲层、磁性层、保护层的顺序沉积制作磁性器件基体，其中在沉积磁性层时施加50～500Oe的平面诱导磁场；
(2)、利用聚焦镓离子工作站作为加工设备，进行无掩膜离子辐照加工；
(3)、其中离子辐照参数为：离子辐照的剂量为1×1013～1×1018ions/cm2，离子束能量为20～30keV，离子束流为100pA～5nA；
(4)、利用聚焦离子束工作站在磁性薄膜器件的周围沉积出所需的电极。
其中磁性层为磁记录单层膜或磁记录多层膜时，辐照参数优选范围：离子辐照的剂量为1×1013～5×1014ions/cm2，离子束能量为20～30keV，离子束流为100pA～5nA；
其中磁性层为铁磁性单层膜或铁磁性多层膜时，辐照参数优选范围：离子辐照的剂量为1×1014～1×1015ions/cm2，离子束能量为20～30keV，离子束流为100pA～5nA；
其中磁性层为自旋阀结构多层膜时，辐照参数优选范围：离子辐照的剂量为5×1014～5×1015ions/cm2，离子束能量为20～30keV，离子束流为100pA～5nA；
其中磁性述磁性层为自旋隧道结结构多层膜时，辐照参数优选范围：离子辐照的剂量为1×1015～5×1016ions/cm2，离子束能量为20～30keV，离子束流为100pA～5nA；
其中磁性层为磁致伸缩单层膜或磁致伸缩多层膜时，辐照参数优选范围：离子辐照的剂量为1×1017～1×1018ions/cm2，离子束能量为20～30keV，离子束流为100pA～5nA；
本发明采用聚焦(镓)离子束技术，通过破坏或改变部分材料的磁性能达到现有掩模法中必须的去除材料的目的，即以“去除磁性”实现“去除材料”的目的。利用聚焦(镓)离子工作站辐照上述磁性基体获得特定形状的磁敏感单元，如三角形、矩形、正六边形、圆形、椭圆形或其它给定图案。
本发明提供的磁性电子器件可用于巨磁阻电阻传感器，磁隧道结传感器，磁性随机存取存储器、磁记录器件等磁敏感器件。具有无需制备掩模、方法简单、效率高的优点。
附图说明
图1为基于磁记录多层膜的磁性基体经不同剂量辐照后的洛仑兹电镜照片。
图2为基于磁记录多层膜辐的磁性基体照后的微分相衬度图片及样品各区域磁矩方向示意图。
图3为基于磁记录多层膜的磁性基体经辐照后得到的几种形状图案的微分相衬度图片。
具体实施方式
下面通过实例进一步描述本发明。
实施例1、无掩模法制备基于Pt/Co磁记录多层膜的磁电子器件
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的单晶硅衬底上依次沉积Pt(2.8nm)/[Pt(0.6nm)/Co(0.3nm)]6/Pt(6.5nm)。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10-7Pa；溅射用高纯度氩气气压：7×10-2Pa；溅射功率：120W；样品架旋转速率：20rpm；生长温度：室温；生长速率：0.03～0.12nm/s。沉积好的磁性多层膜采用聚焦离子束工作站进行微纳加工，镓离子辐照的剂量为1×1013～5×1014ions/cm2，镓离子垂直入射到磁性薄膜的表面，离子束能量30keV，离子束流为1nA。首先在聚焦离子束工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程序通过离子辐照方法破坏或改变器件敏感单元以外材料的磁性能。图1给出了基于磁记录多层膜的磁性基体经1×1013～5×1015ions/cm2等不同剂量辐照以后的洛仑兹电镜照片。从图中明显可以看出，当辐照剂量达到1×1013ions/cm2时，开始出现面内磁矩；当辐照剂量达到2×1015ions/cm2时，磁性完全去除；当辐照剂量达到5×1015ions/cm2时，开始产生刻蚀。事实上，当辐照剂量小于1×1013ions/cm2时，磁记录多层膜受到的影响较小，仍可保持原有的磁性，即磁矩垂直于膜面方向。这是因为磁性多层膜经低剂量辐照后，镓离子只是对多层膜表面的保护层发生作用，不足以影响磁性层，这时多层膜的磁性能没有发生明显的改变；随着剂量的增大，镓离子辐照逐步影响到内部的磁性层，导致界面扩散、磁性层的非晶化和镓离子的注入，此时多层膜的磁性能逐步减小以至最终丧失；当剂量进一步增大时，镓离子束对材料的刻蚀作用明显增强，在多层膜的表面形成凹坑。图2列出了基于磁记录多层膜辐的磁性基体辐照后的微分相衬度图片及样品各区域磁矩方向示意图。其中三角形图案的边线受1×1014ions/cm2的镓离子辐照，宽约15nm，三角形内部未受辐照。图2(a)中样品水平，黑色双箭头为磁矩敏感方向；图2(b)中样品倾斜30°，虚线为倾斜轴；图2(c)为样品各区域磁矩方向示意图。用上述方法还可以得到图3如所示的正方形、正六边形等各种磁敏感单元。其中图案的边线受1×1014ions/cm2的镓离子辐照，宽约15nm，图案内部未受辐照，黑色双箭头为磁矩敏感方向。最后再利用聚焦离子束工作站在磁性薄膜器件的周围沉积出所需的电极，即得到本发明的基于Pt/Co磁记录多层膜的磁电子器件。
实施例2、无掩模法制备基于CoFe铁磁薄膜的磁性电子器件
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的单晶硅衬底上沉积厚度为5nm的下部缓冲层Ta，厚度为10nm的CoFe铁磁层和厚度为10nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的生长条件：备底真空：5×10-7Pa；溅射用高纯度氩气气压：7×10-2Pa；溅射功率：120W；样品架旋转速率：20rpm；生长温度：室温；生长速率：0.03～0.12nm/s；在沉积时，施加50Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性薄膜采用聚焦离子束工作站进行微纳加工，镓离子辐照的剂量为1×1014～1×1015ions/cm2，镓离子垂直入射到磁性薄膜的表面，离子束能量30keV，离子束流为1nA。首先在聚焦离子束工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程序通过离子辐照方法破坏或改变器件敏感单元以外材料的磁性能，而不影响器件敏感单元的磁性能，最终获得具有特定性能的三角形形状的磁敏感单元。此后再利用聚焦离子束工作站在磁性薄膜器件的周围沉积出所需的电极，即得到本发明的基于CoFe铁磁薄膜的磁性电子器件。
实施例3、无掩模法制备基于FeNi铁磁薄膜的磁性电子器件
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的单晶硅衬底上沉积厚度为5nm的下部缓冲层Ta，厚度为10nm的FeNi铁磁层和厚度为10nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的生长条件：备底真空：5×10-7Pa；溅射用高纯度氩气气压：7×10-2Pa；溅射功率：120W；样品架旋转速率：20rpm；生长温度：室温；生长速率：0.03～0.12nm/s；在沉积时，施加100Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性薄膜采用聚焦离子束工作站进行微纳加工，离子辐照的剂量为1×1014～1×1015ions/cm2，离子束能量为30keV，离子束流为1nA。首先在聚焦离子束工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程序通过离子辐照方法破坏或改变器件敏感单元以外材料的磁性能，而不影响器件敏感单元的磁性能，最终获得具有特定性能的正方形形状的磁敏感单元，此后利用聚焦离子束工作站在磁性薄膜器件的周围沉积出所需的电极，即得到本发明的基于FeNi铁磁薄膜的磁性电子器件。
实施例4、无掩模法制备基于CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜的磁性电子器件
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的单晶硅衬底上沉积厚度为4.9nm的下部缓冲层Ta，厚度为3.4nm的CoFe铁磁层，厚度为3nm的Cu层，厚度为4.6nm CoFe层，厚度为4.2nm的IrMn和厚度为4.6nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的生长条件：备底真空：5×10-7Pa；溅射用高纯度氩气气压：7×10-2Pa；溅射功率：120W；样品架旋转速率：20rpm；生长温度：室温；生长速率：0.03～0.12nm/s；在沉积时，施加100Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性薄膜采用聚焦离子束工作站进行微纳加工，离子辐照的剂量为5×1014～5×1015ions/cm2，离子束能量为30keV，离子束流为1nA。首先在聚焦离子束工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程序通过离子辐照方法破坏或改变器件敏感单元以外材料的磁性能，而不影响器件敏感单元的磁性能，最终获得具有特定性能的三角形形状的磁敏感单元，此后利用聚焦离子束工作站在磁性薄膜器件的周围沉积出所需的电极，即得到本发明的基于CoFe/Cu/CoFe/IrM自旋阀结构多层膜的磁性电子器件。
实施例5、无掩模法制备基于Co/Cu/Co/PtMn自旋阀结构多层膜的磁性电子器件
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的单晶硅衬底上沉积厚度为4.9nm的下部缓冲层Ta，厚度为3.4nm的Co铁磁层，厚度为3nm的Cu层，厚度为4.2nmCo层，厚度为3.8nm的PtMn和厚度为4.6nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的生长条件：备底真空：5×10-7Pa；溅射用高纯度氩气气压：7×10-2Pa；溅射功率：120W；样品架旋转速率：20rpm；生长温度：室温；生长速率：0.03～0.12nm/s；在沉积时施加100Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性薄膜采用聚焦离子束工作站进行微纳加工，离子辐照的剂量为5×1014～5×1015ions/cm2，离子束能量为30keV，离子束流为1nA。首先在聚焦离子束工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程序通过离子辐照方法破坏或改变器件敏感单元以外材料的磁性能，而不影响器件敏感单元的磁性能，最终获得具有特定性能的正方形形状的磁敏感单元，此后利用聚焦离子束工作站在磁性薄膜器件的周围沉积出所需的电极，即得到本发明的基于Co/Cu/Co/PtMn自旋阀结构多层膜的磁性电子器件。
实施例6、无掩模法制备基于CoFe/AlOx/CoFe/IrMn自旋隧道结结构多层膜的磁性电子器件
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的单晶硅衬底上沉积厚度为4.9nm的下部缓冲层Ta，厚度为3.4nm的CoFe铁磁层，厚度为5nm的AlOx层，厚度为4.8nm的CoFe层，厚度为4.2nm的IrMn和厚度为4.6nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的生长条件：备底真空：5×10-7Pa；溅射用高纯度氩气气压：7×10-2Pa；溅射功率：120W；样品架旋转速率：20rpm；生长温度：室温；生长速率：0.03～0.12nm/s；在沉积时，施加200Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性薄膜采用聚焦离子束工作站进行微纳加工，离子辐照的剂量为1×1015～5×1016ions/cm2，离子束能量为30keV，离子束流为1nA。首先在聚焦离子束工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程序通过离子辐照方法破坏或改变器件敏感单元以外材料的磁性能，而不影响器件敏感单元的磁性能，最终获得具有特定性能的三角形形状的磁敏感单元，此后利用聚焦离子束工作站在磁性薄膜器件的周围沉积出所需的电极，即得到本发明的基于CoFe/AlOx/CoFe/IrMn自旋隧道结结构多层膜的磁性电子器件。
实施例7、无掩模法制备基于FeNi/AlOx/CoFe/NiMn自旋隧道结结构多层膜的磁性电子器件
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的单晶硅衬底上沉积厚度为4.9nm的下部缓冲层Ta，厚度为3.4nm的FeNi铁磁层，厚度为5nm的AlOx层，厚度为4.8nm的CoFe层，厚度为4.2nm的NiMn和厚度为4.6nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的生长条件：备底真空：5×10-7Pa；溅射用高纯度氩气气压：7×10-2Pa；溅射功率：120W；样品架旋转速率：20rpm；生长温度：室温；生长速率：0.03～0.12nm/s；在沉积时，施加200Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性薄膜采用聚焦离子束工作站进行微纳加工，离子辐照的剂量为1×1015～5×1016ions/cm2，离子束能量为30keV，离子束流为1nA。首先在聚焦离子束工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程序通过离子辐照方法破坏或改变器件敏感单元以外材料的磁性能，而不影响器件敏感单元的磁性能，最终获得具有特定性能的正六边形形状的磁敏感单元，此后利用聚焦离子束工作站在磁性薄膜器件的周围沉积出所需的电极，即得到本发明的基于FeNi/AlOx/CoFe/NiMn自旋隧道结结构多层膜的磁性电子器件。
实施例8、无掩模法制备基于Dy0.7Tb0.3Fe2磁致伸缩薄膜的磁性电子器件
利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的1mm厚的单晶硅衬底上沉积厚度为4.9nm的下部缓冲层Ta，厚度为900nm的Dy0.7Tb0.3Fe2磁致伸缩薄膜层和厚度为4.6nm的保护层Ta。上述磁性薄膜的生长条件：备底真空：5×10-7Pa；溅射用高纯度氩气气压：7×10-2Pa；溅射功率：120W；样品架旋转速率：20rpm；生长温度：室温；生长速率：1nm/s；生长时间：薄膜厚度/生长速率，在沉积软磁层时，施加500Oe平面诱导磁场，方向平行于膜面方向。沉积好的磁性薄膜采用聚焦离子束工作站进行微纳加工，离子辐照的剂量为1×1017～1×1018ions/cm2，离子束能量为30keV，离子束流为1nA。首先在聚焦离子束工作站上上载离子束与样品台的控制程序，再运行程序通过离子辐照方法破坏或改变器件敏感单元以外材料的磁性能，而不影响器件敏感单元的磁性能，最终获得具有特定性能的正方形或正六边形形状的磁敏感单元，此后利用聚焦离子束工作站在磁性薄膜器件的周围沉积出所需的电极，即得到本发明的基于Dy0.7Tb0.3Fe2磁致伸缩薄膜的磁性电子器件。
本发明是利用磁控(或离子束)溅射手段在衬底上制备上述磁性单层膜或磁性多层膜的。沉积软磁层，或沉积反铁磁钉扎层、被打扎磁性层和自由软磁层时，可根据需要施加50～500Oe的平面诱导磁场或沉积后进行必要磁场热处理。磁性单层膜或磁性多层膜的衬底为SiOx，Al2O3，GaAs，Si3N4或Si等；上述的缓冲层为Ru，Au，Pt，Ta等组成；上述的缓冲层的厚度为1～50nm。上述的保护层为Ru，Au，Pt，Ta等元素及其氧化物组成；所述的保护层的厚度为5～20nm。利用聚焦离子束工作站在磁性单层膜或磁性多层膜器件的周围沉积的电极材料为Pt，所述的厚度为10～50nm。
Claims (8)
1、一种基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、按衬底、缓冲层、磁性层、保护层的顺序沉积制作磁性器件基体，其中在沉积磁性层时施加50～500Oe的平面诱导磁场；
(2)、利用聚焦镓离子工作站作为加工设备，进行无掩膜离子辐照加工；
(3)、其中离子辐照参数为：离子辐照的剂量为1×1013～1×1018ions/cm2，离子束能量为20～30keV，离子束流为100pA～5nA；
(4)、利用聚焦离子束工作站在磁性薄膜器件的周围沉积出所需的电极。
2、根据权利要求1所述的基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法，其特征在于：在第(1)步中利用平面诱导磁场完成沉积后进行磁场热处理。
3、根据权利要求1或2所述的基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法，其特征在于：所述磁性层为磁记录单层膜或磁记录多层膜，所述离子辐照参数中离子辐照的剂量为1×1013～5×1014ions/cm2。
4、根据权利要求1或2所述的一种基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法，其特征在于：所述磁性层为铁磁性单层膜或铁磁性多层膜，所述离子辐照参数中离子辐照的剂量为1×1014～1×1015ions/cm2。
5、根据权利要求1或2所述的一种基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法，其特征在于：所述磁性层为自旋阀结构多层膜，所述离子辐照参数中离子辐照的剂量为5×1014～5×1015ions/cm2。
6、根据权利要求1或2所述的一种基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法，其特征在于：所述磁性层为自旋隧道结结构多层膜，所述离子辐照参数中离子辐照的剂量为1×1015～5×1016ions/cm2。
7、根据权利要求1或2所述的一种基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法，其特征在于：所述磁性层为磁致伸缩单层膜或磁致伸缩多层膜，所述离子辐照参数中离子辐照的剂量为1×1017～1×1018ions/cm2。
8、根据权利要求1或2所述的一种基于单层膜或多层膜纳米磁电子器件的无掩模制备方法，其特征在于利用聚焦镓离子工作站制作加工磁电子器件，其磁敏感单元的形状为三角形、矩形、正六边形、圆形、椭圆形或其它给定图案。
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| Physical origin of decrease in exchange coupling in Ga+ionirradiated CoFe/IrMn films. Wang Yingang,Li Ziquan.Transactions of Nonferrous Metals Society of China,Vol.Vol.15 No.Special 3. 2005 * |
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