CN101996734A - 一种线性响应巨磁电阻效应多层膜 - Google Patents

一种线性响应巨磁电阻效应多层膜 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种线性响应巨磁效应多层膜，该多层膜主要用作为巨磁电阻传感器的核心部件。该多层膜的特点在于其自由层为复合自由层，它在具有垂直耦合的多层膜“反铁磁偏置层/铁磁层/反铁磁间隔层/铁磁自由层”或者其反结构中“反铁磁间隔层”的上下两界面的任一处或两处插入一定厚度范围的非磁的“调控间隔层”。“调控间隔层”的插入可以很好地起到优化“铁磁自由层”线性度、大大降低其矫顽力的作用；此外，本发明通过改变“调控间隔层”的厚度可以调控“铁磁自由层”和“铁磁层”的垂直耦合强度从而调控“铁磁自由层”在垂直“铁磁层”钉扎方向的各向异性场的大小，亦即巨磁电阻传感器的磁场线性响应范围。

Description

一种线性响应巨磁电阻效应多层膜
技术领域
本发明涉及磁电子学技术领域，具体地说，本发明涉及一种巨磁电阻效应多层膜，该多层膜可用作为巨磁电阻传感器的核心部件。
背景技术
随着巨磁电阻效应的发现，出现了一种巨磁电阻传感器，该传感器具有灵敏度高、输出信号大、体积小、温度稳定性好、功耗低、造价低廉等优势，因此得到广泛应用，例如可以将巨磁电阻传感器用作对机械装置进行定位和速度监控的传感器、数据存储磁带或硬盘的读出磁头等。巨磁电阻传感器的核心部件是自旋阀或磁性隧道结(为方便描述，下文中将自旋阀和磁性隧道结统称为巨磁电阻效应多层膜)。为保证巨磁电阻传感器的性能，巨磁电阻效应多层膜的自由层必须磁滞小且线性度好，这就需要所述自由层的易轴与该巨磁电阻效应多层膜的被钉扎铁磁参考层的钉扎方向相互垂直。为实现这个目的，通常采用的方法是让自由层和被钉扎铁磁参考层在生长时所加的磁场相互垂直。但是，用此法得到的自旋阀和磁性隧道结的自由层的线性度和磁滞并不理想。并且该方法还存在另一个问题：为了增大磁电阻值，自旋阀和磁性隧道结往往需要在外磁场下退火(特别是磁性隧道结和加纳米氧化层的自旋阀)，这就会在一定程度上破坏生长时建立的垂直关系。
Matthew J.Carey等人提出了一种具有复合自由层的巨磁电阻效应多层膜(可参考专利US7,199,984和US7,106,561)，其复合自由层是具有垂直耦合(亦称90°耦合)的多层膜“反铁磁偏置层/铁磁层/反铁磁间隔层/铁磁自由层”或者其反结构的多层膜“铁磁自由层/反铁磁间隔层/铁磁层/反铁磁偏置层”。由于“反铁磁间隔层”导致的“铁磁自由层”与“铁磁层”的垂直耦合超越“铁磁自由层”自身的单轴各向异性(主要是是感生各向异性)，使“铁磁自由层”的易轴垂直于上述结构的被“反铁磁偏置层”所钉扎的“铁磁层”的钉扎方向。如此一来只需在巨磁电阻效应多层膜沉积时加数十奥斯特以上的磁场(并不改变磁场的方向)或在退火的过程中加数十奥斯特以上的磁场便可以保证以上所述被钉扎“铁磁层”钉扎方向同时也是巨磁电阻效应多层膜的“被钉扎铁磁参考层”的钉扎方向，进而保证自旋阀或磁性隧道结的“铁磁自由层”的易轴方向垂直于被钉扎铁磁参考层的钉扎方向(即生长时或退火时所加的磁场的方向)。这种复合自由层的设计使得传感器的制备工艺同样简单，不过用Matthew J.Carey等人的方法所得到的巨磁电阻效应多层膜的“铁磁自由层”仍具有较大的磁滞，线性度也有待提高。此外，Matthew J.Carey等人的方法所得到的巨磁电阻效应多层膜的磁场线性响应范围的可调节范围较小，使得应用领域和应用场合受限。原因如下：上述巨磁电阻效应多层膜的磁场线性响应范围取决于“铁磁自由层”在垂直钉扎方向的有效各向异性场(即为“铁磁自由层”磁化曲线的饱和场，其大小大致相当于钉扎方向磁化曲线的饱和场)，后者实际上决定于垂直耦合能与“铁磁自由层”本身的单轴各向异性能(主要是感生各向异性)强度的差值，所以虽然原则上可以通过“反铁磁间隔层”厚度的改变对垂直耦合强度因而对其线性响应范围作一定的调节，但对于IrMn、FeMn等最常用的反铁磁材料，用它们来作“反铁磁间隔层”时，可调节范围非常狭窄。这是因为：当“反铁磁间隔层”厚度小于
Figure B2009100917931D0000021
时，通常难以形成连续的膜层，这样导致反铁磁间隔层两边的铁磁层会直接交换耦合，磁化时二者同步翻转，从而使得90°耦合(即垂直耦合)被抑制；而当“反铁磁间隔层”大于一定厚度(如：IrMn层厚度大于
Figure B2009100917931D0000022
或FeMn层厚度大于
Figure B2009100917931D0000023
)时，“反铁磁间隔层”对它两边铁磁层的界面交换偏置作用将会出现，这种作用的强度要大于90°耦合的强度，并且随着“反铁磁间隔层”厚度的增加而增强，因而导致90°耦合被掩盖。
图1给出了本案发明人沿用Matthew J.Carey等人的方法制备的复合自由层的实测磁化曲线，所述复合自由层的多层膜的具体结构为：基片Si/缓冲层
Figure B2009100917931D0000024
铁磁自由层
Figure B2009100917931D0000025
反铁磁间隔层[IrMn(tIrMn)]/铁磁层
Figure B2009100917931D0000026
反铁磁偏置层
Figure B2009100917931D0000027
/保护层(其中
Figure B2009100917931D0000029
Figure B2009100917931D00000210
Figure B2009100917931D00000211
)。复合自由层生长时在膜面内加了一个大小约为200Oe的磁场，磁滞回线测量时所加磁场的方向和生长时所加磁场的方向相同。磁滞回线用振动样品磁强计测得。图1中可以看到磁化曲线可分解为上下两部分小回线。从两部分小回线的磁矩比分析可知，上部分小回线对应的是“铁磁自由层
Figure B2009100917931D00000212
”的磁化曲线；而下部分小回线对应的则是“铁磁层
Figure B2009100917931D00000213
”的磁化曲线。随着反铁磁间隔层IrMn厚度从
Figure B2009100917931D0000031
减小到
Figure B2009100917931D0000032
“铁磁自由层(
Figure B2009100917931D0000033
NiFe)”的各向异性场的变化非常有限(从约200Oe增加到约400Oe)，且矫顽力始终很大(大于50Oe)，线性度也不够理想。
发明内容
本发明的目的是通过改善巨磁电阻效应多层膜中复合自由层的垂直耦合性能来优化自由层的磁性能，从而提供一种自由层磁滞较小、线性度高的巨磁电阻效应多层膜，并且该多层膜的自由层的有效各向异性场(即本发明多层膜的磁场线性响应范围)可在更大的范围内调节，尤其容易实现低磁场下的高灵敏度。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种巨磁电阻效应多层膜，所述巨磁电阻效应多层膜采用底钉扎结构，所述巨磁电阻效应多层膜包括复合自由层，所述复合自由层包括：依次生长的反铁磁偏置层、铁磁层和铁磁自由层；其特征在于，所述复合自由层还包括反铁磁间隔层和调控间隔层，所述反铁磁间隔层和调控间隔层均位于铁磁层和铁磁自由层之间；所述调控间隔层的制作材料为非磁材料，单层所述调控间隔层的厚度为0.1nm-5nm。
其中，所述调控间隔层位于反铁磁间隔层和铁磁自由层之间。
其中，所述调控间隔层位于铁磁层和反铁磁间隔层之间。
其中，所述调控间隔层包括第一调控间隔层和第二调控间隔层，所述第一位于反铁磁间隔层和铁磁自由层之间；所述第二调控间隔层位于铁磁层和反铁磁间隔层之间。
其中，所述调控间隔层的制作材料为Cu、Ag、Au、Pt、Al、Mg、Ta、Zr、Ti，或者上述金属的合金或氧化物。
其中，所述调控间隔层的制作材料为所述反铁磁间隔层、铁磁自由层或铁磁层材料氧化所得的非磁性氧化物，或者反铁磁间隔层、铁磁自由层和铁磁层材料相互合金化所形成的非磁性合金。
本发明还提供了另一种巨磁电阻效应多层膜，所述巨磁电阻效应多层膜采用顶钉扎结构，所述巨磁电阻效应多层膜包括复合自由层，所述复合自由层包括：依次生长的铁磁自由层、铁磁层和反铁磁偏置层；其特征在于，所述复合自由层还包括反铁磁间隔层和调控间隔层，所述反铁磁间隔层和调控间隔层均位于铁磁层和铁磁自由层之间；所述调控间隔层的制作材料为非磁材料，单层所述调控间隔层的厚度为0.1nm-5nm。
其中，所述调控间隔层位于反铁磁间隔层和铁磁自由层之间。
其中，所述调控间隔层位于铁磁层和反铁磁间隔层之间。
其中，所述调控间隔层包括第一调控间隔层和第二调控间隔层，所述第一位于反铁磁间隔层和铁磁自由层之间；所述第二调控间隔层位于铁磁层和反铁磁间隔层之间。
其中，所述调控间隔层的制作材料为Cu、Ag、Au、Pt、Al、Mg、Ta、Zr、Ti，或者上述金属的合金或氧化物。
其中，所述调控间隔层的制作材料为所述反铁磁间隔层、铁磁自由层或铁磁层材料氧化所得的非磁性氧化物，或者反铁磁间隔层、铁磁自由层和铁磁层材料相互合金化所形成的非磁性合金。
本发明具有如下技术效果：
本发明的自由层磁滞较小且线性度高。
本发明自由层的有效各向异性场(也就是本发明多层膜的磁场线性响应范围)的可选范围更广，从而扩大了巨磁电阻效应多层膜的适用范围(特别值得一提的是能很好得应用到低磁场高灵敏度的情况)。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1.示出了沿用Matthew J.Carey等人的方法制备的复合自由层的磁滞回线；
图2示出了本发明的两类多层膜和它们的复合自由层的结构简图；其中(a)部分是第一类巨磁电阻效应多层膜(底钉扎自旋阀或磁性隧道结)以及它的复合自由层的结构简图；(b)部分是第二类巨磁电阻效应多层膜(顶钉扎自旋阀或磁性隧道结)以及它的复合自由层的结构简图。
图3示出了本发明实施例1的复合自由层的磁滞回线；
图4示出了本发明实施例2的复合自由层的磁滞回线；
图5示出了本发明实施例3的复合自由层的磁滞回线；
图6示出了本发明实施例6的自旋阀小场下的(CIP)磁电阻转变曲线；
图7示出了本发明实施例7的自旋阀小场下的(CIP)磁电阻转变曲线；
图8示出了本发明实施例8的自旋阀小场下的(CIP)磁电阻转变曲线。
具体实施方式
A.本发明的复合自由层中设置“调控间隔层”的原理
本发明针对Matthew J.Carey等人的方法所得到的自旋阀或磁性隧道结自由层磁滞较大、线性度不够理想、线性范围调节非常有限等问题，在其具有垂直耦合(亦称90°耦合)的复合自由层“反铁磁偏置层/铁磁层/反铁磁间隔层/铁磁自由层”或者其反结构“铁磁自由层/反铁磁间隔层/铁磁层/反铁磁偏置层”中“反铁磁间隔层”的上下两界面的任一处或两处插入一定厚度范围的非磁性的“调控间隔层”。
研究表明非磁性的“调控间隔层”的插入仍然可以保证“铁磁自由层”的易轴垂直于“铁磁层”的钉扎方向，从而如前面“背景技术”部分所述仍然可以保证以该多层膜作为自由层的自旋阀或磁性隧道结后其“铁磁自由层”的易轴垂直于被钉扎铁磁参考层的钉扎方向，并且非磁性的“调控间隔层”的插入有以下两个作用：(1)因为“反铁磁间隔层”很薄，所以反铁磁间隔层晶粒边界处的未补偿磁矩就很可能贯穿整个“反铁磁间隔层”而使得被钉扎的“铁磁层”和“铁磁自由层”直接交换耦合。这种耦合的存在使得“铁磁自由层”磁化的时候，被钉扎住的“铁磁层”阻碍“铁磁自由层”磁矩的转动，从而产生磁滞因而破坏磁化曲线的线性度。而晶粒边界处是表面原子在面内扩散的势垒处，也就是说晶粒边界处是插入的非磁性的“调控间隔层”在生长时非磁性原子较容易聚集的地方。因此插入少量(如
Figure B2009100917931D0000051
)非磁性的“调控间隔层”，就可以很大程度上减小所述的被钉扎的“铁磁层”和“铁磁自由层”的直接交换耦合，从而极大地减小“铁磁自由层”的矫顽力以及优化其线性度。(2)由于垂直耦合取决于“铁磁/反铁磁”界面原子的直接交换作用(量子理论中的海森堡交换作用)，非磁性原子的插入将打断这种交换作用，所以借助于薄膜在一定厚度以下通常为非连续岛状结构的特点，插入一定厚度的非磁性“调控间隔层”便可以部分隔断铁磁层与反铁磁层的直接接触，并通过改变非磁性“调控间隔层”的厚度来改变隔断程度的大小，从而达到调节垂直耦合强度的目的。调节垂直耦合强度，即可调控“铁磁自由层”在垂直钉扎方向的各向异性场的大小。实际上，“铁磁自由层”在垂直于钉扎方向的各向异性场的大小代表了自旋阀或磁性隧道结传感器的磁场线性响应范围。“铁磁自由层”在垂直钉扎方向的各向异性场的可选范围可达到5Oe到500Oe，极大地扩展了巨磁电阻效应传感器的应用范围，尤其容易实现低磁场下的高灵敏度。
以上是本发明中设置调控间隔层的原理，在下文中，还将结合实施例以及实际测试数据进一步地阐述设置所述调控间隔层的技术效果。
B.本发明提供的巨磁电阻效应多层膜的基本结构
图2给出了此两类多层膜和它们的复合自由层的结构示意简图。
图2的(a)部分示出了本发明提供的第一类巨磁电阻效应多层膜(即底钉扎结构的巨磁电阻效应多层膜)的基本结构，包括：基片(substrate)/缓冲层(bufffer)/钉扎反铁磁层/被钉扎铁磁参考层(pinned layer)/非磁间隔层(spacer layer)/自由层(free layer)/保护层(cap layer)
其中，自由层为复合自由层，复合自由层的结构有以下三种：
铁磁自由层/调控间隔层/反铁磁间隔层/铁磁层/反铁磁偏置层
铁磁自由层/反铁磁间隔层/调控间隔层/铁磁层/反铁磁偏置层
铁磁自由层/调控间隔层/反铁磁间隔层/调控间隔层/铁磁层/反铁磁偏置层
除自由层外，第一类巨磁电阻效应多层膜中其余各组成部分所选用的材料和厚度都可以和现有的底钉扎自旋阀或磁隧道结传感器相同(在这里要特别说明的是在有些自旋阀或磁性隧道结传感器中，被钉扎铁磁参考层往往会采用人工反铁磁如Co/Ru/Co，而本发明同样也可以采用)。
图2的(b)部分示出了本发明提供的第二类巨磁电阻效应多层膜(即顶钉扎结构的巨磁电阻效应多层膜)的基本结构是：基片(substrate)/缓冲层(bufffer)/自由层(free layer)/非磁间隔层(spacer layer)/被钉扎铁磁参考层(pinned layer)/钉扎反铁磁层/保护层(cap layer)。
其中，自由层为复合自由层，所述复合自由层的结构有以下三种：
反铁磁偏置层/铁磁层/反铁磁间隔层/调控间隔层/铁磁自由层
反铁磁偏置层/铁磁层/调控间隔层/反铁磁间隔层/铁磁自由层
反铁磁偏置层/铁磁层/调控间隔层/反铁磁间隔层/调控间隔层/铁磁自由层
同样，除自由层外，第二类巨磁电阻效应多层膜中其余各组成部分所选用的材料和厚度都可以和现有的顶钉扎巨磁电阻效应传感器相同(在这里要特别说明的是在有些自旋阀或磁性隧道结传感器中，被钉扎铁磁参考层往往会采用人工反铁磁如Co/Ru/Co，本发明同样也可以采用)。
所述的“铁磁层”选自：Ni、Co、Fe或它们组成的任何二元或三元合金，或多种铁磁层组成的复合铁磁层，或是界面处或中间加有纳米氧化层的铁磁金属以及合金，又或者是人工反铁磁如Co/Ru/Co。所述的“铁磁层”厚度为1nm-100nm。
以上所述的“反铁磁偏置层”选自：有交换偏置特性的反铁磁合金如PtMn、NiMn、CrPt、FeMn、IrMn、PdMn、PtPdMn、RhMn(这些合金中通常可以添加一些元素如Cr、V、Pt、Ni来增加它们的电阻以及增强它们的抗腐蚀能力)。该“反铁磁磁偏置层”的厚度为2nm-100nm。
以上所述的“铁磁自由层”选自：Ni、Co、Fe或它们组成的任何二元或三元合金，或多种铁磁层组成的符合铁磁层，或是界面处或中间加有纳米氧化层的铁磁金属以及合金；该“铁磁自由层”厚度为1nm-100nm。
以上所述的“反铁磁间隔层”选自：能表现出反铁磁相互作用的材料，如反铁磁金属Mn、Cr或合金如CrPt、PtMn、NiMn、、FeMn、IrMn、PdMn、PtPdMn、RhMn(这些合金中通常可以添加一些元素如Cr、V、Pt、Ni来增加它们的电阻以及增强它们的抗腐蚀能力)；或者稀土-过渡金属合金，如TbFe、TbFeCo、TbCo、GdFe、GdCo、GdFeCo等。该“反铁磁间隔层”的厚度为0.1nm-10nm。
以上所述的“调控间隔层”的作用是通过非磁性原子部分隔断“反铁磁间隔层”和它相邻铁磁层的直接接触，从而部分隔断他们的直接交换作用(即海森堡交换作用，这种作用是垂直耦合的来源)，所以从理论上说，任何不传递这种交换作用的材料即非磁性材料都可以用来作为“调控间隔层”。因此，“调控间隔层”选自：非磁性且化学性能稳定的固体，包括常用单质材料，如Cu、Ag、Au、Pt、Al、Mg、Ta、Zr、Ti等，或者它们的合金或氧化物，还包括“反铁磁间隔层”、“铁磁自由层”、“铁磁层”氧化所得的非磁性氧化物、相互合金化所形成的非磁性合金。单层“调控间隔层”的厚度为0.1nm-5nm。这里需要说明的是：如用到两层“调控间隔层”时，这两“调控间隔层”可采用不同的材料和厚度。
以上所述的“反铁磁磁偏置层”的作用是同“铁磁层”交换偏置耦合，将“铁磁层”的磁矩固定在某一个方向(即薄膜生长或退火时所加的外磁场方向)，在传感器响应范围内的外磁场下不受影响。对于硬铁磁材料，它们的矫顽力很大，远大于传感器的磁场响应范围。因此，在传感器响应范围内的外磁场下，硬铁磁材料的磁矩同样可以固定在某一个方向(即薄膜生长或退火时所加的外磁场方向)而基本不受影响(这一点和Matthew J.Carey等人的专利【US PATENT 7,199,984B2；US PATENT 7,106,561B2】是完全一样的)，所以说“铁磁层”和“反铁磁磁偏置层”的两层膜也可用一层“硬铁磁层”取代，该“硬铁磁层”选自硬铁磁材料如CoPt，CoCrPt，厚度为1nm-100nm。
本发明的多层膜可采用真空沉积镀膜法(如磁控溅射)制作。一般来说，在本底真空优于10-4Pa的环境下，依次在基片上沉积巨磁电阻效应多层膜的各层结构。沉积过程中，需要加一个平行于膜面的数十奥斯特以上的磁场或者在沉积完成以后在一个平行于膜面的数十奥斯特以上的磁场下退火；退火温度略高于反铁磁层的Neel温度，退火时本底真空优于10-3Pa。当然该多层膜在实际的应用中往往需要在其制备的过程中采取微纳米加工的方法将它做成合适的形状和尺寸。
C.实施例
实施例1
本实施是第一类巨磁电阻效应多层膜(底钉扎自旋阀或磁性隧道结)，该巨磁电阻效应多层膜的自由层为复合自由层，其复合自由层的结构为：铁磁自由层
Figure B2009100917931D0000081
调控间隔层
Figure B2009100917931D0000082
反铁磁间隔层铁磁层
Figure B2009100917931D0000084
反铁磁偏置层
Figure B2009100917931D0000085
其中x＝2，4，6，8。
本实施例中复合自由层的制备方法是：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10-5Pa，用Ar气作为溅射气体，溅射气压为0.4Pa，在表面氧化的Si基片上依次沉积一层
Figure B2009100917931D0000086
的Ta作为缓冲层，一层
Figure B2009100917931D0000087
的NiFe，一层x
Figure B2009100917931D0000088
的Pt，一层
Figure B2009100917931D0000089
的IrMn，一层的NiFe，一层
Figure B2009100917931D00000811
的Co60Fe40，一层
Figure B2009100917931D00000812
的IrMn，一层
Figure B2009100917931D00000813
的Ta作为保护层。在溅射的过层中加一个大小为200Oe方向平行于膜面的磁场。
图3中给出了本实施例提供的第一类巨磁电阻效应多层膜(底钉扎自旋阀或磁性隧道结)的复合自由层的磁化曲线(x＝2，4，6，8分别对应于图中a，b，c，d四个部分)。磁滞回线测量时所加外磁场的方向与多层膜生长是所加磁场的方向相同为了精确显示“铁磁自由层
Figure B2009100917931D00000814
”的磁化特性，特别是它的矫顽力大小、线性度好坏和各向异性场的大小，图3的磁化曲线为放大的、小磁场下的、仅包含铁磁自由层磁化特征的曲线；作为代表，x＝6样品的大场完整磁化曲线作为小插图也列在图3的(b)部分中，(明显地，大场下的磁化曲线可分解为上下两部分，从两部分的磁矩比分析可知，下部分对应的是“铁磁层
Figure B2009100917931D00000816
”的磁化曲线；而上部分对应的正是“铁磁自由层
Figure B2009100917931D0000091
”的磁化曲线。)从图中可以看到仅仅只需要插入
Figure B2009100917931D0000092
的Pt间隔层，“铁磁自由层
Figure B2009100917931D0000093
”的矫顽力就可以降低到7Oe，且线性度已经接近完美；随着调控间隔层Pt的厚度增加，“铁磁自由层
Figure B2009100917931D0000094
”的矫顽力进一步减小、线性度进一步得到优化。调控间隔层Pt的厚度从增加到
Figure B2009100917931D0000096
“铁磁自由层
Figure B2009100917931D0000097
”的各向异性场相应地从220Oe减小到8Oe。而且
Figure B2009100917931D0000098
的NiFe层的线性度始终很好，矫顽力也始终小于它的各向异性场的1/20。
需要说明的是：本实施例以及实施例2、3、4、5中只是制备和测量了巨磁效应多层膜中的复合自由层，这是因为
(1).本实施例的巨磁电阻效应多层膜与现有技术中的自旋阀或磁性隧道结传感器不同的只有它的复合自由层。
(2).本实施例的巨磁电阻效应多层膜的复合自由层与被钉扎铁磁参考层相互作用很弱，因此复合自由层在应用到巨磁效应多层膜前后，“铁磁自由层”的性能(包括矫顽力、线性度、有效各向异性场的大小)基本不变。因此可以通过单独测试复合自由层的性能(“铁磁自由层”的矫顽力、线性度和有效各向异性场)，来获取巨磁电阻效应多层膜的性能，而且这样可以减小样品制备和测试的无必要的繁琐。
实施例2
本实施例是第二类巨磁电阻效应多层膜(顶钉扎自旋阀或磁性隧道结)。该巨磁电阻效应多层膜的自由层为复合自由层，其复合自由层的结构为：反铁磁偏置层
Figure B2009100917931D0000099
铁磁层
Figure B2009100917931D00000910
反铁磁间隔层
Figure B2009100917931D00000911
调控间隔层
Figure B2009100917931D00000912
铁磁自由层
Figure B2009100917931D00000913
其中x＝2，4，6，8。
本实施例中复合自由层的制备方法是：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10-5Pa，用Ar气作为溅射气体，溅射气压为0.4Pa，在表面氧化的Si基片上依次沉积一层
Figure B2009100917931D00000914
的Ta和
Figure B2009100917931D00000915
的NiFe作为缓冲层(
Figure B2009100917931D00000916
的NiFe的作用是用来诱导生长在它上面的反铁磁IrMn织构)，一层的IrMn，一层
Figure B2009100917931D00000918
的Co60Fe40，一层
Figure B2009100917931D00000919
的NiFe，一层
Figure B2009100917931D00000920
的IrMn，一层
Figure B2009100917931D00000921
的Pt，一层
Figure B2009100917931D00000922
的NiFe，一层
Figure B2009100917931D00000923
的Ta作为保护层。沉积完成之后将多层膜在磁场下退火(退火是为了促进IrMn层和生长在它上面铁磁层交换偏置的建立)，磁场大小约为1000Oe，方向平行于膜面，退火温度为260℃，时间为十分钟，退火是真空优于10-4Pa。
图4给出了复合自由层小场下的磁滞回线，即“铁磁自由层”(
Figure B2009100917931D0000101
的NiFe)的磁滞回线。磁滞回线测量时所加磁场的方向与多层膜生长是所加磁场的方向相同。从图中可以看出随着“调控间隔层”的厚度从
Figure B2009100917931D0000102
减小到
Figure B2009100917931D0000103
“铁磁自由层”(
Figure B2009100917931D0000104
的NiFe)的各向异性场Hk(也是本发明的巨磁电阻效应多层膜的磁场线性响应范围)的大小从11Oe增加到342Oe，而且
Figure B2009100917931D0000105
的NiFe层的线性度始终很好，矫顽力也始终小于它的各向异性场的1/20。
实施例3
本实施例是第一类巨磁电阻效应多层膜(底钉扎自旋阀或磁性隧道结)，该巨磁电阻效应多层膜的自由层为复合自由层，其复合自由层的结构为：铁磁自由层
Figure B2009100917931D0000106
调控间隔层
Figure B2009100917931D0000107
反铁磁间隔层[IrMn(15
Figure B2009100917931D0000108
)]/铁磁层
Figure B2009100917931D0000109
反铁磁偏置层
Figure B2009100917931D00001010
其中x＝2，4，6，8。
本实施例中复合自由层的制备方法是：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10-5Pa，用Ar气作为溅射气体，溅射气压为0.4Pa，在表面氧化的Si基片上依次沉积一层
Figure B2009100917931D00001011
的Ta作为缓冲层，一层
Figure B2009100917931D00001012
的NiFe，一层
Figure B2009100917931D00001013
的Cu，一层
Figure B2009100917931D00001014
的IrMn，一层的NiFe，一层
Figure B2009100917931D00001016
的Co60Fe40，一层
Figure B2009100917931D00001017
的IrMn，一层
Figure B2009100917931D00001018
的Ta作为保护层。在溅射的过层中加一个大小为200Oe方向平行于膜面的磁场。
图5给出了复合自由层小场下的磁滞回线，即“铁磁自由层”(
Figure B2009100917931D00001019
的NiFe)的磁滞回线。磁滞回线测量时所加磁场的方向与多层膜生长是所加磁场的方向相同。从图中我们可以看出随着”调控间隔层”的厚度从
Figure B2009100917931D00001020
减小到“自由层”(的NiFe)的各向异性场Hk(也是巨磁电阻效应多层膜的磁场线性响应范围)的大小从13Oe增加到190Oe，而且
Figure B2009100917931D00001023
的NiFe层的线性度始终很好，矫顽力也始终小于它的各向异性场的1/20。
实施例4
本实施例是第一类巨磁电阻效应多层膜(底钉扎自旋阀或磁性隧道结)，该巨磁电阻效应多层膜的自由层为复合自由层，其复合自由层的结构为：铁磁自由层
Figure B2009100917931D00001024
调控间隔层
Figure B2009100917931D00001025
反铁磁间隔层[IrMn(15
Figure B2009100917931D00001026
)]/铁磁层
Figure B2009100917931D00001027
反铁磁偏置层其中x＝2，4，6，8。
本实施例中复合自由层的制备方法是：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10-5Pa，用Ar气作为溅射气体，溅射气压为0.4Pa，在表面氧化的Si基片上依次沉积一层
Figure B2009100917931D0000111
的Ta作为缓冲层，一层
Figure B2009100917931D0000112
的NiFe，一层
Figure B2009100917931D0000113
的Pt，一层
Figure B2009100917931D0000114
的IrMn，一层的Co90Fe10，一层
Figure B2009100917931D0000116
的Ru，一层
Figure B2009100917931D0000117
的Co90Fe10，一层
Figure B2009100917931D0000118
的IrMn，一层
Figure B2009100917931D0000119
的Ta作为保护层。在溅射的过层中加一个大小为200Oe方向平行于膜面的磁场。
随着“调控间隔层”的厚度从
Figure B2009100917931D00001110
减小到
Figure B2009100917931D00001111
“铁磁自由层”(
Figure B2009100917931D00001112
的NiFe)的各向异性场Hk(也是本发明的巨磁电阻效应多层膜的磁场线性响应范围)的大小变化同实施例一类似，而且
Figure B2009100917931D00001113
的NiFe层的线性度始终很好，矫顽力也始终小于它的各向异性场的1/20。
实施例5
本实施例是第一类巨磁电阻效应多层膜(底钉扎自旋阀或磁性隧道结)，该巨磁电阻效应多层膜的自由层为复合自由层，其复合自由层的结构为：铁磁自由层
Figure B2009100917931D00001114
调控间隔层
Figure B2009100917931D00001115
反铁磁间隔层[IrMn(15
Figure B2009100917931D00001116
)]/硬铁磁层
Figure B2009100917931D00001117
其中x＝2，4，6，8。
本实施例中复合自由层的制备方法是：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10-5Pa，用Ar气作为溅射气体，溅射气压为0.4Pa，在表面氧化的Si基片上依次沉积一层
Figure B2009100917931D00001118
的Ta作为缓冲层，一层的NiFe，一层
Figure B2009100917931D00001120
的Pt，一层
Figure B2009100917931D00001121
的IrMn，一层
Figure B2009100917931D00001122
的Co90Fe10，一层
Figure B2009100917931D00001123
的CoCrPt，一层的Ta作为保护层。在溅射的过层中加一个大小为200Oe方向平行于膜面的磁场。
随着”调控间隔层”的厚度从
Figure B2009100917931D00001125
减小到
Figure B2009100917931D00001126
“铁磁自由层”(
Figure B2009100917931D00001127
的NiFe)的各向异性场Hk(也是本发明的巨磁电阻效应多层膜的磁场线性响应范围)的大小变化同实施例一类似，而且
Figure B2009100917931D00001128
的NiFe层的线性度始终很好，矫顽力也始终小于它的各向异性场的1/20。
以下以自旋阀为代表，再举几个本发明提供的两类巨磁电阻效应多层膜的具体实施例。
实施例6
本实施例中底钉扎自旋阀属于第一类巨磁电阻效应多层膜，它的结构是：基片Si/缓冲层
Figure B2009100917931D00001129
钉扎反铁磁层
Figure B2009100917931D00001130
/被钉扎铁磁参考层
Figure B2009100917931D00001131
//纳米氧化层//
Figure B2009100917931D00001132
/非磁间隔层
Figure B2009100917931D00001133
/铁磁自由层
Figure B2009100917931D00001134
/调控间隔层[Pt(tPt)]/反铁磁间隔层
Figure B2009100917931D0000121
铁磁层
Figure B2009100917931D0000122
反铁磁偏置层[IrMn(80)]/保护层
Figure B2009100917931D0000124
Figure B2009100917931D0000125
Figure B2009100917931D0000126
本实施例的复合自由层结构与实施例1一致。
本实施例中自旋阀的制备方法是：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10-5Pa，用Ar气作为溅射气体，溅射气压为0.4Pa，在表面氧化的Si片上依次沉积自旋阀的各层膜。沉积完成之后将自旋阀在磁场下退火，磁场大小约1000Oe，方向平行于膜面，退火温度为260℃，时间为十分钟，退火时真空优于10-4Pa。
图6给出了本实施例自旋阀小场下的(CIP)磁电阻转变曲线图(即“铁磁自由层”
Figure B2009100917931D0000127
的磁电阻转变曲线)。从磁电阻曲线中我们都可以看到“铁磁自由层”
Figure B2009100917931D0000128
的线性度非常好且矫顽力几乎为零。当
Figure B2009100917931D0000129
时，自旋阀的各向异性场Hk(也是磁场线性响应范围)为10Oe，磁电阻为4.5％；当
Figure B2009100917931D00001210
时；自旋阀的各向异性场Hk为100Oe，磁电阻为4.5％
实施例7
本实施例中顶钉扎自旋阀属于第二类巨磁电阻效应多层膜，它的结构是：基片Si/缓冲层
Figure B2009100917931D00001211
反铁磁偏置层
Figure B2009100917931D00001212
铁磁层反铁磁间隔层
Figure B2009100917931D00001214
调控间隔层[Pt(tPt)]/铁磁自由层
Figure B2009100917931D00001215
非磁间隔层
Figure B2009100917931D00001216
/被钉扎铁磁参考层
Figure B2009100917931D00001217
钉扎反铁磁层
Figure B2009100917931D00001218
保护层
Figure B2009100917931D00001220
Figure B2009100917931D00001221
本实施例的复合自由层结构与实施例2一致。
本实施例中自旋阀的制备方法是：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10-5Pa，用Ar气作为溅射气体，溅射气压为0.4Pa，在表面氧化的Si片上依次沉积自旋阀的各层膜。沉积完成之后将自旋阀在磁场下退火，磁场大小约为1000Oe，方向平行于膜面，退火温度为260℃，时间为十分钟，退火时真空优于10-4Pa。
图7给出了本实施例自旋阀小场下的(CIP)磁电阻曲线图(即“铁磁自由层”
Figure B2009100917931D00001222
的磁电阻转变曲线)。从磁电阻曲线中我们都可以看到“铁磁自由层”
Figure B2009100917931D00001223
的线性度非常好且矫顽力几乎为零。当
Figure B2009100917931D00001224
时，各向异性场Hk(也是磁场线性响应范围)为5Oe，磁电阻为5％；当
Figure B2009100917931D00001225
Figure B2009100917931D00001226
时，各向异性场Hk为105Oe，磁电阻为4％。
实施例8
本实施例中顶钉扎自旋阀属于第二类巨磁电阻效应多层膜，它的结构是：基片Si/缓冲层
Figure B2009100917931D0000131
反铁磁偏置层铁磁层
Figure B2009100917931D0000133
反铁磁间隔层
Figure B2009100917931D0000134
调控间隔层[Cu(tCu)]/铁磁自由层
Figure B2009100917931D0000135
非磁间隔层
Figure B2009100917931D0000136
/被钉扎铁磁参考层
Figure B2009100917931D0000137
钉扎反铁磁层保护层
Figure B2009100917931D00001310
Figure B2009100917931D00001311
本实施例的复合自由层为：反铁磁偏置层
Figure B2009100917931D00001312
铁磁层
Figure B2009100917931D00001313
反铁磁间隔层
Figure B2009100917931D00001314
调控间隔层[Cu(tPt)]/铁磁自由层
Figure B2009100917931D00001315
Figure B2009100917931D00001316
Figure B2009100917931D00001317
本实施例中自旋阀的制备方法是：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10-5Pa，用Ar气作为溅射气体，溅射气压为0.4Pa，在表面氧化的Si片上依次沉积自旋阀的各层膜。沉积完成之后将自旋阀在磁场下退火，磁场大小约为1000Oe，方向平行于膜面，退火温度为260℃，时间为十分钟，退火时真空优于10-4Pa。
图8给出了本实施例自旋阀小场下的(CIP)磁电阻转变曲线图(即“铁磁自由层”
Figure B2009100917931D00001318
的磁电阻转变曲线)。从磁电阻曲线中我们都可以看到“铁磁自由层”
Figure B2009100917931D00001319
的线性度非常好且矫顽力几乎为零。当时，各向异性场Hk(也是磁场线性响应范围)为13Oe，磁电阻为4.6％；当
Figure B2009100917931D00001321
Figure B2009100917931D00001322
时，各向异性场为85Oe，磁电阻为4.5％。
最后应该说明，以上实施例仅用来说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种线性响应巨磁电阻效应多层膜，所述巨磁电阻效应多层膜采用底钉扎结构，所述巨磁电阻效应多层膜包括复合自由层，所述复合自由层包括：依次生长的反铁磁偏置层、铁磁层和铁磁自由层；其特征在于，所述复合自由层还包括反铁磁间隔层和调控间隔层，所述反铁磁间隔层和调控间隔层均位于铁磁层和铁磁自由层之间；所述调控间隔层的制作材料为非磁材料，单层所述调控间隔层的厚度为0.1nm-5nm。
2.根据权利要求1所述的巨磁电阻效应多层膜，其特征在于，所述调控间隔层位于反铁磁间隔层和铁磁自由层之间；或者所述调控间隔层位于铁磁层和反铁磁间隔层之间。
3.根据权利要求1所述的巨磁电阻效应多层膜，其特征在于，所述调控间隔层包括第一调控间隔层和第二调控间隔层，所述第一位于反铁磁间隔层和铁磁自由层之间；并且所述第二调控间隔层位于铁磁层和反铁磁间隔层之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的巨磁电阻效应多层膜，其特征在于，所述调控间隔层的制作材料为Cu、Ag、Au、Pt、Al、Mg、Ta、Zr、Ti，或者上述金属的合金或氧化物。
5.根据权利要求1、2或3所述的巨磁电阻效应多层膜，其特征在于，所述调控间隔层的制作材料为所述反铁磁间隔层、铁磁自由层或铁磁层材料氧化所得的非磁性氧化物，或者反铁磁间隔层、铁磁自由层和铁磁层材料相互合金化所形成的非磁性合金。
6.一种巨磁电阻效应多层膜，所述巨磁电阻效应多层膜采用顶钉扎结构，所述巨磁电阻效应多层膜包括复合自由层，所述复合自由层包括：依次生长的铁磁自由层、铁磁层和反铁磁偏置层；其特征在于，所述复合自由层还包括反铁磁间隔层和调控间隔层，所述反铁磁间隔层和调控间隔层均位于铁磁层和铁磁自由层之间；所述调控间隔层的制作材料为非磁材料，单层所述调控间隔层的厚度为0.1nm-5nm。
7.根据权利要求6所述的巨磁电阻效应多层膜，其特征在于，所述调控间隔层位于反铁磁间隔层和铁磁自由层之间；或者所述调控间隔层位于铁磁层和反铁磁间隔层之间。
8.根据权利要求6所述的巨磁电阻效应多层膜，其特征在于，所述调控间隔层包括第一调控间隔层和第二调控间隔层，所述第一位于反铁磁间隔层和铁磁自由层之间；并且所述第二调控间隔层位于铁磁层和反铁磁间隔层之间。
9.根据权利要求6、7或8所述的巨磁电阻效应多层膜，其特征在于，所述调控间隔层的制作材料为Cu、Ag、Au、Pt、Al、Mg、Ta、Zr、Ti，或者上述金属的合金或氧化物。
10.根据权利要求6、7或8所述的巨磁电阻效应多层膜，其特征在于，所述调控间隔层的制作材料为所述反铁磁间隔层、铁磁自由层或铁磁层材料氧化所得的非磁性氧化物，或者反铁磁间隔层、铁磁自由层和铁磁层材料相互合金化所形成的非磁性合金。
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