自旋閥GMR線性傳感器

1、基于自旋閥的GMR線性傳感器劉雙華摘要在玻璃和硅襯底上利用高真空直流磁控濺射的方法制作結構為 Ta/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta的帶SAF結構的頂釘扎自旋閥多層薄膜, 并最終制成了一組基于此自旋閥結構的GMR磁傳感器芯片。經過結構的改善和工 藝條件的優(yōu)化后，使自旋閥的磁電阻率提高，矯頑力降低，并且利用 CoFe/Cu/CoFe的SAF結構使交換場上升。這種高性能的自旋閥對GMR線性傳 感器的線性擬合度具有很大的提升，而且在GMR線性傳感器的電路上做了改進。 關鍵詞 磁控濺射自旋閥GMR傳感器1研究意義自從1988年法國巴黎大學Fert教授領導的研究小組首先

2、在Fe / Cr金屬多 層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應（Giant magnetoresistance effect，簡稱GMR效應）以來， 與電子自旋相關的研究成為新的研究熱點，各種基于GMR效應的磁傳感器的研 究受到人們的普遍關注。1991年，B. Dieny等人提出了 “鐵磁層/非磁隔離層/鐵磁層/反鐵磁層” 的自旋閥結構，并首先在“NiFe / Cu / NiFe / FeMn”自旋閥中發(fā)現(xiàn)了一種低飽 和場巨磁電阻效應，這種結構可以被廣泛的應用于各種高靈敏度磁傳感器和高密 度存儲技術中。這些高靈敏度磁傳感器大部分用于工業(yè)自動化和汽車工業(yè)中，包 括角度傳感器，位移傳感器和無接觸式轉速傳感器等。這

3、些GMR傳感器具有魯 棒性高、可實現(xiàn)非接觸式測量、能工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，它們在工業(yè)自動化和 汽車工業(yè)中的地位越來越高。用反鐵磁材料IrMn做釘扎層的的自旋閥具有磁電 阻率（magnetoresistance ratio，簡稱MR）高、反鐵磁材料的失效溫度高、臨界厚 度小等優(yōu)點；同時，頂釘扎結構具有良好的性能、簡單的工藝以及很高的實用價 值。因此，IrMn頂釘扎的自旋閥結構已經成為近幾年來自旋閥應用研究的一個 熱點。為了得到較高的磁電阻率，IrMn頂釘扎自旋閥通常采用復合自由層結構。 同時，為了研制高精度的GMR線性傳感器，對自由層的矯頑力也提出了新的要 求。2國內外狀況1994年，美國的NV

4、E公司首先實現(xiàn)巨磁電阻（GMR）效應的產業(yè)化，并 銷售巨磁電阻磁場傳感器。1998年，美國的IBM公司成功地把GMR效應應用 在計算機硬盤驅動器上，研制出巨磁電阻（GMR）磁頭。巨磁電阻（GMR）磁頭的應用帶動了計算機產業(yè)的迅速發(fā)展，打破了信息 高速公路圖像傳遞存儲的瓶頸，目前存儲密度已高達56GB/平方英寸。世界GMR 磁頭的市場總額每年400億美元。更令人可喜的是，2001年美國的摩托羅拉公 司宣布成功研制出GMR磁隨機讀取存儲器，這種存儲器將預示1 000億美元的 市場容量。隨著人們對GMR效應深入的研究和開發(fā)利用，一門以研究電子自旋作用為 主同時開發(fā)相關特殊用途器件的新學科一一自旋子學

5、逐漸興起起來。美國自然科 學基金會（NSF）提出：自旋子學科的發(fā)展及應用將預示著第四次工業(yè)革命的到 來。通過香山科學會議，我國制定了 GMR高技術研究開發(fā)計劃，并把GMR效應的研究及應用開發(fā)列為我國將要重點發(fā)展的七個領域之一。由于技術和設備的 限制，能生產GMR傳感器的公司非常少。清華大學微電子所與深圳華夏磁電 子公司合作生產的各種開關式應用傳感器在驗鈔機、齒輪傳感方面已經擁有一定 的市場但是由于技術、資金及設備等諸多因素，GMR的研究在國內還局限于實 驗室的水平。巨磁電阻（GMR）傳感器芯片由于其靈敏度高、熱穩(wěn)定性好而完全可取代霍爾 及磁阻（AMR）元件，進而廣泛應用在信息、電機、電子電力、

6、能源管理、汽 車、磁信息讀寫及工業(yè)自動控制等領域。3自旋閥（Spin Valve）結構自旋閥結構的磁電阻效應具有如下優(yōu)點：1、磁電阻率AR/R可對外磁場的響應呈線性關系，頻率特性好；2、低飽和場，工作磁場小；3、電阻隨磁場變化迅速，操作磁通小，靈敏度高；4、利用層間轉動磁化過程能有效地抑制Barkhausen噪聲，信噪比高。圖1（a）為典型的自旋閥結構圖，其中AF為反鐵磁層，稱為釘扎層；M 為鐵磁層，其中靠近AF的稱為被釘扎層，另一層稱為自由層；NM為非磁性 層。自旋閥中出現(xiàn)巨磁電阻效應必須滿足下列條件：1、傳導電子在鐵磁層中或在“鐵磁/非鐵磁”界面上的散射幾率必須是自 旋相關的；2、傳導電子

7、可以來回穿過兩層鐵磁層并能記住自己的身份（自旋取向），即 自旋自由程、平均自由程大于隔離層厚度。圖1 （b）為自旋閥的磁滯回線，（c）為磁電阻隨磁場的變化曲線。由于在 制備自旋閥時，基片上外加一誘導磁場，兩磁性層磁矩平行排列，所以外加磁場 為0時自旋閥電阻小。在外加反向磁場的作用下，自由層首先發(fā)生磁化翻轉， 兩磁性層磁矩反平行排列，自旋閥電阻大。自旋閥電阻大小取決于兩鐵磁層磁矩 （自旋）的相對取向，故稱為自旋閥。自由層翻轉磁場由其各向異性場和被釘扎 層通過非磁性層產生的耦合作用引起的矯頑場（Hc）和耦合場（Hf）決定。這 里耦合場指由被釘扎層和反鐵磁釘扎層引起自由層磁滯回線的漂移。當外加磁場

8、超過由反鐵磁層交換耦合引起的交換偏置場時，被釘扎層發(fā)生磁化翻轉，自旋閥 電阻變小。圖1自旋閥的結構與原理示意圖為了滿足應用要求，需要研制低飽和場、穩(wěn)定性好、GMR效應大的自旋閥。 要達到上述要求，需要對各層材料提出一定的要求。希望反鐵磁層具有高電阻、 耐腐蝕性且熱穩(wěn)定性好的特點，目前常用的反鐵磁性材料包括FeMn、IrMn、 NiMn、PtMn、NiO、a -Fe2O3，選擇何種材料要綜合考慮臨界厚度、失效溫度、 交換偏置場、抗腐蝕性等各個參數(shù)。自由層一般采用矯頑力較小且巨磁電阻效應 大的材料，如Co、Fe、CoFe、NiFe、NiFeCo、CoFeB等。被釘扎層選擇巨磁 電阻效應大的材料。覆

9、蓋層圖1(a)所示的是最基本的自旋閥結構，在此基礎上進行適當改進可以得 到性能更為優(yōu)越的結構，包括合成反鐵磁(Synthetic Antiferromagnetic,簡稱SAF) 釘扎層的自旋閥、雙自旋閥等等。此外，利用背散射效應Back-Layer Effect)、 鏡像散射效應(Specular Scattering Effect)等在自旋閥結構中插入適當?shù)脑鲂?也可以有效的提高GMR效應。其中本文利用的是帶SAF結構的頂釘扎自旋閥， 如圖2所示。被釘孔層隔離層自由層1*門由層2緩沖層圖2帶SAF的自旋閥結構對于頂釘扎自旋閥的每一層材料，作以下的選擇。襯底：因為玻璃本身絕緣而不需要另外氧

10、化形成絕緣層，所以在考慮實驗成本和 工藝簡便性后選取拋光加工過的玻璃為襯底。緩沖層：P -Ta的織構對生長在其上的各層金屬薄膜的織構有很大改善，從而 改善自旋閥的性能，因此選擇Ta作為緩沖層的材料。自由層：坡莫合金NiFe的矯頑力比較小，飽和場比較低，較小的外加磁場即可 讓它的磁化方向翻轉。但是考慮到作為隔離層的Cu和自由層的NiFe晶格尺寸 非常匹配，相鄰的Cu層和NiFe層很容易發(fā)生層間擴散，而且在NiFe與Cu 的界面處電子的自旋相關散射不是很強，所以插入一層較薄的CoFe將兩者隔離 開以保證不會發(fā)生層間擴散和提高界面處的自旋相關散射。但是CoFe的矯頑力 比較大，插入該層將會增大整個自

11、旋閥的矯頑力，所以CoFe不宜太厚。最后自 由層由NiFe/CoFe復合層實現(xiàn)。隔離層：Cu是最常用的隔離層材料，因此選擇Cu做隔離層。非磁性材料Cu將兩個磁性層隔離開，而兩個磁性層通過Cu層有一定的耦合作用。被釘扎層：CoFe的矯頑力較大，與反鐵磁層之間的交換偏置作用比較強，其磁 化方向可以被有效“釘扎”，而且CoFe的自旋相關散射系數(shù)比較大，能夠產生 高的GMR效果。所以采用CoFe作為被釘扎層釘扎層：較之FeMn、NiMn、PtMn、NiO等反鐵磁材料IrMn的失效溫度較高， 特征厚度小，交換偏置場高，抗腐蝕性好，不需要退火，是一種比較理想的選擇。 覆蓋層：Ta除了能起緩沖層的作用外，同

12、時還具有保護功能。在整個自旋閥薄 膜最頂部再濺射一層Ta可以保護下面的功能層，防止自旋閥被腐蝕和氧化。另一種值得一提的自旋閥結構是用硬磁層代替反鐵磁層和釘扎層，基本結構 為“軟磁層/非磁性隔離層/硬磁層”的結構，被稱為偽自旋閥( Pseudo SpinValve)。其優(yōu)點是結構簡單，可以選擇抗腐蝕性和熱穩(wěn)定性好的硬磁材料， 缺點是硬磁層和自由層之間存在耦合，自由層的矯頑力增大，因而降低了自旋閥 的靈敏度。4自旋閥型GMR薄膜材料的制備基片基片擋板土屏蔽八八/靶材制備高質量的自旋閥型GMR薄膜材料是研制高性能GMR傳感器的基礎。本 文用高真空直流磁控濺射法在玻璃襯底和Si篇上制備了結構為Ta/N

13、iFe/CoFe /Cu/CoFe/MnIr/Ta的頂自旋閥多層膜。為了提高交換偏置場，制備了具有人造 反鐵磁SAF(syntheticAntiferromagnetie)被釘扎層結構的自旋閥薄膜。最后，利用 橫向磁場熱退火工藝，對自旋閥型GMR材料進行低矯頑力優(yōu)化。其中磁控濺射 的原理圖如圖3圖3磁控濺射原理圖再經過光刻、離子束刻蝕、濺射鋁硅、PECVD (等離子增強化學氣相淀積) 生長SiO2保護層，然后正膠剝離，生成單個GMR傳感器。5GMR線性電橋傳感器對于線性傳感器，通常希望能有高的靈敏度，比較大的線性范圍，零偏置工 作點，即對大小相等、方向相反的磁場能得到正負相反的輸出信號。但實際

14、上， 單個自旋閥電阻條的傳感單元要做到這一點并不容易，這是因為自由層和被釘扎 層之間的耦合作用通常使磁電阻曲線的中心偏離零點。對線性傳感器而言，采用 的傳感單元是一個四橋臂的惠斯通電橋，如圖4所示。圖4 GMR線性電橋傳感器的示意圖圖4中的四個電阻的釘扎場的方向不一樣，分為兩組。如圖4所示，2個 R+A R為一組自旋閥電阻，釘扎場的方向朝左;2個R-A R為另一組自旋閥電阻， 釘扎場的方向朝右，與前一組自旋閥成180度。而外磁場的方向與釘扎場的方向 平行。在探測時線性電橋兩端加電源，通過測量橋臂中間兩個節(jié)點的電壓差來實 現(xiàn)對外磁場的探測。當外磁場變化時，2個R+A R和2個R-A R的電阻變化

15、趨 勢相反，這樣兩個節(jié)點的電位變化趨勢相反。這種結構要比單個自旋閥電阻的 GMR單條傳感器要復雜一些，但是它在零磁場下輸出為零，可以得到關于零點 對稱的輸出曲線。但是，電橋電路雖然簡單也存在很多設計問題。如：大的激勵電壓可以使輸 出增大，但也帶來了更大的功耗，橋路電阻也存在自熱效應，導致溫漂；激勵電 壓太小，橋路的輸出信噪比就會降低。所以在自旋閥GMR的傳感器實際應用中 必須要對芯片輸出的初始信號進行處理。這里直接采用了一個中間級加濾波的放 大電路進行處理。電路結構如圖5所示。6總結本文研究了帶SAF結構的頂釘扎自旋閥多層膜及其制備，使自旋閥的磁電 阻率提高，矯頑力降低，交換偏置場提高。通過對

16、多層膜的改進和對線性電橋的 改進使得自旋閥型GMR線性傳感器的線性度得到了改善。參考文獻：李偉，劉華瑞，劉鵬，任天令，劉理天.基于自旋閥的GMR線性傳感器的制作J.傳感技術學報，2006,(05).劉華瑞.自旋閥結構及GMR傳感器研究D.清華大學，2006.劉鵬,李偉,劉華瑞，任天令,劉理天.低矯頑力GMR磁傳感器的自旋閥結構研究J.微納電子技術,2007.劉華瑞，任天令,劉理天，庫萬軍.適用于GMR傳感器的高性能自旋閥研究J.儀器儀表學報,2003,8.夏鵬等.巨磁電阻(GMR)傳感器芯片技術背景簡介J.鄭洋,謝丹,劉理天.用于磁傳感器的新結構磁電復合材料J.復合材料學報,2011,28(2

17、).任俊峰，王玉梅，原曉波,胡貴超.有機自旋閥的磁電阻性質研究J.物理學報,2010,59(9).郭志友，孫慧卿.磁傳感器及其應用J.傳感器技術,2002,21 (7).李偉，劉華瑞，任天令，劉理天.利用退火方法降低自旋閥薄膜的矯頑力J.光學精密工程,2009,17(6).陳閡江，年彩玉,孫連峰，王光儒.自旋電子學與自旋電子器件J.物理教學,2011,33(10).楊芝茵，李偉，劉華瑞,庫萬軍.用磁控濺射法制備具有GMR效應的自旋閥多層膜J.第四屆全國磁性 薄膜與納米磁學會議論文集,51-53.劉鵬,李偉，葉雙莉，任天令,劉理天.低矯頑力GMR磁傳感器及其單疇模型的研究J.微納電子技 術,2007,7/8.李偉，任天令,溫志渝，劉理天.單疇模型在自旋閥GMR傳感器設計中的應用J.中國微米納米技術學 會第一屆學術年會,A-340-A-342.張翔,錢政,陳從強，任雪蕊.巨磁電阻傳感器的特性測試與應用前景分析J.微納電子技 術,2007,7/8.溫殿忠.自旋閥多層膜巨磁電阻的研制J.傳感技術學報，2006,19(