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(jié)構(gòu)為 Ta/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta的帶SAF結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的GMR磁傳感器芯片。經(jīng)過結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)。 關(guān)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(xué)Fert教授領(lǐng)導(dǎo)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(yīng)（Giant magnetoresistance effect，簡稱GMR效應(yīng)）以來， 與電子自旋相關(guān)的研究成為新的研究熱點(diǎn)，各種基于GMR效應(yīng)的磁傳感器的研 究受到人們的普遍關(guān)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(jié)構(gòu)，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(yīng)，這種結(jié)構(gòu)可以被廣泛的應(yīng)用于各種高靈敏度磁傳感器和高密 度存儲技術(shù)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(zhuǎn)速傳感器等。這

3、些GMR傳感器具有魯 棒性高、可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量、能工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)；同時(shí)，頂釘扎結(jié)構(gòu)具有良好的性能、簡單的工藝以及很高的實(shí)用價(jià) 值。因此，IrMn頂釘扎的自旋閥結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為近幾年來自旋閥應(yīng)用研究的一個(gè) 熱點(diǎn)。為了得到較高的磁電阻率，IrMn頂釘扎自旋閥通常采用復(fù)合自由層結(jié)構(gòu)。 同時(shí)，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(nèi)外狀況1994年，美國的NV

4、E公司首先實(shí)現(xiàn)巨磁電阻（GMR）效應(yīng)的產(chǎn)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(yīng)應(yīng)用 在計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動器上，研制出巨磁電阻（GMR）磁頭。巨磁電阻（GMR）磁頭的應(yīng)用帶動了計(jì)算機(jī)產(chǎn)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(dá)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(jī)讀取存儲器，這種存儲器將預(yù)示1 000億美元的 市場容量。隨著人們對GMR效應(yīng)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(shí)開發(fā)相關(guān)特殊用途器件的新學(xué)科一一自旋子學(xué)

5、逐漸興起起來。美國自然科 學(xué)基金會（NSF）提出：自旋子學(xué)科的發(fā)展及應(yīng)用將預(yù)示著第四次工業(yè)革命的到 來。通過香山科學(xué)會議，我國制定了 GMR高技術(shù)研究開發(fā)計(jì)劃，并把GMR效應(yīng)的研究及應(yīng)用開發(fā)列為我國將要重點(diǎn)發(fā)展的七個(gè)領(lǐng)域之一。由于技術(shù)和設(shè)備的 限制，能生產(chǎn)GMR傳感器的公司非常少。清華大學(xué)微電子所與深圳華夏磁電 子公司合作生產(chǎn)的各種開關(guān)式應(yīng)用傳感器在驗(yàn)鈔機(jī)、齒輪傳感方面已經(jīng)擁有一定 的市場但是由于技術(shù)、資金及設(shè)備等諸多因素，GMR的研究在國內(nèi)還局限于實(shí) 驗(yàn)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(jìn)而廣泛應(yīng)用在信息、電機(jī)、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(lǐng)域。3自旋閥（Spin Valve）結(jié)構(gòu)自旋閥結(jié)構(gòu)的磁電阻效應(yīng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、磁電阻率AR/R可對外磁場的響應(yīng)呈線性關(guān)系，頻率特性好；2、低飽和場，工作磁場??；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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)必須滿足下列條件：1、傳導(dǎo)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(guān)的；2、傳導(dǎo)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(shí)，基片上外加一誘導(dǎo)磁場，兩磁性層磁矩平行排列，所以外加磁場 為0時(shí)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(zhuǎn)， 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(zhuǎn)磁場由其各向異性場和被釘扎 層通過非磁性層產(chǎn)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(dāng)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(shí)，被釘扎層發(fā)生磁化翻轉(zhuǎn)，自旋閥 電阻變小。圖1自旋閥的結(jié)構(gòu)與原理示意圖為了滿足應(yīng)用要求，需要研制低飽和場、穩(wěn)定性好、GMR效應(yīng)大的自旋閥。 要達(dá)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(diǎn)，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(gè)參數(shù)。自由層一般采用矯頑力較小且巨磁電阻效應(yīng) 大的材料，如Co、Fe、CoFe、NiFe、NiFeCo、CoFeB等。被釘扎層選擇巨磁 電阻效應(yīng)大的材料。覆

9、蓋層圖1(a)所示的是最基本的自旋閥結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)可以得 到性能更為優(yōu)越的結(jié)構(gòu)，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(yīng)Back-Layer Effect)、 鏡像散射效應(yīng)(Specular Scattering Effect)等在自旋閥結(jié)構(gòu)中插入適當(dāng)?shù)脑鲂?也可以有效的提高GMR效應(yīng)。其中本文利用的是帶SAF結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對于頂釘扎自旋閥的每一層材料，作以下的選擇。襯底：因?yàn)椴ＡП旧斫^緣而不需要另外氧

10、化形成絕緣層，所以在考慮實(shí)驗(yàn)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(gòu)對生長在其上的各層金屬薄膜的織構(gòu)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(zhuǎn)。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(kuò)散，而且在NiFe與Cu 的界面處電子的自旋相關(guān)散射不是很強(qiáng)，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(kuò)散和提高界面處的自旋相關(guān)散射。但是CoFe的矯頑力 比較大，插入該層將會增大整個(gè)自

11、旋閥的矯頑力，所以CoFe不宜太厚。最后自 由層由NiFe/CoFe復(fù)合層實(shí)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(gè)磁性層隔離開，而兩個(gè)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(qiáng)，其磁 化方向可以被有效“釘扎”，而且CoFe的自旋相關(guān)散射系數(shù)比較大，能夠產(chǎn)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(shí)還具有保護(hù)功能。在整個(gè)自旋閥薄 膜最頂部再濺射一層Ta可以保護(hù)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(jié)構(gòu)是用硬磁層代替反鐵磁層和釘扎層，基本結(jié)構(gòu) 為“軟磁層/非磁性隔離層/硬磁層”的結(jié)構(gòu)，被稱為偽自旋閥( Pseudo SpinValve)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可以選擇抗腐蝕性和熱穩(wěn)定性好的硬磁材料， 缺點(diǎn)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(zhì)量的自旋閥型GMR薄膜材料是研制高性能GMR傳感器的基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jīng)過光刻、離子束刻蝕、濺射鋁硅、PECVD (等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積) 生長SiO2保護(hù)層，然后正膠剝離，生成單個(gè)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(diǎn)，即對大小相等、方向相反的磁場能得到正負(fù)相反的輸出信號。但實(shí)際

14、上， 單個(gè)自旋閥電阻條的傳感單元要做到這一點(diǎn)并不容易，這是因?yàn)樽杂蓪雍捅会斣?層之間的耦合作用通常使磁電阻曲線的中心偏離零點(diǎn)。對線性傳感器而言，采用 的傳感單元是一個(gè)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(gè)電阻的釘扎場的方向不一樣，分為兩組。如圖4所示，2個(gè) R+A R為一組自旋閥電阻，釘扎場的方向朝左;2個(gè)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(shí)線性電橋兩端加電源，通過測量橋臂中間兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓差來實(shí) 現(xiàn)對外磁場的探測。當(dāng)外磁場變化時(shí)，2個(gè)R+A R和2個(gè)R-A R的電阻變化

15、趨 勢相反，這樣兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電位變化趨勢相反。這種結(jié)構(gòu)要比單個(gè)自旋閥電阻的 GMR單條傳感器要復(fù)雜一些，但是它在零磁場下輸出為零，可以得到關(guān)于零點(diǎn) 對稱的輸出曲線。但是，電橋電路雖然簡單也存在很多設(shè)計(jì)問題。如：大的激勵(lì)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(yīng)，導(dǎo)致溫漂；激勵(lì)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(shí)際應(yīng)用中 必須要對芯片輸出的初始信號進(jìn)行處理。這里直接采用了一個(gè)中間級加濾波的放 大電路進(jìn)行處理。電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。6總結(jié)本文研究了帶SAF結(jié)構(gòu)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(jìn)和對線性電橋的 改進(jìn)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(xiàn)：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(shù)學(xué)報(bào)，2006,(05).劉華瑞.自旋閥結(jié)構(gòu)及GMR傳感器研究D.清華大學(xué)，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(jié)構(gòu)研究J.微納電子技術(shù),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(xué)報(bào),2003,8.夏鵬等.巨磁電阻(GMR)傳感器芯片技術(shù)背景簡介J.鄭洋,謝丹,劉理天.用于磁傳感器的新結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合材料J.復(fù)合材料學(xué)報(bào),2011,28(2

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