自旋阀GMR线性传感器

1、基于自旋阀的GMR线性传感器刘双华摘要在玻璃和硅衬底上利用高真空直流磁控溅射的方法制作结构为 Ta/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta的带SAF结构的顶钉扎自旋阀多层薄膜, 并最终制成了一组基于此自旋阀结构的GMR磁传感器芯片。经过结构的改善和工 艺条件的优化后，使自旋阀的磁电阻率提高，矫顽力降低，并且利用 CoFe/Cu/CoFe的SAF结构使交换场上升。这种高性能的自旋阀对GMR线性传 感器的线性拟合度具有很大的提升，而且在GMR线性传感器的电路上做了改进。 关键词 磁控溅射自旋阀GMR传感器1研究意义自从1988年法国巴黎大学Fert教授领导的研究小组首先

2、在Fe / Cr金属多 层膜中发现巨磁电阻效应（Giant magnetoresistance effect，简称GMR效应）以来， 与电子自旋相关的研究成为新的研究热点，各种基于GMR效应的磁传感器的研 究受到人们的普遍关注。1991年，B. Dieny等人提出了 “铁磁层/非磁隔离层/铁磁层/反铁磁层” 的自旋阀结构，并首先在“NiFe / Cu / NiFe / FeMn”自旋阀中发现了一种低饱 和场巨磁电阻效应，这种结构可以被广泛的应用于各种高灵敏度磁传感器和高密 度存储技术中。这些高灵敏度磁传感器大部分用于工业自动化和汽车工业中，包 括角度传感器，位移传感器和无接触式转速传感器等。这

3、些GMR传感器具有鲁 棒性高、可实现非接触式测量、能工作于恶劣环境等优点，它们在工业自动化和 汽车工业中的地位越来越高。用反铁磁材料IrMn做钉扎层的的自旋阀具有磁电 阻率（magnetoresistance ratio，简称MR）高、反铁磁材料的失效温度高、临界厚 度小等优点；同时，顶钉扎结构具有良好的性能、简单的工艺以及很高的实用价 值。因此，IrMn顶钉扎的自旋阀结构已经成为近几年来自旋阀应用研究的一个 热点。为了得到较高的磁电阻率，IrMn顶钉扎自旋阀通常采用复合自由层结构。 同时，为了研制高精度的GMR线性传感器，对自由层的矫顽力也提出了新的要 求。2国内外状况1994年，美国的NV

4、E公司首先实现巨磁电阻（GMR）效应的产业化，并 销售巨磁电阻磁场传感器。1998年，美国的IBM公司成功地把GMR效应应用 在计算机硬盘驱动器上，研制出巨磁电阻（GMR）磁头。巨磁电阻（GMR）磁头的应用带动了计算机产业的迅速发展，打破了信息 高速公路图像传递存储的瓶颈，目前存储密度已高达56GB/平方英寸。世界GMR 磁头的市场总额每年400亿美元。更令人可喜的是，2001年美国的摩托罗拉公 司宣布成功研制出GMR磁随机读取存储器，这种存储器将预示1 000亿美元的 市场容量。随着人们对GMR效应深入的研究和开发利用，一门以研究电子自旋作用为 主同时开发相关特殊用途器件的新学科一一自旋子学

5、逐渐兴起起来。美国自然科 学基金会（NSF）提出：自旋子学科的发展及应用将预示着第四次工业革命的到 来。通过香山科学会议，我国制定了 GMR高技术研究开发计划，并把GMR效应的研究及应用开发列为我国将要重点发展的七个领域之一。由于技术和设备的 限制，能生产GMR传感器的公司非常少。清华大学微电子所与深圳华夏磁电 子公司合作生产的各种开关式应用传感器在验钞机、齿轮传感方面已经拥有一定 的市场但是由于技术、资金及设备等诸多因素，GMR的研究在国内还局限于实 验室的水平。巨磁电阻（GMR）传感器芯片由于其灵敏度高、热稳定性好而完全可取代霍尔 及磁阻（AMR）元件，进而广泛应用在信息、电机、电子电力、

6、能源管理、汽 车、磁信息读写及工业自动控制等领域。3自旋阀（Spin Valve）结构自旋阀结构的磁电阻效应具有如下优点：1、磁电阻率AR/R可对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；2、低饱和场，工作磁场小；3、电阻随磁场变化迅速，操作磁通小，灵敏度高；4、利用层间转动磁化过程能有效地抑制Barkhausen噪声，信噪比高。图1（a）为典型的自旋阀结构图，其中AF为反铁磁层，称为钉扎层；M 为铁磁层，其中靠近AF的称为被钉扎层，另一层称为自由层；NM为非磁性 层。自旋阀中出现巨磁电阻效应必须满足下列条件：1、传导电子在铁磁层中或在“铁磁/非铁磁”界面上的散射几率必须是自 旋相关的；2、传导电子

7、可以来回穿过两层铁磁层并能记住自己的身份（自旋取向），即 自旋自由程、平均自由程大于隔离层厚度。图1 （b）为自旋阀的磁滞回线，（c）为磁电阻随磁场的变化曲线。由于在 制备自旋阀时，基片上外加一诱导磁场，两磁性层磁矩平行排列，所以外加磁场 为0时自旋阀电阻小。在外加反向磁场的作用下，自由层首先发生磁化翻转， 两磁性层磁矩反平行排列，自旋阀电阻大。自旋阀电阻大小取决于两铁磁层磁矩 （自旋）的相对取向，故称为自旋阀。自由层翻转磁场由其各向异性场和被钉扎 层通过非磁性层产生的耦合作用引起的矫顽场（Hc）和耦合场（Hf）决定。这 里耦合场指由被钉扎层和反铁磁钉扎层引起自由层磁滞回线的漂移。当外加磁场

8、超过由反铁磁层交换耦合引起的交换偏置场时，被钉扎层发生磁化翻转，自旋阀 电阻变小。图1自旋阀的结构与原理示意图为了满足应用要求，需要研制低饱和场、稳定性好、GMR效应大的自旋阀。 要达到上述要求，需要对各层材料提出一定的要求。希望反铁磁层具有高电阻、 耐腐蚀性且热稳定性好的特点，目前常用的反铁磁性材料包括FeMn、IrMn、 NiMn、PtMn、NiO、a -Fe2O3，选择何种材料要综合考虑临界厚度、失效温度、 交换偏置场、抗腐蚀性等各个参数。自由层一般采用矫顽力较小且巨磁电阻效应 大的材料，如Co、Fe、CoFe、NiFe、NiFeCo、CoFeB等。被钉扎层选择巨磁 电阻效应大的材料。覆

9、盖层图1(a)所示的是最基本的自旋阀结构，在此基础上进行适当改进可以得 到性能更为优越的结构，包括合成反铁磁(Synthetic Antiferromagnetic,简称SAF) 钉扎层的自旋阀、双自旋阀等等。此外，利用背散射效应Back-Layer Effect)、 镜像散射效应(Specular Scattering Effect)等在自旋阀结构中插入适当的增效层 也可以有效的提高GMR效应。其中本文利用的是带SAF结构的顶钉扎自旋阀， 如图2所示。被钉孔层隔离层自由层1*门由层2缓冲层图2带SAF的自旋阀结构对于顶钉扎自旋阀的每一层材料，作以下的选择。衬底：因为玻璃本身绝缘而不需要另外氧

10、化形成绝缘层，所以在考虑实验成本和 工艺简便性后选取抛光加工过的玻璃为衬底。缓冲层：P -Ta的织构对生长在其上的各层金属薄膜的织构有很大改善，从而 改善自旋阀的性能，因此选择Ta作为缓冲层的材料。自由层：坡莫合金NiFe的矫顽力比较小，饱和场比较低，较小的外加磁场即可 让它的磁化方向翻转。但是考虑到作为隔离层的Cu和自由层的NiFe晶格尺寸 非常匹配，相邻的Cu层和NiFe层很容易发生层间扩散，而且在NiFe与Cu 的界面处电子的自旋相关散射不是很强，所以插入一层较薄的CoFe将两者隔离 开以保证不会发生层间扩散和提高界面处的自旋相关散射。但是CoFe的矫顽力 比较大，插入该层将会增大整个自

11、旋阀的矫顽力，所以CoFe不宜太厚。最后自 由层由NiFe/CoFe复合层实现。隔离层：Cu是最常用的隔离层材料，因此选择Cu做隔离层。非磁性材料Cu将两个磁性层隔离开，而两个磁性层通过Cu层有一定的耦合作用。被钉扎层：CoFe的矫顽力较大，与反铁磁层之间的交换偏置作用比较强，其磁 化方向可以被有效“钉扎”，而且CoFe的自旋相关散射系数比较大，能够产生 高的GMR效果。所以采用CoFe作为被钉扎层钉扎层：较之FeMn、NiMn、PtMn、NiO等反铁磁材料IrMn的失效温度较高， 特征厚度小，交换偏置场高，抗腐蚀性好，不需要退火，是一种比较理想的选择。 覆盖层：Ta除了能起缓冲层的作用外，同

12、时还具有保护功能。在整个自旋阀薄 膜最顶部再溅射一层Ta可以保护下面的功能层，防止自旋阀被腐蚀和氧化。另一种值得一提的自旋阀结构是用硬磁层代替反铁磁层和钉扎层，基本结构 为“软磁层/非磁性隔离层/硬磁层”的结构，被称为伪自旋阀( Pseudo SpinValve)。其优点是结构简单，可以选择抗腐蚀性和热稳定性好的硬磁材料， 缺点是硬磁层和自由层之间存在耦合，自由层的矫顽力增大，因而降低了自旋阀 的灵敏度。4自旋阀型GMR薄膜材料的制备基片基片挡板土屏蔽八八/靶材制备高质量的自旋阀型GMR薄膜材料是研制高性能GMR传感器的基础。本 文用高真空直流磁控溅射法在玻璃衬底和Si篇上制备了结构为Ta/N

13、iFe/CoFe /Cu/CoFe/MnIr/Ta的顶自旋阀多层膜。为了提高交换偏置场，制备了具有人造 反铁磁SAF(syntheticAntiferromagnetie)被钉扎层结构的自旋阀薄膜。最后，利用 横向磁场热退火工艺，对自旋阀型GMR材料进行低矫顽力优化。其中磁控溅射 的原理图如图3图3磁控溅射原理图再经过光刻、离子束刻蚀、溅射铝硅、PECVD (等离子增强化学气相淀积) 生长SiO2保护层，然后正胶剥离，生成单个GMR传感器。5GMR线性电桥传感器对于线性传感器，通常希望能有高的灵敏度，比较大的线性范围，零偏置工 作点，即对大小相等、方向相反的磁场能得到正负相反的输出信号。但实际

14、上， 单个自旋阀电阻条的传感单元要做到这一点并不容易，这是因为自由层和被钉扎 层之间的耦合作用通常使磁电阻曲线的中心偏离零点。对线性传感器而言，采用 的传感单元是一个四桥臂的惠斯通电桥，如图4所示。图4 GMR线性电桥传感器的示意图图4中的四个电阻的钉扎场的方向不一样，分为两组。如图4所示，2个 R+A R为一组自旋阀电阻，钉扎场的方向朝左;2个R-A R为另一组自旋阀电阻， 钉扎场的方向朝右，与前一组自旋阀成180度。而外磁场的方向与钉扎场的方向 平行。在探测时线性电桥两端加电源，通过测量桥臂中间两个节点的电压差来实 现对外磁场的探测。当外磁场变化时，2个R+A R和2个R-A R的电阻变化

15、趋 势相反，这样两个节点的电位变化趋势相反。这种结构要比单个自旋阀电阻的 GMR单条传感器要复杂一些，但是它在零磁场下输出为零，可以得到关于零点 对称的输出曲线。但是，电桥电路虽然简单也存在很多设计问题。如：大的激励电压可以使输 出增大，但也带来了更大的功耗，桥路电阻也存在自热效应，导致温漂；激励电 压太小，桥路的输出信噪比就会降低。所以在自旋阀GMR的传感器实际应用中 必须要对芯片输出的初始信号进行处理。这里直接采用了一个中间级加滤波的放 大电路进行处理。电路结构如图5所示。6总结本文研究了带SAF结构的顶钉扎自旋阀多层膜及其制备，使自旋阀的磁电 阻率提高，矫顽力降低，交换偏置场提高。通过对

16、多层膜的改进和对线性电桥的 改进使得自旋阀型GMR线性传感器的线性度得到了改善。参考文献：李伟，刘华瑞，刘鹏，任天令，刘理天.基于自旋阀的GMR线性传感器的制作J.传感技术学报，2006,(05).刘华瑞.自旋阀结构及GMR传感器研究D.清华大学，2006.刘鹏,李伟,刘华瑞，任天令,刘理天.低矫顽力GMR磁传感器的自旋阀结构研究J.微纳电子技术,2007.刘华瑞，任天令,刘理天，库万军.适用于GMR传感器的高性能自旋阀研究J.仪器仪表学报,2003,8.夏鹏等.巨磁电阻(GMR)传感器芯片技术背景简介J.郑洋,谢丹,刘理天.用于磁传感器的新结构磁电复合材料J.复合材料学报,2011,28(2

17、).任俊峰，王玉梅，原晓波,胡贵超.有机自旋阀的磁电阻性质研究J.物理学报,2010,59(9).郭志友，孙慧卿.磁传感器及其应用J.传感器技术,2002,21 (7).李伟，刘华瑞，任天令，刘理天.利用退火方法降低自旋阀薄膜的矫顽力J.光学精密工程,2009,17(6).陈阂江，年彩玉,孙连峰，王光儒.自旋电子学与自旋电子器件J.物理教学,2011,33(10).杨芝茵，李伟，刘华瑞,库万军.用磁控溅射法制备具有GMR效应的自旋阀多层膜J.第四届全国磁性 薄膜与纳米磁学会议论文集,51-53.刘鹏,李伟，叶双莉，任天令,刘理天.低矫顽力GMR磁传感器及其单畴模型的研究J.微纳电子技 术,2007,7/8.李伟，任天令,温志渝，刘理天.单畴模型在自旋阀GMR传感器设计中的应用J.中国微米纳米技术学 会第一届学术年会,A-340-A-342.张翔,钱政,陈从强，任雪蕊.巨磁电阻传感器的特性测试与应用前景分析J.微纳电子技 术,2007,7/8.温殿忠.自旋阀多层膜巨磁电阻的研制J.传感技术学报，2006,19(