宋玉哲,高曉平,王向謙,李建鋒,劉家勇

(1.甘肅省科學(xué)院傳感技術(shù)研究所,甘肅蘭州 730000;2.甘肅省傳感器與傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730000)

磁場(chǎng)退火對(duì)頂釘扎自旋閥磁電阻性能的影響

宋玉哲1,2,高曉平1,2,王向謙1,2,李建鋒1,2,劉家勇1,2

(1.甘肅省科學(xué)院傳感技術(shù)研究所,甘肅蘭州 730000;2.甘肅省傳感器與傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730000)

采用高真空直流磁控濺射的方法制備了結(jié)構(gòu)為Si/SiO2/Ta(3.2 nm)/Ni81Fe19(18.7 nm)/ Co90Fe10(3.9 nm)/Cu(2.5 nm)/Co90Fe10(22.4 nm)/Ir22Mn78(23.8 nm)/Ta(3.6 nm)的頂釘扎型自旋閥,研究了磁場(chǎng)退火的溫度和時(shí)間對(duì)自旋閥的磁電阻變化率(GMR)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨磁場(chǎng)退火溫度的升高和時(shí)間的增加,GMR呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),275℃為最佳退火溫度,最佳退火時(shí)間只有15 min,分析了該趨勢(shì)的變化原因。最佳退火條件下制備的自旋閥GMR達(dá)到6.0%,自由層矯頑力(Hc)為11 Oe,交換場(chǎng)(Hex)約為108 Oe。

自旋閥;頂釘扎;磁場(chǎng)退火;巨磁阻

自1988年巨磁阻(GMR,giant magneto renstance)效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)[1,2]以來(lái),巨磁阻材料及其相關(guān)功能器件的研究引起了全世界的關(guān)注。在將近30年的時(shí)間內(nèi),相繼實(shí)現(xiàn)了巨磁阻傳感器、硬盤讀出頭等產(chǎn)品的市場(chǎng)化。目前,研究最廣泛、并已經(jīng)應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化中的自旋電子器件材料(磁性多層膜)主要包括釘扎型自旋閥(SV)和磁隧道結(jié)(MTJ)。這兩類材料要達(dá)到產(chǎn)業(yè)化使用的要求,一般具有高磁阻變化率、低矯頑力、高交換場(chǎng)等特性,其中,最基本參數(shù)就是磁阻變化率GMR的高低。自旋閥的GMR,文獻(xiàn)值一般小于12%,而工業(yè)中穩(wěn)定達(dá)到3%以上,即可投入使用。

在影響自旋閥性能的因素中,制備工藝[3,4]、材料的結(jié)構(gòu)[5,6]等嚴(yán)重影響材料的性能。其中,磁場(chǎng)退火是最重要的參數(shù)。退火過(guò)程中,既能使自旋閥的被釘扎層形成有效的磁化方向,又能有效減小制備時(shí)形成的內(nèi)應(yīng)力,消除缺陷,改善材料的界面態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)[7,8],提高GMR。并且,由于磁性器件無(wú)法避免的會(huì)受到高溫(100℃以上)或強(qiáng)磁場(chǎng)的影響,所以通過(guò)磁場(chǎng)退火改善材料的熱穩(wěn)定性顯得尤為重要[9,10]。磁場(chǎng)退火已是研究自旋材料和自旋器件最有效的手段之一。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,磁場(chǎng)退火對(duì)底釘扎自旋閥的改善是非常明顯的,對(duì)頂釘扎自旋閥影響不大[11]。研究組的前期工作則發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)退火對(duì)頂釘扎自旋閥的影響是非常大的,對(duì)此做了一系列工作。并且,因?yàn)樵诖趴貫R射鍍膜過(guò)程中沒(méi)有添加外磁場(chǎng),為了自旋閥材料獲得較好地磁化方向,必須利用磁場(chǎng)退火過(guò)程使制備的自旋閥形成好的磁化方向。該部分工作就是研究磁場(chǎng)退火的溫度和時(shí)間對(duì)頂釘扎型自旋閥的磁電阻性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 制備方法

(1)自旋閥薄膜的制備 采用八靶高真空磁控濺射儀進(jìn)行自旋閥薄膜的制備。自旋閥為頂釘扎結(jié)構(gòu),即

Si/SiO2/Ta(3.2 nm)/Ni81Fe19(18.7 nm)/Co90Fe10(3.9 nm)/Cu(2.5 nm)/Co90Fe10(22.4 nm)/ Ir22Mn78(23.8 nm)/Ta(3.6 nm)。

濺射的背底真空為1.5×10－5Pa,濺射氣體采用高純氬氣,在濺射過(guò)程中沒(méi)有外加磁場(chǎng)。具體濺射參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各靶材材料的濺射參數(shù)Table 1 Sputtering parameter of each target

(2)磁場(chǎng)退火的設(shè)備和參數(shù) 自旋閥的磁場(chǎng)退火采用美國(guó)微磁的高真空磁場(chǎng)退火爐進(jìn)行,退火條件:背底真空2.2×10－4Pa,磁場(chǎng)強(qiáng)度4 000 Oe,升溫速率約為2℃/min,升溫至設(shè)定溫度,保溫3～20 min后自然降溫。

1.2 分析與表征

利用自主研發(fā)的四探針測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量自旋閥的磁電阻性能。測(cè)試系統(tǒng)主要原理和結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 四探針結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Four point probe diagram

測(cè)試時(shí),將樣品裁成尺寸約為4 mm×50 mm的長(zhǎng)條形,測(cè)試磁場(chǎng)的施加方向與樣品的長(zhǎng)邊方向一致。四根金屬探針以一定壓力同時(shí)壓在薄膜樣品的表面上,四探針外側(cè)的兩根探針同恒流源相連接,內(nèi)側(cè)兩根探針連接在電壓表上。當(dāng)電流(I)從恒流源流經(jīng)四探針的外側(cè)兩根探針時(shí),經(jīng)薄膜產(chǎn)生的電壓(V)可從電壓表讀出。在四探針間等間距(d)直線排列且薄膜厚度遠(yuǎn)小于探針間距的情況下,薄膜的方塊電阻Rs可由下式給出:

四探針?lè)▽?duì)薄膜樣品的性能進(jìn)行測(cè)試時(shí),沿薄膜釘扎場(chǎng)的方向施加直流磁場(chǎng),在±300 Oe之間進(jìn)行掃描,同時(shí)對(duì)薄膜的電阻值實(shí)時(shí)采集,共采集300個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),做出薄膜的磁電阻-磁場(chǎng)(R-H)曲線。根據(jù)該曲線,可以計(jì)算自旋閥的磁電阻,磁電阻的定義為

此處R(H)和R(0)分別為最高電阻值和最低電阻值。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁場(chǎng)退火溫度對(duì)GMR的影響

為了研究磁場(chǎng)退火溫度對(duì)自旋閥的影響,退火溫度分別取值250℃、260℃、270℃、275℃、280℃、290℃、300℃、325℃、350℃進(jìn)行退火。退火溫度對(duì)自旋閥巨磁電阻的影響見(jiàn)圖2。從圖2可以看出,隨著退火溫度的上升,自旋閥的GMR總體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)退火溫度從250℃升至275℃時(shí),GMR從4.4%升高到5.95%,在275℃達(dá)到最大值5.95%;高于該溫度,又呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),280℃時(shí)突然降至5.4%(實(shí)驗(yàn)會(huì)不可避免地出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差),290℃時(shí)略有回升,此后的磁阻值持續(xù)下降;從300℃的5.5%迅速下降至325℃的3.5%,當(dāng)升至350℃時(shí),巨磁阻變化率已經(jīng)低至2.0%?？梢?jiàn),適當(dāng)?shù)臏囟壬?可以明顯提高自旋閥的巨磁阻變化率,但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致GMR的迅速降低。實(shí)驗(yàn)的最佳磁場(chǎng)退火溫度為275℃。

圖2 退火溫度對(duì)自旋閥巨磁電阻的影響Fig.2 Annealing temperature effect on spin valve giant magnetoresistance

之所以會(huì)呈現(xiàn)如此趨勢(shì),是由以下幾個(gè)方面的原因造成的:(1)磁場(chǎng)退火改善的是釘扎層Ir Mn的薄膜質(zhì)量,減小其缺陷和應(yīng)力,使其形成良好的晶格織構(gòu)并形成良好的反鐵磁狀態(tài),改善釘扎層/被釘扎層的界面態(tài),增強(qiáng)釘扎層對(duì)被釘扎層的釘扎效果,可以提高其GMR,正因?yàn)槿绱?在溫度升高的過(guò)程中,由于缺陷和應(yīng)力的減小而使磁電阻升高;(2)當(dāng)磁場(chǎng)退火溫度過(guò)高時(shí),會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的變化[12]、釘扎層的晶粒尺寸和粗糙度變大[8],并且,高溫會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的原子層間擴(kuò)散[13,14],這些都將破壞自旋閥的層間界面,導(dǎo)致磁電阻的迅速降低。

2.2 磁場(chǎng)退火時(shí)間對(duì)GMR的影響

采用275℃的退火溫度,比較不同退火時(shí)間對(duì)GMR的影響。退火時(shí)間分別取值為3 min、5 min、10 min、15 min、20 min,結(jié)果如圖3所示。隨退火時(shí)間的增加,自旋閥的GMR同樣呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),15 min之內(nèi),GMR持續(xù)升高,15 min時(shí)達(dá)到最佳值約為6.1%,時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng),GMR開(kāi)始出現(xiàn)降低趨勢(shì)。三次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)得出同樣的趨勢(shì)和結(jié)果。該趨勢(shì)的產(chǎn)生機(jī)理,同于溫度的解釋:適當(dāng)?shù)耐嘶饡r(shí)間,改善了自旋閥的薄膜質(zhì)量,有利于GMR的增高;退火時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)造成晶粒尺寸和粗糙度的變大,這是導(dǎo)致GMR降低的主要原因。文獻(xiàn)報(bào)道的最佳退火時(shí)間一般都處于0.5～4.0 h之間,該實(shí)驗(yàn)的退火時(shí)間明顯較短,既能獲得最佳GMR,又降低了實(shí)驗(yàn)?zāi)芎摹?/p>

圖3 275℃時(shí)不同退火時(shí)間的GMR-時(shí)間曲線Fig.3 GMR-time curve of different annealing time at 275℃

2.3 自旋閥的磁電阻分析

退火溫度為取275℃、退火時(shí)間為15 min的自旋閥樣品的R-H曲線如圖4所示。

圖4 自旋閥的R-H曲線Fig.4 R-H curve of spin valve

由圖4可知,樣品的R-H曲線是非常典型的巨磁阻曲線,自旋閥的本底面電阻大約為10.5Ω/□,自由層的最大電阻變化值約為0.65Ω/□,因此,自旋閥的GMR約為6.0%;很明顯,正向和反向的曲線不重合,自由層的矯頑力Hc約為11 Oe,相對(duì)較大,仍然有進(jìn)一步優(yōu)化的必要;同時(shí),計(jì)算自旋閥的交換偏置場(chǎng)Hex約為108 Oe,可以滿足自旋閥在一般性傳感器方面的應(yīng)用。

3 結(jié)論

利用直流磁控濺射的方法,制備了頂釘扎結(jié)構(gòu)的自旋閥,自旋閥的結(jié)構(gòu)為

Si/SiO2/Ta(3.2 nm)/Ni81Fe19(18.7 nm)/Co90Fe10(3.9 nm)/Cu(2.5 nm)/Co90Fe10(22.4 nm)/ Ir22Mn78(23.8 nm)/Ta(3.6 nm)。

研究了磁場(chǎng)退火的溫度和時(shí)間對(duì)自旋閥磁電阻性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨磁場(chǎng)退火溫度的升高和退火時(shí)間的延長(zhǎng),GMR均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),在275℃達(dá)到最大值6.0%,最佳退火時(shí)間只有15 min。研究認(rèn)為退火改善了材料的晶格織構(gòu)和界面態(tài),形成了更好的反鐵磁狀態(tài),是改善GMR的主要原因;更高的溫度和更長(zhǎng)的退火時(shí)間導(dǎo)致晶粒的生長(zhǎng)、層間擴(kuò)散等,是造成GMR降低的原因。最佳條件下制備的自旋閥的參數(shù)為:GMR約為6.0%,矯頑力Hc約為11 Oe,交換偏置場(chǎng)Hex約為108 Oe。

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The Effect of Magneticfield Annealing on Top Pinning Spin Valve Magneto-Resistor Property

Song Yuzhe1,2,Gao Xiaoping1,2,Wang Xiangqian1,2,Li Jianfeng1,2,Liu Jiayong1,2
(1.Institute of Sensor Technology,Gansu Academy of Sciences,Lanzhou730000,China; 2.Gansu Province Key Laboratory of Sensor and Sensing Technology,Lanzhou730000,China)

By method of high vacuum DC magnetron sputtering,the top pinning spin valve which structure is Si/SiO2/Ta(3.2 nm)/Ni81Fe19(18.7 nm)/Co90Fe10(3.9 nm)/Cu(2.5 nm)/Co90Fe10(22.4 nm)/Ir22Mn78(23.8 nm)/Ta(3.6 nm)is prepared,and this text studied the effect of magneticfield annealing temperature and time on GMR of spin valve.The result shows that with temperature and time increasing,GMR first increases and then goes down,and the optimized annealing temperature is 275℃,time 15 min.Analyze the cause of this trend.Under optimized annealing condition,the prepared spin valve GMR reaches 6.0%,coercivity of free layer(Hc)is 11 Oe,the exchange field(Hex)is about 108 Oe.

Spin valve;Top pinning;Magneticfield annealing;Giant magneto resistance

O482.54

A

1004-0366(2016)05-0061-04

2016-06-27;

:2016-08-08.

國(guó)家自然科學(xué)基金(61664001);甘肅省科技支撐計(jì)劃(144GKCA02);蘭州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014-2-8);甘肅省科學(xué)院應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃(2013JK-01、2013JK-02、2015JK-11);甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體(2015GS05470);甘肅省科學(xué)院創(chuàng)新國(guó)團(tuán)隊(duì)(X201602).

宋玉哲(1978-),女,碩士,助理研究員,研究方向?yàn)椴牧霞皞鞲衅?E-mail:songyuzhe＠126.com.

劉家勇.E-mail:368966124＠qq.com.

Song Yuzhe,Gao Xiaoping,Wang Xiangqian,et al.The Effect of Magneticfield Annealing on Top Pinning Spin Valve Magneto-Resistor Property[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):61-64.[宋玉哲,高曉平,王向謙,等.磁場(chǎng)退火對(duì)頂釘扎自旋閥磁電阻性能的影響[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(5):61-64.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.015.