1 引言
1988年，F(xiàn)e/Cr超晶格中的巨磁電阻(GMR)效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，為磁傳感器領(lǐng)域帶來了一場深遠(yuǎn)的革命。不久，一種具有低飽和場巨磁電阻效應(yīng)的自旋閥結(jié)構(gòu)被提出，基于這種自旋閥結(jié)構(gòu)的磁傳感器具有靈敏度高、功耗小、體積小、可靠性高、耐惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)自動化和汽車工業(yè)中。
在基于自旋閥結(jié)構(gòu)的傳感器中，MR和矯頑力是兩個非常重要的性能指標(biāo)。在自旋閥薄膜的制備過程中，通常選取軟磁和硬磁材料的組合作為自旋閥的自由層，從而增加自由層的自旋散射幾率，提高M(jìn)R。但是硬磁材料的引入將導(dǎo)致自由層矯頑力的增加，從而將影響傳感器的測量精度。本文從理論和實驗兩方面研究了自旋閥自由層的矯頑力特性，通過弱磁場下的橫向退火工藝降低傳感器芯片的矯頑力，同時通過建立一種自旋閥自由層的單疇模型來解釋退火實驗的結(jié)果。
2 試驗
采用直流磁控濺射法在硅襯底上制備了 IrMn頂釘扎自旋閥薄膜，自旋閥薄膜的各層厚度(nm)為：Ta(5)/NiFeCr(2.5)/NiFe(3)/CoFe(1)/Cu(1.8)/CoFe(3.5)/IrMn(11)/Ta(5)。
薄膜制備采用美國Kun J Lesker公司的CMS-A六靶磁控濺射系統(tǒng)。濺射時在基底平面內(nèi)加上大小為50 Oe的磁場，使自旋閥薄膜形成易磁化軸。在經(jīng)過光刻、離子刻蝕、去膠、正膠剝離等一系列工序后，最終制成了一組基于自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR磁傳感器芯片，其中自旋閥磁阻條的寬度為25 μm，每個磁電阻單元共有20個磁阻條串聯(lián)而成，每個磁阻條的長度為750 μm。
將制成的樣品依次在通有氮?dú)獾耐嘶馉t中進(jìn)行退火處理，采用不同的退火條件，退火溫度的范圍選取在100～200℃，退火磁場的范圍選取在100～300 Oe，保溫時間均為30 min。外磁場方向垂直于自旋閥薄膜自由層的易磁化軸，升溫和降溫的速率約為10℃/min。
3 結(jié)果與討論
3.1 實驗結(jié)果
將制成的傳感器芯片進(jìn)行測試，MR為10.234%，矯頑力為1.347 Oe，如圖1所示。從圖中可以看出，較大的矯頑力造成線性區(qū)(工作區(qū))內(nèi)同一磁場對應(yīng)不同的電阻值，這一現(xiàn)象在實際傳感器的測量應(yīng)用中會帶來較大的誤差。因此在芯片其他性能不受影響的前提下，應(yīng)設(shè)法將其降至最低。
在芯片的制備過程中，濺射薄膜時基底上50 Oe的恒定誘導(dǎo)磁場，使自旋閥薄膜的反鐵磁層沿此方向形成釘扎場，同時使自由層沿此方向形成易磁化軸。在實際應(yīng)用中，被檢測磁場的方向需要與釘扎場的方向一致，即在自由層的易軸方向上，被檢測磁場通過改變自由層磁矩的大小和方向以產(chǎn)生MR效應(yīng)。于是，芯片的矯頑力即為自旋閥自由層的易磁化軸方向的矯頑力。但是，當(dāng)被檢測磁場沿易磁化軸方向施加時，磁化方向的改變是依靠磁疇疇壁的移動，為不可逆移動，矯頑力較大；而當(dāng)被檢測磁場沿難磁化軸方向施加時，磁化方向的改變是依靠磁疇磁化方向的轉(zhuǎn)動，為可逆轉(zhuǎn)動，矯頑力較小。因此，應(yīng)設(shè)法將自由層的難磁化軸轉(zhuǎn)至釘扎場的方向，以降低矯頑力。利用退火工藝，在垂直于自由層易磁化軸的方向上施加一個恒定的磁場，可以誘導(dǎo)自由層的易磁化軸向退火磁場的方向旋轉(zhuǎn)，同時使自由層的難磁化軸轉(zhuǎn)至釘扎場方向，這樣就能夠達(dá)到降低芯片矯頑力的目的。
實驗中，當(dāng)退火溫度為150℃，退火磁場為120 Oe時，芯片的矯頑力降至最小值，為0.182 Oe，此時芯片的MR為9.426％，略有降低。
3.2 模型分析
根據(jù)鐵磁學(xué)的理論，自旋閥自由層的飽和磁化強(qiáng)度(MFM)、外加磁場(H)和易磁化軸之間的角度關(guān)系可以用圖3中的單疇模型來表示。
自由層鐵磁材料的能量EFM可以表示為EFM=EZ+Eani+Eshape。其中EZ=-MFMHcos(θFM-θH)為外加磁場下鐵磁材料的Zeeman能量；Eani=0.5MFMHksin2θFM為感生各項異性能；Fshape=4(M2FMtFM/ω)sin2θFM為形狀各項異性能。其中tFM為自由層的厚度；Hk為感生各項異性場，ω為自由層樣品的寬度。對于鐵磁材料，Eani和Eshape是出現(xiàn)矯頑力的原因。
鐵磁材料的矯頑力特性可以通過Meff-H曲線得到，Meff=MFMcos(θFM-θH)為鐵磁材料的有效磁化強(qiáng)度。θFM隨H發(fā)生變化，對于給定的H，當(dāng)θFM使鐵磁材料的能量達(dá)到極小值時，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。所以可以根據(jù)能量極小的方法，求出在不同的H下使鐵磁材料的能量達(dá)到極小值時的θFM。另外，根據(jù)磁疇連續(xù)轉(zhuǎn)動假設(shè)，新的θFM為最接近初始θFM的極小值點(diǎn)。這樣便可以得到自旋閥的Meff-H曲線。
當(dāng)自由層鐵磁材料的能量EFM對θFM的一階偏導(dǎo)數(shù)為0、二階偏導(dǎo)數(shù)大于0時，能量達(dá)到極小值。根據(jù)實際芯片中薄膜的參數(shù)，選取MFM=980 emu/cm3，Hk=4 Oe，tFM=6.5 nm，ω=25μm，設(shè)定縱軸為歸一化的等效磁化強(qiáng)度Meff/MFM，利用Matlab軟件計算鐵磁材料的Meff-H曲線，圖4和圖5分別給出了θH=0°和θH=90°時的情況。
可以看出，利用自旋閥自由層單疇模型計算得到的結(jié)果與實驗中退火前后的結(jié)果是一致的，這說明了自旋閥自由層中易磁化軸的方向?qū)π酒C頑力的大小有著十分重要的影響。
4 結(jié)論
在基于自旋閥結(jié)構(gòu)的磁傳感器芯片中，自旋閥自由層易磁化軸的方向與芯片的矯頑力有著密切的聯(lián)系。當(dāng)自由層易磁化軸的方向平行于被檢測的外磁場方向時，芯片的矯頑力最大。利用弱磁場下的橫向退火工藝，將自由層易磁化軸的方向在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使其在實際應(yīng)用時垂直于外磁場的方向(即難磁化軸平行于外磁場的方向)，當(dāng)退火溫度為150℃，退火磁場為120 Oe時，芯片的矯頑力降至0.182 Oe，并且MR沒有明顯的降低，這種低矯頑力的GMR芯片可以滿足高精度線性測量的需要。
