巨磁电阻自旋阀多层膜的结构和磁性

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1997.02.020 第19卷第2期 北京科技大学学报 Vol.19 No.2 1997年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1997 巨磁电阻自旋阀多层膜的结构和磁性 孟宪梅)柴春林)朱逢吾)林岚2)姜宏伟)赖武彦) 1)北京科技大学应用科学学院，北京1000832)中国科学院物理研究所，北京100080 摘要用磁控溅射镀膜方法，制成了巨磁电阻自旋阀多层膜Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn/Ta. 它具有优良的特性，其室祖磁电阻比率MR>2%,自由层矫顽力H,<I60A/m,自由层零磁场 漂H<800A/m和钉扎层交换场L、≈20×103A/m.作为新型磁功能材料，它满足高灵敏磁 性传感器和硬盘读出头的要求，对多层膜制备的方法也作了系统研究，并讨论了缓冲层和钉扎层 的制备工艺和微结构对磁性能的影响， 关键词巨磁电阻，自旋阀，磁功能材料，多层膜 中图分类号TM271 1988年在F/Cr周期性金属多层膜中发现，随外磁场增加，膜电阻下降达50%，此现象 称为巨磁电阻(Giant Magnetoresistance)效应).这一奇特现象已成为物理学研究的一个热 点.单个周期厚度仅仅2~3m的人工多层膜也吸引了材料科学家的兴趣.巨磁电阻的形 成原因，一般认为是在多层膜的每一铁磁层中，磁矩基本上平行一致排列，而相邻磁层间磁矩 是反平行排列，此时电阻较高，外磁场作用下，通常为几千高斯，各磁性层的磁矩趋于平行一 致，此时电阻大幅度下降.物理机制与电子自旋相关的散射过程有关鬥.从应用角度看，人们 必须克服外加磁场过大这一缺点， IBM公司B.Dieny等人)提出一个简化的四层结构称为自旋阀，即磁层MI/非磁性中间 层/磁层M2/反铁磁层P.其中，层P具有较强的单方向各向异性，它通过各向异性交换作用 将M2磁矩“钉扎”在易磁化方向.由于非磁性中间层（通常为铜层）的隔离，M1与M2层磁作 用很弱，称为自由层.弱的外磁场就可以使自由层M1的取向平行或反平行于M2磁矩方向， 分别对应于低电阻态和高电阻态，虽然，自旋阀的磁电阻比率不高，但是由于磁矩运动过程是 一致转动，克服了巴克豪森噪音，达到极高的信噪比.加之外磁场只需几个奥斯特就可使自由 层磁矩旋转，因而灵敏度（单位场下的电阻变化率）极高，给磁信息记录技术带来重大突破[1， 本文报道了我们的研制结果.首先优化工艺，获得了性能良好的巨磁电阻自旋阀多层膜， 研究了缓冲层对表面粗糙度及磁性的影响.其次研究了磁性层及钉扎层溅射电流的作用. 1样品的制备和测量 自旋阀多层膜是用磁控溅射法制成，玻璃基片经过清洗后依次镀膜为Ta/NiFe/Cu/NiFe 1997-03-28收稿 第一作者女26岁。博士 中国科学院KJ-1-401项目资助

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 巨 磁 电阻 自旋 阀多层膜 的结构和 磁性 ’ 孟 宪梅 柴春林 ’ 朱逢吾 ’ 林 岚 姜宏伟 “ 赖 武彦 北京 科技大 学 应用 科 学学 院 ， 北 京 中 国科学 院物理研 究所 ， 北 京 摘要 用 磁 控溅 射镀 膜 方法 ， 制 成 了 巨 磁 电阻 自旋 阀多层 膜 它 具有 优 良的特性 · 其室 温 磁 电阻 比率 ， 自由层 矫顽 力 凡 ， 自由层零 磁 场 漂 坪 和 钉扎层 交换场 、 、 ’ 作为新 型 磁 功 能材料 ， 它满足 高灵敏 磁 性 传感器 和 硬 盘读 出头 的要求 对多层 膜制 备的方法 也作 了系统研究 ， 并 讨论 了缓冲层 和 钉扎 层 的制备工 艺和 微结 构对磁性 能 的影 响 关键词 巨磁 电阻 ， 自旋阀 ， 磁 功能材料 ， 多层膜 中图分类号 年在 周 期 性 金 属 多 层 膜 中发现 ， 随外 磁 场增 加 ， 膜 电阻下 降达 ， 此现 象 称 为 巨 磁 电 阻 效应〔 ’〕 这 一 奇 特 现 象 已 成 为 物 理 学 研 究 的 一 个 热 点 单个 周 期 厚度 仅仅 一 的 人 工 多层 膜 也 吸 引 了 材 料 科 学 家 的兴 趣 巨 磁 电阻 的形 成原 因 ， 一般认 为是 在 多 层膜 的每 一铁磁层 中 ， 磁 矩基本上 平 行 一致 排 列 ， 而 相 邻磁 层 间磁矩 是 反 平行 排 列 ， 此 时 电阻 较 高 外磁 场作 用下 ， 通 常 为几 千 高斯 ， 各磁 性 层 的磁 矩 趋 于 平 行 一 致 ， 此 时 电阻 大 幅度 下 降 物理 机 制 与 电子 自旋 相 关 的散 射 过 程 有 关 从 应 用 角 度 看 ， 人们 必须 克服 外 加磁 场过 大这 一缺点 公 司 以 等 人’ 提 出一 个 简化 的 四 层结构称 为 自旋 阀 ， 即磁 层 非磁性 中间 层 磁 层 反 铁 磁层 其 中 ， 层 具 有 较 强 的单 方 向各 向异性 ， 它 通 过 各 向异性 交换作 用 将 磁矩 “ 钉扎 ” 在 易磁 化方 向 由于 非磁性 中 间层 通 常 为铜层 的隔离 ， 与 层 磁作 用 很 弱 ， 称 为 自由层 弱 的外 磁 场 就 可 以 使 自由层 的取 向平行 或反 平行 于 磁 矩 方 向 ， 分别对应 于 低 电阻 态 和 高 电阻态 虽 然 ， 自旋 阀的磁 电阻 比率不 高 ， 但 是 由于 磁 矩 运 动过 程是 一致转动 ， 克服 了 巴 克豪森 噪音 ， 达到极 高 的信噪 比 加之外磁 场只需 几个 奥斯特就 可 使 自由 层磁矩 旋 转 ， 因而 灵 敏 度 单位 场下 的 电阻变 化率 极 高 ， 给 磁信息 记 录技 术带来 重 大 突 破 本文报道 了我们 的研 制结果 首先优化 工 艺 ， 获得 了性 能 良好 的 巨 磁 电阻 自旋 阀多层 膜 ， 研究 了缓冲层 对表 面粗糙 度及磁性 的影 响 其次研 究 了磁性层及 钉扎层 溅射 电流 的作 用 样品 的制备和测量 自旋 阀多层膜是 用磁 控溅射法 制成 ， 玻璃 基 片经过 清洗 后 依次镀膜 为 断 两 一 一 收稿 第 一作 者 女 岁 博 士 中国科学 院 一 一 项 目资助 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．02．020

·210· 北京科技大学学报 1997年第2期 /FeMn/Ta,本底真空度优于5×I0-sPa,溅射工作氩气压为0.4Pa.各种金属材料的藏射速 率在0.14~0.2nm/s范围.溅射时基片上加有250×10-4T的磁场，磁电阻是用四探针法测 量，磁滞回线用振动样品磁强计测得，应用原子力显微镜(AFM)观察膜面粗糙程度， 2实验结果与讨论 图1给出了自制备的自旋阀多层膜的典型的磁电阻曲线，样品结构为Ta(15nm)/ NiFe(15nm)/Cu(2.4nm)/NiFe(15nm)/FeMn(12nm)/Ta(10nm).零磁场附近的磁滞回线 矫顽力Hg≈12A/m,回线中心的偏离（称零场漂移）H=557.2A/m.钉扎层的回线中心处 为交换场Hx≈19.2×103A/m,该回线矫顽力Hc=1.4×103A/m,磁电阻比率为 MR=(R,-R)/R约为22%，其R,和R分别为外加磁场和零场时的电阻.这样的自旋阀多 层膜满足制作硬磁盘读出磁头对磁性的基本要求， -3.0 -2.5 -2.0 6.4 -1.5 (日。0 4.8 -.0 3.2 1.6 -0.5 0 0.0 5101520 25 CoOKo 35 fra/nm 0. 8 0 -8-16 -24 -32 图2自由层矫顽力H和缓冲层Ta厚度的关系， HW103(A·m') NiFe层厚为8nm,生长偏磁场为250×104T 图】巨磁电阻自旋阀多层膜的磁性电阻曲线 自旋阀多层膜淀积在特殊处理过的玻璃基片上，因为它是非晶状态，和磁层(NiF)完全 失配，从而造成磁层内出现晶格畸变及大量缺陷.为解决此问题，我们选择金属T作为缓冲 层，通常它可以形成十分致密的薄膜并和玻璃基片有牢固的附着.图2表示了自由层矫顽力 Ha和缓冲层Ta厚度的关系.物理量Ha特别能表征软磁性NFe膜组织的优劣，当Ta层厚度 超过5nm后，H,明显减到160A/m以下，说明NiFe膜质量优良.从X光衍射图可知，此时 NiFe层具有较好的[111]方向织构. 对3种不同缓冲层情形的自旋阀膜我们用原子力显微镜(AFM)观察了Cu层表面和 NFe层表面的粗糙度.结果表明，若不做缓冲层，粗糙度很大，导致H,大，Hx小 当缓冲层厚度=15nm时粗糙度降低，H,降至640A/m,H增到i.7×104A/m,磁电阻 性能很好.而43nm时，所有物理量居中，Ta层厚度不超过10nm为好，否则可能产生电流 分流效果，影响磁电阻数值..我们拟选取电阻率更高的Ti金属作为缓冲层以代替T. 为了优化工艺，我们固定层厚而变化溅射电流，同时，在原位施加不同磁场，利用溅射过

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 ， 本底 真 空 度 优 于 一 ’ ， 溅 射 工 作 氢气 压 为 各 种 金 属材料 的溅 射速 率在 一 范 围 溅射时基 片上 加 有 一 的磁 场 ， 磁 电阻是 用 四 探 针法测 量 ， 磁滞 回线 用振 动 样 品磁 强 计测得 ， 应 用 原子 力 显微镜 观 察膜 面粗糙 程 度 实验结果 与讨论 图 给 出 了 自制 备 的 自旋 阀 多 层 膜 的 典 型 的 磁 电 阻 曲 线 ， 样 品 结 构 为 两 嘶 一 零 磁 场 附 近 的 磁 滞 回 线 矫顽 力 乓 ，二 ， 回 线 中心 的偏 离 称零 场漂 移 玲 钉扎层 的 回线 中心处 为 交 换 场 、 、 ， ， 该 回 线 矫 顽 力 一 ， ， 磁 电 阻 比 率 为 开 凡 一 即 约 为 ， 其 凡 和 凡分别 为外 加磁 场 和 零 场 时 的 电 阻 这 样 的 自旋 阀多 层膜 满 足 制作硬磁 盘读 出磁 头 对磁性 的基 本要 求 ‘，、 ‘，︸ ︵ 一日 · 巴。一之 一 山一 一二 一一一一 司 一 一 一 一习 一 一 一 一 川 ， · 币， 图 巨磁电阻 自旋 阀多层膜的磁性电阻 曲线 一 一习一一一‘ 叫 －习一－ 月 － ， ‘ 行 「 图 自由层矫顽力 和缓冲层 厚度的关系 ， 层厚为 ， 生长偏磁场 为 么又刀 岁奋宝 自旋 阀多层 膜 淀积 在 特 殊处理 过 的玻 璃 基 片 上 ， 因为它 是 非 晶状 态 ， 和 磁 层 断 完 全 失 配 ， 从而 造 成 磁 层 内出现 晶格 畸 变 及 大 量 缺 陷 为解 决 此 问题 ， 我 们 选 择金 属 作 为缓 冲 层 ， 通 常它 可 以 形 成 十分 致 密 的薄膜 并 和玻璃基 片有牢 固 的附着 图 表示 了 自由层 矫 顽 力 。 和 缓 冲层 厚度 的 关 系 物理 量 。 。特 别能表 征软磁性 两 膜组织 的优劣 ， 当 层 厚度 超 过 后 ， 乓 ，明显 减 到 以 下 ， 说 明 预 膜 质量 优 良 从 光衍 射 图可 知 ， 此 时 瓦 层具有 较好 的 〔 川 方 向织 构 对 种 不 同 缓 冲 层 情 形 的 自旋 阀 膜 我 们 用 原 子 力 显 微 镜 观 察 了 层 表 面 和 瓦 层 表 面 的 粗 糙 度 · 结 果 表 明 ， 若 不 做 缓 冲 层 ， 粗 糙 度 很 大 ， 导 致 麟 大 ， 小 当缓 冲层 厚度 气一 时粗糙 度 降低 ， 乓降至 ， 从 增 到 ， 磁 电阻 性 能很好 · 而 升一 时 ， 所 有 物理 量 居 中 ， 层 厚 度 不 超 过 为好 ， 否 则 可 能产 生 电流 分 流效果 ， 影 响磁 电阻 数值 二 我们拟 选取 电阻率更高的 金 属作为缓 冲层 以 代替 为 了 优 化 工 艺 ， 我 们 固定 层 厚 而 变 化溅 射 电流 ， 同 时 ， 在 原 位 施 加 不 同磁 场 ， 利 用 溅 射过

Vol.19 No.2 孟宪梅等：巨磁电阻自旋阀多层膜的结构和磁性 ·211· 程的热量进行磁场热处理.实验表明（图3），磁场热处理效果明显，而溅射电流只需超过 80A则效果平稳.溅射过程中，原子的堆积是一个非平衡热处理过程.对于金属镀膜而言， 先行到达基片的原子团形成很多小岛区，在后续到达的原子团作用下逐渐扩散成片，软磁材 料Nis,Fe,的磁场热处理可以促进Fe-Ni原子对偶形成和有序排列，因而增加磁畴结构.所 以，在溅射镀膜过程中，施以磁场，可达到改善膜面微结构和降低矫顽力的双重目的. FeMn合金是一种特别的磁性金属)，其磁有序是反铁磁性的.它具有单方向磁性各向异 性，FMn钉扎层通过所谓各向异性交换耦合，将磁层M2的磁矩“钉扎”在它的磁各向异性方 向上.通过各种工艺优化，我们已能将这项钉扎场（也称为交换偏场）做到20×103A/m左 右.从图4看出，FeMn层膜为9nm时，厚的磁层M2容易得到低的H。,但交换偏场H也低 些.我们的结果还表明，增加FeMn层厚度也可提高Hex· 8.0 8.0r 20 o生长磁场为120×10T 磁层厚度为4.5mn 6.4 ·生长磁场为250×10T 6.4 Q飚层厚度为15nm 00 16 -0 4.8 4.8 12 0 磁层厚度为4.5nm 3.2 3.2 0 18 ●磁层厚度为l5nm -0 1.6 1.6 0 20406080100120140 60 80 100 120 140 INiFe/mA IFe Mn/mA 图3自由层矫顽力Ha和镀磁层(NiFe)溅射电流 图4被钉扎层矫顾力Hc,及交换偏场Hx和 的关系，NiFe厚度为8nm,Ta厚度为15nm 钉扎层(FeMn)藏射电流的关系镀 综上所述，自旋阀的基本结构为6层薄膜组成，每层厚度在2~15之间，其磁电阻值 对微缺陷十分敏感.各层薄膜物理化学性质不同，相互关系复杂，但是，它们能统一完成一项 功能，属于一种新型高技术薄膜功能材料，其中材料物理性质的研究仍是一项艰巨任务.目 前，进一步的材料研究正在深入，已开始应用自旋阀多层膜试制高灵敏磁传感器及硬盘读出 头 3结论 通过对膜微结构和磁性的研究，我们优化了制备工艺，制成了性质优良的巨磁电阻自旋 阀多层膜，膜的品质已能满足高灵敏度磁传感器和硬磁盘读出磁头制作的要求， 感谢尹林同志在真空技术上给予很大帮助.本项目受中国科学院K951-1-401项目资助. 参考文献 I Baibich M N,Broto J M.Fert A.Phys Rev Lett,1988.61:2472

孟 宪梅等 巨 磁 电阻 自旋 阀多层膜 的结构和 磁性 程 的 热 量 进 行 磁 场 热 处 理 实 验 表 明 图 ， 磁 场 热 处 理 效 果 明 显 ， 而 溅 射 电 流 只 需 超 过 则 效果 平 稳 溅 射 过 程 中 ， 原 子 的堆 积 是 一 个 非平 衡 热处理 过 程 对于 金 属 镀膜 而 言 ， 先 行 到 达 基 片 的原 子 团形 成 很 多 小 岛 区 ， 在 后 续 到 达 的 原 子 团作 用 下 逐 渐 扩 散 成 片 软磁 材 料 断 。 的磁 场 热处理 可 以 促 进 一 两 原 子 对偶 形 成 和 有 序 排 列 ， 因而 增 加 磁 畴 结 构 所 以 ， 在 溅射 镀膜过程 中 ， 施 以 磁 场 ， 可 达到 改 善膜 面 微结 构和 降低 矫顽 力 的双重 目的 合 金 是 一 种 特 别 的磁性 金 属 ， 其 磁 有 序 是 反 铁 磁 性 的 它具 有 单方 向磁性 各 向异 性 ， 钉扎层通 过 所谓 各 向异性 交 换藕合 ， 将磁层 的磁 矩 “ 钉扎 ” 在它 的磁 各 向异性 方 向上 通 过 各 种 工 艺 优化 ， 我 们 已 能 将 这 项 钉 扎 场 也 称 为交 换偏 场 做 到 左 右 · 从 图 看 出 ， 层 膜 为 时 ， 厚 的磁 层 破 容 易 得 到低 的 凡 ， 但 交换偏 场 、 也低 些 我 们 的结果 还 表 明 ， 增 加 层 厚 度 也 可提 高 ︵ 一日 · 百丈一 片 才 生 长磁 场 为 丫 生 长磁 场 为 闷 目，︸ ︵ 一日 · 乞几巴 芝省 、 司到 厚度为 创 一 一 ︸‘，、 八曰拭‘︹ ︵ 一日 · 。一、葱 一省 杭斤 了 扩 图 自由层矫顽力 和镀磁层 溅射电流 的关系 ， 厚度为 ， 厚度为 图 被钉扎层矫顽力 及交换偏场从 和 钉扎层 溅射电流的关系镀 综 上 所 述 ， 自旋 阀 的基 本结 构 为 层 薄膜 组 成 ， 每 层 厚度 在 一 巧 之 间 ， 其磁 电阻值 对微 缺 陷十分 敏 感 各层 薄膜 物理 化 学性 质 不 同 ， 相 互 关 系 复 杂 ， 但 是 ， 它 们 能 统 一完 成 一 项 功 能 ， 属 于 一 种 新 型 高 技 术 薄 膜 功 能 材 料 ， 其 中材 料 物 理 性 质 的研 究 仍 是 一 项 艰 巨 任 务 目 前 ， 进 一步 的材 料 研 究 正 在 深 人 ， 已 开 始 应 用 自旋 阀多 层 膜 试 制 高灵 敏 磁传感 器 及 硬 盘读 出 头 结论 通 过 对膜微 结构 和 磁性 的研 究 ， 我 们 优 化 了 制备工 艺 ， 制成 了性 质 优 良的 巨 磁 电阻 自旋 阀多 层膜 膜 的 品质 已 能满足 高灵敏度 磁传感器 和硬 磁 盘读 出磁 头制作 的要 求 感谢尹林 同志在真空 技术 上 给予很大 帮助 本项 目受 中国科学 院 心 一 一 项 目资助 参 考 文 献 ， ， 比 ，

·212· 北京科技大学学报 1997年第2期 2 Prinz G A.Physics Today,1995,48:58 3 Levy P M.Solid State Physics.Ehrenreich H,Trunbull D,eds.NY:Academic Press,1994.47,367 4 Dieny B,Speriosu V S,Parkin SS P.Phys Rev,1991,B43:1297 5 Brug J A,Tran L,Bhattacharyya M.J Appl Phys,1996,47:4491 6 Li Shuxiang Yan Minglang,Yu Chengtao.J Appl Phys,1994,75:6504 7 Cullity B D.Intruduction to Magnetic Materials.NY:Addison Wesley,1972 Microstructure and Magnetic Properties of Spin Valve Multilayer with Giant Magnetoresistance Meng Xianmei Chai Chunlin Zhu Fengwu)Lin Lan2)Jiang Hongwei Lai Wuyan) 1)Applied Science School,UST Beijing.Beijing 100083.China 2)Institute of Physics,Chinese Academy of Sciences ABSTRACT The spin valve multilayer,consisting of Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn/Ta,with giant magnetoresistance(GMR)has been successfully produced by magnetron sputtering.It is possessed of good properties.The magnetoresistance ratio MR>2%at room temperature, the coercivity of free layer H<160A/m,shift fieldH<800A/m and the biasing exchange field x20x 103A/m.As a new magnetic functional material,these proper- ties can meet the requirement for preparation of magnetic field sensors with high sensitiv- ity for example in magnetic recording magnetoresistance read head. KEY WORDS giant magnetoresistance,spin valve,magnetic functional material

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 ， ， ， 】 ， ， ， 以 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 诵 ， ‘ ， ， ， 腼 石 ‘ 。 。 。 ’ 助 。 凡 、 “ ’ 枷 山 ， 再 物 ， 山 计协 ， ， ， ， 飞 ， ， ， 预 ， ， 乓 ， 麟 轰 、 、 ， ， ， 田的 · ，