NiO钉扎的自旋阀的结构和磁性

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.2000.01.038 第22卷第1期 北京科技大学学报 VoL.22 No.1 2000年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2000 NO钉扎的自旋阀的结构和磁性 柴春林》 滕蛟》 于广华” 姜文博2) 朱逢吾) 赖武彦》 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京出入境检验检疫局，北京1000223)中科院物理所，北京100080 摘要利用反应溅射的方法制备了NiO薄膜，并研究了NiO对NiFe薄膜的钉扎作用，结果 表明钉扎场与反应溅射时的A/O,比例、总的溅射气压、基底的粗糙度等有很大关系.利用光电 子能谱(XPS)分析了NiO,中的i,O离子的价态.并制备了NiO钉扎的自旋阀Ta/NiO/NiFe/CuW NiFe/Ta,其磁电阻(MR)可达到2.2%，钉扎场为10.48kA/m. 关键词NO:自旋阀：结构：磁性 分类号TM271 巨磁电阻自旋阀结构多层膜，由于其较高 Ta/NiO/NiFe/.Cu/NiFe/.Ta.本底真空优于4× 的磁场灵敏度和弱磁场下良好的线性响应，使 105Pa,溅射时氩气压为0.5Pa.溅射时基片有水 其成为新一代硬盘读头的主要选择.目前，用作 冷，并且在基片上加有16Am的外磁场，以使 自旋阀钉扎层的材料有FeMn,NiMn,CrMn, NFe层感生出一个易磁化的方向.NiO的制备 NiO等.其中，FeMn是研究得很多的一种材料， 是在Ar和O2的混合气体中反应溅射制得，Ar 这主要是由于其钉扎场较大，第一个自旋阀的 和O,的体积比例由气体流量计控制，同时参考 钉扎场约在20kAm以上，目前这种材料的钉 气压计，磁电阻用标准的四探针法测量，磁滞回 扎场已能达到32kA/m左右.但是，FeMn层的缺 线用振动样品磁强计测得，应用光电子能谱仪 点是抗腐蚀性能差，其钉扎作用的截止温度较 (XPS)分析了NiO中Ni,O离子的价态. 低（约150℃），因此它在应用的过程中必然要 遇到困难，有必要选择其他材料作为钉扎层.相 2实验结果与讨论 对于FeMn而言，NiO的化学稳定性很高，因而 图1给出了交换偏场与Ar/O2比例的关系 环境稳定性好，即抗腐蚀性能强.研究表明，NiO 曲线，样品结构为基片/Ta(12)NiO.(50)NiFe(7)/ 在pH=7的环境中，其腐蚀率可以忽略，这一 Ta(9),括号中的数字表示膜厚，单位为nm.溅射 点对于磁头的制作过程很有利，而FeMn的腐 时Ar和O2的总气压为0.57Pa.随着Ar/O比例 蚀率约为0.1mh:另外，NiO有较高的截止温 的增加，交换偏场H.也随之增加；当在Ar/ 度(230℃)；由于NiO是绝缘体，其产生的分流作 O=7/1的气氛下沉积时，交换偏场H达到最大 用可以忽略，而对于金属反铁磁层，由于其分流 值9.6kA/m;随着Ar/O2比例的进一步增加，Hx 作用至少损失16%的信号输出. 逐渐减小，并最终失去钉扎作用，此时A/O2为 本文主要研究了NiO对NiFe薄膜的钉扎 13/1.从该曲线中可以看到，NiO对NiFe的钉扎 作用，通过工艺参数的改变来提高钉扎作用，并 作用与NiO,中的x值有关，即与Ni,O离子的价 制备了NiO钉扎的自旋阀NiO/NiFe/Cw/NiFe. 态有关.将Ar/O2比例分别为3.7,13的3种样 1样品的制备和测量 品经光电子能谱(XPS)分析，结果表明，x<1和 x>1时，钉扎作用都很弱，只有当x三1时，钉扎 样品是采用磁控溅射法制成的，在经过清 作用才最明显.此外，H还与溅射的总气压有 洗的玻璃基片上依次镀膜为Ta/NiO/NiFe/Ta和 关.图2所示为A/O2为7：1时，在不同的溅射气 压下制备的Ta/NiO/NiFe/Ta样品的交换偏场H.a. 1999-11-30收稿柴春林男，28岁，博士生 从中可以发现，溅射气压越低，交换偏场H就 *国家自然科学基金资助课题No.980606961) 越大，这同NiO/NiFe的界面粗糙度有关2

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 心 钉 扎 的 自旋 阀 的结 构 和 磁 性 柴春林 ” 膝 蛟 ” 于 广 华 ” 姜文博 ” 朱逢吾 ” 赖 武彦 ， 北 京科技大 学材料科 学与 工 程 学 院 ， 北 京 北 京 出 入 境检 验检疫局 ， 北 京 科 院物理 所 ， 北京 摘 要 利用 反 应 溅 射 的方 法 制 备 了 薄膜 ， 并研 究 了 对 薄膜 的钉 扎 作用 ， 结果 表 明钉 扎场 与 反 应溅射 时 的 比例 、 总 的溅射气压 、 基底 的粗 糙度等 有 很大关 系 利用 光 电 子 能 谱 江 分 析 了 ， 中的 ， 离子 的价态 并 制 备 了 钉 扎 的 自旋 阀 护 几水 闪 广几 ， 其磁 电阻 可 达 到 ， 钉扎场 为 关键词 自旋 阀 结构 磁性 分 类号 巨磁 电 阻 自旋 阀 结 构 多层 膜 ， 由于 其 较 高 的磁场 灵 敏度和 弱 磁 场 下 良好 的 线 性 响应 ， 使 其成 为新一 代硬盘读头 的主 要 选择 目前 ， 用 作 自旋 阀钉 扎 层 的材 料 有 ， ， ， 等 其 中 ， 是研 究 得很 多 的一 种 材料 ， 这 主 要 是 由于 其钉 扎 场 较大 ， 第 一 个 自旋 阀的 钉 扎 场 约 在 八 以上 ， 目前 这 种 材料 的钉 扎 场 己 能达 到 左 右 但是 ， 层 的缺 点是 抗腐蚀 性 能差 ， 其 钉 扎 作 用 的截止温度较 低 约 ℃ ， 因 此它 在 应 用 的 过程 中必 然 要 遇 到 困难 ， 有 必 要 选 择 其他材料作 为钉扎 层 相 对 于 而 言 ， 的化 学稳 定性很 高 ， 因而 环境稳 定 性好 ， 即抗腐蚀性 能 强 研 究表 明 ， 在 一 的环 境 中 ， 其 腐 蚀 率 可 以忽 略 ， 这 一 点对 于 磁 头 的制 作 过程 很 有 利 ， 而 的腐 蚀率约 为 ” 脚 ，， 另外 ， 有 较 高 的截止温 度 ℃ 由于 是 绝 缘体 ， 其产 生 的分流 作 用 可 以忽 略 ， 而对 于 金属 反 铁磁层 ， 由于 其分 流 作 用 至 少损 失 的信 号 输 出 本 文 主 要 研 究 了 对 薄 膜 的钉 扎 作 用 ， 通 过 工 艺 参数 的 改变来提 高钉扎 作用 ， 并 制备 了 钉 扎 的 自旋 阀 肠月闷 加 胭 本 底 真 空 优 于 一 ， ，溅射 时氢气压 为 。 溅射 时基 片 有 水 冷 ， 并 且 在 基 片上 加 有 八 的外 磁场 ， 以使 层 感 生 出一个 易磁 化 的方 向 的制 备 是在 和 的混 合 气体 中反 应溅射制 得 ， 和 的体积 比例 由气体流量 计控制 ， 同 时 参 考 气压 计 磁 电 阻用标准 的 四探针法测 量 ， 磁 滞 回 线 用 振动 样 品磁 强 计 测 得 ， 应用 光 电子 能 谱 仪 分 析 了 中 ， 离 子 的价 态 样 品 的制备 和 测 量 样 品 是 采用 磁控 溅射法 制成 的 ， 在 经 过清 洗 的玻璃 基 片上 依 次镀 膜 为 肠加 加 和 一 卜 收稿 柴 春林 男 ， 岁 ， 博 士 生 国 家 自然 科学 基金 资助 课题 实验 结 果 与讨 论 图 给 出 了交换 偏 场 与 比例 的关 系 曲线 ， 样 品 结 构 为基 片 加 ， 括 号 中 的数 字表示 膜厚 ， 单位 为 溅射 时 和 的 总 气 压 为 随着 比例 的增 加 ， 交 换偏场 从 盆 也 随之 增 加 当在 一 的气氛下 沉积 时 ， 交换偏 场 、 达 到 最 大 值 角 随着 比例 的进 一 步 增 加 ， 逐渐减 小 ， 并最 终 失 去钉 扎 作用 ， 此 时 心 为 从 该 曲线 中可 以看 到 ， 对 的钉 扎 作 用 与 中 的 值有 关 ， 即 与 ， 离子 的价 态 有 关 将 比例 分 别 为 ， ， 的 种样 品 经 光 电 子 能谱 分 析 ， 结 果表 明 ， 和 时 ， 钉 扎 作用 都 很 弱 ， 只 有 当 望 时 ， 钉 扎 作 用 才最 明显 此 外 ， 从 、 还 与溅射 的总气 压 有 关 图 所 示 为 为 时 ， 在不 同 的溅射气 压 下 制备 的 加 样 品 的交换偏场几 从 中可 以发 现 ， 溅射气 压越 低 ， 交 换偏场 、 就 越大 ， 这 同 加 的界 面粗糙度 有 关【圳 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．01．038

·50· 北京科技大学学报 2000年第1期 10 的交换耦合，所以交换偏场H反而变小；而厚 8 度超过100nm后，晶粒尺寸变化不大，钉扎场 .0 也就相对稳定. NiO对NiFe薄膜的钉扎作用还与基片本身 Ta (12 nm)/NiO (50nm)/ 的平整状况有关.图4是缓冲层(Ta)厚度与钉扎 NiFe (7nm)/Ta (9nm) 0 场的关系曲线.样品结构为基片Ta(x)NiO(50)/ 68101214 NiFe(7)/Ta(9),其中x分别为0,6,12,16,20nm.从 Ar/O(体积比) 图1交换偏场H与Ar/O,的关系（溅射气压为0.57Pa) 图中可以看到，随着Ta层厚度的增加，钉扎场 Fig.1 Exchange bias field H as a functon of the ration of 也随之加大，并在l2nm处达到峰值；Ta层厚度 Ar to O 进一步增加，钉扎场略有减小，但基本稳定在 10 Ta (12nm)/NiO (50nm)/ 1.61.8kAm之间.表明适当厚度的缓冲层Ta 8 NiFe (7nm)/Ta (9nm) 能够有效的提高钉扎场. 图5是NiFe层厚度与钉扎场的关系，样品 结构为基片/Ta(12)NiO(50)/NiFe(x)/Ta(9),单位 2 是nm.从图中发现，钉扎场与NiFe层的厚度成 0 反比，这一结果符合Malozemoff的随机场模 0.5 0.6 0.70.8 0.9 1.0 型，并与其他文献报道是一致的. 溅射气压Pa 10 图2溅射总压与钉扎场的关系(A/O,体积比为7I) Fig.2 Exchange bias field H..as a functin of sputtering 8 pressure 6 NiO的钉扎作用与NiO的自身厚度有关， ~般认为NiO的厚度达到50nm后，其对NiFe 4 的钉扎作用与NO厚度无关.为此，我们制备 了不同厚度的NiO样品，其结构为Ta(12)NiO 10 15 20 n/nm (x)NiFe(7)/Ta(9),得到了Hx与NiO的厚度的关 图4缓冲层Ta的厚度与钉扎场的关系 系曲线，结果与文献报道不太一致，如图3所 Fig.4 Exchange bias field as a function of the thickness 示.从图中发现，随着NO厚度的加厚，钉扎场 of Ta Hx逐渐变大，NiO的厚度为50nm时，H.最大： 11 随着NiO厚度的进一步增大，Hx反而减小；当 10 NiO的厚度超过100nm后，NiO对NiFe的钉扎 作用变化不明显.这可能与NO的晶粒度的大 6 小有关，当NiO厚度超过50m以后，其晶粒要 有所长大，而过大的NiO晶粒不利于NiO/NiFe 10 6 810 2 OIF/nm 8 图5NFe层厚度与钉扎场的关系 6 (溅射气压为0.57Pa,Ar/0,(体积比)=7/1) Fig.5 Exchange bias field as a functiion of the thickness of Ta (12nm)/NiO (xnm) NiFe layer NiFe (7nm)/Ta (9nm) 通过优化工艺，己经能够将NiO对NiFe 0 20 40 6080 100 120 (7nm)层的钉扎场稳定在8.8kAm左右，这一数 Ovo/nm 值己基本满足制备自旋阀的需要，为此制备了 图3NO厚度与钉扎场的关系 NO钉扎的自旋阀.自旋阀的样品结构为：基片/ Fig.3 Exchange bias field as a function of Ta/NiO/NiFe/Cu/NiFe/Ta.图6为NiO钉扎的自旋 the thickness of NiO

忿’“ 〔 ，‘ ， 技 大 学 学 报 年 第 期 体积 匕 图 交 换偏 场 与 的 关 系 溅 射气 压 为 介 ， ‘ 朋 ‘ 一 肖墨一 的交 换祸 合 ， 所 以交 换偏场 、 反而 变 小 而 厚 度 超 过 后 ， 晶粒尺 寸 变化不 大 ， 钉 扎场 也 就 相 对 稳定 对 薄膜 的钉 扎 作用还 与基 片本 身 的平 整状况有 关 图 是 缓冲层 厚度 与钉扎 场 的 关系 曲线 ， 样 品 结 构 为 基片瓜 其 中 分 别 为 ， ， ， ， 从 图 中可 以看 到 ， 随着 层 厚 度 的增 加 ， 钉 扎场 也 随 之 加 大 ， 并在 处 达 到 峰值 层 厚度 进一 步 增 加 ， 钉 扎 场 略 有 减 小 ， 但基 本稳 定在 一 之 间 表 明适 当厚度 的缓冲 层 能够 有 效 的提 高钉扎场 图 是 层 厚 度 与钉 扎 场 的 关系 ， 样 品 结 构 为基 片 加 江 ， 单位 是 从 图 中发现 ， 钉扎 场 与 层 的厚 度 成 反 比 ， 这 一 结 果 符合 的随 机 场 模 型 ， 并 与 其他文 献报道 是 一 致 的‘ ， ︵ 一其、。乙工减甲 一几 ︵ ﹄军。乙、工城字 厂︵、一乙减甲 溅射 气 压爪 图 溅 射 总 压 与钉 扎 场 的 关 系 体积 比为 二 此 的钉 扎 作 用 与 的 自身 厚度有 关 ， 一 般认 为 的 厚度 达 到 后 ， 其对 的钉 扎 作 用 与 厚 度 无 关 为 此 ， 我们 制 备 了不 同 厚度 的 样 品 ， 其 结构 为 肘 加 ， 得 到 了 、 与 的厚度 的 关 系 曲线 ， 结 果 与 文 献 报 道 不 太 一 致 ， 如 图 所 示 从 图 中发现 ， 随 着 厚 度 的加 厚 ， 钉 扎 场 、 逐渐 变 大 ， 的厚 度 为 时 ， 从 兀 最 大 随着 厚 度 的进一 步增 大 ， 从 、 反 而减 小 当 的厚 度超 过 后 ， 对 的钉 扎 作 用 变化 不 明 显 这 可 能与 的 晶粒度 的大 小有关 ， 当 厚 度 超过 以后 ， 其 晶粒 要 有 所 长大 ， 而 过 大 的 晶粒 不 利 于 加 占几 角 图 缓 冲 层 的厚 度 与钉 扎场 的 关 系 一公益 ， 卜 几 一 一 ︵ 一厂、一乙城甲 氏 “ 加印 图 厚 度 与钉扎 场 的关 系 氏 加 图 层厚 度 与 钉 扎 场 的关系 溅射气 压 为 ， 体积 比 · 五 扭 通过优化 工 艺 ， 已 经 能够 将 对 层 的钉 扎场稳 定在 左右 ， 这 一数 值 已 基 本满 足制备 自旋 阀 的需 要 ， 为此制 备 了 钉 扎 的 自旋 阀 自旋 阀 的样 品结构为 基 片 几入 闪 图 为 钉扎 的 自旋

Vol.22 No.1 柴春林等：NO钉扎的自旋阀的结构和磁性 ·51· 阀的磁电阻变化曲线，MR比值约为2.2%，钉扎 综上所述，尽管采用反应溅射的万法制备 场为10.48kA/m.在研究中发现，NiO钉扎的自 O钉扎层，其影响因素相对较多，但其工艺比 旋阀对Cu层厚度的关系更明显（相对于FeMn 较稳定，重复性很高.因此这种方法完全可以用 钉扎的自旋阀)，图7为不同Cu层厚度6时，结 来制备自旋阀的钉扎层，并能制备出性能完好 构为基片Ta(12)/Nio(50)/NiFe(4)/Cu(x)/NiFe 的自旋阀多层膜， (10)/Ta(9)的自旋阀的MR一de.曲线.由图可知， 对NO钉扎的自旋阀，Cu层厚度的变化范围比 3结论 较窄，约为3-3.2nm;小于3nm时，两磁层之间 通过对微结构、磁性和制备工艺的瓦：究，已 有较强的耦合，磁矩不能完全的处于平行或反 经能够利用反应溅射的方法制备出NO扎的 平行状态，钉扎场较小；大于3.2nm时，由于分 流作用等原因，磁电阻减小， 自旋阀多层膜，其性能及工艺稳定， 2.5 参考文献 2.0 1 Watanabe K,Tadokro S,Kawabe T,et al.Exchange-based 1.5 Magnetoresistive Elements with Oxide Antiferromagnetic Thin Film.J Mag Soc Japan,1994,18(S1):355 1.0 2 Hwang D G,Park C M,Lee SS.Exchange Biasing in NiO 0.5 Spin Valves.J Mag&Mag Mat,1998,186:265 3 Hwang DG,Lee S S,Park C M.Effect of Roughness Slope -80 -40 0 40 80 on Exchange Biasing in NiO Spin Valves.App Phys Lett. HkA·m) 1998.72(17):2162 图6自旋阀Ti/NiO/Ni证e/Cu/NiFe/Ta的磁电阻变化曲线 4 Jun-ichi Fuhukata,Kazuhiko Hayashi.Hidefumi Yamamo- Fig.6 MR curve for spin-valve multilayer with Ta/NiO/ to,et al.Magnetoresistance in Spin-valve Structures with NiFe/Cu/NiFe/Ta 2.4 Ni-oxide/Co-oxide Bilayer Antiferromagnets.IEEE Trans on Mag,1996,32(3):4621 2.0 5 Chuh-Huang Lai,Thomas C.Anthony,Eiji Iwamura,et al. the Effect of Microstructure and Interface Conditions on 1.6 the Anistropic Exchange Fields of NiO/NiFe.IEEE Trans 1.2 on Mag,1996,32:3419 6 Malozemoff A P.Random-field Model of Exchange Ani- 0.8 2.53.03.54.04.55.0 sotropy at Rough Ferromagnetic-antiferromagnetic Inter- do/nm face.Phys Rev B,1987,35 :3679 图7不同Cu层厚度时，自旋阀Ta/NiO/NiFe//Cu/NiFe/ 7 Hamakawa Y,Hoshiya H,Kawabe H,et al.Spine-valve- Ta的磁电阻MR值 Heads Utilizing Antiferromagnetic NiO Layers.IEEE Fig.7 MR curve of spin-valve Ta/NiO/NiFe/Cu/NiFe/Ta Trans on Mag,1996,32(1):149 with diffrent thickness of Cu layer Structure and Magnetism in NiO Spin-valve CHAI Chunlin,TENG Jiao,YU Guanghua,JIANG Wenbo,ZHU Fengwu,LAI wuyan 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Administration for Entry-Exit Inspection and Quar- atine,Beijing 100022,China 3)Institute of Physics,Chinese Academy of Science,Beijing100080,China ABSTRACT The exchange fields of NiO/NiFe bilayer have been investigated,and the NiO film is depos- ited by dc magnetron reactive sputtering.It has been shown that exchange field is relation to the ratio of Ar/ O:(volume ration),total sputtering pressure and the roughness of substrate.The Ni and O ion in NiO,is anal- yzed by means of XPS.The spin-vavle Ta/NiO/NiFe/Cu/NiFe/Ta pinned by NiO is deposited,and its magne- toresistance reaches 2.2%and pinning field is 10.48 kA/m. KEY WORDS NiO;spin-valve;structure;magnetism

从， 。 柴春 林等 钉 扎 的 自旋 阀 的结构和 磁 性 阀 的磁 电阻变化 曲线 ， 比值约 为 ， 钉 扎 场 为 在 研 究 中发现 ， 钉 扎 的 自 旋 阀对 层 厚度 的关 系 更 明显 相 对 于 钉 扎 的 自旋 阀 ， 图 为不 同 层 厚度民 。 时 ， 结 构为基 片 加 的 自旋 阀 的 厂一 。 曲线 由 图可 知 ， 对 钉 扎 的 自旋 阀 ， 层 厚 度 的变化 范 围 比 较 窄 ， 约 为 一 小 于 时 ， 两 磁 层 之 间 有较 强 的祸合 ， 磁 矩 不 能 完全 的处 于 平 行 或 反 平行 状态 ， 钉 扎 场 较 小 大 于 时 ， 由于 分 流作 用 等 原 因 ， 磁 电 阻 减 小 综上 所 述 ， 尽 管采用 反应溅射 的万 法 制备 钉 扎 层 ， 其影 响 因素 相 对较 多 ， 但 其 工 艺比 较 稳定 ， 重复 性很 高 因此这种 方 法完全可 以用 来制备 自旋 阀的钉 扎层 ， 并 能制 备 出性 能完好 的 自旋 阀 多层 膜 馨 一二一 逗翩· 一 ’ 图 自旋 阀 订 舰 舰 的磁 电阻 变化 曲线 · 一 评 舰扭 防 芝 一层州 氏 。 图 不 同 层厚 度 时 ， 自旋 阀 扭 的磁 电阻 值 · 一 舰 扭 月汾 结 论 通过对 微 结 构 、 磁 性和 制备 工 艺 的瓦 究 ， 己 经 能够 利 用 反 应溅射 的方 法制 备 出 叮 扎 的 自旋 阀多层 膜 ， 其 性 能及 工 艺 稳 定 参 考 文 献 ， 几 ， ， 一 ‘〕 ， ， ， ， ， ， ， ， 杖 ， ， 一 ， ， 么 ， 言即 一 一 一 ， ， 一 ， ， 确 ， 于 里三 ， ， 一 一 ， ， ， ， ， 一 ， ， 一 刁 “ ‘，， 丁乙 ‘，， 丫 ，，， 刀火 肠 ，， 刀 刀 ，，， ，， ， ， ， 一 ， ， 场 ， ， ， 加 ， 勿 ， 妙 一 飞初 肘 侧 评 ， 一