低矫顽力GMR磁传感器及其单畴模型的研究

1 引 言

1988年，Fe/Cr超晶格中的巨磁电阻(GMR)效应被发现，为磁传感器领域带来了一场深远的革命。不久，一种具有低饱和场巨磁电阻效应的自旋阀结构被提出，基于这种自旋阀结构的磁传感器具有灵敏度高、功耗小、体积小、可靠性高、耐恶劣环境等优点，能够广泛地被应用于工业自动化和汽车工业中。

在基于自旋阀结构的传感器中，MR和矫顽力是两个非常重要的性能指标。在自旋阀薄膜的制备过程中，通常选取软磁和硬磁材料的组合作为自旋阀的自由层，从而增加自由层的自旋散射几率，提高MR。但是硬磁材料的引入将导致自由层矫顽力的增加，从而将影响传感器的测量精度。本文从理论和实验两方面研究了自旋阀自由层的矫顽力特性，通过弱磁场下的横向退火工艺降低传感器芯片的矫顽力，同时通过建立一种自旋阀自由层的单畴模型来解释退火实验的结果。

2 买 验

采用直流磁控溅射法在硅衬底上制备了 IrMn顶钉扎自旋阀薄膜，自旋阀薄膜的各层厚度(nm)为：Ta(5)/NiFeCr(2.5)/NiFe(3)/CoFe(1)/Cu(1.8)/CoFe(3.5)/IrMn(11)/Ta(5)。

薄膜制备采用美国Kun J Lesker公司的CMS-A六靶磁控溅射系统。溅射时在基底平面内加上大小为50 Oe的磁场，使自旋阀薄膜形成易磁化轴。在经过光刻、离子刻蚀、去胶、正胶剥离等一系列工序后，最终制成了一组基于自旋阀结构的GMR磁传感器芯片，其中自旋阀磁阻条的宽度为25 μm，每个磁电阻单元共有20个磁阻条串联而成，每个磁阻条的长度为750 μm。

将制成的样品依次在通有氮气的退火炉中进行退火处理，采用不同的退火条件，退火温度的范围选取在100～200℃，退火磁场的范围选取在100～300 Oe，保温时间均为30 min。外磁场方向垂直于自旋阀薄膜自由层的易磁化轴，升温和降温的速率约为10℃/min。

3 结果与讨论

3.1 实验结果

将制成的传感器芯片进行测试，MR为10.234%，矫顽力为1.347 Oe，如图1所示。从图中可以看出，较大的矫顽力造成线性区(工作区)内同一磁场对应不同的电阻值，这一现象在实际传感器的测量应用中会带来较大的误差。因此在芯片其他性能不受影响的前提下，应设法将其降至最低。

在芯片的制备过程中，溅射薄膜时基底上50 Oe的恒定诱导磁场，使自旋阀薄膜的反铁磁层沿此方向形成钉扎场，同时使自由层沿此方向形成易磁化轴。在实际应用中，被检测磁场的方向需要与钉扎场的方向一致，即在自由层的易轴方向上，被检测磁场通过改变自由层磁矩的大小和方向以产生MR效应。于是，芯片的矫顽力即为自旋阀自由层的易磁化轴方向的矫顽力。但是，当被检测磁场沿易磁化轴方向施加时，磁化方向的改变是依靠磁畴畴壁的移动，为不可逆移动，矫顽力较大;而当被检测磁场沿难磁化轴方向施加时，磁化方向的改变是依靠磁畴磁化方向的转动，为可逆转动，矫顽力较小。因此，应设法将自由层的难磁化轴转至钉扎场的方向，以降低矫顽力。利用退火工艺，在垂直于自由层易磁化轴的方向上施加一个恒定的磁场，可以诱导自由层的易磁化轴向退火磁场的方向旋转，同时使自由层的难磁化轴转至钉扎场方向，这样就能够达到降低芯片矫顽力的目的。

实验中，当退火温度为150℃，退火磁场为120 Oe时，芯片的矫顽力降至最小值，为0.182 Oe，此时芯片的MR为9.426%，略有降低，如图2所示。

3.2 模型分析

根据铁磁学的理论，自旋阀自由层的饱和磁化强度(MFM)、外加磁场(H)和易磁化轴之间的角度关系可以用图3中的单畴模型来表示。

自由层铁磁材料的能量EFM可以表示为EFM=EZ+Eani+Eshape。其中EZ=-MFMHcos(θFM-θH)为外加磁场下铁磁材料的Zeeman能量;Eani=0.5MFMHksin2θFM为感生各项异性能;Fshape=4(M2FMtFM/ω)sin2θFM为形状各项异性能。其中tFM为自由层的厚度;Hk为感生各项异性场，ω为自由层样品的宽度。对于铁磁材料，Eani和Eshape是出现矫顽力的原因。

铁磁材料的矫顽力特性可以通过Meff-H曲线得到，Meff=MFMcos(θFM-θH)为铁磁材料的有效磁化强度。θFM随H发生变化，对于给定的H，当θFM使铁磁材料的能量达到极小值时，系统达到稳定。所以可以根据能量极小的方法，求出在不同的H下使铁磁材料的能量达到极小值时的θFM。另外，根据磁畴连续转动假设，新的θFM为最接近初始θFM的极小值点。这样便可以得到自旋阀的Meff-H曲线。

当自由层铁磁材料的能量EFM对θFM的一阶偏导数为0、二阶偏导数大于0时，能量达到极小值。根据实际芯片中薄膜的参数，选取MFM=980 emu/cm3，Hk=4 Oe，tFM=6.5 nm，ω=25μm，设定纵轴为归一化的等效磁化强度Meff/MFM，利用Matlab软件计算铁磁材料的Meff-H曲线，图4和图5分别给出了θH=0°和θH=90°时的情况。

可以看出，利用自旋阀自由层单畴模型计算得到的结果与实验中退火前后的结果是一致的，这说明了自旋阀自由层中易磁化轴的方向对芯片矫顽力的大小有着十分重要的影响。

4 结 论

在基于自旋阀结构的磁传感器芯片中，自旋阀自由层易磁化轴的方向与芯片的矫顽力有着密切的联系。当自由层易磁化轴的方向平行于被检测的外磁场方向时，芯片的矫顽力最大。利用弱磁场下的横向退火工艺，将自由层易磁化轴的方向在平面内旋转，使其在实际应用时垂直于外磁场的方向(即难磁化轴平行于外磁场的方向)，当退火温度为150℃，退火磁场为120 Oe时，芯片的矫顽力降至0.182 Oe，并且MR没有明显的降低，这种低矫顽力的GMR芯片可以满足高精度线性测量的需要。