GMR 自旋阀传感器的磁性在线计量

      介绍

      由于介质和读头材料的发展，面存储密度正以前所未有的速度增长。 增加存储密度需要增加来自读取传感器的信号输出。 为此，在过去几年中，薄膜感应磁头已被基于各向异性磁阻 (AMR) 效应的磁头所取代。 最近，一类具有巨磁阻 (GMR) 效应的金属多层膜因其在硬盘 (HD) 和磁带磁存储读头中的应用而受到广泛关注。 GMR 效应读取传感器表现出 MR 比率 DR/R，与 AMR 读取器的 2% 相比，该比率通常为 8% 或更高。 它们提高的灵敏度允许读取元素磁道宽度减小，从而增加磁道密度并最终增加存储密度。

      交换偏置自旋阀是一种多层 GMR 器件，最有希望成为读头应用的候选者。 自旋阀 (SV) 由 4 层组成：自由层和固定层均由软铁磁体组成，例如坡莫合金 (NiFe) 或 Co 合金。 这些层位于非磁性 Cu 垫片的两侧。 反铁磁材料交换层（通常由 Mn 合金 组成，例如 NiMn）沉积在固定层旁边。 器件结构如图 1 所示。自由层足够薄以允许传导电子通过导电间隔层在自由层和固定层之间频繁地来回移动。 固定层的磁取向由 AFM 层固定并保持在适当位置，而自由层磁取向响应硬盘上位的磁场而变化。

      GMR 传感器利用了电子的量子性质，即自旋向上或自旋向下。自旋平行于材料的磁化（自旋“向上”）的传导电子自由移动，而那些具有反平行方向（自旋“向下”）的电子的运动通过与材料中的原子碰撞而受到阻碍。当自由层和固定层磁化平行时，自旋电子在两个磁性层中自由移动，对应于低电阻器件配置。相反，当自由层和固定层磁化反平行时，自旋向上电子的运动受到一层的阻碍，而自旋向下电子的运动受到另一层的阻碍，导致高电阻。在 GMR 传感器中，记录的位会相对于固定层的磁化旋转自由层磁化，从而有效地在这两种可选配置（即高阻或低阻）之间切换设备。这些影响如图 2 所示。

      在 GMR 多层膜器件的开发和制造中遇到了重大挑战。一个主要问题是沉积层的均匀性和厚度（例如，Cu 空间层的厚度通常小于 15 个原子）。这些薄膜特性显着影响器件的物理特性，例如磁阻、电阻率、磁化强度和磁致伸缩6.此外，薄膜特性（例如表面粗糙度）会影响层间耦合、自由层的矫顽力以及反铁磁层在固定其中一个磁性层中的有效性。综上所述，影响装置效用的关键过程控制参数有很多。更复杂的是，这些参数中有许多是相互关联的。为了制造与读取传感器兼容的设备（例如，输出变化小于 10%），必须保持严格的公差，并且设备必须经过严格的质量控制流程。

      在测量它们所产生的物理特性，特别是磁性时遇到了类似的挑战。 除了表现出 GMR 效应之外，自旋阀的另一个定义特征是相对于磁场原点偏移或不对称的滞后响应，这与典型的硬磁或软磁材料不同。 此外，从产生的磁滞回线（交换场、钉扎场、自由层矫顽力、阻塞温度等）中提取的参数同样新颖。 本文将讨论振动样品磁强计 (VSM) 技术在表征这些材料中的实用性，以及为表征这些关键材料的磁性而开发的 VSM 测量方法的最新进展和附加功能。

图 1：自旋阀 GMR 传感器的示意图。

图 2：GMR 传感器中电子的量子性质图示。

      高级读头——不断变化的磁性计量要求

      制造读头传感器的绝大部分成本是在处理单个传感器时产生的，所有这些都发生在沉积过程之后。 因此，用于鉴定后沉积产品的方法至关重要。 鉴于对制造 GMR SV 设备所使用的制造工艺施加的限制，执行了各种过程中计量以提供过程控制所需的反馈。 磁性和磁阻特性的在线测量是薄膜沉积过程合格和受控的一种方法。

      振动样品磁强计 (VSM) 是测量材料磁性随场和温度变化的标准参考，通常用作校准其他计量测试工具的标准。 VSM 可以快速准确地测量材料的磁滞回线，并且非常易于使用，使其不仅对研发应用具有吸引力，而且有利于制造环境的需求。

      GMR SV 对计量工具提出了无数要求，特别是对 VSM 技术，例如：

      由于 GMR 薄膜厚度为纳米量级，SV 固有磁行为的测量信号非常小，需要提高 VSM 灵敏度。

      GMR 磁滞回线是不对称的，与传统的对称磁滞回线不同，并且从合成回线中提取的参数也本质上不同。 这就需要改变数据采集方法和数据分析算法。

      由于某些参数的场依赖性和低矫顽力自由层特性，需要提高场精度、控制和分辨率。

      实际上，记录磁头在相对较高的内部温度下运行，通常高达 200 °C。 因此必须量化 GMR SV 的温度依赖性，特别是在开发新的 SV 结构时。 这就需要开发一种不包含磁性材料或屏蔽的熔炉选项，而磁性材料或屏蔽往往会对 VSM 性能产生不利影响。

      还需要测量 SV 的磁阻 (MR) 特性。为了消除对两个独立计量工具的需求，MR 和 VSM 技术已结合在一个系统中，从而降低了成本和空间要求。

      通常，GMR 薄膜沉积在 4 英寸到 6 英寸的晶圆上。 许多供应商就地沉积在较小的测试试片（<25 毫米直径）上，这些试片要接受质量控制计量。 这些测试试样的尺寸相对较大，进而决定需要更大、均匀性更高、可变间隙的电磁铁，以便轻松容纳各种尺寸的样品。 此外，上述炉子和 MR 选项的设计也必须能够容纳大样品。

      开发快速数据采集和分析程序，允许将 VSM 样品表征纳入过程控制和监测，同时仍保持足够的生产吞吐量。

      允许提取的自旋阀表征量的重复性优于 2% 的方法。

      基于 Windows 的数据采集/控制和分析软件。

      本文的其余部分将专门介绍 GMR SV 样本的相关磁性和磁阻数据，从而展示 VSM 技术在这种要求苛刻的测量应用中的性能。

      使用 VSM 进行磁性测量**

      如前所述，与相对于场轴对称的典型磁滞回线不同，SV 具有高度非典型性并表现出不对称特性。 此外，最常从 SV 循环中提取的参数与从对称循环中提取的参数完全不同。

      作为说明，图 3 显示了硬盘样本 (CoPt) 的对称磁滞回线。 还介绍了从环路中提取的一些参数，这些参数通常与磁介质材料有关。 相比之下，图 4 显示了 SV 样本的不对称磁滞回线。

图 3：CoPt 硬盘样本的对称 M(H) 磁滞回线。

      Lake Shore Cryotronics 非常感谢 Applied Magnetics Corp. 提供了本研究中使用的自旋阀样本，并进行了许多富有成果的讨论。

图 4：NiMn SV 样品的不对称 M(H) 磁滞回线。

      位于第三象限的环路的不可逆滞后部分通常称为固定层环路或 AFM 环路。 通常从固定层循环中提取的三个参数是：

      Msp：固定层饱和力矩。

      Hcp：固定层矫顽力。

      十六进制：交换字段。

      固定层饱和力矩提供了有关沉积产品整体磁化强度的信息。 固定层的矫顽力是宽度的一半，或磁滞回线的中点。

      交换场是铁磁-反铁磁 (FM-AFM) 双层中发生的交换各向异性的量度，例如 SV 结构的固定层部分。 如果这种双层在施加磁场的情况下通过其 AFM Néel 温度冷却，则 FM 层变为单畴。 如果移除施加的场，则 FM 层的力矩继续由 AFM 层反平行于先前施加的场的方向固定，就好像在该方向上施加了内部“交换场”一样。

      就 SV 多层器件而言，对于小于 Hex 的应用场，只有自由层力矩会随着偏置场的变化而反转方向。 对于超过 Hex 的场，由于 AFM 层，施加的场将克服内部场，并且固定的 FM 层力矩也将反转它们的方向。 实际上，SV 中两个 FM 层的磁化方向的相对取向对于 0 < Happlied < Hex 是反平行的（高电阻），对于 Happlied > Hex 是平行的（低电阻）。

      不同的供应商通常使用不同的算法来提取或导出 Hex、Hcp 等的值。用于确定交换场的一种常用方法是对 M(H) 环路上升部分的两个区域（第 3 象限）应用独立的线性拟合 图 4 和 5)，外推到交点，然后内插到场轴。 VSM 软件包括用于自动提取此类参数的线性拟合算法。 图 5 显示了一个此类用于交换场确定的线性拟合过程的图形表示，该图显示了 SV 固定层环路的扩展视图。 还提供了线性拟合斜率和交叉点的值。

图 5：通常用于交换场确定的线性拟合程序的图示。

      除了主要或固定层环路的测量之外，磁化强度改变符号的零场附近区域通常也很受关注。 低场回路称为 SV 自由层回路，图 6 显示了 NiMn SV 样品的低场回路测量。 注意自由层环路的交换偏置。 通常从这部分循环中提取的三个参数是：

      Msf：自由层饱和时刻。

      Hcf：自由层矫顽力。

      Hilc：层间耦合场。

      自由层矫顽力是自由层回路的半宽度，层间耦合场是自由层通过非磁性间隔层与 AFM/FM 固定双层的残余耦合的量度。 如前所述，自由层环路属性的准确确定需要良好的场控制和分辨率，这些增强功能已纳入 VSM。

图 6：自由层循环的展开图。

      温度依赖性

      由于典型硬盘驱动器的运行温度升高，因此 SV 的结构和热稳定性对于它们作为读头的应用极为重要 13。此外，SV 的沉积后处理涉及高温退火，这可能导致多层结构因扩散质量传输或 AFM 层无序而退化。任何一种情况都会导致材料的磁阻响应降低。测量交换场的温度依赖性、Hex(T)、阻挡温度 TB 和剩余阻挡温度 TRB，实质上测量 AFM 层可以有效固定相邻 FM 层的热范围，以及开始材料的结构退化。这些对于确定读头应用材料的热稳定性以及研究新型 SV 结构非常重要。具有 FeMn、NiO、IrMn 和 NiMn 钉扎 AFM 层的 SV 的阻挡温度分别为 150、200、220 和 380 °C。因此，对于现代 SV 材料，需要至少 400 °C 的可变温度能力。

      为了响应这一要求，为 VSM 开发了大样品（至 1 英寸）非磁性炉组件选项。 非磁性炉是可取的，因为 SV 样品测量的力矩在环境温度下通常很小，并且随着温度的升高而降低。 此外，在不牺牲温度准确性或稳定性的情况下快速热变化允许在研究和 QC/QA 应用中进行快速表征。烤箱选项由非磁性或弱磁性组成部分构成，包括石英样品室、非磁性卤素灯夹具 用于样品、氮化硼样品架和钛辐射屏蔽的辐射加热。

  图 7 显示了 NiMn SV 的 Hex 对 300 °C 的温度依赖性，这是根据作为温度函数的 M(H) 回路测量确定的。

图 7：NiMn SV 的 Hex(T)。

      磁阻

      磁阻，作为磁场 R(H) 函数的电阻测量，也是 SV 计量要求。 GMR 效应通常表示为 MR 或磁阻比 DR/R = [ R(H) - R(Hsat) ]/R(Hsat)。 从图 8 和图 9 可以明显看出，低场分辨率和精度是这种测量的关键要求，也是通常从原始数据中提取的数量的关键要求。 由于这些已被纳入 VSM 以满足磁性计量要求，因此将磁阻测量纳入 VSM 平台是自然的延伸。 此外，这具有最小化成本的效果，无论是在资本设备购买方面，还是在与占用制造场地空间相关的管理费用方面。 磁阻测量选项配置有弹簧触点，便于样品处理、交换和接触。

      除了确定 MR 比率外，还从 MR 测量数据中提取其他参数，例如固定层环路属性（Hex、Hcp）和自由层环路属性（Hilc、Hcf）。 还开发了一种高温 MR 探头，可提供高达 400 °C 的 R(H) 测量，从而产生另一种研究 SV 热特性的方法。

      图 8 和图 9 分别显示了典型的固定层和自由层，以及 NiMn SV 样品 14 的 DR/R 与 H 曲线。 请注意在图 9 所示的自由层循环中可以获得和演示的出色场控制和分辨率。

图 8：NiMn SV 样品的固定层 R(H) 曲线 - Hex = 620 Oe，Hcp = 528 Oe。

图 9：NiMn SV 样品的自由层 R(H) 曲线 - Hilc = 9.45 Oe，Hcf = 3.71 Oe。

      结论

      已经讨论了振动样品磁力计对 GMR SV 磁特性表征的适用性。 当今先进的读头材料只能容忍非常小的磁特性变化，并且磁性计量学被用于控制和优化关键的薄膜沉积过程。 使用 VSM 提供过程中反馈可以及早发现有缺陷的产品，从而提高产量和盈利能力。

      隧道结设备可能代表下一代读头。 SV 由两个铁磁 (FM) 层组成，两个铁磁 (FM) 层由导电非磁性间隔层（例如，Cu）隔开，而隧道结由两个 FM 层由非磁性电绝缘层隔开。 隧道结（如自旋阀）表现出双态磁阻，这取决于两个铁磁层的相对方向，这适用于当前的数据存储模式。 目前的隧道结器件表现出 > 25% 的 MR 比率，而对于 SV，则为 < 10%，并且这种增加的灵敏度将允许进一步减小位尺寸，这意味着更小的轨道宽度和更大的轨道密度。 隧道结的磁滞回线甚至比 SV 更复杂，隧道结很可能需要磁计量工具（如 VSM）的进一步改进。