Физика металлов и металловедение, 2020, T. 121, № 8, стр. 794-801

ВВЕДЕНИЕ

Обладающие гигантским магниторезистивным эффектом многослойные наноструктуры типа спиновый вентиль или спиновый клапан используются в микроэлектронике в качестве магниточувствительных материалов.

В состав спинового клапана входят два ферромагнитных слоя, которые разделены слоем меди. Один из ферромагнитных слоев (пиннингованный) соседствует со слоем антиферромагнетика и связан с ним обменным взаимодействием. В результате возникает однонаправленная анизотропия, характеризуемая осью однонаправленной анизотропии (ООА). Петля гистерезиса перемагничивания этого слоя сдвинута в область больших полей. Второй ферромагнитный слой называется свободным и перемагничивается в малых полях.

Для увеличения термической стабильности характеристик спинового клапана пиннингованный слой замещают синтетическим антиферромагнетиком (САФ) [1–3]. САФ представляет собой трехслойную наноструктуру в которой два ферромагнитных слоя F1 и F2 разделены слоем рутения и связаны антиферромагнитным обменным взаимодействием. Слой F1 соседствует со слоем антиферромагнитного сплава и называется пиннингованным, а слой F2 – референтным.

В магниточувствительных устройствах часто соединяют четыре сенсорных элемента в мост Уитстона для уменьшения температурного дрейфа выходного сигнала. Для повышения уровня сигнала используют полный мост Уитстона, в котором каждый из элементов вносит вклад в выходной сигнал [4–6]. Для этого у двух элементов моста характеристика dR/dH должна быть положительной, а у двух других – отрицательной. В спиновых клапанах такие характеристики получаются, если ООА у них взаимно попарно противоположны. Известны разные способы получения такого расположения ООА.

Для спиновых клапанов с верхним расположением антиферромагнетика применяют двухэтапное напыление структур с противоположными ООА на разные части подложки. [7]. Еще один способ основан на том, что на одну часть подложки напыляют обычный спиновый клапан, а на другую – спиновый клапан с САФ. Противонаправленные ООА1 и ООА2 в разных частях подложки формируются в процессе термомагнитной обработки (ТМО) [8, 9]. В [7] показано как можно выборочно изменить ООА в двух элементах моста Уитстона, пропуская через них ток в процессе ТМО. При этом только эти два элемента прогреются до температуры блокировки (T_b), при которой разрушается взаимодействие на границе ферромагнетик/антиферромагнетик.

При напылении в магнитном поле в спиновом клапане формируются два вида магнитной анизотропии: одноосная, характеризуемая осью легкого намагничивания (ОЛН), и однонаправленная, задающая ООА. После напыления ООА можно изменить при помощи ТМО, то есть отжига при T > T_b и последующего охлаждения в магнитном поле. После охлаждения формируется новая ООА, которая направлена также, как магнитный момент прилежащего к антиферромагнетику слоя. Для спиновых клапанов с САФ новая ООА зависит не только от направления, но и от величины приложенного при охлаждении поля. Причина состоит в том, что при определенной величине поля (H_sf) САФ переходит в спин-флоп состояние [10, 11]. В спин-флоп состоянии магнитные моменты слоев F1 и F2 в плоскости пленки противонаправлены и перпендикулярны приложенному полю.

Когда при переходе в спин-флоп состояние повороты магнитных моментов слоев F1 и F2 по и против часовой стрелки энергетически эквивалентны, то в пленке спинового клапана образуются две магнитные фазы с взаимно противоположными ООА [12, 13]. Если поворот в одну из сторон энергетически более предпочтителен, то в спиновом клапане формируется одна ООА. В этом случае спиновый клапан обладает большой величиной магнитосопротивления и характерной прямоугольной формой полевой зависимости магнитосопротивления. Ранее мы показали, что при отклонении поля H_sf от ООА или ОЛН поворот магнитных моментов слоев F1 и F2 в одну из сторон становится энергетически более выгодным [14, 15]. При помощи такой ТМО формируют взаимно перпендикулярное расположение ООА и ОЛН [16], что значительно ослабляет гистерезис перемагничивания свободного слоя.

Основанный на свойствах САФ способ получения разных ООА в элементах моста Уитстона был предложен в [17]. Однако в том случае угол между ООА спин-вентильных элементов в мосте Уитстона существенно отличался от 180°, что снижает уровень выходного сигнала.

В настоящей работе мы исследуем процесс пошагового поворота ООА в спин-вентильных элементах моста Уитстона при последовательных термомагнитных обработках, направленных на формирование магнитных фаз с антипараллельными ООА в разных элементах. Для получения антипараллельных ООА используется двух фазное спин-флоп состояние синтетического антиферромагнетика и наведенная одноосная магнитная анизотропия.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Спиновые клапаны композиции Ta(50 Å)/ (Ni₈₀Fe₂₀)₆₀Cr₄₀(50 Å)/Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀(35 Å)/Cu (20 Å)/ Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀(35 Å)/Ru(8 Å)/Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀(30 Å)/ Fe₅₀Mn₅₀(100 Å)/Ta(50 Å) были изготовлены методом магнетронного напыления. Толщины слоев указаны в скобках в ангстремах. Напыление проводилось в магнитном поле 80 Э, приложенном в плоскости подложки. Входящая в состав спинового клапана структура CoFeNi/Ru/CoFeNi является САФ. Изготовленные спиновые клапаны обладают высоким совершенством микроструктуры, гладкими межслойными границами и ярко выраженной текстурой 〈111〉. Благодаря этим особенностям формируется антиферромагнитное обменное взаимодействие между свободным (FL) и референтным слоем. В результате максимальное магнитосопротивление достигает 11%, а сдвиг петли гистерезиса перемагничивания свободного слоя от H = 0 составляет не более 1 Э [18].

Микрообъекты в виде мостов Уитстона, имеющих форму ромба с контактными площадками, расположенными по вершинам, изготавливали при помощи оптической литографии. Сторонами ромба являются спин-вентильные элементы длиной 3800 мкм и шириной – 30 или 20 мкм (рис. 1). Угол при вершине ромба составлял 30°.

Рис. 1.

Фотография (слева) и схематическое изображение (справа) микрополосок, образующих мост Уитстона, контактных площадок и расположения масок при напылении.

Пленку спинового клапана напыляли в два этапа. На первом этапе при напылении часть подложки прикрывали маской. На втором этапе приложенное поле поворачивали на 90 градусов, расположение маски меняли и напыляли ту же наноструктуру на свободную часть подложки. В разных частях пленки получали взаимно перпендикулярные направления ОЛН1 и ОЛН2. После изготовления моста Уитстона это различие относилось к микрополоскам, образующим ромб.

После напыления спинового клапана в магнитном поле ОЛН и ООА параллельны. В процессе ТМО направление ООА можно изменить, однако ОЛН сохраняется. При ТМО образец нагревали до T = 175°С и потом охлаждали в поле (H_TMО), приложенном вдоль длинной диагонали ромба. Мы использовали три последовательных ТМО при разных H_TMО.

ТМО и измерения полевой зависимости магнитосопротивления проводили в установке, собранной на базе электромагнита и температурного контроллера. Магнитосопротивление определяли как ΔR/R_s = (R(H) – R_s)/R_s, где R(H) – сопротивление элемента в магнитном поле и R_{s –} сопротивление в поле насыщения (H_sat). При измерении вольт-эрстедной характеристики моста Уитстона постоянное напряжение U_in = 1 В подавали на контактные площадки в острых углах ромба. Измеряемый сигнал U_out(H) снимали с контактных площадок в тупых углах ромба.

Для наблюдения магнитной структуры использовали многофункциональный сканирующий зондовый микроскоп СОЛВЕР НЕКСТ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Формирование магнитных фаз в спин-флоп состоянии синтетического антиферромагнетика. Для определения величины поля H_sf мы измерили полевую зависимость магнитосопротивления при T = 175°С. При этой температуре обменное взаимодействие в интерфейсе CoFeNi/FeMn разрушено, и магниторезистивная кривая симметрична относительно H = 0 (рис. 2). Пологие максимумы магнитосопротивления в положительной и отрицательной области полей обусловлены переходом САФ в спин-флоп состояние. Поле H_sf оценивали по положению этих максимумов [14].

Рис. 2.

Полевая зависимость магнитосопротивления спинового клапана при T = 175°C. Жирная, тонкая и штриховая стрелки обозначают направление магнитных моментов слоев F1, F2 и свободного слоя.

В пленке спинового клапана с САФ в зависимости от условий ТМО формируются одна или две магнитные фазы.

На рис. 3 показаны полевые зависимости магнитосопротивления спинового клапана, полученные после разных режимов ТМО в поле, направление которого совпадает с направлением поля, приложенного при напылении спинового клапана. Т.е. H_ТМО || ОЛН и параллельно ООА, сформированной при напылении. После ТМО в поле 9 кЭ, превышающем поле насыщения, во всей пленке сформировалась одна ООА. Магниторезистивная кривая имеет характерную для спинового клапана форму. Плато в отрицательной области полей соответствует состоянию с максимальным магнитосопротивлением. После ТМО в поле H_ТМО = H_sf = 1 кЭ магниторезистивная кривая имеет совершенно другую форму. В частности, максимальная величина магнитосопротивления стала в два раза меньше, и на кривой имеются два плато: одно – в положительных, а другое – в отрицательных полях. Такая форма магниторезистивной кривой получается, если в разных областях пленки спинового клапана сформировались взаимно противоположные ООА. Иными словами, после ТМО в поле H_sf в спиновом клапане сформировались две магнитные фазы.

Рис. 3.

Полевые зависимости магнитосопротивления, полученные после ТМО в поле, превышающем поле насыщения (линия), и в поле спин-флоп перехода (символы). На вставках показаны направления поля, приложенного при ТМО и при измерении, а также ООА, полученные после ТМО.

На рис. 4 показаны результаты визуализации магнитной структуры, полученные для пленки спинового клапана после ТМО в поле H_sf. Видны области с разным магнитным контрастом, которые соответствуют областям с противоположным направлением ООА.

Рис. 4.

Изображение магнитной структуры пленки спинового клапана после ТМО в поле спин-флоп состояния. На вставке показаны направления магнитных моментов в слоях наноструктуры для двух разных магнитных фаз.

ОДНООСНАЯ МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ КАК ФАКТОР УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ ОДНОНАПРАВЛЕННОЙ АНИЗОТРОПИИ В ЭЛЕМЕНТАХ МОСТА УИТСТОНА

На рис. 5 схематически показаны оси ОЛН1 и ОЛН2 в микрополосках моста Уитстона R2, R4 и R1, R3. Обозначенные на рис. 5 ООА1 и ООА2 были сформированы путем ТМО всей микроструктуры. Для формирования такого взаимного расположения ООА в спин-вентильных элементах мы использовали три последовательных ТМО. Они проводились в едином цикле. Положение образца по отношению к приложенному вдоль большей диагонали ромба полю H_ТМО не изменялось.

Рис. 5.

Микрополоски R1, R2, R3 и R4, образующие мост Уитстона, контактные площадки, направления легких осей и поля, приложенного при ТМО, а также ООА, сформированные в результате ТМО. Справа – электрическая схема моста Уитстона.

На рис. 6 схематически показаны элементы моста Уитстона, направления ОЛН, поля H_ТМО, магнитных моментов обменно-связанных слоев F1 и F2 и ООА, полученные после каждой из трех ТМО. Эти направления для элементов R1, R3 и R2, R4 показаны на рис. 6a и 6б, соответственно. Первая ТМО в поле H_ТМО = –9 кЭ проводилась для того чтобы сформировать во всех спин-вентильных элементах одинаковые ООА. Поле – 9 кЭ по величине больше поля насыщения, и магнитные моменты всех ферромагнитных слоев противоположны положительному направлению магнитного поля. После каждой ТМО новая ООА направлена так же как магнитный момент слоя F1, соседствующего с антиферромагнетиком.

Рис. 6.

Схематическое изображение осей легкого намагничивания, поля, приложенного при ТМО, магнитных моментов слоев F1 и F2 и ООА, полученных после каждой ТМО в элементах R1, R3 (a) и R2, R4 (б).

Вторая ТМО проводилась в как можно более близком к H = 0 поле. Если H_ТМО меньше характерного поля антиферромагнитного обменного взаимодействия через слой рутения и характерного поля анизотропии, то магнитные моменты слоев F1 и F2 противонаправлены и параллельны оси анизотропии. Величина поля обменного взаимодействия через слой Ru составляет 1 кЭ. Для микрополосок шириной 20 и 30 мкм характерное поле наведенной при напылении одноосной анизотропии составляет 10–15 Э, а поле анизотропии формы не превышает 4 Э. Эти оценки позволяют предположить, что в процессе второй ТМО для магнитных моментов M_F1 и M_F2 энергетически выгодно будет развернуться параллельно ОЛН. А именно, в элементах R1 и R3 M_F1 и M_F2 будут ориентированы так как показано на рис. 6a, а в элементах R2 и R4 – как показано на рис. 6б. Тогда после второй ТМО оси однонаправленной анизотропии в элементах моста Уитстона будут параллельны ОЛН элемента и направлены по-разному в R1, R3 и R2, R4 (рис. 6). Такая ориентация ООА необходима для того, чтобы в третьей ТМО при переходе в спин-флоп состояние в элементах R1 и R3 энергетически выгодным бы поворот M_F1 и M_F2 против часовой стрелки, а в элементах R2 и R4 – по часовой стрелке.

Третья ТМО проводилась в поле H_ТМО = H_sf. После третьей ТМО получилось близкое к антипараллельному взаимное расположение ООА в элементах R1, R3 и R2, R4 (рис. 5, 6).

Ранее было показано, что для ослабления гистерезиса перемагничивания свободного слоя путем формирования скрещенной конфигурации ООА и ОЛН наиболее эффективной является ТМО в поле, незначительно превышающем поле перехода в спин-флоп состояние [15]. Были протестированы режимы ТМО, в которых величина поля, приложенного при третьей ТМО, была близка к H_sf и составляла 1.0, 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 кЭ. Наиболее слабый гистерезис был получен при H_ТМО = 1.2 кЭ.

На рис. 7 показаны полевые зависимости магнитосопротивления полученные для каждого элемента моста Уитстона с шириной дорожек 30 мкм после трех описанных выше ТМО. Элементы R1 и R3 имеют положительную характеристику dR/dH, а R2 и R4 – отрицательную. На вставке рис. 7 магниторезистивные кривые показаны в широком интервале полей. Во всех элементах помимо желательной магнитной фазы присутствует и нежелательная с противоположным направлением ООА. Особенно это заметно для элементов R1 и R3. Присутствие этой фазы видно по дополнительному плато на магниторезистивной кривой в отрицательных полях для элементов R1 и R3 и в положительных – для элементов R2 и R4. Однако величина магнитосопротивления в области этих дополнительных плато мала, следовательно, количество нежелательной фазы тоже мало. Проведенные ТМО привели к формированию в элементах моста Уитстона таких ООА, при которых мост будет работать как полный.

Рис. 7.

Полевые зависимости магнитосопротивления спин-вентильных элементов моста Уитстона с шириной дорожек 30 мкм, полученные после трех ТМО. На вставке показаны те же магниторезистивные кривые в более широком интервале полей.

На рис. 8 показаны полевые зависимости напряжения U_out на измерительной диагонали от магнитного поля или так называемая вольт-эрстедная характеристика для моста Уитстона с шириной дорожек 30 мкм. Поле было приложено под углом α = 0° и 30° к короткой диагонали ромба. При α = 0 ширина петли гистерезиса U_out(H) составила 5 Э. При отклонении поля на α = 30°  ширина петли уменьшилась до 2 Э. При α = 0° и 30° градусов была получена чувствительность 3.8 и 2.5 мВ/В/Э, соответственно.

Рис. 8.

Зависимости напряжения U_out от магнитного поля, приложенного вдоль короткой диагонали ромба (символы) и под углом 30° к ней (линия), полученные для моста Уитстона с шириной дорожек 30 мкм.

Процедура из трех последовательных ТМО была проведена и для моста Уитстона с шириной дорожек 20 мкм. На рис. 9 показана вольт-эрстедная характеристика, измеренная в поле, приложенном параллельно короткой диагонали ромба. Ширина петли гистерезиса U_out(H) в самой широкой части не превышает 5 Э. Чувствительность составляет 7.7 мВ/В/Э.

Рис. 9.

Зависимость напряжения U_out от магнитного поля, приложенного вдоль короткой диагонали ромба, полученная для моста Уитстона с шириной дорожек 20 мкм.

Для полного моста Уитстона, в котором каждый из четырех элементов сопротивлением R изменяет в магнитном поле сопротивление на величину ΔR, соотношение между напряжением питания U_in и величиной измеряемого сигнала U_out можно оценить [4] как

Для спиновых клапанов, которые являются магниточувствительными элементами, в исследуемом мосте Уитстона отношение ΔR/R составляет 0.11 (рис. 3). В свою очередь, соотношение между амплитудой снимаемого сигнала и поданным на мост напряжением питания для образца с шириной дорожек 30 мкм равно U_out/U_in = 0.10. Эти оценки позволяют заключить, что магнитное состояние спиновых клапанов в мосте близко к однофазному, и направления пиннинга в R1, R3 и R2, R4 антипараллельны. Иными словами, мы получили полный мости Уитстона, в котором каждый элемент вносит вклад в измеряемый сигнал.

Отметим, что величины чувствительности 2.5 и 7.7 мВ/В/Э в случае безгистерезисной и слабо гистерезисной U_out(H) характеристики являются достаточно высокими. Для сравнения, чувствительность 1.6 мВ/В/Э была получена для моста Уитстона с двумя активными элементами и концентраторами магнитного потока [19]. На сегодняшний день типичные значения чувствительности, получаемые для сенсоров со слабым гистерезисом при использовании моста Уитстона с двумя активными элементами и магнитными концентраторами, не превышают 4.2 мВ/В/Э. В случае конфигурации полного моста Уитстона типичные значения чувствительности составляют от 0.1 до 3 мВ/В/Э [7, 9, 17].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для спиновых клапанов с синтетическим антиферромагнетиком, объединенных в имеющий форму ромба мост Уитстона, найдена последовательность и режимы термомагнитных обработок, приводящих к формированию антипараллельных осей однонаправленной анизотропии. Различие в направлении формируемого на границе ферромагнетик/антиферромагнетик обменного сдвига вызвано различиями в направлении оси одноосной анизотропии в спин-вентильных элементах моста Уитстона.

Найденная последовательность состоит из трех термомагнитных обработок, проведенных в магнитном поле разной величины, но одинакового направления. Последняя термомагнитная обработка проводится в спин-флоп состоянии синтетического антиферромагнетика так, что магнитные фазы с противоположными осями однонаправленной анизотропии формируются в разных спин-вентильных элементах моста Уитстона.

Предлагаемый способ позволяет проводить термомагнитную обработку после литографического изготовления микрообъектов. Такая обработка необходима для восстановления магниторезистивных характеристик спиновых клапанов. Эта особенность является преимуществом данного способа перед двухэтапным напылением на одну подложку спиновых клапанов с противоположным обменным сдвигом.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме “Спин” АААА-А18-118020290104-2 и при поддержке РФФИ (грант 19-02-00057 и 20‑42-660018 p_a).