ZnO插层对超薄坡莫合金薄膜各向异性磁电阻的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)山东师范大学物理与电子科学学院 作者:王存涛

  利用多靶磁控溅射系统制备了一系列坡莫合金薄膜样品Ta(4nm)/ZnO(t)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(t)/Ta(3nm),研究了ZnO插层厚度、基片温度对坡莫合金薄膜各向异性磁电阻(AMR)和微结构的影响。利用四探针法测量薄膜样品的AMR值,利用X射线衍射仪分析样品的微结构。结果表明:由于ZnO插层的“镜面反射”作用,选择适当厚度的ZnO插层能够大幅度提高坡莫合金薄膜AMR值,对于厚度为20nm的Ni81Fe19薄膜,在基片温度为400℃时,通过插入2nm厚的ZnO插层使得AMR值较不加插层提高了11%。

  目前,在新型功能材料领域,磁性材料一直占有一席之地。各向异性磁电阻(AMR)坡莫合金(NiFe)薄膜由于其高灵敏度和低饱和磁场性质,被广泛应用于各种磁性传感器和磁盘读出系统。如今,虽然AMR作为磁头的功能已经被自旋阀等其他磁电子元件取代,但其角度敏感性的特征因具有不可替代的优点和广泛的应用前景而一直受到相关领域的关注。随着电子器件集成化和小型化的发展趋势,新型的磁性传感器要求坡莫合金薄膜必须做得很薄,并且要保证其AMR值和灵敏度尽可能高,而坡莫合金薄膜的AMR对制备工艺条件和薄膜本身的参量特别敏感,尤其是随着NiFe膜的厚度减小,其AMR值也会迅速下降。究其原因在于:厚度太薄的薄膜的结晶度较差,增加了电子散射强度;若NiFe膜的厚度太薄,则缓冲层与保护层的分流作用增强,导致AMR值减小;还有各层薄膜间的固相反应导致“磁死层”的出现破坏了薄膜微结构等。因此,需要探索出新的措施去解决这些问题,进而制备出厚度更薄,保持AMR值较大的坡莫合金薄膜。2002年,沈峰等[6]报道了利用纳米氧化层(NOL)的“镜面反射”作用制备出一种非连续纳米氧化层自旋阀,其巨磁电阻(GMR)效应高达15%,较无此NOL的自旋阀提高近1倍,同时交换偏置场亦有所增强。2007年王东伟和2009年丁雷等将几个纳米厚的Al2O3层插入Ta/NiFe/Ta薄膜的Ta/NiFe界面,结果表明:适当厚度和结构状态的Al2O3层可以提高薄膜的磁电阻值。与Al2O3比较,ZnO薄膜的结晶温度较低,该优势有利于抑制固相外扩散。如果以ZnO作为新的氧化插层,在提高坡莫合金AMR值和灵敏度的同时,可有效降低实验条件。本实验以ZnO作为Ta(4nm)/Ni81Fe19(20nm)/Ta(3nm)薄膜中Ta层和Ni81Fe19层界面处的纳米氧化层,研究氧化层ZnO的插入对坡莫合金薄膜AMR的影响。

1、实验

  本实验利用JGP-450型三靶磁控溅射系统在超薄康宁玻璃基片上制备Ta(4nm)/ZnO(tnm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(tnm)/Ta(3nm)薄膜。Ni81Fe19为直流磁控溅射靶,溅射功率为128W,溅射速率为0.273nm/s;Ta亦为直流磁控溅射靶,溅射功率为112W,溅射速率为0.258nm/s。ZnO为射频磁控溅射靶,溅射功率为100W,溅射速率为0.133nm/s。薄膜厚度由溅射速率与溅射时间共同控制。实验本底真空为5.8×10-4Pa,工作气体为99.99%的高纯氩气,工作压力为0.5Pa。在溅射的过程中,利用永磁铁提供磁场强度为19kA/m的磁场作为诱导磁场,沿膜面在磁场方向感生出一条易磁化轴。室温下,用非共线四探针法测量薄膜样品的AMR值,用X射线衍射(XRD)仪分析薄膜结构。

2、实验结果与讨论

  2.1、ZnO插层厚度对坡莫合金薄膜AMR的影响

  为研究ZnO插层厚度对坡莫合金薄膜AMR的影响,我们制备了一组Ta(4nm)/ZnO(tnm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(tnm)/Ta(3nm)薄膜,其中ZnO插层厚度t分别为0,0.5,1,1.5,2,3,4nm。图1是不同ZnO插层厚度下坡莫合金薄膜AMR值的变化曲线。由图可以看出,当t=0.5nm时,样品的AMR值由3.06%降低到2.96%,然后随着ZnO层厚度的增加,样品的AMR值随之升高,当t>2nm时,AMR值趋于稳定。

ZnO插层对超薄坡莫合金薄膜各向异性磁电阻的影响

图1 不同ZnO插层厚度下坡莫合金薄膜AMR值的变化曲线

  针对这一结果,分析如下:当ZnO层厚度0nm<t<0.5nm时,由于溅射到Ta层和Ni81Fe19层界面的ZnO分子较少,不足以形成形态稳定的薄膜,而是出现了Ta、Ni81Fe19、ZnO三种物质混合的不连续岛状结构,此结构严重影响Ni81Fe19层的正常生长,从而导致样品AMR值降低;当0.5nm<t<2nm时,样品的AMR值明显升高,这是由于随着ZnO层厚度增加,Ta层和Ni81Fe19层界面逐步形成连续的ZnO层,该层抑制界面处Ta与Ni81Fe19之间发生的固相反应,从而导致AMR值升高。此外,根据电子反射效应,插入的ZnO层,可以充当“镜面”,将分流的电子反射回来,减小了Ta层的分流作用,也使得样品的AMR值增大。当t>2nm时,随着ZnO层厚度的增加,“镜面反射”层对传导电子的散射作用不再增强,使其处于一种较为稳定的状态,最终使得样品的AMR值不再明显升高。对于薄膜厚度为20nm的薄膜,在基片温度为400℃时,通过插入2nm厚的ZnO插层使得AMR值从3.06%提高到3.37%(其MR曲线如图2所示),提高了近11%。

ZnO插层对超薄坡莫合金薄膜各向异性磁电阻的影响

图2 Ta(4nm)/ZnO(2nm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(2nm)/Ta(3nm)薄膜MR曲线(基片温度400℃)

  为研究ZnO插层厚度对坡莫合金薄膜AMR影响的微观机制,对已制备薄膜样品做了XRD分析。图3是插入ZnO层前后20nmNiFe薄膜的XRD图像。由图可以看出,衍射角2θ为44.4°处对应衍射峰为(111),其强度没有很明显的变化。也就是说,ZnO层的插入并没有改变坡莫合金薄膜的微观结构,使其仍能保持原来的磁性能。如上所述,插入ZnO层后,使得坡莫合金薄膜AMR值提高的主要因素在于:①Ta层和Ni81Fe19层界面形成连续的ZnO层可以抑制界面处Ta与Ni81Fe19之间发生的固相反应,从而导致AMR值升高。②插入的ZnO层充当“镜面”,将分流的电子反射回来,减小了Ta层的分流作用,并改善了自旋电子的散射途径,导致样品的AMR值增大。

ZnO插层对超薄坡莫合金薄膜各向异性磁电阻的影响

图3 插入ZnO层前后20nmNiFe薄膜的XRD图像

  2.2、基片温度对插入ZnO层的坡莫合金薄膜AMR的影响

  为研究基片温度对插入ZnO层的坡莫合金薄膜AMR的影响,在不同基片温度下制备了一组Ta(4nm)/ZnO(2nm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(2nm)/Ta(3nm)的薄膜样品,其中基片温度T分别取室温(25℃)、250,300,350,400,450,500℃。图4是不同基片温度下坡莫合金薄膜AMR值的变化曲线,其中a曲线为插入ZnO层的薄膜Ta(4nm)/ZnO(2nm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(2nm)/Ta(3nm);b曲线为未插入ZnO层的薄膜Ta(4nm)/Ni81Fe19(20nm)/Ta(3nm)。

ZnO插层对超薄坡莫合金薄膜各向异性磁电阻的影响

图4 不同基片温度下坡莫合金薄膜AMR值的变化曲线

  由图4可知,对于插入ZnO层的a曲线,随着基片温度的升高,样品的AMR值先升高后降低,当基片温度为400℃时,该曲线达到峰值为3.37%;对于未插入ZnO层的b曲线,随着基片温度的升高,样品AMR值也随之升高,当基片温度为450℃时,达到最大值3.27%,之后AMR值趋于稳定。比较插入ZnO层前后薄膜样品的AMR值的变化曲线,很容易看出,整体上插入ZnO层后,相对于不加插层的样品,其AMR值有明显的提高,尤其是在基片温度为300℃时,提高幅度最大为100%。

  为了分析基片温度对插入ZnO层的坡莫合金薄膜AMR影响的微观机制,对以上薄膜样品做了XRD测试。图5是插入2nm厚ZnO层后20nmNiFe薄膜的XRD图像,图中两个衍射峰所对应的衍射角2θ分别为44.4°,51.8°,对应衍射面的衍射指数分别为(111),(200)。由图可以看出,基片温度对插入ZnO层的坡莫合金薄膜的微观结构有明显的影响。当基片温度低于300℃时,由于溅射的Fe、Ni原子在膜面随机排列,未能够形成长程有序程度较高的相邻原子对,导致薄膜的结晶度很差,从而在图中只呈现出强度很弱的(111)衍射峰。当基片温度高于300℃时,(111)衍射峰的强度逐渐增大,这是因为随着基片温度的升高,一方面给溅射到基片上的原子提供的能量增强,促使其在基片表面做漂移运动,一方面有效减少了膜内晶粒间和膜与基片间的应力分布,使薄膜缺陷减少。根据散射机制,薄膜中晶界减少,从而减弱了对传导电子的散射,导致薄膜的电阻降低,最终使AMR值升高。当基片温度达到400℃时,XRD衍射谱仍在2θ=44.4°

  处为单一的(111)择优取向,而该取向正是坡莫合金薄膜的易磁化方向。随着基片温度的升高,谱线在2θ=51.8°处,出现(200)衍射峰,该峰的出现导致(111)择优取向的单向性降低,从而影响了坡莫合金薄膜的各向异性。这正符合了图4中,当基片温度达到400℃时,AMR值达到最大值,然后随着基片温度的升高反而降低。此外,过高的基片温度会使各层膜之间发生扩散,导致薄膜的各向异性降低。与Al2O3相比,ZnO可以在较低的基片温度和溅射功率下生长成结晶度高,晶粒取向好的薄膜。一个好的氧化物结晶层的形成,可有效增强对传导电子的反射,降低薄膜的电阻率,增大AMR值。从图4可以看出,当基片温度仅在300℃时,插入ZnO层后的NiFe薄膜的AMR值相对于无插层的NiFe薄膜提高了近100%。

ZnO插层对超薄坡莫合金薄膜各向异性磁电阻的影响

图5 不同基片温度薄膜的XRD图像

3、结论

  在Ta(4nm)/Ni81Fe19(20nm)/Ta(3nm)薄膜界面处插入纳米ZnO层,当基片温度低于400℃时,可有效提高坡莫合金薄膜样品的AMR值,其最佳ZnO插层厚度为2nm。在基片温度为300℃时,AMR值提高幅度最大约为100%,当基片温度为400℃时,薄膜AMR达到最大值。

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