激光快速退火对 NiMn/CoFe/AlOx/CoFe磁性隧道结多层膜热稳定性能
激光快速退火对 NiMn/CoFe/AlOx/CoFe磁性隧道结多层膜热稳定性能
本文采用磁控溅射法制备了结构为 Seed Ta(5 nm)/Ni50Mn50(20 nm)/Co75Fe25(5
nm)/AlOx(0.8 nm)/Co75Fe25(5 nm)/Cap Ta(8 nm)的隧道结多层膜。研究了不同溅射工
艺参数对薄膜成分的影响特点，分析了激光快速退火对磁性隧道结多层膜热稳定
性的影响。研究结果表明：
Mn 含量随着溅射气压的升高先降低后升高再趋于平稳；随着基体负偏压的升
高逐渐降低；随着靶基距的增大逐渐升高后趋于稳定；随着基体温度的升高逐渐
增加后趋于稳定；而溅射功率对 NiMn 薄膜 Mn 含量的影响较小。经激光退火后，
隧道结多层膜能产生显著的交换偏置效应。此外，在负饱和场等待时，交换偏置
场 Hex随着在负饱和场中等待时间的增加而减小，但矫顽力 Hc变化不大，与常规
退火相比，表现出良好的热稳定性。
关键词 交换偏置，隧道结多层膜，热稳定性，激光快速退火
1 绪论. 1
1.1 交换偏置 1
1.2 隧道磁电阻效应 2
1.3 磁性隧道结的基本结构和工作原理 3
1.4 激光退火技术 4
1.5 主要研究内容及意义. 4
1.6 主要研究途径 5
2 薄膜样品的制备及其磁性能的测试. 5
2.1 薄膜样品的制备 5
2.2 薄膜样品的退火处理. 7
2.3 磁性能的测试 7
3 磁性隧道结中的交换偏置及其热稳定性 . 9
3.1 基于 NiMn/CoFe 的磁性隧道结的制备 9
3.2 磁性隧道结的热稳定性. 15
结 论. 18
致 谢. 19
参考文献 . 20
1 绪论
1.1 交换偏置
1956 年，Meiklejohn 和 Bean[1]在 Co/CoO 双层膜中首次发现了交换偏置效应
(Exchange Bias Effect)。在外磁场中，将铁磁/反铁磁(FM/AFM)体系从高于反铁磁奈尔
温度(Neel Temperature)冷却到较低温度后，其铁磁(FM)层的磁滞回线将沿外磁场的方
向偏离坐标原点，矫顽力增加，则磁滞回线的偏离量被称为交换偏置场，通常记作
HE，且这种现象被称为交换偏置[2]。
1.1.1 交换偏置的物理机制
交换偏置及其单向各向异性可以用铁磁/反铁磁(FM/AFM)界面之间的交换耦合作
用来解释。图 1.1 为交换偏置产生的原理[3]。 图 1.1 FM/AFM 自旋构型的简单图像及其相对的不同阶段的磁滞回线
如图 1.1 所示，当铁磁/反铁磁(FM/AFM)体系的温度高于反铁磁奈耳温度(TN)并低
于铁磁居里温度(TC)时，反铁磁(AFM)层中的磁矩将呈无序分布状态，而铁磁(FM)层
中的磁矩在外磁场的作用下，将沿外磁场的方向有序分布(图 1.1(a))。当界面温度降到
反铁磁奈耳温度(TN)以下后，由于铁磁/反铁磁(FM/AFM)之间的交换耦合作用，在外
加磁场的作用下，界面处的反铁磁(AFM)层的磁矩将沿着相邻的铁磁(FM)层磁矩进行
平行或反平行排列，又由于反铁磁(AFM)层内的净磁矩为零，所以反铁磁(AFM)层内
的其他磁矩也将沿界面处的反铁磁(AFM)层的磁矩的顺序排列(图 1.1(b))。当外磁场发
生反转时，铁磁(FM)层的磁矩也将发生反转，但反铁磁(AFM)层由于单向各向异性较
大，仍保持着原来的方向排列(图 1.1(c))，同时由于铁磁/反铁磁(FM/ AFM)界面之间的
交换耦合作用，界面处的反铁磁(AFM)层磁矩对铁磁(FM)层磁矩有一定的扭转力，导
致铁磁(FM)层的磁矩仍沿着界面处反铁磁(AFM)层磁矩的方向排列 (图 1.1(d))，铁磁
(FM)层磁矩不能发生反转。因此，若要铁磁(FM)层磁矩发生完全的反转，就要加大外
磁场，以克服反铁磁(AFM)层对铁磁(FM)层产生的扭转力。当铁磁(FM)层磁矩反转后，
若外磁场又反转到初始方向时，此时的反铁磁(AFM)层磁矩的扭转力方向将和外磁场
的方向相同，铁磁(FM)层磁矩只要很小的磁场就可以发生反转(图 1.1(e))。因此，如
图中所示，铁磁(FM)层的磁滞回线对零场发生了偏移 [4]。
1.1.2 交换偏置的热稳定性
交换偏置的热稳定性是指薄膜的磁性能即矫顽力和交换偏置场在外界的作用下，
如外磁场或者温度的影响下发生变化的情况。在负饱和场中等待时，铁磁/反铁磁(FM/
AFM)双层膜由于反铁磁(AFM)层经过热激活而发生反转，所以随着负场等待时间的增
多，反铁磁(AFM)层的反转程度也将会增大，磁晶各向异性能减小，交换偏置场 HE
也随之减小。
1.2 隧道磁电阻效应
在由两个铁磁层夹着一个非磁绝缘层(FM/I/FM) 所构成的三明治结构的磁性隧
道 结 (MTJs) 中 发 现 的 磁 致 电 阻 效 应 ， 被 称 之 为 隧 道 磁 电 阻 效 应 (Tunneling
magnetoresistance，TMR)。当饱和磁化时，两个铁磁(FM)层的磁化方向是平行的，但
双边的矫顽力却不同，所以，当进行反向磁化时，矫顽力较小的一方的铁磁(FM)层的
磁化矢量先翻转，此时，两个铁磁(FM)层的磁化方向转变为反平行的状态。如图 1.2
所示，当两边的铁磁(FM)层的磁化方向处于平行状态时，一个磁性层中的多数自旋子
带的电子，将会进入另一层中的多数自旋子带的空态，并且其少数自旋子带的电子则
进入另一层中少数自旋子带空态，此时获得较大的总隧穿电流；如果两个磁性层的磁
化方向相互反平行，则在一层中的多数自旋子带的电子将会进入另一层的少数自旋子
带空态，且其中的少数自旋子带的电子将进入另一层中的多数自旋子带的空态，这种
情况将获得较小的隧穿电流。故而，当磁化矢量平行时，其电导将高于反平行时的电
导。因此，在磁性隧道结中，可以通过施加外磁场来控制两个铁磁层的磁化方向，继
而改变隧穿电阻，促使 TMR 效应的出现
本文采用磁控溅射法制备了结构为 Seed Ta(5 nm)/Ni50Mn50(20 nm)/Co75Fe25(5
nm)/AlOx(0.8 nm)/Co75Fe25(5 nm)/Cap Ta(8 nm)的隧道结多层膜。研究了不同溅射工
艺参数对薄膜成分的影响特点，分析了激光快速退火对磁性隧道结多层膜热稳定
性的影响。研究结果表明：
Mn 含量随着溅射气压的升高先降低后升高再趋于平稳；随着基体负偏压的升
高逐渐降低；随着靶基距的增大逐渐升高后趋于稳定；随着基体温度的升高逐渐
增加后趋于稳定；而溅射功率对 NiMn 薄膜 Mn 含量的影响较小。经激光退火后，
隧道结多层膜能产生显著的交换偏置效应。此外，在负饱和场等待时，交换偏置
场 Hex随着在负饱和场中等待时间的增加而减小，但矫顽力 Hc变化不大，与常规
退火相比，表现出良好的热稳定性。
关键词 交换偏置，隧道结多层膜，热稳定性，激光快速退火
1 绪论. 1
1.1 交换偏置 1
1.2 隧道磁电阻效应 2
1.3 磁性隧道结的基本结构和工作原理 3
1.4 激光退火技术 4
1.5 主要研究内容及意义. 4
1.6 主要研究途径 5
2 薄膜样品的制备及其磁性能的测试. 5
2.1 薄膜样品的制备 5
2.2 薄膜样品的退火处理. 7
2.3 磁性能的测试 7
3 磁性隧道结中的交换偏置及其热稳定性 . 9
3.1 基于 NiMn/CoFe 的磁性隧道结的制备 9
3.2 磁性隧道结的热稳定性. 15
结 论. 18
致 谢. 19
参考文献 . 20
1 绪论
1.1 交换偏置
1956 年，Meiklejohn 和 Bean[1]在 Co/CoO 双层膜中首次发现了交换偏置效应
(Exchange Bias Effect)。在外磁场中，将铁磁/反铁磁(FM/AFM)体系从高于反铁磁奈尔
温度(Neel Temperature)冷却到较低温度后，其铁磁(FM)层的磁滞回线将沿外磁场的方
向偏离坐标原点，矫顽力增加，则磁滞回线的偏离量被称为交换偏置场，通常记作
HE，且这种现象被称为交换偏置[2]。
1.1.1 交换偏置的物理机制
交换偏置及其单向各向异性可以用铁磁/反铁磁(FM/AFM)界面之间的交换耦合作
用来解释。图 1.1 为交换偏置产生的原理[3]。 图 1.1 FM/AFM 自旋构型的简单图像及其相对的不同阶段的磁滞回线
如图 1.1 所示，当铁磁/反铁磁(FM/AFM)体系的温度高于反铁磁奈耳温度(TN)并低
于铁磁居里温度(TC)时，反铁磁(AFM)层中的磁矩将呈无序分布状态，而铁磁(FM)层
中的磁矩在外磁场的作用下，将沿外磁场的方向有序分布(图 1.1(a))。当界面温度降到
反铁磁奈耳温度(TN)以下后，由于铁磁/反铁磁(FM/AFM)之间的交换耦合作用，在外
加磁场的作用下，界面处的反铁磁(AFM)层的磁矩将沿着相邻的铁磁(FM)层磁矩进行
平行或反平行排列，又由于反铁磁(AFM)层内的净磁矩为零，所以反铁磁(AFM)层内
的其他磁矩也将沿界面处的反铁磁(AFM)层的磁矩的顺序排列(图 1.1(b))。当外磁场发
生反转时，铁磁(FM)层的磁矩也将发生反转，但反铁磁(AFM)层由于单向各向异性较
大，仍保持着原来的方向排列(图 1.1(c))，同时由于铁磁/反铁磁(FM/ AFM)界面之间的
交换耦合作用，界面处的反铁磁(AFM)层磁矩对铁磁(FM)层磁矩有一定的扭转力，导
致铁磁(FM)层的磁矩仍沿着界面处反铁磁(AFM)层磁矩的方向排列 (图 1.1(d))，铁磁
(FM)层磁矩不能发生反转。因此，若要铁磁(FM)层磁矩发生完全的反转，就要加大外
磁场，以克服反铁磁(AFM)层对铁磁(FM)层产生的扭转力。当铁磁(FM)层磁矩反转后，
若外磁场又反转到初始方向时，此时的反铁磁(AFM)层磁矩的扭转力方向将和外磁场
的方向相同，铁磁(FM)层磁矩只要很小的磁场就可以发生反转(图 1.1(e))。因此，如
图中所示，铁磁(FM)层的磁滞回线对零场发生了偏移 [4]。
1.1.2 交换偏置的热稳定性
交换偏置的热稳定性是指薄膜的磁性能即矫顽力和交换偏置场在外界的作用下，
如外磁场或者温度的影响下发生变化的情况。在负饱和场中等待时，铁磁/反铁磁(FM/
AFM)双层膜由于反铁磁(AFM)层经过热激活而发生反转，所以随着负场等待时间的增
多，反铁磁(AFM)层的反转程度也将会增大，磁晶各向异性能减小，交换偏置场 HE
也随之减小。
1.2 隧道磁电阻效应
在由两个铁磁层夹着一个非磁绝缘层(FM/I/FM) 所构成的三明治结构的磁性隧
道 结 (MTJs) 中 发 现 的 磁 致 电 阻 效 应 ， 被 称 之 为 隧 道 磁 电 阻 效 应 (Tunneling
magnetoresistance，TMR)。当饱和磁化时，两个铁磁(FM)层的磁化方向是平行的，但
双边的矫顽力却不同，所以，当进行反向磁化时，矫顽力较小的一方的铁磁(FM)层的
磁化矢量先翻转，此时，两个铁磁(FM)层的磁化方向转变为反平行的状态。如图 1.2
所示，当两边的铁磁(FM)层的磁化方向处于平行状态时，一个磁性层中的多数自旋子
带的电子，将会进入另一层中的多数自旋子带的空态，并且其少数自旋子带的电子则
进入另一层中少数自旋子带空态，此时获得较大的总隧穿电流；如果两个磁性层的磁
化方向相互反平行，则在一层中的多数自旋子带的电子将会进入另一层的少数自旋子
带空态，且其中的少数自旋子带的电子将进入另一层中的多数自旋子带的空态，这种
情况将获得较小的隧穿电流。故而，当磁化矢量平行时，其电导将高于反平行时的电
导。因此，在磁性隧道结中，可以通过施加外磁场来控制两个铁磁层的磁化方向，继
而改变隧穿电阻，促使 TMR 效应的出现
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