專利名稱：一種超高靈敏磁電阻薄膜材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及磁性薄膜材料，特別是涉及高靈敏磁電阻薄膜材料及其制備方法。
背景技術：
各向異性磁電阻(AMR)坡莫合金薄膜材料(NiFe)可用來制作計算機硬盤讀頭、磁 性隨機存儲器和各類磁傳感器等應用器件，廣泛地用于自動化技術、家用電器、導航系統、 移動通訊、大容量存儲器和計算機等領域，尤其是在進行地磁測量時，AMR薄膜材料較巨磁 電阻(GMR)和隧道磁電阻(TMR)薄膜材料具有更好的方向敏感性，且各向異性磁電阻率與 角度有定量關系P ( 9 ) = P ± +A p cos2 e ，所以這種材料在地磁導航等領域更具有廣闊 的應用前景。另外，AMR器件的電阻值比TMR器件的電阻值小得多，這非常有利于器件的 使用。為了實現先進的磁傳感器等器件的高靈敏度和低噪聲等特點，要求NiFe薄膜必須 做的很薄，矯頑力很小，且AMR值盡可能大，磁場靈敏度盡可能高。實際器件制作時，通常 薄膜材料主要結構為Ta/NiFe/Ta，為了進一步減小退磁場，NiFe厚度通常只有幾個到十幾 個納米；另外，工藝中也可能需要在一定溫度下處理材料或器件，此時薄膜界面處固相反應 所導致的"磁死層"不可忽略。同時，種子層和保護層的分流作用也更加明顯，此時薄膜材 料難以還保持良好的磁電阻變化率(AR/R)和磁場靈敏度(Sv)。為了保證超薄的NiFe薄 膜具有更大的磁電阻變化率及更高的磁場靈敏度，以適應磁傳感器等方面的需要，在文獻 W. Y丄ee，M. Toney， P. Tameerug， E.Allen and D. Mauri ， J. Appl. Phys. 87， 6992 (2000)中提 出用(Ni。.81Fe。. 19)卜xCrx或N^—xCrx做種子層制備出的Ni。.81Fe。. 19薄膜，其AMR值比以Ta為 種子層的Ni。.81Fe。.19薄膜的AMR值有顯著的提高，如12nm厚NiFe薄膜的AMR值已經達到 3. 2%，但對于只有幾個到十幾個納米的NiFe而言，尤其是在退火后難以保證其磁場靈敏 度提高。在文獻H. Funaki， S. Okamoto， 0. Kitakami， and Y. Shimada， Jpn. J. Appl. Phys.， Part 233， L1304(1994)中提出利用退火可以顯著提高坡莫合金薄膜材料的AR/R值，如 20nm厚的坡莫合金薄膜，在40(TC退火以后，A R/R值可以達到3. 5%，但這是在沒有緩沖層 和保護層的條件下得到的，當制作AMR器件時，使用緩沖層和保護層時，并且薄膜厚度只有 幾個到十幾個納米時，退火后也難以做到保持AR/R和Sv的良好指標。在文獻Lei Ding， Jiao Teng，Qian Zhan，Chun Feng，Ming—hua Li，Gang Han，Li_jin Wang，Guang_hua Yu， andShu-yun Wang， Appl. Phys. Lett. 94， 162506 (2009)中設計了 一種新的結構Ta/Al203/ NiFe/Al203/Ta薄膜，在380。C退火后，Ta 5nm/Al203l. 5nm/NiFe 10nm/Al203l. 5nm/Ta 5nm磁 電阻變化率較Ta 5nm/NiFel0nm/Ta 5nm提高了 250% ，且磁場靈敏度提高了 150% ，達到磁 場靈敏度1. 3% /Oe，但其磁場靈敏度與隧道磁電阻(TMR)薄膜材料相比仍有較大的差距， 主要原因之一是八1203非常難晶化，必須尋找其他易晶化的氧化物，使其對自旋電子的散射 發揮到最大作用，以提高AR/R和Sv。
發明內容
本發明的目的在于提出一種磁電阻薄膜材料結構，以滿足對超高磁場靈敏磁電阻薄膜材料的需要。 為了實現本發明的目的，提出一種超高靈敏磁電阻薄膜材料，該磁電阻薄膜材料 結構為緩沖層/MgO/NiFe/Mg0/保護層。 所述MgO層是通過高溫退火處于結晶狀態的非磁納米氧化層。
所述緩沖層可以是Ta、 NiFeCr或NiCr。
所述保護層可以是Ta或Au。 所述磁電阻薄膜材料各層的厚度具體為緩沖層30 200A，Mg0l0 100A， NixFei。。—x50 300A，MgOio 100A，保護層0 150A，其中70 < x < 90。 本發明還提出一種制備上述超高靈敏磁電阻薄膜材料的制備方法，具體制備步驟 為 所述磁電薄膜材料是在磁控濺射儀中制備，在清洗干凈的玻璃基片或單晶硅基
片上依次沉積所述緩沖層(30 200A ) /MgO(10 IOOA) /NixFe100—x( 50 300A ) / MgO(10 100A)/保護層(0 150A)，其70 < x < 90。 濺射室本底真空度為1X10—5 6X10—5Pa，濺射時氬氣壓為0. 2 0. 7Pa，氬氣的 純度為99. 99X，基片用循環水冷卻，平行于基片方向加有150 2500e的磁場，以誘發一個 易磁化方向； 然后將所述磁電阻薄膜材料在真空退火爐中進行真空磁場熱處理，退火爐本底真 空度為2X10—5 8X10—spa，退火溫度400 60(TC，退火時間為10分鐘 6小時，退火場 500 10000e。 本發明的優點在于由于在材料結構設計中具有納米厚度的非磁氧化層-MgO層， 既阻礙緩沖層與NiFe層間的擴散，又可以改善自旋電子散射途徑，經過真空磁場熱處理后 獲得了具有晶化結構的非磁氧化層和良好的NiFe磁疇結構，從而提高了薄膜材料的磁場 靈敏度。主要優點不僅是材料結構設計簡單，制作方便，磁場靈敏度提高明顯，基本上能夠 與某些隧道磁電阻(TMR)薄膜材料的磁場靈敏度相當；更重要的是加工成元件后能和相應 某些TMR元件磁場靈敏度相當(但其元件設計比TMR元件設計要簡單)；同時，克服了以往 材料體系工藝中當NiFe層較薄時在一定溫度下處理材料或器件帶來的薄膜界面處固相反 應所導致的"磁死層"，從而為制作計算機硬盤讀頭、磁性隨機存儲器和各類磁傳感器等應 用器件提供了一種實用材料。
圖1為Ta(40A)/Mg0(30A)/Ni^Fei9(120A)/Mg0(60A)/Ta(50A薄膜磁電
阻輸出曲線，縱坐標表示磁電阻變化率，橫坐標表示外加測量磁場；
圖2為磁電阻傳感元件的結構示意圖； 圖3為NiFeCr (50A) / (MgO 45 A) /Ni8。Fe2。 ( BOA ) / (MgQ 50 A:) /Au ( gOA)薄
膜按圖2設計加工成寬為30微米的磁電阻傳感元件電壓信號輸出曲線。
具體實施方式
實施例l 在磁控濺射儀中制備磁性薄膜。首先將玻璃基片用有機化學溶劑和去離子水超聲清洗干凈，然后裝入濺射室樣品基座上。基片用循環水冷卻，平行于基片方向加有1500e的 磁場。濺射室本底真空3X 10—5Pa，在濺射時氬氣(純度為99. 99% )壓為0. 5Pa的條件下 依次沉積Ta (40A) /Mg0 (30A ) /Ni81Fe19 (120A ) /MgO ( 60A) /Ta ( 50A )。然后將薄膜材 料進行真空磁場熱處理，退火爐本底真空度為8X10—spa，退火溫度40(TC，退火時間為0. 5 小時，退火場S000e，制得薄膜。 圖1是用常規的四探針方法測的該薄膜材料的磁電阻輸出曲線，其磁場靈敏度最 大為2.0% 0e，比文獻Lei Ding， Jiao Teng， Qian Zhan， Ch皿Feng， Ming-hua Li， Gang Han，Li-jin Wang， Guang-hua Yu，andShu-y皿Wang，Appl. Phys丄ett. 94， 162506 (2009)中 相應的同條件下NiFe的磁場靈敏度高的多，高分辨電鏡表明了MgO層晶化良好。
實施例2 在磁控濺射儀中制備磁性薄膜。首先將單晶Si (001)基片用有機化學溶劑和去離 子水超聲清洗干凈，然后裝入濺射室樣品基座上。基片用循環水冷卻，平行于基片方向加有 2500e的磁場。濺射室本底真空4X 10—spa，在濺射時氬氣(純度為99. 99% )壓為0. 4Pa的 條件下依次沉積NiFeCr ( 50A ) / (MgO 45 A ) /Ni8。Fe2。 ( 130A ) / (MgO 50 A ) /Au ( 80A )。 然后將薄膜材料進行真空磁場熱處理，退火爐本底真空度為4X10—spa，退火溫度50(TC，退 火時間為2小時，退火場9000e，制得薄膜。用常規的四探針方法測的該薄膜材料的磁電阻 輸出曲線，其磁場靈敏度最大為2. 3% /0e。再通過一般的半導體加工工藝將薄膜材料加工 成線寬為30微米的磁電阻傳感元件；一般的半導體加工工藝是指甩膠、曝光、顯影、堅膜、 刻蝕等。 圖2是磁電阻傳感元件的結構示意圖，圖3是磁電阻傳感元件的電壓信號輸出 曲線，其磁場靈敏度已高達3. 2mV/V/Oe，這一指標基本上與相應條件下某些隧道磁電阻 (TMR)傳感元件的相當。
權利要求
一種超高靈敏磁電阻薄膜材料，其特征在于，所述磁電阻薄膜材料結構為緩沖層/MgO/NiFe/MgO/保護層。
2. 如權利要求l所述的薄膜材料，其特征在于，所述MgO層是通過高溫退火處于結晶狀 態的非磁納米氧化層。
3. 如權利要求1所述的薄膜材料，其特征在于，所述緩沖層是Ta、NiFeCr或NiCr。
4. 如權利要求1所述的薄膜材料，其特征在于，所述保護層是Ta或Au。
5. 如權利要求1 4所述的薄膜材料，其特征在于，所述磁電阻薄膜材料各層的厚度 為緩沖層30 200 A，MgO 10 100 A，NixFe1(1。—x 50 300A，Mg0 10 100A，保護層 0 150 A ，其中70 < x < 90。
6. 制備如權利要求1 5所述超高靈敏磁電阻薄膜材料的制備方法，其特征在于， 所述磁電阻薄膜材料是在磁控濺射儀中制備，在清洗干凈的玻璃基片或單晶硅基片上依次沉積所述緩沖層/MgO/NixFe,乂MgO/保護層；濺射室本底真空度為1X10—5 6X10—5pa，濺射時氬氣壓為0. 2 0. 7Pa，基片用循環水冷卻，平行于基片方向加有150 2500e的磁場，以誘發一個易磁化方向；然后將所述磁電阻薄膜材料在真空退火爐中進行真空磁場熱處理，退火爐本底真空度 為2 X 10—5 8 X 10—5Pa，退火溫度400 600°C ，退火時間為10分鐘 6小時，退火場500 10000e。
7. 如權利要求6所述的磁電阻薄膜材料的制備方法，其特征在于，所述濺射時氬氣的 純度為99. 99%。
8. 如權利要求7所述的磁電阻薄膜材料的制備方法，其特征在于，在玻璃基片上依 次沉積Ta 40A，MgO 30A，Ni81Fe19 120 A， Mg060 A， Ta 50 A;濺射室本底真空3 X 10—5 Pa，在濺射時氬氣壓為O. 5Pa，平行于基片方向加有1500e的磁場；退火爐本底真空度為 8X10—spa，退火溫度40(TC，退火時間為0. 5小時，退火場8000e。
9. 如權利要求7所述的磁電阻薄膜材料的制備方法，其特征在于，在單晶Si(001)基片 上依次沉積NiFeCr 5。A，MgO 45 A， Ni80Fe20130 A， MgO 50A，Au 80 A;濺射室本底真空 4X10—5 Pa，在濺射時氬氣壓為O. 4Pa，平行于基片方向加有2500e的磁場；退火爐本底真空 度為4X10—spa，退火溫度50(TC，退火時間為2小時，退火場9000e。
全文摘要
一種超高靈敏磁電阻薄膜材料及其制備方法，涉及磁性薄膜材料。本發明設計的薄膜材料結構為緩沖層/MgO/NiFe/MgO/保護層；然后在磁場中高溫退火。該結構材料具有很高的磁場靈敏度，而且將其加工成磁傳感元件同樣也具有很高的磁場靈敏度。該方法主要優點是材料結構設計簡單，磁場靈敏度提高明顯，基本上能夠與某些隧道磁電阻(TMR)薄膜材料和相應元件磁場靈敏度相當；同時克服了以往材料體系工藝中當NiFe層較薄時在一定溫度下處理材料或器件帶來的薄膜界面處固相反應所導致的“磁死層”，因此，該材料可以用于制作高靈敏磁電阻傳感元器件。
文檔編號H01F10/08GK101710525SQ20091024330
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月17日 優先權日2009年12月17日
發明者丁雷, 于廣華, 馮春, 李明華, 滕蛟 申請人:北京科技大學