专利名称：利用表面活化剂提高各向异性磁电阻灵敏度的方法
技术领域：
本发明涉及磁性薄膜材料领域，特别是涉及高灵敏磁电阻薄膜材料及其制备方法。
背景技术：
磁电阻材料主要指具有磁电阻效应的材料，所谓磁电阻效应是指材料在外磁场作用下其电阻值发生变化的现象。目前实际应用中的磁电阻薄膜材料主要有各向异性磁电阻材料、巨磁电阻材料、隧道磁电阻材料等。每种磁电阻材料及器件都有自己的特点，适应于相应的领域。坡莫合金(NiFe)作为一种传统的各向异性磁电阻(AMR)材料,具有优异的软磁性能和较好的磁各向异性，这使其在地磁导航领域取得了重要应用。近年来，由于对地磁场研究的日益重视,作为非常重要的一类地磁探测材料和器件，NiFe各向异性磁阻薄膜材料和器件又弓I起了人们强烈的研究兴趣。NiFe由于其基于各向异性磁电阻效应的物理机制,使得磁电阻效应偏低或磁场灵敏度偏小，其AMR值仅在3%左右(VAN ELST H C，Physica，25，708 (1959))。为了实现先进的地磁传感器的高灵敏度和低噪声等特点，要求NiFe薄膜必须做的很薄，矫顽力很小，且AMR值尽可能大(B. Dieny,M. Li, S. H. Liao, C. Horng, and K. Ju, J. Appl. Phys. 88,4140 (2000))。为了保证超薄的NiFe薄膜具有更大的磁电阻变化率及更高的磁场灵敏度，以适应高灵敏度地磁导航磁传感器的需要，采取适当措施改进超薄NiFe薄膜的性能成为关键。文献ff. Y. Lee,M. Toney,P. Tameerug,E. Allen and D. Mauri, J. Appl. phys. 87,6992 (2000)报道，利用NiFeCr或NiCr做种子层制备出12nm厚NiFe薄膜的AMR值在3. 2 %，但热处理后，磁场灵敏度没有显著提高；在文献 L. Ding, J. Teng, Q, Zhan, C. Feng, M. H. Li. G. Han, L. J. Wang,G. H. Yu, S. Y. Wang, AppI. Phys. Lett. 94，162506(2009)中设计了 Ta/Al203/NiFe/Al203/Ta 结构超薄薄膜，发现材料及相关器件的磁场灵敏度与传统NiFe材料及相关元件相比有明显提高，基本上与自旋阀材料灵敏度相当。这种结构的各向异性磁电阻薄膜虽然可以用来制作有关磁电阻器件，但由于该结构最佳性能获得需要在较高温度下(380°C)长时间(2h)退火才能实现，在实际生产中这将导致成本大大增加。如何进一步提高磁场灵敏度并同时减少退火温度和退火时间以减少生产成本成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明提出将表面活化剂Bi插 入Al2O3与NiFe界面处,并在磁场下进行低温快速退火，由于Bi作为一种表面活化剂可以使其后沉积的NiFe晶粒明显细化，在较小饱和场下达到饱和；同时由于Bi的存在，其对Al2O3与NiFe界面会有一定的改善，增加自旋电子在界面处的镜面反射作用，使各向异性磁电阻薄膜在较低退火温度和退火时间下灵敏度即可达到最大。本发明是在Ta/Al203/NiFe/Al203/Ta结构中的Al2O3层和NiFe层之间插入少量的表面活化剂Bi，并在磁场下进行低温快速退火，以制备出性能改进的各向异性磁电阻薄膜。制备过程是在磁控溅射仪中进行。在清洗干净的单晶硅基片上依次沉积钽Ta(50 100A)/ 氧化铝 Al2O3 (10 30A ) / 铋 Bi (2 5A ) / 镍铁 NiFe (70 120A ) / 铋 Bi (2 5A ) / 氧化铝Al2O3 (10 30A ) /钽Ta (50 100A )，Ta层分别作为缓冲层和防氧化保护层。沉积薄膜时本底真空度为2X 10_5 5X 10_5Pa，溅射时氩气压为0. 4 0. 7Pa ；，基片用循环水冷却，平行于基片方向加有200 2500e的磁场，以诱发一个易磁化方向。薄膜制备后立即在真空退火炉中进行磁场下退火，退火炉本底真空度为2X 10_5 5X 10_5Pa，退火温度200 250 °C，退火时间为5 10分钟，退火场500 8000e。本发明由于采用表面活化剂Bi插入各向异性磁电阻薄膜中，在低温短时退火条件下，可以起到细化晶粒和改善NiFe界面的作用，既可提高各向异性磁电阻薄膜的磁场灵敏度，又可同时降低生产成本，适用于未来超高灵敏磁电阻传感元件的生产。
图I为各向异性磁电阻薄膜钽Ta ( 70A ) /氧化铝Al2O3 ( 20A ) /铋Bi(xA)/ 镍铁 NiFe ( 90A ) / 铋 Bi ( X A ) / 氧化铝 Al2O3 ( 20A ) / 钽 Ta ( 70A )在 220 V 下退火8分钟时的磁场灵敏度同插入Bi层厚度X的关系曲线。
具体实施例方式在磁控溅射仪中制备各向异性磁电阻薄膜。首先将单晶硅基片用有机化学溶剂和去离子水超声清洗，然后装入溅射室样品基座上。基片用循环水冷却，平行于基片方向加有2300e的磁场。溅射室本底真空4X 10_5Pa，在溅射时氩气压为0. 5Pa的条件下依次沉积钽 Ta ( 70A) / 氧化铝 Al2O3 ( 20A ) / 铋 Bi ( 4A ) / 镍铁 NiFe ( 90A) / 铋 Bi ( 4A)/氧化铝A1203( 20A ) /钽Ta( 70A )。薄膜制备后立即在真空退火炉中进行磁场下退火，退火温度为220°C，退火时间为8分钟，退火场6000e。从图1磁场灵敏度同插入Bi层厚度X的关系曲线中可以看出，插入4A厚的活化剂Bi时各向异性磁电阻薄膜的磁场灵敏度与不插入活化剂Bi时相比提高了 70%以上。
权利要求
1.一种利用表面活化剂提高各向异性磁电阻灵敏度的方法，在磁控溅射仪中，在清洗干净的单晶硅基片上依次沉积Ta、A1203、Bi, NiFe, Bi、A1203、Ta，制备后薄膜立即在磁场下进行低温快速退火，其特征在于所述退火炉本底真空度为2X10_5 5X10_5Pa，退火温度200 250°C，退火时间为5 10分钟，退火场500 8000e。
2.如权利要求I所述的利用表面活化剂提高各向异性磁电阻灵敏度的方法，其特征在于，沉积薄膜时各层厚度依次是50 IOOA钽Ta、10 30A氧化铝Al203、2 5A铋Bi、70 120A镍铁 NiFe、2 5A铋 Bi、10 30A氧化铝 Al2O3 和 50 100A钽 Ta。
全文摘要
一种利用表面活化剂提高各向异性磁电阻灵敏度的方法，涉及磁性薄膜材料领域。本方法是在清洗干净的单晶硅基片上依次沉积钽Ta(50～)/氧化铝Al2O3(10～)/铋Bi(2～)/镍铁NiFe(70～)/铋Bi(2～)/氧化铝Al2O3(10～)/钽Ta(50～)，并在磁场下进行低温快速退火。本发明由于采用表面活化剂Bi插入Al2O3与NiFe界面，并进行磁场下低温快速退火，明显降低了NiFe的饱和场，提高了磁场灵敏度，同时降低了生产成本，适用于未来超高灵敏磁电阻传感元件的生产。
文档编号H01F10/14GK102623132SQ201210100658
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者丁雷, 于广华, 向道平, 魏要丽 申请人:海南大学