用于磁敏传感器的gmr磁性纳米多层膜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于精密测量和磁性材料技术领域，涉及磁敏传感器，具体涉及一种用于 磁敏传感器的GMR磁性纳米多层膜。
【背景技术】
[0002] 磁敏传感器广泛应用于电流检测、角度测量、生物传感、数据读取、建筑监控W及 无伤探测等工业领域。早期的磁敏传感器主要是基于具有霍尔效应的半导体材料和具有磁 各向异性磁电阻（AMR)效应的磁性材料。但基于该两类材料获得的磁敏传感器磁场灵敏度 低，线性范围窄，适用温度低。
[0003] 随着磁性材料的深入研究W及自旋电子学的发展，基于巨磁电阻巨磁阻（Giant MagnetoResistive,简称GMR)效应W及隧穿磁电阻效应的磁敏传感器因具有磁场灵敏度 高的优点，在工业上具有非常大的市场和广泛的用途，如磁硬盘皿D中的磁读头。
[0004] 为了实现磁场的线性响应，利用上下不同厚度的反铁磁层，经不同温度退火实现 自旋阀中的自由层(磁场敏感层)与参考磁性层(被钉扎层)的面内磁矩成90度垂直夹角。然 而反铁磁钉扎层的引入，导致自旋阀结构的线性磁场响应范围无法同时满足大磁场检测、 宽温度适用范围和高灵敏度的要求。
[0005] 为此，F.Stobiecki等人基于FM(磁矩平行于薄膜表面）/S/FM(磁矩垂直薄膜表 面）提出了W[NiFe，Co/Au/Co/Au]w为核也结构的GMR纳米磁性多层膜的磁敏传感器（参 考文章；J.Ma即.Ma即.Mater. 272-276 (2004)el751)。该种结构的磁敏传感器是借助于Au/ Co的界面各向异性和自旋-轨道禪合，Co的磁矩垂直于薄膜表面，Ni化的厚度较厚，磁矩 位于薄膜面内，导致垂直施加磁场时Ni化面内磁矩和Co的部分垂直磁矩随外磁场可逆转 动，从而实现了对外磁场的线性响应。然而，该种结构的磁敏传感器的巨磁电阻比值仍然比 较低，线性范围可调性差，而且磁场灵敏度较低。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题就是针对磁敏传感器中存在的上述缺陷，提供一种用于 磁敏传感器的GMR磁性纳米多层膜，其巨磁电阻比值高，可提高磁敏传感器的灵敏度W及 线性调节范围。
[0007] 为此，本发明提供一种用于磁敏传感器的GMR磁性纳米多层膜，包括设于基片表 面的功能层，在所述基片和所述功能层之间还设有非磁性材料形成的用于改善所述功能层 织构的缓冲层。
[000引其中，所述缓冲层为采用Ta、Pt、Pt化N、TiN、Ru、化、Ag或Au材料中的一种材料 形成的单层膜，或者为上述材料中任意几种材料形成的多层膜。
[0009] 其中，所述缓冲层的厚度为2~50皿。
[0010] 其中，所述功能层为周期性结构，每个周期性结构包括依次叠置的磁场探测层、第 一非磁性金属层、参考磁性层和第二非磁性金属层；或者包括依次叠置的第一非磁性金属 层、参考磁性层、第二非磁性金属层和磁场探测层。
[0011] 其中，在所述第一非磁性金属层和所述参考磁性层之间还设有隧穿绝缘势垒层， 或/和，在所述参考磁性层和所述第二非磁性金属层之间设有隧穿绝缘势垒层。
[001引其中，所述隧穿绝缘势垒层采用MgO、A^O、MgAl204、册化、Si化、Ti-0或A1N材料 形成，其厚度小于或等于3皿。
[0013] 其中，所述磁场探测层采用铁磁性金属材料、铁磁性合金材料或半金属材料形成， 其厚度为1~1〇皿。
[0014] 其中，所述铁磁性金属材料包括Co、Fe、Ni;所述铁磁性合金材料包括Co-Fe、 Co-Fe-B、Ni-Fe;所述半金属材料包括Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、 C〇-Fe-Al-Si、C〇-Mn-Ge、C〇-Mn-Ga、C〇-Mn-Ge-Ga。
[0015] 其中，所述参考磁性层采用铁磁性金属材料、铁磁性合金材料或半金属材料形成， 其厚度为0. 4~1. 8皿。
[001引其中，所述铁磁性金属材料包括Co、Fe;所述铁磁性合金材料包括Co-Fe、Co-Fe-B ;所述半金属材料包括Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-A^Si、 Co_Mn-Ge、Co_Mn-Ga、Co_Mn-Ge-Ga。
[0017] 其中，第一非磁性金属层和所述第二非磁性金属层采用化、化、Ag、Au、Ir、V、Nb、 Mo、Ru或Ag-Sn材料形成，其厚度为1~5皿。
[0018] 其中，在所述功能层的顶部还设有覆盖层，所述覆盖层为采用导电耐氧化材料形 成的单层膜或多层膜，其厚度为2~20nm。
[0019] 其中，所述基片为Si衬底、SiC衬底、玻璃衬底或Si-Si〇2衬底。
[0020] 本发明具有W下有益效果：
[0021] 本发明提供的用于磁敏传感器的GMR磁性纳米多层膜，在基片与功能层之间设置 缓冲层，缓冲层采用非磁性材料形成，其可W改善功能层的粗趟度，改善功能层的结构，降 低磁性层之间的磁性禪合，从而提高磁敏传感器的磁场灵敏度；同时提高功能膜的巨磁电 阻比值，从而提高磁敏传感器的线性调节范围。
【附图说明】
[0022] 图1A为本发明实施例GMR磁性纳米多层膜的结构示意图；
[0023] 图1B为本发明另一实施例GMR磁性纳米多层膜的结构示意图；
[0024] 图2A为本发明实施例GMR磁性纳米多层膜中参考磁性层和磁场探测层在外场中 的磁矩分布示意图；
[0025] 图2B为本发明另一实施例GMR磁性纳米多层膜中参考磁性层和磁场探测层在外 场中的磁矩分布示意图；
[0026] 图3A-3C为本发明实施例另H种GMR磁性纳米多层膜的结构示意图；
[0027] 图4A-4C为本发明实施例又H种GMR磁性纳米多层膜的结构示意图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提 供的用于磁敏传感器的GMR磁性纳米多层膜进行详细描述。
[0029] GMR磁性纳米多层膜形成于基片的表面。GMR磁性纳米多层膜包括缓冲层、磁场探 测层、非磁性金属层、隧穿绝缘势垒层、参考磁性层和覆盖层。其中，磁场探测层、非磁性金 属层、隧穿绝缘势垒层和参考磁性层被称为功能层。
[0030] 图1A给出了本发明实施例的GMR磁性纳米多层膜的结构示意图。如图1A所示，基 片Sub的表面自下至上依次叠置有缓冲层化、功能层和覆盖层化。功能层为周期性的纳米 多层膜结构，功能层可W仅包括一个周期性结构，也可W包括多个周期结构，如两个、H个、 四个或更多个周期性结构。每个周期性结构自下至上依次包括磁场探测层化、第一非磁性 金属层醒1、第一隧穿绝缘势垒层SIi、参考磁性层化、第二隧穿绝缘势垒层Sl2和第二非磁 性金属层醒2。目P，磁场探测层化、第一非磁性金属层Nil、第一隧穿绝缘势垒层SIi、参考磁 性层化、第二隧穿绝缘势垒层SI,和第二非磁性金属层NM,由下至上依次叠置于缓冲层化 的表面，覆盖层化设于第二非磁性金属层醒2的表面。
[0031] 在本实施例中，基片Sub可W采用Si衬底、SiC衬底、玻璃衬底或Si-Si〇2衬底。 [003引缓冲层化设于基片Sub的表面，其厚度为2~50皿。缓冲层化采用化、Pt、Pd、 化N、TiN、Ru、化、Ag或Au材料制作，可W是上述材料中的一种材料形成的单层膜，如用Pt材 料形成笛膜；或者为上述材料中的任意几种材料形成的叠置的多层膜，如依次由化N、化、 Pt材料形成依次叠置的化N膜、化膜和Pt膜。将缓冲层化设置于基片Sub和功能层之间， 可W改善纳米多层膜的粗趟度，从而改善功能层的织构，降低磁性层之间的磁性禪合，进而 提高磁敏传感器的磁场灵敏度；同时提高功能膜的巨磁电阻比值