专利名称：一种超高灵敏磁电阻薄膜材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及磁性薄膜材料，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：
各向异性磁电阻(AMR)坡莫合金薄膜材料(NiFe)可用来制作计算机硬盘读头、磁 性随机存储器和各类磁传感器等应用器件，广泛地用于自动化技术、家用电器、导航系统、 移动通讯、大容量存储器和计算机等领域，尤其是在进行地磁测量时，AMR薄膜材料较巨磁 电阻(GMR)和隧道磁电阻(TMR)薄膜材料具有更好的方向敏感性，且各向异性磁电阻率与 角度有定量关系P ( 9 ) = P ± +A p cos2 e ，所以这种材料在地磁导航等领域更具有广阔 的应用前景。另外，AMR器件的电阻值比TMR器件的电阻值小得多，这非常有利于器件的 使用。为了实现先进的磁传感器等器件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，磁场灵敏度尽可能高。实际器件制作时，通常 薄膜材料主要结构为Ta/NiFe/Ta，为了进一步减小退磁场，NiFe厚度通常只有几个到十几 个纳米；另外，工艺中也可能需要在一定温度下处理材料或器件，此时薄膜界面处固相反应 所导致的"磁死层"不可忽略。同时，种子层和保护层的分流作用也更加明显，此时薄膜材 料难以还保持良好的磁电阻变化率(AR/R)和磁场灵敏度(Sv)。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，以适应磁传感器等方面的需要，在文献 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做种子层制备出的Ni。.81Fe。. 19薄膜，其AMR值比以Ta为 种子层的Ni。.81Fe。.19薄膜的AMR值有显著的提高，如12nm厚NiFe薄膜的AMR值已经达到 3. 2%，但对于只有几个到十几个纳米的NiFe而言，尤其是在退火后难以保证其磁场灵敏 度提高。在文献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显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值可以达到3. 5%，但这是在没有缓冲层 和保护层的条件下得到的，当制作AMR器件时，使用缓冲层和保护层时，并且薄膜厚度只有 几个到十几个纳米时，退火后也难以做到保持AR/R和Sv的良好指标。在文献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)中设计了 一种新的结构Ta/Al203/ NiFe/Al203/Ta薄膜，在380。C退火后，Ta 5nm/Al203l. 5nm/NiFe 10nm/Al203l. 5nm/Ta 5nm磁 电阻变化率较Ta 5nm/NiFel0nm/Ta 5nm提高了 250% ，且磁场灵敏度提高了 150% ，达到磁 场灵敏度1. 3% /Oe，但其磁场灵敏度与隧道磁电阻(TMR)薄膜材料相比仍有较大的差距， 主要原因之一是八1203非常难晶化，必须寻找其他易晶化的氧化物，使其对自旋电子的散射 发挥到最大作用，以提高AR/R和Sv。
发明内容
本发明的目的在于提出一种磁电阻薄膜材料结构，以满足对超高磁场灵敏磁电阻薄膜材料的需要。 为了实现本发明的目的，提出一种超高灵敏磁电阻薄膜材料，该磁电阻薄膜材料 结构为缓冲层/MgO/NiFe/Mg0/保护层。 所述MgO层是通过高温退火处于结晶状态的非磁纳米氧化层。
所述缓冲层可以是Ta、 NiFeCr或NiCr。
所述保护层可以是Ta或Au。 所述磁电阻薄膜材料各层的厚度具体为缓冲层30 200A，Mg0l0 100A， NixFei。。—x50 300A，MgOio 100A，保护层0 150A，其中70 < x < 90。 本发明还提出一种制备上述超高灵敏磁电阻薄膜材料的制备方法，具体制备步骤 为 所述磁电薄膜材料是在磁控溅射仪中制备，在清洗干净的玻璃基片或单晶硅基
片上依次沉积所述缓冲层(30 200A ) /MgO(10 IOOA) /NixFe100—x( 50 300A ) / MgO(10 100A)/保护层(0 150A)，其70 < x < 90。 溅射室本底真空度为1X10—5 6X10—5Pa，溅射时氩气压为0. 2 0. 7Pa，氩气的 纯度为99. 99X，基片用循环水冷却，平行于基片方向加有150 2500e的磁场，以诱发一个 易磁化方向； 然后将所述磁电阻薄膜材料在真空退火炉中进行真空磁场热处理，退火炉本底真 空度为2X10—5 8X10—spa，退火温度400 60(TC，退火时间为10分钟 6小时，退火场 500 10000e。 本发明的优点在于由于在材料结构设计中具有纳米厚度的非磁氧化层-MgO层， 既阻碍缓冲层与NiFe层间的扩散，又可以改善自旋电子散射途径，经过真空磁场热处理后 获得了具有晶化结构的非磁氧化层和良好的NiFe磁畴结构，从而提高了薄膜材料的磁场 灵敏度。主要优点不仅是材料结构设计简单，制作方便，磁场灵敏度提高明显，基本上能够 与某些隧道磁电阻(TMR)薄膜材料的磁场灵敏度相当；更重要的是加工成元件后能和相应 某些TMR元件磁场灵敏度相当(但其元件设计比TMR元件设计要简单)；同时，克服了以往 材料体系工艺中当NiFe层较薄时在一定温度下处理材料或器件带来的薄膜界面处固相反 应所导致的"磁死层"，从而为制作计算机硬盘读头、磁性随机存储器和各类磁传感器等应 用器件提供了一种实用材料。
图1为Ta(40A)/Mg0(30A)/Ni^Fei9(120A)/Mg0(60A)/Ta(50A薄膜磁电
阻输出曲线，纵坐标表示磁电阻变化率，横坐标表示外加测量磁场；
图2为磁电阻传感元件的结构示意图； 图3为NiFeCr (50A) / (MgO 45 A) /Ni8。Fe2。 ( BOA ) / (MgQ 50 A:) /Au ( gOA)薄
膜按图2设计加工成宽为30微米的磁电阻传感元件电压信号输出曲线。
具体实施方式
实施例l 在磁控溅射仪中制备磁性薄膜。首先将玻璃基片用有机化学溶剂和去离子水超声清洗干净，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1500e的 磁场。溅射室本底真空3X 10—5Pa，在溅射时氩气(纯度为99. 99% )压为0. 5Pa的条件下 依次沉积Ta (40A) /Mg0 (30A ) /Ni81Fe19 (120A ) /MgO ( 60A) /Ta ( 50A )。然后将薄膜材 料进行真空磁场热处理，退火炉本底真空度为8X10—spa，退火温度40(TC，退火时间为0. 5 小时，退火场S000e，制得薄膜。 图1是用常规的四探针方法测的该薄膜材料的磁电阻输出曲线，其磁场灵敏度最 大为2.0% 0e，比文献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 相应的同条件下NiFe的磁场灵敏度高的多，高分辨电镜表明了MgO层晶化良好。
实施例2 在磁控溅射仪中制备磁性薄膜。首先将单晶Si (001)基片用有机化学溶剂和去离 子水超声清洗干净，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 2500e的磁场。溅射室本底真空4X 10—spa，在溅射时氩气(纯度为99. 99% )压为0. 4Pa的 条件下依次沉积NiFeCr ( 50A ) / (MgO 45 A ) /Ni8。Fe2。 ( 130A ) / (MgO 50 A ) /Au ( 80A )。 然后将薄膜材料进行真空磁场热处理，退火炉本底真空度为4X10—spa，退火温度50(TC，退 火时间为2小时，退火场9000e，制得薄膜。用常规的四探针方法测的该薄膜材料的磁电阻 输出曲线，其磁场灵敏度最大为2. 3% /0e。再通过一般的半导体加工工艺将薄膜材料加工 成线宽为30微米的磁电阻传感元件；一般的半导体加工工艺是指甩胶、曝光、显影、坚膜、 刻蚀等。 图2是磁电阻传感元件的结构示意图，图3是磁电阻传感元件的电压信号输出 曲线，其磁场灵敏度已高达3. 2mV/V/Oe，这一指标基本上与相应条件下某些隧道磁电阻 (TMR)传感元件的相当。
权利要求
一种超高灵敏磁电阻薄膜材料，其特征在于，所述磁电阻薄膜材料结构为缓冲层/MgO/NiFe/MgO/保护层。
2. 如权利要求l所述的薄膜材料，其特征在于，所述MgO层是通过高温退火处于结晶状 态的非磁纳米氧化层。
3. 如权利要求1所述的薄膜材料，其特征在于，所述缓冲层是Ta、NiFeCr或NiCr。
4. 如权利要求1所述的薄膜材料，其特征在于，所述保护层是Ta或Au。
5. 如权利要求1 4所述的薄膜材料，其特征在于，所述磁电阻薄膜材料各层的厚度 为缓冲层30 200 A，MgO 10 100 A，NixFe1(1。—x 50 300A，Mg0 10 100A，保护层 0 150 A ，其中70 < x < 90。
6. 制备如权利要求1 5所述超高灵敏磁电阻薄膜材料的制备方法，其特征在于， 所述磁电阻薄膜材料是在磁控溅射仪中制备，在清洗干净的玻璃基片或单晶硅基片上依次沉积所述缓冲层/MgO/NixFe,乂MgO/保护层；溅射室本底真空度为1X10—5 6X10—5pa，溅射时氩气压为0. 2 0. 7Pa，基片用循环水冷却，平行于基片方向加有150 2500e的磁场，以诱发一个易磁化方向；然后将所述磁电阻薄膜材料在真空退火炉中进行真空磁场热处理，退火炉本底真空度 为2 X 10—5 8 X 10—5Pa，退火温度400 600°C ，退火时间为10分钟 6小时，退火场500 10000e。
7. 如权利要求6所述的磁电阻薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述溅射时氩气的 纯度为99. 99%。
8. 如权利要求7所述的磁电阻薄膜材料的制备方法，其特征在于，在玻璃基片上依 次沉积Ta 40A，MgO 30A，Ni81Fe19 120 A， Mg060 A， Ta 50 A;溅射室本底真空3 X 10—5 Pa，在溅射时氩气压为O. 5Pa，平行于基片方向加有1500e的磁场；退火炉本底真空度为 8X10—spa，退火温度40(TC，退火时间为0. 5小时，退火场8000e。
9. 如权利要求7所述的磁电阻薄膜材料的制备方法，其特征在于，在单晶Si(001)基片 上依次沉积NiFeCr 5。A，MgO 45 A， Ni80Fe20130 A， MgO 50A，Au 80 A;溅射室本底真空 4X10—5 Pa，在溅射时氩气压为O. 4Pa，平行于基片方向加有2500e的磁场；退火炉本底真空 度为4X10—spa，退火温度50(TC，退火时间为2小时，退火场9000e。
全文摘要
一种超高灵敏磁电阻薄膜材料及其制备方法，涉及磁性薄膜材料。本发明设计的薄膜材料结构为缓冲层/MgO/NiFe/MgO/保护层；然后在磁场中高温退火。该结构材料具有很高的磁场灵敏度，而且将其加工成磁传感元件同样也具有很高的磁场灵敏度。该方法主要优点是材料结构设计简单，磁场灵敏度提高明显，基本上能够与某些隧道磁电阻(TMR)薄膜材料和相应元件磁场灵敏度相当；同时克服了以往材料体系工艺中当NiFe层较薄时在一定温度下处理材料或器件带来的薄膜界面处固相反应所导致的“磁死层”，因此，该材料可以用于制作高灵敏磁电阻传感元器件。
文档编号H01F10/08GK101710525SQ20091024330
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者丁雷, 于广华, 冯春, 李明华, 滕蛟 申请人:北京科技大学