专利名称：一种高灵敏度金属霍尔传感器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，特别是涉及具有反常霍尔效应的金属磁场传感器薄 膜材料及其制备方法。
背景技术：
具有反常霍尔效应(EHE)的磁性金属材料可以用于磁性测量、制作磁记录介质 和磁场传感器等应用器件。由于金属霍尔传感器电阻率低、响应频率宽、温度系数低且 制备工艺简单，具备EHE的磁性金属霍尔传感器逐渐呈现出替代半导体霍尔传感器的趋 势。然而对于优秀的磁传感器而言，高的磁场灵敏度(dVxy/dH)是最重要的指标。欲 得到高的灵敏度需要材料具有较大的霍尔信号或者较低的难轴饱和场。但是，具有很 大霍尔信号的材料往往饱和场都很大。例如在文献Y.H.Cheng，R.K.Zheng, H.Liu, Y.Tian, and Z.Q.Li, Phys.Rev.B80, 174412 (2009)中报道的 ε-Fe3N 薄膜的霍尔电阻率高 达20 μ Ω · cm,但是由于饱和场很大(> IOkOe)，其灵敏度很低。这是由于该体系的 各向异性不易调整。在文献 Y.Zhuand J.W.Cai，Appl.Phys.Lett.90，012104(2007)中报道 的CoFe/Pt多层膜体系的磁场灵敏度高达1200V/AT，超过了现今半导体霍尔传感器的灵 敏度水平(1000V/AT)。这是由于CoFe/Pt多层膜中有界面，通过调节界面可以改变界面 各向异性，从而调整体系的各向异性。通过优化的CoFe/Pt多层膜的难轴饱和场仅有约 IOOe0但是，该体系的霍尔信号并不强，其霍尔电阻率仅仅只有0.6 μ Ω · cm。如果 能够在保持各向异性可调的前提下提高霍尔信号，那么金属霍尔传感器的灵敏度将有更 大的飞跃。因此，在各向异性可调的体系里提升霍尔信号的大小是当前金属霍尔传感器 取得突破的主要技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于发明和设计一种能够突破此瓶颈的具有高灵敏度霍尔传感器 的薄膜材料以及制备方法。为了实现这一目的，本发明选择了 Co/Pt多层膜体系。因为在Co/Pt多层膜中 电子的自旋-轨道耦合较强，而且具有可调的各向异性。那么就需要寻找一种增强此体 系霍尔信号的方法。本发明提出了一种提高霍尔效应的方法并设计了一种高灵敏度金属霍尔传感器 薄膜材料，其结构为绝缘层/pti/tco/pyn/绝缘层。所述绝缘层为能够增强电子散射的绝缘氧化层，可以是MgO或A1203。所述Co，Pt结构[CoZPt2L1为多层膜周期结构，周期数η可以是2 10。所述多层膜材料各层的厚度具体为绝缘层5 150 A, Co 3 6 Α, Pt1 6 A，Pt2 12 Ao本发明还提出一种制备上述高灵敏度金属霍尔传感器薄膜材料的制备方法，具 体制备步骤为
所述金属霍尔传感器薄膜材料是在磁控溅射仪中制备，在清洗干净的单晶硅 基片上依次沉积所述绝缘层/PV^Co/PU/绝缘层；溅射时本底真空度为6X10—6 1 X IO-5Pa,溅射时氩气压为0.2 0.4Pa，基片用循环水冷却。 进一步的，上述制备方法中，所述溅射时氩气的纯度为99.99%。进一步的，上述制备方法可以是在单晶硅基片上依次沉积 MgO 5 150 A，Pt1 6 A, Co 3 6 A，Pt212 A, Co 3 6 A，Pt2 12 A, Co 3-6 A, Pt2 12 A, Mg0 5 150A;減射时本底真空lXlO_5pa，在溅射时氩气压为o.2Pa。进一步的，上述制备方法可以是，在单晶Si基片上依次沉积 Al2O3 5-150 A, Pt1 6 A，Co 3 6 A，Pt2 12 A，Co 3-6 A, Pt2 12 A,
Co 3-6 A, Pt2 12 A, Al2O3 5 15θΑ;減射时本底真空lX10_5Pa，在溅射时氩气压 为 0.2Pa。本发明的优点在于由于在材料结构设计中具有氧化物绝缘层，绝缘体-金属 (MgO-Pt、Al2O3-Pt)界面的引入大大增强了电子散射，从而大幅度提高了霍尔信号；最 高的霍尔电阻率比单纯的Co/Pt多层膜高约13倍。不仅如此，体系的各向异性对多层膜 中绝缘层的厚度很敏感，不但可以通过调节绝缘层的厚度来优化出较小的难轴饱和场， 而且可以调整出感应不同范围的磁场的传感器材料。其磁场灵敏度提升明显，最高的灵 敏度达到 2445V/AT，比文献 Y.ZhuandJ.W.Cai，Appl.Phys丄ett.90，012104 (2007)中报道 的现今最高的EHE传感器灵敏度1200V/AT高约2倍。另外，其制备工艺简单，电阻率 仍然保持较低，提供了一种很有应用前景的金属霍尔传感器材料。
图1为霍尔电阻条元件的结构示意图；图2 为结构是MgO(30A)/Pt(6A)/[Co(4A)/Pt(12人)]3/MgO(l()A)的薄膜材
料设计加工成霍尔电阻条元件的霍尔信号输出曲线；图3 为结构是 MgO(t)/Pt(6人)/[Co(4A)/Pt(12A)]3/MgO(t) (t 分别取 5，50,100,150 A)的薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的霍尔信号输出曲线；图4 为结构是 MgO(50A)/Pt(6A)/[Co(4A)/Pt(12A)]n/MgO(50A) (η 取 2-10)和结构是MgO(50A)/Pt(6A)/[Co(6A)/Pt(12A)]n/MgO(50A) (η取2-10)的薄 膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的灵敏度与周期数η的关系曲线图5 为结构是 Al203(50A)/Pt(6A)/[Co(4A)/Pt(12A)]n/Al203(50A) (η 取 2-10)， Al203(50A)/Pt(6A)/[Co(6A)/Pt(12A)]n/Al203(50A) (η 取 2-10)的 薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的灵敏度与周期数η的关系曲线；以及结构是 Al203(t)/Pt(6A)/[Co(4A)/Pt(12A)]3/Al203(t)(t分别取 5，10，40，90，120,150 A) 的薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的灵敏度与Al2O3厚度t的关系曲线
具体实施例方式实施例1
在磁控溅射仪中制备磁性薄膜。首先将单晶硅基片用有机化学 溶剂和去离子水超声清洗干净，然后装入真空溅射室样品基座上。基片 用循环水冷却。溅射时本底真空lX10_5Pa，在氩气(纯度为99.99 % )压
为 0.2Pa 的条件下依次沉积 MgO 30 A，Pt6 A, Co 4 A, Pt 12 A,
Co 4 A, Pt 12 A, Co 4 A, Pt 12 A, MgO IOA,以 及 Al2O3 30 A，Pt 6
A, Co 4 A, Pt 12 A, Co 4 A, Pt 12 A, Co 4 A, Pt 12 A, Al2O3 IOA制得薄
膜。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微米的霍尔电阻条元件； 一般的半导体加工工艺是指甩胶、曝光、显影、坚膜、刻蚀等。图1是霍尔电阻条的结构示意图。图2是用标准四探针法测得的该薄膜材料的霍 尔信号输出曲线，样品的磁场灵敏度为2445V/AT，比文献Y.ZhuandJ.W.Cai，Appl.Phys. Lett.90, 012104 (2007)中报道的现今最高的EHE传感器灵敏度1200V/AT (Sample 2)高约 2倍。实施例2在磁控溅射仪中制备磁性薄膜。首先将单晶硅基片用有机化学溶剂和去离 子水超声清洗干净，然后装入真空溅射室样品基座上。基片用循环水冷却。溅射 时本底真空lX10_5Pa，在氩气(纯度为99.99 % )压为0.2Pa的条件下沉积结构为 MgO(t)/Pt(6A)/ [Co(4A)/Pt(12A)]3/MgO(t) (t 分别取 5，50,100,150 Α)的系列薄
膜。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微米的霍尔电阻条元件； 一般的半导体加工工艺是指甩胶、曝光、显影、坚膜、刻蚀等。图3是以上结构的系列薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的霍尔信号输出曲 线；可以看出，通过优化绝缘层的厚度可以得到不同灵敏度，不同相应磁场范围的霍尔 传感器材料。实施例3在磁控溅射仪中制备磁性薄膜。首先将单晶硅基片用有机化学溶剂和去 离子水超声清洗干净，然后装入真空溅射室样品基座上。基片用循环水冷却。溅 射时本底真空1 X IO 5Pa,在氩气(纯度为99.99 % )压为0.2Pa的条件下沉积结 构为 MgC)(50A)/Pt(6A)/ [Co(4A)/Pt(12A)]n/MgO(50A) (η 取 2-10)和结构是 MgO(50A)/Pt(6A)/[Co(6A)/Pt(12A)]n/MgO(50A) (η取 2-10)的系列薄膜。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微米的霍尔电阻条元件；一般的半导 体加工工艺是指甩胶、曝光、显影、坚膜、刻蚀等。图4是以上结构的系列薄膜材料设计 加工成霍尔电阻条元件的磁场灵敏度随周 期数η变化曲线。可以看出，通过改变结构中Co层厚度和周期数可以得到不同的灵敏度 范围的霍尔传感器材料。实施例4在磁控溅射仪中制备磁性薄膜。首先将单晶硅基片用有机化学溶剂和 去离子水超声清洗干净，然后装入真空溅射室样品基座上。基片用循环水冷 却。溅射时本底真空lX10_5Pa，在氩气(纯度为99.99 % )压为0.2Pa的条件下 沉积结构为 Al203(50A)/Pt(6A)/ [Co(4A)/Pt(12A)]n/Al203(50A) (η 取 2-10)，Al203(50A)/Pt(6A)/ [Co(6A)/Pt( 12A)]n/Al203(5OA) (n 取 2-10)，以及结构是
Al203( t)/Pt(6A)/[Co(4A)/Pt(12A):]3/Al203(t) (t 分别取 5，10，40，90，120,150 A)
的系列薄膜材料。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微米的霍尔 电阻条元件；一般的半导体加工工艺是指甩胶、曝光、显影、坚膜、刻蚀等。
图5是以上结构的系列薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的磁场灵敏度分别 随周期数η以及厚度t的变化曲线。可以看出，通过改变结构中各个参数可以得到不同的 灵敏度，不同相应磁场范围的霍尔传感器材料。绝缘层为MgO时材料的性能略优于绝缘 层为Al2O3的材料。
权利要求
1.一种高灵敏度金属霍尔传感器薄膜材料，其特征在于所述霍尔传感器薄膜材料 结构为绝缘层/pti/tco/pyn/绝缘层的多层膜结构。
2.根据权利要求1所述的薄膜材料，其特征在于所述绝缘层可以是MgO或Al2O315
3.根据权利要求1所述的薄膜材料，其特征在于所述Co，Pt结构为[Co/Pt2]n多层 膜周期结构，周期数η可以是2 10。
4.根据权利要求1所述的薄膜材料，其特征在于所述多层膜材料各层的厚度为绝 缘层5 150 Α，Co 3-6 A, Pt1 6 A, Pt2 12 Α。
5.制备如权利要求1 4所述高灵敏度霍尔传感器薄膜材料的制备方法，其特征在于所述金属霍尔传感器薄膜材料是在磁控溅射仪中制备，在清洗干净的单晶硅基片上 依次沉积所述绝缘层/^/[Co/PtA/绝缘层；溅射时本底真空度为6 X 10_6 1 X IO 5Pa, 溅射时氩气压为0.2 0.4Pa，基片用循环水冷却。
6.根据权利要求5所述的金属霍尔传感器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%。
7.根据权利要求6所述的磁电阻薄膜材料的制备方法，其特征在于， 在单晶硅基片上依次沉积ΜβΟ5~150Α，Ρ、6Α，(:ο3~6Α，Ρ 212A, Co 3-6 A, Pt2 12 A, Co 3-6 A, Pt2 12 A, MgO 5 150 A;減射时本底真空1X IO 5Pa,在溅射时氩气压为0.2Pa。
8.根据权利要求6所述的磁电阻薄膜材料的制备方法，其特征在于， 在单晶硅基片上依次沉积Al2O3 5 150 A，Pt1 6 A，Co 3 6 A，Pt2 12 A, Co 3-6 A, Pt2 12 A, Co 3-6 A, Pt2 12 A, Al2O3 5 150A;溅射时本底真空1 X IO 5Pa,在溅射时氩气压为0.2Pa。
全文摘要
本发明设计内容为一种高灵敏度金属霍尔传感器薄膜材料及制备方法，涉及磁性薄膜材料。发明设计的薄膜材料结构为绝缘层/Pt1/[Co/Pt2]n/绝缘层。此结构材料具有很强的霍尔信号，通过优化各层厚度并将其加工成磁场传感器元件后具有很高的磁场灵敏度。该发明的主要优点是设计的材料制备工艺简单，磁场感应范围大，磁场灵敏度提高明显，优化的磁场灵敏度高于现今报道的最高的金属霍尔传感器的灵敏度；并且电阻率低，响应频率宽；同时克服了以往材料体系中霍尔信号低，各向异性不易调整的缺点。因此，该材料可以用于制作高灵敏度霍尔传感器。
文档编号H01L43/06GK102024904SQ201010500518
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者于广华, 张石磊, 滕蛟 申请人:北京科技大学