專利名稱：一種金屬多層膜霍爾器件及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬霍爾器件，具體地說是涉及一種具有超高靈敏度的金屬多層 膜霍爾器件，及其制備方法。
背景技術：
基于霍爾效應的霍爾器件具有線性特性好，靈敏度高，穩(wěn)定性好，控制簡單、方 便等特點。目前，半導體霍爾器件已經(jīng)廣泛用于傳感器和磁存儲系統(tǒng)中，用來對磁場、 電流、位移等進行檢測。但是半導體的高電阻率、低工作頻率以及復雜的制備工藝都 將阻礙其進一步發(fā)展。金屬器件能很好的克服這些問題，只是由于金屬的載流子濃度 很高，所以正?；魻栃浅Ｎ⑷?。起源于自旋一軌道相互作用的鐵磁性金屬的反常 霍爾效應往往比正?；魻栃髱讉€數(shù)量級，但是， 一般鐵磁性金屬的反常霍爾效應 與半導體的相比仍有較大的差距，因此，增強鐵磁金屬的反?；魻栃蔀榱思贝?決的問題。
為了增強反?；魻栃?，在早期人們選用稀土元素與鐵磁金屬形成合金，雖然利 用了稀土的強的自旋一軌道相互作用取得了一定的效果，但是由于稀土的磁轉(zhuǎn)變溫度 低，且容易腐蝕的缺點而逐漸被淘汰。另外，采用顆粒膜結構，將鐵磁顆粒埋于氧化 物絕緣體中也能獲得極高的反?；魻栃?，只是這種顆粒膜結構具有極高的電阻率， 這也將阻礙其進一步發(fā)展。最近研究的Pt基鐵磁金屬合金取得了比較好的結果，尤其 是FePt合金，例如對于3nm的Fe35Pi65，在110K，霍爾斜率可達到76.8tiQcm/T，對 應霍爾器件的靈敏度可達到250V/AT (文獻Appl. Phys. Lett. 85,73 (2004))，但是，這 與目前半導體霍爾器件的1000V/AT的靈敏度比起來還有一段差距(文獻正EETrans. Electron Devices 43,1665 (1996))。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的種種不足，在解決半導體霍爾器件中半導 體的高電阻率、低工作頻率以及復雜的制備工藝的問題的同時，提供一種可與半導體 霍爾器件相比擬的高靈敏度的金屬多層膜霍爾器件。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種工藝簡單、非常適合實際操作、且重復穩(wěn)定的制 備上述金屬多層膜霍爾器件的方法。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術方案實現(xiàn)的
本發(fā)明提供的金屬多層膜霍爾器件，如圖1所示，包括 一硅基片層1，和在其 上交替周期性生長的磁性金屬層2和Pt層3，周期數(shù)視需要而定；
所述的磁性金屬層用于產(chǎn)生反常霍爾效應，該層的材料為Fe、 Co或/和Co,Fe《
合金(原子比范圍0 < X < 100);'
所述的Pt層用于提供強自旋一軌道相互作用以及保護多層膜防止被氧化。
當所述磁性金屬層全部為Fe時，基片層上交替周期性生長的磁性金屬層和Pt層 的結構表示為[Fe (/Fe nm) /Pt (,Pt nm)]m，其中Fe層的厚度/Fe為0.2—0.6nm， Pt層的厚 度^為0.4—1.8nm，生長周期數(shù)m為2—24;優(yōu)選地，F(xiàn)e層的厚度^為0.4nm， Pt 層的厚度&為1.2nm，生長周期數(shù)m為12，即[Fe(0.4nm)/Pt (1.2nm)]12。
當所述磁性金屬層全部為Co時，基片層上交替周期性生長的磁性金屬層和Pt層 的結構表示為[Co (fe nm) /Pt Ot nm)],，其中Co層的厚度fc。為0.2—0.5nm， Pt.層的厚 度&為0.6—2nm，生長周期數(shù)i為2—4。
當所述磁性金屬層全部為CoFe時，基片層上交替周期性生長的磁性金屬層和Pt 層的結構表示為[CoFe(^。Fenm) /Pt nm)]n，其中CoFe層的厚度fo^為0.2—0.5nm， Pt層的厚度&為0.6—2nm，生長周期數(shù)n為2—4;優(yōu)選地，所述磁性金屬層為Co9()Fe10， 其厚度,c。Fe為0.28nm，Pt層的厚度&為1.2nm，生長周期數(shù)n為3，即[Co90Fe10(0.28nm) /Pt(1.2nm)]3。
當所述磁性金屬層為Fe和CoFe的組合時，基片層上交替周期性生長的磁性金屬 層和Pt層的結構表示為[CoFe(fc。Fenm) /Pt nm)V[Fe (/Fe nm) /Pt nm)]m，或者[Fe (fFc nm) /Pt Opt nm)]m /[CoFe (fc。Fenm) /Pt nm)V[Fe (rFe nm) /Pt nm)]m，其中Fe層 的厚度be為0.3—0.4nm， CoFe層的厚度fc。Fe為0.2—0.5nm, Pt層的厚度^為0.9— 2nm，生長周期數(shù)m為l一5， n為2—4;優(yōu)選地，所述磁性金屬層為Co卯FeH)和Fe 的組合，其中^^為0.2811111， /Fe為0.4nm， Pt層的厚度^為1.2nm，生長周期數(shù)n為 3， m為l—4,即[<:0卯？610(0.28腦)/ "1.211111)〗3/[ 6(0.411111)/ 1(1.211111)]卜4;優(yōu)選地， 所述磁性金屬層為Co9oFeH)和Fe的組合，其中化。Fe為0.3nm， ^為0.4nm， Pt層的厚 度&為1.2nm，生長周期數(shù)分別是m為1, n為2， m為1 ，即[Fe (0.4nm) /Pt (1.2 nm)]！/<formula>formula see original document page 6</formula>
本發(fā)明提供兩種上述金屬多層膜霍爾器件的制備方法，第一種方法包括如下的步
驟
1) 在表面熱氧化的硅基片上涂布光刻膠，并用紫外曝光機曝光，顯影定影后，霍 爾測量圖形部分的光刻膠己經(jīng)除去，測量圖形以外的硅基片仍被光刻膠覆蓋；
2) 采用真空沉積法，在步驟1)處理后的硅基片上鍍上前述的磁性金屬層和Pt 層，周期數(shù)視生長需要而定；
3) 對鍍完膜后的樣品采用lift—off工藝去掉光刻膠，形成霍爾測量圖形。
本發(fā)明提供的第二種上述金屬多層膜霍爾器件的制備方法，包括如下的步驟
1) 采用真空沉積法，在表面熱氧化的硅基片上直接交替地鍍上前述的磁性金屬層 和Pt層，周期數(shù)視生長需要而定；
2) 在步驟1)鍍完膜后的樣品上涂布光刻膠，并用紫外曝光機曝光，顯影定影后， 霍爾測量圖形部分仍被光刻膠覆蓋，而測量圖形以外的光刻膠己經(jīng)除去；
3) 將步驟2)處理后的樣品放入離子束刻蝕機中刻蝕，然后放入無水乙醇或者丙 酮中超聲去掉光刻膠，最終獲得霍爾測量圖形。
上述兩種方法中采用所述的真空沉積法鍍膜時，本底真空優(yōu)于1(^Pa。
本發(fā)明提供的金屬霍爾器件由在硅基片上交替生長的磁性金屬層和Pt層構成，磁 性金屬選用Fe、 Co或/和CoFe合金。該金屬霍爾器件具有超高靈敏度，在室溫下甚 至可以達到1200V/AT，這已經(jīng)超過了目前半導體霍爾器件的靈敏度。這是因為本發(fā)明 一方面利用了Pt的強自旋一軌道相互作用，獲得了較高的霍爾電阻值；另一方面利用 了多層膜的可調(diào)的表面或界面各向異性，通過調(diào)節(jié)各層膜厚和周期數(shù)來調(diào)節(jié)界面各向 異性和形狀各向異性，從而改變飽和場的大小，最終大大增加了霍爾斜率以及靈敏度。 例如，當磁性金屬層為CoFe層時，由于CoFe/Pt多層膜具有垂直各向異性，通過各層 膜厚和周期數(shù)的調(diào)節(jié)，可以很容易獲得一個負的有效各向異性場，從而大大減小了飽 和場，極大地提高了靈敏度。此外，通過CoFe/Pt和Fe/Pt的組合還可得到適用于不同 磁場范圍的霍爾器件。在本發(fā)明提供的金屬霍爾器件的最后一層生長Pt層，還可以起 到抗腐蝕的作用。
本發(fā)明提供的金屬霍爾器件的制備工藝簡單、重復且穩(wěn)定，非常適合實際操作。 本發(fā)明提供的金屬霍爾器件可應用于傳感器和磁存儲系統(tǒng)中。


圖1是本發(fā)明的金屬多層膜霍爾器件的結構示意圖；其中，l-基片層，2-磁性金 屬層，3-Pt層；
圖2是本發(fā)明的金屬霍爾器件測量圖形示意圖；其中，4和5端通一恒定電流，6 和7端測量電壓，外加磁場垂直于電流和電壓方向；
圖3是實施例1中霍爾斜率和飽和場隨Pt層厚度的變化關系； 圖4是實施例2中磁化強度隨外加磁場的變化關系； 圖5是實施例2中霍爾電阻隨外加磁場的變化關系；
圖6是實施例3中霍爾電阻隨外加磁場的變化關系；其中，m =1, 2 , 3分別對應 ■ ， ▲， ★;
圖7是實施例4中霍爾電阻隨外加磁場的變化關系。
具體實施例方式
以下所有實施例中的金屬霍爾器件均可采用前述的兩種方法之一進行制備。以實 施例2的Si/[CoFe 0c。Fe nm) /Ptnm)]n為例，可以采用下述兩種方法進行制備。
方法一首先在表面熱氧化的Si基片上涂布光刻膠，并用紫外曝光機曝光，顯影 定影后，霍爾測量圖形部分的光刻膠已經(jīng)除去，測量圖形以外的Si基片仍被光刻膠覆 蓋。接著采用磁控濺射方法，本底真空度低于l(TPa,且惰性氣氛下的沉積工作氣壓 為0. 5—0. 6Pa，在處理后的Si基片上鍍上3個周期的0. 28nm的CoFe和1. 2nm的Pt。 最后對樣品采用lift一off工藝去掉光刻膠形成霍爾測量圖形。
方法二首先采用磁控濺射方法，本底真空度低于10^Pa，且惰性氣氛下的沉積 工作氣壓為0.5—0.6Pa，在表面熱氧化的Si基片上鍍上3個周期的0.28nm的CoFe和 1.2nm的Pt。然后將鍍完膜的樣品涂布光刻膠，并用紫外曝光機曝光，顯影定影后， 霍爾測量圖形部分仍被光刻膠覆蓋，而測量圖形以外的光刻膠已經(jīng)除去。接著將樣品 放入離子束刻蝕機中刻蝕，然后放入無水乙醇或者丙酮中超聲去掉光刻膠，最終獲得 霍爾測量圖形。 將制備好的樣品固定在樣品托上，并超聲壓焊連好電極，然后用四端法測量。結
構特性和磁性分別由X射線衍射儀XRD和振動樣品磁強計VSM測量。，
為了便于比較和分析器件性能，定義薄膜的霍爾電阻為
=()^〃> =及0" +械#
其中，i O是正?；魻栂禂?shù)，及S是反?；魻栂禂?shù)，^v是霍爾電壓，f是薄膜厚度。
霍爾斜率作為霍爾器件的一個重要特性，通常定義為i^ =c//、/Ji/ 4;rzA，而霍爾 靈敏度《w =i w〃。
實施例1
釆用前述的兩種方法之一進行制備金屬霍爾器件，其具體結構為基片Si/[Fe(/pe
ran)/Pt(rptnm)]m，其中^為0.4， &為0.4、 0.6、 0.8、 1、 1.2、 1.4、 1.6，對應的周期 m為24、 20、 16、 14、 12、 11、 10。
該系列金屬霍爾器件的霍爾斜率和飽和場/^隨Pt層厚度的變化關系如圖3所示， 樣品的霍爾斜率隨飽和場減小而逐漸增大，在Pt的厚度為1.2nm時達到最大，接近 10nQcm/T，這時的Fe和Pt的原子比為30: 70，這個結果和FePt合金的結果類似。 但是Fe/Pt多層膜優(yōu)于FePt合金的是，在達到一定的霍爾斜率值，例如在3piQ cm/T 以上，F(xiàn)e和Pt的成分比可以在更寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
實施例2
采用前述的兩種方法之一進行制備金屬霍爾器件，其具體結構為基片 Si/[ Co90Fe10(0.2Snm) /Pt (7.2 nm)]3。
該金屬霍爾器件的磁化強度和霍爾電阻隨外加磁場的變化關系分別如圖4和圖5 所示，可以觀察到，霍爾電阻和磁化強度之間是一一對應的，在沒達到飽和前都表現(xiàn) 出很好的線性。在理想的多層膜結構中，有效各向異性^//表達為
其中《s是表面或者界面各向異性，第二項為形狀各向異性。由于CoFe/Pt具有垂直 各向異性，從公式中可發(fā)現(xiàn)，通過各層膜厚和周期數(shù)的調(diào)節(jié)可以很容易獲得一個負的 有效各向異性場，從而大大減小了飽和場，極大的提高靈敏度。由圖5的霍爾電阻和 磁場的關系計算得到，在室溫下，霍爾斜率達到545pQcm/T，靈敏度可以達到1200V/A T，這甚至超過了目前半導體霍爾器件的靈敏度。而測量的電阻率約為60pQcm，比 半導體的電阻率小3個量級以上。
實施例3
采用前述的兩種方法之一進行制備金屬霍爾器件，其具體結構為基片Si/[CoFe (fCoFenm) /Pt (fpt nm)V[Fe (fFe nm) /Pt (fPt nm)]m，其中CoFe合金的成分為Co90Fe10，膜 厚fc。Fc為0.28， &為1.2，周期n為3， ^為0.4， ^為1.2， m分別為1、 2、 3。
該系列金屬霍爾器件的霍爾電阻隨外加磁場的變化關系如圖6所示，可見通過 CoFe/Pt和Fe/Pt的組合，可以將應用場范圍擴大到400Oe，并且同時保持好的線性。
實施例4
采用前述的兩種方法之一進行制備金屬霍爾器件，其具體結構為基片Si/[Fe(0.4 nm) /Pt (1.2 nm)]/ [Co90Fei0 (0.3 nm) /Pt (1.2 nm)〗2/[Fe (0.4 nm) /Pt (1.2 nm)]。
該金屬霍爾器件的霍爾電阻隨外加磁場的變化關系如圖7所示，在此實施例中， 同樣通過不同方式的CoFe/Pt和Fe/Pt組合，可以將應用場范圍擴大到200Oe，并且同 時保持好的線性。
權利要求
1、一種金屬多層膜霍爾器件，包括一硅基片層，和在其上交替周期性生長的磁性金屬層和Pt層；所述的磁性金屬層的材料為Fe、Co或/和Co100-xFex合金，0＜x＜100。
2、 如權利要求1所述的金屬多層膜霍爾器件，其特征在于所述磁性金屬層為 Fe，基片層上交替周期性生長的磁性金屬層和Pt層的結構表示為[Fe (/Fe nm) /Pt nm)]m，其中Fe層的厚度^為0.2—0.6nm， Pt層的厚度fPt為0.4—1.8nm，生長周期 數(shù)m為2—24。
3、 如權利要求2所述的金屬多層膜霍爾器件，其特征在于所述的Fe層的厚度 /Fe為0.4nm， Pt層的厚度&為1.2nm，生長周期數(shù)m為12。
4、 如權利要求1所述的金屬多層膜霍爾器件，其特征在于所述磁性金屬層為 Co，基片層上交替周期性生長的磁性金屬層和Pt層的結構表示為[Co (/c。 nm) /Pt nm)],，其中Co層的厚度fc。為0.2—0.5nm， Pt層的厚度^為0.6—2nm，生長周期數(shù) i為2—4。
5、 如權利要求1所述的金屬多層膜霍爾器件，其特征在于所述磁性金屬層為 CoFe，基片層上交替周期性生長的磁性金屬層和Pt層的結構表示為[CoFe(/c。Feiim)/Pt (/Ptnm)]n，其中CoFe層的厚度/c。Fe為0.2—0.5nm， Pt層的厚度&為0.6—2nm，生長 周期數(shù)n為2—4。
6、 如權利要求5所述的金屬多層膜霍爾器件，其特征在于所述磁性金屬層為 Co9oFe1()，其厚度fc。Fe為0.28nm， Pt層的厚度&為1.2nm,生長周期數(shù)n為3。
7、 如權利要求1所述的金屬多層膜霍爾器件，其特征在于所述磁性金屬層為 Fe和CoFe的組合時，基片層上交替周期性生長的磁性金屬層和Pt層的結構表示為 [CoFe(fc。Feiim) /Pt nm)]n/[Fe (/Fe nm) /Pt nm)]m,或者[Fe (fFe nm) /Pt nm)]m /[CoFe"c。Fenm) /Pt nm)V[Fe (,Fe nm) /Pt nm)]m，其中Fe層的厚度^為0.3 — 0.4nrn， CoFe層的厚度fo，F(xiàn)e為0.2—0.5nm, Pt層的厚度^為0.9—2nm，生長周期數(shù)m為1—5, n為2—4。
8、 如權利要求7所述的金屬多層膜霍爾器件，其特征在于所述磁性金屬層為 Fe和CoFe的組合為[Co9oFen)(0.28nm) /Pt (1.2nm)]3/[Fe(0.4nm) /Pt (1.2nm)]卜4。
9、 如權利要求7所述的金屬多層膜霍爾器件，其特征在于所述磁性金屬層為 Fe和CoFe的組合為[Fe (0.4nm) /Pt (1.2 nm)V [Co9oFe1()(0.3nm) /Pt (1.2nm)]2/[Fe(0.4nm) /Pt(1.2nm)]i。
10、 一種權利要求l一9之一所述的金屬多層膜霍爾器件的制備方法，包括如下的步驟1) 在表面熱氧化的硅基片上涂布光刻膠，并用紫外曝光機曝光，顯影定影后，霍 爾測量圖形部分的光刻膠已經(jīng)除去，測量圖形以外的硅基片仍被光刻膠覆蓋；2) 采用真空沉積法，在步驟1)處理后的硅基片上鍍上前述的磁性金屬層和Pt層；3) 對鍍完膜后的樣品釆用lift一off工藝去掉光刻膠，形成霍爾測量圖形。
11、 一種權利要求1一9之一所述的金屬多層膜霍爾器件的制備方法，包括如下的 步驟1) 采用真空沉積法，在表面熱氧化的硅基片上直接交替地鍍上前述的磁性金屬層 和Pt層；2) 在步驟1)鍍完膜后的樣品上涂布光刻膠，并用紫外曝光機曝光，顯影定影后， 霍爾測量圖形部分仍被光刻膠覆蓋，而測量圖形以外的光刻膠已經(jīng)除去；3) 將步驟2)處理后的樣品放入離子束刻蝕機中刻蝕，然后放入無水乙醇或者丙酮中超聲去掉光刻膠，最終獲得霍爾測量圖形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬多層膜霍爾器件，其由在硅基片上交替生長的磁性金屬層和Pt層構成，磁性金屬選用Fe、Co或/和CoFe合金。該金屬霍爾器件具有超高靈敏度，在室溫下甚至可以達到1200V/AT，這已經(jīng)超過了目前半導體霍爾器件的靈敏度，可應用于傳感器和磁存儲系統(tǒng)中。本發(fā)明提供的上述金屬霍爾器件的制備工藝簡單、重復且穩(wěn)定，非常適合實際操作。
文檔編號H01L43/06GK101192645SQ20061014405
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月24日 優(yōu)先權日2006年11月24日
發(fā)明者云 竺, 蔡建旺 申請人:中國科學院物理研究所