專利名稱：一種提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料薄膜領(lǐng)域，尤其涉及各向異性磁電阻坡莫合金薄膜的制備和熱穩(wěn)定性的提高。
背景技術(shù)：
各向異性磁電阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)薄膜材料可用作測(cè)量磁場(chǎng)的磁傳感器，和其它磁場(chǎng)傳感器如霍爾器件、半導(dǎo)體磁敏電阻相比，AMR傳感器具有靈敏度高、體積小、可靠性高、溫度特性好、工作頻率高、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、以及易干與數(shù)字電路匹配等優(yōu)點(diǎn)。它不僅可以應(yīng)用于信息處理領(lǐng)域，同時(shí)在自動(dòng)控制、航空航天、導(dǎo)航、軍事等領(lǐng)域都有著廣泛的用途。即使在今天，許多公司和科研院所仍在拓展AMR器件的應(yīng)用領(lǐng)域。尤其值得強(qiáng)調(diào)的是，AMR薄膜可以在硅片上大量制備，并直接嵌入商業(yè)化集成電路單元 中，因此可以實(shí)現(xiàn)磁傳感器和其他電路或系統(tǒng)部件之間的一體化組裝。目前國(guó)際上還在不斷地挖掘AMR薄膜的潛力，提高其磁場(chǎng)靈敏度和熱穩(wěn)定性、降低噪音等，以擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。為了達(dá)到這個(gè)目的，AMR坡莫合金薄膜必須沉積的更薄，矯頑カ更小，且各向異性磁電阻值盡可能大。但是AMR薄膜的磁電阻隨薄膜厚度的減小而急劇下降，如15nm厚NiFe薄膜的磁電阻小于2%，不利于AMR器件的應(yīng)用。因此，在較小厚度下有較大磁電阻值的AMR薄膜的制備是ー項(xiàng)非常關(guān)鍵的工作，它是AMR器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。此外純Ni81Fe19薄膜的熱穩(wěn)定性較差，提高熱穩(wěn)定性也是ー個(gè)重要的研究方向。雖然有些文獻(xiàn)提出利用退火可以提高坡莫合金薄膜的各向異性磁電阻，但是退火的同時(shí)也促進(jìn)了 Ta和NiFe層之間的擴(kuò)散，増加了磁死層的厚度，對(duì)坡莫合金薄膜的磁性能會(huì)產(chǎn)生不利影響，不利于在高溫環(huán)境下使用。申請(qǐng)?zhí)枮?00710177706. 5，名稱為“ー種提高坡莫合金薄膜磁電阻變化率的方法”的中國(guó)專利公開(kāi)了ー種將CoFe納米氧化層插入Ta/NiFe和NiFe/Ta層從而阻止Ta和NiFe層之間的相互擴(kuò)散的方法，但CoFe納米氧化層的制備方法是先沉積CoFe層后，停止濺射，隨后通入純度為99. 99%的氧氣，使CoFe在氧氣中氧化從而形成CoFe納米氧化層。雖然這種方法可以阻擋Ta和NiFe層間的擴(kuò)散，保證了坡莫合金薄膜的磁性能，但其需要通入氧氣進(jìn)行氧化，從而增加了制備的步驟，并且其制備時(shí)間大幅度増加，降低了其制備效率，不利于エ業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供ー種AMR值更大，且具有較好的熱穩(wěn)定性的各向異性磁電阻坡莫合金薄膜的制備方法，并且此制備方法エ藝簡(jiǎn)單、制備效率高、適于エ業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明ー種提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法，采用磁控濺射方法，濺射室本底真空度為I X 10_5 9 X 10_5Pa，濺射前通入99. 99%純度氬氣，濺射時(shí)氬氣氣壓為0.4 2. 7 Pa，平行于基片方向加有150 300 Oe的磁場(chǎng)，基片始終以8 30轉(zhuǎn)/分鐘的速率旋轉(zhuǎn)，其制備步驟為，在清洗干凈的玻璃或硅基片上依次沉積緩沖層Ta、CoFeB層、、磁性層NiFe、CoFeB層、保護(hù)層Ta ;其中CoFeB層厚度為I. 0 20. 0 nm。本發(fā)明的優(yōu)選方案為，所述CoFeB層與磁性NiFe層之間沉積MgO或Al2O3層，MgO或Al2O3層厚度為I. 0 20. 0 nm。所述Al2O3或MgO納米氧化層采用直接濺射氧化物靶材的方法制備。本發(fā)明的優(yōu)選方案為，將上述的MgO或Al2O3層由Pt層替代，厚度為I. 0 20. 0nm。本發(fā)明的優(yōu)選方案為，上述制得的薄膜樣品在真空退火爐中進(jìn)行退火處理，退火爐真空度為IX 10_4 9X 10_4Pa，退火時(shí)沿薄膜的易軸方向施加磁場(chǎng)。本發(fā)明所述磁性NiFe層的成分為81Ni :19Fe、并且薄膜雜質(zhì)含量小于0. 1%。所述
緩沖層、保護(hù)層Ta的厚度為I. 0 20. 0 nm ;所述磁性NiFe層的厚度為2. 0 200. Onm。本發(fā)明的優(yōu)選方案為，在濺射前通入鍍膜室99. 99%純度氬氣0. 5 I小時(shí)，氣壓維持在0. I 0. 5 Pa ;濺射時(shí)99. 99%純度的高純氬氣氣壓為0. 4 2. 7 Pa ;濺射沉積速率為0. 03 0. 33nm/分鐘，濺射厚度由濺射時(shí)間控制。在制備Ni81Fe19薄膜材料過(guò)程中，在Ta/NiFe/Ta薄膜的Ta/NiFe和NiFe/Ta界面上插入ー層高自旋極化率的材料CoFeB，以提高薄膜材料的AMR性能；此外還可以在Ta/CoFeB和NiFe界面插入具有強(qiáng)自旋-軌道耦合的材料Pt或具有強(qiáng)“鏡面散射”的MgO或Al2O3,用于提高磁電阻值及阻擋CoFeB擴(kuò)散，進(jìn)ー步提高體系的AMR性能。在濺射緩沖層Ta后，再在Ta上沉積CoFeB層，利用高自旋極化率材料CoFeB、強(qiáng)自旋-軌道耦合的材料Pt及具有的“鏡面散射”作用的MgO或Al2O3納米氧化層改善薄膜中輸運(yùn)電子的散射途徑，延長(zhǎng)電子的自由程，進(jìn)而達(dá)到提高Ni81Fe19薄膜的AMR值、改善其熱穩(wěn)定性的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明使得在薄膜很薄時(shí)，如薄膜為10 IimNi81Fe19，具有較高的熱穩(wěn)定性。當(dāng)退火溫度為400°C時(shí)，薄膜的AMR值為3. 72 %，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純Ni81Fe19薄膜的AMR值。另外，由于濺射前通入鍍膜室99. 99%純度氬氣0. 5 I小時(shí)、并且氣壓維持在0. I 0. 5 Pa，這使得沉積室壁殘留雜質(zhì)氣體很少，所以薄膜的各向異性磁電阻AMR值就比沒(méi)有采取這種エ藝的薄膜AMR值得到了提高。本發(fā)明方法制備的薄膜材料能夠使得薄膜很薄時(shí)具有較高的各向異性磁電阻值和低矯頑力、低晶體各向異性、好的熱穩(wěn)定性等綜合性能，以滿足磁傳感器的性能和產(chǎn)品需求。


圖I為不同結(jié)構(gòu)Ni81Fel9薄膜樣品的磁電阻變化曲線，其中樣品(a)的結(jié)構(gòu)為T(mén)a/NiFe/Ta、樣品(b)的結(jié)構(gòu)為 Ta/CoFeB/ NiFe/CoFeB/Ta ；
圖2為Ni81Fe19薄膜的AMR值隨退火溫度的變化曲線，其中樣品(a)的結(jié)構(gòu)為T(mén)a(5 nm)/NiFe (10 nm) /Ta (3 nm)、樣品(b)的結(jié)構(gòu)為 Ta(5 nm) /CoFeB (2 nm) /MgO (4 nm) /NiFe (10nm)/ MgO(3 nm)/CoFeB(2 nm)/ Ta(3 nm)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
在磁控濺射儀中制備各向異性坡莫合金Ni81Fe19薄膜。首先將玻璃基片用有機(jī)化學(xué)溶劑和去離子水超聲清洗，然后裝入濺射室樣品基座上?；醚h(huán)去離子水冷卻，平行于基片方向加有150 Oe的磁場(chǎng)，并且基片始終以30轉(zhuǎn)/分鐘的速率旋轉(zhuǎn)，濺射沉積速率為0. 3nm/分鐘。濺射室本底真空5 X 10-5Pa，濺射前通入鍍膜室99. 99%純度氬氣I小時(shí)，氣壓維持在0. 5 Pa。在濺射時(shí)99. 99%純度的高純氬氣氣壓為I. 5Pa的條件下依次沉積10 nm厚度的Ta和50. 0 nm厚度的NiyFel00-y。通過(guò)對(duì)50. 0 nmNixFe100_x化學(xué)分析,找出薄膜成分符合81Ni : 19Fe、并且薄膜雜質(zhì)含量小于0. 1%的情況下所對(duì)應(yīng)的NixFeic^合金靶。利用這個(gè)選出的坡莫合金靶來(lái)沉積Ni81Fe19薄膜。從而利用上述濺射條件制備結(jié)構(gòu)為T(mén)a (5 nm) /CoFeB (I nm) / NiFe (10 nm) / CoFeB (I nm) /Ta (3 nm)結(jié)構(gòu)與 Ta (5 nm) /NiFe (10 nm) /Ta (3nm)結(jié)構(gòu)的各向異性坡莫合金Ni81Fe19薄膜。從圖I (a)Ta(5 nm) /NiFe (10 nm) /Ta(3 nm)薄膜的各向異性磁電阻曲線中可以看出薄膜在制備態(tài)時(shí)AMR值為1.80 %。圖I (b)的結(jié)構(gòu)為 Ta(5 nm) /CoFeB (I nm) / NiFe (10 nm) / CoFeB (I nm) /Ta(3 nm),其灘射條件與(a)相同，CoFeB層用濺射CoFeB靶方法制備，薄膜在制備態(tài)時(shí)AMR值為2.50 %。與圖I (a)相比，圖I (b)中NiFe薄膜的磁電阻得到了顯著的提高。實(shí)施例2
在磁控濺射儀中制備各向異性坡莫合金Ni81Fe19薄膜。首先將玻璃基片用有機(jī)化學(xué)溶劑和去離子水超聲清洗，然后裝入濺射室樣品基座上?；醚h(huán)去離子水冷卻，平行于基片方向加有250 Oe的磁場(chǎng)，并且基片始終以18轉(zhuǎn)/分鐘的速率旋轉(zhuǎn)，濺射沉積速率為0. 17nm/分鐘。濺射室本底真空4X 10_5Pa，濺射前通入鍍膜室99. 99%純度氬氣0. 5小吋，氣壓維持在0.5 Pa。在濺射時(shí)99. 99%純度的高純氬氣氣壓為0.4 Pa的條件下依次沉積5 nm厚度的Ta和50. 0 nm厚度的NiyFe1(l(l_y。通過(guò)對(duì)50. 0 nmNixFe100_x化學(xué)分析，找出薄膜成分符合81Ni : 19Fe、并且薄膜雜質(zhì)含量小于0. 1%的情況下所對(duì)應(yīng)的NixFeic^合金靶。利用這個(gè)選出的坡莫合金祀來(lái)沉積Ni81Fe19薄膜。利用上述制備條件制備結(jié)構(gòu)為T(mén)a(5 nm)/NiFe (10 nm)/Ta(3 nm)和 Ta (5 nm)/CoFeB(2 nm)/MgO(4 nm)/NiFe(10 nm)/ MgO(3 nm)/CoFeB(2 nm)/ Ta(3 nm)的各向異性坡莫合金Ni81Fe19薄膜。實(shí)驗(yàn)制備的薄膜樣品在真空退火爐中進(jìn)行退火處理。爐本底真空優(yōu)于2. OX 10_4 Pa,退火時(shí)沿薄膜的易軸方向施加磁場(chǎng)。薄膜樣品在不同的熱處理溫度退火，退火時(shí)間均為ー小吋。從圖2 (a) Ta (5 nm)/NiFe (10nm)/Ta(3 nm)薄膜的AMR值隨退火溫度變化的曲線中可以看出，在薄膜未退火狀態(tài)時(shí)AMR值最高(I. 80 %)，隨著退火溫度的提高，其AMR值持續(xù)下降，當(dāng)退火溫度為430で吋，AMR值下降為0.31 %，當(dāng)退火溫度為480で吋，AMR值下降為O。性能的惡化主要是因?yàn)橥嘶鸺觿×?NiFe與Ta之間的擴(kuò)散與界面反應(yīng)，導(dǎo)致生成金屬間化合物。圖2 (b)的結(jié)構(gòu)為T(mén)a(5nm) /CoFeB (2 nm) /MgO (4 nm) /NiFe (10 nm) / MgO (3 nm) /CoFeB (2 nm) /Ta (3 nm),其灘射條件與(a)相同，CoFeB層所用濺射靶材為CoFeB靶、MgO納米氧化層采用直接濺射氧化物革巴材的方法制備，從(b)結(jié)構(gòu)Ni81Fe19 (10 nm)薄膜AMR值隨退火溫度的變化曲線,可以看出隨著退火溫度的增加，AMR值逐漸増大，當(dāng)溫度達(dá)400°C吋，薄膜的AMR值最大，為3. 72%，之后隨退火溫度的增加，AMR下降。當(dāng)退火溫度為500で吋，AMR值降仍保持在1.64 %。與圖2 (a)相比，圖2 (b)中NiFe薄膜的熱穩(wěn)定性得到了顯著的提高。實(shí)施例3
在磁控濺射儀中制備各向異性坡莫合金Ni81Fe19薄膜。首先將玻璃基片用有機(jī)化學(xué)溶劑和去離子水超聲清洗，然后裝入濺射室樣品基座上?；醚h(huán)去離子水冷卻，平行于基片方向加有300 Oe的磁場(chǎng)，并且基片始終以8轉(zhuǎn)/分鐘的速率旋轉(zhuǎn)，濺射沉積速率為0. 33nm/分鐘。濺射室本底真空9 X 10_5Pa，濺射前通入鍍膜室99. 99%純度氬氣I小時(shí)，氣壓維持在0.5 Pa。在濺射時(shí)99. 99%純度的高純氬氣氣壓為2. 7 Pa的條件下依次沉積5nm厚度的Ta和50. 0 nm厚度的NiyFe1(l(l_y。通過(guò)對(duì)50. 0 nmNixFe100_x化學(xué)分析,找出薄膜成分符合81Ni:19Fe、并且薄膜雜質(zhì)含量小于0. 1%的情況下所對(duì)應(yīng)的NixFe1(l(l_x合金靶。利用這個(gè)選出的坡莫合金祀來(lái)沉積Ni81Fe19薄膜。利用上述制備條件制備結(jié)構(gòu)為T(mén)a(5 nm)/CoFeB (2 nm) /Pt (4 nm) /NiFe (10 nm) / Pt (3 nm) /CoFeB (2 nm) / Ta (3 nm)的各向異性坡莫合金Ni81Fe19薄膜。實(shí)驗(yàn)制備的薄膜樣品在真空退火爐中進(jìn)行退火處理。爐本底真空度為8.0X10_4Pa，退火溫度為400攝氏度，退火時(shí)間為I小時(shí)，退火時(shí)沿薄膜的易軸方向施加磁場(chǎng)。
權(quán)利要求
1.一種提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法，采用磁控濺射方法，濺射室本底真空度為I X 10_5 9 X W5Pa,濺射前通入99. 99%純度氬氣，濺射時(shí)氬氣氣壓為O. 4 2. 7 Pa，平行于基片方向加有150 300 Oe的磁場(chǎng)，基片始終以8 30轉(zhuǎn)/分鐘的速率旋轉(zhuǎn)，其特征在于，在清洗干凈的玻璃或硅基片上依次沉積緩沖層Ta、CoFeB層、、磁性層NiFe, CoFeB層、保護(hù)層Ta ;其中CoFeB層厚度為I. O 20. O nm。
2.如權(quán)利要求I所述的提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述CoFeB層與磁性NiFe層之間沉積MgO或Al2O3層，MgO或Al2O3層厚度為I. O 20.O nm。
3.如權(quán)利要求2所述的提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述MgO或Al2O3層由Pt層替代，厚度為I. O 20. O nm。
4.如權(quán)利要求I 3任一項(xiàng)所述的提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，上述值得的薄膜樣品在真空退火爐中進(jìn)行退火處理，退火爐真空度為IX 10_4 9X 10_4Pa，退火時(shí)沿薄膜的易軸方向施加磁場(chǎng)。
5.如權(quán)利要求I 3任一項(xiàng)所述的提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述磁性NiFe層的成分為81Ni :19Fe、并且薄膜雜質(zhì)含量小于O. 1%。
6.如權(quán)利要求I 3任一項(xiàng)所述的提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述緩沖層、保護(hù)層Ta的厚度為I. O 20. O nm ;所述磁性NiFe層的厚度為 2. O 200. Onm。
7.如權(quán)利要求2所述的提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述Al2O3或MgO納米氧化層采用直接濺射氧化物靶材的方法制備。
8.如權(quán)利要求I 3任一項(xiàng)所述的提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，濺射前通入鍍膜室99. 99%純度氬氣O. 5 I小時(shí)，氣壓維持在O. I O. 5Pa ;濺射時(shí)99. 99%純度的高純氬氣氣壓為O. 4 2. 7 Pa。
9.如權(quán)利要求I 3任一項(xiàng)所述的提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，濺射沉積速率為O. 03 O. 33nm/分鐘，濺射厚度由濺射時(shí)間控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高各向異性磁電阻坡莫合金薄膜熱穩(wěn)定性的方法，采用磁控濺射方法，濺射室本底真空度為1×10-5～9×10-5Pa，濺射前通入99.99%純度氬氣，濺射時(shí)氬氣氣壓為0.4～2.7Pa，平行于基片方向加有150～300Oe的磁場(chǎng)，基片始終以8～30轉(zhuǎn)/分鐘的速率旋轉(zhuǎn)，在清洗干凈的玻璃或硅基片上依次沉積緩沖層Ta、CoFeB層、、磁性層NiFe、CoFeB層、保護(hù)層Ta；其中CoFeB層厚度為1.0～20.0nm。本發(fā)明方法制備的薄膜材料能夠使得薄膜很薄時(shí)具有較高的各向異性磁電阻值和低矯頑力、低晶體各向異性、好的熱穩(wěn)定性等綜合性能，以滿足磁傳感器的性能和產(chǎn)品需求。
文檔編號(hào)H01F41/18GK102867645SQ201210365968
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者李明華, 于廣華, 董躍剛, 馮春 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)