CN101192645A - 一种金属多层膜霍尔器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属多层膜霍尔器件，其由在硅基片上交替生长的磁性金属层和Pt层构成，磁性金属选用Fe、Co或/和CoFe合金。该金属霍尔器件具有超高灵敏度，在室温下甚至可以达到1200V/AT，这已经超过了目前半导体霍尔器件的灵敏度，可应用于传感器和磁存储系统中。本发明提供的上述金属霍尔器件的制备工艺简单、重复且稳定，非常适合实际操作。

Description

一种金属多层膜霍尔器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属霍尔器件，具体地说是涉及一种具有超高灵敏度的金属多层膜霍尔器件，及其制备方法。

背景技术

基于霍尔效应的霍尔器件具有线性特性好，灵敏度高，稳定性好，控制简单、方便等特点。目前，半导体霍尔器件已经广泛用于传感器和磁存储系统中，用来对磁场、电流、位移等进行检测。但是半导体的高电阻率、低工作频率以及复杂的制备工艺都将阻碍其进一步发展。金属器件能很好的克服这些问题，只是由于金属的载流子浓度很高，所以正常霍尔效应非常微弱。起源于自旋-轨道相互作用的铁磁性金属的反常霍尔效应往往比正常霍尔效应大几个数量级，但是，一般铁磁性金属的反常霍尔效应与半导体的相比仍有较大的差距，因此，增强铁磁金属的反常霍尔效应成为了急待解决的问题。

为了增强反常霍尔效应，在早期人们选用稀土元素与铁磁金属形成合金，虽然利用了稀土的强的自旋-轨道相互作用取得了一定的效果，但是由于稀土的磁转变温度低，且容易腐蚀的缺点而逐渐被淘汰。另外，采用颗粒膜结构，将铁磁颗粒埋于氧化物绝缘体中也能获得极高的反常霍尔效应，只是这种颗粒膜结构具有极高的电阻率，这也将阻碍其进一步发展。最近研究的Pt基铁磁金属合金取得了比较好的结果，尤其是FePt合金，例如对于3nm的Fe₃₅Pt₆₅，在110K，霍尔斜率可达到76.8μΩcm/T，对应霍尔器件的灵敏度可达到250V/AT(文献Appl.Phys.Lett.85，73(2004))，但是，这与目前半导体霍尔器件的1000V/AT的灵敏度比起来还有一段差距(文献IEEE Trans.Electron Devices 43，1665(1996))。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的种种不足，在解决半导体霍尔器件中半导体的高电阻率、低工作频率以及复杂的制备工艺的问题的同时，提供一种可与半导体霍尔器件相比拟的高灵敏度的金属多层膜霍尔器件。

本发明的另一目的在于提供一种工艺简单、非常适合实际操作、且重复稳定的制备上述金属多层膜霍尔器件的方法。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的金属多层膜霍尔器件，如图1所示，包括：一硅基片层1，和在其上交替周期性生长的磁性金属层2和Pt层3，周期数视需要而定；

所述的磁性金属层用于产生反常霍尔效应，该层的材料为Fe、Co或/和Co_100-xFe_x合金(原子比范围：0＜x＜100)；

所述的Pt层用于提供强自旋-轨道相互作用以及保护多层膜防止被氧化。

当所述磁性金属层全部为Fe时，基片层上交替周期性生长的磁性金属层和Pt层的结构表示为[Fe(t_Fenm)/Pt(t_Ptnm)]_m，其中Fe层的厚度t_Fe为0.2-0.6nm，Pt层的厚度t_Pt为0.4-1.8nm，生长周期数m为2-24；优选地，Fe层的厚度t_Fe为0.4nm，Pt层的厚度t_Pt为1.2nm，生长周期数m为12，即[Fe(0.4nm)/Pt(1.2nm)]₁₂。

当所述磁性金属层全部为Co时，基片层上交替周期性生长的磁性金属层和Pt层的结构表示为[Co(t_Conm)/Pt(t_Ptnm)]₁，其中Co层的厚度t_Co为0.2-0.5nm，Pt层的厚度t_Pt为0.6-2nm，生长周期数i为2-4。

当所述磁性金属层全部为CoFe时，基片层上交替周期性生长的磁性金属层和Pt层的结构表示为[CoFe(t_CoFenm)/Pt(t_Ptnm)]_n，其中CoFe层的厚度t_CoFe为0.2-0.5nm，Pt层的厚度t_Pt为0.6-2nm，生长周期数n为2-4；优选地，所述磁性金属层为Co₉₀Fe₁₀，其厚度t_CoFe为0.28nm，Pt层的厚度t_Pt为1.2nm，生长周期数n为3，即[Co₉₀Fe₁₀(0.28nm)/Pt(1.2nm)]₃。

当所述磁性金属层为Fe和CoFe的组合时，基片层上交替周期性生长的磁性金属层和Pt层的结构表示为[CoFe(t_CoFenm)/Pt(t_Ptnm)]_n/[Fe(t_Fenm)/Pt(t_Ptnm)]_m，或者[Fe(t_Fenm)/Pt(t_Ptnm)]_m/[CoFe(t_CoFenm)/Pt(t_Ptnm)]_n/[Fe(t_Fenm)/Pt(t_Ptnm)]_m，其中Fe层的厚度t_Fe为0.3-0.4nm，CoFe层的厚度t_CoFe为0.2-0.5nm，Pt层的厚度t_Pt为0.9-2nm，生长周期数m为1-5，n为2-4；优选地，所述磁性金属层为Co₉₀Fe₁₀和Fe的组合，其中t_CoFe为0.28nm，t_Fe为0.4nm，Pt层的厚度t_Pt为1.2nm，生长周期数n为3，m为1-4，即[Co₉₀Fe₁₀(0.28nm)/Pt(1.2nm)]₃/[Fe(0.4m)/Pt(1.2nm)]_1-4；优选地，所述磁性金属层为Co₉₀Fe₁₀和Fe的组合，其中t_CoFe为0.3nm，t_Fe为0.4nm，Pt层的厚度t_Pt为1.2nm，生长周期数分别是m为1，n为2，m为1，即[Fe(0.4nm)/Pt(1.2nm)]₁/[Co₉₀Fe₁₀(0.3nm)/Pt(1.2nm)]₂/[Fe(0.4nm)/Pt(1.2nm)]₁。

本发明提供两种上述金属多层膜霍尔器件的制备方法，第一种方法包括如下的步骤：

1)在表面热氧化的硅基片上涂布光刻胶，并用紫外曝光机曝光，显影定影后，霍尔测量图形部分的光刻胶已经除去，测量图形以外的硅基片仍被光刻胶覆盖；

2)采用真空沉积法，在步骤1)处理后的硅基片上镀上前述的磁性金属层和Pt层，周期数视生长需要而定；

3)对镀完膜后的样品采用lift-off工艺去掉光刻胶，形成霍尔测量图形。

本发明提供的第二种上述金属多层膜霍尔器件的制备方法，包括如下的步骤：

1)采用真空沉积法，在表面热氧化的硅基片上直接交替地镀上前述的磁性金属层和Pt层，周期数视生长需要而定；

2)在步骤1)镀完膜后的样品上涂布光刻胶，并用紫外曝光机曝光，显影定影后，霍尔测量图形部分仍被光刻胶覆盖，而测量图形以外的光刻胶已经除去；

3)将步骤2)处理后的样品放入离子束刻蚀机中刻蚀，然后放入无水乙醇或者丙酮中超声去掉光刻胶，最终获得霍尔测量图形。

上述两种方法中采用所述的真空沉积法镀膜时，本底真空优于10^-4Pa。

本发明提供的金属霍尔器件由在硅基片上交替生长的磁性金属层和Pt层构成，磁性金属选用Fe、Co或/和CoFe合金。该金属霍尔器件具有超高灵敏度，在室温下甚至可以达到1200V/AT，这已经超过了目前半导体霍尔器件的灵敏度。这是因为本发明一方面利用了Pt的强自旋-轨道相互作用，获得了较高的霍尔电阻值；另一方面利用了多层膜的可调的表面或界面各向异性，通过调节各层膜厚和周期数来调节界面各向异性和形状各向异性，从而改变饱和场的大小，最终大大增加了霍尔斜率以及灵敏度。例如，当磁性金属层为CoFe层时，由于CoFe/Pt多层膜具有垂直各向异性，通过各层膜厚和周期数的调节，可以很容易获得一个负的有效各向异性场，从而大大减小了饱和场，极大地提高了灵敏度。此外，通过CoFe/Pt和Fe/Pt的组合还可得到适用于不同磁场范围的霍尔器件。在本发明提供的金属霍尔器件的最后一层生长Pt层，还可以起到抗腐蚀的作用。

本发明提供的金属霍尔器件的制备工艺简单、重复且稳定，非常适合实际操作。

本发明提供的金属霍尔器件可应用于传感器和磁存储系统中。

附图说明

图1是本发明的金属多层膜霍尔器件的结构示意图；其中，1-基片层，2-磁性金属层，3-Pt层；

图2是本发明的金属霍尔器件测量图形示意图；其中，4和5端通一恒定电流，6和7端测量电压，外加磁场垂直于电流和电压方向；

图3是实施例1中霍尔斜率和饱和场随Pt层厚度的变化关系；

图4是实施例2中磁化强度随外加磁场的变化关系；

图5是实施例2中霍尔电阻随外加磁场的变化关系；

图6是实施例3中霍尔电阻随外加磁场的变化关系；其中，m＝1，2，3分别对应■，▲，★；

图7是实施例4中霍尔电阻随外加磁场的变化关系。

具体实施方式

以下所有实施例中的金属霍尔器件均可采用前述的两种方法之一进行制备。以实施例2的Si/[CoFe(t_CoFenm)/Pt(t_Ptnm)]_n为例，可以采用下述两种方法进行制备。

方法一：首先在表面热氧化的Si基片上涂布光刻胶，并用紫外曝光机曝光，显影定影后，霍尔测量图形部分的光刻胶已经除去，测量图形以外的Si基片仍被光刻胶覆盖。接着采用磁控溅射方法，本底真空度低于10^-4Pa，且惰性气氛下的沉积工作气压为0.5-0.6Pa，在处理后的Si基片上镀上3个周期的0.28nm的CoFe和1.2nm的Pt。最后对样品采用lift-off工艺去掉光刻胶形成霍尔测量图形。

方法二：首先采用磁控溅射方法，本底真空度低于10^-4Pa，且惰性气氛下的沉积工作气压为0.5-0.6Pa，在表面热氧化的Si基片上镀上3个周期的0.28nm的CoFe和1.2nm的Pt。然后将镀完膜的样品涂布光刻胶，并用紫外曝光机曝光，显影定影后，霍尔测量图形部分仍被光刻胶覆盖，而测量图形以外的光刻胶已经除去。接着将样品放入离子束刻蚀机中刻蚀，然后放入无水乙醇或者丙酮中超声去掉光刻胶，最终获得霍尔测量图形。

将制备好的样品固定在样品托上，并超声压焊连好电极，然后用四端法测量。结构特性和磁性分别由X射线衍射仪XRD和振动样品磁强计VSM测量。

为了便于比较和分析器件性能，定义薄膜的霍尔电阻为：

ρ_xy＝(V_xy/I)t＝R₀H+4πR_SM

其中，R₀是正常霍尔系数，R_S是反常霍尔系数，V_xy是霍尔电压，t是薄膜厚度。霍尔斜率作为霍尔器件的一个重要特性，通常定义为R_H＝dρ_xy/dH≈4πχR_S，而霍尔灵敏度K_H＝R_H/t。

实施例1

采用前述的两种方法之一进行制备金属霍尔器件，其具体结构为：基片Si/[Fe(t_Fenm)/Pt(t_Ptnm)]_m，其中t_Fe为0.4，t_Pt为0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6，对应的周期m为24、20、16、14、12、11、10。

该系列金属霍尔器件的霍尔斜率和饱和场H_S随Pt层厚度的变化关系如图3所示，样品的霍尔斜率随饱和场减小而逐渐增大，在Pt的厚度为1.2nm时达到最大，接近10μΩcm/T，这时的Fe和Pt的原子比为30∶70，这个结果和FePt合金的结果类似。但是Fe/Pt多层膜优于FePt合金的是，在达到一定的霍尔斜率值，例如在3μΩcm/T以上，Fe和Pt的成分比可以在更宽的范围内调节。

实施例2

采用前述的两种方法之一进行制备金属霍尔器件，其具体结构为：基片Si/[Co₉₀Fe₁₀(0.28nm)/Pt(1.2nm)]₃。

该金属霍尔器件的磁化强度和霍尔电阻随外加磁场的变化关系分别如图4和图5所示，可以观察到，霍尔电阻和磁化强度之间是一一对应的，在没达到饱和前都表现出很好的线性。在理想的多层膜结构中，有效各向异性K_eff表达为

$K_{\mathrm{eff}}={2K}_S\frac{1}{t_{\mathrm{CoFe}}}-2\mathrm{\π}{M}_S^2,$

其中K_S是表面或者界面各向异性，第二项为形状各向异性。由于CoFe/Pt具有垂直各向异性，从公式中可发现，通过各层膜厚和周期数的调节可以很容易获得一个负的有效各向异性场，从而大大减小了饱和场，极大的提高灵敏度。由图5的霍尔电阻和磁场的关系计算得到，在室温下，霍尔斜率达到545μΩcm/T，灵敏度可以达到1200V/AT，这甚至超过了目前半导体霍尔器件的灵敏度。而测量的电阻率约为60μΩcm，比半导体的电阻率小3个量级以上。

实施例3

采用前述的两种方法之一进行制备金属霍尔器件，其具体结构为：基片Si/[CoFe(t_CoFenm)/Pt(t_Ptnm)]_n/[Fe(t_Fenm)/Pt(t_Ptnm)]_m，其中CoFe合金的成分为Co₉₀Fe₁₀，膜厚t_CoFe为0.28，t_Pt为1.2，周期n为3，t_Fe为0.4，t_Pt为1.2，m分别为1、2、3。

该系列金属霍尔器件的霍尔电阻随外加磁场的变化关系如图6所示，可见通过CoFe/Pt和Fe/Pt的组合，可以将应用场范围扩大到400Oe，并且同时保持好的线性。

实施例4

采用前述的两种方法之一进行制备金属霍尔器件，其具体结构为：基片Si/[Fe(0.4nm)/Pt(1.2nm)]/[Co₉₀Fe₁₀(0.3nm)/Pt(1.2nm)]₂/[Fe(0.4nm)/Pt(1.2nm)]。

该金属霍尔器件的霍尔电阻随外加磁场的变化关系如图7所示，在此实施例中，同样通过不同方式的CoFe/Pt和Fe/Pt组合，可以将应用场范围扩大到200Oe，并且同时保持好的线性。

Claims (11)

1.一种金属多层膜霍尔器件，包括：一硅基片层，和在其上交替周期性生长的磁性金属层和Pt层；所述的磁性金属层的材料为Fe、Co或/和Co_100-xFe_x合金，0＜x＜100。

2.如权利要求1所述的金属多层膜霍尔器件，其特征在于：所述磁性金属层为Fe，基片层上交替周期性生长的磁性金属层和Pt层的结构表示为[Fe(t_Fe nm)/Pt(t_Ptnm)]_m，其中Fe层的厚度t_Fe为0.2-0.6nm，Pt层的厚度t_Pt为0.4-1.8nm，生长周期数m为2-24。

3.如权利要求2所述的金属多层膜霍尔器件，其特征在于：所述的Fe层的厚度t_Fe为0.4nm，Pt层的厚度t_Pt为1.2nm，生长周期数m为12。

4.如权利要求1所述的金属多层膜霍尔器件，其特征在于：所述磁性金属层为Co，基片层上交替周期性生长的磁性金属层和Pt层的结构表示为[Co(t_Co nm)/Pt(t_Ptnm)]₁，其中Co层的厚度t_Co为0.2-0.5nm，Pt层的厚度t_Pt为0.6-2nm，生长周期数i为2-4。

5.如权利要求1所述的金属多层膜霍尔器件，其特征在于：所述磁性金属层为CoFe，基片层上交替周期性生长的磁性金属层和Pt层的结构表示为[CoFe(t_CoFe nm)/Pt(t_Pt nm)]_n，其中CoFe层的厚度t_CoFe为0.2-0.5nm，Pt层的厚度t_Pt为0.6-2nm，生长周期数n为2-4。

6.如权利要求5所述的金属多层膜霍尔器件，其特征在于：所述磁性金属层为Co₉₀Fe₁₀，其厚度t_CoFe为0.28nm，Pt层的厚度t_Pt为1.2nm，生长周期数n为3。

7.如权利要求1所述的金属多层膜霍尔器件，其特征在于：所述磁性金属层为Fe和CoFe的组合时，基片层上交替周期性生长的磁性金属层和Pt层的结构表示为[CoFe(t_CoFe nm)/Pt(t_Pt nm)]_n/[Fe(t_Fe nm)/Pt(t_Pt nm)]_m，或者[Fe(t_Fe nm)/Pt(t_Pt nm)]_m/[CoFe(t_CoFe nm)/Pt(t_Pt nm)]_n/[Fe(t_Fe nm)/Pt(t_Pt nm)]_m，其中Fe层的厚度t_Fe为0.3-0.4nm，CoFe层的厚度t_CoFe为0.2-0.5nm，Pt层的厚度t_Pt为0.9-2nm，生长周期数m为1-5，n为2-4。

8.如权利要求7所述的金属多层膜霍尔器件，其特征在于：所述磁性金属层为Fe和CoFe的组合为[Co₉₀Fe₁₀(0.28nm)/Pt(1.2nm)]₃/[Fe(0.4nm)/Pt(1.2nm)]_1-4。

9.如权利要求7所述的金属多层膜霍尔器件，其特征在于：所述磁性金属层为Fe和CoFe的组合为[Fe(0.4nm)/Pt(1.2nm)]₁/[Co₉₀Fe₁₀(0.3nm)/Pt(1.2nm)]₂/[Fe(0.4nm)/Pt(1.2nm)]₁。

10.一种权利要求1-9之一所述的金属多层膜霍尔器件的制备方法，包括如下的步骤：

1)在表面热氧化的硅基片上涂布光刻胶，并用紫外曝光机曝光，显影定影后，霍尔测量图形部分的光刻胶已经除去，测量图形以外的硅基片仍被光刻胶覆盖；

2)采用真空沉积法，在步骤1)处理后的硅基片上镀上前述的磁性金属层和Pt层；

3)对镀完膜后的样品采用lift-off工艺去掉光刻胶，形成霍尔测量图形。

11.一种权利要求1-9之一所述的金属多层膜霍尔器件的制备方法，包括如下的步骤：

1)采用真空沉积法，在表面热氧化的硅基片上直接交替地镀上前述的磁性金属层和Pt层；

2)在步骤1)镀完膜后的样品上涂布光刻胶，并用紫外曝光机曝光，显影定影后，霍尔测量图形部分仍被光刻胶覆盖，而测量图形以外的光刻胶已经除去；

3)将步骤2)处理后的样品放入离子束刻蚀机中刻蚀，然后放入无水乙醇或者丙酮中超声去掉光刻胶，最终获得霍尔测量图形。

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