CN101373813A

CN101373813A - 一种改善各向异性磁电阻坡莫合金薄膜性能的方法

Info

Publication number: CN101373813A
Application number: CNA2008102230816A
Authority: CN
Inventors: 李明华; 于广华; 韩刚; 滕蛟
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2009-02-25

Abstract

一种改善各向异性磁电阻坡莫合金薄膜性能的方法，属于磁性薄膜领域。其特征是用一定厚度的(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆为缓冲层，用以诱导强的(111)Ni₈₁Fe₁₉衍射峰，同时在Ni₈₁Fe₁₉表面沉积Al₂O₃纳米氧化层，利用纳米氧化层的“镜面散射”作用提高Ni₈₁Fe₁₉薄膜的AMR值。采用磁控溅射方法制备出具有准确成分的Ni₈₁Fe₁₉薄膜。薄膜结构为：(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆(1～13nm)/Ni₈₁Fe₁₉(10～200nm)/Al₂O₃(1～3nm)/Ta(5～9nm)薄膜，溅射前通入镀膜室99.99％纯度氩气0.5～1小时，维持在气压0.1～0.5Pa，控制薄膜杂质含量小于0.1％。本方法在进一步降低薄膜制备难度的同时，仍能保证薄膜很薄时具有较高的各向异性磁电阻值和低矫顽力、低晶体各向异性、大的磁化强度和低磁致伸缩等综合性能，以满足磁传感器的性能和产品需求。

Description

一种改善各向异性磁电阻坡莫合金薄膜性能的方法

技术领域

本发明属于磁性薄膜领域，涉及磁电阻薄膜的制备方法，特别是涉及各向异性磁电阻坡莫合金薄膜的制备。

背景技术

各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance，AMR)薄膜材料可用作测量磁场的磁传感器。和其它磁场传感器如霍尔器件、半导体磁敏电阻相比，AMR传感器具有灵敏度高、体积小、可靠性高、温度特性好、工作频率高、耐恶劣环境能力强、以及易于与数字电路匹配等优点。它不仅可以应用于信息处理领域，同时在自动控制、航空航天、导航、军事等领域都有着广泛的用途。即使在今天，许多公司和科研院所仍在拓展AMR器件的应用领域。尤其值得强调的是，AMR薄膜可以在硅片上大量制备，并直接嵌入商业化集成电路单元中，因此可以实现磁传感器和其他电路或系统部件之间的一体化组装。

要制成能够应用的磁传感器，要求在降低AMR薄膜厚度的同时，AMR薄膜仍有较大的Δρ/ρ值。但是AMR薄膜的Δρ/ρ随薄膜厚度的减小而急剧下降，如15nm厚NiFe薄膜的Δρ/ρ小于2％，不利于AMR器件的应用。因此，在较小厚度下有较大Δρ/ρ值的AMR薄膜的制备是一项非常关键的工作，它是AMR器件应用的基础。目前国际上还在不断地挖掘AMR薄膜的潜力，提高其磁场灵敏度、降低噪音等，以扩大其应用领域。为了达到这个目的，AMR坡莫合金薄膜必须沉积的更薄，矫顽力更小，且AMR值尽可能大。通过合适的缓冲层，高温沉积和退火等方法可以改善坡莫合金薄膜的性能。

发明内容

本发明目的是提供一种薄膜厚度更薄，矫顽力更小，且AMR值更大的各向异性磁电阻坡莫合金薄膜。

经研究发现，在制备Ni₈₁Fe₁₉薄膜材料过程中，溅射一定厚度的(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆缓冲层能够用以诱导强的(111)Ni₈₁Fe₁₉衍射峰，进而提高薄膜材料的AMR性能。在溅射缓冲层的同时再在Ni₈₁Fe₁₉表面沉积Al₂O₃纳米氧化层，利用纳米氧化层的“镜面散射”作用改善薄膜中输运电子的散射途径，延长电子的自由程，进而达到提高Ni₈₁Fe₁₉薄膜AMR值的目的。

一种改善各向异性磁电阻坡莫合金薄膜性能的方法，其特征是采用原子百分比，用(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆做缓冲层，在Ni₈₁Fe₁₉表面沉积Al₂O₃纳米氧化层。实施方案是，溅射靶材为Ni₈₁Fe₁₉靶，Cr靶，Ta靶，Al₂O₃陶瓷靶，缓冲层(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆是由Ni₈₁Fe₁₉靶和Cr靶共溅射方法制备，纳米氧化层采用直接溅射氧化物靶材的方法。在溅射前通入镀膜室99.99％纯度氩气0.5～1小时，维持在气压0.1～0.5Pa；化学分析确定最终沉积薄膜成分为81Ni:19Fe，并且控制薄膜杂质含量小于0.1％。

薄膜结构为(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆(1.0～13.0nm)/Ni₈₁Fe₁₉(10.0～200.0nm)/Al₂O₃(1.0～3.0nm)/Ta(5.0～9.0nm)，具体制备过程是在磁控溅射仪中进行，在清洗干净的玻璃基片或单晶硅基片上依次沉积缓冲层(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆，然后沉积Ni₈₁Fe₁₉、Al₂O₃纳米氧化层和Ta；Ta层作防氧化保护层。溅射室本底真空度为1×10^-5～6×10^-5Pa，溅射前通入镀膜室99.99％纯度氩气0.5～1小时，维持在气压0.1～0.5Pa；溅射时99.99％纯度的高纯氩气气压为0.4～2.7Pa，溅射沉积速率为0.03～0.33nm/分钟；基片用循环去离子水冷却，平行于基片平面方向加有150～300Oe的磁场，以诱发一个易磁化方向，并且基片始终以8～30转/分钟的速率旋转，薄膜厚度由溅射时间控制。缓冲层(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆亦可用Ta层代替作为缓冲层。

与现有技术相比，本发明使得在薄膜很薄时，如薄膜为20nmNi₈₁Fe₁₉，具有较高的各向异性磁电阻值，可以达到2.75％。另外，由于溅射前通入镀膜室99.99％纯度氩气0.5～1小时、并维持在气压0.1～0.5Pa，这就有可能使得沉积室壁残留杂质气体很少，所以薄膜的各向异性磁电阻AMR值就比没有采取这种工艺的薄膜AMR值得到了提高。

本发明方法制备的薄膜材料能够使得薄膜很薄时具有较高的各向异性磁电阻值和低矫顽力、低晶体各向异性、大的磁化强度和低磁致伸缩等综合性能，以满足磁传感器的性能和产品需求。

附图说明

图1中(a)、(b)曲线分别是以Ta和(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆为缓冲层的Ni₈₁Fe₁₉(20nm)薄膜的AMR值随Ta和(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆厚度z变化的曲线。薄膜结构分别为：Ta(z)/Ni₈₁Fe₁₉(20nm)/Ta(9nm)和(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆(z)/Ni₈₁Fe₁₉(20nm)/Ta(9nm)。

图2为Ta(6nm)/Ni₈₁Fe₁₉(20nm)/Al₂O₃(z)/Ta(6nm)薄膜中AMR值随Al₂O₃厚度z变化的曲线。

具体实施方式

具体实施方式：在磁控溅射仪中制备各向异性坡莫合金Ni₈₁Fe₁₉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，然后装入溅射室样品基座上。基片用循环去离子水冷却，平行于基片方向加有250Oe的磁场，并且基片始终以18转/分钟的速率旋转，溅射沉积速率为0.17nm/分钟。溅射室本底真空4×10^-5Pa，溅射前通入镀膜室99.99％纯度氩气0.5小时，维持在气压0.3Pa。在溅射时99.99％纯度的高纯氩气气压为0.4Pa的条件下依次沉积6nm厚度的Ta/50.0nm厚度的Ni_yFe_100-y。通过对50.0nmNi_yFe_100-y化学分析，找出薄膜成分符合81Ni:19Fe、并且薄膜杂质含量小于0.1％的情况下所对应的Ni_xFe_100-x合金靶。利用这个选出的坡莫合金靶来沉积Ni₈₁Fe₁₉薄膜。缓冲层(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆是由Ni₈₁Fe₁₉靶和Cr靶共溅射方法制备。从图1(a)Ta(z)/Ni₈₁Fe₁₉(20nm)/Ta(9nm)中Ni₈₁Fe₁₉(20nm)薄膜的AMR值随Ta厚度变化的曲线中可以看出：随着z的增加，AMR值先变大后减小，当z＝5.4nm时，薄膜的AMR值最大，为2.23±0.08％。图1(b)为(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆(z)/Ni₈₁Fe₁₉(20nm)/Ta(9nm)中Ni₈₁Fe₁₉(20nm)薄膜AMR值随(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆厚度化的曲线，可以看出：随着z的增加，AMR值先变大后减小，当z＝5.5nm时，薄膜的AMR值最大，为2.53％。与图1(a)相比，比图1(a)中以5.4nm Ta做为缓冲层的Ni₈₁Fe₁₉(20nm)薄膜AMR值提高了13％。由此可见，(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆缓冲层比Ta缓冲层更能提高Ni₈₁Fe₁₉(20nm)薄膜AMR值。图2为Ta(6nm)/Ni₈₁Fe₁₉(20nm)/Al₂O₃(z)/Ta(6nm)薄膜中AMR值随Al₂O₃厚度z变化的曲线。可以看出：随着z的增加，AMR值先变大后减小，当z＝1.5nm时，薄膜的AMR值最大，为2.20％。比没插Al₂O₃时的Ni₈₁Fe₁₉(20nm)薄膜AMR值提高了10％左右。由此可见，沉积Al₂O₃纳米氧化层能提高Ni₈₁Fe₁₉(20nm)薄膜AMR值。结合二者的优势，我们制备了结构为(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆/Ni₈₁Fe₁₉/Al₂O₃/Ta的样品。在薄膜(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆(5.5nm)/Ni₈₁Fe₁₉(20nm)/Al₂O₃(1.5nm)/Ta(9nm)中AMR值达到2.75％，与传统结构的薄膜Ta(5nm)/Ni₈₁Fe₁₉(20nm)/Ta(9nm)相比(其AMR值为2.2％)，提高了25％。

Claims

1.一种改善各向异性磁电阻坡莫合金薄膜性能的方法，其特征是采用原子百分比，用(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆做缓冲层，在Ni₈₁Fe₁₉表面沉积Al₂O₃纳米氧化层；实施方案是，缓冲层(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆是由Ni₈₁Fe₁₉靶和Cr靶共溅射方法制备，溅射靶材为Ni₈₁Fe₁₉靶，Cr靶，Ta靶，Al₂O₃陶瓷靶，其中Al₂O₃纳米氧化层采用直接溅射氧化物靶材的方法；Ni₈₁Fe₁₉靶，Cr靶，Ta靶采用磁控溅射方法，在溅射前通入镀膜室99.99％纯度氩气0.5～1小时，维持在气压0.1～0.5Pa；化学分析确定最终沉积薄膜成分为81Ni:19Fe，并且控制薄膜杂质含量小于0.1％。

2.如权利要求1所述的一种改善各向异性磁电阻坡莫合金薄膜性能的方法，其特征是薄膜结构为(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆(1.0～13.0nm)/Ni₈₁Fe₁₉(10.0～200.0nm)/Al₂O₃(1.0～3.0nm)/Ta(5.0～9.0nm)，具体制备过程是在磁控溅射仪中进行，在清洗干净的玻璃基片或单晶硅基片上依次沉积缓冲层(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆，然后沉积Ni₈₁Fe₁₉、Al₂O₃纳米氧化层和保护层Ta；溅射室本底真空度为1×10^-5～6×10^-5Pa，溅射前通入镀膜室99.99％纯度氩气0.5～1小时，维持在气压0.1～0.5Pa；溅射时99.99％纯度的高纯氩气气压为0.4～2.7Pa，溅射沉积速率为0.03～0.33nm/分钟；基片用循环去离子水冷却，平行于基片平面方向加有150～300Oe的磁场，以诱发一个易磁化方向，并且基片始终以8～30转/分钟的速率旋转，薄膜厚度由溅射时间控制。