CN102867645B - 一种提高各向异性磁电阻坡莫合金薄膜热稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高各向异性磁电阻坡莫合金薄膜热稳定性的方法，采用磁控溅射方法，溅射室本底真空度为1×10^-5～9×10^-5Pa，溅射前通入99.99%纯度氩气，溅射时氩气气压为0.4～2.7？Pa，平行于基片方向加有150～300？Oe的磁场，基片始终以8～30转/分钟的速率旋转，在清洗干净的玻璃或硅基片上依次沉积缓冲层Ta、CoFeB层、磁性层NiFe、CoFeB层、保护层Ta；其中CoFeB层厚度为1.0～20.0nm。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、好的热稳定性等综合性能，以满足磁传感器的性能和产品需求。

Description

一种提高各向异性磁电阻坡莫合金薄膜热稳定性的方法

技术领域

本发明属于功能材料薄膜领域，尤其涉及各向异性磁电阻坡莫合金薄膜的制备和热稳定性的提高。

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。

目前国际上还在不断地挖掘AMR薄膜的潜力，提高其磁场灵敏度和热稳定性、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，且各向异性磁电阻值尽可能大。但是AMR薄膜的磁电阻随薄膜厚度的减小而急剧下降，如15nm厚NiFe薄膜的磁电阻小于2％，不利于AMR器件的应用。因此，在较小厚度下有较大磁电阻值的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。此外纯Ni₈₁Fe₁₉薄膜的热稳定性较差，提高热稳定性也是一个重要的研究方向。虽然有些文献提出利用退火可以提高坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻，但是退火的同时也促进了Ta和NiFe层之间的扩散，增加了磁死层的厚度，对坡莫合金薄膜的磁性能会产生不利影响，不利于在高温环境下使用。

申请号为200710177706.5 ，名称为“一种提高坡莫合金薄膜磁电阻变化率的方法” 的中国专利公开了一种将CoFe纳米氧化层插入Ta/NiFe和NiFe/Ta层从而阻止Ta和NiFe层之间的相互扩散的方法，但CoFe纳米氧化层的制备方法是先沉积CoFe层后，停止溅射，随后通入纯度为99.99%的氧气，使CoFe在氧气中氧化从而形成CoFe纳米氧化层。虽然这种方法可以阻挡Ta和NiFe层间的扩散，保证了坡莫合金薄膜的磁性能，但其需要通入氧气进行氧化，从而增加了制备的步骤，并且其制备时间大幅度增加，降低了其制备效率，不利于工业化生产。

发明内容

本发明目的是提供一种AMR值更大，且具有较好的热稳定性的各向异性磁电阻坡莫合金薄膜的制备方法，并且此制备方法工艺简单、制备效率高、适于工业化生产。

本发明一种提高各向异性磁电阻坡莫合金薄膜热稳定性的方法，采用磁控溅射方法，溅射室本底真空度为1×10^-5～9×10^-5Pa，溅射前通入99.99%纯度氩气，溅射时氩气气压为0.4 ～2.7 Pa，平行于基片方向加有150～300 Oe的磁场，基片始终以8～30转/分钟的速率旋转，其制备步骤为，在清洗干净的玻璃或硅基片上依次沉积缓冲层Ta、CoFeB层、、磁性层NiFe、CoFeB层、保护层Ta；其中CoFeB层厚度为1.0～20.0 nm。

本发明的优选方案为，所述CoFeB层与磁性NiFe层之间沉积MgO或Al₂O₃层， MgO或Al₂O₃层厚度为1.0～20.0 nm。所述Al₂O₃或MgO纳米氧化层采用直接溅射氧化物靶材的方法制备。

本发明的优选方案为，将上述的MgO或Al₂O₃层由Pt层替代，厚度为1.0～20.0 nm。

本发明的优选方案为，上述制得的薄膜样品在真空退火炉中进行退火处理，退火炉真空度为1×10^-4～9×10^-4Pa, 退火时沿薄膜的易轴方向施加磁场。

本发明所述磁性NiFe层的成分为81Ni：19Fe、并且薄膜杂质含量小于0.1%。所述缓冲层、保护层Ta的厚度为1.0～20.0 nm；所述磁性NiFe层的厚度为2.0～200.0nm。

本发明的优选方案为，在溅射前通入镀膜室99.99%纯度氩气0.5～1小时，气压维持在0.1～0.5 Pa；溅射时99.99%纯度的高纯氩气气压为0.4 ～2.7 Pa；溅射沉积速率为0.03～0.33nm/分钟，溅射厚度由溅射时间控制。

在制备Ni₈₁Fe₁₉薄膜材料过程中，在Ta/NiFe/Ta薄膜的Ta/NiFe和NiFe/Ta界面上插入一层高自旋极化率的材料CoFeB，以提高薄膜材料的AMR性能；此外还可以在Ta/CoFeB 和NiFe界面插入具有强自旋-轨道耦合的材料Pt或具有强“镜面散射”的MgO或Al₂O₃，用于提高磁电阻值及阻挡CoFeB扩散，进一步提高体系的AMR性能。在溅射缓冲层Ta后，再在Ta上沉积CoFeB层，利用高自旋极化率材料CoFeB、强自旋-轨道耦合的材料Pt及具有的“镜面散射” 作用的MgO或Al₂O₃纳米氧化层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薄膜的AMR值、改善其热稳定性的目的。

与现有技术相比，本发明使得在薄膜很薄时，如薄膜为10 nmNi₈₁Fe₁₉，具有较高的热稳定性。当退火温度为400℃时，薄膜的AMR值为3.72 %，远远高于纯Ni₈₁Fe₁₉薄膜的AMR值。另外，由于溅射前通入镀膜室99.99%纯度氩气0.5～1小时、并且气压维持在0.1～0.5 Pa，这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、好的热稳定性等综合性能，以满足磁传感器的性能和产品需求。

附图说明

图1为不同结构Ni81Fe19薄膜样品的磁电阻变化曲线，其中样品(a)的结构为Ta/NiFe/Ta、样品(b)的结构为Ta/CoFeB/ NiFe/CoFeB/Ta；

图2为Ni₈₁Fe₁₉薄膜的AMR值随退火温度的变化曲线，其中样品（a）的结构为Ta(5 nm)/NiFe(10 nm)/Ta(3 nm)、样品(b)的结构为Ta(5 nm)/CoFeB(2 nm)/MgO(4 nm)/NiFe(10 nm)/ MgO(3 nm)/CoFeB(2 nm)/ Ta(3 nm)。

具体实施方式

实施例1

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150 Oe的磁场，并且基片始终以30转/分钟的速率旋转，溅射沉积速率为0.3nm/分钟。溅射室本底真空5×10-5Pa，溅射前通入镀膜室99.99%纯度氩气1小时，气压维持在0.5 Pa。在溅射时99.99%纯度的高纯氩气气压为1.5Pa的条件下依次沉积10 nm厚度的Ta和50.0 nm厚度的NiyFe100-y。通过对50.0 nmNi_xFe_100-x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。从而利用上述溅射条件制备结构为Ta(5 nm)/CoFeB(1 nm)/ NiFe(10 nm)/ CoFeB(1 nm) /Ta(3 nm)结构与Ta(5 nm)/NiFe(10 nm)/Ta(3 nm)结构的各向异性坡莫合金Ni₈₁Fe₁₉薄膜。从图1（a）Ta(5 nm)/NiFe(10 nm)/Ta(3 nm)薄膜的各向异性磁电阻曲线中可以看出：薄膜在制备态时AMR值为1.80 %。图1（b）的结构为Ta(5 nm)/CoFeB(1 nm)/ NiFe(10 nm)/ CoFeB(1 nm) /Ta(3 nm)，其溅射条件与（a）相同，CoFeB层用溅射CoFeB靶方法制备，薄膜在制备态时AMR值为2.50 %。与图1（a）相比，图1（b）中NiFe薄膜的磁电阻得到了显著的提高。

实施例2

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250 Oe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，气压维持在0.5 Pa。在溅射时99.99%纯度的高纯氩气气压为0.4 Pa的条件下依次沉积5 nm厚度的Ta和50.0 nm厚度的Ni_yFe_100-y。通过对50.0 nmNi_xFe_100-x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。利用上述制备条件制备结构为Ta(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)的各向异性坡莫合金Ni₈₁Fe₁₉薄膜。实验制备的薄膜样品在真空退火炉中进行退火处理。炉本底真空优于2.0×10^-4 Pa, 退火时沿薄膜的易轴方向施加磁场。薄膜样品在不同的热处理温度退火，退火时间均为一小时。从图2（a）Ta(5 nm)/NiFe(10 nm)/Ta(3 nm)薄膜的AMR值随退火温度变化的曲线中可以看出，在薄膜未退火状态时AMR值最高(1.80 %)，随着退火温度的提高，其AMR值持续下降，当退火温度为430 ℃时，AMR值下降为0.31 %，当退火温度为480 ℃时，AMR值下降为0。性能的恶化主要是因为退火加剧了NiFe与Ta之间的扩散与界面反应，导致生成金属间化合物。图2（b）的结构为Ta(5 nm)/CoFeB(2 nm)/MgO(4 nm)/NiFe(10 nm)/ MgO(3 nm)/CoFeB(2 nm) /Ta(3 nm)，其溅射条件与（a）相同，CoFeB层所用溅射靶材为CoFeB靶、MgO纳米氧化层采用直接溅射氧化物靶材的方法制备，从（b）结构 Ni₈₁Fe₁₉ (10 nm)薄膜AMR值随退火温度的变化曲线，可以看出：随着退火温度的增加，AMR值逐渐增大，当温度达400℃时，薄膜的AMR值最大，为3.72 %，之后随退火温度的增加，AMR下降。当退火温度为500 ℃时，AMR值降仍保持在1.64 %。与图2（a）相比，图2（b）中NiFe薄膜的热稳定性得到了显著的提高。

实施例3

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300 Oe的磁场，并且基片始终以8转/分钟的速率旋转，溅射沉积速率为0.33nm/分钟。溅射室本底真空9×10^-5Pa，溅射前通入镀膜室99.99%纯度氩气1小时，气压维持在0.5 Pa。在溅射时99.99%纯度的高纯氩气气压为2.7 Pa的条件下依次沉积5 nm厚度的Ta和50.0 nm厚度的Ni_yFe_100-y。通过对50.0 nmNi_xFe_100-x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。利用上述制备条件制备结构为Ta(5 nm)/CoFeB(2 nm)/Pt(4 nm)/NiFe(10 nm)/ Pt(3 nm)/CoFeB(2 nm)/ Ta(3 nm)的各向异性坡莫合金Ni₈₁Fe₁₉薄膜。实验制备的薄膜样品在真空退火炉中进行退火处理。炉本底真空度为8.0×10^-4 Pa, 退火温度为400摄氏度，退火时间为1小时，退火时沿薄膜的易轴方向施加磁场。

Claims (6)

1.一种提高各向异性磁电阻坡莫合金薄膜热稳定性的方法，采用磁控溅射方法，溅射室本底真空度为1×10^-5～9×10^-5Pa，溅射前通入99.99％纯度氩气，溅射时氩气气压为0.4～2.7Pa，平行于基片方向加有150～300Oe的磁场，基片始终以8～30转/分钟的速率旋转，其特征在于，在清洗干净的玻璃或硅基片上依次沉积缓冲层Ta、CoFeB层、磁性层NiFe、CoFeB层、保护层Ta；其中CoFeB层厚度为1.0～20.0nm；所述CoFeB层与磁性NiFe层之间沉积MgO或Al₂O₃层，MgO或Al₂O₃层厚度为1.0～20.0nm，从而制得薄膜样品；上述制得的薄膜样品在真空退火炉中进行退火处理，退火炉真空度为1×10^-4～9×10^-4Pa,退火时沿薄膜的易轴方向施加磁场。

2.如权利要求1所述的提高各向异性磁电阻坡莫合金薄膜热稳定性的方法，其特征在于，所述磁性层NiFe的成分为81Ni：19Fe、并且薄膜杂质含量小于0.1％。

3.如权利要求1所述的提高各向异性磁电阻坡莫合金薄膜热稳定性的方法，其特征在于，所述缓冲层、保护层Ta的厚度为1.0～20.0nm；所述磁性层NiFe的厚度为2.0～200.0nm。

4.如权利要求1所述的提高各向异性磁电阻坡莫合金薄膜热稳定性的方法，其特征在于，所述Al₂O₃或MgO纳米氧化层采用直接溅射氧化物靶材的方法制备。

5.如权利要求1所述的提高各向异性磁电阻坡莫合金薄膜热稳定性的方法，其特征在于，溅射前通入镀膜室99.99％纯度氩气0.5～1小时，气压维持在0.1～0.5Pa；溅射时99.99％纯度的高纯氩气气压为0.4～2.7Pa。

6.如权利要求1所述的提高各向异性磁电阻坡莫合金薄膜热稳定性的方法，其特征在于，溅射沉积速率为0.03～0.33nm/分钟，溅射厚度由溅射时间控制。