CN103137850B

CN103137850B - 磁性多层膜霍尔元件及其制备方法

Info

Publication number: CN103137850B
Application number: CN201310055476.0A
Authority: CN
Inventors: 朱涛
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: CN103137850A

Abstract

本发明公开了一种磁性多层膜霍尔元件及其制备方法。所述磁性多层膜霍尔元件包括复合多层结构的磁性多层膜，所述磁性多层膜包括至少一个基本单元，每一所述基本单元包括非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM，其中，在所述基本单元中，所述非磁性金属化合物层MO和所述非磁性金属材料层NM分别设置在所述磁性金属材料层FM的两侧；所述非磁性金属材料层NM由选自Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中之一的金属形成，或由包含Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中至少一种元素的合金形成。本发明的磁性多层膜霍尔元件同时具有大霍尔电阻率，大纵向电阻率以及小矫顽力的特性，有望用于制备高性能的霍尔元件。

Description

磁性多层膜霍尔元件及其制备方法

技术领域

本发明涉及霍尔元件，特别是涉及磁性多层膜霍尔元件及其制备方法。

背景技术

霍尔效应是材料的基本特性之一。基于霍尔效应的霍尔元件具有线性好，灵敏度高、稳定性好等特点。图1为一般的霍尔元件结构示意图，其中，电极1和4为电流输入端，电极2、3、5和6为电压输出端，一外加磁场沿垂直元件表面施加，其中，电极2和5（或3和6）用于测量元件的纵向电压V_xx，从而可以得到材料的纵向电阻率ρ_xx；电极2和3（或5和6）用于测量元件的霍尔电压V_xy，从而可以得到材料的霍尔电阻率ρ_xy。目前基于半导体材料的霍尔元件已广泛应用于传感器领域，用于对磁场、位移以及电流的测量，但其存在如工作频率(不超过MHz)较低等不足，阻碍了进一步发展。金属材料具有工作频率高的特点[参见I.Fergen,J.Magn.Magn.Mater.242-245(2002),146]，但对于非磁性金属而言，由于其载流子密度太大导致霍尔效应非常微弱。与非磁性金属不同，磁性金属材料存在两种霍尔效应：即正常霍尔效应和反常霍尔效应。对于磁性薄膜材料，其霍尔电阻率ρ_xy可以表示为：

其中，I是在薄膜平面中流动的电流，V_xy是垂直于电流方向的方向上在薄膜平面中测量的霍尔电压，d是薄膜厚度，B为外加磁场，M为材料的磁化强度，R₀为正常霍尔系数，R_S为反常霍尔系数[参见A.Gerber，J.Magn.Magn.Mater.310(2007),2749]。一般来说，磁性金属的反常霍尔效应要比正常霍尔效应大几个量级，从而导致磁性金属材料具有较大的霍尔效应。基于磁性金属材料的霍尔元件在磁场变化时，由于反常霍尔效应的存在而具有较大的霍尔电阻变化，在磁存储器件、磁传感器件等方面获得广泛应用。由于该类霍尔元件在外磁场的驱动下通常可以获得两种霍尔电阻值，从而最终表现为元件低的或高的电阻态，可应用于基于双电阻态的磁存储器件如磁性随机存储器，或其他磁传感器。为了使霍尔元件具有较高的灵敏度、较低的功耗以及便于实现小型化，要求磁性材料具有较大的霍尔电阻率、较大的纵向电阻率以及较小的矫顽力。

目前，已有关于颗粒膜结构、包含稀土元素的磁性合金、包含Pt以及包含与Pt性质类似的Pd、Au的磁性合金或磁性多层膜的报道。颗粒膜结构是通过将铁磁颗粒埋于氧化物绝缘体中获得了极高的反常霍尔效应[参见A.B.Pakhomov,X.Yan,and B.Zhao,Appl.Phys.Lett.67(1995),3497]，但是这类颗粒膜结构的电阻率太大，因此在单位驱动电压下产生的霍尔效应太小，至今没有得到任何应用。含稀土的磁性金属化合物材料如Fe₇₈Sm₂₂，这类材料的特点是具有较大的纵向电阻率（超过100μΩcm），但是其矫顽力太大，难以符合器件的小型化。而包含Pt的合金材料，如CoPt合金（参见G.X.Miao and G.Xiao，Appl.Phys.Lett.85(2004)73）及CoFe/Pt磁性金属多层膜（参见中国发明专利200610144053.6）的纵向电阻率只有几十μΩcm。此外，中国专利申请CN200980130700.X和文献[B.Rodmacq,S.Auffret,B.Dieny,S.Monso,P.Boyer，J.Appl.Phys.93(2003)7513]中基于AlO/Co/Pt的材料体系的研究也取得了一定的进展，尽管有些薄膜磁性材料的纵向电阻率相比于其他Pt基合金增大了很多，但存在的问题是一方面纵向电阻率还是不够大（尚未达到100μΩcm），另一方面这些材料的矫顽力太大（高于100Oe）。因此，使得基于Pt合金材料的霍尔元件不能在具有较高灵敏度的同时还能够节约能耗以及实现器件小型化的设计。类似地，基于与Pt性质类似的Pd、Au的磁性合金或磁性多层膜的霍尔元件也存在上述缺陷。

综上所述，目前尚未有理想的薄膜磁性材料满足同时具有较大的霍尔电阻率、较大的纵向电阻率以及较小的矫顽力的要求[参见J.Moritz,B Rodmacq,S.Auffret,andB.Dieny,J.Phys.D:Appl.Phys.41(2008)135001]。因此，目前难以获得同时具有较高的灵敏度、较低的功耗以及便于实现小型化的霍尔元件。如能研发出一种新的材料，同时具有大霍尔电阻率，大纵向电阻率，但小矫顽力的特性，并能够采用最常见的磁性薄膜制备方法，如磁控溅射法，进行制造，将直接影响到磁性多层膜霍尔元件的进一步开发和应用。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷之一，申请人进行了大量的研究工作。在研究的过程中，申请人惊奇的发现，对于具有磁性多层膜结构的霍尔元件，选取不同材料作为磁性多层膜中的非磁性金属材料对霍尔元件的性能有显著影响。通过精心挑选合适的材料，能够明显改善霍尔元件的性能。例如，以Ta或与其性质类似的材料作为磁性多层膜中的非磁性金属材料层，能够获得同时具备较大的霍尔电阻率、较大的纵向电阻率以及较小的矫顽力的霍尔元件。

本发明的一个目的是提供一种同时具有大霍尔电阻率，大纵向电阻率，小矫顽力的特性的磁性多层膜霍尔元件。本发明的另一个目的是提供一种制备上述磁性多层膜霍尔元件的方法。

按照本发明的一个目的，本发明提供了一种磁性多层膜霍尔元件，包括复合多层结构的磁性多层膜，所述磁性多层膜包括至少一个基本单元，每一所述基本单元包括非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM，其中，在所述基本单元中，所述非磁性金属化合物层MO和所述非磁性金属材料层NM分别设置在所述磁性金属材料层FM的两侧；所述非磁性金属材料层NM由选自Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中之一的金属形成，或由包含Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中至少一种元素的合金形成。

优选地，所述基本单元可以由顺序邻接的所述非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM构成。

在一种实施方式中，所述磁性多层膜霍尔元件可以包括层叠设置的多个所述基本单元，其中，对于任意相邻两个所述基本单元，其中的非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM的层叠顺序相同或者相反。优选地，所述多个所述基本单元可以为N个所述基本单元，其中，N在2-99之间。

在一种实施方式中，所述相邻两个基本单元可以共用同一个非磁性金属化合物层MO或非磁性金属材料层NM。

优选地，所述磁性金属材料层FM可以由含有B元素的磁性合金形成。在一种实施方式中，所述磁性合金为Co_XTM_YFe_100-X-YB_Z，其中，0≤X≤100，0≤Y≤100，0<Z≤40，TM选自Ni、Zr、Nb、Mg中至少一种元素。

优选地，所述非磁性金属化合物层MO可以由选自至少包含Mg、Al、Hf、Ti、Zr、Si、Mo、Nb和Ta其中之一元素的氧化物或氮化物形成。

在一种实施方式中，所述磁性多层膜霍尔元件还可以包括设置于所述磁性多层膜一侧的基片。

在一种实施方式中，在所述磁性多层膜的与设置所述基片一侧相反的一侧，所述磁性多层膜的最外层可以为所述非磁性金属化合物层MO。

在一种实施方式中，在所述磁性多层膜的与设置所述基片一侧相反的一侧，当所述磁性多层膜的最外层为所述非磁性金属材料层NM时，还可以包括在所述磁性多层膜上设置的保护层，所述保护层为选自至少包含Mg、Al、Hf、Ti、Zr、Si、Mo、Nb和Ta其中之一元素的氧化物或氮化物。

优选地，所述磁性金属材料层FM可以由Co、Fe、B的三元合金形成，所述非磁性金属材料层NM可以由Ta形成。

优选地，所述非磁性金属材料层NM的厚度在0.2-100nm之间；所述非磁性金属化合物层MO的厚度在0.2-100nm之间；所述磁性金属材料层FM的厚度在0.2-10nm之间；所述保护层的厚度在0.5-100nm之间。

按照本发明的另一个目的，本发明提供了一种制备前述的磁性多层膜霍尔元件的方法，包括采用磁控溅射法或热蒸发法或电子束蒸发法在基片上顺次沉积所述磁性多层膜霍尔元件的各膜层；优选地，在沉积结束后对所述基片上沉积的膜层进行退火处理，退火温度为100-600℃，退火时间为1-600min。

本发明实施例至少存在以下技术效果：

1）本发明通过选取与现有技术不同的磁性合金多层膜体系，制得的磁性多层膜霍尔元件同时具有大霍尔电阻率，大纵向电阻率以及小矫顽力的特性，有望用于制备高性能的霍尔元件。

2）一般情况下，磁性金属在具有大的反常霍尔效应的同时，其矫顽力也非常大，通常大于1T（=10000Oe），不适于制备霍尔器件。本发明通过膜层结构以及厚度的设置，使得矫顽力大幅度降低，较适合于制备霍尔器件。通过调节退火条件，还可以得到线性化的霍尔效应，从而可以用来制备高磁场灵敏度的磁传感器。

3）现有技术中一般对膜层厚度的限制较为严格，本发明的膜层厚度则具有较大的选取范围。

4）本发明制备工艺简单，可利用成熟的膜沉积工艺实现，有利于大规模产业化推广，本发明的霍尔元件可应用于基于双电阻态的磁存储器件如磁性随机存储器，或高磁场灵敏度磁传感器件等磁传感器件。

5）相比于中国专利申请CN200980130700.X基于AlO/Co/Pt的材料体系，本发明的霍尔元件纵向电阻率增大了近一个量级，同时矫顽力减少了近一个量级。

附图说明

图1为现有技术公开的霍尔元件的结构示意图。

图2为根据本发明一个实施例的磁性多层膜霍尔元件的结构示意图。

图3为根据本发明一个实施例的具有按基本单元MO/FM/NM重复设置多次的磁性多层膜的结构示意图。

图4为本发明实施例1示出的室温下测得的磁性多层膜的霍尔电阻随外加磁场的变化关系。

图5为本发明实施例2示出的室温下测得的磁性多层膜的霍尔电阻随外加磁场的变化关系。

图6为本发明实施例3示出的室温下测得的磁性多层膜的霍尔电阻随外加磁场的变化关系。

图7为本发明实施例4示出的室温下测得的磁性多层膜的霍尔电阻随外加磁场的变化关系。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

本发明的磁性多层膜霍尔元件可以包括基片，包括复合多层结构的磁性多层膜。磁性多层膜包括至少一个基本单元，每一基本单元包括非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM。在该基本单元中，非磁性金属化合物层MO和非磁性金属材料层NM分别设置在磁性金属材料层FM的两侧。非磁性金属材料层NM由选自Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中之一的金属形成，或由包含Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中至少一种元素的合金形成。

在一个实施例中，基本单元由顺序邻接的非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM构成。如MO/FM/NM或NM/FM/MO。对于磁性多层膜只包含一个基本单元的情形，霍尔元件的结构可以表示为基片/MO/FM/NM或基片/NM/FM/MO。

在另一个实施例中，磁性多层膜可以包括层叠设置的多个基本单元，在一个实施例中，磁性多层膜可以具有按基本单元周期设置N次的多层结构，例如N可以在2-99之间选择。在磁性多层膜的多个基本单元中，对于任意相邻两个基本单元，其中的非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM的层叠顺序相同或者相反。如MO/FM/NM/MO/FM/NM、MO/FM/NM/NM/FM/MO等。相邻两个基本单元可以共用同一个非磁性金属化合物层MO或非磁性金属材料层NM。如MO/FM/NM/NM/FM/MO多层结构中的相邻的两层NM可以合并为一层NM，多层膜可以表示为MO/FM/NM/FM/MO。

在一个实施例中，本发明的霍尔元件还包括设置于磁性多层膜一侧的基片。在一个实施例中，基片的材料可以选自Si片或覆盖Si氧化物层的Si片或玻璃的一种。在一个实施例中，在磁性多层膜的与设置基片一侧相反的一侧，磁性多层膜的最外层为非磁性金属化合物层MO。在一个实施例中，在磁性多层膜的与设置基片一侧相反的一侧，当磁性多层膜最外层为非磁性金属材料层NM时，还包括在磁性多层膜上设置的保护层。保护层为选自至少包含Mg、Al、Hf、Ti、Zr、Si、Mo、Nb和Ta其中之一元素的氧化物或氮化物，如MgO、AlN、TiO₂等。当磁性多层膜的最外层为非磁性金属化合物层时，可以不用再设置保护层。

在一个实施例中，磁性金属材料层FM可以选自含有B元素的磁性合金。例如可以为Co_XFe_100-XB_Z，其中0≤X≤100，0<Z≤40。具体可以为如Co₂₀Fe₈₀B₄₀。在一个实施例中，磁性合金可以为Co_XTM_YFe_100-X-YB_Z，其中，0≤X≤100，0≤Y≤100，0<Z≤40，TM可以选自Ni、Zr、Nb、Mg中至少一种元素，例如可以为Ni或Ni₈₀Zr₂₀。

在一个实施例中，非磁性金属化合物层MO可以为选自至少包含Mg、Al、Hf、Ti、Zr、Si、Mo、Nb和Ta其中之一元素的氧化物或氮化物，例如可以是MgO，AlN等。

在一个实施例中，非磁性金属化合物层MO、非磁性金属材料层NM的厚度可以在0.2-100nm之间；磁性金属材料层FM的厚度可以在0.2-10nm之间；保护层的厚度在0.5-100nm之间。

图2示出了具有基片/MO/FM/NM/保护层的霍尔元件的结构示意图。在该实施例中，非磁性金属化合物层MO由氧化物形成，磁性金属材料层FM由Co、Fe、B的三元合金形成，非磁性金属材料层NM由Ta形成。图3示例性地给出了包含多个基本单元为MO/FM/NM的磁性多层膜霍尔元件的结构，其各层从下至上依次为：基片、非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM、非磁性金属材料层NM…非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM、非磁性金属材料层NM以及保护层。

在一个磁性多层膜的多层结构中，处于不同层次的非磁性化合物层MO和/或磁性金属材料层FM和/或非磁性金属材料层NM的组成和/或厚度可以彼此相同设置，也可以不同设置。在一个实施例中，以MO/FM/NM为基本单元，重复3次得到磁性多层膜。基片选为覆盖热氧化层的衬底Si，三个非磁性金属化合物层MO分别选为AlN，AlN和HfO₂，三个磁性金属材料层FM分别选为Co₄₀Fe₄₀B₂₀，Co₃₀Ni₁₀Fe₄₀B₂₀和Co₃₀Ni₁₀Fe₄₀B₂₀，三个非磁性金属材料层分别选为Ta，Mo和Nb，保护层选为AlN。其中，三个非磁性金属化合物层MO的膜厚分别为1nm和2.1nm和1.5nm，三个磁性金属材料层FM的膜厚分别为1.0nm，1.3nm和1.3nm，三个非磁性金属材料层NM的膜厚分别为1.8nm，3.6nm和2.2nm，保护层膜厚5nm。简单起见，本实施例中的磁性多层膜霍尔元件可以用下列表达式表示（括号内数值表示对应膜层厚度，单位为nm）：Si/AlN(1)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.0)/Ta(1.8)/AlN(2.1)/Co₃₀Ni₁₀Fe₄₀B₂₀(1.3)/Mo(3.6)/HfO₂(1.5)/Co₃₀Ni₁₀Fe₄₀B20(1.3)/Nb(2.2)/AlN(5)。

下面以磁性多层膜的的结构为NM/FM/MO为例，说明本发明的霍尔元件的制备方法。先在基片上沉积非磁性金属材料层NM，之后在非磁性金属材料层NM上沉积磁性金属材料层FM，最后在磁性金属材料层FM上沉积非磁性金属化合物层MO。在这里，由于多层膜的最外侧一层为非磁性金属化合物层MO，因此不需要额外沉积保护层。膜层的沉积方式可以选自磁控溅射法、热蒸发法或电子束蒸发法。在沉积非磁性金属化合物层MO时，可以在氧气或氮气氛围内以纯金属为原材料进行沉积。在采用磁控溅射法沉积时，可以以选取的非磁性金属化合物为靶材，直接沉积。沉积条件可以参照现有技术中普遍选取的条件，但在沉积的过程中，基片的加热温度一般不超过600℃。也可以在基片上顺次沉积好各膜层后，对其进行退火处理。可以采取原位退火，也可以将样品从沉膜设备中取出，在其他可进行退火的设备中进行退火。退火处理可在真空环境下或惰性气氛（如N₂、Ar等）保护下进行，退火的温度可以在100-600℃之间，退火时间可以在1分钟到10小时之间，优选为1小时。

下面结合具体实施例，描述本发明的内容。

实施例1

磁性多层膜霍尔元件具有基片/MO/FM/NM/保护层结构。基片选为覆盖热氧化层的衬底Si/SiO₂；非磁性金属化合物层MO选为MgO，膜厚1.1nm；磁性金属材料层FM选为Co₄₀Fe₄₀B₂₀，膜厚1.22nm；非磁性金属材料层NM选为Ta，膜厚2.2nm；保护层选为MgO，膜厚3nm。该磁性多层膜霍尔元件可以表示为Si/SiO₂/MgO(3)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.3)/Ta(1.1)/MgO(3)。采用磁控溅射法在衬底Si/SiO₂上顺次沉积非磁性金属氧化物MgO，铁磁合金Co₄₀Fe₄₀B₂₀，非磁性金属Ta和保护层MgO。沉积完各层膜后，在真空中280℃下退火1小时，得到磁性多层膜霍尔元件。图4示出了该霍尔元件的霍尔电阻随外加磁场的变化关系。从图4可以看出，该霍尔元件的矫顽力为14Oe，经计算得霍尔电阻率为3.62μΩcm，纵向电阻率为263μΩcm。

实施例2：

磁性多层膜霍尔元件具有与实施例1相同的结构，即Si/SiO₂/MgO(1)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.08)/Ta(1.1)/MgO(3)。各层膜的沉积方式与实施例1相同。退火条件为在真空中210℃下退火1小时。图5示出了该霍尔元件的霍尔电阻随外加磁场的变化关系。从图5可以看出，霍尔元件的矫顽力为0Oe，经计算得霍尔电阻率为2.74μΩcm，纵向电阻率为220μΩcm。样品表现出线性反常霍尔效应，计算可得到该霍尔元件的线性灵敏度为3150V/AT。

由实施例1和2可以看出，通过调节退火条件和膜的厚度，可以得到线性化的霍尔效应，从而能够用来制备高磁场灵敏度的磁传感器。

实施例3：

磁性多层膜霍尔元件具有基片/NM/FM/MO/保护层结构。基片选为覆盖热氧化层的衬底Si/SiO₂；非磁性金属材料层NM选为Ta，膜厚1.1nm；磁性金属材料层FM选为Co₄₀Fe₄₀B₂₀，膜厚1.04nm；非磁性金属化合物层MO和保护层均选为MgO，在沉积时这两层可作为一层同时沉积，膜厚共3nm。该磁性多层膜霍尔元件可以表示为Si/SiO₂/Ta(1.1)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.04)/MgO(3)。沉积完各层膜后，在真空中300℃下退火1小时。图6示出了该霍尔元件的霍尔电阻随外加磁场的变化关系。从图6可以看出，该霍尔元件的矫顽力为13Oe，经计算得霍尔电阻率为4.53μΩcm，纵向电阻率为204μΩcm。

在该实施例中，由于Co₄₀Fe₄₀B₂₀/MgO界面有较大的界面磁各向异性，当Co₄₀Fe₄₀B₂₀厚度在1nm左右时，在300℃退火1小时的退火条件下，可以使得Ta/Co₄₀Fe₄₀B₂₀/MgO薄膜的磁矩垂直表面，从而导致其矫顽力迅速下降。

实施例4：

磁性多层膜霍尔元件具有基片/NM/FM/MO/NM/FM/MO/保护层结构。基片选为覆盖热氧化层的衬底Si/SiO₂；非磁性金属材料层NM选为Ta，膜厚1.1nm；磁性金属材料层FM选为Co₄₀Fe₄₀B₂₀，膜厚1.04nm；非磁性金属化合物层MO选为MgO，膜厚1nm，保护层选为MgO，膜厚3nm。该磁性多层膜霍尔元件可以表示为Si/SiO₂/Ta(1.1)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.04)/MgO(1)/Ta(1.1)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.04)/MgO(1)/MgO(3)。沉积完各层膜后，在真空中300℃下退火1小时。图7示出了该霍尔元件的霍尔电阻随外加磁场的变化关系。从图中可以看出，矫顽力为4.8Oe。经计算得霍尔电阻率为3.65μΩcm，纵向电阻率为206μΩcm。

在实施例1-4中，磁性多层膜结构为Ta/CoFeB/MgO（或MgO/CoFeB/Ta），该类结构是一类不同于AlO/Co/Pt材料体系的另一类具有垂直磁各向异性的材料，可以用于垂直磁隧道结的研究。实施例1-4中霍尔元件的纵向电阻率均达到200μΩcm以上，同时，霍尔电阻率也达到2.7μΩcm以上，且矫顽力很小，在20Oe以下。表明本发明的磁性多层膜结构有利于制备能耗少且小型化的霍尔器件。特别是通过调节制膜参数，能够得到线性反常霍尔效应的霍尔元件，相比于现有技术，霍尔灵敏度大幅提高，有望制备出性能优异的磁传感器。

实施例5：

磁性多层膜霍尔元件具有基片/NM/FM/MO/保护层结构。基片选为覆盖热氧化层的衬底Si片；非磁性金属材料层NM选为W，膜厚2.3nm；磁性金属材料层FM选为Co₃₀Ni₁₀Fe₄₀B₂₀，膜厚1.64nm；非磁性金属化合物层MO为ZrO₂，膜厚2.4nm，保护层选为AlN，膜厚4nm。该磁性多层膜霍尔元件可以表示为Si/W(2.3)/Co₃₀Ni₁₀Fe₄₀B₂₀(1.64)/ZrO₂(2.4)/AlN(4)。沉积完各层膜后，在真空中300℃下退火1小时。该霍尔元件的矫顽力为17Oe，经计算得霍尔电阻率为3.76μΩcm，纵向电阻率为213μΩcm。

从实施例5可以看出，与Ta作为非磁性金属材料层NM相比，用W作为非磁性金属材料层NM时，同样能够使得所获得的霍尔元件同时具有大霍尔电阻率，大纵向电阻率，小矫顽力的特性。

与中国专利申请CN200980130700.X基于AlO/Co/Pt的材料体系相比，实施例1-5中通过选取合适的非磁性金属材料，霍尔元件的纵向电阻率增大了近一个量级，同时矫顽力减少了近一个量级。

此外，本申请人通过实验还发现，对于非磁性金属材料层NM选为与Ta和W的性质较为近似的其他材料如Hf、Zr、Mo、Nb其中之一的金属，或包含Ta、Hf、Zr、Mo、Nb、W其中至少之一元素的合金时，也能够使得所获得的霍尔元件具有相似的特性，即，大霍尔电阻率，大纵向电阻率，小矫顽力。类似地，尽管对于非磁性金属化合物层MO以及磁性金属材料层FM仅分别示出了MgO和ZrO₂、Co₄₀Fe₄₀B₂₀和Co₃₀Ni₁₀Fe₄₀B₂₀的情况，但是实验表明，采用权利要求中所列出的其他材料，也能够达到本发明所要实现的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种磁性多层膜霍尔元件，包括复合多层结构的磁性多层膜，所述磁性多层膜包括至少一个基本单元，每一所述基本单元包括非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM，其中，在所述基本单元中，所述非磁性金属化合物层MO和所述非磁性金属材料层NM分别设置在所述磁性金属材料层FM的两侧；所述非磁性金属材料层NM由选自Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中之一的金属形成，或由包含Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中至少一种元素的合金形成；所述磁性金属材料层FM由含有B元素的磁性合金形成。

2.根据权利要求1所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述基本单元由顺序邻接的所述非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM构成。

3.根据权利要求1或2所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，包括层叠设置的多个所述基本单元，其中，对于任意相邻两个所述基本单元，其中的非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM的层叠顺序相同或者相反。

4.根据权利要求3所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述多个所述基本单元为N个所述基本单元，其中，N在2-99之间。

5.根据权利要求3所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述相邻两个基本单元共用同一个非磁性金属化合物层MO或非磁性金属材料层NM。

6.根据权利要求1所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述磁性合金为Co_XTM_YFe_100-X-YB_Z，其中，0≤X≤100，0≤Y≤100，0<Z≤40，TM选自Ni、Zr、Nb、Mg中至少一种元素。

7.根据权利要求1所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述非磁性金属化合物层MO由选自至少包含Mg、Al、Hf、Ti、Zr、Si、Mo、Nb和Ta其中之一元素的氧化物或氮化物形成。

8.根据权利要求1所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，还包括设置于所述磁性多层膜一侧的基片。

9.根据权利要求8所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，在所述磁性多层膜的与设置所述基片一侧相反的一侧，所述磁性多层膜的最外层为所述非磁性金属化合物层MO。

10.根据权利要求8所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，在所述磁性多层膜的与设置所述基片一侧相反的一侧，当所述磁性多层膜的最外层为所述非磁性金属材料层NM时，还包括在所述磁性多层膜上设置的保护层，所述保护层为选自至少包含Mg、Al、Hf、Ti、Zr、Si、Mo、Nb和Ta其中之一元素的氧化物或氮化物。

11.根据权利要求1所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述磁性金属材料层FM由Co、Fe、B的三元合金形成，所述非磁性金属材料层NM由Ta形成。

12.根据权利要求10所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述非磁性金属材料层NM的厚度在0.2-100nm之间；所述非磁性金属化合物层MO的厚度在0.2-100nm之间；所述磁性金属材料层FM的厚度在0.2-10nm之间；所述保护层的厚度在0.5-100nm之间。

13.一种制备权利要求1-12中任一项所述的磁性多层膜霍尔元件的方法，其特征在于，包括采用磁控溅射法或热蒸发法或电子束蒸发法在基片上顺次沉积所述磁性多层膜霍尔元件的各膜层。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括在沉积结束后对所述基片上沉积的膜层进行退火处理，退火温度为100-600℃，退火时间为1-600min。