CN104600194B - 提高磁性膜AMR的金属Ta成膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高磁性膜AMR的金属Ta成膜方法，包括步骤：步骤一，采用刻蚀工艺对基片进行处理；步骤二，在所述基片表面进行金属Ta的成膜，形成Ta膜；步骤三，在所述Ta膜表面进行Ni81Fe19膜和氮化钽膜的成膜；步骤四，对所述Ta膜、Ni81Fe19膜和氮化钽膜进行退火处理，从而形成各向异性磁电阻膜。本发明采用变化电流方式成膜形成的Ta缓冲层可以有效减少由于高功率溅射造成的晶体缺陷，并有效的提高Ni81Fe19薄膜的AMR效应。

Description

提高磁性膜AMR的金属Ta成膜方法
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路领域，特别是涉及一种提高磁性膜AMR(各向异性磁电阻)的金属Ta成膜方法。
背景技术
各向异性磁电阻效应最先被用于磁带记录系统，而后被应用于磁盘记录系统、磁盘读出系统以及探测弱磁场的传感器，由于在体积、质量及成本上有很大优势，因此，即使在巨磁电阻效应发现之后，用传统的各向异性磁电阻薄膜做的计算机读头和传感器在市场上仍占很大比重。为了使器件小型化，用于读头的坡莫(NIFE)合金薄膜必须做得很薄，矫顽力很小，而值尽可能大。
在居里点以下，铁磁金属的电阻率随电流I与磁化强度M的相对取向而异，称之为各向异性磁电阻效应，即ρ∥(I∥M)≠ρ⊥(I⊥M)。
各向异性磁电阻(AMR)比值通常定义为：
AMR＝Δρ/ρ＝(ρ-ρ⊥)/ρ0
其中，这里的ρ0为铁磁材料在理想退磁状态下的电阻率。不过由于理想的退磁状态很难实现，通常ρ0近似等于平均电阻率ρav，即ρ0≈ρav＝ρ∥+ρ⊥。
从应用角度讲，作为传感器时，一方面需要大的灵敏度，同时也需要高的信噪比。为了提高信噪比，结果表明，界面晶格一致性差的材料的信噪比大，在热处理过程中也容易产生晶格畸变或纳米量级的缺陷。
基于以上背景考虑，提高AMR值及薄膜层界面之间的晶格差异要大，才能使得成膜的坡莫(NIFE)合金薄膜的磁效应更强。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种提高磁性膜AMR的金属Ta成膜方法。采用本发明的方法能有效提高NiFe薄膜(即Ni81Fe19薄膜)的AMR效应。
为解决上述技术问题，本发明的提高磁性膜AMR的金属Ta成膜方法，包括步骤：
步骤一，采用刻蚀工艺对基片进行处理(即预处理)；
步骤二，在所述基片表面进行金属Ta的成膜，形成Ta膜(Ta膜可作为缓冲层)；
步骤三，在所述Ta膜表面进行Ni81Fe19膜和氮化钽膜的成膜；
步骤四，对所述Ta膜、Ni81Fe19膜和氮化钽膜进行退火处理，从而形成各向异性磁电阻膜。
其中，所述步骤一中，基片包括：带氮化硅膜的硅基片；其中，氮化硅膜的厚度可为200nm～500nm。
所述步骤一中，刻蚀工艺包括：等离子体刻蚀工艺；其中，等离子体刻蚀工艺的参数优选如下：
刻蚀采用氩气为离子源气体，压力1～10torr，温度20～35摄氏度，功率100～500W，处理时间5～20s，刻蚀量5nm～20nm。
所述步骤二中，成膜的方法包括：物理溅射方法；成膜的压力优选为1～10torr，成膜的温度优选为20～35摄氏度；Ta膜的厚度优选为100～500埃；
优选地，成膜的方法为物理溅射功率(DC power)与承载基片的平台衬底偏压(Bias)交替变化的方法，其中，物理溅射功率从大到小变化、衬底偏压从小到大变化(即采用高溅射功率与低Bias电压相交替)，如步骤二中，衬底偏压可从0.01～0.3kw线性增加，物理溅射功率可从0.6～0.2kw递减。
更优选地，采用包括以下步骤的方法进行金属Ta的成膜：
第一步，400W～600W的高功率溅射与10W～100W的低功率衬底偏压成膜1/2厚度；
第二步，400W～500W的低功率溅射与100W～200W功率的衬底偏压成膜1/4厚度；
第三步，300W～400W的低功率溅射与200W～300W的高功率衬底偏压成膜1/4厚度。
所述步骤三中，在所述Ta膜表面，先进行Ni81Fe19膜的成膜，然后，再进行氮化钽膜的成膜。
所述步骤三中，Ni81Fe19膜的成膜方法包括：物理溅射方法；其中，溅射功率优选为0.1kw～1kw，溅射压力优选为1×10-8托～1×10-5托。
所述步骤三中，氮化钽膜的成膜方法包括：物理溅射方法；其中，溅射温度优选为20℃～50℃，溅射压力优选为1托～10托，溅射功率优选为0.5kw～2kw；氮化钽膜的厚度优选为200～1000埃。
所述步骤四中，退火处理的温度优选为400～600℃，处理时间优选为30秒～60秒。
本发明的Ta成膜过程中，主要采用薄膜溅射功率与衬底偏压相互补充，防止因溅射功率偏大造成的二次溅射而增加薄膜的缺陷：高溅射功率有效增加底层薄膜致密度，从而引发薄膜趋向成长(111)晶面；低功率溅射可以有效防止缺陷增加，同时增加衬底偏压可以增加溅射薄膜的致密度提高薄膜晶化程度，如此，生长在这样的Ta缓冲层的Ni81Fe19薄膜的AMR效应也更大。因此，本发明成膜方法所成膜出来的Ta缓冲层，能够有效避免高功率溅射引起的薄膜晶体缺陷及低功率溅射导致的成膜不良。
因而，本发明中，缓冲层Ta能够明显提高Ni81Fe19薄膜的AMR值，而且随着Ta薄膜功率增加，Ni81Fe19薄膜的AMR值随之提高，其是因为形成的Ta缓冲层随着功率增加而使薄膜更加致密。因此，本发明采用变化电流方式成膜形成的Ta缓冲层可以有效减少由于高功率溅射造成的晶体缺陷，由于晶体缺陷严重导致Ni81Fe19薄膜多趋向生长，本发明形成的缓冲层Ta可以有效的提高Ni81Fe19薄膜(111)晶面趋向成膜，从而有效的提高Ni81Fe19薄膜的AMR效应。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是固定衬底偏压时，物理溅射功率增加形成的Ta+Ni81Fe19薄膜的AMR值；
图2是物理溅射功率(DC power)变化时的AMR效果图，其中，图2中的1-7的含义见表1。需要指出的是，表1中的“第一步-第三步”是指采用上述三步法进行金属Ta的成膜，并且1-7中的衬底偏压中的功率(W)均是从100W-200W-300W进行变化。
表1
具体实施方式
本发明的提高磁性膜AMR的金属Ta成膜方法，包括步骤：
(1)步骤一，采用等离子体刻蚀工艺对基片进行预处理，以增加所述基片表面的粗糙度；
其中，基片可为带氮化硅膜(氮化硅膜的厚度可为200nm-500nm)的硅基片；
等离子体刻蚀工艺的参数可如下：
刻蚀采用氩气为离子源气体，压力1～10torr，温度20～35摄氏度，功率100～500W，处理时间5～20s，刻蚀量5nm～20nm。
(2)步骤二，在所述基片表面进行金属Ta的成膜，形成Ta膜(Ta膜可作为缓冲层)；
其中，成膜的压力可为1～10torr，成膜温度可为20～35摄氏度；
Ta膜的厚度可为100～500埃；
Ta膜的成膜的方法包括：物理溅射方法；具体可为：物理溅射功率(DC power)与承载硅片的平台衬底偏压(Bias)交替变化的方法，其具体步骤如下：
第一步，400W～600W的高功率溅射与10W～100W的低功率衬底偏压成膜1/2厚度；
第二步，400W～500W的低功率溅射与100W～200W功率的衬底偏压成膜1/4厚度；
第三步，300W～400W的低功率溅射与200W～300W的高功率衬底偏压成膜1/4厚度。
(3)步骤三，在所述Ta膜表面，先进行Ni81Fe19膜的成膜，然后，再进行氮化钽膜的成膜。
其中，Ni81Fe19膜的成膜方法可为物理溅射方法，溅射功率可为0.1kw～1kw，溅射压力可为1×10-8托～1×10-5托。Ni81Fe19膜的厚度可按照常规工艺要求即可。
氮化钽膜的成膜方法可物理溅射方法，溅射温度可为20℃～50℃，溅射压力可为1托～10托，溅射功率可为0.5kw～2kw；
氮化钽膜的厚度可为200～1000埃。
(4)步骤四，对所述Ta膜、Ni81Fe19膜和氮化钽膜在400～600℃下进行退火处理30秒～60秒，从而形成各向异性磁电阻膜。
按照上述步骤操作，能有效提高Ni81Fe19薄膜的AMR效应。
其中，当固定衬底偏压时，物理溅射功率增加形成的Ta+Ni81Fe19薄膜的AMR值如图1所示。同时，固定变化衬底偏压从100w-200w-300w变化且X轴为物理溅射功率成膜时最大值(成膜时功率为X→X-100W→X-200W)，形成的Ta+Ni81Fe19薄膜的AMR值如图2所示。图2中，物理溅射功率从600～100w变化的Ta缓冲层的Ni81Fe19薄膜的AMR效应最强。

Claims (9)

1.一种提高磁性膜AMR的金属Ta成膜方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一，采用刻蚀工艺对基片进行处理；
步骤二，在所述基片表面进行金属Ta的成膜，形成Ta膜；成膜的方法为物理溅射功率与承载基片的平台衬底偏置功率交替变化的方法，其中，物理溅射功率从大到小变化、衬底偏置功率从小到大变化；
步骤三，在所述Ta膜表面进行Ni81Fe19膜和氮化钽膜的成膜；
步骤四，对所述Ta膜、Ni81Fe19膜和氮化钽膜进行退火处理，从而形成各向异性磁电阻膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一中，基片包括：带氮化硅膜的硅基片；其中，氮化硅膜的厚度为200nm～500nm；
刻蚀工艺包括：等离子体刻蚀工艺。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述等离子体刻蚀工艺的参数如下：
刻蚀采用氩气为离子源气体，压力1～10torr，温度20～35摄氏度，功率100～500W，处理时间5～20s，刻蚀量5nm～20nm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二中，成膜的方法包括：物理溅射方法；
成膜的压力为1～10torr，成膜的温度为20～35摄氏度；
Ta膜的厚度为100～500埃。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述物理溅射功率从0.6～0.2kw递减，衬底偏置功率从0.01～0.3kw线性增加。
6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述成膜的方法为采用包括以下步骤的方法进行金属Ta的成膜：
第一步，400W～600W的高功率溅射与10W～100W的低功率衬底偏置功率成膜1/2厚度；
第二步，400W～500W的低功率溅射与100W～200W功率的衬底偏置功率成膜1/4厚度；
第三步，300W～400W的低功率溅射与200W～300W的高功率衬底偏置功率成膜1/4厚度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三中，在所述Ta膜表面，先进行Ni81Fe19膜的成膜，然后，再进行氮化钽膜的成膜；
Ni81Fe19膜的成膜方法包括：物理溅射方法；其中，溅射功率为0.1kw～1kw，溅射压力为1×10-8托～1×10-5托。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三中，氮化钽膜的成膜方法包括：物理溅射方法；其中，溅射温度为20℃～50℃，溅射压力为1托～10托，溅射功率为0.5kw～2kw；
氮化钽膜的厚度为200～1000埃。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤四中，退火处理的温度为400～600℃，处理时间为30秒～60秒。
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