CN110176534A - 测量范围可调的隧道结磁电阻传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
测量范围可调的隧道结磁电阻传感器及其制备方法,包括基底、绝缘层、磁阻导电层和磁阻结构;磁阻结构设置在基底的上表面,绝缘层设置在磁阻结构两侧的基底上,磁阻导电层设置在磁阻结构及绝缘层上表面;基底包括基底底电极、压电材料和基底顶电极,基底底电极和基底顶电极分别设置在压电材料的下表面和上表面;磁阻结构包括缓冲层、钉扎层和磁隧道结层;两个缓冲层叠加设置在基底上表面,两个缓冲层之间自上而下依次设置磁隧道结层和钉扎层;磁隧道结层为被钉扎层/势垒层/自由层组成的层状结构,其中被钉扎层位于钉扎层上表面。本发明利用磁电复合材料中磁各向异性场的电场调控效应,实现了使用电场对磁隧道结中自由层磁化方向的调节,具有效率高、体积小、能耗低、易于集成的特点。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域,特别涉及测量范围可调的隧道结磁电阻传感器及其制备方法。
背景技术
随着信息社会的发展特别是物联网时代的到来,智能家电、新能源汽车、机器人等新兴产业对高灵敏度微型磁传感器的需求越来越大。超导量子干涉仪磁强计、电子自旋磁强计、磁通门计、质子磁强计、磁电块体传感器等类型磁传感器的低频磁噪声指数达pT/Hz1 /2甚至fT/Hz1/2量级,然而其体积一般大于102~103mm3。相比之下,目前占据磁传感器市场达70%的霍尔传感器尺寸可缩小几个数量级至10-3mm3,但是其灵敏度较低。新一代的微型磁传感器是磁电阻传感器,包括各向异性磁电阻(AMR)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器以及隧道结磁电阻(TMR)传感器,其体积可以缩小到微米尺度而低频磁噪声指数达到nT/Hz1/2量级,具有极高的灵敏度和空间分辨率,并且易于与微机电系统(MEMS)工艺整合进行大批量生产,可用于研制高精度的磁性编码器、位置传感器、角度传感器、速度和角速度传感器、生物磁成像传感器等,在磁性条形码的检测与识别、智能家电工作状态的实时监测与控制、可穿戴式心磁图扫描与健康诊断、便携式三维地磁场定位与识别等尖端技术领域具有重要的应用前景,有望成为未来物联网时代磁传感器芯片的核心部件。
TMR传感器的核心单元是两个铁磁层夹着一个非磁的绝缘势垒层组成的磁隧道结(MTJ),TMR效应来源于两铁磁层磁化方向的相对取向。当两个铁磁层的磁化方向相同时,电流流过MTJ时遇到阻力较小,对应于低电阻状态。当两个铁磁层的磁化方向相反时,电流流过MTJ时阻力较大,对应于高电阻状态。为使两个铁磁层的磁化方向相反而获得较大的TMR效应,一般采用反铁磁材料的交换偏置效应对其中一层铁磁层的磁化方向进行钉扎,使其不能自由转向;而另一铁磁层可随外加磁场发生自由转向,称为自由层。当正向或反向的外磁场超过自由层的矫顽场时,可以实现磁化方向的平行或反平行两种状态,产生磁电阻的极小和极大值。如果磁电阻极值与外磁场之间具有线性关系,可用于测量外磁场的大小。可见,隧道结磁电阻传感器的线性测量范围受限于自由层的矫顽场,一般使用软磁合金作为自由层,其线性测量范围在-20到20Oe之间,严重影响了磁电阻传感器的适用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供测量范围可调的隧道结磁电阻传感器及其制备方法,以解决上述问题。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
测量范围可调的隧道结磁电阻传感器,包括基底、绝缘层、磁阻导电层和磁阻结构;磁阻结构设置在基底的上表面,绝缘层设置在磁阻结构两侧的基底上,磁阻导电层设置在磁阻结构及绝缘层上表面;基底包括基底底电极、压电材料和基底顶电极,基底底电极和基底顶电极分别设置在压电材料的下表面和上表面;磁阻结构包括缓冲层、钉扎层和磁隧道结层;两个缓冲层叠加设置在基底上表面,两个缓冲层之间自上而下依次设置磁隧道结层和钉扎层。
进一步的,磁隧道结层为被钉扎层/势垒层/自由层组成的层状结构,其中被钉扎层位于钉扎层上表面。
进一步的,钉扎层为一层反铁磁性的IrMn或PtMn与一层铁磁性的NiFe组成的双层金属薄膜。
进一步的,被钉扎层和自由层都是铁磁性合金薄膜,为CoFeB、CoFe、FeGaB中的一种。
进一步的,势垒层为MgO、Al2O3、AlOx中的一种氧化物薄膜。
进一步的,缓冲层为两层Ta层和一层Ru层组成的三层金属薄膜,其中,Ru层位于两层Ta层中间。
进一步的,压电材料为PMN-PT、PZN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3、TiSrO3中的一种。
进一步的,底电极、顶电级和导电层均为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN或TiN中的一种金属薄膜。
进一步的,测量范围可调的隧道结磁电阻传感器的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:清洗,对一个压电材料利用异丙醇和去离子水进行表面清洗,用N2吹干;
步骤2:生长基底电极,运用磁控溅射技术分别在压电基底上下表面生长一层导电材料,作为基底;
步骤3:第一次光刻,在上述基底上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的磁阻单元和阵列图形,然后显影并烘干;
步骤4:生长磁隧道结薄膜,采用磁控溅射技术,将材料按顺序进行电离、淀积,在整个预留区域生长缓冲层、钉扎层和多层磁隧道结层薄膜;
步骤5:剥离,在丙酮溶液中浸泡,去除剩余的胶层及胶层上面的磁隧道结层薄膜,形成预留的磁阻单元及其阵列排布;
步骤6:第二次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的MTJ单元图形,然后显影并烘干;
步骤7:刻蚀:用离子束轰击薄膜,由于光刻胶没被显影去掉的部分形成一层硬膜,在离子束轰击下不会被刻蚀掉,其余部分刻蚀到磁隧道结层中的势垒层;
步骤8:用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留的磁阻单元MTJ单元及其阵列排布;
步骤9:第三次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的磁阻单元MTJ单元图形,然后显影并烘干;
步骤10:生长绝缘薄膜,采用磁控溅射系统,整个区域覆盖一层作为绝缘层的SiO2薄膜;
步骤11:剥离,用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留覆盖在其上有图形的绝缘层;
步骤12:第四次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的电极图形,然后显影并烘干;
步骤13:生长磁阻导电层,采用磁控溅射系统生长一层金或银或铜等良导体薄膜,使其在整个区域覆盖电极薄膜;
步骤14:剥离,用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留覆盖在其上的电极引线,自此形成完整的TMR结构。
进一步的,步骤3具体包括以下操作过程:
涂胶:在压电基底上喷涂一层光刻胶,涂胶后烘置于115℃的烘箱中烘干20min;
曝光:利用紫外光激光束在光刻胶上刻上需要的形状图案;首先借助掩模版贴合在要曝光的薄膜上,然后在紫外激光下照射9s,后置于115℃的烘箱中1min;
显影:将上述曝光后的压电基底置于显影液中浸泡1min,出现图形而后用去离子水清洗并烘干。
与现有技术相比,本发明有以下技术效果:
本发明利用磁电复合材料中磁各向异性场的电场调控效应,实现了使用电场对自由层磁化方向的调节,具有效率高、体积小、能耗低、易于集成的特点。并首次将此原理应用于隧道结磁电阻传感器中,通过电场对自由层的磁各向异性和饱和磁化场等性质进行调控,实现了隧道结磁电阻传感器线性输出范围的大幅提高和连续调节,使隧道结磁电阻传感器在保证灵敏度的前提下拥有更大的线性测量范围。测量范围可调的隧道结磁电阻传感器可用于物联网和可穿戴设备等领域的微型磁传感器芯片及其阵列。
附图说明
图1为本发明单个TMR结构的截面图。
图2a至图2l为本发明的制作过程图。
其中:1、基底底电极;2、压电材料;3、基底顶电极;4、绝缘层;5、缓冲层;6、反铁磁层;7、磁隧道结层;8、磁阻导电层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明:
测量范围可调的隧道结磁电阻传感器,包括基底、绝缘层4、磁阻导电层8和磁阻结构;磁阻结构设置在基底的上表面,绝缘层4设置在磁阻结构两侧的基底上,磁阻导电层8设置在磁阻结构及绝缘层4上表面;基底包括基底底电极1、压电材料2和基底顶电极3,基底底电极1和基底顶电极3分别设置在压电材料2的下表面和上表面;磁阻结构包括缓冲层5、钉扎层6和磁隧道结层7;两个缓冲层5叠加设置在基底上表面,两个缓冲层5之间自上而下依次设置磁隧道结层7和钉扎层6。
磁隧道结层7为被钉扎层/势垒层/自由层组成的层状结构,其中被钉扎层位于钉扎层6上表面。被钉扎层和自由层都是铁磁性合金薄膜,为CoFeB、CoFe、FeGaB中的一种。势垒层为MgO、Al2O3、AlOx中的一种氧化物薄膜。
钉扎层6为一层反铁磁性的IrMn或PtMn与一层铁磁性的NiFe组成的双层金属薄膜。
缓冲层5为两层Ta层和一层Ru层组成的三层金属薄膜,其中,Ru层位于两层Ta层中间。
压电材料为PMN-PT、PZN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3、TiSrO3中的一种。
底电极、顶电级和导电层均为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN或TiN中的一种金属薄膜。
测量范围可调的隧道结磁电阻传感器的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:清洗,对一个压电材料利用异丙醇和去离子水进行表面清洗,用N2吹干;
步骤2:生长基底电极,运用磁控溅射技术分别在压电基底上下表面生长一层导电材料,作为基底;
步骤3:第一次光刻,在上述基底上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的磁阻单元和阵列图形,然后显影并烘干;
步骤4:生长磁隧道结层薄膜,采用磁控溅射技术,将材料按顺序进行电离、淀积,在整个预留区域生长缓冲层、反铁磁层和多层磁隧道结层薄膜;
步骤5:剥离,在丙酮溶液中浸泡,去除剩余的胶层及胶层上面的磁隧道结层薄膜,形成预留的磁阻单元及其阵列排布;
步骤6:第二次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的MTJ单元图形,然后显影并烘干;
步骤7:刻蚀:用离子束轰击薄膜,由于光刻胶没被显影去掉的部分形成一层硬膜,在离子束轰击下不会被刻蚀掉,其余部分刻蚀到磁隧道结层中的势垒层;
步骤8:用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留的磁阻单元MTJ单元及其阵列排布;
步骤9:第三次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的磁阻单元MTJ单元图形,然后显影并烘干;
步骤10:生长绝缘薄膜,采用磁控溅射系统,整个区域覆盖一层作为绝缘层的SiO2薄膜;
步骤11:剥离,用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留覆盖在其上有图形的绝缘层;
步骤12:第四次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的电极图形,然后显影并烘干;
步骤13:生长磁阻导电层,采用磁控溅射系统生长一层金或银或铜等良导体薄膜,使其在整个区域覆盖电极薄膜;
步骤14:剥离,用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留覆盖在其上的电极引线,自此形成完整的TMR结构。
步骤3具体包括以下操作过程:
涂胶:在压电基底上喷涂一层光刻胶,涂胶后烘置于115℃的烘箱中烘干20min;
曝光:利用紫外光激光束在光刻胶上刻上需要的形状图案;首先借助掩模版贴合在要曝光的薄膜上,然后在紫外激光下照射9s,后置于115℃的烘箱中1min;
显影:将上述曝光后的压电基底置于显影液中浸泡1min,出现图形而后用去离子水清洗并烘干。
一种线性范围可调的隧道结磁电阻传感器结构的制造方法,基于上述任意一项所述的一种隧道结磁电阻传感器结构,包括以下步骤:
步骤1:清洗,对一个压电基底利用异丙醇和去离子水进行表面清洗,用N2吹干。
步骤2:生长基底电极,运用磁控溅射技术分别在压电基底上下表面生长一层导电材料,作为基底电极,如图2a。
步骤3:第一次光刻,在上述压电基底上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的磁阻单元和阵列图形,然后显影并烘干。
步骤3具体包括以下操作过程:
涂胶:在压电基底上喷涂一层光刻胶,涂胶后烘置于115℃的烘箱中烘干20min,如图2b。
曝光:利用紫外光激光束在光刻胶上刻上需要的形状图案。首先借助掩模版贴合在要曝光的薄膜上,然后在紫外激光下照射9s,后置于115℃的烘箱中1min。
显影:将上述曝光后的压电基底置于显影液中浸泡1min,出现图形而后用去离子水清洗并烘干,如图2c。
步骤4:生长磁隧道结层薄膜,采用磁控溅射技术,将材料按顺序进行电离、淀积,在整个预留区域生长缓冲层、钉扎层和多层磁隧道结层薄膜,如图2d。
步骤5:剥离,在丙酮溶液中浸泡,去除剩余的胶层及胶层上面的磁隧道结层薄膜,形成预留的磁阻单元及其阵列排布,如图2e。
步骤6:第二次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的MTJ单元图形,然后显影并烘干,如图2f。
步骤7:刻蚀:用离子束轰击薄膜,由于光刻胶没被显影去掉的部分形成一层硬膜,在离子束轰击下不会被刻蚀掉,其余部分刻蚀到磁隧道结层中的势垒层,如图2g。
步骤8:用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留的磁阻单元MTJ单元及其阵列排布,如图2h。
步骤9:第三次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的磁阻单元MTJ单元图形,然后显影并烘干。
步骤10:生长绝缘薄膜,采用磁控溅射系统,整个区域覆盖一层作为绝缘层的SiO2薄膜,如图2i。
步骤11:剥离,用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留覆盖在其上有图形的绝缘层2j。
步骤12:第四次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的电极图形,然后显影并烘干。
步骤13:生长磁阻导电层,采用磁控溅射系统生长一层金或银或铜等良导体薄膜,使其在整个区域覆盖电极薄膜,如图2k。
步骤14:剥离,用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留覆盖在其上的电极引线,自此形成完整的TMR结构,如图2l。
Claims (8)
1.测量范围可调的隧道结磁电阻传感器,其特征在于,包括基底、绝缘层(4)、磁阻导电层(8)和磁阻结构;磁阻结构设置在基底的上表面,绝缘层(4)设置在磁阻结构两侧的基底上,磁阻导电层(8)设置在磁阻结构及绝缘层(4)上表面;基底包括基底底电极(1)、压电材料(2)和基底顶电极(3),基底底电极(1)和基底顶电极(3)分别设置在压电材料(2)的下表面和上表面;磁阻结构包括缓冲层(5)、钉扎层(6)和磁隧道结层(7);两个缓冲层(5)叠加设置在基底上表面,两个缓冲层(5)之间自上而下依次设置磁隧道结层(7)和钉扎层(6)。
2.根据权利要求1所述的测量范围可调的隧道结磁电阻传感器,其特征在于,磁隧道结层(7)为被钉扎层/势垒层/自由层组成的层状结构,其中被钉扎层位于钉扎层上表面。
3.根据权利要求2所述的测量范围可调的隧道结磁电阻传感器,其特征在于,钉扎层(6)由反铁磁性的IrMn或PtMn与铁磁性的NiFe组成的双层合金薄膜;
被钉扎层和自由层都是铁磁性合金薄膜,为CoFeB、CoFe、FeGaB中的一种;
势垒层为MgO、Al2O3、AlOx中的一种氧化物薄膜。
4.根据权利要求1所述的测量范围可调的隧道结磁电阻传感器,其特征在于,缓冲层(5)为两层Ta层和一层Ru层组成的三层金属薄膜,其中,Ru层位于两层Ta层中间。
5.根据权利要求1所述的测量范围可调的隧道结磁电阻传感器,其特征在于,压电材料为PMN-PT、PZN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3、TiSrO3中的一种。
6.根据权利要求1所述的测量范围可调的隧道结磁电阻传感器,其特征在于,底电极、顶电级和导电层均为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN或TiN中的一种金属薄膜。
7.测量范围可调的隧道结磁电阻传感器的制备方法,其特征在于,基于权利要求1至6中任意一项所述的测量范围可调的隧道结磁电阻传感器,包括以下步骤:
步骤1:清洗,对一个压电材料利用异丙醇和去离子水进行表面清洗,用N2吹干;
步骤2:生长基底电极,运用磁控溅射技术分别在压电基底上下表面生长一层导电材料,作为基底;
步骤3:第一次光刻,在上述基底上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的磁阻单元和阵列图形,然后显影并烘干;
步骤4:生长磁隧道结薄膜,采用磁控溅射技术,将材料按顺序进行电离、淀积,在整个预留区域生长缓冲层、钉扎层和多层磁隧道结层薄膜;
步骤5:剥离,在丙酮溶液中浸泡,去除剩余的胶层及胶层上面的磁隧道结层薄膜,形成预留的磁阻单元及其阵列排布;
步骤6:第二次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的MTJ单元图形,然后显影并烘干;
步骤7:刻蚀:用离子束轰击薄膜,由于光刻胶没被显影去掉的部分形成一层硬膜,在离子束轰击下不会被刻蚀掉,其余部分刻蚀到磁隧道结层中的绝缘层;
步骤8:用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留的磁阻单元磁隧道结单元及其阵列排布;
步骤9:第三次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的磁阻单元磁隧道结单元图形,然后显影并烘干;
步骤10:生长绝缘薄膜,采用磁控溅射系统,整个区域覆盖一层作为绝缘层的SiO2薄膜;
步骤11:剥离,用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留覆盖在其上有图形的绝缘层;
步骤12:第四次光刻,在上述薄膜上涂上一层光刻胶,用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉,即在光刻胶上刻上所需要的电极图形,然后显影并烘干;
步骤13:生长磁阻导电层,采用磁控溅射系统生长一层金或银或铜等良导体薄膜,使其在整个区域覆盖电极薄膜;
步骤14:剥离,用丙酮溶液洗去剩余的胶层,形成预留覆盖在其上的电极引线,自此形成完整的TMR结构。
8.根据权利要求7所述的测量范围可调的隧道结磁电阻传感器的制备方法,其特征在于,步骤3具体包括以下操作过程:
涂胶:在压电基底上喷涂一层光刻胶,涂胶后烘置于115℃的烘箱中烘干20min;
曝光:利用紫外光激光束在光刻胶上刻上需要的形状图案;首先借助掩模版贴合在要曝光的薄膜上,然后在紫外激光下照射9s,后置于115℃的烘箱中1min;
显影:将上述曝光后的压电基底置于显影液中浸泡1min,出现图形而后用去离子水清洗并烘干。
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