CN111628074B

CN111628074B - 一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法

Info

Publication number: CN111628074B
Application number: CN202010457311.6A
Authority: CN
Inventors: 胡佳飞; 李裴森; 冀敏慧; 潘孟春; 彭俊平; 邱伟成; 陈棣湘; 姚馨平
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2040-05-26
Also published as: CN111628074A

Abstract

本发明公开了低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法，包括磁性隧道结的制备，两次退火，磁聚集器的制备，第三次退火，其中两次退火时施加磁场的方向互相垂直，第三次退火时，施加磁场的方向与第二次退火的方向相同，本发明有效抑制了隧道结磁电阻敏感体输出响应的磁滞。

Description

一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法

技术领域

本发明涉及磁传感器领域，尤其涉及一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法。

背景技术

磁电阻传感器由于具有高灵敏、低能耗、低成本及小型化等特点得到广泛关注，在生物医学、工业制造、地球物理和航天航空等领域都发挥着重要作用。其中，隧道结磁电阻敏感体由于具有更高的磁阻变化率，一直是磁电阻传感器研究中的热点之一。受材料特性的影响，隧道结磁敏感体存在磁滞行为，严重影响了传感器的弱磁探测能力。目前，通过改变自由层的形状尺寸或施加磁场偏置，构建磁性隧道结势垒层两侧的自由层与参考层易轴相互垂直的结构，可一定程度减小器件磁滞。磁聚集器常常使用较高磁导率的软磁材料制备而成，可以聚，磁隧道结敏感体磁滞难以减小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种有效抑制输出响应的磁滞的低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法，包括以下步骤

S1、将磁性多层膜制备成磁性隧道结；

S2、将磁性隧道结置于真空磁场环境下，升温进行第一次退火处理，冷却至室温后，再升温进行第二次退火处理，所述第一次退火处理的磁场方向和第二次退火处理的磁场方向垂直，得到磁性隧道结器件；

S3、在磁性隧道结器件上溅射电镀种子层，将聚集器形状转移至磁性隧道结器件上，电镀形成电镀层，得到磁聚集器；

S4、将磁聚集器置于真空磁场环境下，升温进行第三次退火处理，所述第三次退火处理的磁场方向和第二次退火处理的磁场方向相同，冷却至室温后，得到低磁滞隧道结磁敏感体。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述步骤S2中，第一次退火处理的温度为300℃~400℃，磁场为1kOe~10kOe。

所述第一次退火处理的时间为30min~2h。

所述第二次退火处理的温度为200℃~250℃，磁场为500Oe~5kOe。

所述第二次退火处理的时间为1h~10h。

所述第一次退火处理和/或第二次退火处理和/或第三次退火处理的升温速率为1~20℃/min。

所述步骤S4中，所述第三次退火处理的温度为100℃~200℃，磁场为500Oe~2kOe；时间为30min~4h。

所述步骤S1具体包括以下步骤：

S1-1、将磁性多层膜结构光刻制备底电极层的形状，采用离子束刻蚀工艺刻蚀制备底电极层，去除光刻胶；

S1-2、光刻制备结区的形状，采用离子束刻蚀工艺刻蚀制备结区，去除光刻胶；刻蚀时，离子束垂直入射刻蚀至预设时间段后，再将离子束的入射角倾斜10°~45°继续刻蚀直至刻蚀完成；

S1-3、沉积绝缘层，采用光刻工艺将底电极层和结区的形状转移到绝缘层上，采用离子束刻蚀工艺刻蚀掉结区区域及底电极层区域的绝缘层，露出底电极层表面，形成底电极层及结区的导电通路；

S1-4、采用光刻、反转、泛曝光、显影和电子束蒸镀工艺制备第二顶电极层。

所述步骤S1-1中，所述磁性多层膜结构自下而上依次包括基底、缓冲层、底电极层、隧穿势垒层、第一顶电极层。

所述低磁滞隧道结磁敏感体自下而上依次包括基底、缓冲层、底电极层、隧穿势垒层、第一顶电极层、第二顶电极层绝缘层、电镀种子层和电镀层，所述底电极层的磁化方向和第一顶电极层、第二顶电极层的磁化方向垂直，所述第一顶电极层、第二顶电极层和电镀层的磁化方向相同。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明先对磁性隧道结进行了两次退火，两次退火的磁场方向垂直，由此获得线性化的响应，再设置磁聚集器后，进行了第三次退火，诱导磁聚集器的磁矩转向固定的方向并释放聚集器内应力，优化底电极层和第一顶电极层中铁磁层的结晶状态和铁磁层/隧穿势垒层界面质量，可以较好的提高隧道结的灵敏度，且有效抑制隧道结输出响应的磁滞。

2、本发明在制作隧道结结区时采用多步倾斜刻蚀的方法，先垂直刻蚀，再倾斜刻蚀，可以有效的消除磁性隧道结中短路通道的形成，极大的提高了隧道结的制备成功率，有利于提高产品的磁性及电学性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中的磁性多层膜结构示意图及三次退火后铁磁层磁化方向示意图。

图2为本发明实施例1中低磁滞隧道结磁敏感体制备加工工艺流程图。

图3为本发明实施例1中，退火前、一次退火后及二次退火后样品的磁阻响应曲线图。

图4为本发明实施例1中，三次退火后，带磁聚集器的样品输出响应曲线图。

图5为本发明实施例1中生长或制备好的磁性多层膜结构的结构示意图。

图6为本发明实施例1中完成底电极层后样品的结构示意图。

图7为本发明实施例1中设置隧道结结区后样品的结构示意图。

图8为本发明实施例1中沉积SiO₂绝缘层后样品的结构示意图。

图9为本发明实施例1中刻蚀SiO₂绝缘层后样品的结构示意图。

图10为本发明实施例1中制备第二顶电极层后样品的结构示意图。

图11为本发明实施例1中聚集器形状转移后样品的结构示意图。

图12为本发明实施例1中释放敏感体引脚后样品的结构示意图。

图中各标号表示：1、基底；21、缓冲层；30、底电极层；4、隧穿势垒层；50、第一顶电极层；54、第二顶电极层；6、绝缘层；71、电镀种子层；72、电镀层。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。

实施例1：

以二氧化硅为基片，通过背景真空为10^-6Pa的磁控溅射法，制备出如图1所示低磁滞隧道结磁敏感体，自下而上依次包括基底1，缓冲层21（种子层），底电极层30，隧穿势垒层4，第一顶电极层50，第二顶电极层54，绝缘层6，电镀种子层71及电镀层72，底电极层30的磁化方向与第一顶电极层50及第二顶电极层54（或电镀层72）的磁化方向垂直。其中：

缓冲层21为Ta/Ru相互间隔的种子层；

底电极层30，自下而上包含：20nm厚的PtMn反铁磁层31和3nm厚的CoFe铁磁层32，1nm厚的Ru间隔层33，2nm厚的CoFeB铁磁层34。CoFe铁磁层32，Ru间隔层33，CoFeB铁磁层34组成人工合成反铁磁层；

隧穿势垒层4为MgO绝缘层，厚度为1~2nm；

第二顶电极层50，自下而上包含：2nm厚的CoFeB铁磁层51，10nm厚的NiFe铁磁层52，10nm厚的IrMn反铁磁层53；

后续沉积的第二顶电极层54为Au层；

绝缘层6为SiO₂层；

电镀种子层71为Cr/Cu层，电镀层72为NiFe层。

如图2所示，本实施例的一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法，包括磁性隧道结的制备，垂直二次退火，磁聚集器的制备，磁聚集器的第三次退火，具体包括以下步骤：

步骤S1：磁性隧道结的制备：具体流程可以分为底电极层30制备、隧道结结区制备、过孔和第一顶电极层50及第二顶电极层54制备。“底电极层30的制备”指的是把底电极层30刻蚀出来，底电极层30在磁性多层膜制备时已经完成了，后续是在磁性多层膜上展开图形化的制备。

首先设置底电极层30：

1.在生长或制备好磁性多层膜结构（如图5所示）上旋涂AZ5214光刻胶，在匀胶时，首先以500转/min的转速转5s，然后保持4000转/min的转速转30s。

2.在95℃温度下进行90s的前烘处理，并利用底电极掩模版进行紫外光刻和显影，使底电极层30的形状保留在光刻胶上。

3.设置IBE（离子束刻蚀工艺）参数进行离子束刻蚀，刻蚀过程中保持2×10^-2Pa的真空，离子束能量为300eV，电流密度为80mA，中和电流为100mA，离子束入射角度为0°，刻蚀8min，使用等离子体打胶，将样品浸泡在丙酮中超声，去除残余的光刻胶，完成底电极层30的制备，如附图6所示。

设置隧道结结区：结区制备流程与底电极层30刻蚀基本相似，不同之处在于曝光时所用的掩模版为结区掩模版，由于隧穿势垒层4厚度较薄，在刻蚀过程中极易出现底电极层30导电粒子再次沉积在隧穿势垒层4上从而使磁隧道结短路的现象。针对这一问题，采用离子束倾斜多步刻蚀的方法，首先设置离子束垂直入射，刻蚀3min，当刻蚀深度在隧穿势垒层4上方时，然后将离子束的入射角度倾斜30°，刻蚀5min，其他参数保持不变。这样可以大大的提高样品的制备成功率。结区刻蚀完成后，用氧等离子机在400W功率下进行边缘氧化，进一步解决好边缘旁路问题，设置隧道结结区后如附图7所示。

接下来设置过孔：利用ICP-CVD工艺（感应耦合等离子体-化学气相沉积工艺），在隧道结结区内和第一顶电极层50上沉积SiO₂绝缘层（附图8所示），实现隧穿势垒层4、底电极层30及后续沉积的第二顶电极层54之间相互绝缘。

通过匀胶、光刻、显影，将底电极层30及隧穿势垒层4的形状转移在绝缘层6上，并利用RIE（反应离子腐蚀技术）刻蚀，将隧穿势垒层4及底电极层30区域的SiO₂绝缘层刻蚀，露出电极表面（附图9所示），形成底电极层30及隧穿势垒层4的导电通路。

最后设置第二顶电极层54：然后首先进行光刻、反转及泛曝光，设置光刻胶为负胶使用，显影后，接下来将Au利用电子束蒸镀的方法沉积200nm的金，制备第二顶电极层54，最后完成光刻胶及其上方Au薄膜的剥离，完成第二顶电极层54的制备（附图10所示）。

步骤S2：垂直二次退火包含第一退火及第二退火两个步骤。本发明中采用两次退火且施加磁场的方向垂直，由此获得线性化的响应，若两次退火的磁场方向相同，无法实现线性化的效果。

第一退火：设置一次退火的条件为：退火温度340℃，退火磁场为7kOe，升温速率为10℃/min。在退火腔高真空（<2×10^-4Pa）的条件下，对样品进行恒温1h的退火处理，然后使样品自动降至室温。

第二退火：设置第二退火温度230℃，退火磁场为1kOe，升温速率为10℃/min，所施加的磁场方向与一次退火方向相互垂直。同样的，待退火腔体达到高真空（<2×10^-4Pa）时，将样品恒温退火8h，最后使样品自动降至室温。

如图3为退火前、第一次和第二退火后，利用四探针法测得的样品的磁阻响应曲线。可见，经过两次退火后，样品的矫顽力从48Oe减小到了29Oe（第一退火后），第二退火后的矫顽力低至15Oe。

步骤S3：磁聚集器制备：在后续沉积的第二顶电极层54上沉积绝缘层6，在绝缘层6上溅射Cr/Cu导电种子层，并利用光刻、显影将聚集器的形状转移到电镀种子层71上（附图11所示）；进行NiFe电镀形成电镀层72，完成磁聚集器的刻蚀，最后释放敏感体引脚（附图12所示）。

步骤S4：磁聚集器第三退火：设置第三退火温度200℃，退火磁场为1kOe，升温速率为10℃/min，所施加磁场方向与第二退火方向相同。待退火腔体达到高真空（<2×10^-4Pa）时，将样品恒温退火2h。通过三次退火取得以下作用：1.诱导磁聚集器的磁矩转向固定的方向；2.释放磁聚集器电镀层72的应力。

如图1所示，完成三次退火工艺后，底电极层30的磁化方向垂直于纸面，第一顶电极层50及第二顶电极层54和电镀层72的磁化方向位于纸面内且与底电极层30的磁化方向垂直，说明虽然本申请采用了三次退火工艺，并且在第二次、第三次退火时改变磁场方向，但是底电极层30的磁化方向并未受影响。

完成上述工艺后，对带聚集器器件样品的输出响应曲线进行了测试，如图4所示。对比图3与图4，经过三次退火后，样品的矫顽力大大减小，达到了0.8 Oe。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明方案保护的范围内。

Claims

1.一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤

S1、将磁性多层膜制备成磁性隧道结；

S3、在磁性隧道结器件上溅射电镀种子层（71），将聚集器形状转移至磁性隧道结器件上，电镀形成电镀层（72），得到磁聚集器；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，第一次退火处理的温度为300℃~400℃，磁场为1kOe~10kOe。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述第一次退火处理的时间为30min~2h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第二次退火处理的温度为200℃~250℃，磁场为500Oe~5kOe。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述第二次退火处理的时间为1h~10h。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述第一次退火处理和/或第二次退火处理和/或第三次退火处理的升温速率为1~20℃/min。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述第三次退火处理的温度为100℃~200℃，磁场为500Oe~2kOe；时间为30min~4h。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：

S1-1、将磁性多层膜结构光刻制备底电极层（30）的形状，采用离子束刻蚀工艺刻蚀制备底电极层（30），去除光刻胶；

S1-3、沉积绝缘层（6），采用光刻工艺将底电极层（30）和结区的形状转移到绝缘层（6）上，采用离子束刻蚀工艺刻蚀掉结区区域及底电极层（30）区域的绝缘层，露出底电极层（30）表面，形成底电极层（30）及结区的导电通路；

S1-4、采用光刻、反转、泛曝光、显影和电子束蒸镀工艺制备第二顶电极层（54）。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1-1中，所述磁性多层膜结构自下而上依次包括基底（1）、缓冲层（21）、底电极层（30）、隧穿势垒层（4）、第一顶电极层（50）。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其特征在于；所述低磁滞隧道结磁敏感体自下而上依次包括基底（1）、缓冲层（21）、底电极层（30）、隧穿势垒层（4）、第一顶电极层（50）、第二顶电极层（54）绝缘层（6）、电镀种子层（71）和电镀层（72），所述底电极层（30）的磁化方向和第一顶电极层（50）、第二顶电极层（54）的磁化方向垂直，所述第一顶电极层（50）、第二顶电极层（54）和电镀层（72）的磁化方向相同。