CN111740010A - 一种基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻 - Google Patents

Abstract

一种基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻，属于磁传感器技术领域。所述磁电阻包括基片，以及依次形成于基片之上的缓冲层薄膜、[NiFe/NiCo]n的多层薄膜和覆盖层薄膜，其中，n≥2。本发明采用[NiFe/NiCo]n的多层薄膜作为磁性层，通过相邻磁性层间界面的自旋相关散射，弥补由于n增大后单层磁性层厚度降低对各向异性磁电阻效应的降低，并且可以根据具体应用的需求，通过重复周期n及各层的厚度灵活调整传感器翻转场、线性区等参数，实现磁各向异性薄膜厚度在降低到20～40nm后仍然兼具小的饱和场与大于2％的各向异性磁电阻变化率。

Description

一种基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻

技术领域

本发明属于磁传感器技术领域，具体涉及一种基于多层磁性复合薄膜实现优良各向异性磁电阻性能的方法。

背景技术

各向异性磁电阻效应(AMR，Anisotropic Magnetoresistance)是指磁性材料的电阻率会随着薄膜内部的磁矩方向和施加的电流方向的夹角的改变而变化。当磁性薄膜内部磁矩的方向完全与测试电流方向平行时，薄膜电阻达到最大值R_∥；当改变外磁场方向时，磁矩方向也会随着改变，此时电阻率就会随之改变，磁矩垂直于电流方向时，电阻R_⊥最小。各向异性磁电阻的大小满足：R＝R_⊥+ΔRcos²θ，其中ΔR＝R_∥-R_⊥，θ：电流方向与磁性层磁矩方向的夹角。根据该机理，目前基于各向异性磁电阻效应的薄膜已经在传感器领域得以广泛的应用。

在目前实现各向异性磁电阻效应的材料中，一般选用：Co、Ni、Fe等金属磁性材料以及它们的合金。目前研究的薄膜结构大多基于单层薄膜，常见的有NiFe、NiCo等合金。对于NiFe单层薄膜，其各向异性磁电阻效应常见的为2-3％，NiCo单层薄膜则能达到3-5％。虽然NiCo材料具有比NiFe材料更佳的各向异性磁电阻变化率，但是由于其饱和场大于NiFe材料，不利于传感器的应用，因此目前商业化的磁各向异性传感器多采用NiFe材料(其中各向异性磁电阻的饱和场通常定义为磁电阻下降为最大值的90％时对应的磁场)。对于各向异性磁电阻效应，其大小随着磁性层厚度的增加而增加，因此，在该类传感器制备初期为了保证各向异性磁电阻效应能达到实际应用要求，一般通过薄膜制备技术制备～200nm左右厚度的磁性薄膜获得各向异性磁电阻效应。而随着各向异性磁传感器的发展，为使器件能获得更高的灵敏度、并减小器件的尺寸，降低磁性层厚度是其中一种常见的方法。但随着磁性层厚度的降低，作为影响各向异性磁传感器灵敏度关键指标的磁电阻变化率会随厚度急剧降低。目前，工业界希望各向异性磁电阻薄膜的磁电阻变化率在薄膜厚度降低到20～40nm时还能达到>2％，饱和场能控制在20Oe以内。但对于常用的NiFe薄膜来说，目前的研究表明当NiFe薄膜的厚度降低到40nm以下时，按常规方法制备的薄膜虽其饱和场小于20Oe但其各向异性磁电阻的变化率却在～1％，而只有通过特殊缓冲层材料(如NiFeTa、NiFeNb等)、制备工艺优化等方法才有可能将其磁电阻变化率提升到2％。而对于NiCo材料来说，由于其本身磁电阻变化率就比NiFe材料的高一倍，当其厚度降低时磁电阻的变化率仍能保持在比同厚度NiFe薄膜高的值。因此如能解决NiCo材料饱和场较大的问题，用其制备各向异性单元则能满足目前降低薄膜厚度制备各向异性传感器的要求。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种[NiFe/NiCo]n的多层复合铁磁耦合结构，其中n≥2。本发明多层复合铁磁耦合结构，利用NiFe、NiCo两种磁性层复合结构所获得的多层磁性薄膜来替代目前常用的NiFe单层薄膜结构，在不添加额外缓冲层材料并采用目前常规各向异性磁电阻制备工艺的基础上，实现磁各向异性薄膜厚度降低到20～40nm的同时兼具小的饱和场(<20Oe)和大于2％的各向异性磁电阻变化率，满足目前商业化各向异性磁电阻传感器对材料的需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述磁电阻包括基片，以及依次形成于基片之上的缓冲层薄膜、[NiFe/NiCo]n的多层薄膜和覆盖层薄膜，其中，n≥2。

进一步地，所述缓冲层薄膜为Ta、Cu等。

进一步地，所述覆盖层薄膜为Ta、SiO₂、Al₂O₃等。

进一步地，所述[NiFe/NiCo]n的多层薄膜的总厚度为20～40nm，NiFe薄膜的厚度、NiCo薄膜的厚度以及重复周期n的具体数值可根据所需要的薄膜性能要求进行调节。在[NiFe/NiCo]n的多层薄膜的总厚度不变的情况下，随着重复周期n的增加，薄膜的饱和场与矫顽力持续降低，各向异性磁电阻变化率则先增加后减小。

一种基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用薄膜溅射工艺在基片上沉积缓冲层薄膜；

步骤2、采用薄膜溅射工艺并在外磁场H的作用下，在步骤1处理后的基片上依次沉积[NiFe/NiCo]n的多层薄膜、覆盖层薄膜，其中，n≥2；

步骤3、将步骤2处理后得到的复合结构进行退火处理，退火温度为200～400℃，退火时间为30～120min，退火完成后，即可得到所述各向异性磁电阻。

进一步地，步骤2所述外磁场H的方向沿磁阻薄膜膜面方向，大小为50Oe～1T，该外磁场H的方向即为磁阻薄膜的易轴方向。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻，采用[NiFe/NiCo]n的多层薄膜作为磁性层，通过相邻磁性层间界面的自旋相关散射，弥补由于n增大后单层磁性层厚度降低对各向异性磁电阻效应的降低，并且可以根据具体应用的需求，通过重复周期n及各层的厚度灵活调整传感器饱和场、线性区等参数，实现磁各向异性薄膜厚度在降低到20～40nm后仍然兼具小的饱和场与大于2％的各向异性磁电阻变化率。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻的结构示意图；其中，1为Si基片，2为缓冲层薄膜，3为NiFe薄膜，4为NiCo薄膜5为NiFe薄膜，6为NiCo薄膜，7为覆盖层薄膜；

图2为NiFe(40nm)、NiCo(40nm)和[NiFe(5nm)/NiCo(5nm)]₄的各向异性磁电阻效应测试曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例

一种基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、选用Si基片，采用磁控溅射法在其上沉积5nm的Ta，作为缓冲层薄膜，以诱导磁性层织构；其中，溅射气压为5×10^-2Pa，溅射功率为40W，溅射速率为

步骤2、在大小为50Oe、方向沿磁电阻薄膜膜面长轴方向的外磁场H的作用下，采用磁控溅射法在步骤1处理后的基片上沉积[NiFe(5nm)/NiCo(5nm)]₄的多层薄膜结构；其中，NiFe薄膜的厚度为5nm，溅射气压为5×10^-2Pa，溅射功率为30W，NiCo薄膜的厚度为5nm，溅射气压为5×10^-2Pa，溅射功率为30W；

步骤3、采用磁控溅射法在步骤2处理后的基片上沉积5nm的Ta薄膜作为覆盖层，以保护磁性层不受外界氧化和破坏；

步骤4、将步骤3处理后得到的多层磁性复合结构的样品进行退火处理，退火温度为200℃，退火时间为60min，退火完成后，即可得到所述各向异性磁电阻。

为了测试实施例制备的样品的各向异性磁电阻性能，采用四探针法进行测量。图2为传统的NiFe(40nm)单层磁性层、NiCo(40nm)单层磁性层与实施例[NiFe(5nm)/NiCo(5nm)]₄多层复合结构的各向异性磁电阻效应对比曲线。从图中可以看出，在磁性层总厚度相同的情况下，实施例采用多层磁性层复合结构的薄膜样品的电阻变化率(2.5％)高于传统的NiFe单层的电阻变化率；而传统NiCo单层的电阻变化率和实施例采用的多层磁性复合结构的磁电阻变化率相差不大。在磁性层总厚度相同的情况下，实施例采用多层磁性层复合结构的薄膜的饱和场(约17Oe)明显低于单层NiCo(约30Oe)的饱和场，因此在应用过程中可以兼顾在降低磁性层厚度的同时，保证>2％的各向异性磁电阻效应及<20Oe饱和场的获得。

综上，本发明所提供的基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻，采用[NiFe/NiCo]n的多层薄膜代替单层铁磁层薄膜作为磁性传感单元薄膜，在薄膜厚度降低到20～40nm的同时，获得了兼具小的饱和场和大于2％的各向异性磁电阻变化率的各向异性磁电阻材料，可以满足目前各向异性磁电阻传感器发展的需要。

Claims (5)

1.一种基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述磁电阻包括基片，以及依次形成于基片之上的缓冲层薄膜、[NiFe/NiCo]n的多层薄膜和覆盖层薄膜，其中，n≥2。

2.根据权利要求1所述的基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述缓冲层薄膜为Ta或Cu。

3.根据权利要求1所述的基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述覆盖层薄膜为Ta、SiO₂或Al₂O₃。

4.根据权利要求1所述的基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述[NiFe/NiCo]n的多层薄膜的总厚度为20～40nm。

5.一种基于多层磁性复合结构的各向异性磁电阻的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用薄膜溅射工艺在基片上沉积缓冲层薄膜；

步骤2、采用薄膜溅射工艺并在外磁场H的作用下，在步骤1处理后的基片上依次沉积[NiFe/NiCo]n的多层薄膜、覆盖层薄膜，其中，n≥2；

步骤3、将步骤2处理后得到的复合结构进行退火处理，退火温度为200～400℃，退火时间为30～120min，退火完成后，即可得到所述各向异性磁电阻。

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