用于磁敏傳感器的gmr磁性納米多層膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密測量和磁性材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及磁敏傳感器，具體涉及一種用于 磁敏傳感器的GMR磁性納米多層膜。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁敏傳感器廣泛應(yīng)用于電流檢測、角度測量、生物傳感、數(shù)據(jù)讀取、建筑監(jiān)控W及 無傷探測等工業(yè)領(lǐng)域。早期的磁敏傳感器主要是基于具有霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體材料和具有磁 各向異性磁電阻（AMR)效應(yīng)的磁性材料。但基于該兩類材料獲得的磁敏傳感器磁場靈敏度 低，線性范圍窄，適用溫度低。
[0003] 隨著磁性材料的深入研究W及自旋電子學(xué)的發(fā)展，基于巨磁電阻巨磁阻（Giant MagnetoResistive,簡稱GMR)效應(yīng)W及隧穿磁電阻效應(yīng)的磁敏傳感器因具有磁場靈敏度 高的優(yōu)點，在工業(yè)上具有非常大的市場和廣泛的用途，如磁硬盤皿D中的磁讀頭。
[0004] 為了實現(xiàn)磁場的線性響應(yīng)，利用上下不同厚度的反鐵磁層，經(jīng)不同溫度退火實現(xiàn) 自旋閥中的自由層(磁場敏感層)與參考磁性層(被釘扎層)的面內(nèi)磁矩成90度垂直夾角。然 而反鐵磁釘扎層的引入，導(dǎo)致自旋閥結(jié)構(gòu)的線性磁場響應(yīng)范圍無法同時滿足大磁場檢測、 寬溫度適用范圍和高靈敏度的要求。
[0005] 為此，F(xiàn).Stobiecki等人基于FM(磁矩平行于薄膜表面）/S/FM(磁矩垂直薄膜表 面）提出了W[NiFe，Co/Au/Co/Au]w為核也結(jié)構(gòu)的GMR納米磁性多層膜的磁敏傳感器（參 考文章；J.Ma即.Ma即.Mater. 272-276 (2004)el751)。該種結(jié)構(gòu)的磁敏傳感器是借助于Au/ Co的界面各向異性和自旋-軌道禪合，Co的磁矩垂直于薄膜表面，Ni化的厚度較厚，磁矩 位于薄膜面內(nèi)，導(dǎo)致垂直施加磁場時Ni化面內(nèi)磁矩和Co的部分垂直磁矩隨外磁場可逆轉(zhuǎn) 動，從而實現(xiàn)了對外磁場的線性響應(yīng)。然而，該種結(jié)構(gòu)的磁敏傳感器的巨磁電阻比值仍然比 較低，線性范圍可調(diào)性差，而且磁場靈敏度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是針對磁敏傳感器中存在的上述缺陷，提供一種用于 磁敏傳感器的GMR磁性納米多層膜，其巨磁電阻比值高，可提高磁敏傳感器的靈敏度W及 線性調(diào)節(jié)范圍。
[0007] 為此，本發(fā)明提供一種用于磁敏傳感器的GMR磁性納米多層膜，包括設(shè)于基片表 面的功能層，在所述基片和所述功能層之間還設(shè)有非磁性材料形成的用于改善所述功能層 織構(gòu)的緩沖層。
[000引其中，所述緩沖層為采用Ta、Pt、Pt化N、TiN、Ru、化、Ag或Au材料中的一種材料 形成的單層膜，或者為上述材料中任意幾種材料形成的多層膜。
[0009] 其中，所述緩沖層的厚度為2~50皿。
[0010] 其中，所述功能層為周期性結(jié)構(gòu)，每個周期性結(jié)構(gòu)包括依次疊置的磁場探測層、第 一非磁性金屬層、參考磁性層和第二非磁性金屬層；或者包括依次疊置的第一非磁性金屬 層、參考磁性層、第二非磁性金屬層和磁場探測層。
[0011] 其中，在所述第一非磁性金屬層和所述參考磁性層之間還設(shè)有隧穿絕緣勢壘層， 或/和，在所述參考磁性層和所述第二非磁性金屬層之間設(shè)有隧穿絕緣勢壘層。
[001引其中，所述隧穿絕緣勢壘層采用MgO、A^O、MgAl204、冊化、Si化、Ti-0或A1N材料 形成，其厚度小于或等于3皿。
[0013] 其中，所述磁場探測層采用鐵磁性金屬材料、鐵磁性合金材料或半金屬材料形成， 其厚度為1~1〇皿。
[0014] 其中，所述鐵磁性金屬材料包括Co、Fe、Ni;所述鐵磁性合金材料包括Co-Fe、 Co-Fe-B、Ni-Fe;所述半金屬材料包括Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、 C〇-Fe-Al-Si、C〇-Mn-Ge、C〇-Mn-Ga、C〇-Mn-Ge-Ga。
[0015] 其中，所述參考磁性層采用鐵磁性金屬材料、鐵磁性合金材料或半金屬材料形成， 其厚度為0. 4~1. 8皿。
[001引其中，所述鐵磁性金屬材料包括Co、Fe;所述鐵磁性合金材料包括Co-Fe、Co-Fe-B ;所述半金屬材料包括Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-A^Si、 Co_Mn-Ge、Co_Mn-Ga、Co_Mn-Ge-Ga。
[0017] 其中，第一非磁性金屬層和所述第二非磁性金屬層采用化、化、Ag、Au、Ir、V、Nb、 Mo、Ru或Ag-Sn材料形成，其厚度為1~5皿。
[0018] 其中，在所述功能層的頂部還設(shè)有覆蓋層，所述覆蓋層為采用導(dǎo)電耐氧化材料形 成的單層膜或多層膜，其厚度為2~20nm。
[0019] 其中，所述基片為Si襯底、SiC襯底、玻璃襯底或Si-Si〇2襯底。
[0020] 本發(fā)明具有W下有益效果：
[0021] 本發(fā)明提供的用于磁敏傳感器的GMR磁性納米多層膜，在基片與功能層之間設(shè)置 緩沖層，緩沖層采用非磁性材料形成，其可W改善功能層的粗趟度，改善功能層的結(jié)構(gòu)，降 低磁性層之間的磁性禪合，從而提高磁敏傳感器的磁場靈敏度；同時提高功能膜的巨磁電 阻比值，從而提高磁敏傳感器的線性調(diào)節(jié)范圍。
【附圖說明】
[0022] 圖1A為本發(fā)明實施例GMR磁性納米多層膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖1B為本發(fā)明另一實施例GMR磁性納米多層膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2A為本發(fā)明實施例GMR磁性納米多層膜中參考磁性層和磁場探測層在外場中 的磁矩分布示意圖；
[0025] 圖2B為本發(fā)明另一實施例GMR磁性納米多層膜中參考磁性層和磁場探測層在外 場中的磁矩分布示意圖；
[0026] 圖3A-3C為本發(fā)明實施例另H種GMR磁性納米多層膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖4A-4C為本發(fā)明實施例又H種GMR磁性納米多層膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 為使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提 供的用于磁敏傳感器的GMR磁性納米多層膜進行詳細描述。
[0029] GMR磁性納米多層膜形成于基片的表面。GMR磁性納米多層膜包括緩沖層、磁場探 測層、非磁性金屬層、隧穿絕緣勢壘層、參考磁性層和覆蓋層。其中，磁場探測層、非磁性金 屬層、隧穿絕緣勢壘層和參考磁性層被稱為功能層。
[0030] 圖1A給出了本發(fā)明實施例的GMR磁性納米多層膜的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1A所示，基 片Sub的表面自下至上依次疊置有緩沖層化、功能層和覆蓋層化。功能層為周期性的納米 多層膜結(jié)構(gòu)，功能層可W僅包括一個周期性結(jié)構(gòu)，也可W包括多個周期結(jié)構(gòu)，如兩個、H個、 四個或更多個周期性結(jié)構(gòu)。每個周期性結(jié)構(gòu)自下至上依次包括磁場探測層化、第一非磁性 金屬層醒1、第一隧穿絕緣勢壘層SIi、參考磁性層化、第二隧穿絕緣勢壘層Sl2和第二非磁 性金屬層醒2。目P，磁場探測層化、第一非磁性金屬層Nil、第一隧穿絕緣勢壘層SIi、參考磁 性層化、第二隧穿絕緣勢壘層SI,和第二非磁性金屬層NM,由下至上依次疊置于緩沖層化 的表面，覆蓋層化設(shè)于第二非磁性金屬層醒2的表面。
[0031] 在本實施例中，基片Sub可W采用Si襯底、SiC襯底、玻璃襯底或Si-Si〇2襯底。 [003引緩沖層化設(shè)于基片Sub的表面，其厚度為2~50皿。緩沖層化采用化、Pt、Pd、 化N、TiN、Ru、化、Ag或Au材料制作，可W是上述材料中的一種材料形成的單層膜，如用Pt材 料形成笛膜；或者為上述材料中的任意幾種材料形成的疊置的多層膜，如依次由化N、化、 Pt材料形成依次疊置的化N膜、化膜和Pt膜。將緩沖層化設(shè)置于基片Sub和功能層之間， 可W改善納米多層膜的粗趟度，從而改善功能層的織構(gòu)，降低磁性層之間的磁性禪合，進而 提高磁敏傳感器的磁場靈敏度；同時提高功能膜的巨磁電阻比值