[发明专利]利用表面活化剂提高各向异性磁电阻灵敏度的方法

说明书

技术领域：本发明涉及磁性薄膜材料领域，特别是涉及高灵敏磁电阻薄膜材料及其制备方法。

背景技术：磁电阻材料主要指具有磁电阻效应的材料，所谓磁电阻效应是指材料在外磁场作用下其电阻值发生变化的现象。目前实际应用中的磁电阻薄膜材料主要有各向异性磁电阻材料、巨磁电阻材料、隧道磁电阻材料等。每种磁电阻材料及器件都有自己的特点，适应于相应的领域。

坡莫合金(NiFe)作为一种传统的各向异性磁电阻(AMR)材料，具有优异的软磁性能和较好的磁各向异性，这使其在地磁导航领域取得了重要应用。近年来，由于对地磁场研究的日益重视，作为非常重要的一类地磁探测材料和器件，NiFe各向异性磁阻薄膜材料和器件又引起了人们强烈的研究兴趣。

NiFe由于其基于各向异性磁电阻效应的物理机制，使得磁电阻效应偏低或磁场灵敏度偏小，其AMR值仅在3％左右(VAN ELST H C，Physica，25，708(1959))。为了实现先进的地磁传感器的高灵敏度和低噪声等特点，要求NiFe薄膜必须做的很薄，矫顽力很小，且AMR值尽可能大(B.Dieny，M.Li，S.H.Liao，C.Horng，and K.Ju，J.Appl.Phys.88，4140(2000))。为了保证超薄的NiFe薄膜具有更大的磁电阻变化率及更高的磁场灵敏度，以适应高灵敏度地磁导航磁传感器的需要，采取适当措施改进超薄NiFe薄膜的性能成为关键。文献W.Y.Lee，M.Toney，P.Tameerug，E.Allen and D.Mauri，J.Appl.phys.87，6992(2000)报道，利用NiFeCr或NiCr做种子层制备出12nm厚NiFe薄膜的AMR值在3.2％，但热处理后，磁场灵敏度没有显著提高；在文献L.Ding，J.Teng，Q，Zhan，C.Feng，M.H.Li.G.Han，L.J.Wang，G.H.Yu，S.Y.Wang，Appl.Phys.Lett.94，162506(2009)中设计了Ta/Al₂O₃/NiFe/Al₂O₃/Ta结构超薄薄膜，发现材料及相关器件的磁场灵敏度与传统NiFe材料及相关元件相比有明显提高，基本上与自旋阀材料灵敏度相当。这种结构的各向异性磁电阻薄膜虽然可以用来制作有关磁电阻器件，但由于该结构最佳性能获得需要在较高温度下(380℃)长时间(2h)退火才能实现，在实际生产中这将导致成本大大增加。如何进一步提高磁场灵敏度并同时减少退火温度和退火时间以减少生产成本成为一个亟待解决的问题。

发明内容：本发明提出将表面活化剂Bi插入Al₂O₃与NiFe界面处，并在磁场下进行低温快速退火，由于Bi作为一种表面活化剂可以使其后沉积的NiFe晶粒明显细化，在较小饱和场下达到饱和；同时由于Bi的存在，其对Al₂O₃与NiFe界面会有一定的改善，增加自旋电子在界面处的镜面反射作用，使各向异性磁电阻薄膜在较低退火温度和退火时间下灵敏度即可达到最大。

本发明是在Ta/Al₂O₃/NiFe/Al₂O₃/Ta结构中的Al₂O₃层和NiFe层之间插入少量的表面活化剂Bi，并在磁场下进行低温快速退火，以制备出性能改进的各向异性磁电阻薄膜。制备过程是在磁控溅射仪中进行。在清洗干净的单晶硅基片上依次沉积：钽Ta(50～)/氧化铝Al₂O₃(10～)/铋Bi(2～)/镍铁NiFe(70～)/铋Bi(2～)/氧化铝Al₂O₃(10～)/钽Ta(50～)，Ta层分别作为缓冲层和防氧化保护层。沉积薄膜时本底真空度为2×10^-5～5×10^-5Pa，溅射时氩气压为0.4～0.7Pa；，基片用循环水冷却，平行于基片方向加有200～250Oe的磁场，以诱发一个易磁化方向。薄膜制备后立即在真空退火炉中进行磁场下退火，退火炉本底真空度为2×10^-5～5×10^-5Pa，退火温度200～250℃，退火时间为5～10分钟，退火场500～800Oe。