專利名稱：一種用于磁敏傳感器的磁性納米多層膜及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自旋電子學(xué)材料和磁敏傳感器領(lǐng)域，具體地說，涉及一種用于磁敏傳感器的磁性納米多層膜及其制造方法。
背景技術(shù)：
磁敏傳感器無(wú)論在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、機(jī)械定位、速度檢測(cè)還是無(wú)傷探測(cè)等各領(lǐng)域都有很廣泛而重要的應(yīng)用前景。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)的磁性材料來(lái)制備，然而這兩類材料的磁場(chǎng)靈敏度都較低。 隨著自旋電子學(xué)的發(fā)展，基于巨磁電阻效應(yīng)以及隧穿磁電阻效應(yīng)的磁敏傳感器得到了廣泛的研究和應(yīng)用。其主要原因是由于這兩類磁敏傳感器的磁場(chǎng)靈敏度較高，并且基于磁電阻效應(yīng)尤其是巨磁電阻效應(yīng)和隧穿磁電阻效應(yīng)制作的器件，其生產(chǎn)工藝能和常規(guī)的半導(dǎo)體工藝相兼容，因此在工業(yè)上具有非常大的市場(chǎng)和廣泛的用途。目前工業(yè)上大量應(yīng)用的基于GMR和TMR兩類磁電阻效應(yīng)的磁敏傳感器(比如磁硬盤HDD中的磁讀頭)，基本上是采用埋入永磁薄膜的方法使得自旋閥結(jié)構(gòu)中的自由層(即對(duì)外磁場(chǎng)敏感的層)與參考層(即被頂扎層)的磁矩實(shí)現(xiàn)90度垂直夾角，因而使自旋閥式的GMR納米磁性多層膜或者磁性隧道結(jié)的磁電阻在外場(chǎng)下具有線性且無(wú)磁滯的響應(yīng)。然而，在使用GMR自旋閥結(jié)構(gòu)和磁性隧道結(jié)時(shí)需要埋入永磁薄膜的設(shè)計(jì)和制備方法大大增加了工藝難度和制造成本，而且很難將器件小型化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種具有線性磁電阻特性的用于磁敏傳感器的磁性納米多層膜及其制造方法。本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于磁敏傳感器的磁性納米多層膜，由下至上依次包括基片；底層；參考磁性層；中間層；探測(cè)磁性層；和覆蓋層；其中所述參考磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)，用于將探測(cè)磁性層磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，所述探測(cè)磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)，用于感應(yīng)被探測(cè)磁場(chǎng)。在上述磁性納米多層膜中，所述釘扎結(jié)構(gòu)包括間接釘扎結(jié)構(gòu)，該間接釘扎結(jié)構(gòu)包括反鐵磁性層(AFM)/第一鐵磁性層(FMl)/非磁性金屬層(NM)/第二鐵磁性層(FM2)，或者包括反鐵磁性層(AFM)/非磁性金屬層(NM)/鐵磁性層(FM)。
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在上述磁性納米多層膜中，所述釘扎結(jié)構(gòu)包括直接釘扎結(jié)構(gòu)，所述直接釘扎結(jié)構(gòu)包括反鐵磁性層(AFM)/鐵磁性層(FM)。在上述磁性納米多層膜中，所述探測(cè)磁性層中反鐵磁性層的交換偏置強(qiáng)度低于所述參考磁性層中反鐵磁性層的交換偏置強(qiáng)度。在上述磁性納米多層膜中，當(dāng)所述上、參考磁性層均采用間接頂扎結(jié)構(gòu)時(shí)，所述探測(cè)磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度低于所述參考磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度。在上述磁性納米多層膜中，所述探測(cè)磁性層和所述參考磁性層的反鐵磁性層由不同反鐵磁性材料制成，或由厚度不同的同一反鐵磁性材料制成。在上述磁性納米多層膜中，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。在上述磁性納米多層膜中，所述鐵磁性層(FM)、第一鐵磁性層(FMl)和第二鐵磁性層(FM2)由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為1 20nm;或由稀磁半導(dǎo)體材料或半金屬材料制成，厚度為2.0 50nm。 在上述磁性納米多層膜中，所述中間層包括非磁性金屬層或絕緣勢(shì)壘層。在上述磁性納米多層膜中，所述底層包括由非磁性金屬層制成的單層或多層薄膜，厚度為3 50nm。在上述磁性納米多層膜中，所述覆蓋層包括由金屬材料制成的單層或多層薄膜， 厚度為2 40nm。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種磁性納米多層膜的制造方法，該方法包括以下步驟1)選取基底；2)在該基底上由下之上依次沉積底層、參考磁性層、中間層、探測(cè)磁性層和覆蓋層；3)將步驟2)所得產(chǎn)物在磁場(chǎng)下第一次真空退火，該第一退火溫度大于所述參考磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度TbI ；4)將步驟幻所得產(chǎn)物在磁場(chǎng)下第二次真空退火，其第二退火溫度小于所述參考磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度TbI且大于所述探測(cè)磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度 TB2，所述第一次退火及第二次退火的磁場(chǎng)方向相互垂直。在上述方法中，所述步驟2~)中生長(zhǎng)參考磁性層的步驟包括由下之上依次沉積反鐵磁性層(AFM) /第一鐵磁性層(FMl) /非磁性金屬層(匪)/ 第二鐵磁性層(FM2)，或者沉積反鐵磁性層(AFM)/非磁性金屬層(NM)/鐵磁性層(FM)。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種磁敏傳感器，包括磁電阻單元和被探測(cè)磁場(chǎng)，其中，所述磁電阻單元包括磁性納米多層膜，該磁性納米多層膜由下至上依次包括基片；底層；參考磁性層；中間層；探測(cè)磁性層；和覆蓋層；
其中所述參考磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)，用于將探測(cè)磁性層磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，所述探測(cè)磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)，用于感應(yīng)被探測(cè)磁場(chǎng)；當(dāng)被探測(cè)磁場(chǎng)為零時(shí)，所述參考磁性層與探測(cè)磁性層的磁矩方向相互垂直。在上述磁敏傳感器中，當(dāng)外磁場(chǎng)為零時(shí)，所述下磁性層的磁矩平行于被探測(cè)磁場(chǎng)的方向，所述上磁性層的磁矩垂直于被探測(cè)磁場(chǎng)的方向。在上述磁敏傳感器中，所述釘扎結(jié)構(gòu)包括間接釘扎結(jié)構(gòu)，該間接釘扎結(jié)構(gòu)包括反鐵磁性層(AFM)/第一鐵磁性層(FMl)/非磁性金屬層(NM)/第二鐵磁性層(FM2)，或者包括反鐵磁性層(AFM)/非磁性金屬層(NM)/鐵磁性層(FM)。在上述磁敏傳感器中，所述釘扎結(jié)構(gòu)包括直接釘扎結(jié)構(gòu)，該直接釘扎結(jié)構(gòu)包括反鐵磁性層(AFM)/鐵磁性層(FM)。在上述磁敏傳感器中，所述探測(cè)磁性層中反鐵磁性層的交換偏置強(qiáng)度低于所述參考磁性層中反鐵磁性層的交換偏置強(qiáng)度。在上述磁敏傳感器中，當(dāng)所述上、參考磁性層均采用間接頂扎結(jié)構(gòu)時(shí)，所述探測(cè)磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度低于所述參考磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.簡(jiǎn)化制作工藝，降低制造成本；2.有利于器件單元的進(jìn)一步小型化，易于微加工制備和集成，兩次后期帶場(chǎng)退火易于進(jìn)行，工藝難度相對(duì)較??；3.靈敏度和線性工作區(qū)域可以通過調(diào)節(jié)超薄非磁性金屬層的厚度而連續(xù)改變。


圖1為本發(fā)明的磁性納米多層膜的示意圖；圖2為本發(fā)明的磁性納米多層膜中參考磁性層和探測(cè)磁性層的磁矩分布示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1 6的結(jié)構(gòu)A的磁性納米多層膜的示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的器件電阻與外加磁場(chǎng)(R-H)的測(cè)試結(jié)果示意圖，其中插入圖示出磁性隧道結(jié)的靈敏度和Ru厚度(tKu)的關(guān)系；圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例7 11的結(jié)構(gòu)B的磁性納米多層膜的示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例12 16的結(jié)構(gòu)C的磁性納米多層膜的示意圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例17 21的結(jié)構(gòu)D的磁性納米多層膜的示意圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例22 沈的結(jié)構(gòu)E的磁性納米多層膜的示意圖；圖9為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例27 31的結(jié)構(gòu)F的磁性納米多層膜的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的磁性納米多層膜100，其由下至上依次包括基片 101 (簡(jiǎn)稱為SUB)、種子層102 (簡(jiǎn)稱為SL)、參考磁性層103、中間層104 (簡(jiǎn)稱為Space)、探測(cè)磁性層105和覆蓋層106(簡(jiǎn)稱為CAP)，其中當(dāng)外磁場(chǎng)為零時(shí)，探測(cè)磁性層105的磁矩方向與參考磁性層103的磁矩方向相互垂直。需要說明的是，本發(fā)明的參考磁性層指的是用于將探測(cè)磁性層磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的功能磁性層，其在零場(chǎng)下的磁矩平行于被探測(cè)磁場(chǎng)的方向，探測(cè)磁性層指的是用于感應(yīng)外磁場(chǎng)的功能磁性層，其在零場(chǎng)下的磁矩垂
7直于被探測(cè)場(chǎng)的方向。以下對(duì)各個(gè)層進(jìn)行詳細(xì)說明?；?01為Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiA襯底，或者有機(jī)柔性襯底等，厚度為 0. 3 Imm0種子層(也稱底層)102是導(dǎo)電性比較好且和襯底結(jié)合較緊密的非磁性金屬層 (包括單層或者多層)，其材料優(yōu)選Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Pd、Cu、CuN等，也可以是金屬和反鐵磁層的復(fù)合層，厚度可為3 50nm。中間層104可以是非磁性金屬層或絕緣勢(shì)壘層。當(dāng)中間層為非磁性金屬層時(shí)，所形成的磁性納米多層膜是用于GMR器件的多層膜結(jié)構(gòu)，該非磁性金屬層一般采用Cu、Cr、V、 Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制作，厚度為1 5nm;當(dāng)中間層為勢(shì)壘層時(shí)，所形成的磁性納米多層膜是用于TMR器件的多層膜結(jié)構(gòu)，該勢(shì)壘層一般采用A10x、MgO、Mgl_xZnx0, A1N、Ta2O5, ZnO, HfO2, TiO2, Alq3, LB 有機(jī)復(fù)合薄膜、GaAs, AlGaAs, InAs 等材料制作，優(yōu)選 MgO、AlOx, MgZnO, AlN和Alq3、LB有機(jī)復(fù)合薄膜，厚度一般在為0. 5 5nm。覆蓋層106為不易被氧化且導(dǎo)電性比較好的的金屬層(包括單層或者多層復(fù)合金屬薄膜)，其材料優(yōu)選Ta、Cu、Al、Ru、Au、Ag、Pt等，厚度為2 40nm，用于保護(hù)核心結(jié)構(gòu)不被氧化和腐蝕。參考磁性層103和探測(cè)磁性層105的結(jié)構(gòu)均可以是直接釘扎結(jié)構(gòu)或者間接釘扎結(jié)構(gòu)?！爸苯俞斣笔侵阜磋F磁材料層AFM直接和鐵磁性層FM接觸(簡(jiǎn)寫為AFM/FM)，“間接釘扎”是指在反鐵磁材料層AFM和鐵磁性層FM之間插入一層很薄的非磁性金屬層匪(簡(jiǎn)寫為FM/NM/AFM)，或者在二者之間插入復(fù)合層NM/FM(簡(jiǎn)寫為FM1/NM/FM2/AFM)。通過在AFM 和FM之間加入插入層可以減小二者(即直接交換偏置)的釘扎效果，并且通過調(diào)節(jié)該插入層的厚度可以有效調(diào)控間接交換偏置的釘扎效果。在上述參考磁性層103和探測(cè)磁性層105中，反鐵磁性層AFM包括具有反鐵磁性的合金材料，優(yōu)選Pt-Mn、Ir-Mn, Fe-Mn和Ni_Mn，厚度為3 30nm ；或具有反鐵磁性的氧化物，優(yōu)選Co0、Ni0，厚度為5 50nm。鐵磁性層FM采用自旋極化率比較高的鐵磁性金屬，優(yōu)選Co、Fe、Ni ；或者這些鐵磁性金屬的合金薄膜，優(yōu)選Co-Fe、Co-Fe-B、NiFeCr或Ni-Fe (如 Ni81Fe19)等鐵磁性合金，厚度為1 20nm ；或者是諸如GaMnAs，fei-Mn-N等稀磁半導(dǎo)體材料，或諸如 Co-Mn-Si、Co-Fe-Al, Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga, Co-Mn-Ge-GaALahSrxMnOyLahCaxMnO3 (其中 O < X < 1)等半金屬材料，厚度為 2. O 50nm。 插在鐵磁性層FM和反鐵磁層AFM之間的超薄非磁性金屬層匪一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、 Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制作，厚度為0. 1 5nm。因此，本發(fā)明的磁性納米多層膜結(jié)構(gòu)的例子包括但不限于結(jié)構(gòu)A :SL/AFM1/FM1/Space/FM2/匪2/AFM2/CAP ；結(jié)構(gòu)B :SL/AFM1/FM1/Space/FM2 (1) /匪2/FM2 (2) /AFM2/CAP ；(此式中的(1)和 (2)表示兩個(gè)FM2層可以是具有不同的厚度的同一材料)結(jié)構(gòu)C :SL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CAP ；結(jié)構(gòu)D :SL/AFM1/匪 1/FM1/Space/FM2/匪2/AFM2/CAP ；結(jié)構(gòu)E :SL/AFM1/匪 1/FM1/Space/FM2 (1) /匪2/FM2 (2) /AFM2/CAP ；結(jié)構(gòu) F SL/AFM1/FM1 (1)/匪 1/FM1 O)/Space/FM2 (1) /匪2/FM2 ( /AFM2/CAP，在該結(jié)構(gòu) F的多層膜中，隨著NMl厚度的增加，F(xiàn)M1(1)/NM1/FM1(2)可以由反鐵磁性耦合到鐵磁性耦合變化，并且耦合強(qiáng)度減弱。優(yōu)選地，所述的探測(cè)磁性層中反鐵磁性層的交換偏置強(qiáng)度低于參考磁性層中反鐵磁性層的交換偏置強(qiáng)度，使得當(dāng)在外磁場(chǎng)作用下探測(cè)磁性層的磁矩旋轉(zhuǎn)時(shí)，參考磁性層的磁矩不會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，從而有利于獲得線性輸出特性。其中，當(dāng)所述探測(cè)層和參考層均采用間接頂扎結(jié)構(gòu)時(shí)，所述的探測(cè)層中反鐵磁性層的布洛赫溫度應(yīng)低于參考層中反鐵磁性層的布洛赫溫度，即如果參考層103和探測(cè)層105所使用的是同一種反鐵磁材料，那么參考層中的反鐵磁層厚度一般要大于探測(cè)層中反鐵磁層的厚度，這將有利于后期帶場(chǎng)退火工藝。圖2為本發(fā)明的具有線性磁電阻輸出特性的磁性納米多層膜中參考磁性層和探測(cè)磁性層的磁矩分布示意圖。設(shè)定外磁場(chǎng)H的方向如圖所示，當(dāng)H等于零時(shí)，參考磁性層的磁矩mref的方向與H的方向相同，探測(cè)磁性層的磁矩md的方向與H(即mMf)的方向相互垂直；當(dāng)外磁場(chǎng)不等于零時(shí)，探測(cè)磁性層的磁矩md旋轉(zhuǎn)一定的角度φ至md(H)，從而使參考磁性層和探測(cè)磁性層的磁矩的夾角由90度變?yōu)棣龋瑢?shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)H變化的感應(yīng)。其中，‘一表示探測(cè)層中反鐵磁層對(duì)探測(cè)層磁矩的釘扎方向，Kaf, %表示參考層中反鐵磁層對(duì)參考層磁矩的釘扎方向。由于本發(fā)明的上述磁性納米多層膜實(shí)現(xiàn)了探測(cè)層中的鐵磁性層上側(cè)和參考層中的鐵磁性層下側(cè)的兩個(gè)人工復(fù)合反鐵磁性層的相對(duì)90度方向的垂直釘扎，因此具有線性磁電阻特性，從而無(wú)需在使用時(shí)埋入永磁薄膜。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的制造上述磁性納米多層膜的方法，包括以下步驟1)選取基底101，通過常規(guī)方法例如磁控濺射、激光脈沖沉積等在該基底上依次生長(zhǎng)底層102、參考磁性層103、中間層104、探測(cè)磁性層105和覆蓋層106 ；2)將步驟1)所得產(chǎn)物帶場(chǎng)第一次退火，其第一退火溫度T1大于參考磁性層的反鐵磁性層的布洛赫溫度TB.rff ；3)將步驟2)所得產(chǎn)物帶場(chǎng)第二次退火，其第二退火溫度T2在參考磁性層的反鐵磁性層的布洛赫溫度TB. rdf和探測(cè)磁性層的反鐵磁性層的布洛赫溫度TB. d之間，其中兩次退火的磁場(chǎng)方向相互垂直。下面給出根據(jù)上述本發(fā)明實(shí)施例的制造方法來(lái)制造磁性納米多層膜的示例。示例 1 1)選擇一個(gè)厚度為Imm的Si-SW2襯底作為基片SUB，并在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X 10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s,沉積時(shí)氬氣壓為0. 07Pa的條件，在該基片上沉積 Ta (5nm) /Ru (20nm) /Ta (5nm)的種子層 SL ；2)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在種子層SL上沉積IrMn厚度為15nm的第一反鐵磁層AFl ；3)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0.06nm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在第一反鐵磁層AFl上沉積厚度為2. 5nm的Cc^eB的第一鐵磁性層FMl ；4)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0.07nm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在第一鐵磁性層FMl上沉積厚度為1. Onm的AlOx作為中間層Space ；5)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0.06nm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在中間層Space上沉積3nm的CoFeB作為第二鐵磁性層FM2 ；
6)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在第二鐵磁性層FM2上沉積0. 04nm的超薄非磁性金屬層Ru作為匪層。7)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在匪層上沉積6. 5nm的IrMn作為第二反鐵磁層AFM2。8)在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于2X10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s，氬氣壓為 0. 07Pa的條件，在第二反鐵磁性層AFM2上沉積Ta (5nm) /Ru (5nm)作為覆蓋層CAP。9)將步驟8)所得薄膜放在真空度為2X KT4Pa的真空帶磁場(chǎng)的退火爐中(其中磁場(chǎng)沿膜面某一方向)，在溫度為265°C條件下保持1小時(shí)，然后降溫；10)將步驟9)所得薄膜放在真空度為2X KT4Pa的真空帶磁場(chǎng)的退火爐中(其中磁場(chǎng)方向與第一次磁場(chǎng)的方向垂直，仍在膜面內(nèi))，在溫度為200°C條件下保持15分鐘，然后降溫，即得到所需的納米磁性多層膜，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該磁性納米多層膜結(jié)構(gòu)經(jīng)過后期微加工工藝，制備成直徑是D = 10 μ m的實(shí)心圓形結(jié)構(gòu)。該磁性納米多層膜結(jié)構(gòu)可用作TMR磁敏傳感器的核心檢測(cè)單元。按照上述示例1的方法，本發(fā)明還制備了匪層在不同厚度下的樣品，即將步驟6) 中Ru為0. 04nm的厚度替換為0. 06,0. 14,0. 16nm的厚度。圖4是在這些不同Ru厚度下的磁性隧道結(jié)的器件電阻與外加磁場(chǎng)(R-H)的測(cè)試結(jié)果示意圖。從圖中可以看到，對(duì)于不同的Ru的厚度的磁性隧道結(jié)，其磁電阻響應(yīng)曲線均呈現(xiàn)出對(duì)外磁場(chǎng)的線性響應(yīng)，并且其斜率隨著Ru厚度的增加而增加；插入圖示意了磁性隧道結(jié)的靈敏度和Ru厚度(tKu)的關(guān)系，從圖中可以看出，通過調(diào)節(jié)Ru的厚度可以極大地改變靈敏度的大小。示例2 6 按照示例1的方法制備示例2 6，不同之處在于各層的成分和厚度(如下表1所示)，兩次退火溫度根據(jù)參考層和探測(cè)層中兩種反鐵磁性層的布洛赫溫度來(lái)適當(dāng)確定。表 權(quán)利要求
1.一種用于磁敏傳感器的磁性納米多層膜，由下至上依次包括基片；底層；參考磁性層；中間層；探測(cè)磁性層；和覆蓋層；其中所述參考磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)，用于將探測(cè)磁性層磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，所述探測(cè)磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)，用于感應(yīng)被探測(cè)磁場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述釘扎結(jié)構(gòu)包括間接釘扎結(jié)構(gòu)，該間接釘扎結(jié)構(gòu)包括反鐵磁性層(AFM)/第一鐵磁性層(FMl)/非磁性金屬層(NM)/ 第二鐵磁性層(FM2)，或者包括反鐵磁性層(AFM)/非磁性金屬層(NM)/鐵磁性層(FM)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述釘扎結(jié)構(gòu)包括直接釘扎結(jié)構(gòu)，所述直接釘扎結(jié)構(gòu)包括反鐵磁性層(AFM)/鐵磁性層(FM)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述探測(cè)磁性層中反鐵磁性層的交換偏置強(qiáng)度低于所述參考磁性層中反鐵磁性層的交換偏置強(qiáng)度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁性納米多層膜，其特征在于，當(dāng)所述上、參考磁性層均采用間接頂扎結(jié)構(gòu)時(shí)，所述探測(cè)磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度低于所述參考磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述探測(cè)磁性層和所述參考磁性層的反鐵磁性層由不同反鐵磁性材料制成，或由厚度不同的同一反鐵磁性材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述反鐵磁性的合金包括 Pt-Mn, Ir-Mn, Co-Cr-Mn, Fe-Mn和Ni_Mn，厚度為3 30nm ；所述反鐵磁性的氧化物包括 CoO、NiO,厚度為 5 50nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述探測(cè)磁性層和所述參考磁性層中的非磁性金屬層(NM)采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、1^、W、Pt、Ag、Au或其合金制成，厚度為0. 1 5nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述鐵磁性層(FM)、第一鐵磁性層(FMl)和第二鐵磁性層(FiC)由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為1 20nm ； 或由稀磁半導(dǎo)體材料或半金屬材料制成，厚度為2. 0 50nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述鐵磁性金屬包括Co、 狗、·，所述鐵磁性金屬的合金包括Co-Fe、Co-Fe-B、NiFeCr或Ni_Fe，所述稀磁半導(dǎo)體材料包括 GaMnAs 或 Ga-Mn-N，所述半金屬材料包括 Co-Mn-Si、Co-Fe-Al, Co-Fe-Si, Co-Mn-Al, Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga, Co-Mn-Ge-Ga, La1^xSrxMnO3 或 LahCiixMnO3,其中 O < X < 1。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述中間層包括非磁性金屬層或絕緣勢(shì)壘層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述非磁性金屬層采用Cu、 Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au 或其合金制成，厚度為 1 5nm。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述絕緣勢(shì)壘層采用A10x、 MgO、MgZnO, A1N、Ta2O5, ZnO, HfO2, TiO2, Alq3、LB 有機(jī)復(fù)合薄膜、GaAs, AlGaAs, InAs 制成， 厚度一般在為0. 5 5nm。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述底層包括由非磁性金屬層制成的單層或多層薄膜，厚度為3 50nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性納米多層膜，其特征在于，所述覆蓋層包括由金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 40nm。
17.—種磁性納米多層膜的制造方法，該方法包括以下步驟1)選取基底；2)在該基底上由下之上依次沉積底層、參考磁性層、中間層、探測(cè)磁性層和覆蓋層；3)將步驟幻所得產(chǎn)物在磁場(chǎng)下第一次真空退火，該第一退火溫度大于所述參考磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度TbI ；4)將步驟幻所得產(chǎn)物在磁場(chǎng)下第二次真空退火，其第二退火溫度小于所述參考磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度TbI且大于所述探測(cè)磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度Tb2， 所述第一次退火及第二次退火的磁場(chǎng)方向相互垂直。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述步驟幻中生長(zhǎng)參考磁性層的步驟包括由下之上依次沉積反鐵磁性層(AFM)/第一鐵磁性層(FMl)/非磁性金屬層(NM)/第二鐵磁性層(FM2)，或者沉積反鐵磁性層(AFM)/非磁性金屬層(NM)/鐵磁性層(FM)。
19.一種磁敏傳感器，包括磁電阻單元和被探測(cè)磁場(chǎng)，其特征在于，所述磁電阻單元包括磁性納米多層膜，該磁性納米多層膜由下至上依次包括基片；底層；參考磁性層；中間層；探測(cè)磁性層；和覆蓋層；其中所述參考磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)，用于將探測(cè)磁性層磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，所述探測(cè)磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)，用于感應(yīng)被探測(cè)磁場(chǎng)；當(dāng)被探測(cè)磁場(chǎng)為零時(shí)，所述參考磁性層與探測(cè)磁性層的磁矩方向相互垂直。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的磁敏傳感器，當(dāng)外磁場(chǎng)為零時(shí)，所述下磁性層的磁矩平行于被探測(cè)磁場(chǎng)的方向，所述上磁性層的磁矩垂直于被探測(cè)磁場(chǎng)的方向。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的磁敏傳感器，其特征在于，所述釘扎結(jié)構(gòu)包括間接釘扎結(jié)構(gòu)，該間接釘扎結(jié)構(gòu)包括反鐵磁性層(AFM)/第一鐵磁性層(FMl)/非磁性金屬層(NM)/第二鐵磁性層(FM2)，或者包括反鐵磁性層(AFM)/非磁性金屬層(NM)/鐵磁性層(FM)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的磁敏傳感器，其特征在于，所述釘扎結(jié)構(gòu)包括直接釘扎結(jié)構(gòu)，該直接釘扎結(jié)構(gòu)包括反鐵磁性層(AFM)/鐵磁性層(FM)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的磁敏傳感器，其特征在于，所述探測(cè)磁性層中反鐵磁性層的交換偏置強(qiáng)度低于所述參考磁性層中反鐵磁性層的交換偏置強(qiáng)度。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的磁敏傳感器，其特征在于，當(dāng)所述上、參考磁性層均采用間接頂扎結(jié)構(gòu)時(shí)，所述探測(cè)磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度低于所述參考磁性層中反鐵磁性層的布洛赫溫度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于磁敏傳感器的磁性納米多層膜及其制造方法，該多層膜由下至上依次包括基片、底層、參考磁性層、中間層、探測(cè)磁性層和覆蓋層，其中所述參考磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)，用于將探測(cè)磁性層磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，所述探測(cè)磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)，用于感應(yīng)被探測(cè)磁場(chǎng)。本發(fā)明通過在AFM和FM之間加入插入層減小了直接交換偏置的釘扎效果，并且通過調(diào)節(jié)該插入層的厚度有效調(diào)控間接交換偏置的釘扎效果，以得到在外磁場(chǎng)為零時(shí)參考磁性層和探測(cè)磁性層的磁矩相互垂直，從而獲得具有線性響應(yīng)的基于GMR或TMR效應(yīng)的線性磁敏傳感器。
文檔編號(hào)H01L43/08GK102270736SQ201010195799
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者劉厚方, 韓秀峰, 馬勤禮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所