專利名稱：一種磁性金屬薄膜型霍爾器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁 電子學(xué)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種磁性金屬薄膜型霍爾器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
基于正?；魻栃?yīng)的半導(dǎo)體霍爾器件早已市場(chǎng)化且被廣泛應(yīng)用于傳感器中，用來(lái)對(duì)電流、位移、磁場(chǎng)等進(jìn)行檢測(cè)。但是半導(dǎo)體霍爾器件的高電阻率、低工作頻率和復(fù)雜的制備工藝等不足都將阻礙其進(jìn)一步發(fā)展。金屬霍爾器件能很好的克服上述半導(dǎo)體霍爾器件的種種不足，只是由于其霍爾效應(yīng)小，靈敏度低，一直沒(méi)有得到重視?；诜闯；魻栃?yīng)的鐵磁性金屬及其合金的霍爾系數(shù)比非鐵磁性金屬至少大一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是和半導(dǎo)體霍爾系數(shù)相比，仍小一、兩個(gè)數(shù)量級(jí)。為了增強(qiáng)反常霍爾效應(yīng)，人們采用了很多方法。在上世紀(jì)70年代，人們利用稀土元素的強(qiáng)自旋_軌道相互作用在稀土 _過(guò)渡族金屬非晶材料中得到了較大的霍爾效應(yīng)和較大的霍爾斜率，如Gd-Fe體系，飽和霍爾電阻率約為11 μ Ω cm，霍爾斜率可達(dá)100 μ 0!1/11(文獻(xiàn)了.六 ？1.卩1^8.48，2965(1977))，但是由于稀土的磁轉(zhuǎn)變溫度低，易腐蝕，這種方法逐漸不被關(guān)注。90年代時(shí)，人們采用顆粒膜結(jié)構(gòu)， 將鐵磁顆粒埋于氧化物絕緣體中也獲得了較大的霍爾效應(yīng)，如M-SiO2顆粒膜，飽和霍爾電阻率達(dá)到 200 μ Ω cm,霍爾斜率達(dá)到 500 μ Ω cm/T (文獻(xiàn) App 1. Phys. Lett. 67，3497 (1995))， 但是顆粒膜電阻率過(guò)大(約ΙΟ—1 Qcm到IQcm)，霍爾角很小(小于1 % )，阻礙了進(jìn)一步發(fā)展。近些年來(lái)，人們研究發(fā)現(xiàn)，由于Pt的強(qiáng)自旋軌道相互作用，Pt基合金及其多層膜也大都具有較大的反?；魻栃?yīng)(室溫最大值5 μ Ω cm左右)。如3nm的Fe35Pt65薄膜，IlOK 時(shí)，霍爾斜率為76. 8 μ Ω cm/T,對(duì)應(yīng)的靈敏度為250V/AT ；5nm的Fe35Pt65薄膜，室溫時(shí)，霍爾斜率為 22. 6 μ Ω cm/T,對(duì)應(yīng)的靈敏度為 45V/AT (文獻(xiàn) Appl. Phys. Lett. 85，73 (2004))，這是以往作為霍爾線性器件的Pt基合金膜獲得的最佳霍爾斜率和靈敏度值。不過(guò)，和大多數(shù)鐵磁薄膜一樣，形狀各向異性占主導(dǎo)，在垂直方向的飽和磁場(chǎng)較大，靈敏度還是太小，難以實(shí)際應(yīng)用。另一方面，當(dāng)Fe (或Co)和Pt原子比約為50 50時(shí)，無(wú)序的FePt (或CoPt)合金膜經(jīng)過(guò)高溫退火處理可得到有序的Lltl相合金，通過(guò)對(duì)取向的控制，可以獲得極強(qiáng)的垂直各向異性，但由此方法獲得的強(qiáng)垂直各向異性使FePt (或CoPt)合金膜在垂直膜面方向矯頑力大、磁滯大，難以作為霍爾線性器件應(yīng)用。另外，Co/Pt多層膜具有較大的界面各向異性， 通過(guò)各層厚度的調(diào)節(jié)可獲得較大的垂直各向異性(文獻(xiàn)J. Appl. Phys. 65，4971 (1989))，但是Co/Pt垂直多層膜同樣表現(xiàn)出矯頑力大，不適合用作霍爾線性器件；相反，F(xiàn)e/Pt多層膜的界面各向異性較弱(文獻(xiàn)Appl. Phys. Lett. 90，012104 (2007))，所以在這一體系中很難獲得非常高的霍爾靈敏度。采用CoFe/Pt金屬多層膜結(jié)構(gòu)，利用該多層膜易于調(diào)控的界面各向異性可大大降低飽和磁場(chǎng)，同時(shí)磁滯小，可獲得非常高的霍爾靈敏度。如[CoFe(2.8A )/Pt (12 A) ]3多層膜，霍爾斜率達(dá)545 μ Ω cm/T，對(duì)應(yīng)霍爾器件的靈敏度為1200V/AT (文獻(xiàn) Appl. Phys. Lett. 90,012104(2007)，中國(guó)發(fā)明專利號(hào):ZL200610144053. 6)，超過(guò)了目前半導(dǎo)體霍爾器件約1000V/AT的靈敏度(文獻(xiàn)IEEE Trans. Electron Devices 43， 1665(1996))。但是，此高靈敏度金屬多層膜霍爾器件要求鐵磁層厚度必須控制精準(zhǔn)，厚度偏差范圍小于0. 2人;另外，多層膜中主要利用界面處原子的自旋軌道電子散射增強(qiáng)霍爾效應(yīng)，所以相比Pt基合金膜霍爾器件，該多層膜霍爾器件的飽和霍爾電阻率大大減少。目前， 人們?nèi)栽谂で笤龃箫柡突魻栯娮杪剩档痛怪蹦っ娣较蝻柡痛艌?chǎng)的辦法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種具有較高飽和霍爾電阻率、低飽和磁場(chǎng)因而表現(xiàn)高霍爾靈敏度的磁性金屬薄膜型霍爾器件及其制備方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種磁性金屬薄膜型霍爾器件，包括基片和該基片上的磁性合金層，其中還包括位于所述磁性合金層上的保護(hù)層，所述磁性合金層為Pt基磁性合金層，其厚度小于或等于3nm，所述保護(hù)層由氧化物絕緣材料制成；該氧化物保護(hù)層除了保護(hù)磁性合金層不被氧化外，同時(shí)在磁性合金層與氧化物層間產(chǎn)生較強(qiáng)的界面各向異性，是調(diào)控磁性合金層垂直薄膜方向飽和磁場(chǎng)及相關(guān)的霍爾靈敏度的核心與關(guān)鍵。在上述霍爾器件中，還包括位于所述基片和磁性合金層之間的緩沖層，所述緩沖層由氧化物絕緣材料制成；該氧化物緩沖層除了給磁性合金層提供一個(gè)干凈、平整的界面夕卜，同時(shí)也在磁性合金層與氧化物層間產(chǎn)生較強(qiáng)的界面各向異性，也可調(diào)控磁性合金層垂直薄膜方向飽和磁場(chǎng)及相關(guān)的霍爾靈敏度。在上述霍爾器件中，所述Pt基磁性合金層為A1^Pts合金，其中A選自Fe、Co、Ni 中的至少一種，且0.45 < δ <0.75。在上述霍爾器件中，所述Pt基磁性合金層優(yōu)選由Fei_spts合金制成。在上述霍爾器件中，所述Fei_s Pt δ合金層的厚度優(yōu)選12 A至30 A之間。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種制備磁性金屬薄膜型霍爾器件的方法，包括如下步驟1)選取基片，在該基片上利用掩?；蛭⒓{米加工工藝并結(jié)合真空薄膜沉積法依次沉積Pt基磁性合金層和保護(hù)層，制成具有一定霍爾測(cè)量圖形的樣品，其中Pt基磁性合金層的厚度小于或等于3nm，所述保護(hù)層由氧化物絕緣材料制成；2)將步驟1)所得樣品置于真空下或在惰性氣氛(如N2、Ar等)保護(hù)下進(jìn)行退火處理。在上述方法中，所述步驟1)還包括在沉積Pt基磁性合金層之前，先在基片上沉積緩沖層，以使所述緩沖層位于基片和Pt基磁性合金層之間，所述緩沖層由氧化物絕緣材料制成。在上述方法中，所述Pt基磁性合金層為A1^Pts合金，其中A選自Fe、Co、Ni中的至少一種，且 0.45 < δ <0.75。在上述方法中，所述Pt基磁性合金層優(yōu)選由Fei_sPts合金制成。在上述方法中，所述退火溫度在240°C至440°C。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、引入“未被氧化的超薄Pt基磁性合金膜與氧化物”的界面，進(jìn)行適當(dāng)退火處理，“鐵磁性合金/氧化物”界面各向異性得到進(jìn)一步增強(qiáng)，增強(qiáng)的界面各向異性大小可與形狀各向異性相比擬，使超薄Pt基磁性合金在垂直膜面方向的飽和磁場(chǎng)大大降低，霍爾靈敏度和霍爾斜率大大提高；2、以氧化物絕緣體作為保護(hù)層，或者同時(shí)引入氧化物作為緩沖層，不僅形成“鐵磁性合金/氧化物”界面，還避免以金屬作為保護(hù)層或緩沖層時(shí)所造成分流效應(yīng)；3、使霍爾器件在高靈敏度下的應(yīng)用磁場(chǎng)范圍大大拓寬并可以按需調(diào)節(jié)，其中磁性層為Fea 425Pta 575的霍爾器件可以在高靈敏度(約1200 5700V/AT)下?lián)碛懈鼘挼膽?yīng)用磁場(chǎng)范圍(約士5O 25OOe)；4、相比金屬 多層膜霍爾器件結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供的霍爾器件結(jié)構(gòu)，可在更寬的鐵磁層厚度范圍實(shí)現(xiàn)高靈敏度，可操作性強(qiáng)，其飽和霍爾電阻率更高。


以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明，其中圖1為本發(fā)明實(shí)施例的霍爾測(cè)量圖形示意圖；圖2(a)為本發(fā)明實(shí)施例1至3的霍爾器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(b)為本發(fā)明實(shí)施例4的霍爾器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(a)至3(d)分別為本發(fā)明實(shí)施例1退火前后室溫下飽和磁場(chǎng)、飽和霍爾電阻率、霍爾斜率、霍爾靈敏度對(duì)Fea 425Pta 575磁性合金層厚度的依賴關(guān)系；圖4 (a)和 4(b)分別為本發(fā)明實(shí)施例 1 中樣品 Si/Si02 (50 A )/Fea 425Pta 575 (18 A )/SiO2(100 Α；)退火前后其室溫霍爾電阻對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系；圖5為本發(fā)明實(shí)施例1退火前后室溫電阻率對(duì)Fea 425Pta 575磁性合金層厚度的依賴關(guān)系；圖6 (a)至6(i)為本發(fā)明實(shí)施例2中樣品在不同溫度時(shí)霍爾電阻對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系；圖7(a)和7(b)分別為本發(fā)明實(shí)施例3中樣品Si/Si02 (50人)/Fea518Pta482 (18 A )/SiO2(100A)退火前后其室溫霍爾電阻對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系；圖8為本發(fā)明實(shí)施例4中樣品Si/FeQ.27PtQ.73 ( 20 A)/Si02 (300 A )退火前后室溫霍爾電阻對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明選用超薄Pt基磁性合金薄膜作為磁性合金層，并在該磁性層上引入氧化物絕緣體薄膜作為保護(hù)層，從而形成具有“超薄Pt基合金/氧化物”雙層膜體系的霍爾器件；或者在磁性層和基片之間引入氧化物絕緣體薄膜作為緩沖層并在該磁性層上引入氧化物絕緣體薄膜作為保護(hù)層，從而形成具有“氧化物/超薄Pt基合金/氧化物”三層膜體系的霍爾器件。為便于分析和比較本發(fā)明的霍爾器件性能，定義薄膜的霍爾電阻率為Pxy = (Vxy/1) t = R。H+RS4 π M其中，R。是正?；魻栂禂?shù)，Rs是反?；魻栂禂?shù)，Vxy是霍爾電壓，t是薄膜厚度，Vxy/ I為霍爾電阻，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，M為磁化強(qiáng)度。作為霍爾器件的一個(gè)重要特性，霍爾斜率Rh = dpxy/dH^4Ji 乂民，而霍爾靈敏度&二&八二仏^/〗)/ 。在本發(fā)明中的實(shí)施例，樣品的霍爾測(cè)量圖形采用Hallba r 1331，如圖1所示，圖中方塊表示連接電極的地方，I表示在兩個(gè)電極間通恒定電流，V表示在兩個(gè)電極測(cè)量霍爾電壓。磁場(chǎng)B垂直于電流I和電壓V的平面(即膜面)，其余電極可以用于測(cè)量其它參量。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的霍爾器件也可以通過(guò)采用其他霍爾測(cè)量圖形實(shí)現(xiàn)性能測(cè)試。另外，以下實(shí)施例僅作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選方案， 而非對(duì)本發(fā)明的限制。[實(shí)施例1]本實(shí)施例的霍爾器件結(jié)構(gòu)為氧化物/Pt基磁性合金/氧化物制備本發(fā)明實(shí)施例1的利用“鐵磁性合金/氧化物”界面效應(yīng)的磁性金屬薄膜型霍爾器件，該制備方法包括以下步驟1)在Si片上涂布光刻膠，并用紫外曝光機(jī)按上述霍爾測(cè)量圖形曝光、顯影和定影，此時(shí)霍爾測(cè)量圖形部分的光刻膠已除去，測(cè)量圖形以外的基片仍被光刻膠覆蓋；2)采用磁控濺射儀依次在Si片上鍍膜，由此形成的多層膜結(jié)構(gòu)為Si/Si02 (50人 )/Fe0.425Pt0.575 (10 0 0 A ) /SiO2 (100 A )，如圖 2 (a)所示，其中 11 為基底，12 為緩沖層，13 為 Pt基磁性合金層，14為保護(hù)層；其中沉積前真空沉積設(shè)備中的本底真空氣壓優(yōu)于10_5Pa，沉積時(shí)在惰性氣氛Ar氣下的工作氣壓為0. 45Pa ；3)對(duì)鍍完膜后的樣品采用去除(lift-off)工藝去掉光刻膠，形成霍爾測(cè)量圖形；4)將上述步驟3)所得的半成品置于真空退火爐中進(jìn)行真空退火，退火處理時(shí)的真空度大于10_4Pa，在320°C下退火1小時(shí)，退火后即獲得霍爾器件。為了比較與分析不同厚度的Fea 425Pta 575磁性合金層對(duì)霍爾器件性能的影響，按照上述實(shí)施例1的方法還制備出在Fea 425Pt0.575的厚度分別為500、200、120、80、60、40、30、28、 26、24、22、20、18、16、15、14、12(單位為A)時(shí)的霍爾器件，并測(cè)試了該系列樣品在退火前后的室溫下飽和磁場(chǎng)、飽和霍爾電阻率、霍爾斜率及霍爾靈敏度對(duì)Fea 425Pta 575磁性合金層厚度的依賴關(guān)系，分別如圖3(a)至3(d)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在退火之前，制備態(tài)樣品(即退火前的樣品)在垂直膜面方向上的飽和磁場(chǎng)隨Fea 425Pta 575磁性合金層厚度的減少而逐漸降低(如圖3(a)中所示)，其原因在于， 較厚的Pt基磁性合金層(>6nm)樣品形狀各向異性占主導(dǎo)，界面各向異性的作用微乎其微；而超薄的Pt基磁性合金層(<6nm)樣品雖然形狀各向異性仍占主導(dǎo)，但界面各向異性對(duì)它的作用已相當(dāng)可觀，所以超薄Pt基磁性層(<6nm)樣品飽和磁場(chǎng)相比較厚磁性層樣品有所減少，但飽和磁場(chǎng)仍在IOOOOe以上。盡管該系列制備態(tài)樣品的飽和霍爾電阻率基本保持鐵鉬磁性合金約4 6μ Ω cm的較大數(shù)值(如圖3(b)所示)，但是其霍爾斜率和霍爾靈敏度仍然較小(如圖3(c)和圖3(d)中深色圓點(diǎn)所示)。當(dāng)經(jīng)適當(dāng)退火處理后，樣品的性能發(fā)生顯著變化。仍參照?qǐng)D3(a)至3(d)，從圖中可以看出Pt基磁性層厚度彡3nm的樣品退火后飽和磁場(chǎng)大幅減少，霍爾靈敏度顯著提高。優(yōu)選地，當(dāng)Pt基磁性層厚度在12人至 30人之間時(shí)，其室溫霍爾靈敏度已相當(dāng)或超越于當(dāng)前廣泛市場(chǎng)化的半導(dǎo)體霍爾傳感器靈敏度(約 102V/AT)。更優(yōu)選地，當(dāng)Pt基磁性層厚度在14 A至22 A之間時(shí)，其室溫霍爾靈敏度均超過(guò)1500V/AT (如圖3(d)白色圓點(diǎn)所示)，大于半導(dǎo)體霍爾器件和金屬多層膜霍爾器件的室溫最大值(分別為1000V/AT和1200V/AT)。特別是磁性層厚度為18人的樣品，其垂直膜面方向的飽和磁場(chǎng)從約30000e降為約500e，而飽和霍爾電阻率為5. 22 μ Ω cm,霍爾斜率為1026 μ Qcm/T，室溫電阻率僅為190. 5 μ Ω cm，其矯頑力低于10e，該器件室溫靈敏度 (5700V/AT)相比以往超薄Pt基合金霍爾器件室溫最高值(45V/AT)提高了上千倍，相比金屬多層膜霍爾器件室溫最高值(1200V/AT)提高了約五倍，表現(xiàn)出良好的性能。由此可以分析，對(duì)超薄Pt基磁性合金層樣品進(jìn)行適當(dāng)退火處理，能夠使已經(jīng)可觀的“鐵磁性合金/氧化物”界面各向異性進(jìn)一步加強(qiáng)，使界面各向異性大到足夠與形狀各向異性相比擬，所以相比制備態(tài)樣品，退火后樣品的飽和磁場(chǎng)大幅減少，霍爾斜率和霍爾靈敏度大大提高。對(duì)該最優(yōu)化厚度(18 A )的樣品(即結(jié)構(gòu)為 Si/Si02 (50 A)/Fe。.425Pt。.575 (18 A)/Si02(100 A))，示出了該樣品退火前后的室溫霍爾電阻對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系(參見圖4(a)和圖4(b))。從圖中可以看出，退火后的室溫飽和磁場(chǎng)為士500e，此值已近似等于實(shí)際應(yīng)用磁場(chǎng)范圍，這說(shuō)明其完全可以在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛使用。若調(diào)節(jié)該霍爾器件靈敏度為1200V/A T，應(yīng)用磁場(chǎng)范圍可拓寬為約士2500e，因此在本發(fā)明中，可以通過(guò)退火條件的改變實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)界面各向異性的微調(diào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高靈敏度下應(yīng)用磁場(chǎng)的改變。圖5為實(shí)施例1的厚度系列樣品的Fea 425Pta 575合金膜霍爾器件在室溫下的電阻率。如圖所示，所測(cè)得的電阻率基本上比半導(dǎo)體霍爾器件的電阻率小兩個(gè)量級(jí)。由于霍爾器件是電流驅(qū)動(dòng)器件，電阻率小則產(chǎn)生焦耳熱少，利于散熱，因此本發(fā)明也解決了半導(dǎo)體霍爾器件往小型化發(fā)展遇到的電阻過(guò)大的問(wèn)題。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，除本實(shí)施例所使用的硅片外，基片的材料還可以使用本領(lǐng)域其他常規(guī)基底材料，如玻璃、GaAs、熱氧化硅片等。所述緩沖層和保護(hù)層可以由其他氧化物絕緣材料制成，如A1203、MgO等。[實(shí)施例2]本實(shí)施例的霍爾器件結(jié)構(gòu)為氧化物/超薄Pt基磁性合金/氧化物按照實(shí)施例1的方法制備實(shí)施例2的磁性金屬薄膜型霍爾器件，不同之處在于，其 Fea 425Pta 575層的厚度選定為18人,且退火條件為240°C下退火4小時(shí)。實(shí)施例2的具體結(jié)構(gòu)為基片 Si/Si02 (150 A ) /Fea 425Pt0.575 (18 A ) /SiO2 (80 A )。圖6 (a)至6(i)分別為在不同溫度(125K至325K之間)下測(cè)得的該霍爾器件退火后的霍爾電阻對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系。不難發(fā)現(xiàn)，此霍爾器件溫度系數(shù)小，在寬的溫度范圍內(nèi) (約200K-300K)均維持了基本恒定的靈敏度(約1300V/AT)。我們還發(fā)現(xiàn)，此制備態(tài)樣品在不同退火工藝條件下(240°C下退火4小時(shí)和在280°C下退火1小時(shí))所獲得的室溫飽和磁場(chǎng)是相等的(沒(méi)有示出)，又因?yàn)閮烧叽判詫有螤罡飨虍愋韵嗤@說(shuō)明不同的退火條件導(dǎo)致了相等的界面各向異性，這佐證了本發(fā)明霍爾器件的“鐵磁性合金/氧化物”界面各向異性大小既可通過(guò)改變退火溫度來(lái)調(diào)節(jié)，也可通過(guò)改變退火持續(xù)時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。[實(shí)施例3]本實(shí)施例的霍爾器件結(jié)構(gòu)為氧化物/超薄Pt基磁性合金/氧化物按照實(shí)施例2的方法制備本發(fā)明實(shí)施例3的磁性金屬薄膜型霍爾器件，不同之處在于，Pt基磁性合金層為Fea518Pta 482，且退火條件為440°C退火1小時(shí)。實(shí)施例3的具體結(jié)構(gòu)為基片 Si/Si02 (50 A:) /Fe0.518Pt0.482 (18 A ) /SiO2 (100 A )。圖7(a)和7(b)為退火前后該霍爾器件的室溫霍爾電阻對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系。如圖所示，退火處理后樣品的飽和磁場(chǎng)大幅減少，霍爾靈敏度大大提高。退火后飽和磁場(chǎng)約為2250e(如圖7(b)所示)，飽和霍爾電阻約為24 Ω，經(jīng)計(jì)算得到飽和霍爾電阻率為 4. 32 μ Ω cm,電阻率為199. 54 μ Ω cm,霍爾斜率約為192. 6 μ Ω cm/T,靈敏度約可達(dá)1070V/ AT。該結(jié)果同樣說(shuō)明，退火工藝對(duì)界面各向異性的重要影響，如果工藝條件選擇適當(dāng)，能夠顯著提高霍爾器件的靈敏度。需要注意的是，在選擇退火條件時(shí)，F(xiàn)e1^5Pt5合金中的Fe的含量也是一個(gè)重要的考慮因素。相比實(shí)施例1系列樣品中的Si/Si02 (50 A ) /Fea 425Pta 575 (18 A ) /SiO2 (100 A ) 樣品，本實(shí)施例與其結(jié)構(gòu)相同、磁性層厚度相同，而只有磁性層成分不同。將實(shí)施例1的圖 4(a)和圖7(a)進(jìn)行比較可以看出，磁性層為超薄Fei_sPt s合金的制備態(tài)樣品，隨著磁性層中Fe含量的增多，垂直膜面方向飽和磁場(chǎng)增大，這是由制備態(tài)樣品隨Fe含量的增多導(dǎo)致的飽和磁化強(qiáng)度M增大和形狀各向異性增大引起的。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)相同、磁性層厚度相同但磁性層成分不同的超薄Fei_sPts合金制備態(tài)樣品來(lái)說(shuō)，F(xiàn)e含量越多(磁性層形狀各向異性越大)，退火溫度應(yīng)越高，以使“鐵磁性合金/氧化物”界面各向異性達(dá)到與磁性層形狀各向異性相比擬的大小。[實(shí)施例4]本實(shí)施例的霍爾器件結(jié)構(gòu)為超薄Pt基磁性合金/氧化物按照實(shí)施例1的方法制備本發(fā)明實(shí)施例4的利用“鐵磁性合金/氧化物”界面效應(yīng)的磁性金屬薄膜型霍爾器件，不同之處在于，該霍爾器件的具體結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，為 基片Si/FeQ.27PtQ. 73 (20 A ) /SiO2 (300 A )，其中21為基片，22為鐵鉬合金層，23為保護(hù)層。退火前后室溫下的霍爾電阻對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系如圖8所示。從圖中可以看出，盡管此樣品沒(méi)有氧化物層作為緩沖層，但仍具有氧化物保護(hù)層，因此“鐵磁性合金/氧化物” 界面仍存在，且超薄磁性層仍未被氧化，進(jìn)行退火處理同樣可以使樣品垂直膜面方向飽和磁場(chǎng)大大降低，霍爾靈敏度和霍爾斜率大大提高。從而表明本發(fā)明采用圖2(b)所示結(jié)構(gòu)的霍爾器件同樣可以獲得高霍爾靈敏度。通過(guò)以上實(shí)施例1至4可以看出，根據(jù)本發(fā)明的磁性金屬薄膜型霍爾器件包括Pt 基磁性合金層、緩沖層和/或保護(hù)層，其中緩沖層位于基片之上，用于控制后續(xù)制備的薄膜的平整度，形成“鐵磁性合金/氧化物”界面；Pt基磁性合金層采用未被氧化的超薄A^Pt δ 磁性合金材料制成，設(shè)置于緩沖層之上；保護(hù)層設(shè)于磁性層之上，用于防止超薄磁性層被氧化，形成“鐵磁性合金/氧化物”界面。正是由于在本發(fā)明中引入了“鐵磁性合金/氧化物” 的界面，該界面具有較強(qiáng)的界面垂直各向異性，當(dāng)此“鐵磁性合金/氧化物”界面經(jīng)退火工藝處理后，該界面垂直各向異性進(jìn)一步增強(qiáng)，所以能夠大大降低霍爾器件在垂直膜面方向上的飽和磁場(chǎng)，使霍爾靈敏度和霍爾斜率大大提高。不難看出，本發(fā)明首次通過(guò)引入“鐵磁性Pt基合金/氧化物”間的界面各向異性，調(diào)控磁性層垂直膜面方向飽和磁場(chǎng)及相關(guān)的霍爾靈敏度和霍爾斜率，這是本發(fā)明的核心與關(guān)鍵。在上述實(shí)施例中，作為磁性合金層的鐵鉬磁性合金僅為示意性的，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以選用A1^Pts,其中A為Fe、Co和Ni中的至少一種，且0. δ <0.75。 需要說(shuō)明的是，雖然本發(fā)明未對(duì)除以上實(shí)施例外的其他情 況進(jìn)行討論，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以從現(xiàn)有研究的Pt基合金膜霍爾器件中了解到以鐵鉬合金薄膜的霍爾效應(yīng)較大 (文獻(xiàn)Appl. Phys. Lett. 85，73 (2004))，且鐵鉬合金薄膜在原子比Fe Pt ^ 40 60有 285K下最大的飽和霍爾電阻率(文獻(xiàn)J. Appl. Phys. 79，8 (1996))，所以在本發(fā)明實(shí)施例中重點(diǎn)介紹了磁性層為Fea 425Pta 575合金的霍爾器件及其性質(zhì)。另夕卜，由于Fe、Co和Ni屬于同族元素，其性質(zhì)也相似，由此也可以推斷出采用本發(fā)明方法制備的其它Pt基磁性合金也能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的效果。在本發(fā)明中Pt基磁性合金層的厚度一般在3nm以下，以便充分發(fā)揮界面各向異性對(duì)磁性薄膜垂直方向飽和磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)作用，優(yōu)選厚度在12人至30人之間，更優(yōu)選在14 A至22 A之間，最優(yōu)選在18 A。盡管如此，對(duì)磁性層為超薄Fei_sPts合金的霍爾器件來(lái)說(shuō)，其Fe含量具有一優(yōu)化范圍，當(dāng)Fe組分在約25至55atomS% (原子濃度)的范圍時(shí)為較佳值。如果Fe含量過(guò)大， 需要更高的退火溫度才能獲得合適的界面各向異性，實(shí)現(xiàn)高靈敏度，但此時(shí)退火溫度的提高同時(shí)會(huì)給器件的制備帶來(lái)困難性和復(fù)雜性；如果Fe含量過(guò)小，磁性散射的減少導(dǎo)致的飽和霍爾電阻率減少和趨于超順磁態(tài)同樣會(huì)減小霍爾斜率和靈敏度。在上述實(shí)施例中，在進(jìn)行退火處理前所采用的霍爾測(cè)量圖形制備方法為本領(lǐng)域常見的微納米加工工藝與真空薄膜沉積相結(jié)合的方法之一，其僅為舉例說(shuō)明。其它微納米加工工藝和掩模法，以及諸如熱蒸發(fā)、離子束沉積等其它真空薄膜沉積法，也可以用在本發(fā)明方法中，并且兩者可以結(jié)合用于霍爾測(cè)量圖形的制備。例如

1.掩模與磁控濺射法結(jié)合。該方法包括以下步驟(1)在基片上蓋上霍爾測(cè)量圖形的掩模板，采用磁控濺射法，按照本發(fā)明霍爾器件結(jié)構(gòu)在基片上鍍膜；(2)去掉掩模板，獲得霍爾測(cè)量圖形。2.另一種微納米加工工藝與磁控濺射法相結(jié)合的方法。該方法包括以下步驟(1)采用磁控濺射法，按照本發(fā)明的霍爾器件結(jié)構(gòu)在基片上鍍膜；(2)在步驟(1)鍍完膜后的樣品上涂布光刻膠，并用紫外曝光機(jī)曝光，顯影定影后，霍爾測(cè)量圖形部分仍被光刻膠覆蓋，而測(cè)量圖形以外的光刻膠已經(jīng)除去；(3)將步驟(2)處理后的樣品放入離子束刻蝕機(jī)中刻蝕，然后放入無(wú)水乙醇或者丙酮中超聲去掉光刻膠，最終獲得霍爾測(cè)量圖形。由此可以看出，在本發(fā)明的制備霍爾器件的方法中，需要首先利用以上方法形成霍爾測(cè)量圖形，然后再將該形成霍爾測(cè)量圖形的樣品置于真空下或惰性氣氛(如N2、Ar等) 保護(hù)下進(jìn)行退火，經(jīng)退火處理后，器件中“鐵磁性合金/氧化物”界面各向異性進(jìn)一步增強(qiáng)， 因此，退火溫度和時(shí)間依器件所需不同應(yīng)用磁場(chǎng)范圍而設(shè)定。當(dāng)退火時(shí)間一定時(shí)，界面各向異性主要受退火溫度的影響，如果退火溫度過(guò)低，則形成“鐵磁性合金/氧化物”界面各向異性小，所形成的霍爾器件的靈敏度也??；如果退火溫度過(guò)高又會(huì)造成“鐵磁性合金/氧化物”界面各向異性過(guò)大，器件會(huì)出現(xiàn)較大磁滯，線性度變差。所以，在本發(fā)明中退火溫度的范圍優(yōu)選為240°C至440°C。另外，雖然以上實(shí)施例描述了退火工藝的本底真空以及磁控濺射鍍膜時(shí)的本底真空和惰性氣氛下的沉積工作氣壓，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些工藝是非必要的， 只要鍍膜時(shí)采用真空薄膜沉積方法，且退火在真空下或在惰性氣氛(如N2、Ar等)保護(hù)下完成即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的。應(yīng)該理解，為了便于在制備完成后直接對(duì)樣品實(shí)施性能測(cè)試，本發(fā)明制成了可測(cè)量的霍爾圖形，但這并不能作為對(duì)本發(fā)明制備方法的產(chǎn)品的限制。綜上所述，本發(fā)明提供的利用“鐵磁性Pt基合金/氧化物”界面效應(yīng)的磁性金屬薄膜型霍爾器件霍爾斜率和霍爾靈敏度大大提高，室溫霍爾斜率最高可達(dá)1026 μ Qcm/T, 室溫霍爾靈敏度最高可達(dá)5700V/AT，具有靈敏度高、電阻率低、應(yīng)用磁場(chǎng)寬、線性度好、磁滯小、溫度系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的金屬霍爾器件。與現(xiàn)有技術(shù)中靈敏度為1200V/AT的 [CoFe (2. 8 A) /Pt (12 A) ]3金屬多層膜霍爾器件(中國(guó)發(fā)明專利號(hào):ZL200610144053. 6)要求鐵磁層厚度必須精準(zhǔn)控制在小于0. 2 A的范圍相比，本發(fā)明提供的磁性層為Fea 425Pta575 的霍爾器件，鐵磁層厚度在14 22 A之間均可實(shí)現(xiàn)超過(guò)1500V/AT的霍爾靈敏度，制備工藝簡(jiǎn)單、易行。另外，金屬多層膜霍爾器件只能利用界面處原子的自旋軌道電子散射增強(qiáng)霍爾效應(yīng)，而本發(fā)明提供的霍爾器件能充分利用磁性層內(nèi)原子和界面處原子的自旋軌道電子散射增強(qiáng)霍爾效應(yīng)，所以本發(fā)明霍爾器件飽和霍爾電阻率要比金屬多層膜霍爾器件大，如對(duì)[CoFe (2. 8 A ) /Pt (12人)]3，飽和霍爾電阻率僅為0. 6 μ Ω cm,而本發(fā)明霍爾器件的飽和霍爾電阻率為4 6μ Ω cm。 盡管參照上述 的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明作出具體描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)該理解可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，這些修改和改進(jìn)都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁性金屬薄膜型霍爾器件，包括基片和該基片上的磁性合金層，其特征在于，還包括位于所述磁性合金層上的保護(hù)層，其中，所述磁性合金層為Pt基磁性合金，其厚度小于或等于3nm，所述保護(hù)層由氧化物絕緣材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾器件，其特征在于，還包括位于所述基片和磁性合金層之間的緩沖層，所述緩沖層由氧化物絕緣材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的霍爾器件，其特征在于，所述Pt基磁性合金層為A^Ptδ 合金，其中A選自Fe、Co、Ni中的至少一種，且0.45彡δ <0.75。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的霍爾器件，其特征在于，所述Pt基磁性合金層由Fei_sPts合金制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的霍爾器件，其特征在于，所述Fei_sPts合金層的厚度在12人至30人之間。
6.一種制備磁性金屬薄膜型霍爾器件的方法，包括如下步驟1)選取基片，在該基片上利用掩模或微納米加工工藝并結(jié)合真空薄膜沉積法依次沉積 Pt基磁性合金層和保護(hù)層，制成具有一定霍爾測(cè)量圖形的樣品，其中Pt基磁性合金層的厚度小于或等于3nm，所述保護(hù)層由氧化物絕緣材料制成；2)將步驟1)所得樣品置于真空下或在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行退火處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟1)還包括在沉積Pt基磁性合金層之前，先在基片上沉積緩沖層，以使所述緩沖層位于基片和Pt基磁性合金層之間，所述緩沖層由氧化物絕緣材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述Pt基磁性合金層為A^Pts合金，其中A選自Fe、Co、Ni中的至少一種，且0.45彡δ <0.75。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述Pt基磁性合金層由Fei_sPts合金制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述退火溫度在240°C至440°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁性金屬薄膜型霍爾器件及其制備方法。該霍爾器件包括基片和該基片上的磁性合金層，還包括位于所述磁性合金層上的保護(hù)層，所述磁性合金層為Pt基磁性合金層，其厚度小于或等于3nm，所述保護(hù)層由氧化物絕緣材料制成。該霍爾器件還可以包括位于所述基片和磁性合金層之間的由氧化物絕緣材料制成的緩沖層。本發(fā)明霍爾器件飽和霍爾電阻率保持了Pt基合金的較大值，關(guān)鍵是引入氧化物保護(hù)層，使之與磁性合金層之間產(chǎn)生較強(qiáng)的界面各向異性，導(dǎo)致垂直膜面方向的飽和磁場(chǎng)大大降低，從而獲得極高的霍爾斜率和靈敏度。上述體系可通過(guò)改變Pt基合金層的成分、厚度以及退火溫度和時(shí)間得到不同飽和磁場(chǎng)和不同應(yīng)用磁場(chǎng)范圍，易于調(diào)控。
文檔編號(hào)H01L43/06GK102447055SQ20101050633
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者盧玉明, 蔡建旺 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所