[发明专利]一种超高灵敏磁电阻薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁性薄膜材料，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

各向异性磁电阻(AMR)坡莫合金薄膜材料(NiFe)可用来制作计算机硬盘读头、磁性随机存储器和各类磁传感器等应用器件，广泛地用于自动化技术、家用电器、导航系统、移动通讯、大容量存储器和计算机等领域，尤其是在进行地磁测量时，AMR薄膜材料较巨磁电阻(GMR)和隧道磁电阻(TMR)薄膜材料具有更好的方向敏感性，且各向异性磁电阻率与角度有定量关系：ρ(θ)＝ρ_⊥+Δρcos²θ，所以这种材料在地磁导航等领域更具有广阔的应用前景。另外，AMR器件的电阻值比TMR器件的电阻值小得多，这非常有利于器件的使用。为了实现先进的磁传感器等器件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，磁场灵敏度尽可能高。实际器件制作时，通常薄膜材料主要结构为Ta/NiFe/Ta，为了进一步减小退磁场，NiFe厚度通常只有几个到十几个纳米；另外，工艺中也可能需要在一定温度下处理材料或器件，此时薄膜界面处固相反应所导致的“磁死层”不可忽略。同时，种子层和保护层的分流作用也更加明显，此时薄膜材料难以还保持良好的磁电阻变化率(ΔR/R)和磁场灵敏度(S_v)。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，以适应磁传感器等方面的需要，在文献W.Y.Lee，M.Toney，P.Tameerug，E.Allen and D.Mauri，J.Appl.Phys.87，6992(2000)中提出用(Ni_0.81Fe_0.19)_1-xCr_x或Ni_1-xCr_x做种子层制备出的Ni_0.81Fe_0.19薄膜，其AMR值比以Ta为种子层的Ni_0.81Fe_0.19薄膜的AMR值有显著的提高，如12nm厚NiFe薄膜的AMR值已经达到3.2％，但对于只有几个到十几个纳米的NiFe而言，尤其是在退火后难以保证其磁场灵敏度提高。在文献H.Funaki，S.Okamoto，O.Kitakami，and Y.Shimada，Jpn.J.Appl.Phys.，Part 233，L1304(1994)中提出利用退火可以显著提高坡莫合金薄膜材料的ΔR/R值，如20nm厚的坡莫合金薄膜，在400℃退火以后，ΔR/R值可以达到3.5％，但这是在没有缓冲层和保护层的条件下得到的，当制作AMR器件时，使用缓冲层和保护层时，并且薄膜厚度只有几个到十几个纳米时，退火后也难以做到保持ΔR/R和S_v的良好指标。在文献Lei Ding，Jiao Teng，Qian Zhan，Chun Feng，Ming-hua Li，Gang Han，Li-jin Wang，Guang-hua Yu，andShu-yun Wang，Appl.Phys.Lett.94，162506(2009)中设计了一种新的结构Ta/Al₂O₃/NiFe/Al₂O₃/Ta薄膜，在380℃退火后，Ta 5nm/Al₂O₃1.5nm/NiFe 10nm/Al₂O₃1.5nm/Ta 5nm磁电阻变化率较Ta 5nm/NiFe10nm/Ta 5nm提高了250％，且磁场灵敏度提高了150％，达到磁场灵敏度1.3％/Oe，但其磁场灵敏度与隧道磁电阻(TMR)薄膜材料相比仍有较大的差距，主要原因之一是Al₂O₃非常难晶化，必须寻找其他易晶化的氧化物，使其对自旋电子的散射发挥到最大作用，以提高ΔR/R和S_v。

发明内容

本发明的目的在于提出一种磁电阻薄膜材料结构，以满足对超高磁场灵敏磁电阻薄膜材料的需要。

为了实现本发明的目的，提出一种超高灵敏磁电阻薄膜材料，该磁电阻薄膜材料结构为：缓冲层/MgO/NiFe/MgO/保护层。

所述MgO层是通过高温退火处于结晶状态的非磁纳米氧化层。

所述缓冲层可以是Ta、NiFeCr或NiCr。

所述保护层可以是Ta或Au。