[发明专利]各向异性可调制的磁性薄膜结构、磁敏传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于自旋电子学材料和磁敏传感器领域，具体地说，本发明涉及基于巨磁电阻(Giant Magnetoresistance，GMR)和隧穿磁电阻(TunnelingMagnetoresistance，TMR)效应的一种功能性纳米磁性多层膜的结构、其在磁敏探测器，特别是三维磁敏探测器中的应用及相应制备方法。

背景技术

磁敏探测器广泛应用于定位、角度检测、速度检测、加速度测量、力测量等无伤探测和磁存储等各领域。按测量原理的不同，磁敏探测器可分为：基于半导体材料霍尔(Hall)效应的磁敏探测器、基于各向异性磁电阻(AMR)效应的磁敏探测器，以及基于巨磁电阻效应(GMR)和隧穿磁电阻效应(TMR)的磁敏探测器等。其中，基于GMR效应和TMR效应的磁敏探测器，因灵敏度较高、功耗小、生产工艺能和常规半导体工艺相兼容，具有广泛的用途。

为了探测三维空间中磁场分布通常有两种技术方案：第一种方案需要三个独立的、易磁化轴在面内且空间分布相互垂直的一维磁敏探测器对三维空间X、Y和Z三个方向分别探测；方案二，采用两个易磁化轴在面内且空间分布相互垂直的独立磁敏探测器分别探测X、Y方向磁场，Z方向上则采用具有垂直磁各向异性的合金或磁性多层膜，如FePt、[Co/Pt]n等构成的磁敏探测器，从而实现面内集成[覃启航等 中国发明专利 授权公告号 100593112C]。但上述两种方案均有不足：第一种方案受三个易磁化轴在面内的一维磁敏传感器相互垂直空间布局限制集成度较低；第二种方案采用合金和多层薄膜结构增加了制备工艺难度且FePt、[Co/Pt]n等多层薄膜热稳定性和一致性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种GMR或TMR磁性纳米多层薄膜结构、新的磁敏传感器及制备方法，以解决现有技术磁敏传感器，特别是三维空间磁场探测器，制备工艺复杂和一致性较差的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种磁各向异性在三维空间可调制的GMR或TMR磁性纳米多层薄膜结构，依次包括：基片(Sub)和其上的缓冲层(BufferLayer，BL)，参考磁性层(Reference Layer，RL)、中间层(Space)、探测磁性层(Free Layer)和覆盖层(Capping Layer)；所述参考磁性层和探测磁性层利用了铁磁层/非磁层界面诱导的垂直各向异性，通过调节参考磁性层和探测磁性层中铁磁层厚度使得其易磁化方向为面内(设为XY方向)，或垂直膜面(设为Z方向)。

其中，当易磁化方向在面内时采用钉扎结构或诱导磁场生长的方式调制易磁化轴在面内的取向。

其中，所述参考磁性层矫顽力Hc₁大于探测磁性层矫顽力Hc₂。

其中，所述中间层是非磁性金属层或绝缘势垒层，其中，对应GMR磁性纳米多层薄膜结构，所述中间层为非磁性金属层，对应TMR磁性纳米多层薄膜结构，所述中间层为绝缘势垒层。

其中，所述参考磁性层和探测磁性层可以由单一铁磁层(FM)构成，也可以由是铁磁层、反铁磁层(AFM)和非磁金属层(NM)构成的直接或间接钉扎结构；所述直接钉扎是指反铁磁材料层直接和铁磁性层接触FM/AFM，所述的间接钉扎是指在反铁磁材料层和铁磁性层之间插一层很薄的非磁性金属层FM/NM/AFM或者插入复合层FM1/NM/FM11/AFM，所述磁性纳米多层薄膜结构为以下结构：

Sub/BL/AFM1/FM11/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/FM22/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/FM2/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM2/FM22/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CL

或Sub/BL/AFM1/FM11/NM/FM1/Speace/FM2/CL

或Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Speace/FM2/CL

或Sub/BL/AFM1/FM1/Speace/FM2/CL。