[发明专利]一种用于温度传感器的纳米磁性多层膜及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于基于磁性隧道结(MTJ)的温度传感器的纳米磁性多层膜及其制造方法。

背景技术

本发明的核心元件是磁性隧道结(MTJ)器件，其核心结构为在两层铁磁性材料中间夹一层绝缘势垒层的三明治结构。在外磁场或钉扎作用下，两层铁磁层磁矩可处于平行或反平行状态，而且两种状态下磁性隧道结的电阻有很大的差别，即所谓的隧穿磁电阻(TMR)效应。磁性隧道结已经在磁场传感器和磁性随机存储器中得到应用。另外，在磁性隧道结中还观测到反平行态电阻随温度呈线性变化的现象，这种现象可以用来制作温度传感器。

现有的温度传感器有很多种，包括热偶、热敏电阻、铂电阻、半导体温度传感器等，温度传感器已经广泛应用于个人生活和工业领域，是一类重要的传感器。现有温度传感器有其各自的缺点，热偶温度传感器由于体积大、需要冷端温度补偿电路，不利于集成；电阻式温度传感器如铂电阻存在自热问题，而且属于贵金属，成本较高，应用范围较小；热敏电阻的线性度很差，测量精度不高，测量范围狭窄。

以磁性隧道结为元件的TMR温度传感器，几乎避开了现今其他类型温度传感器的主要缺点(如冷点补偿、自热、灵敏度低、体积大等),同时集合了如下优点：(1)高精度；(2)高稳定性；(3)高灵敏度；(4)低载荷、低功耗、低热容量、高效节能；(5)可集成化；(6)批量生产、价格低廉；(7)小型化；(8)长寿命；(9)可数字化；(10)环保无污染，等等。因此，更加适合用于航空航天飞行器和探测器、卫星、宇航服和太空舱及试验舱的温度检测和监控系统、地面船舶、移动式车辆、个人便携式通信和温度检测及监控系统、机器人系统、工业自动化系统、汽车和民用等多类产品等，具有非常广泛的应用领域。

发明内容

为了克服现有温度传感器的缺点，本发明提供一种用于基于磁性隧道结温度传感器的磁性纳米多层膜及其制作方法。该磁性纳米多层膜分为三类：第一类采用人工铁磁或反铁磁和钉扎结构利用一次退火工艺制备；第二类采用双钉扎结构利用二次退火工艺制备；第三类采用垂直磁性层制备。三类结构和不同制备工艺旨在使隧道结的上下铁磁层处于反平行状态，从而实现隧道结电阻随温度呈线性变化。

本发明中第一类磁性纳米多层膜是通过如下技术方案实现的：

本发明提供的基于第一类磁性隧道结的温度传感器，其为在磁性多层膜上经过常规半导体制备工艺，形成微米级别的传感器器件。所述纳米磁性多层膜如图1所示，由下往上依次包括：

一基片1及其上的种子层(SL)2，底部复合磁性层(BPL)3，中间势垒层(Spacer)4，顶部复合磁性层(TPL)5，覆盖层(CAP)6。

所述底部复合磁性层和顶部复合磁性层可以用间接钉扎、直接钉扎结构、人工反铁磁结构或人工铁磁结构，该间接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/第一铁磁性层(FM1)/非磁性金属层(NM)/第二铁磁性层(FM2)；该直接钉扎结构为反铁磁性层(AFM)/铁磁性层(FM)；该人工反铁磁结构和人工铁磁结构包括第一铁磁性金属层(FM1)/非磁性金属层(NM)/第二铁磁性金属层(FM2)，根据中间非磁性金属层的不同厚度实现第一第二铁磁性层的反铁磁耦合或铁磁耦合。其中铁磁层选择高自旋极化率的铁磁材料，优先选择Co‐Fe、Co‐Fe‐B，厚度为1～10nm，中间金属插层为非磁性金属层NM，一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制作，厚度为0.05～5nm，反铁磁层选用Ir‐Mn、FeMn或Pt‐Mn，厚度为2～30nm。

所述中间势垒层一般采用AlO_x、MgO、Mg_1‐xAl_xO、AlN、Ta₂O₅、ZnO、HfO₂、TiO₂、Alq₃、LB有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs等材料制作，优选MgO、AlO_x、MgAlO、AlN和Alq₃、LB有机复合薄膜，厚度一般在为0.5～10nm。

所述的覆盖层为不易氧化的具有较大电阻的金属材料，优选Ta、Ru、Cu、Au、Pt等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化。

所述种子层为电阻较大的金属材料，优选Ta、Ru、Cr、Pt，厚度为3～10nm。

所述基片为Si衬底或Si‐SiO₂衬底，厚度为0.3～1mm。