CN111965571B - 一种gmr磁场传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种GMR磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：提供基片；在基片上沉积GMR多层膜结构，所述GMR磁电阻单元至少包括钉扎层、非磁金属层和自由层；在沉积GMR多层膜结构的同时施加一外部磁场对钉扎层进行磁化；低温磁退火，退火的方向与钉扎层的磁化方向相垂直，退火温度低于钉扎层中反铁磁材料的阻断温度；在GMR多层膜结构形成相互独立的GMR磁电阻芯片；将GMR磁电阻芯片按全桥结构连接，并与输入电极和输出电极相连，得到全桥结构的GMR磁传感器。本发明采用的低温低场退火的方式，降低了控制温度的难度，抑制了层间扩散，可使传感器具有更高的磁电阻值和灵敏度。

Description

一种GMR磁场传感器的制备方法

技术领域

本发明属于磁场探测技术领域，尤指涉及一种GMR磁场传感器的制备方法。

背景技术

磁场传感器广泛地应用于现代测量***中，用于测量或检测物理参数，包括磁场强度、方向、位移等。目前已有很多类型的磁场传感器，如霍尔传感器，AMR磁场传感器、GMR磁场传感器等。GMR磁场传感器利用磁性多层膜间的电子散射效应实现磁场探测，表现为磁性多层膜材料的电阻随着外磁场的大小和方向发生明显变化。和AMR磁场传感器相比，GMR磁场传感器具有更大的电阻变化率，且相对于霍尔效应材料具有更好的温度稳定性。此外GMR磁电阻单元还能方便的集成到现有的半导体微加工工艺当中，便于制成体积很小的集成磁场传感器。

GMR磁场传感器有单电阻、参考电阻半桥、推挽式半桥、推挽式全桥等不同结构。全桥结构是性能最好、应用较多的结构。对于全桥结构的磁性传感器，想要实现线性电压输出，磁电阻需要随外磁场有线性变化、低滞回度等特点。目前的AMR磁场传感器的制备工艺程中需要进行多次生长与退火来获得GMR效应，以提高器件的线性度，降低滞回度，但现有工艺中退火温度多在260～280℃之间，较高的退火温度带来了以下缺点：1、高温会导致GMR薄膜钉扎层中反铁磁材料原子扩散，铁磁层等受此影响会导致磁阻变化率下降；2、退火温度十分接近反铁磁材料的阻断温度，容易导致磁矩方向翻转，致使钉扎层磁矩方向不沿所需测试磁场方向。以上两点都会导致传感器的灵敏度下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以提高传感器磁测量范围和灵敏度的GMR磁场传感器的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种GMR磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：

提供基片；

在基片上沉积GMR多层膜结构，所述GMR磁电阻单元至少包括钉扎层、非磁金属层和自由层；

在沉积GMR多层膜结构的同时施加一外部磁场对钉扎层进行磁化；

低温磁退火，退火的方向与钉扎层的磁化方向相垂直，退火温度低于钉扎层中反铁磁材料的阻断温度；

在GMR多层膜结构形成相互独立的GMR磁电阻芯片；

将GMR磁电阻芯片按全桥结构连接，并与输入电极和输出电极相连，得到全桥结构的GMR磁传感器。

进一步的，退火温度为100～150℃。

进一步的，退火磁场小于钉扎层磁矩完全翻转时的磁场大小。

进一步的，所述自由层为CoFe/NiFe形成的双层结构。

进一步的，所述钉扎层包括金属诱导层、反铁磁层和铁磁层，所述铁磁层为CoFe层。

进一步的，所述自由层中NiFe层的厚度为5-70nm。

进一步的，所述多层膜结构包括依次生长于所述极片上的粘附层、钉扎层、非磁金属层、自由层和保护层。

由以上技术方案可知，本发明采用低温低场退火的方式，且退火方向垂直于钉扎层的磁化方向，以改变自由层的磁畴的自发取向，从而改变其在外磁场下的方向变化曲线，可以得到低滞回度、线性范围更大的磁电阻单元，可以提高器件的测量范围，而且降低退火温度也就降低了控制温度的难度，并可以抑制层间扩散，使传感器具有更高的磁电阻值和灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例全桥式GMR传感器的示意图；

图2为本发明实施例GMR磁电阻单元的结构示意图；

图3为磁电阻元件的退火示意图；

图4为钉扎层磁化方向指向负H方向的传统GMR磁电阻元件的磁电阻对外磁场响应曲线示意图；

图5a和图5b分别为钉扎层磁化方向指向负H方向和指向正H方向的本发明实施例GMR磁电阻元件对外磁场响应曲线示意图；

图6为GMR磁电阻单元串联形成半桥结构的示意图；

图7为R+连接到偏置电压V_bias，R-连接到地的推挽式半桥结构的输出电压VA示意图；

图8为R-连接到偏置电压V_bias，R+连接到地的推挽式半桥结构的输出电压VB示意图；

图9为全桥结构的输出电压示意图。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。

如图1所示，全桥式GMR磁场传感器包括4个桥式连接且电阻变化趋势相反的GMR磁电阻芯片(a、b、c、d)，每个GMR磁电阻芯片可以是一个独立的GMR磁电阻单元或包括多个相互连接的GMR磁电阻单元。全桥结构中的每一桥臂上分别设置有一个GMR磁电阻芯片，相邻的GMR磁电阻芯片之间设置有电极，即有两对相对布置的电极(11、12、13、14)，其中一对为输入电极(11、13)，另一对为输出电极(12、14)，当输入电极间施加有恒压V_BIAS时，输出电极之间的电压(输出电压＝V_A-V_B)随外部磁场的变化而变化，构成全桥磁场传感器。

如图2所示，GMR磁电阻单元为多层膜结构，其依次包括：保护层、自由层、非磁金属层、钉扎层和粘附层。其中，保护层可采用SiO₂等绝缘材料和Ta等防氧化的金属材料等制成，厚度为5～20nm，保护层的厚度低于5nm时，防氧化效果很差，因此保护层的厚度应大于5nm。自由层为CoFe/NiFe形成的双层结构，厚度为5～20nm。非磁金属层可采用Cu等金属材料制成，厚度为1.8～5nm。钉扎层是三层结构，其从下往上依次包括金属诱导层、反铁磁层和铁磁层的三层结构，金属诱导层可采用NiFe制成，厚度为2～5nm，反铁磁层可采用IrMn、PtMn等材料制成，厚度为5～10nm，铁磁层采用CoFe制成，厚度为2～8nm。粘附层通常为金属层结构，可以减少基底晶格参数对钉扎层材料的影响，多采用Ta/Ru相邻金属薄膜，厚度为2～20nm。GMR磁电阻单元中各层结构的厚度会影响GMR磁电阻单元的电阻值和磁阻变化率，每层结构的厚度越厚时，其电阻越小，会导致电流在非磁层(Cu等)中的流入更小，使得GMR磁电阻单元的磁阻变化率降低，此外GMR磁电阻单元电阻降低会提高相同偏置电压下的功耗，因此可根据实际需要合理设置GMR磁电阻单元中各层结构的厚度。

本发明采用NiFe、CoFe制作自由层，CoFe的滞回度较高，而NiFe的滞回度很低，将NiFe、CoFe组成制成自由层，目的在于退火时可以降低自由层的滞回度，以提高电阻的变化范围区间，使电阻变化范围超过零磁场，从而可以应用于磁传感器中。如果只是采用CoFe制作自由层，会存在滞回度较高的问题，而且通过NiFe的隔离，可以防止CoFe与其它材料，如Ta直接接触产生耦合效应，导致滞回度较高。如果只采用NiFe材料制作自由层，则会由于NiFe与Cu等材料的扩散作用(NiFe与Cu的晶格参数十分相近，极易发生扩散作用)，而导致不能获得良好的GMR磁阻变化率。此外，自由层中NiFe层的厚度可为5-70nm，如果NiFe层的厚度太薄，会导致滞回度较大，无法满足GMR的低滞回要求。除了自由层(CoFe/NiFe双层结构)和钉扎层中的铁磁层(CoFe)外，本发明的GMR磁电阻单元中其它各层所用的材料和现有GMR磁电阻单元中对应各层所用的材料相同。

下面对本发明GMR传感器的制备方法作进一步说明，制备方法包括以下步骤：

提供基片；

采用物理溅射方法，如磁控溅射法等方法在基片上依次沉积粘附层、钉扎层、非磁金属层、自由层和保护层，形成多层膜结构的GMR磁电阻单元；

在沉积GMR磁电阻单元的同时施加一外部磁场对钉扎层进行磁化，使GMR磁电阻单元的钉扎层获得沿外部磁场方向的磁矩；

低温磁退火，退火的方向与上一步骤中施加的外部磁场方向相垂直，即退火方向垂直于钉扎层的磁化方向(图3)，退火温度低于反铁磁层的阻断温度；低温退火可以避免改变钉扎层和反铁磁材料的磁矩方向，退火温度可为100～150℃，退火磁场小于钉扎层磁矩完全翻转时的磁场大小，可为2000e左右，退火后GMR磁电阻单元自由层的磁矩方向与钉扎层的磁阻方向垂直；采用远低于反铁磁层阻断温度的退火温度，可以使得退火流程更易把控，且所需温度、磁场均大幅减小，对GMR(自旋阀)性能的抑制也有改善；

在GMR磁电阻单元上通过掩膜和光刻技术匀胶并显影出想要的结构，形成相互独立的的GMR磁电阻芯片；

将GMR磁电阻芯片按全桥结构连接，并与输入电极和输出电极相连，得到全桥结构的GMR磁传感器。

本发明将常规的GMR磁场传感器制备工艺中的高温退火步骤改为特定的低温退火步骤，降低退火温度并使退火方向垂直于钉扎层的磁化方向，目的在于改变自由层的磁畴的自发取向，也就是改变自由层的磁化方向(钉扎层的磁化方向保持不变)，从而改变其在外磁场下的方向变化曲线。

图4为采用传统制备工艺制得的GMR磁电阻单元的磁电阻输出特性曲线图，如图4所示，GMR磁电阻单元有着较大的滞回度，传感器曲线不关于H＝0原点对称，存在偏置磁场H₀，不适合于线性磁场测试。

图5a和图5b为采用本发明制备方法制得的GMR磁电阻单元的磁电阻输出特性曲线图。如图5a和图5b所示，在经过低温磁退火步骤之后，电阻变化曲线中线性变化范围增大，即图5a和图5b中的饱和磁场H_S大于图4中的饱和磁场H₁，滞回度急剧降低，电阻随磁场有线性变化区间。这是因为退火步骤使得自由层与钉扎层磁矩相互垂直所导致的。输出曲线在不理想情况下依旧不关于H＝0原点对称。饱和磁场H_S通常相对于原点有一定的偏置，偏置磁场H₀的取值通常为2到25Oe，其常被成为“柑橘皮(Orange-peel)”或奈耳(Neel)耦合。饱和磁场与GMR结构内铁磁薄膜的粗糙度有关，且取决于材料和制造工艺，饱和磁场H_S与偏置磁场H₀间的关系满足：H₀<H_S，H_S的大小为电阻变化所需的磁场变化大小的一半。通过低温磁退火可以得到低滞回度、线性范围更大的磁电阻单元。本发明的GMR磁电阻单元的线性场范围大于磁电阻输出特性曲线的偏置磁场，可以提高器件的测量范围，而且，假定每一个GMR磁电阻元件的磁电阻响应偏置小于意欲测量的最大磁场时，传感器芯片结合后偏置消除，可以得到近乎理想的响应。

将本发明的GMR磁电阻单元串联形成如图6所示的半桥结构，图6中所示测量磁场方向与钉扎层的磁化方向平行，而退火所施加磁场方向与测量磁场方向(钉扎层的磁化方向)垂直，这样就得到两铁磁层磁矩相互垂直的结构。理想情况下，半桥结构的两个磁电阻元件的大小相同，在零磁场情况下，其输出电压应等同于V_bias的一半。当对其外加偏置电压V_bias时，得到的差分半桥的输出电压曲线如图7和图8所示。从图7和图8可以看出，经过半桥方式连接后，线性电阻变化范围变得关于Y轴对称，消除了偏置磁场H₀对对称性的破坏，因此能够得到近乎理想的响应。

图9为图1所示的全桥结构的输出电压曲线图，将本发明的GMR磁电阻单元。与半桥结构的输出响应不同的是，全桥输出响应是双极性的，因此在零磁场下，V_A＝V_B＝V_bias/2，输出电压V_out为零，且对磁场H的响应的灵敏度应为半桥的两倍。如图9所示，理想状况下曲线关于原点中心对称。与半桥传感器相同，全桥结构的灵敏度随着磁电阻变化率的提高而提高，灵敏度则随着H_S的增加而降低。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (6)

1.一种GMR磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供基片；

在基片上沉积GMR多层膜结构，形成多层膜结构的GMR磁电阻单元，所述GMR磁电阻单元至少包括钉扎层、非磁金属层和自由层，所述钉扎层包括金属诱导层、反铁磁层和铁磁层；

在沉积GMR磁电阻单元的同时施加一外部磁场对钉扎层进行磁化，使钉扎层获得沿外部磁场方向的磁矩；

低温磁退火，退火的方向与钉扎层的磁化方向相垂直，退火温度低于钉扎层中反铁磁材料的阻断温度，退火温度为100～150℃；

在GMR磁电阻单元上形成相互独立的GMR磁电阻芯片；

将GMR磁电阻芯片按全桥结构连接，并与输入电极和输出电极相连，得到全桥结构的GMR磁传感器。

2.如权利要求1所述的GMR磁场传感器的制备方法，其特征在于：退火磁场小于钉扎层磁矩完全翻转时的磁场大小。

3.如权利要求1所述的GMR磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述自由层为CoFe/NiFe形成的双层结构。

4.如权利要求2所述的GMR磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述自由层中NiFe层的厚度为5-70nm。

5.如权利要求1所述的GMR磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述铁磁层为CoFe层。

6.如权利要求1所述的GMR磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述多层膜结构包括依次生长于所述基片上的粘附层、钉扎层、非磁金属层、自由层和保护层。

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