一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法技术

本发明专利技术公开了低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法，包括磁性隧道结的制备，两次退火，磁聚集器的制备，第三次退火，其中两次退火时施加磁场的方向互相垂直，第三次退火时，施加磁场的方向与第二次退火的方向相同，本发明专利技术有效抑制了隧道结磁电阻敏感体输出响应的磁滞。

【技术实现步骤摘要】
一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法
本专利技术涉及磁传感器领域，尤其涉及一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法。
技术介绍
磁电阻传感器由于具有高灵敏、低能耗、低成本及小型化等特点得到广泛关注，在生物医学、工业制造、地球物理和航天航空等领域都发挥着重要作用。其中，隧道结磁电阻敏感体由于具有更高的磁阻变化率，一直是磁电阻传感器研究中的热点之一。受材料特性的影响，隧道结磁敏感体存在磁滞行为，严重影响了传感器的弱磁探测能力。目前，通过改变自由层的形状尺寸或施加磁场偏置，构建磁性隧道结势垒层两侧的自由层与参考层易轴相互垂直的结构，可一定程度减小器件磁滞。磁聚集器常常使用较高磁导率的软磁材料制备而成，可以聚，磁隧道结敏感体磁滞难以减小。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种有效抑制输出响应的磁滞的低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法，包括以下步骤S1、将磁性多层膜制备成磁性隧道结；S2、将磁性隧道结置于真空磁场环境下，升温进行第一次退火处理，冷却至室温后，再升温进行第二次退火处理，所述第一次退火处理的磁场方向和第二次退火处理的磁场方向垂直，得到磁性隧道结器件；S3、在磁性隧道结器件上溅射电镀种子层，将聚集器形状转移至磁性隧道结器件上，电镀形成电镀层，得到磁聚集器；S4、将磁聚集器置于真空磁场环境下，升温进行第三次退火处理，所述第三次退火处理的磁场方向和第二次退火处理的磁场方向相同，冷却至室温后，得到低磁滞隧道结磁敏感体。作为对上述技术方案的进一步改进：所述步骤S2中，第一次退火处理的温度为300℃~400℃，磁场为1kOe~10kOe。所述第一次退火处理的时间为30min~2h。所述第二次退火处理的温度为200℃~250℃，磁场为500Oe~5kOe。所述第二次退火处理的时间为1h~10h。所述第一次退火处理和/或第二次退火处理和/或第三次退火处理的升温速率为1~20℃/min。所述步骤S4中，所述第三次退火处理的温度为100℃~200℃，磁场为500Oe~2kOe；时间为30min~4h。所述步骤S1具体包括以下步骤：S1-1、将磁性多层膜结构光刻制备底电极层的形状，采用离子束刻蚀工艺刻蚀制备底电极层，去除光刻胶；S1-2、光刻制备结区的形状，采用离子束刻蚀工艺刻蚀制备结区，去除光刻胶；刻蚀时，离子束垂直入射刻蚀至预设时间段后，再将离子束的入射角倾斜10°~45°继续刻蚀直至刻蚀完成；S1-3、沉积绝缘层，采用光刻工艺将底电极层和结区的形状转移到绝缘层上，采用离子束刻蚀工艺刻蚀掉结区区域及底电极层区域的绝缘层，露出底电极层表面，形成底电极层及结区的导电通路；S1-4、采用光刻、反转、泛曝光、显影和电子束蒸镀工艺制备第二顶电极层。所述步骤S1-1中，所述磁性多层膜结构自下而上依次包括基底、缓冲层、底电极层、隧穿势垒层、第一顶电极层。所述低磁滞隧道结磁敏感体自下而上依次包括基底、缓冲层、底电极层、隧穿势垒层、第一顶电极层、第二顶电极层绝缘层、电镀种子层和电镀层，所述底电极层的磁化方向和第一顶电极层、第二顶电极层的磁化方向垂直，所述第一顶电极层、第二顶电极层和电镀层的磁化方向相同。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术先对磁性隧道结进行了两次退火，两次退火的磁场方向垂直，由此获得线性化的响应，再设置磁聚集器后，进行了第三次退火，诱导磁聚集器的磁矩转向固定的方向并释放聚集器内应力，优化底电极层和第一顶电极层中铁磁层的结晶状态和铁磁层/隧穿势垒层界面质量，可以较好的提高隧道结的灵敏度，且有效抑制隧道结输出响应的磁滞。2、本专利技术在制作隧道结结区时采用多步倾斜刻蚀的方法，先垂直刻蚀，再倾斜刻蚀，可以有效的消除磁性隧道结中短路通道的形成，极大的提高了隧道结的制备成功率，有利于提高产品的磁性及电学性能。附图说明图1为本专利技术实施例1中的磁性多层膜结构示意图及三次退火后铁磁层磁化方向示意图。图2为本专利技术实施例1中低磁滞隧道结磁敏感体制备加工工艺流程图。图3为本专利技术实施例1中，退火前、一次退火后及二次退火后样品的磁阻响应曲线图。图4为本专利技术实施例1中，三次退火后，带磁聚集器的样品输出响应曲线图。图5为本专利技术实施例1中生长或制备好的磁性多层膜结构的结构示意图。图6为本专利技术实施例1中完成底电极层后样品的结构示意图。图7为本专利技术实施例1中设置隧道结结区后样品的结构示意图。图8为本专利技术实施例1中沉积SiO2绝缘层后样品的结构示意图。图9为本专利技术实施例1中刻蚀SiO2绝缘层后样品的结构示意图。图10为本专利技术实施例1中制备第二顶电极层后样品的结构示意图。图11为本专利技术实施例1中聚集器形状转移后样品的结构示意图。图12为本专利技术实施例1中释放敏感体引脚后样品的结构示意图。图中各标号表示：1、基底；21、缓冲层；30、底电极层；4、隧穿势垒层；50、第一顶电极层；54、第二顶电极层；6、绝缘层；71、电镀种子层；72、电镀层。具体实施方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。除非特殊说明，本专利技术采用的仪器或材料为市售。实施例1：以二氧化硅为基片，通过背景真空为10-6Pa的磁控溅射法，制备出如图1所示低磁滞隧道结磁敏感体，自下而上依次包括基底1，缓冲层21（种子层），底电极层30，隧穿势垒层4，第一顶电极层50，第二顶电极层54，绝缘层6，电镀种子层71及电镀层72，底电极层30的磁化方向与第一顶电极层50及第二顶电极层54（或电镀层72）的磁化方向垂直。其中：缓冲层21为Ta/Ru相互间隔的种子层；底电极层30，自下而上包含：20nm厚的PtMn反铁磁层31和3nm厚的CoFe铁磁层32，1nm厚的Ru间隔层33，2nm厚的CoFeB铁磁层34。CoFe铁磁层32，Ru间隔层33，CoFeB铁磁层34组成人工合成反铁磁层；隧穿势垒层4为MgO绝缘层，厚度为1~2nm；第二顶电极层50，自下而上包含：2nm厚的CoFeB铁磁层51，10nm厚的NiFe铁磁层52，10nm厚的IrMn反铁磁层53；后续沉积的第二顶电极层54为Au层；绝缘层6为SiO2层；电镀种子层71为Cr/Cu层，电镀层72为NiFe层。如图2所示，本实施例的一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法，包括磁性隧道结的制备，垂直二次退火，磁聚集器的制备，磁聚集器的第三次退火，具体包括以下步骤：步骤S1：磁性隧道结的制备：具体流程可以分为底电极层30制备、隧道结结区制备、过孔和第一顶电极层50及第二顶电极层54制备。“底电极层30的制备”指的是把底电极层30刻蚀出来，底电极层30在磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤/nS1、将磁性多层膜制备成磁性隧道结；/nS2、将磁性隧道结置于真空磁场环境下，升温进行第一次退火处理，冷却至室温后，再升温进行第二次退火处理，所述第一次退火处理的磁场方向和第二次退火处理的磁场方向垂直，得到磁性隧道结器件；/nS3、在磁性隧道结器件上溅射电镀种子层（71），将聚集器形状转移至磁性隧道结器件上，电镀形成电镀层（72），得到磁聚集器；/nS4、将磁聚集器置于真空磁场环境下，升温进行第三次退火处理，所述第三次退火处理的磁场方向和第二次退火处理的磁场方向相同，冷却至室温后，得到低磁滞隧道结磁敏感体。/n

【技术特征摘要】
1.一种低磁滞隧道结磁敏感体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤
S1、将磁性多层膜制备成磁性隧道结；
S2、将磁性隧道结置于真空磁场环境下，升温进行第一次退火处理，冷却至室温后，再升温进行第二次退火处理，所述第一次退火处理的磁场方向和第二次退火处理的磁场方向垂直，得到磁性隧道结器件；
S3、在磁性隧道结器件上溅射电镀种子层（71），将聚集器形状转移至磁性隧道结器件上，电镀形成电镀层（72），得到磁聚集器；
S4、将磁聚集器置于真空磁场环境下，升温进行第三次退火处理，所述第三次退火处理的磁场方向和第二次退火处理的磁场方向相同，冷却至室温后，得到低磁滞隧道结磁敏感体。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，第一次退火处理的温度为300℃~400℃，磁场为1kOe~10kOe。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述第一次退火处理的时间为30min~2h。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第二次退火处理的温度为200℃~250℃，磁场为500Oe~5kOe。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述第二次退火处理的时间为1h~10h。


6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述第一次退火处理和/或第二次退火处理和/或第三次退火处理的升温速率为1~20℃/min。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述第三次退火处理的温度为100℃~200℃，磁场为5...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡佳飞，李裴森，冀敏慧，潘孟春，彭俊平，邱伟成，陈棣湘，姚馨平，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43