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， 涉及一种 用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制造方 法。 背景技术

磁敏传感器无论在数据存储、机械定位、速度 检测还是无伤探测等各领 域都有很广泛而重要的应用前景。早期的磁敏 传感器主要是基于具有霍尔效 应的半导体材料和具有磁各向异性磁电阻 (AMR)效应的磁性材料来制备， 然 而这两类材料的磁场灵敏度都较低。 随着自旋电子学的发展， 基于巨磁电阻 效应以及隧穿磁电阻效应的磁敏传感器得到了 广泛的研究和应用。其主要原 因是由于这两类磁敏传感器的磁场灵敏度较高 ，并且基于磁电阻效应尤其是 巨磁电阻效应和隧穿磁电阻效应制作的器件， 其生产工艺能和常规的半导体 工艺相兼容， 因此在工业上具有非常大的市场和广泛的用途 。

目前工业上大量应用的基于 GMR和 TMR两类磁电阻效应的磁敏传感 器（比如： 磁硬盘 HDD中的磁读头；)， 基本上是采用埋入永磁薄膜的方法使 得自旋阀结构中的自由层（即对外磁场敏感的 层）与参考层（即被顶扎层） 的磁矩实现 90度垂直夹角，因而使自旋阀式的 GMR纳米磁性多层膜或者磁 性隧道结的磁电阻在外场下具有线性且无磁滞 的响应。 然而， 在使用 GMR 自旋阀结构和磁性隧道结时需要埋入永磁薄膜 的设计和制备方法大大增加 了工艺难度和制造成本， 而且 4艮难将器件小型化。 发明内容

因此， 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷， 提供一种具有线性 磁电阻特性的用于磁敏传感器的磁性纳米多层 膜及其制造方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的 ： 根据本发明的第一方面，提供一种用于磁敏传 感器的磁性纳米多层膜， 由下至上依次包括：

基片；

底层；

参考磁性层；

中间层；

探测磁性层； 和

，

其中所述参考磁性层和所述探测磁性层具有釘 扎结构 ,用于将探测磁性 层磁矩转动的信息转化成电信号， 并感应被探测磁场。

在上述磁性纳米多层膜中， 所述釘扎结构包括间接釘扎结构， 该间接 釘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 ), 或者包括反铁磁性层（ AFM ) /非磁性金属层（ NM ) /铁磁性层（ FM ), 或者包括反铁磁性层（ AFM ) /第一非磁性金属层（ NM1 ) /第一铁磁性层（FM1 ) /第二非磁性金属层（NM2 ) /第二铁磁性层（FM2 )。

在上述磁性纳米多层膜中， 所述釘扎结构包括直接釘扎结构， 所述直 接釘扎结构包括反铁磁性层（AFM ) /铁磁性层（FM )。

在上述磁性纳米多层膜中， 所述探测磁性层中反铁磁性层的交换偏置 强度低于所述参考磁性层中反铁磁性层的交换 偏置强度。

在上述磁性纳米多层膜中， 当所述上、 参考磁性层均采用间接釘扎结 构时， 所述探测磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度低 于所述参考磁性层中 反铁磁性层的布洛赫温度。

在上述磁性纳米多层膜中， 所述探测磁性层和所述参考磁性层的反铁 磁性层由不同反铁磁性材料制成， 或由厚度不同的同一反铁磁性材料制成。

在上述磁性纳米多层膜中， 所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合 金或氧化物。

在上述磁性纳米多层膜中，所述铁磁性层（ FM )、第一铁磁性层（ FM1 ) 和第二铁磁性层（FM2 )由铁磁性金属或其合金制成， 厚度为 l ~ 20 nm; 或 由稀磁半导体材料或半金属材料制成， 厚度为 2.0 ~ 50 nm, 所述铁磁性层可 以是单层薄膜， 也可以是由多层薄膜构成的复合薄膜。

在上述磁性纳米多层膜中， 所述中间层包括非磁性金属层或绝缘势垒 层。 在上述磁性纳米多层膜中， 所述底层包括由非磁性金属层制成的单层 或多层薄膜， 厚度为 3~50nm。

在上述磁性纳米多层膜中， 所述覆盖层包括由金属材料制成的单层或 多层薄膜， 厚度为 2~40nm。

根据本发明的第二方面， 提供一种磁性纳米多层膜的制造方法， 该方 法包括以下步骤：

1 )选取基底；

2)在该基底上由下之上依次沉积底层、 参考磁性层、 中间层、 探测磁 性层和覆盖层；

3)将步骤 2)所得产物在磁场下第一次真空退火， 该第一退火温度大 于所述参考磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度 T _B 1;

4)将步骤 3)所得产物在磁场下第二次真空退火， 其第二退火温度小 于所述参考磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度 T _B 1且大于所述探测磁性层中 反铁磁性层的布洛赫温度 T _B 2, 所述第一次退火及第二次退火的磁场方向相 互垂直。

在上述方法中， 所述步骤 2) 中生长参考磁性层的步骤包括：

由下之上依次沉积反铁磁性层（AFM) /第一铁磁性层（FM1 ) /非磁性 金属层（NM) /第二铁磁性层（FM2), 或者沉积反铁磁性层（AFM) /非磁 性金属层（ NM ) /铁磁性层（ FM )。

根据本发明的第三方面， 提供一种磁敏传感器， 包括磁电阻单元和被 探测磁场， 其中， 所述磁电阻单元包括磁性纳米多层膜， 该磁性纳米多层 膜由下至上依次包括：

基片；

底层；

参考磁性层；

中间层；

探测磁性层； 和 其中所述参考磁性层和所述探测磁性层具有釘 扎结构 ,用于将探测磁性 层磁矩转动的信息转化成电信号，并感应被探 测磁场； 当被探测磁场为零时， 所述参考磁性层与探测磁性层的磁矩方向相互 垂直。

在上述磁敏传感器中， 当外磁场为零时， 所述下磁性层的磁矩平行于 被探测磁场的方向， 所述上磁性层的磁矩垂直于被探测磁场的方向 。

在上述磁敏传感器中， 所述釘扎结构包括间接釘扎结构， 该间接釘扎 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 ), 或者包括反铁磁性层（ AFM ) /非磁性金属层（ NM ) /铁磁性层（ FM ), 或者包括反铁磁性层（ AFM ) /第一非磁性金属层（ NM1 ) /第一铁磁性层（FM1 ) /第二非磁性金属层（NM2 ) /第二铁磁性层（FM2 )。

在上述磁敏传感器中， 所述釘扎结构包括直接釘扎结构， 该直接釘扎 结构包括反铁磁性层（AFM ) /铁磁性层（FM )。

在上述磁敏传感器中， 所述探测磁性层中反铁磁性层的交换偏置强度 低于所述参考磁性层中反铁磁性层的交换偏置 强度。

在上述磁敏传感器中，当所述上、参考磁性层 均采用间接釘扎结构时， 所述探测磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度低 于所述参考磁性层中反铁磁 性层的布洛赫温度。

与现有技术相比， 本发明的优点在于：

1. 筒化制作工艺， 降低制造成本；

2. 有利于器件单元的进一步小型化， 易于 加工制备和集成， 两次后期 带场退火易于进行， 工艺难度相对较小；

3.灵敏度和线性工作区域可以通过调节超薄非� ��性金属层的厚度而连续 改变。 附图说明

图 1为本发明的磁性纳米多层膜的示意图；

图 2为本发明的磁性纳米多层膜中参考磁性层和� �测磁性层的磁矩分布 示意图；

图 3为根据本发明示例 1 ~ 5的结构 A的磁性纳米多层膜的示意图； 图 4为根据本发明示例 6 ~ 10的结构 B的磁性纳米多层膜的示意图； 图 5为根据本发明示例 11 ~ 15的结构 C的磁性纳米多层膜的示意图。 图 6为根据本发明的示例 16~20的结构 D的磁性纳米多层膜的示意图； 图 7为根据本发明示例 21 ~ 26的结构 E的磁性纳米多层膜的示意图； 图 8为根据本发明示例 21的器件电阻与外加磁场（R-H )的测试结果示 意图， 其中插入图示出磁性隧道结的灵敏度和 Ru厚度（t _Ru ) 的关系；

图 9为根据本发明示例 27 ~ 31的结构 F的磁性纳米多层膜的示意图； 具体实施方式

图 1示出根据本发明一实施例的磁性纳米多层膜 100, 其由下至上依次 包括： 基片 101 (筒称为 SUB )、 种子层 102 (筒称为 SL )、 参考磁性层 103、 中间层 104 (筒称为 Space )、 探测磁性层 105和覆盖层 106 (筒称为 CAP ), 其中当外磁场为零时，探测磁性层 105的磁矩方向与参考磁性层 103的磁矩 方向相互垂直。 需要说明的是， 本发明的参考磁性层指的是用于将探测磁性 层磁矩转动的信息转化成电信号的功能磁性层 ， 其在零场下的磁矩平行于被 探测磁场的方向， 探测磁性层指的是用于感应外磁场的功能磁性 层， 其在零 场下的磁矩垂直于被探测场的方向。 以下对各个层进行详细说明。

基片 101为 Si衬底、 SiC、玻璃衬底或 Si-Si0 ₂ 衬底， 或者有机柔性衬底 等， 厚度为 0.3 ~ 1 mm。

种子层（也称底层） 102是导电性比较好且和衬底结合较紧密的非磁 性 金属层（包括单层或者多层）， 其材料优选 Ta、 Ru、 Cr、 Au、 Ag、 Pt、 Pd、 Cu、 CuN等， 也可以是金属和反铁磁层的复合层， 厚度可为 3 ~ 50 nm。

中间层 104可以是非磁性金属层或绝缘势垒层。 当中间层为非磁性金属 层时， 所形成的磁性纳米多层膜是用于 GMR器件的多层膜结构， 该非磁性 金属层一般采用 Cu、 Cr、 V、 Nb、 Mo、 Ru、 Pd、 Ta、 W、 Pt、 Ag、 Au或 其合金制作， 厚度为 l ~ 5 nm; 当中间层为势垒层时， 所形成的磁性纳米多 层膜是用于 TMR 器件的多层膜结构， 该势垒层一般采用 A10 _x 、 MgO、 Mg _1-x Zn _x O, A1N、 Ta ₂ 0 ₅ 、 ZnO、 Hf0 ₂ 、 Ti0 ₂ 、 Alq ₃ 、 LB有机复合薄膜、 GaAs、 AlGaAs、 InAs等材料制作， 优选 MgO、 A10 _x 、 MgZnO、 A1N和 Alq ₃ 、 LB 有机复合薄膜， 厚度一般在为 0.5 ~ 5nm。

覆盖层 106为不易被氧化且导电性比较好的的金属层（ 包括单层或者多 层复合金属薄膜）， 其材料优选 Ta、 Cu、 Al、 Ru、 Au、 Ag、 Pt等， 厚度为 2 ~ 40 nm , 用于保护核心结构不被氧化和腐蚀。

参考磁性层 103和探测磁性层 105的结构均可以是直接釘扎结构或者间 接釘扎结构。 "直接釘扎"是指反铁磁材料层 AFM直接和铁磁性层 FM接触 (筒写为 AFM/FM), "间接釘扎" 是指在反铁磁材料层 AFM和铁磁性层 FM 之间插入一层很薄的非磁性金属层 ΝΜ (筒写为 FM/NM/AFM ), 或者在二 者之间插入复合层 NM/FM (筒写为 FM1/NM/FM2/AFM ), 或插入复合层 NM/FM/NM (筒写为 FM1/NM1/FM2/NM2/AFM )。 通过在 AFM和 FM之间 加入插入层可以减小二者（即直接交换偏置） 的釘扎效果， 并且通过调节该 插入层的厚度可以有效调控间接交换偏置的釘 扎效果。

在上述参考磁性层 103和探测磁性层 105中， 反铁磁性层 AFM包括具 有反铁磁性的合金材料， 优选 Pt-Mn、 Ir-Mn、 Fe-Mn和 Ni-Mn, 厚度为 3 ~ 30nm; 或具有反铁磁性的氧化物， 优选 CoO、 NiO, 厚度为 5 ~ 50nm。 铁磁 性层 FM采用自旋极化率比较高的铁磁性金属， 优选 Co、 Fe、 Ni; 或者这 些铁磁性金属的合金薄膜， 优选 Co-Fe、 Co-Fe-B、 NiFeCr或 Ni-Fe (如： Ni ₈₁ Fe ₁₉ )等铁磁性合金， 厚度为 l ~ 20 nm; 或者是诸如 GaMnAs,Ga-Mn-N 等稀磁半导体材料， 或诸如 Co-Mn-Si、 Co-Fe-AL Co-Fe-Si、 Co-Mn-AL Co-Fe-Al-Si、 Co-Mn-Ge、 Co-Mn-Ga、 Co-Mn-Ge-Ga、 La _1-x Sr _x Mn0 ₃ 、 La _1-x Ca _x Mn0 ₃ (其中 0<X<1)等半金属材料， 厚度为 2.0 ~ 50 nm, 因此该铁磁 性层可以是单一的一层薄膜， 也可以是由不同材料的薄膜组成的复合薄膜。 插在铁磁性层 FM和反铁磁层 AFM之间的超薄非磁性金属层 NM—般采用 Cu、 Cr、 V、 Nb、 Mo、 Ru、 Pd、 Ta、 W、 Pt、 Ag、 Au或其合金制作， 厚度 为 0.1 ~ 5 nm。

因此， 本发明的磁性纳米多层膜结构的例子包括但不 限于：

CAP;

(2)/AFM2/CAP , 在该结构 C 的多层膜中， 随着 NM1 厚度的增加， FM1(1)/NM1/FM1(2)可以由反铁磁性耦合到铁磁性耦� ��变化， 并且耦合强度 减弱。

(此式中的（1)和 (2)表示两个 FM2层可以是具有不同的厚度的同一材料 ) 结构 E: SUB/SL/AFM 1 /FM 1 /Space/FM2/ NM/AFM2/CAP；

结构 F: SUB/SL/AFM 1 /FM 1 /Space/FM2/AFM2/CAP；

优选地，所述的探测磁性层中反铁磁性层的交 换偏置强度低于参考磁性 层中反铁磁性层的交换偏置强度，使得当在外 磁场作用下探测磁性层的磁矩 旋转时， 参考磁性层的磁矩不会跟着转动， 从而有利于获得线性输出特性。 其中， 当所述探测层和参考层均采用间接顶扎结构时 ， 所述的探测层中反 铁磁性层的布洛赫温度应低于参考层中反铁磁 性层的布洛赫温度， 即如果参 考层 103和探测层 105所使用的是同一种反铁磁材料， 那么参考层中的反铁 磁层厚度一般要大于探测层中反铁磁层的厚度 ， 这将有利于后期带场退火工 艺

图 2为本发明的具有线性磁电阻输出特性的磁性� �米多层膜中参考磁性 层和探测磁性层的磁矩分布示意图。 设定外磁场 H的方向如图所示， 当 H 等于零时， 参考磁性层的磁矩 _ref 的方向与 H的方向相同， 探测磁性层的磁 矩 _d 的方向与 H (即 _ref )的方向相互垂直； 当外磁场不等于零时， 探测磁 性层的磁矩 _d 旋转一定的角度 φ至 _d (H) ,从而使参考磁性层和探测磁性层 的磁矩的夹角由 90度变为 Θ, 实现对外磁场 H变化的感应。 其中， K _AF4 示探测层中反铁磁层对探测层磁矩的釘扎方向 ， _AF , _ref 表示参考层中反铁磁 层对参考层磁矩的釘扎方向。

由于本发明的上述磁性纳米多层膜实现了探测 层中的铁磁性层上侧和 参考层中的铁磁性层下侧的两个人工复合反铁 磁性层的相对 90度方向的垂 直釘扎， 因此具有线性磁电阻特性， 从而无需在使用时埋入永磁薄膜。

根据本发明一实施例的制造上述磁性纳米多层 膜的方法，包括以下步骤：

1 )选取基底 101 , 通过常规方法例如磁控溅射、 激光脉沖沉积等在该 基底上依次生长底层 102、 参考磁性层 103、 中间层 104、 探测磁性层 105 和覆盖层 106;

2 )将步骤 1 )所得产物带场第一次退火， 其第一退火温度 1\大于参考 磁性层的反铁磁性层的布洛赫温度 T _B , _df ；

3 )将步骤 2 )所得产物带场第二次退火， 其第二退火温度 T ₂ 在参考磁 性层的反铁磁性层的布洛赫温度 T _B . _f 和探测磁性层的反铁磁性层的布洛赫 温度 T _B . _d 之间， 其中两次退火的磁场方向相互垂直。

示例。

示例 1 ~ 5:

如图 3所示，为示例 1~5的具体结构 A: SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/ FM2(1)/NM2 /FM2(2)/AFM2/CAP , 其具体成分和厚度如下表 1所示。 下面 以示例 1为例， 说明结构 A的磁性多层膜的制备方法， 包括以下步骤：

1 )选择一个厚度为 1 mm 的 Si-Si0 ₂ 衬底作为基片 SUB , 并在磁控溅射 设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.1 nm/s, 沉积时氩气压为 0.07Pa 的条件， 在该基片上沉积 Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm) 的种子层 SL;

2 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.1nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在种子层 SL上沉积厚度为 15nm的 PtMn作为第一反 铁磁层 AF1 ;

3 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.1nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在第一反铁磁层 AF1上沉积 0.5 nm的 Cu作为 NM1 层；

4 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.06nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件，在 NM1层上沉积厚度为 3 nm的 CoFeB的第一铁磁性 层 FM1 ;

5 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.07nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件，在第一铁磁性层 FM1上沉积厚度为 2 nm的 MgO作为 中间层 Space;

6 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.06nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件，在中间层 Space上沉积 4.0 nm的 CoFeB作为 FM2(1) 层;

7 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.1nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在 FM2(1) 层上沉积 0.85 nm的超薄非磁性金属层 Ru 作为 NM2层；

8 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.06nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在 NM2层上沉积 2.5 nm的 CoFe作为 FM2(2)层；

9 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.1nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在 FM ² ( ² )层上沉积 Ί nm 的 PtMn作为第二反铁磁层 AFM2;

10 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.1nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在第二反铁磁性层 AFM2上沉积 Ta(5nm)/Ru(5nm)作 为覆盖层 CAP。

11 )将步骤 10 )所得薄膜放在真空度为 2xl(T ⁴ Pa的真空带磁场的退火炉 中 （其中磁场沿膜面某一方向）， 在温度为 375°C条件下保持 1小时， 然后 降温；

12 )将步骤 11 )所得薄膜放在真空度为 2xl(T ⁴ Pa的真空带磁场的退火炉 中（其中磁场方向与第一次磁场的方向垂直， 仍在膜面内 ), 在温度为 250°C 条件下保持 15分钟， 然后降温， 即得到所需的纳米磁性多层膜。 该磁性纳米多层膜结构经过后期微加工工艺， 制备成直径是 Ο=10μηι的 实心圓形结构。 该磁性纳米多层膜结构可用作 TMR磁敏传感器的核心检测 单元。 表 1

(除已标注外， 列表中其余的厚度单位均为纳米）

对上述示例 1 ~ 5 的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行了测 试, 果表明， 示例 1 ~ 5的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性� �应。 示例 6 ~ 10: 按与示例 1类似的方法制备示例 6 ~ 10, 不同之处在于示例 6 ~ 10的磁 性纳米多层膜为结构 B , 即： SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2 /AFM2/CAP , 如图 4所示， 各层的成分和厚度如下表 2所示。

表 2

(除已标注外， 列表中其余的厚度单位均为纳米）

对上述示例 6 ~ 10的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行了� ��试， 结 果表明， 示例 6 ~ 10的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性� ��应。 示例 11 ~ 15:

按与示例 1类似的方法制备示例 11 ~ 15, 不同之处在于示例 11 ~ 15的 磁性纳米多层膜为结构 C, 即： SUB/SL/AFM1/FM1(1)/NM1/FM1(2)/Space/ FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP如图 5所示， 各层的成分和厚度如下表 3 所示,

表 3

(除已标注外， 列表中其余的厚度单位均为纳米）

对上述示例 11 ~ 15 的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行了测 试, 结果表明， 示例 11 ~ 15的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性� ��应。 示例 16~20：

按与示例 1类似的方法制备示例 16~20, 不同之处在于示例 16~20的磁 性纳米多层膜为结构 D , 即 SUB/SL/AFM 1 /FM 1 /Space/FM2(1 )/NM /FM2(2)/AFM2/CAP , 如图 6所示, 各层的成分和厚度如下表 4所示。

表 4

(除已标注外， 列表中其余的厚度单位均为纳米）

对上述示例 16~20的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行� ��测试，结 果表明， 示例 16~20的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线� ��响应。 示例 21 ~ 26：

如图 7所示， 为示例 21 ~ 26的具体结构 E: SUB/SL/AFM1/FM1/Space/ FM2/ NM/AFM2/CAP。 下面以示例 21为例， 说明结构 E的磁性多层膜的制 备方法， 包括以下步骤：

1 )选择一个厚度为 1 mm 的 Si-Si0 ₂ 衬底作为基片 SUB, 并在磁控溅射 设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.1 nm/s, 沉积时氩气压为 0.07Pa 的条件， 在该基片上沉积 Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm) 的种子层 SL;

2 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.1 nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在种子层 SL上沉积 IrMn厚度为 15nm的第一反铁磁 层 AF1 ;

3 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.06nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在第一反铁磁层 AF1上沉积厚度为 2.5 nm的 CoFeB 的第一铁磁性层 FM1;

4 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.07nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在第一铁磁性层 FM1上沉积厚度为 1.0 nm的 A10 _x 作 为中间层 Space;

5 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.06nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件，在中间层 Space上沉积 3nm的 CoFeB作为第二铁磁性 层 FM2;

6 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.1 nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在第二铁磁性层 FM2上沉积 0.04 nm的超薄非磁性金 属层 Ru作为 NM层。

7 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.1 nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在 NM层上沉积 6.5 nm 的 IrMn作为第二反铁磁层 AFM2。

8 )在磁控溅射设备上以真空优于 2xl(T ⁶ Pa, 沉积速率为 0.1 nm/s, 氩气 压为 0.07 Pa的条件， 在第二反铁磁性层 AFM2上沉积 Ta(5nm)/Ru(5nm)作 为覆盖层 CAP。

9 )将步骤 8 )所得薄膜放在真空度为 2xl(T ⁴ Pa的真空带磁场的退火炉 中 （其中磁场沿膜面某一方向）， 在温度为 265°C条件下保持 1小时， 然后 降温；

10 )将步骤 9 )所得薄膜放在真空度为 2xl(T ⁴ Pa的真空带磁场的退火炉 中（其中磁场方向与第一次磁场的方向垂直， 仍在膜面内 ), 在温度为 200°C 条件下保持 15分钟， 然后降温， 即得到所需的纳米磁性多层膜， 结构如图 7 所示。

该磁性纳米多层膜结构经过后期微加工工艺， 制备成直径是 Ο=10μηι的 实心圓形结构。 该磁性纳米多层膜结构可用作 TMR磁敏传感器的核心检测 单元。

按照上述示例 1的方法， 本发明还制备了 NM层在不同厚度下的样品， 即将步骤 6 ) 中 Ru为 0.04nm的厚度替换为 0.06、 0.14、 0.16nm的厚度。 图

8是在这些不同 Ru厚度下的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场� ��R-H )的测 试结果示意图。 从图中可以看到， 对于不同的 Ru的厚度的磁性隧道结， 其 磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性响应 ， 并且其斜率随着 Ru厚度的 增加而增加； 插入图示意了磁性隧道结的灵敏度和 Ru厚度（t _Ru ) 的关系， 从图中可以看出， 通过调节 Ru的厚度可以极大地改变灵敏度的大小。

示例 22~26磁性多层膜的各层成分和厚度如下表 5所示， 两次退火温度 根据参考层和探测层中两种反铁磁性层的布洛 赫温度来适当确定。

表 5

(除已标注外， 列表中其余的厚度单位均为纳米）

对上述示例 22~26的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行� ��测试，结 果表明， 示例 22~26的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线� ��响应。 示例 27 - 31:

按与示例 1类似的方法制备示例 27 ~ 31 , 不同之处在于示例 27 ~ 31的 磁性纳米多层膜为结构 F , 即 SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/ CAP , 如图 9所示， 各层的成分和厚度如下表 6所示。

表 6

(除已标注外， 列表中其余的厚度单位均为纳米）

对上述示例 27 ~ 31 的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行了测 试， 结果表明， 示例 27 ~ 31的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性� ��应。

需要说明的是， 对于结构 F来说， 如果在步骤 1 )至步骤 8 ) 的生长薄 膜过程中已经得到参考磁性层和探测磁性层的 磁矩互相垂直， 那么对后面退 火处理的温度则没有要求。 换言之， 如果参考磁性层和探测磁性层均采用直 接釘扎结构， 则可以利用本领域公知的方法在沉积多层膜时 制备出探测磁性 层与参考磁性层的两个磁矩互相垂直的构型， 同样能够达到本发明目的。

因为在钉扎结构中铁磁性层的磁矩方向有结构 中的反铁磁性层的钉扎方 向控制， 而反铁磁性层的钉扎方向可以通过薄膜生长时 所加的外磁场方向或 者后期退火过程中所加的磁场方向控制。 本发明的磁性纳米多层膜能够实现 线性范围和灵敏度均可以控制的对外场的线性 响应磁电阻效应。

在上述实施例中， 两次磁场下的退火温度仅为示意性的， 如果用 T _B 1和 T _B 2表示分别用于釘扎参考层和探测层的两种反� �磁性层的布洛赫温度，则 两次带磁场退火的要求为： 第一次退火温度 T1>T _B 1 , 第二次退火温度 T2要 求 T _B 1>T2>T _B 2, 并且两次退火的磁场方向相互垂直。 由此， 本领域技术人 员可以根据所选用的具体材料来适当确定本发 明各实施例中两次退火的温 度， 从而通过所述退火工艺得到在外磁场为零时， 两个磁性层的磁矩相互垂 直， 获得具有线性响应的基于 GMR或 TMR效应的磁性传感器。 另外， 在 本发明的其他实施例中，磁性纳米多层膜经过 后期的微纳米加工过程可以加 工成尺寸大小从数十纳米到数十微米的不同形 状的结构。其形状包括空心或 实心的长径比从 1 : 1到 1 : 3的橢圓、 长宽比从 1 : 1到 1 : 3的矩形、 以及 一些正多边形 （边数 N=4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 24 ), 其中优选为实心 的圓和正方形。

对于本领域的普通技术人员还应该理解， 实施例中所采用的磁控溅射方 法仅为示意， 还可以使用诸如等离子体气相沉积、 低压化学气相沉积等本领 域公知的制膜方法来制备上述多层膜； 所述沉积速率、 真空度、 退火温度及 时间仅为示意， 还可以采用其他工艺条件。

根据本发明实施例， 提供一种基于 GMR或 TMR效应的磁敏传感器， 该传感器包括磁电阻单元和被探测磁场， 其中所述磁电阻单元包括磁性纳 米多层膜， 该磁性纳米多层膜由下至上依次包括： 基片、 底层、 参考磁性 层、 中间层、 探测磁性层和覆盖层； 其中所述参考磁性层具有釘扎结构， 用于将探测磁性层磁矩转动的信息转化成电信 号，所述探测磁性层具有釘扎 结构， 用于感应被探测磁场； 当被探测磁场为零时， 所述参考磁性层与探 测磁性层的磁矩方向相互垂直。 磁性纳米多层膜的具体结构及材料如前所 述， 这里不再详细论述。

本发明利用不同的反铁磁薄膜或者不同厚度的 同一种反铁磁性薄膜具有 不同的布洛赫温度， 并结合两次后期带磁场退火， 以得到在外磁场为零时参 考磁性层和探测磁性层的磁矩相互垂直， 从而得到具有线性响应的基于 GMR或 TMR效应的线性磁敏传感器。 另外，在铁磁性层和反铁磁性层之间 通过设置插层以及改变该插层的厚度来调控 FM/NM/AFM 或 FM 1 ( 1 )/NM/FM 1 (2)/AFM之间的间接交换偏置，以达到控制线性� �电阻工作 范围的大小和灵敏度的高低，从而克服了目前 所用磁头中利用埋入永磁铁薄 膜的方法产生线性磁电阻效应的复杂工艺。

由于本发明所采用的材料具有很高的磁电阻信 号， 例如在 GMR器件中 以 CoFe为磁性电极的自旋阀结构能够获得室温高� � 20%的 GMR比值（参 见 M. Li, et al, Digest Int. Symp. Magn. Mat. Proc. Devices, 2002 ); 在 TMR H 件中， 目前在以 CoFeB为磁性电极的 A10 _x 磁性隧道结中能获得室温 80%以 上的室温 TMR比值（参见 Η· X. Wei, X. F. Han et al , J. Appl. Phys. 101 (2007) 09B501 ); 在以 MgO 为势垒的磁性隧道结中则能达到 600%以上（参见 S. Ikeda, H. Ohno et al., Appl. Phys. Lett. 93 (2008) 082508 ), 因此基于本发明构 思而得到磁敏传感器也具有很高的灵敏度。本 发明的磁性纳米多层膜可以应 用于较宽领域， 例如存储器行业、 诸如位移传感器、 速度以及角速度传感器 的机械行业， 还适用于电流传感器、 地磁场传感器和医用脑磁图、 心磁图传 感器， 以及诸如基于磁通流量的检漏探头等无伤探测 行业等。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描 述，但是对于本领域的普 通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发 明的精神以及范围之内基于本 发明公开的内容进行修改或改进， 这些修改和改进都在本发明的精神以及范 围之内。