结构参数对各向异性磁电阻(...MR)磁场传感器性能的影响_王华昌.pdf

磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 72 结构参数对各向异性磁电阻(AMR)磁场传感器性能的影响王华昌 1，罗科 1，李秀霞 1，余涛 2，孙成 3，冯伟 1，张文旭 3(1.四川永星电子有限公司，四川成都 610500；2.贵州雅光电子股份有限公司，贵州贵阳 550016；3.电子科技大学 电子科学与工程学院，四川成都 610054)摘要：采用磁控溅射工艺制备NiFe合金薄膜，通过电子束蒸发制备Barber电极，获得了各向异性磁电阻(AMR)线性磁场传感器。通过材料芯片技术，系统研究了图形化的NiFe薄膜宽度、厚度以及Barber电极角度、间距等因素对传感器性能的影响。测试结果表明，在设计的工艺条件下，NiFe薄膜宽度为36 m、厚度为28 nm、Barber电极角度为40以及电极间距为10 m时，该磁场传感器在磁场范围为5 G内灵敏度最大，达到1.17 mV/(V G)。研究工作为进一步发展基于AMR效应的角度及磁场传感器芯片提供参考。关键词：AMR磁场传感器；NiFe薄膜；Baber电极；输出电压；灵敏度中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1001-3830(2023)03-0072-05DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.03.012著录格式：王华昌,罗科,李秀霞,等.结构参数对各向异性磁电阻(AMR)磁场传感器性能的影响J.磁性材料及器 件,2023,54(3):72-76./WANG Hua-chang,LUO Ke,LI Xiu-xia,et al.Effects of structural parameters on the performance of anisotropic magnetoresistive magnetic sensor J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(3):72-76.Effects of structural parameters on the performance of anisotropic magnetoresistive magnetic sensorWANG Hua-chang1,LUO Ke1,LI Xiu-xia1,YU Tao2,SUN Cheng3,FENG Wei1,ZHANG Wen-xu31.Sichuan Yongxing Electronics Co,Ltd,Chengdu 610500,China;2.Guizhou Yaguang Electronics Co,Ltd,Guiyang 550016,China;3.School of Electronic Science and Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,ChinaAbstract:Using NiFe alloy thin film prepared by magnetron sputtering process and Barber-pole prepared by electron beam evaporation process,the magnetic sensor based on anisotropic magnetoresistance(AMR)effect was realized.Through the material chip technology,the influence of the width and thickness of the patterned NiFe thin film,the angle and distance of the Barber-pole on the output performance of the magnetic sensor were systematically analyzed.The results show that,the sensor features a maximum sensitivity 1.17 mV/(VG)within a magnetic field range of 5 G with NiFe film width of 36 m and thickness of 28 nm,barber-pole angle of 40,and electrode spacing of 10 m.The research work provides a reference for the further development of angle and magnetic field sensor chips based on the AMR effect.Key words:AMR magnetic sensor;NiFe thin film;Barber-pole;output voltage;sensitivity1 引言各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)效应，即在铁、钴、镍等铁磁金属及其合金材料中，随着磁场与电流方向夹角的变化而引起铁磁材料电阻的变化，当电流与磁场方向平行时，电阻最大；当电流与磁场方向垂直时，电阻最小1-2。AMR效应早在1857年被William Thomson发现，由于当时科学水平和技术的限制而没有引起重视，在100多年后，随着信息技术的快速发展，基于AMR收稿日期：2022-07-04 修回日期：2022-08-31通讯作者：李秀霞 E-mail:lixiuxia_王华昌等：结构参数对各向异性磁电阻（AMR）磁场传感器性能的影响 73 的磁场传感器的磁记录磁头在信息记录领域中获得了重要应用，成为最具代表性的磁传感器之一，从而掀起了研究和应用的热潮3。NiFe合金具有较强的各向异性磁电阻效应、较高的居里温度、易于实现与电路集成以及较低的制作成本等优点成为开发磁电阻传感器的首选材料4-6。基于NiFe薄膜制备的AMR传感器具有成本低、灵敏度高、体积小及可靠性高等特点，广泛应用于磁场探测、转速测量、位置测量、电流传感和电子罗盘等领域7。在AMR线性磁场传感器中，磁电阻薄膜作为核心单元，通常采用磁控溅射的方法形成薄膜，通过Barber电极改变磁电阻薄膜的电流方向，以扩展传感器的线性工作区间。有研究表明当磁畴方向与电流方向呈45角时，可以在较大的磁场范围内获得近似线性的磁电阻8-9。在弱磁场下，提高AMR传感器的灵敏度，扩大其线性工作区间，使测量更加准确性至关重要。为了得到体积小、灵敏度高，可靠性高、稳定性好的磁敏传感器，需要对传感器的工艺条件进行优化。胡凌桐等10研究了厚度分别为8、10、11、12、14 nm超薄NiFe薄膜对磁电阻传感器AMR比的影响，发现随着NiFe薄膜厚度的增大，AMR系数先增大后减小，当薄膜厚度为11 nm 时，AMR 比达到 1.23%。朱宇轩等11研究了Barber电极角度分别为3060条件下传感器灵敏度和自偏置磁场的影响，发现当 Barber 电极角度为40时，传感器有最佳的线性度和灵敏度，分别为1.3%和5.6 mV/(VAm1)。陈雁等12利用有限元分析方法对不同取向Barber电极的各向异性磁电阻传感器进行了分析和计算，发现当Barber电极与磁电阻条长度方向夹角为50时，传感器具有最好的输出对称性。不同研究者得到的电极最优取向不同，来源于不同研究者获得的材料电磁参数的差别。因而，需要针对具体的磁电阻层材料及器件参数，设计优化Barber电极几何尺寸。基于Barber电极的AMR线性磁场传感器性能的影响因素很多，如何快速优化器件性能是巨大的挑战。材料芯片技术是一种高密度的材料库阵列，即运用光刻掩膜组合技术和薄膜合成技术，快速高效地将大量不同的材料集成在同一基底上。1995年，Schultz教授和项晓东博士首次将组合材料芯片技术引入新材料的研究中，之后在国际顶级期刊自然 科学等陆续发表多篇关于材料芯片技术及其应用的论文13。自此组合材料芯片技术受到广泛关注。陈贵宾等14利用材料芯片技术制备了不同硼离子注入剂量的p-n结系列HgCdTe探测器单元，通过冷探针系统测量这些单元的电流-电压特性，即可得到p-n结重要特性参数：零偏电阻值R0。结果表明，当硼离子注入剂量较高(120140)1013/cm2时，HgCdTe单元表现出最佳的p-n结性能。Cun等15研究了镍-钛-铜组成的三元合金体系，结果发现滞后温度值与合金成分存在直接联系。Ludwig等16研究了铁-铂体系的成分与退火温度对其磁学性能的影响，为退火温度的选择提供了依据。本文主要针对磁电阻薄膜和Barber电极几何参数方面进行优化，以提高传感器的灵敏度，为AMR传感器的研究提供参考。2 传感器结构与制备传感器主要包括磁电阻层和Barber电极层。磁电阻层由平行排布的多条磁电阻条构成，磁电阻条设计为长条形，两端为30尖角形状，可增强磁电阻条长度方向的磁各向异性，降低传感器的噪声。Barber电极层覆盖在磁阻层上，将断开的磁阻条进行连接，形成磁电阻桥，通过改变磁阻条电流方向，使传感器在零磁场附近呈线性输出。首先对单晶硅衬底进行表面氧化处理，然后采用磁控溅射制备NiFe磁电阻薄膜，腔室背底真空度优于5105 Pa，溅射气压为纯度4 N(99.99%)的氩气，工作气压为0.2 Pa。磁电阻敏感层为三层薄膜，首先沉积一薄层Ta缓冲层，厚度1 nm，再生长厚度约为20 nm的NiFe薄膜，然后沉积厚度为5 nm的Ta层作为保护层，形成 Ta/NiFe/Ta 的三明治结构。NiFe薄膜溅射功率为70 W，溅射速率为5.5 nm/min。生长完成后，将薄膜置于真空退火炉中进行磁场织构化处理，温度为300，磁场为300 G。采用电子束蒸发在磁电阻薄膜上生长 Barber 铝硅合金电极，腔室真空气压为 8106 Pa，蒸发速率为 0.02 nm/s。通过剥离工艺，形成图案化样品。在线性磁场传感器设计中为迅速优化相关的关键试验参数，采用材料芯片技术，通过组合方式，一次制备样品后，形成多个参数组合的样品。实验中主要优化的参数包括薄膜厚度及磁电阻条宽度、Barber电极间距和角度。为此设计了如图1所示的磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 74 图案分布，分别在晶圆不同区域实现磁电阻条宽度、电极间距以及不同电极角度的组合。第一层光刻板为磁电阻条宽度控制，用纵坐标代表行，每一行对应不同的磁电阻条宽度，相邻行磁电阻条宽度相差4 m。如第一行对应的AMR传感器磁电阻条宽度为32 m，第二行对应的条宽度为 28 m。第二层光刻版为 Barber 电极形状控制，用横坐标代表列，每一列对应不同的电极间距和电极角度，电极角度被划分为 3 个值，分别为 40、45以及50。第一列对应的电极间距为14 m，电极角度为40。根据行和列对应的数值即可确定传感器的设计参数，如第一行第8列对应的设计参数为：磁电阻条宽度 w=32 m，电极间距 d=14 m，电极角度=40。第611行和617列对应的单元为第一个部分，其第一层光刻板中磁电阻条宽度分别为 16 m、20 m、24 m、28 m、32 m、36 m，电极角度分别为40、45和50，一共组合成72个不同尺寸的AMR磁场传感器，每个器件结构及形状如图2所示。3 结果与分析3.1 NiFe薄膜宽度对输出性能的影响磁电阻条的宽度对其磁化过程有重要的影响，通过磁电阻条宽度的调节可以改变薄膜长条的矫顽力。根据磁学理论，偏置磁场除材料的各向异性场Hk外，还有退磁场 Hd的贡献，其偏置场可以表示为：Hb=Hk+Hd=Hk+twMs(1)其中，t为薄膜厚度，w为薄膜宽度，Ms为材料的饱和磁化强度。因而，不同的薄膜宽度将导致不同的偏置场，从而对器件的灵敏