各向异性可调制的磁性薄膜结构、磁敏传感器及制备方法

摘要

一种GMR或TMR磁性纳米多层薄膜结构、磁敏传感器及制备方法，该磁性纳米多层薄膜结构依次包括基片和其上的缓冲层，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利用了铁磁层/非磁层界面诱导的垂直各向异性，通过调节参考磁性层中铁磁层厚度使得其易磁化方向为面内，设为XY方向，或垂直膜面，设为Z方向。本发明利用铁磁层/非磁层界面诱导的垂直各向异性调制参考磁性层的磁各向异性，在铁磁层较薄处获得易磁化轴垂直膜面的参考层，在铁磁层较厚处获得易磁化轴在面内的参考层，再利用钉扎结构及诱导磁场生长实现参考磁性层和探测磁性层磁各向异性在三维空间的调制，其磁敏探测器集成度高、工艺简单，热稳定性和一致性好。

说明书

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，本发明涉及基 于巨磁电阻(Giant Magnetoresistance，GMR)和隧穿磁电阻(Tunneling Magnetoresistance，TMR)效应的一种功能性纳米磁性多层膜的结构、其在磁 敏探测器，特别是三维磁敏探测器中的应用及相应制备方法。

背景技术

磁敏探测器广泛应用于定位、角度检测、速度检测、加速度测量、力测量 等无伤探测和磁存储等各领域。按测量原理的不同，磁敏探测器可分为：基于 半导体材料霍尔(Hall)效应的磁敏探测器、基于各向异性磁电阻(AMR)效应的 磁敏探测器，以及基于巨磁电阻效应(GMR)和隧穿磁电阻效应(TMR)的磁敏探测 器等。其中，基于GMR效应和TMR效应的磁敏探测器，因灵敏度较高、功耗小、 生产工艺能和常规半导体工艺相兼容，具有广泛的用途。

为了探测三维空间中磁场分布通常有两种技术方案：第一种方案需要三个 独立的、易磁化轴在面内且空间分布相互垂直的一维磁敏探测器对三维空间 X、Y和Z三个方向分别探测；方案二，采用两个易磁化轴在面内且空间分布 相互垂直的独立磁敏探测器分别探测X、Y方向磁场，Z方向上则采用具有垂 直磁各向异性的合金或磁性多层膜，如FePt、[Co/Pt]n等构成的磁敏探测器， 从而实现面内集成[覃启航等 中国发明专利 授权公告号 100593112C]。但上 述两种方案均有不足：第一种方案受三个易磁化轴在面内的一维磁敏传感器相 互垂直空间布局限制集成度较低；第二种方案采用合金和多层薄膜结构增加了 制备工艺难度且FePt、[Co/Pt]n等多层薄膜热稳定性和一致性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种GMR或TMR磁性纳米多层薄膜结 构、新的磁敏传感器及制备方法，以解决现有技术磁敏传感器，特别是三维空 间磁场探测器，制备工艺复杂和一致性较差的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种磁各向异性在三维空间可调制的GMR 或TMR磁性纳米多层薄膜结构，依次包括：基片(Sub)和其上的缓冲层(Buffer Layer，BL)，参考磁性层(Reference Layer，RL)、中间层(Space)、探测磁 性层(Free Layer)和覆盖层(Capping Layer)；所述参考磁性层和探测磁性 层利用了铁磁层/非磁层界面诱导的垂直各向异性，通过调节参考磁性层和探 测磁性层中铁磁层厚度使得其易磁化方向为面内(设为XY方向)，或垂直膜面 (设为Z方向)。

其中，当易磁化方向在面内时采用钉扎结构或诱导磁场生长的方式调制易 磁化轴在面内的取向。

其中，所述参考磁性层矫顽力Hc₁大于探测磁性层矫顽力Hc₂。

其中，所述中间层是非磁性金属层或绝缘势垒层，其中，对应GMR磁性纳 米多层薄膜结构，所述中间层为非磁性金属层，对应TMR磁性纳米多层薄膜结 构，所述中间层为绝缘势垒层。

其中，所述参考磁性层和探测磁性层可以由单一铁磁层(FM)构成，也可 以由是铁磁层、反铁磁层(AFM)和非磁金属层(NM)构成的直接或间接钉扎 结构；所述直接钉扎是指反铁磁材料层直接和铁磁性层接触FM/AFM，所述的 间接钉扎是指在反铁磁材料层和铁磁性层之间插一层很薄的非磁性金属层 FM/NM/AFM或者插入复合层FM1/NM/FM11/AFM，所述磁性纳米多层薄膜结构为 以下结构：

Sub/BL/AFM1/FM11/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/FM22/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/FM2/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM2/FM22/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CL

或Sub/BL/AFM1/FM11/NM/FM1/Speace/FM2/CL

或Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Speace/FM2/CL

或Sub/BL/AFM1/FM1/Speace/FM2/CL。

其中，所述铁磁层的材料优选Co、Fe、Ni或者铁磁性金属合金材料，或 者半金属材料，按所需磁各向异性不同厚度在0.2～10nm变化。

其中，所述铁磁性金属合金薄膜优选CoFe、CoFeB、NiFeCr或NiFe，所 述半金属材料优选CoFeAl、CoMnAl、CoMnGe或CoMnGa。

其中，所述反铁磁性材料优选PtMn、IrMn、FeMn、NiMn，或者选自具有 反铁磁性的氧化物，所述具有反铁磁性的氧化物优选CoO或NiO，所述PtMn、 IrMn、FeMn及NiMn的厚度为3～30nm，所述具有反铁磁性的氧化物的厚度为 5～50nm。

其中，所述非磁性金属层优选Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、 Ag、Au或其合金，厚度为0.2～10nm。

其中，当所述中间层为势垒时，优选AlO_x(0＜x＜3/2)、MgO、Mg_1-xZn_xO(0＜x＜1)、 Mg_xAl_2/3(1-x)O(0＜x＜1)、AlN、Ta₂O₅、ZnO、HfO₂、TiO₂无机氧化物，厚度为0.5～ 5nm；所述当中间层为非磁金属时，优选Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、 Pt、Ag、Au金属材料，厚度为0.2～10nm。

其中，所述缓冲层为电阻较大且与衬底紧密接触的金属材料，所述的缓冲 层厚度为3～30nm。

其中，所述缓冲层优选Ta、Ru、Cr、Pt，或者上述金属的多层膜结构。

其中，所述覆盖层为不易被氧化和腐蚀且导电性较好的金属层，用于保护 结构不被氧化和腐蚀，所述覆盖层的结构为Ta、Cu、Al、Ru、Au、Ag、Pt上 述金属的单层的薄膜，或者为上述金属的多层薄膜，所述覆盖层的厚度为2～ 100nm。

其中，所述基片为玻璃衬底、Si衬底、Si/SiO₂衬底、SiC衬底的无机衬 底，或者为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、据对苯二甲酸二醇酯、聚酰亚胺、聚 碳酸酯的有机柔性衬底，所述基片的厚度为0.3～1mm。

而且，本发明提出一种基于上述的磁性纳米多层薄膜结构制备的磁敏传感 器。

其中，所述磁敏传感器为面内集成的三维空间磁敏测器，所述面内集成的 三维空间磁敏测器包括同一基片上不同位置的三个独立的磁敏探测器单元，所 述磁敏探测器单元均采用权利要求1所述磁性纳米多层薄膜结构制备。

其中，无外磁场时，每个磁敏探测器单元的参考层磁矩方向分别与其探测 层磁矩方向垂直；三个磁敏探测器参考层易磁化轴方向相互垂直，其中一个磁 敏探测器单元参考层易磁化轴方向垂直于膜面(设为Z方向)，另两个磁敏探 测器单元参考层易磁化轴方向平行于膜面且相互垂直(分别设为X和Y方向)。

而且，本发明提出上述的磁敏传感器的制备方法，所述磁敏传感器为面内 集成的三维空间磁敏测器，所述面内集成的三维空间磁敏测器为利用掩膜遮挡 方式在基片不同单元中不同位置依次沉积三个独立的、纳米磁性GMR或TMR 多层薄膜，分别为第一磁敏探测器薄膜、第二磁敏探测器薄膜和第三磁敏探测 器薄膜，再经过微加工获得三个独立的GMR或TMR磁敏探测器单元，构成一个 三维空间磁敏测器，其中，所述第一磁敏探测器薄膜、第二磁敏探测器薄膜和 第三磁敏探测器薄膜都采用权利要求1所述的磁各向异性在三维空间可调制 的GMR或TMR磁性纳米多层薄膜结构。

其中，上述磁敏传感器的制备方法包括步骤：

步骤1：选择一个基片；

步骤2：沉积第一磁敏探测器薄膜的缓冲层、参考磁性层、中间层、探测 磁性层和覆盖层；其中沉积参考磁性层和沉积探测磁性层时分别加上一面内诱 导磁场，并且参考磁性层与探测磁性层诱导磁场方向相互垂直；

步骤3：沉积第二磁敏探测器薄膜的缓冲层、参考磁性层、中间层、探测 磁性层和覆盖层；其中沉积参考磁性层和沉积探测磁性层时分别加上一面内诱 导磁场，参考磁性层与探测磁性层诱导磁场方向相互垂直，并且参考磁性层所 加诱导磁场方向与步骤2中参考磁性层所加诱导磁场方向垂直；

步骤4：沉积第三磁敏探测器薄膜的缓冲层，参考磁性层、中间层、探测 磁性层和覆盖层；其中沉积参考磁性层时不加诱导磁场或施加垂直膜面的诱导 磁场，并且利用铁磁层/非磁层界面诱导的垂直各向异性，通过控制铁磁层厚 度使第三磁敏探测器参考磁性层具有垂直膜面的易磁化方向；沉积探测磁性层 时通过控制铁磁层厚度使第三磁敏探测器探测磁性层具有弱的面内各项异性， 同时加上一面内诱导磁场，诱导磁场方向与步骤3中探测磁性层磁场方向一 致；

步骤5：对于参考磁性层和探测磁性层均为钉扎结构的GMR或TMR磁敏探 测器薄膜，按奈尔温度T_N由高到低，依次在高于奈尔温度下施加与生长时诱 导磁场一致的外磁场退火，使各个磁敏探测器薄膜参考磁性层与探测磁性层易 磁化方向相互垂直。

步骤6：对上述三个磁敏探测器薄膜GMR或TMR磁性纳米多层膜结构 经过常规微加，加工成尺寸大小从数十纳米到数十微米的不同形状的GMR或 TMR磁敏探测器单元，如，空心或实心的椭圆、矩形、正多边形和其他特定 形状的三个GMR或TMR器件，构成一个面内集成的三维空间磁敏测器。

本发明利用铁磁层/非磁层界面诱导的垂直各向异性调制参考磁性层和探 测磁性层的磁各向异性：在铁磁层较薄处获得易磁化轴垂直膜面的参考层，在 铁磁层较厚处获得易磁化轴在面内的参考层；再利用钉扎结构或诱导磁场生长 实现参考磁性层和探测磁性层磁各向异性在三维空间的调制，其磁敏探测器工 艺简单，一致性好，且集成度高。

附图说明

图1a为本发明铁磁层/非磁层界面诱导的磁各向异性示意图基本原理示 意图；

图1b为实验测量所得MgO/CoFeB薄膜在CoFeB 1nm时磁滞回线，表现出 垂直磁各向异性；

图1c为实验测量所得MgO/CoFeB薄膜在CoFeB 1.6nm时磁滞回线，表现 面内磁各向异性；

图2a～2c为本发明提供的一种面内集磁敏探测器阵列、单元和磁性纳米 多层薄膜结构示意图；

图3a为本发明提供的两种制备面内集成磁敏探测器阵列所用掩模示意 图；

图3b、3c为本发明提供的两种制备面内集成磁敏探测器的掩膜单元结构 示意图。以下参考图3a、3b、3c具体说明本发明的制备方案；

图4a为本发明提供的面内集成磁敏探测器测量三维磁场的原理示意图；

图4b为本发明提供的面内集成磁敏探测器中单个磁敏探测器单元接线方 式示意图；

图4c为外加垂直膜面时CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结实测磁电阻曲线， 其中磁电阻率的定义为平行态电阻与反平行态电阻之差与平行态电阻的比值。

其中，附图标记

A铁磁层

B非磁层

具体实施方式

本发明的基本原理是：利用铁磁层/非磁层界面诱导的磁各向异性，改变 铁磁层厚度，使同一磁性薄膜在不同铁磁层薄膜厚度处具有不同的垂直或面内 磁各向异性，并结合钉扎结构或诱导磁场生长调制面内易磁化取向。

图1a铁磁层/非磁层界面诱导的垂直磁各向异性示意图，在如图1示的 楔形薄膜中，在铁磁层较薄的条件下将获得具有垂直膜面磁各向异性的磁性薄 膜(设为Z方向，Θ＝0°)，在铁磁层较厚的条件下获得具有面内磁各向异性的磁 性薄膜(在XY平面内，Θ＝90°)。

依据上述原理，本发明提出了磁性层磁各向异性在三维空间可调制的GMR 或TMR磁性纳米多层薄膜结构。该结构利用了前述铁磁层非磁层/界面诱导的 垂直各向异性调制参考磁性层(Reference Layer，RL)和探测磁性层(Free Layer，FL)的垂直磁各向异性：在铁磁层较薄处获得易磁化轴垂直膜面的参 考层，在铁磁层较厚处获得易磁化轴在面内的参考层；再利用钉扎结构及诱导 磁场生长实现参考磁性层和探测磁性层(Free Layer，FL)磁各向异性在三维空 间的调制。

本发明提出的磁各向异性在三维空间可调制的GMR或TMR磁性纳米多层薄 膜结构，依次包括：基片(Sub)和其上的缓冲层(Buffer Layer，BL)，参考 磁性层(Reference Layer，RL)、中间层(Space)、探测磁性层(Free Layer) 和覆盖层(Capping Layer)；所述参考磁性层和探测磁性层利用了铁磁层A/ 非磁层B界面诱导的垂直各向异性，通过调节参考磁性层中铁磁层厚度使得其 易磁化方向为面内，设为XY方向，或垂直膜面，设为Z方向。

其中，当易磁化方向在面内时采用钉扎结构或诱导磁场生长的方式调制易 磁化轴在面内的取向。

其中，所述参考磁性层矫顽力Hc₁大于探测磁性层矫顽力Hc₂。

其中，所述中间层是非磁性金属层或绝缘势垒层，其中，对应GMR磁性纳 米多层薄膜结构，所述中间层为非磁性金属层，对应TMR磁性纳米多层薄膜结 构，所述中间层为绝缘势垒层。

其中，所述参考磁性层和探测磁性层可以由单一铁磁层(FM)构成，也可 以由是铁磁层、反铁磁层(AFM)和非磁金属层(NM)构成的直接或间接钉扎 结构；所述直接钉扎是指反铁磁材料层直接和铁磁性层接触FM/AFM，所述的 间接钉扎是指在反铁磁材料层和铁磁性层之间插一层很薄的非磁性金属层，构 成结构FM/NM/AFM或者插入复合层FM1/NM/FM11/AFM，所述磁性纳米多层薄膜 结构为以下结构：

Sub/BL/AFM1/FM11/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/FM22/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/FM2/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM2/FM22/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CL

或Sub/BL/AFM1/FM11/NM/FM1/Speace/FM2/CL

或Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Speace/FM2/CL

或Sub/BL/AFM1/FM1/Speace/FM2/CL

其中，所述铁磁层的材料优选Co、Fe、Ni或者铁磁性金属合金材料，或 者半金属材料，按所需磁各向异性不同厚度在0.2～10nm变化。

其中，所述铁磁性金属合金薄膜优选CoFe、CoFeB、NiFeCr或NiFe，所 述半金属材料优选CoFeAl、CoMnAl、CoMnGe或CoMnGa。

其中，所述反铁磁性材料优选PtMn、IrMn、FeMn、NiMn，或者选自具有 反铁磁性的氧化物，所述具有反铁磁性的氧化物优选CoO或NiO，所述PtMn、 IrMn、FeMn及NiMn的厚度为3～30nm，所述具有反铁磁性的氧化物的厚度为 5～50nm。

其中，所述非磁性金属层优选Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、 Ag、Au或其合金，厚度为0.2～10nm。

其中，所述中间层为势垒时，优选AlO_x(0＜x＜3/2)、MgO、Mg_1-xZn_xO(0＜x＜1)、 Mg_xAl_2/3(1-x)O(0＜x＜1)、AlN、Ta₂O₅、ZnO、HfO₂、TiO₂无机氧化物，厚度为0.5～ 5nm；所述当中间层为非磁金属时，优选Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、 Pt、Ag、Au金属材料，厚度为0.4～10nm。其中，AlO_x所指为三氧化二铝Al₂O₃， 但在实际制备中由于制备材料不完美(如有氧空位等)铝氧比例通常不能恰为 2∶3，在本领域通常标示为AlO_x。

其中，所述覆盖层为不易被氧化和腐蚀且导电性较好的金属层，用于保护 结构不被氧化和腐蚀，所述覆盖层的结构为Ta、Cu、Al、Ru、Au、Ag、Pt的 单层的金属层，或者为上述金属的多层薄膜，所述覆盖层的厚度为2～100nm。

而且，本发明提出基于上述的磁性纳米多层薄膜结构制备的磁敏传感器。 所述磁敏传感器为面内集成的三维空间磁敏测器，所述面内集成的三维空间磁 敏测器包括同一基片上不同位置的三个独立的磁敏探测器单元，所述磁敏探测 器单元均采用权利要求1所述磁性纳米多层薄膜结构制备。其中，无外磁场时， 每个磁敏探测器单元的参考层磁矩方向分别与其探测层磁矩方向垂直；三个磁 敏探测器参考层易磁化轴方向相互垂直，其中一个磁敏探测器单元参考层易磁 化轴方向垂直于膜面，另两个磁敏探测器单元参考层易磁化轴方向平行于膜面 且相互垂直。

而且，本发明提出一种上述磁敏传感器的制备方法，所述磁敏传感器为面 内集成的三维空间磁敏测器，所述面内集成的三维空间磁敏测器为利用掩膜遮 挡方式在基片不同单元中不同位置依次沉积三个独立的、纳米磁性GMR或TMR 多层薄膜，即第一磁敏探测器薄膜、第二磁敏探测器薄膜和第三磁敏探测器薄 膜，再经过微加工获得三个独立的GMR或TMR磁敏探测器单元(图2b示D1，D2 和D3)，构成一个三维空间磁敏测器，其中，所述第一磁敏探测器薄膜、第二 磁敏探测器薄膜和第三磁敏探测器薄膜都采用权利要求1所述的磁各向异性 在三维空间可调制的GMR或TMR磁性纳米多层薄膜结构(图2c示)。

其中，上述方法包括步骤：

步骤1：选择一个基片；

步骤2：沉积第一磁敏探测器薄膜的缓冲层、参考磁性层、中间层、探测 磁性层和覆盖层；其中沉积参考磁性层和沉积探测磁性层时分别加上一面内诱 导磁场，并且参考磁性层与探测磁性层诱导磁场方向相互垂直；

步骤3：沉积第二磁敏探测器薄膜的缓冲层、参考磁性层、中间层、探测 磁性层和覆盖层；其中沉积参考磁性层和沉积探测磁性层时分别加上一面内诱 导磁场，参考磁性层与探测磁性层诱导磁场方向相互垂直，并且参考磁性层所 加诱导磁场方向与步骤2中参考磁性层所加诱导磁场方向垂直；

步骤4：沉积第三磁敏探测器薄膜的缓冲层，参考磁性层、中间层、探测 磁性层和覆盖层；其中沉积参考磁性层时不加诱导磁场或施加垂直膜面的诱导 磁场，并且利用铁磁层/非磁层界面诱导的垂直各向异性，通过控制铁磁层厚 度使第三磁敏探测器参考磁性层具有垂直膜面的易磁化方向；沉积探测磁性层 时通过控制铁磁层厚度使第三磁敏探测器探测磁性层具有弱的面内各项异性， 同时加上一面内诱导磁场，诱导磁场方向与步骤3中探测磁性层磁场方向一 致；

步骤5：对于参考磁性层和探测磁性层均为钉扎结构的GMR或TMR磁敏探 测器薄膜，按奈尔温度T_N由高到低，依次在高于奈尔温度下施加与生长时诱 导磁场一致的外磁场退火，使各个磁敏探测器薄膜参考磁性层与探测磁性层易 磁化方向相互垂直。

步骤6：对上述三个磁敏探测器薄膜GMR或TMR磁性纳米多层膜结构经过 常规微加，加工成尺寸大小从数十纳米到数十微米的不同形状的GMR或TMR 磁敏探测器单元，如，空心或实心的椭圆、矩形、正多边形和其他特定形状的 三个GMR或TMR器件，构成一个面内集成的三维空间磁敏测器。

具体而言，本发明的技术方案如下：本发明提供一种磁各向异性在三维空 间可调制的GMR或TMR磁性纳米多层薄膜结构，该结构包括生长在基片(Sub) 上的缓冲层(Buffer Layer，BL)、参考磁性层(Reference Layer，RL)、中间 层(Space)、探测磁性层(Free Layer，FL)和覆盖层(Capping Layer，CL)；其 中，所述参考磁性层利用了前述铁磁层/非磁层界面诱导的垂直各向异性，通 过调节参考磁性层和探测磁性层中铁磁层厚度使得其易磁化方向为面内(设为 XY方向)或垂直膜面(设为Z方向)；当易磁化轴在面内时采用钉扎结构或诱导 磁场生长的方式调制易磁化轴在面内的取向；所述磁性纳米多层薄膜结构中参 考磁性层矫顽力(Hc₁)大于探测磁性层矫顽力(Hc₂)；所述中间层是非磁性金属 层或绝缘势垒层，其中，中间层为非磁性金属层时，所述磁性纳米多层薄膜适 用于基于GMR效应的磁敏探测器，中间层为绝缘势垒层时所述磁性纳米多层薄 膜适用于基于TMR效应的磁敏探测器。

上述技术方案中，所述基片(Sub)可以是玻璃衬底、Si衬底、Si/SiO₂衬底、 SiC衬底等无机衬底，也可以为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、据对苯二甲酸二 醇酯、聚酰亚胺、聚碳酸酯等有机柔性衬底等，厚度为0.3～1mm。

在上述的技术方案中，所述的缓冲层(BL)为电阻较大且与衬底结合紧密的 金属材料，优选Ta、Ru、Cr、Pt，或者上述金属多层膜结构如Ta/Ru/Ta，厚 度为3～30nm。

在上述的技术方案中，所述的参考磁性层(RL)可以是一单层铁磁层(FM1) 构成，也可以是铁磁层、反铁磁层(AFM1)和非磁金属层(NM1)构成的直接或间 接钉扎结构；通过调节铁磁层厚度可调制参考磁性层的垂直磁各向异性；所述 参考磁性层矫顽力(Hc₁)大于探测磁性层矫顽力(Hc₂)。所述铁磁层材料优选 Co、Fe、Ni，或者铁磁性金属合金薄膜，优选CoFe、CoFeB、NiFeCr或NiFe(如： Ni81Fe19)等，厚度一般在0.2～10nm变化。所述的反铁磁性层包括具有反铁 磁性的合金材料，优选PtMn、IrMn、FeMn和NiMn，厚度为3～30nm；以及具 有反铁磁性的氧化物，优选CoO、NiO，厚度为5～50nm；所述非磁性金属层一 般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度一 般为0.2～10nm。

在上述的技术方案中，所述当中间层(Space)为势垒时，一般采用AlO_x(0＜x＜3/2)、MgO、Mg_1-xZn_xO(0＜x＜1)、Mg_xAl_2/3(1-x)O(0＜x＜1)、AlN、Ta₂O₅、ZnO、 HfO₂、TiO₂等无机氧化物，优选AlO_x(0＜x＜3/2)、MgO、Mg_1-xZn_xO(0＜x＜1)、Mg_xAl_2/3(1-x)O(0＜x＜1)、AlN，厚度为0.5～5nm；所述当中间层为非磁金属优选Cu、Cr、 V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au等金属材料，厚度为0.2～10nm。

上述技术方案中，探测层(FL)可由单一铁磁层(FM2)构成，也可以由是铁 磁层、反铁磁层(AFM2)和非磁金属层(NM2)构成的直接或间接钉扎结构；其中， 通过钉扎结构或采用诱导磁场生长方式可调节探测磁性层面内易磁化方向；并 且探测磁性层矫顽力(Hc₂)小于参考磁性层矫顽力(Hc₁)。探测磁性层中铁磁层 厚度一般在1～10nm。

上述技术方案中，所述覆盖层(CL)为不易被氧化和被腐蚀且导电性较好的 金属层，用于保护结构不被氧化和腐蚀。覆盖层结构可以是单层的金属层，材 料优选Ta、Cu、Al、Ru、Au、Ag、Pt等，也可以是上述金属构成的多层薄膜， 如Cu/Au、Ta/Ru等，厚度为2～100nm。

上述技术方案中的直接钉扎是指反铁磁材料层(AFM)直接和铁磁性层(FM) 接触FM/AFM。所述的间接钉扎是指在反铁磁材料层和铁磁性层之间插一层很 薄的非磁性金属层，如FM/NM/AFM结构；或者插入复合层FM1/NM/FM11/AFM， 以减小和调控这种钉扎效果。满足上述方案的磁性纳米多层膜结构包括：

(1)Sub/BL/AFM1/FM11/NM11/FM1/Space/FM2/NM2/FM22/AFM2/CL；

(2)Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/FM22/AFM2/CL；

(3)Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM2/FM22/AFM2/CL；

(4)Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CL；

(5)Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CL；

(6)Sub/BL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CL

(7)Sub/BL/AFM1/FM11/NM/FM1/Speace/FM2/CL

(8)Sub/BL/AFM1/NM1/FM1/Speace/FM2/CL

(9)Sub/BL/AFM1/FM1/Speace/FM2/CL

其中参考磁性层和探测磁性层均为钉扎结构的GMR或TMR磁性纳米多层膜 结构(1)-(6)，要求参考磁性层反铁磁材料奈尔温度与探测磁性层反铁磁材料 奈尔温度不同。通过选择具有不同的奈尔(Neel)温度T_N的反铁磁材料，如 NiMn(T_N^NiMn＝1073K)[Magnetic Properties of Metals H.P.J.Wijin， Spinger-Verlag金属磁性手册 斯伯林格出版社 编辑H.P.J.Wijin]、 IrMn(T_N^IrMn＝975K)[J.W.Cai et.al.Phy.Rev.B 70 214428(2004)-有序Mn3Ir 的磁性中字散射研究I.Tomeno等，应用物理]、PtMn(T_N^PtMn＝693K)[J.W.Cai et.al.Phy.Rev.B 70 214428(2004)-自由层与引线层间具固定磁化层的 层状结构磁电阻头S.Koji，T Yoshihiro，and T.Koichi美国专利号 6982855]、FeMn(T_N^FeMn＝500K)[1Magnetic Properties of Metals H.P.J.Wijin， Spinger-Verlag-金属磁性手册斯伯林格出版社 编辑H.P.J.Wijin]等通过 不同温度下外加磁场退火实现或调节反铁磁层与铁磁层间非磁层厚度实现。

本发明还提供制备上述参考磁性层磁各向异性三维空间可调制的GMR或 TMR磁性纳米薄膜和相应磁敏探测器，特别是大规模、均一的制备面内集成三 维磁敏探测器的方法。具体而言，其为利用掩膜遮挡方式在基片不同单元中的 不同位置依次沉积三个独立的GMR或TMR纳米磁性多层薄膜，即第一磁敏探测 器薄膜、第二磁敏探测器薄膜和第三磁敏探测器薄膜，再经过微加工获得三个 独立的GMR或TMR磁敏探测器(D1、D2和D3)构成一个三维磁敏探测器单元 (Unit)，请参见图2，图2为本发明提供的面内集成磁敏探测器(a)阵列(b)单 元(unit)和(c)磁性纳米多层薄膜结构示意图。

图3a为本发明提供的两种制备面内集成磁敏探测器阵列所用掩模示意 图；图3b、3c为本发明提供的两种制备面内集成磁敏探测器的掩膜单元结构 示意图。以下参考图3a、3b、3c具体说明本发明的制备方案。

制备方案1

1)选择一个基片，经过常规方法清洗。

2)用开有孔洞并可在XY平面移动的掩膜在与基片间距d处遮挡基片 (0＜d＜1mm)；利用超高真空磁控溅射仪沉积第一磁敏探测器薄膜的缓冲层、参 考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层；其中沉积参考磁性层和沉积探测磁 性层时要分别加上一面内诱导磁场，并且参考磁性层与探测磁性层诱导磁场方 向相互垂直。

所述有孔洞并可在XY平面移动的掩膜为面积不小于基片的掩膜板，沿X 方向和Y方向分别包含m列和n行边长为a×b矩形单元，每个矩形单元内在 距离单元矩形边a₀、b₀处开有面积1×w的孔洞，其中1、w范围从0.01mm到 5mm；该掩膜板可以是铜板、铝板或不锈钢板等金属模板，也可以是聚四氟乙 烯等有机模板，厚度t在0.2～3mm；并可在X和Y方向移动，如图3a和3b 所示。其中a₀、b₀满足w+w₀＜a₀＜a-2w-w₀，l+l₀＜b₀＜b-2l-l₀，并且l₀＞l，w₀＞w。

3)沿Y方向移动掩膜板位置l+l₀，满足l₀＞l且b₀+2l+l₀＜b，使掩膜板所开 孔洞不与第一磁敏探测器薄膜重叠(Y方向上与第一磁敏探测器薄膜间距l₀)， 在掩膜开孔处沉积第二磁敏探测器薄膜的缓冲层、参考磁性层、中间层、探测 磁性层和覆盖层；其中沉积参考磁性层和沉积探测磁性层时要分别加上一面内 诱导磁场，参考磁性层与探测磁性层诱导磁场方向相互垂直，并且参考磁性层 所加诱导磁场方向与2)中参考磁性层所加诱导磁场方向垂直。

4)沿X方向移动掩膜板位置w+w₀，并满足a₀+2w+w₀＜a且w₀＞w，使掩膜板所 开孔洞既不与第一磁敏探测器薄膜又不与第二磁敏探测器薄膜重叠(X方向上 与第二磁敏探测器薄膜间隔w₀)，在掩膜开孔处沉积第三磁敏探测器薄膜的缓 冲层，参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层；其中沉积参考磁性层时不 加诱导磁场或施加一垂直膜面的诱导磁场，并且使与中间层接触的铁磁薄膜足 够薄，从而使第三磁敏探测器薄膜具有垂直膜面的易磁化方向；沉积探测磁性 层时要加上一面内诱导磁场，并且诱导磁场方向与3)中探测磁性层磁场方向 一致，同时通过控制探测磁性层厚度使其面内各各向异性较弱，易于沿Z方向 翻转。

上述3)和4)顺序可以调换。经上述步骤后在基片上获得m×n个面内集成 三维磁敏探测器薄膜单元，每个三维磁敏探测器薄膜单元由第一磁敏探测薄 膜、第二磁敏探测薄膜和第三磁敏探测薄膜构成。

5)对于参考磁性层和探测磁性层均为钉扎结构的GMR或TMR磁敏探测器薄 膜，按奈尔温度T_N由高到低，依次在高于奈尔温度下施加与生长时诱导磁场 一致的外磁场退火，使各个磁敏探测器薄膜参考磁性层与探测磁性层易磁化方 向相互垂直。

6)对上述GMR或TMR磁性纳米多层膜结构经过常规微加工，包括：涂胶、 前烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝光，或采用电子束曝光、显影、 定影、后烘，离子束刻蚀、沉积绝缘层、丙酮去胶获得底电极和位于底电极上 的巨磁电阻多层薄膜或磁性纳米隧道结，再经过沉积顶部导电电极、涂胶、前 烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝光或采用电子束曝光、显影、定 影、后烘，离子束刻蚀等，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GMR或TMR磁敏探测器单元，如，空心或实心的椭圆、矩形、正多边形 和其他特定形状的GMR或TMR器件。

制备方案2

本发明提供另一种利用有孔洞并可在Y方向移动的掩膜板制备上述平面集 成三维磁敏探测器磁性纳米薄膜的方法：

1)选择一个基片，经过常规方法清洗。

2)用开有孔洞并可在XY平面移动的掩膜在与基片间距d处遮挡基片 (0＜d＜1mm)；利用超高真空磁控溅射仪沉积第一磁敏探测器单元缓冲层、参考 磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层；其中沉积参考磁性层和沉积探测磁性 层时要分别加上一面内诱导磁场，并且参考磁性层与探测磁性层诱导磁场方向 相互垂直。

所述有孔洞并可在Y方向移动的掩膜为面积不小于基片的掩膜板，沿X 方向和Y方向分别包含m列和n行边长为a×b矩形单元，每个矩形单元内在 距离矩形边a₀、b₀处开有开有面积l×w的孔洞，其中l、w范围从0.01mm到 5mm，该掩膜板可以是铜板、铝板或不锈钢板等金属模板，也可以是聚四氟乙 烯等有机板，厚度t在0.2～3mm；并可在Y方向移动，如图3a和3c所示。 其中a₀、b₀满足其中a₀、b₀满足a₀+w＜a，2l+2l₀＜b₀＜b-3l-2l₀，并且l₀＞l。

3)沿Y方向移动掩膜板位置l+l₀，使掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测器 薄膜重叠(Y方向上与第一磁敏探测器薄膜间距l₀)，在掩膜开孔处沉积第二磁 敏探测器单元薄膜缓冲层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层；其中 沉积参考磁性层和沉积探测磁性层时要分别加上一面内诱导磁场，参考磁性层 与探测磁性层诱导磁场方向相互垂直，并且参考磁性层所加诱导磁场方向与 2)中参考磁性层所加诱导磁场方向垂直。

4)继续沿Y方向移动掩膜板位置l+l₀，使掩膜板所开孔洞即不与第一磁敏 探测器薄膜又不与第二磁敏探测器薄膜重叠(Y方向上与第一磁敏探测器薄膜 和第二磁敏探测器薄膜分别间距2l₀+l和l₀)，在掩膜开孔处沉积第三磁敏探 测器薄膜缓冲层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层；其中沉积参考 磁性层时不加诱导磁场或施加一垂直膜面的诱导磁场，并且使与中间层接触的 铁磁薄膜足够薄，从而使第三磁敏探测器薄膜具有垂直膜面的易磁化方向；沉 积探测磁性层时要加上一面内诱导磁场，并且诱导磁场方向与3)中探测磁性 层磁场方向一致，同时通过控制探测磁性层厚度使其面内各各向异性较弱，易 于沿Z方向翻转。

只要掩模板尺寸满足b₀+l＜b，2w+2w₀＜a₀＜a-3w-2w₀，并且w₀＞w，掩模板也可 在X方向上相继移动w+w₀两次，使得第一磁敏探测器薄膜、第二磁敏探测器 薄膜和第三磁敏探测器薄膜相互无重叠。经上述步骤后也可在基片上获得m× n个面内集成三维磁敏探测器薄膜单元，每个三维磁敏探测器薄膜单元由第一 磁敏探测薄膜、第二磁敏探测薄膜和第三磁敏探测薄膜构成。

5)对于参考磁性层和探测磁性层均为钉扎结构的GMR或TMR磁敏探测器薄 膜，按奈尔温度T_N由高到低，依次在高于奈尔温度下施加与生长时诱导磁场 一致的外磁场退火，使各个磁敏探测器薄膜参考磁性层与探测磁性层易磁化方 向相互垂直。

6)对上述GMR或TMR磁性纳米多层膜结构经过常规微加工，包括：涂胶、 前烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝光，或采用电子束曝光、显影、 定影、后烘，离子束刻蚀、沉积绝缘层、丙酮去胶获得底电极和位于底电极上 的的巨磁电阻多层薄膜或磁性纳米隧道结，再经过沉积顶部导电电极、涂胶、 前烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝光或采用电子束曝光、显影、 定影、后烘，离子束刻蚀等，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GMR或TMR磁敏探测器单元，如，空心或实心的椭圆、矩形、正多边 形和其他特定形状的GMR或TMR器件。

本发明还提供利用上述磁敏探测器，特别是平面集成三维磁敏探测器探测 三维空间中磁场分布的方法。图4a为本发明提供的面内集成磁敏探测器测量 三维磁场的原理示意图：图4b为本发明提供的面内集成磁敏探测器中单个磁 敏探测器单元接线方式示意图。如下图4a所示，参考磁性层易磁化方向相互 垂直且在面内的两个磁敏探测器单元D1和D2探测X和Y方向磁场，参考层易 磁化方向垂直于薄膜的磁敏探测器单元D3探测Z方向磁场；在每个磁敏探测 器单元的上下电极所构成的一对电极上输入恒压(a和b)或恒流(c和d)，， 在每个磁敏探测器单元另外上下电极所构成的一对电极接收电流信号(c和d) 或电压(a和b)信号，如图4b示。当有外磁场时磁敏探测器单元电阻发生改变， 导致输出信号的变化。由于参考磁性层与探测磁性层易磁化方向垂直，在一定 范围内磁敏探测器单元输出电流/电压信号与磁场的变化呈线性关系，通过外 围电路放大并处理磁敏探测器单元电流/电压的变化，即可得出外磁场的大小。

下面结合具体实施例说明本发明提供的GMR或TMR磁性纳米多层薄膜结构 和相应的磁敏探测器，特别是面内集成三维磁敏探测器的制备方法。

实施例1本实施例中磁各向异性在三维空间可调制的磁性纳米多层膜结构用 于一维GMR磁敏探测器，并且随参考磁性层中铁磁层厚度不同，其探测磁场方 向可以是面内磁场或垂直于膜面磁场。

1)选择一个厚度为1mm的Si/SiO₂衬底作为基片(Sub)，并在磁控溅射设 备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/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的缓冲层。

2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在缓冲层上沉积反铁磁层IrMn 15nm。

3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积铁磁性层Co 3nm或0.3nm。

4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.07nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在铁磁性层上沉积中间层2.5nm的Cu。

5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在中间层上沉积磁性层3nm的Co。

6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在磁性层上沉积0.85nm的非磁性金属层Ru。

7)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在非磁性金属层上沉积8nm的反铁磁层PtMn。

8)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在反铁磁性层上沉积5nm的Ta覆盖层。

9)对3)中铁磁层Co3nm的薄膜，在真空条优于1×10^-4Pa的件下，首先在高 于IrMn奈尔温度T_N^IrMn下沿面内施加一200Oe的磁场对上述薄膜退火；待温度 降低至IrMn奈尔温度以下后，再在高于PtMn奈尔温度T_N^PtMn下进行二次退火， 二次退火时沿薄膜面内施加一与首次退火磁场方向垂直大小相同的磁场，从而 获得用于面内磁场探测的GMR纳米磁性多层薄膜。

对3)中铁磁层Co 0.3nm的薄膜，在真空条优于1×10^-4Pa的件下，首先在 高于IrMn奈尔温度T_N^IrMn下垂直膜面施加一200Oe的磁场对上述薄膜退火；待 温度降低至IrMn奈尔温度以下后，再在高于PtMn奈尔温度T_N^PtMn下进行二次 退火，二次退火时沿膜面施加一与首次退火磁场大小相同的磁场，从而获得用 于垂直磁场探测的GMR纳米磁性多层薄膜。

10)对上述薄膜采用常规的半导体微加工工艺，包括：涂胶、前烘、采用 带有待加工图形的光刻板进行紫外曝光或采用电子束曝光、显影、定影、后烘， 离子束刻蚀、丙酮去胶等，获得多个独立的GMR器件，每个GMR器件构成一个 一维GMR磁敏探测器。

11)对每个GMR磁敏探测器的上下电极所构成的一对电极上输入恒压/恒 流，在每个磁敏探测器另外上下电极所构成的一对电极接收电流/电压信号； 当有外磁场时磁敏探测器电阻发生改变，导致输出信号的变化，由于参考磁性 层与探测磁性层磁矩方向垂直，在一定范围内输出电流/电压信号与磁场的变 化呈线性关系，由输出电流/电压信号即可得出外磁场的大小。

实施例2本实施例中磁各向异性在三维空间可调制的磁性纳米多层膜结构用 于一维TMR磁敏探测器，并且随参考磁性层中铁磁层厚度和退火磁场方向不 同，其探测磁场方向可以是面内磁场或垂直于膜面磁场。

1)选择一个厚度为1mm的Si/SiO₂衬底作为基片，并在磁控溅射设备上 以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/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的缓冲层。

2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在缓冲层上沉积反铁磁层IrMn 15nm。

3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积铁磁层CoFeB 2.5nm或1.3nm。

4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.07nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在铁磁层CoFeB上沉积绝缘中间层1.0nm的MgO。

5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在绝缘中间层上沉积铁磁层3nm的CoFeB。

6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在铁磁层上沉积非磁层Ru0.9nm。

7)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在非磁层上沉积6.5nm的反铁磁层PtMn。

8)在磁控溅射设备上以真空优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压 为0.07Pa的条件，在反铁磁层上沉积覆盖层：Ta 5nm/Ru 5nm。

9)对3)中铁磁层CoFeB 3nm的薄膜，在真空条优于1×10^-4Pa的件下，首先 在高于IrMn奈尔温度T_N^IrMn下沿面内施加一200Oe的磁场对上述薄膜退火；待 温度降低至IrMn奈尔温度以下后，再在高于PtMn奈尔温度T_N^PtMn下进行二次 退火，二次退火时沿薄膜面内施加一与首次退火磁场方向垂直大小相同的磁 场，从而获得用于面内磁场探测的GMR纳米磁性多层薄膜。

对3)中铁磁层CoFeB 1.3nm的薄膜，在真空条优于1×10^-4Pa的件下，首先 在高于IrMn奈尔温度T_N^IrMn下沿垂直膜面施加一200Oe的磁场对上述薄膜退火； 待温度降低至IrMn奈尔温度以下后，再在高于PtMn奈尔温度T_N^PtMn下进行二 次退火，二次退火时沿膜面施加一大小相同的磁场，从而获得用于垂直磁场探 测的GMR纳米磁性多层薄膜。

10)对上述薄膜采用常规的半导体微加工工艺，包括：涂胶、前烘、采用 带有待加工图形的光刻板进行紫外曝光或采用电子束曝光、显影、定影、后烘， 离子束刻蚀、丙酮去胶等，获得多个独立的TMR器件，每个TMR器件构成一个 一维TMR磁敏探测器。

11)对每个TMR磁敏探测器的上下电极所构成的一对电极上输入恒压/恒 流，在每个磁敏探测器另外上下电极所构成的一对电极接收电流/电压信号； 当有外磁场时磁敏探测器电阻发生改变，导致输出信号的变化，由于参考磁性 层与探测磁性层磁矩方向垂直，在一定范围内输出电流/电压信号与磁场的变 化呈线性关系，由输出电流/电压信号即可得出外磁场的大小。

实施例3～20给出具有不同结构的用于GMR一维磁敏探测器的磁性纳米多层膜 结构(见表1)。

实施例20～38给出具有不同结构的用于TMR一维磁敏探测器的磁性纳米多层 膜结构(见表2)。

实施例39采用可在XY平面内移动的掩模板制备基于单侧钉扎Co/Cu-GMR磁 性纳米多层薄膜的三维磁敏探测器

1)选择一个长宽高为30mm×30mm×1mm的Si/SiO₂为基片。

2)选用一长宽高30mm×300mm×2mm的矩形Cu掩膜，该掩膜有10行10 列3mm×3mm(a＝b＝3mm)的正方形单元，每个单元在距离单元左下方边界长宽 0.5mm(a₀＝b₀＝1mm)处开有一长宽均为0.25mm(l＝w＝0.25mm)的孔洞。使Cu掩膜 距离基片d＝0.2mm。在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉积速率为 0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第一磁敏探测器薄膜 的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层IrMn 8nm/Co 3nm、中间层Cu 2.5nm、探测磁 性层Co 4nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁性层时加上一面内沿X 方向的磁场200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿Y方向的磁场200Oe。

3)沿Y方向移动掩膜板0.5mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测器 薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩 气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第二磁敏探测器薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层PtMn 8nm/Co 3nm、中间层Cu 2.5nm、探测磁性层Co 4nm 和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁性层时加上一面内沿Y方向的磁场 200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿X方向的磁场200Oe。

4)再沿X方向移动掩膜板0.5mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测 器薄膜重叠又不与第二磁敏探测器薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于 5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积 第三磁敏探测器薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层FeMn 4nm/Co 1.0nm、中间 层Cu 2.5nm、探测磁性层Co1.6nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中在沉积参 考磁性层时不加外磁场或施加一垂直于膜面的200Oe的诱导磁场，沉积探测磁 性层时加上一面内沿Y方向的磁场200Oe。

5)对每个单元内沉积了三个磁敏探测器薄膜的基片同时采用常规的半导 体微加工工艺，包括：涂胶、前烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝 光或采用电子束曝光、显影、定影、后烘，离子束刻蚀、丙酮去胶等，获得三 个独立的GMR器件从而构成一三维磁敏探测器单元，最后按掩模板单元划分将 基片切割为100个磁敏探测器单元。

6)对每个GMR磁敏探测器单元的上下电极所构成的一对电极上输入恒压/ 恒流，在每个磁敏探测器另外上下电极所构成的一对电极接收电流/电压信号； 当有外磁场时磁敏探测器电阻发生改变，导致输出信号的变化，由于参考磁性 层与探测磁性层磁矩方向垂直，在一定范围内输出电流/电压信号与磁场的变 化呈线性关系，由输出电流/电压信号即可得出外磁场的大小。

实施例40采用可在Y方向移动的掩模板制备基于单侧钉扎Co/Au-GMR磁性纳 米多层薄膜三维磁敏测器

1)选择一个长宽高为30mm×30mm×1mm的Si/SiO₂为基片。

2)选用一长宽高30mm×30mm×2mm的矩形Cu掩膜，该掩膜板有10行15 列2mm×3mm(a＝2mm，b＝3mm)的矩形单元，每个单元距离单元左下方边界长宽 分别为a₀＝0.25mm和b₀＝0.9mm处开有一长宽分别为l＝0.15mm和w＝1.5mm的孔 洞。使Cu掩膜板距离基片0.1mm，在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉 积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第一磁敏探 测器薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性NiMn8nm/Fe2nm、中间层Au 2.5nm、探 测磁性层Fe 3nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁性层时加上一面 内沿X方向的磁场200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿Y方向的磁场 200Oe。

3)再继续沿Y方向移动掩膜板0.3mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏 探测器薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉积速率为 0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第二磁敏探测器薄膜 的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层IrMn 8nm/Fe 2nm、中间层Au 2.5nm、探测磁 性层Fe3nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁性层时加上一面内沿Y 方向的磁场200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿X方向的磁场200Oe。

4)沿Y方向移动掩膜板0.3mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测器 薄膜重叠又不与第二磁敏探测器薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于 5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积 第三磁敏探测器薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层PtMn 4nm/Fe 1nm、中间层 Au 2.5nm、探测磁性层Fe1.5nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中在沉积探测磁 性层时加上一面内沿Y方向的磁场200Oe。

5)对每个单元内沉积了三个磁敏探测器薄膜的基片同时采用常规的半导 体微加工工艺，包括：涂胶、前烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝 光或采用电子束曝光、显影、定影、后烘，离子束刻蚀、丙酮去胶等，获得三 个独立的GMR器件从而构成一三维磁敏探测器单元，在按单元划分将基片切割 为150个磁敏探测器单元。

6)对每个GMR磁敏探测器单元的上下电极所构成的一对电极上输入恒压/ 恒流，在每个磁敏探测器单元另外上下电极所构成的一对电极接收电流/电压 信号；当有外磁场时磁敏探测器电阻发生改变，导致输出信号的变化，由于参 考磁性层与探测磁性层磁矩方向垂直，在一定范围内输出电流/电压信号与磁 场的变化呈线性关系，由输出电流/电压信号即可得出外磁场的大小。

实施例41采用可在XY平面内移动的掩模板制备基于单侧钉扎 CoFeB/MgO/CoFeB-TMR磁性纳米多层薄膜的三维磁敏测器

1)选择一个长宽高为30mm×30mm×1mm的Si/SiO₂为基片。

2)选用一长宽高30mm×300mm×2mm的矩形不锈钢掩膜，该掩膜有10行 10列3mm×3mm(a＝b＝3mm)的正方形单元，每个单元距离单元左下方边界长宽 1mm(a₀＝b₀＝1mm)处开有一长宽均为0.25mm(l＝w＝0.25mm)的孔洞。使不锈钢掩膜 距离基片0.2mm，在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s， 氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第一磁敏探测器薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层IrMn 8nm/CoFeB 3nm、中间层MgO 2nm、探测磁性层CoFe 4nm 和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁性层时加上一面内沿X方向的磁场 200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿Y方向的磁场200Oe。

3)再沿X方向移动掩膜板0.5mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测 器薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s， 氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第二磁敏探测器单元薄膜的缓冲 层Ta 5nm，参考磁性层PtMn8nm/CoFeB 3nm、中间层MgO 2nm、探测磁性层CoFeB 4nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁性层时加上一面内沿Y方向的 磁场200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿X方向的磁场200Oe。

4)沿Y方向移动掩膜板0.5mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测器 薄膜重叠又不与第二磁敏探测器薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于 5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积 第三磁敏探测器单元薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层FeMn 4nm/CoFeB 1.3nm、 中间层MgO 1nm、探测磁性层CoFeB 1.5nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中在 沉积探测磁性层时加上一面内沿Y方向的磁场200Oe；在沉积参考磁性层时不 施加磁场或施加200Oe垂直于薄膜的磁场。

5)对每个单元内沉积了三个磁敏探测器薄膜的基片同时采用常规的半导 体微加工工艺，包括：涂胶、前烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝 光或采用电子束曝光、显影、定影、后烘，离子束刻蚀、丙酮去胶等，获得三 个独立的TMR器件从而构成三维磁敏探测器单元，在按单元划分将基片切割为 150个磁敏探测器单元。

6)对每个TMR磁敏探测器单元的上下电极所构成的一对电极上输入恒压/ 恒流，在每个磁敏探测器单元另外上下电极所构成的一对电极接收电流/电压 信号；当有外磁场时磁敏探测器电阻发生改变，导致输出信号的变化，由于参 考磁性层与探测磁性层易磁化方向垂直，在一定范围内输出电流/电压信号与 磁场的变化呈线性关系，由输出电流/电压信号即可得出外磁场的大小。

实施例42采用可在Y方向内移动的掩模板制备基于单侧钉扎 CoFeB/MgO/CoFeB-TMR磁性纳米多层薄膜的三维磁敏探测器

1)选择一个长宽高为30mm×30mm×1mm的Si/SiO₂为基片。

2)选用一长宽高30mm×30mm×2mm的矩形Cu掩膜，该掩膜有10行10列 2mm×3mm(a＝2mm，b＝3mm)的矩形单元，每个单元距离单元左下方边界长宽分别 为a₀＝0.25mm和b₀＝0.9mm处开有一长宽分别为l＝0.15mm和w＝1.5mm的孔洞。 使Cu掩膜距离基片0.1mm，在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉积速率 为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第一磁敏探测器薄 膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层IrMn 12nm/CoFeB 3nm、中间层MgO 1.5nm、 探测磁性层CoFeB 4nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁性层时加上 一面内沿X方向的磁场200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿Y方向的磁 场200Oe。

3)再沿Y方向移动掩膜板0.3mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测 器薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s， 氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第二磁敏探测器薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层PtMn 12nm/CoFeB 3nm、中间层MgO 1.5nm、探测磁性层CoFeB 4nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁性层时加上一面内沿Y方向的 磁场200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿X方向的磁场200Oe。

4)沿Y方向移动掩膜板0.3mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测器 薄膜重叠又不与第二磁敏探测器单元薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于 5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积 第三磁敏探测器单元薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层FeMn 4nm/CoFeB 1.nm、 中间层MgO 1.5nm、探测磁性层CoFeB 1.5nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其 中在沉积探测磁性层时加上一面内沿Y方向的磁场200Oe。

5)对每个单元内沉积了三个磁敏探测器薄膜的基片同时采用常规的半导 体微加工工艺，包括：涂胶、前烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝 光或采用电子束曝光、显影、定影、后烘，离子束刻蚀、丙酮去胶等，获得三 个独立的TMR器件从而构成一三维磁敏探测器单元，在按单元划分将基片切割 为150个磁敏探测器单元。

6)对每个TMR磁敏探测器单元的上下电极所构成的一对电极上输入恒压/ 恒流，在每个磁敏探测器单元另外上下电极所构成的一对电极接收电流/电压 信号；当有外磁场时磁敏探测器电阻发生改变，导致输出信号的变化，由于参 考磁性层与探测磁性层磁矩方向垂直，在一定范围内输出电流/电压信号与磁 场的变化呈线性关系，由输出电流/电压信号即可得出外磁场的大小。

实施例43采用可在XY平面内移动的掩模板制备基于双侧钉扎Co/Cu-GMR磁 性纳米多层薄膜三维磁敏探测器

1)选择一个长宽高为30mm×30mm×1mm的Si/SiO₂为基片。

2)选用一长宽高30mm×300mm×2mm的矩形Cu掩膜，该掩膜有10行10 列3mm×3mm(a＝b＝3mm)的正方形单元，每个单元在距离单元左下方边界长宽 0.5mm(a₀＝b₀＝1mm)处开有一长宽均为0.25mm(l＝w＝0.25mm)的孔洞。使Cu掩膜 距离基片d＝0.2mm。在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉积速率为 0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第一磁敏探测器薄膜 的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层NiMn 5nm/Co 3nm、中间层Cu 2.5nm、探测磁 性层Co 4nm/IrMn 5nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁性层时加上 一面内沿X方向的磁场200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿Y方向的磁 场200Oe。

3)沿Y方向移动掩膜板0.5mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测器 薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩 气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第二磁敏探测器薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层IrMn 5nm/Co 3nm、中间层Cu 2.5nm、探测磁性层Co 4nm/ FeMn 5nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁性层时加上一面内沿Y 方向的磁场200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿X方向的磁场200Oe。

4)再沿X方向移动掩膜板0.5mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测 器薄膜重叠又不与第二磁敏探测器薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于 5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积 第三磁敏探测器薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层PtMn 5nm/Co 1nm、中间层 Cu 2.5nm、探测磁性层Co 1.5nm/FeMn 5nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中 在沉积参考磁性层时加上垂直膜面沿Z方向的磁场200O，沉积探测磁性层时 加上一面内沿X方向的磁场200Oe。

5)在真空条优于1×10^-4Pa的件下，先在高于NiMn奈尔温度T_N^NiMn下沿膜面 X方向施加一200Oe的磁场对上述薄膜进行首次退火；待温度降低至NiMn奈 尔温度T_N^NiMn以下后撤除磁场；在温度高于IrMn奈尔温度T_N^IrMn下沿面内Y方向 施加200Oe的磁场进行第二次退火，待温度降至IrMn奈尔温度T_N^IrMn以下后撤 除磁场；再在高于PtMn奈尔温度T_N^PtMn沿沿垂直膜面Z方向施加200Oe的磁场 进行第三次退火，待温度降至PtMn奈尔温度T_N^PtMn以下后撤除磁场；最后在高 于FeMn奈尔温度T_N^FeMn施加一沿膜面X方向200Oe的磁场退火，待待温度降至 常温度后撤除磁场。

6)对每个单元内沉积了三个磁敏探测器薄膜的基片同时采用常规的半导 体微加工工艺，包括：涂胶、前烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝 光或采用电子束曝光、显影、定影、后烘，离子束刻蚀、丙酮去胶等，获得三 个独立的GMR器件从而构成一三维磁敏探测器单元，最后按单元划分将基片切 割为100个磁敏探测器单元。

7)对每个GMR磁敏探测器单元的上下电极所构成的一对电极上输入恒压/ 恒流，在每个磁敏探测器单元另外上下电极所构成的一对电极接收电流/电压 信号；当有外磁场时磁敏探测器电阻发生改变，导致输出信号的变化，由于参 考磁性层与探测磁性层磁矩方向垂直，在一定范围内输出电流/电压信号与磁 场的变化呈线性关系，由输出电流/电压信号即可得出外磁场的大小。

实施例44采用可在Y方向内移动的掩模板制备基于双侧钉扎 CoFeB/MgO/CoFeB-TMR磁性纳米多层薄膜的三维磁敏探测器

1)选择一个长宽高为30mm×30mm×1mm的Si/SiO₂为基片。

2)选用一长宽高30mm×30mm×2mm的矩形Cu掩膜，该掩膜有10行10列 2mm×3mm(a＝2mm，b＝3mm)的矩形单元，每个单元距离单元左下方边界长宽分别 为a₀＝0.25mm和b₀＝0.9mm处开有一长宽分别为l＝0.15mm和w＝1.5mm的孔洞。 使Cu掩膜距离基片0.1mm，在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉积速率 为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第一磁敏探测器薄 膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层NiMn 12nm/CoFeB 3nm、中间层MgO 1.5nm、 探测磁性层CoFeB 4nm/IrMn5nm/和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁 性层时加上一面内沿X方向的磁场200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿 Y方向的磁场200Oe。

3)再沿Y方向移动掩膜板0.3mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测 器薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s， 氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积第二磁敏探测器薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层IrMn 5nm/CoFeB 3nm、中间层MgO 1.5nm、探测磁性层CoFeB 4nm/FeMn 5nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm；其中沉积参考磁性层时加上一面内 沿Y方向的磁场200Oe，在沉积探测磁性层时加上一面内沿X方向的磁场 200Oe。

4)沿Y方向移动掩膜板0.3mm，使得掩膜板所开孔洞不与第一磁敏探测器 薄膜重叠又不与第二磁敏探测器薄膜重叠，在磁控溅射设备上以真空优于 5×10^-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在Si/SiO₂上沉积 第三磁敏探测器薄膜的缓冲层Ta 5nm，参考磁性层PtMn 5nm/CoFeB 1nm、中 间层MgO 1.5nm、探测磁性层CoFeB 1.5nm/FeMn 5nm和覆盖层Ta 5nm/Ru 5nm； 其中在沉积探测磁性层时加上一面内沿Y方向的磁场200Oe。

5)在真空条优于1×10^-4Pa的件下，先在高于NiMn奈尔温度T_N^NiMn下沿膜面 X方向施加一200Oe的磁场对上述薄膜进行首次退火；待温度降低至NiMn奈 尔温度T_N^NiMn以下后撤除磁场；在温度高于IrMn奈尔温度T_N^IrMn下沿面内Y方向 施加200Oe的磁场进行第二次退火，待温度降至IrMn奈尔温度T_N^IrMn以下后撤 除磁场；再在高于PtMn奈尔温度T_N^PtMn沿垂直膜面方向即Z方向施加200Oe的 磁场进行第三次退火，待温度降至PtMn奈尔温度T_N^PtMn以下后撤除磁场；最后 在高于FeMn奈尔温度T_N^FeMn施加沿面内X方向200Oe的磁场退火，待温度降至 常温度后撤除磁场。

6)对每个单元内沉积了三个磁敏探测器薄膜的基片同时采用常规的半导 体微加工工艺，包括：涂胶、前烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝 光或采用电子束曝光、显影、定影、后烘，离子束刻蚀、丙酮去胶等，获得三 个独立的TMR器件从而构成一三维磁敏探测器单元，最后按单元划分将基片切 割为150个磁敏探测器单元。

7)对每个TMR磁敏探测器单元的上下电极所构成的一对电极上输入恒压/ 恒流，在每个磁敏探测器单元另外上下电极所构成的一对电极接收电流/电压 信号；当有外磁场时磁敏探测器电阻发生改变，导致输出信号的变化，由于参 考磁性层与探测磁性层磁矩方向垂直，在一定范围内输出电流/电压信号与磁 场的变化呈线性关系，由输出电流/电压信号即可得出外磁场的大小。

应该说明的是，此处提出的各个实施例是为了更好地解释本发明的实际应 用，并使得本技术领域的熟练人员可以利用本发明。但是本领域的一般熟练人 员可以理解，上面的描述和实施例仅仅是为了说明而举的例子。本发明的核心 内容是提供一种磁各向异性在三维空间可调制的磁性纳米多层薄膜结构；其核 心设计原理是：利用铁磁层/非磁层界面诱导的垂直磁各向异性，通过改变磁 性层厚度在不同厚度处获得垂直磁化或面内磁化的磁性层，同时利用钉扎结构 和诱导磁场生长以及后续磁场退火方式实现磁性纳米薄膜磁各向异性在三维 空间上的调制。

本发明的效果：本发明利用铁磁层/非磁层界面诱导的垂直各向异性调制 参考磁性层和探测磁性层的磁各向异性：在铁磁层较薄处获得易磁化轴垂直膜 面的参考层，在铁磁层较厚处获得易磁化轴在面内的参考层；再利用钉扎结构 或诱导磁场生长以及后续磁场中退火实现参考磁性层和探测磁性层磁各向异 性在三维空间的调制，其磁敏探测器工艺简单，一致性好，且集成度高。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这 些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。