余濤 楊黎 岑杉杉

貴州雅光電子科技股份有限公司，貴州貴陽 550025

0 前言

坡莫合金材料由于擁有較大的各向異性磁阻效應和較好的溫度穩(wěn)定性而受到研究人員的廣泛關(guān)注。影響坡莫合金薄膜材料性能的因素很多，其中主要有：NiFe層厚度[1]、濺射氣壓、濺射功率[2]、緩沖層厚度、緩沖層材料[3‐4]、沉積溫度、退火溫度[5‐7]等。研究人員的主要目標是對材料的性能做深度的研究，匹配相關(guān)類型傳感器芯片的研制。而在實際應用過程中，由于涉及到材料和芯片的功耗，需要盡量提高薄膜的電阻值，在有限面積的芯片上提升薄膜的電阻值，有2種方式：第1種：減小膜厚，但是會降低薄膜的AMR值，增大后續(xù)IC電路信號取樣的難度；第2種：減小線寬，能夠保證在有限的面積內(nèi)獲得較大的線條長寬比，從而大大提高薄膜材料的電阻，降低薄膜功耗。

目前的研究更多是根據(jù)設計不同的濺射氣壓、薄膜厚度、基片溫度、緩沖層厚度等參數(shù)進行測試，分析這些參數(shù)對材料性能的影響。YU G H等人[8]研究發(fā)現(xiàn)，較低濺射氣壓下比較高濺射氣壓下制備的NiFe薄膜的磁性能要好，較低濺射氣壓下制備的NiFe（12 nm）薄膜各向異性磁電阻（AMR）值達到12%，而其矯頑力卻只有1,274 A/m；LIU Y F[9]等人研究發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的Ta/NiFe/Ta薄膜結(jié)構(gòu)中插入Pt層后，薄膜材料的AMR值由之前的1.17%變?yōu)?.95%，薄膜性能大大提升；DING L 等人[10]研究發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的Ta/NiFe/Ta三明治結(jié)構(gòu)，在引入Au作為緩沖層后，NiFe薄膜的AMR值由之前的2%變?yōu)?.55%，薄膜性能大大提升。

由于學校和科研機構(gòu)的設備和工藝限制，對薄膜線寬的研究較少。FLUITMAN J[11]實驗證明了寬度對AMR元件輸出特性曲線的影響。ANDERSON R L等[12]和FREDKIN D R等[13]的理論計算表明，元件寬度方向的退磁場分布是不均勻的。ZHANG H等[14]將NiFe薄膜制成了厚度t=20 nm、長度l=2.5 mm、寬度w分別為50 μm、20 μm、10 μm、5 μm和3 μm的AMR元件，經(jīng)過測試分析發(fā)現(xiàn)，薄膜材料的寬度越小，元件中的邊緣退磁場越大，在外磁場下的磁化反轉(zhuǎn)也越困難，在磁化反轉(zhuǎn)過程中，磁化反轉(zhuǎn)先從中心開始，逐漸擴展到邊緣。為了更深入地研究薄膜線條寬度和薄膜AMR磁性能的關(guān)系，本文做了相應的研究。

1 實驗

1.1 樣品制備

芯片樣品的制備全部在標準8英寸生產(chǎn)線完成，首先，制備含不同線寬的磁敏薄膜電橋光刻板，使用光刻機設備進行光刻操作，獲得不同線條寬度（7～ 15 nm）的敏感單元圖形（如圖1所示），芯片面積500 μm×500 μm；然后，采用磁控濺射設備生長磁性薄膜，薄膜結(jié)構(gòu)為Ta（5 nm）/NiFe（12 nm）/Ta（2 nm），使用超聲波清洗機對制備的樣品進行剝離和清洗操作；最后，對生產(chǎn)得到的晶圓進行鈍化、電極生長、封裝等工藝，獲得了TO‐94封裝的不同線寬薄膜線條的AMR芯片樣品，每種芯片的線條長寬比均大于50。由于芯片已經(jīng)采用封裝技術(shù)做了電極引出，大大降低了測試過程中的噪音。

1.2 樣品測試

測試系統(tǒng)由吉時利2400電流源、吉時利 2182納伏表、泰克4305電流源、亥姆霍茲線圈、光學顯微鏡和計算機控制系統(tǒng)組成，主要的測試設備如圖2所示。

采用泰克4305源表為亥姆霍茲線圈提供可變的電流源，為芯片提供可變的均勻磁場，均勻磁場范圍為±100 Gauss，然后用吉時利2400源表為芯片提供3 V的穩(wěn)定電壓（2、4管腳），采用吉時利2182源表測量芯片的輸出信號（1、3管腳）。整個測試過程都是通過LabVIEW軟件進行實施控制并記錄數(shù)據(jù)。由于測試到的信號是電壓信號，且工藝誤差會導致薄膜單元的電阻值不一樣，需要對數(shù)據(jù)進行處理。

根據(jù)芯片的圖形，芯片的輸出電壓與薄膜AMR值的關(guān)系如下：

在零磁場條件下，可以認為：RAD=RBC=RAC= RBD=R。根據(jù)坡莫合金的特性，當外磁場方向與坡莫合金易磁化軸方向平行時，薄膜電阻不變；當外磁場方向與坡莫合金易磁化軸方向垂直時，薄膜電阻減小。而由于形狀各向異性和工藝誘導，薄膜的易磁化軸方向與薄膜線條方向相同。

當添加H1方向的外加磁場時，RAD=RBC=R//=R，RAC=RBD=R⊥=R(1-AMR)，則信號電壓與驅(qū)動電壓的比值可以根據(jù)電路分析后通過如下公式計算得出：

當添加H2方向的外加磁場時，RAD=RBC=R⊥=R(1-AMR)，RAC=RBD=R//=R，此時信號電壓與驅(qū)動電壓的比值為：

根據(jù)上面的分析，不管測量哪個方向的薄膜電橋輸出，都可以得到如下公式：

其中，ΔU——輸出端兩端測量得到電壓值的絕對值；

U——輸入端的輸入電壓值。

經(jīng)過處理后，每顆芯片的曲線就是相對應尺寸的薄膜AMR測試曲線，排除了工藝誤差因素帶來的影響。

2 結(jié)果分析

為了確定當薄膜厚度相同時，不同線寬的薄膜材料對各向異性磁電阻的影響，制備了5組不同線寬的薄膜樣品進行測試，每組隨機選取10個樣品的數(shù)據(jù)進行了處理，得到的AMR曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，不同線寬的薄膜材料在達到飽和狀態(tài)時，AMR值約為1.5%，AMR值在±0.1%的誤差范圍內(nèi)浮動。這0.1%的誤差是由于產(chǎn)線設備的性能限制引起的，不影響測試分析結(jié)果，是可允許的誤差范圍。圖3中，由于18 μm線寬的薄膜材料在磁場強度為50 Oe（3,980 A/m）時還未達到完全飽和狀態(tài)，所以其對應的AMR值偏小。為了保證數(shù)據(jù)完整性，將18 μm的樣品重新測試，得到如圖4所示的AMR曲線圖。

從圖4可以看出，薄膜材料達到飽和狀態(tài)時，AMR值約為1.43%，其AMR值與其他線寬的AMR值相當，保持在誤差范圍內(nèi)。

為了能夠更深入地分析不同線寬薄膜材料對薄膜AMR性能的影響，將薄膜材料在AMR值為1.2%時對應的曲線寬度ΔH作為衡量薄膜磁敏感性的一個參數(shù)，并且將每一種參數(shù)的10個樣品的數(shù)據(jù)平均值作為分析數(shù)據(jù)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)做了相應的擬合，其結(jié)果如圖5所示。

從圖5可看出，當薄膜的厚度一定時，隨著材料線寬從18 μm增大到30 μm，材料的AMR曲線ΔH從6,565.408 A/m減小到2,025.024 A/m。為了對其他尺寸的薄膜線條的性能做一個初步的預判，為下一步實驗提供參考，將所得的數(shù)據(jù)做一個擬合，擬合效果表明，已測數(shù)據(jù)與擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)達到99%以上。根據(jù)擬合公式可以看出，ΔH和線寬t在一定范圍內(nèi)符合公式（4）：

其中，t——薄膜寬度（單位：μm）；

ΔH——AMR曲線在1.2%時的寬度。

從公式（4）可以看出，ΔH與薄膜寬度t成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，當t趨近于0時，ΔH大概為46,785.666 A/m；當t趨近于+∞時，ΔH約為323.873 A/m。

在基于坡莫合金材料設計具體的芯片時，為了得到相應飽和磁感應強度的坡莫合金薄膜，可以根據(jù)本文的研究成果及該擬合公式，在實驗前期給研究人員作一個參考。但是由于數(shù)據(jù)量過少，該擬合曲線只在一定線寬區(qū)間內(nèi)與ΔH滿足公式（4），需要更多的數(shù)據(jù)來補充和優(yōu)化相關(guān)公式。

為了說明薄膜的磁靈敏度，引入AMR曲線斜率，將其作為衡量薄膜材料磁靈敏度的參數(shù)之一，定義AMR曲線的斜率S為：

在線性區(qū)間，AMR傳感器輸出曲線的斜率代表磁敏傳感器靈敏度的大小。根據(jù)薄膜的AMR曲線可以得到S隨H的關(guān)系曲線，如圖6所示。

由于AMR曲線兩邊對稱，分析時選擇S的最大絕對值Smax作為分析數(shù)據(jù)依據(jù)，從公式（5）可以看出，Smax越大，薄膜材料在線性區(qū)域內(nèi)隨著外磁場的變化越快，磁靈敏度越好。將每種尺寸參數(shù)的10個樣品斜率數(shù)據(jù)的平均值作為表征薄膜靈敏度的參數(shù)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)做了相應的擬合，其結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，當薄膜的厚度一定時，隨著線寬從18 μm逐漸增大到30 μm，Smax由0.058逐漸增大到0.172，薄膜材料的靈敏度提高了66.2%，這表明薄膜的靈敏度隨著薄膜線條寬度的增大而逐漸增大。我們將現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行擬合分析，在一定參數(shù)范圍內(nèi)，已測數(shù)據(jù)和擬合曲線的相關(guān)性達到99%以上。根據(jù)擬合公式可以看出，Smax和線寬t在一定范圍內(nèi)符合公式（6）：

其中，t——薄膜線寬（單位：μm）；

Smax——AMR曲線斜率數(shù)據(jù)絕對值的最大值。

3 結(jié)束語

（1）當薄膜材料的厚度一定時，在一定范圍內(nèi)其飽和磁感應強度和薄膜材料線寬t成負指數(shù)函數(shù)關(guān)系：當線寬從18 μm逐漸增大到30 μm，薄膜材料的AMR測試曲線在1.2%處的曲線寬度ΔH從6,565.408 A/m減小到2,025.024 A/m；

（2）當薄膜材料的厚度一定時，薄膜材料的靈敏度Smax和線寬t呈線性關(guān)系：當薄膜材料的線條寬度從18 μm增大30 μm時，Smax從0.058增大到0.172。

綜上所述，在設計基于坡莫合金薄膜材料的相關(guān)磁阻傳感器芯片時，需要根據(jù)不同的設計指標選取不同的薄膜材料飽和磁感應強度和靈敏度。本領域的研究人員能夠參考本論文的研究內(nèi)容選擇合適自己的參數(shù)來優(yōu)化實驗策略，提高研究效率。