本发明涉及磁传感领域，尤其涉及一种外延生长tmr的膜层结构及其制备方法、tmr传感器制备方法。
背景技术：
1、弱磁场(pt～μt水平)无处不在，包括地磁场、生物磁场(脑磁信号、心磁信号、肌磁信号)、微小电流磁场等。弱磁探测的实现对于导航，生物医疗，人机交互，工业生产都起到重要作用。在弱磁探测技术发展过程中，人们研究了各种各样的磁场传感器，包括磁通门计、光泵磁强计、超导量子干涉仪以及磁阻传感器，其中磁阻传感器具有高灵敏度、小尺寸、低功耗、与cmos工艺兼容的优点，在弱磁探测领域具有极大的应用前景。目前，磁阻传感器主要以巨磁阻(giant magnetic resistance，gmr)效应和隧穿磁电阻(tunnel magneticresistance，tmr)效应为基础，最低探测极限可达pt水平。磁阻传感器的最低探测极限主要受限于1/f噪声，然而弱磁场主要以低频的形式存在，因此如何抑制1/f噪声，进而提高磁阻传感器的磁场分辨率，是目前人们急需攻克的科学难题。目前抑制磁阻传感器1/f噪声技术主要有：大规模串联隧道结(或自旋阀)；集成磁通聚集结构；电流调制；集成谐振器等。其中在磁阻传感器上结合微机电系统(micro electro-mechanical system，mems)工艺的带有谐振器结构的磁通调制技术是抑制磁阻传感器1/f噪声并且有望使磁阻传感器磁场分辨率达到pt级别甚至亚pt级别的重要技术之一。磁通调制技术的原理是使具有较高谐振频率的谐振器与磁通量聚集器(magnetic flux concentrator，mfc)结合，可以将直流或低频磁场调制成高频磁场，从而极大地降低1/f噪声的干扰。带有磁通调制结构的mems磁阻传感器结合了磁阻传感器尺寸小、灵敏度高、功耗小和磁通调制结构放大磁场、可调制磁场频率的特点，可以进一步提高磁场分辨率。但是目前带有磁通调制结构的mems磁阻传感器普遍存在磁阻传感器mr值低的缺点。mr值低意味着传感器的灵敏度将受限，间接影响传感器本身的磁场分辨率。带有磁通调制结构的mems磁阻传感器mr值低的原因主要是在绝缘体上的单晶硅(silicon-on-insulator，soi)衬底上制备磁阻传感器膜层时，磁阻传感多层膜的质量相比于在常用的氧化硅片上制备的磁阻传感多层膜质量差。因此优化soi衬底的磁阻传感膜层结构及制备工艺将是提高带有磁通调制结构的mems磁阻传感器的磁场分辨率的重要技术。
技术实现思路
1、鉴于上述问题，本发明提供了一种外延生长tmr的膜层结构及其制备方法、tmr传感器制备方法。
2、根据本发明的第一个方面，提供了一种tmr的膜层结构，其特征在于，包括衬底，所述衬底上依次设置有nial缓冲层、mgo绝缘层、种子层、自由层、插入层、中间层、第一参考层、非铁磁层、第二参考层及反铁磁层；
3、其中，所述nial缓冲层为001晶向的nial，品格常数anial为0.289nm；所述mgo绝缘层为001晶向的mgo，晶格常数amgo为0.808nm，，amgo/2＝0.404nm。
4、在一实施例中，所述插入层的材料为mg10al90。
5、在一实施例中，所述种子层的材料为001晶向的cr。
6、在一实施例中，所述自由层、第一参考层及第二参考层的材料均为fe；
7、所述自由层的fe的为体心立方型结构。
8、在一实施例中，所述反铁磁层的材料为ir22mn78。
9、在一实施例中，所述反铁磁层上还设置有覆盖层，所述覆盖层的材料为ta。
10、本发明的第二方面提供了一种外延生长tmr的膜层结构的制备方法，所述方法包括：
11、将衬底放置在磁控溅射系统腔内，磁控溅射系统腔高温加热至400℃，同时采用射频功率80w溅射20nmnial薄膜；
12、将所述磁控溅射系统腔高温加热至600℃，并持续烘烤1小时；
13、待所述磁控溅射系统腔内温度降温至室温后，采用射频功率120w溅射10nmmgo薄膜；
14、溅射mgo薄膜后以600℃高温原位烘烤1小时；
15、待所述磁控溅射系统腔内温度降温至室温后，采用直流功率80w溅射40nm的cr(001)作为种子层，以600℃高温原位烘烤1小时；
16、待所述磁控溅射系统腔内温度降温至室温后，施加0.5t面内水平磁场的同时采用直流功率80w溅射100nm的fe(001)，以400℃高温原位烘烤1小时；
17、待所述磁控溅射系统腔内温度降温至室温后，采用直流功率80w溅射0.3nm的mg10al90；
18、采用射频功率120w溅射1.5nm的mgal2o4(001)作为中间层；
19、溅射mgal2o4(001)薄膜后以500℃高温原位烘烤1小时；
20、待所述磁控溅射系统腔内温度降温至室温后，施加0.5t面内水平磁场的同时采用直流功率80w依次溅射6nm的fe(001)、0.85nm的ru以及6nm的fe；
21、采用直流功率80w反溅射样品5秒降低平整度，保证反铁磁层ir22mn78在退火后以110晶向结晶；
22、施加0.5t面内水平磁场，同时采用直流功率80w依次溅射10nm的ir22mn78以及3nm的ta；
23、将样品沿着溅射过程中施加的磁场垂直的方向以0.5t的面内磁场175℃退火1小时；
24、将样品沿着溅射过程中施加的磁场水平的方向以0.5t的面内磁场130℃退火0.5小时。
25、本发明的第三方面提供了一种tmr传感器制备方法，其特征在于，所述方法包括：
26、在soi片上依次溅射nial缓冲层、mgo绝缘层和tmr薄膜，所述tmr薄膜包括种子层、自由层、插入层、中间层、第一参考层、非铁磁层、第二参考层及反铁磁层；
27、采用离子束刻蚀设备两步刻蚀所述tmr薄膜，分别刻蚀出底电极和矩形的结区；
28、沉积sio2钝化层，以保护磁阻式敏感元件；
29、溅射高磁导率软磁薄膜，以制作磁通量聚集器；
30、采用反应离子刻蚀设备刻蚀mgo绝缘层，采用离子束刻蚀设备刻蚀nial缓冲层；
31、溅射高电导率金属将磁阻式敏感元件电极和谐振器电极引出；
32、采用深反应离子刻蚀设备刻蚀soi片的器件层；
33、soi片正面涂覆光刻胶以保护所述器件层；
34、采用深反应离子刻蚀设备刻蚀soi片的衬底；
35、采用反应离子刻蚀设备刻蚀soi片的埋氧层，释放谐振器；
36、去除光刻胶。
37、在一实施例中，采用如第二方面所述的tmr的膜层结构的制备方法，执行所述在soi片上依次溅射nial缓冲层、mgo绝缘层和tmr薄膜的操作。
38、在一实施例中，所述矩形的宽度为2～3um，长度为20～30um。
39、根据本发明提供的tmr的膜层结构及其制备方法、tmr传感器制备方法，至少具有以下技术效果：
40、(1)本发明提供的在soi衬底上单晶外延生长tmr的膜层结构及其制备方法、tmr传感器制备方法可大幅度降低磁阻传感薄膜的晶格失配，提高soi上的tmr的磁阻比；
41、(2)选择了nial/mgo以及nial/mgo/cr结构分别作为tmr多层膜在soi衬底外延生长的种子层结构，能优化soi衬底上tmr多层膜的生长质量；
42、(3)提供了基于外延生长的磁通调制tmr传感器件的一体化制备工艺方案，把外延生长的tmr与磁通调制器件进行了有效结合；
43、(4)在soi衬底上单晶外延生长tmr的膜层结构及相关器件制备工艺有望显著提高集成磁通调制结构的mems磁阻传感器的灵敏度，抑制磁通调制的磁阻传感器的1/f噪声，提升传感器的弱磁探测能力。
1.一种外延生长tmr的膜层结构，其特征在于，包括衬底，所述衬底上依次设置有nial缓冲层、mgo绝缘层、种子层、自由层、插入层、中间层、第一参考层、非铁磁层、第二参考层及反铁磁层；
2.根据权利要求1所述的外延生长tmr的膜层结构，其特征在于，所述插入层的材料为mg10al90。
3.根据权利要求1所述的外延生长tmr的膜层结构，其特征在于，所述种子层的材料为001晶向的cr。
4.根据权利要求1所述的外延生长tmr的膜层结构，其特征在于，所述自由层、第一参考层及第二参考层的材料均为fe；
5.根据权利要求1所述的外延生长tmr的膜层结构，其特征在于，所述反铁磁层的材料为ir22mn78。
6.根据权利要求1所述的外延生长tmr的膜层结构，其特征在于，所述反铁磁层上还设置有覆盖层，所述覆盖层的材料为ta。
7.一种外延生长tmr的膜层结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
8.一种tmr传感器制备方法，其特征在于，所述方法包括：
9.根据权利要求8所述的tmr传感器制备方法，其特征在于，采用如权利要求7所述的tmr的膜层结构的制备方法，执行所述在soi片上依次溅射nial缓冲层、mgo绝缘层和tmr薄膜的操作。
10.根据权利要求8所述的tmr传感器制备方法，其特征在于，所述矩形的宽度为2～3um，长度为20～30um。
