CN101964393A - 一种消除自旋阀磁敏电阻磁滞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除自旋阀磁敏电阻磁滞的方法。现有的方法工艺复杂且不适合于工业化生产。本发明方法是在制备自旋阀磁敏电阻过程中，利用反铁磁材料对自由层两端进行钉扎，在自由层两端形成被钉扎区域；被钉扎区域与未被扎区域的分界线为直线段；分界线与磁敏电阻长轴垂直方向即被钉扎方向形成夹角，且自旋阀磁敏电阻中自由层两端分界线相对于长轴垂直方向的倾斜方向相同；自由层两端被钉扎区域的钉扎方向与自旋阀磁敏电阻中的被钉扎层的钉扎方向一致；钉扎方向与磁敏电阻长轴垂直方向一致。本发明方法可以有效地消除自旋阀磁敏电阻的磁滞，使之线性化，从而达到优化器件性能的效果。

Description

一种消除自旋阀磁敏电阻磁滞的方法

技术领域

本发明属于磁敏传感技术领域，涉及一种消除自旋阀磁敏电阻磁滞的方法。

背景技术

利用巨磁阻(GMR)自旋阀磁敏电阻制成的磁敏传感器可广泛应用于精密机械精确定位、石油勘探系统、电力控制、汽车ABS系统、导弹导航和医疗器械等技术领域。相对于传统磁敏传感器如霍尔器件、AMR器件等，GMR自旋阀磁敏传感器在尺寸、灵敏度、能耗和稳定性等方面有诸多优势。制备高性能自旋阀磁敏电阻的一个关键是减小磁滞，目前减小自旋阀磁敏电阻磁滞的方法主要有：1)通过外加永磁体形成偏置磁场；2)通过在集成线圈中通电流形成偏置磁场；但上述两种方法将使工艺难度增大并使器件能耗增加。通常设计自旋阀磁敏电阻时将其两端设计成尖角形状，目的是束缚尖端磁畴畴壁的运动，以减小末端效应带来的磁滞，但这种方法很难达到从根本上束缚磁畴运动的目的，因为末端磁畴结构受外磁场特别是大磁场的影响将发生变化从而使磁敏电阻产生磁滞。在美国发明专利US6865062B2中提到，利用反铁磁钉扎材料将自由层两端钉扎在平行于长轴方向上(如图1所示，阴影部分表示自由层两端被反铁磁材料钉扎在长轴方向上)，可减小和消除由于末端多畴结构带来的磁滞，但该方法存在一个本质缺陷，被钉扎层是被钉扎在垂直于长轴的方向上，被钉扎的自由层的钉扎方向与被钉扎层的钉扎方向不同，如图2所示，图中的空白区从上至下依次为铁磁自由层、非铁磁隔离层和铁磁被钉扎层。图中的上下两个阴影区表示两个反铁磁钉扎层。图2中自由层末端和被钉扎层的钉扎方向标示分别为平行于长轴和垂直于长轴方向。因此为了实现对被钉扎层和自由层两端不同方向的钉扎，需要采用较为复杂的工艺才能实现，比如需要在沉积自旋阀材料时所加的磁场方向与沉积钉扎自由层的钉扎层时所加的磁场方向不同。此外，在优化器件性能时往往需要热处理，而热处理将使在沉积材料时形成的两个不同钉扎方向发生改变，从而使器件性能劣化。显然这种方法不适合于工业化生产。

发明内容

本发明的目的是为了消除自旋阀磁敏电阻的磁滞，提出了一种消除自旋阀磁敏电阻磁滞的方法。

本发明方法是在制备自旋阀磁敏电阻过程中，利用反铁磁材料对自由层两端进行钉扎，在自由层两端形成被钉扎区域；

所述的自旋阀磁敏电阻的主体结构为长方形，两端可设计为斜角和弧形等特殊结构，长方形的长度方向为磁敏电阻的长轴方向；

所述的被钉扎区域与未被扎区域的分界线为直线段；

所述的分界线与磁敏电阻长轴垂直方向即被钉扎方向形成(0°，90°)夹角，且自旋阀磁敏电阻中自由层两端分界线相对于长轴垂直方向的倾斜方向相同。

所述的自由层两端被钉扎区域的钉扎方向与自旋阀磁敏电阻中的被钉扎层的钉扎方向一致。

所述的钉扎方向与磁敏电阻长轴垂直方向一致。

所述钉扎自由层两端的反铁磁材料所选用的材料可以与自旋阀磁敏电阻中的钉扎层的反铁磁材料所选用的材料相同。

本发明的自旋阀磁敏电阻结构中自由层两端采用了反铁磁材料进行钉扎，能够使自由层末端有效单畴化，从而减小末端效应带来的磁滞。此外，自由层中两端被钉扎区域的特殊形状可在两端被钉扎区域与未被钉扎区域的分界线上产生磁荷效应，可对在外磁场下自由转动的未被钉扎的自由层产生一个磁场偏置作用，使其单畴化，从而进一步减小磁敏电阻的磁滞。采用与自旋阀结构中钉扎层相同的反铁磁材料对自由层末端进行钉扎，一方面可以简化工艺，另外可以避免热处理过程中材料性能劣化。

附图说明

图1为美国专利中自旋阀磁敏电阻的自由层结构示意图；

图2为美国专利中利用反铁磁钉扎自由层末端技术制备的自旋阀材料结构示意图；

图3为本发明方法中自由层结构示意图；

图4为本发明的一个实施例示意图；

图5为本发明中自旋阀磁敏电阻各层的磁化方向示意图；

图6为仿真模型图；

图7(1)为图6中仿真模型的仿真结果图；

图7(2)为图6中仿真模型未对自由层两端钉扎时的仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

如图3所示，本发明方法是在制备自旋阀磁敏电阻过程中，利用反铁磁材料对自由层两端进行钉扎，在自由层两端形成被钉扎区域；图中阴影部分表示自由层两端被反铁磁材料钉扎在垂直于长轴的方向上。

自旋阀磁敏电阻的主体结构为长方形，两端可设计为斜角和弧形等特殊结构，长方形的长度方向为磁敏电阻的长轴方向。

被钉扎区域与未被扎区域的分界线为直线段。

分界线与磁敏电阻长轴垂直方向即被钉扎方向形成夹角，且自旋阀磁敏电阻中自由层两端分界线相对于长轴垂直方向的倾斜方向相同。

如图5所示，自旋阀磁敏电阻从上至下依次为自由层，Cu层、被钉扎层和钉扎层。钉扎层将被钉扎层的磁化方向钉扎在垂直于长轴的方向，自由层两端(阴影部分)采用反铁磁材料进行钉扎，其钉扎方向与被钉扎层的钉扎方向相同，为垂直于长轴的方向，自由层未被钉扎部分的磁化方向在磁场的作用下可自由转动，自旋阀磁敏电阻阻值的变化与所加外磁场成正比。

钉扎自由层两端的反铁磁材料所选用的材料可以与自旋阀磁敏电阻中的钉扎层的反铁磁材料所选用的材料相同。

本发明的本质特点在于自由层两端被钉扎区域和自由层中未被钉扎区域的分界线与长轴的垂直方向不平行，同时两端的分界线相对于长轴垂直方向的倾斜方向相同。因此不仅限于图3所示的结构，也可是其它具有这种本质特点的设计，图4列举了另一种实施方式，阴影部分为自由层两端被钉扎区域。自由层两端被钉扎区域与未被钉扎区域的分界线相对于长轴的垂直方向倾斜方向相同，两边的倾角α和β可以相同，也可以不同。

本发明中自旋阀磁敏电阻可以是上钉扎自旋阀结构或下钉扎自旋阀结构。上钉扎自旋阀结构自下而上由铁磁自由层、非磁性间隔层、铁磁被钉扎层以及反铁磁钉扎层组成。铁磁自由层材料可选用NiFe、NiFeCo、CoFe、Co、CoFeB及其复合层材料；间隔层由非磁性导电材料组成，可以是Cu、Au、Ag、Cr及其合金；铁磁被钉扎层由铁磁材料，可以是NiFe、NiFeCo、CoFe、Co及其复合层材料，铁磁被钉扎层也可由人工合成反铁磁材料结构组成；反铁磁钉扎层由反铁磁性材料组成，通常为FeMn、NiMn、IrMn、PtMn、PtPdMn、CrPtMn合金材料。

人工合成反铁磁材料由铁磁层/非磁性层/铁磁层三层组成，铁磁层可以是NiFe、NiFeCo、CoFe、Co及其复合层材料，非磁性层一般采用Ru。通常采用的典型的材料结构为CoFe/Ru/CoFe。；

如图6所示，针对两端为弧形结构的自旋阀磁敏电阻进行仿真，自旋阀自由层中间未被钉扎部分长度为4μm，宽度为1μm，两端弧形部分高度为1.5μm。自由层两端被钉扎在长轴的垂直方向上，钉扎强度为900Oe，自由层两端被钉扎区域与中间未被钉扎区域的分界线与长轴垂直方向夹角为45°。

图7(1)为上述模型的微磁仿真结果，即在±200 Oe的外磁场作用下得到的磁化曲线。自旋阀磁敏电阻的磁化曲线没有磁滞。对比图7(2)中未对自由层两端钉扎时得到的磁化曲线存在明显磁滞的情况，说明通过本发明实现了消除自旋阀磁敏电阻磁滞的目的。

Claims (2)

1.一种消除自旋阀磁敏电阻磁滞的方法，其特征在于该方法是在制备自旋阀磁敏电阻过程中，利用反铁磁材料对自由层两端进行钉扎，在自由层两端形成被钉扎区域；

所述的被钉扎区域与未被扎区域的分界线为直线段；

所述的分界线与磁敏电阻长轴垂直方向形成夹角Φ，0°＜Φ＜90°；且自旋阀磁敏电阻中自由层两端分界线相对于长轴垂直方向的倾斜方向相同；

所述的自由层两端被钉扎区域的钉扎方向与自旋阀磁敏电阻中的被钉扎层的钉扎方向一致；

所述的钉扎方向与磁敏电阻长轴垂直方向一致。

2.根据权利要求1所述的一种消除自旋阀磁敏电阻磁滞的方法，其特征在于：所述钉扎自由层两端的反铁磁材料所选用的材料可以与自旋阀磁敏电阻中的钉扎层的反铁磁材料所选用的材料相同。

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