CN102169728B - 磁场检测设备及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有主轴的设备，包括：磁阻堆栈，该磁阻堆栈具有第一和第二相对表面，该磁阻堆栈包括自由层、分隔层、和参考层，其中分隔层位于自由层和参考层之间，自由层包括在第一平面中具有自由磁取向的磁性材料，分隔层包括非磁性材料，并且参考层包括在第二平面中具有固定磁取向的磁性材料，其中第二平面垂直于第一平面并平行于设备的主轴；围绕磁阻堆栈外表面至少一部分的绝缘层；围绕绝缘层至少一部分的屏蔽层；以及导电层，其中导电层提供磁阻堆栈与屏蔽层之间的电连接。

Description

磁场检测设备及其使用方法
背景技术
磁存储器的进步最终可以实现超过5Tb/平方英寸的面密度。这种面密度可能需要从2至1的位比率(BAR，等于道宽/位长度)。为了使读取器达到对这种存储器进行读取所需的沿磁道和跨磁道分辨率，可能需要从所有侧面进行屏蔽。在该BAR下，磁传感器和磁偏元件需要适应极小的区域(272nm2的正方形或253nm2的矩形)。目前设计的磁传感器很难、甚至无法缩小到这种尺寸。因此，仍然需要能够缩小到这一水平的新颖磁传感器设计。
简要说明
公开一种具有主轴的设备，包括：磁阻堆栈，该磁阻堆栈具有第一和第二相对表面，该磁阻堆栈包括自由层、分隔层、和参考层，其中分隔层位于自由层和参考层之间，自由层包括在第一平面中具有自由磁取向的磁性材料，分隔层包括非磁性材料，并且参考层包括具有与第一平面垂直并与设备主轴平行的固定磁取向；围绕磁阻堆栈外表面至少一部分的绝缘层；围绕绝缘层至少一部分的屏蔽层；以及导电层，其中导电层提供磁阻堆栈与屏蔽层之间的电连接。
公开一种设备使用方法，该方法包括：使磁场检测设备靠近磁场生成制品，其中该磁场检测设备具有主轴并且包括：磁阻堆栈，该磁阻堆栈具有第一和第二相对表面，该磁阻堆栈包括自由层、分隔层、和参考层，其中分隔层位于自由层和参考层之间，自由层包括在第一平面中具有自由磁取向的磁性材料，分隔层包括非磁性材料，并且参考层包括具有与第一平面垂直并与设备主轴平行的固定磁取向，围绕磁阻堆栈外表面的至少一部分的绝缘层，围绕绝缘层的至少一部分的屏蔽层，以及导电层，其中导电层提供磁阻堆栈与屏蔽层之间的电连接；引导电流通过磁场检测设备；以及测量磁场检测设备的电阻。
公开一种设备使用方法，其中该设备具有主轴并且包括：磁阻堆栈，该磁阻堆栈具有第一和第二相对表面，该磁阻堆栈包括自由层、分隔层、和参考层，其中分隔层位于自由层和参考层之间，自由层包括在第一平面中具有自由磁取向的磁性材料，分隔层包括非磁性材料，并且参考层包括具有与第一平面垂直并与设备主轴平行的固定磁取向；围绕磁阻堆栈外表面的至少一部分的绝缘层；围绕绝缘层的至少一部分的屏蔽层；以及导电层，其中导电层提供磁阻堆栈与屏蔽层之间的电连接。该方法包括：使自由层的磁取向旋转；以及监控跨磁阻堆栈的电阻，以检测设备外部的磁场。
一种生产设备的方法，包括以下步骤：在衬底上形成至少第一电接触；在第一电接触的至少一部分上形成磁阻堆栈；蚀刻磁阻堆栈层以形成磁阻堆栈；围绕磁阻堆栈的至少一部分形成绝缘层；以及围绕绝缘层的至少一部分形成屏蔽层。
通过阅读下面的详细描述，这些以及各种其它的特征和优点将会显而易见。
附图简述
考虑下面与附图相结合的本公开的各种实施例的详细描述，可以更加全面地理解本发明：
图1是本文所述的示例性磁场检测设备的截面图；
图2A和2B是可以包括在如本文所述的磁场检测设备的磁阻堆栈的示意图；
图3A和3B是示例性磁场检测设备的实施方式的示意图；
图4A和4B是包括所公开的磁场检测设备的设备的空气轴承表面(图4A)和一侧(图4B)的截面图；
图5A至5P是示出制造所公开设备的示例性工艺流程的示意图；以及
图6是例示设备的示例性使用方法的流程图。
各附图不一定按比例绘制。附图中使用的类似附图标记表示类似组件。然而，应该理解，使用附图标记指代给定附图中的某个组件并不对其它附图中用相同附图标记标示的组件构成限制。
详细描述
在以下说明书中，参照构成说明书一部分并以示例方式示出若干特定实施方式的一组附图。应该理解，可以构想出其它实施方式，但不脱离本公开的范围或精神。因此，下面的详细说明不应理解为限定。
除非另行指定，在说明书和权利要求书中使用的表示特征尺寸、量和物理特征的全部数字应当理解为在任何情形下可由术语“大约”就行修饰。因此，除非明示相反情形，否则说明书之前和所附权利要求书中阐述的数字参数是近似值，这些近似值能根据由本领域内技术人员尝试利用本文披露的教导获得的所需特性而改变。
通过端点对数值范围的列举包括包容在该范围内的全部数值(例如1-5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任一范围。
如说明书以及所附权利要求书中所使用地，单数形式的“一”、“该”以及“所述”涵盖具有复数对象的实施方式，除非上下文明确地指出其它情形。如说明书和所附权利要求书中使用地，术语“或”通常用于包括“和/或”的语境中，除非内容明确地指出相反情形。
“包括”、“包含”或类似术语表示涵盖但不受限于，即表示包括但不排他。
本文公开一种用于检测磁场的设备。该设备可在对磁场的检测是有益处的任何应用中使用。该设备可以有利地在需要以相对较高分辨率检测和测量磁场的应用中使用。示例性应用包括磁信息存储应用(即磁存储器)以及可以用于诸如磁显微镜的具有纳米空间分辨率的磁传感器。
所公开的设备包括磁阻堆栈、绝缘层、屏蔽层和导电层。图1示意性地示出所公开设备的实施方式。如图1所示的设备100包括磁阻堆栈110、绝缘层120、屏蔽层130和导电层140。一般而言，绝缘层120围绕磁阻堆栈110的外围而设置，屏蔽层130围绕绝缘层120而设置。导电层140通常邻近磁阻堆栈110的一个相对表面而设置。
所公开的设备包括磁阻堆栈。磁阻堆栈通常是多层结构。磁阻堆栈通常可以具有任何形状。在一实施方式中，磁阻堆栈可以是圆柱形。在一实施方式中，磁阻堆栈可以是直圆柱或椭圆柱。在一实施方式中，可以采用被称为位比率或BAR的术语来描述磁阻堆栈的形状或配置。BAR是堆栈宽度除以堆栈长度。因此，BAR等于1相当于直圆柱，而BAR大于1(例如2)相当于椭圆柱。磁阻堆栈还可以在外形上是矩形，其中BAR等于1是正方形。
图2A示意性地示出示例性磁阻堆栈。磁阻堆栈210具有第一表面214和相对的第二表面216。磁阻堆栈210还具有连接第一表面214外围和第二表面216外围的外表面218。
图2B示意性地示出磁阻堆栈211的更具体描绘。示例性磁阻堆栈211包括自由层225、分隔层235和参考层245。自由层225还可被称为第一层或底层，分隔层235还可被称为第二层或中间层，并且参考层245还可被称为第三层或顶层。分隔层235位于自由层225与参考层245之间。自由层225、分隔层235或参考层245中的任一个或多个可以分别由一个以上的层构成，例如其自身可以是多层结构。还可以将自由层225、分隔层235和参考层245描述为彼此堆叠，其中(在一实施方式中)自由层225占据磁阻堆栈211的底部，参考层245占据磁阻堆栈211的顶部，以及分隔层235占据磁阻堆栈211的中部。自由层225通常构成磁阻堆栈211的第一表面214；以及参考层245通常构成磁阻堆栈211的第二表面216。
包括在所公开设备中的磁阻堆栈通常具有主轴。在附图2B中，由箭头z指示磁阻堆栈211的主轴。主轴通常沿着磁阻堆栈211的多个部分(自由层225、分隔层235和参考层245)。所公开的设备也可被描述为具有主轴，该主轴被定义为与磁阻堆栈211的主轴相同。
磁阻堆栈的自由层通常包括磁性材料。自由层磁性材料的磁取向是自由的，其取向可被设备外部的磁场影响或改变。具体而言，自由层的磁取向可以至少受到被设计或配置用于检测的磁场影响。自由层磁性材料的磁取向在第一平面内。在一实施方式中，第一平面与磁阻堆栈的主轴(如箭头z所示)垂直。
一般而言，构成自由层的磁性材料并不受特定限制。在一实施方式中，磁性材料可以是具有面内各向异性的材料。具有面内各向异性的自由层材料可以包括一个或一个以上(即，多层结构)的独立层。示例性材料包括钴(Co)、铁(Fe)、硼(B)、镍(Ni)、铜(Cu)及其合金。示例性合金可以包括CoFe、CoFeB、NiFe、Co/Cu双层或多层、以及CoNiFe。示例性合金还可以包括Co2MnSi、Co2MnGe、Co2FeAl和Co2FeSi、MnAl。在使用MnAl的实施方式中，MnAl可以被构造成具有面内各向异性。
在一实施方式中，自由层不需要面内稳定性。参考层的磁化是沿设备主轴z的。为了实现所期望的参考层的磁取向，可以在参考层中创建较强的垂直各向异性。由于参考层磁化垂直于自由层平面的事实，无需稳定自由层。自由层磁化可以在自由层平面内以任何方式取向，并且自由层磁化与参考层磁化之间的夹角总是90度。垂直磁化取向可以在没有外部场激发的情况下提供适当的偏置态(bias state)。因为无需稳定性(在这一实施方式中)，自由层可以具有小得多的尺寸，并且自由层的材料能够以单个畴状态(domain state)出现。在一实施方式中，自由层可以具有约10nm的厚度。应该注意到，在一实施方式中，自由层可以具有面内稳定性。
自由层材料还可以包括双层结构。例如，自由层可以包括由具有面内磁化的材料制成的顶层(也被称为自由层的第一层)以及由具有垂直于该面的固有各向异性的材料制成的底层(也被称为自由层的第二次)。这一实施方式包括具有面内磁化的顶层以及具有垂直于顶层的固有各向异性的底层。在这一实施方式中，顶层可以具有相当弱的固有各向异性，使得形状各向异性能够将磁化保持在面内或接近面内。在这一实施方式中，底层的垂直各向异性通常不足以使整个自由层的磁化变为面外，但是却使整个自由层对介质场磁性更加柔软。在使用该设备检测磁记录介质的磁场的实施方式中，顶层和底层的相互影响可以改进读回灵敏度。这一实施方式的示例性顶层材料包括Co、CoFe、CoFeB、NiFe、Co/Cu双层或多层、以及CoNiFe。这一实施方式的示例性底层材料可以包括FePt、CoPt、CoPd、Co/Cu多层、Co/Pt多层、Co/Pd多层、Fe/Pt多层、或Fe/Pd多层。
在自由层包括一具有面内磁化顶层和垂直该面的固有各向异性的底层的双层结构的实施方式中，磁阻堆栈的自由层中还可以包括附加层。例如，可以向自由层中添加被设计成增加磁阻堆栈的磁阻的层。例如，可以向分隔层与自由层的界面添加CoFeB层以增加磁阻。在一实施方式中，可以向分隔层与自由层的界面添加至少约2nm厚的CoFeB层。
一般而言，无需具体限定构成分隔层的材料或者分隔层，只要该材料是非磁性的。在一实施方式中，分隔层材料可以充当磁阻分隔体。示例性材料包括隧穿阻挡材料、惰性金属、或包括绝缘材料和导电材料的复合材料。示例性隧穿阻挡材料包括MgO、Al2O3、以及TiOx。示例性惰性金属包括Cu、Ag、以及Au。在一实施方式中，可用的惰性金属是能够在电流垂直于平面(currentperpendicular to the plane，CPP)自旋阀中使用的那些。包括绝缘材料和导电材料的示例性复合材料包括Al2O3/Cu、Al2O3/Ag、Al2O3/Au、MgO/Cu、MgO/Ag、MgO/Au、TiOx/Cu、TiOx/Ag、以及TiOx/Au。在一实施方式中，可用的复合材料是可以在CPP自旋阀中使用的那些。
可用于分隔层的特定材料可以导致整个磁阻堆栈的不同电阻。例如，在使用隧穿阻挡材料的实施方式中，电阻-面积(RA)乘积可以在0.1Ωμm2至0.2Ωμm2范围内。当被用在读取常规尺寸的磁存储器的设备中时，这一RA乘积可以转换成1kΩ至2kΩ范围内的电阻。在使用惰性金属(诸如在CPP自旋阀中使用的惰性金属)的实施方式中，RA乘积可以在0.01Ωμm2至0.05Ωμm2的范围内。当被用在读取常规尺寸的磁存储器的设备中时，这一RA乘积可以转换成200Ω至500Ω范围内的电阻。在使用复合材料(诸如在CPP自旋阀中使用的包括绝缘和导电材料的复合材料)的实施方式中，RA乘积可以在0.05Ωμm2至0.1Ωμm2的范围内。当被用在读取常规尺寸的磁存储器的设备中时，这一RA乘积可以转换成500Ω至1kΩ范围内的电阻。从这些示例可见，可以至少部分地基于对分隔层材料的选择来选择前置放大输入阻抗以及头电容(在针对存储器材料的读取器的环境下)。
磁阻堆栈的参考层通常包括磁性材料。参考层磁性材料的磁取向是固定的，其不会被正常出现在设备外部的磁场所影响或改变。更具体地，参考层的磁取向至少不受该设备被设计或配置成所检测的磁场的影响。参考层磁性材料的磁取向与磁阻堆栈的主轴(由z表示)平行。主轴和参考层取向垂直于第一平面(自由层的磁化平面)。
一般而言，构成参考层的磁性材料并不受特定限制。在一实施方式中，参考层可以由单层或多层构成。在参考层由单层构成的实施方式中，适用的材料可以包括同时具有大磁阻效果和垂直各向异性的材料。单层参考层的示例性材料包括FePt或MnAl。
在一实施方式中，参考层可被构造成双层。该双层可以具有与磁阻堆栈的分隔层相接触的底层，以及在底层顶部的顶层。参考层的顶层也可以形成磁阻堆栈的第二表面216。顶层可互换地耦合到底层。参考层的底层与自由层和分隔层一起发挥作用，以在磁阻堆栈中创建磁阻效应，同时参考层的顶层具有相对较大的垂直各向异性并稳定与平面垂直的参考层总磁化。
参考层底层的材料包括Co、Fe、B、Ni、Cu及其合金。示例性合金可以包括CoFe、CoFeB、NiFe、Co/Cu双层或多层、以及CoNiFe。参考层顶层的材料包括Co、Fe、Cu及其合金。示例性合金可以包括FePt、CoPt、CoPd、Co/Cu多层、Co/Pt多层、Co/Pd多层、Fe/Pt多层、或Fe/Pd多层。
可以从本公开构想出自由层、分隔层和参考层的多种配置(单层或多层)和多种材料的各种组合，任何可能组合都被示为已经在本文中公开。在使用MgO作为分隔层的实施方式中，自由层可以包括CoFeB。在将多种材料(例如CoPd、CoPt、或CoNi)的fcc(面心立方)111多层、多种材料的L10合金(例如CoPt、FePd、或FePt)、或者包括稀土材料的无定形合金(例如TbFeCo)使用在参考层中的实施方式中，在分隔层与参考层的界面处包括CoFeB层是有益的。在一实施方式中，CoFeB层可以至少约2nm厚。这一CoFeB层可以通过影响分隔层的制模来增大磁阻堆栈的磁阻。
本文所述的设备还包括绝缘层120。绝缘层120通常用于将磁阻堆栈110电绝缘。在较大设备内设置绝缘层120，允许将电流驱动通过磁阻堆栈110到达导电层140并最终到达屏蔽层130(反之亦然)。绝缘层120通常围绕磁阻堆栈110的至少一部分。在一实施方式中，绝缘层120围绕磁阻堆栈110除了第一表面114和第二表面116之外的全部。在一实施方式中，绝缘层120基本上围绕磁阻堆栈110外表面的全部(参见附图2A和2B的外表面218)。
图3A示出所公开设备的另一实施方式。设备301包括以上针对图1所描述的组件，除了绝缘层320有所不同。如图3A所示，绝缘层320并不围绕磁阻堆栈310的整个外表面。相反，自由层325存在不由绝缘层320围绕的部分。作为替代，自由层325的这些部分可以由间隙分隔层355所围绕。间隙分隔层355可以是导电材料。间隙分隔层355也是非磁性材料。应该注意到，绝缘层320必需在分隔层335下方，如果不是，则驱动通过磁阻堆栈310的电流将不会通过自由层325。
在一实施方式中，绝缘材料可以具有围绕磁阻堆栈外表面的均匀厚度。在一实施方式中，绝缘层可以具有从约3nm至约5nm的厚度。在一实施方式中，绝缘层可以具有从约3nm至约5nm的厚度。绝缘层可以由电绝缘的任何材料制成。示例性材料包括氧化铝(A12O3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化硅(SiO2)以及氮化硅(Si3N4)。在一实施方式中，A12O3、SiO2或SiON可以用于绝缘层。
本文所述的设备还包括屏蔽层130。屏蔽层130在该设备中用于双重目的。屏蔽层130用于使磁阻堆栈110磁性屏蔽于外界磁影响。例如，在该设备被配置成测量来自磁存储器的磁场的实施方式中，屏蔽层130可以用于将磁阻堆栈110与并非正在读取的存储器字节(即，沿磁道和跨磁道磁转变)屏蔽开。屏蔽层130还充当第二电极(磁阻堆栈110的参考层或者其电连接的导电表面是第一电极，反之亦然)以将电流发送通过磁阻堆栈110。屏蔽层130通常围绕绝缘层120的至少一部分。在一实施方式中，屏蔽层130围绕绝缘层120的外围部分，但不是绝缘层120的与磁阻堆栈110的第一表面114和第二表面116在相同平面内的整个表面。
在一实施方式中，屏蔽层可以具有围绕绝缘层外表面的均匀厚度。在一实施方式中，屏蔽层可以具有从约0.2至约2μm的厚度。屏蔽层可以由导电并且磁屏蔽的任何材料制成。示例性材料包括具有零或小磁致伸缩的磁性柔软材料。具体的示例性材料包括NiFe(坡莫合金)、NiFe衍生物、或基于CoZr或FeSi的无定形材料，这种材料还可以添加不同量的B、Zr、Nb、Cu、Si或Co。在一实施方式中，屏蔽层可以包括含有添加剂以改进诸如耐蚀性、质地或微结构的坡莫合金或坡莫合金衍生物。
本文所述的设备还包括导电层140。导电层140在该设备中用于双重目的。导电层140充当电极(与磁阻堆栈110的参考层或者其电连接的导电表面一起作为第二电极)以将电流引导通过磁阻堆栈110。导电层140还充当保护层，以保护设备底层免于受到接触或空气曝露的损害。导电层140通常覆盖磁阻堆栈110的整个第一表面114以及绝缘层120底表面的整个部分和屏蔽层130的至少一部分。应该注意到，导电层140无需覆盖屏蔽层130的整个下表面，只要足够为电流提供电路径即可。在一实施方式中，导电层140可以覆盖屏蔽层130的整个下表面，以便提供保护以防止腐蚀以及缘于物理接触的机械磨损。
在一实施方式中，导电层140可以具有均匀的厚度。在一实施方式中，导电层140可以具有从约1nm至约3nm的厚度。导电层140可以由具有所要求的电导率、机械强度、和耐蚀性的材料制成。一般而言，构成导电层的材料具有至少与铜(Cu)相当的电导率，并且具有类金刚石涂层的机械强度和耐蚀性。导电层140可以是单层或多层结构。示例性导电层140可以是导电金属(例如Cu或Ag)和坚硬的类金刚石外覆层的双层。另一示例性导电层140可以是高导电非金属材料(例如石墨烯(graphene))和坚硬的类金刚石外覆层的双层。
图3B示意性示出所公开设备的另一实施方式。这一示例性实施方式包括以上所述的组件以及接触件350。接触件350可以用于引导电流进入磁阻堆栈310。该设备还可被配置成引导电流从接触件350、通过磁阻堆栈310、到达导电层340并且通过屏蔽层330流出(反之亦然)。接触件350可以由任何导电材料制成。接触件350的示例性材料包括Ag、Cu、Au、Ni、α-Ta、和Ru。接触件350的示例性材料包括Cu、Ag或Au。
所公开设备可以与其它设备结合使用。在一实施方式中，所公开磁场检测设备可以与能够调制磁场的设备相组合。在磁记录介质的环境中，磁场检测设备可被称为读取器，并且磁场调制设备可被称为写入器。读取器和写入器通常被结合在滑橇上，该滑橇可用于相对于磁记录介质移动读取器和写入器的位置。图4示意性示出磁记录介质的空气轴承表面(ABS)的视图(图4A)以及包括磁记录介质的横截面图(图4B)。如图所示，滑橇405包括写入器415和读取器425。图4A的ABS视图示出自由层410、绝缘层420和屏蔽层430。读取器425还包括围绕屏蔽层430的较大主体435。这些附图还示出机械顺应层445和压电元件455。图4B还示出磁记录介质465。
诸如图4A和4B所示的设备可能无法通过制造磁存储器读取器/写入器的常用工艺流程来制造，因为这些层的取向垂直于传统写入器和读取器中所使用的那些。一种制造与磁场形成设备(写入器)相结合的所公开的磁场检测设备(读取器)的方法可以在独立晶片上构建读取器、加工并在随后以所期望的取向将其安装在包括写入器的滑橇上。在一实施方式中，滑橇上安装读取器的部分可以通过使用加热器或磁阻元件而突出，使得读取器接近介质。
参照图5A至5P，描述和讨论一种制造与在相同衬底上的写入器相结合的所公开设备的示例性方法。一个这种示例性方法可以包括以下步骤：在衬底上形成至少第一电接触；在第一电接触的至少一部分上形成磁阻堆栈；蚀刻磁阻堆栈层以形成磁阻堆栈；围绕磁阻堆栈的至少一部分形成绝缘层；以及围绕绝缘层的至少一部分形成屏蔽层。
图5A至5P所示的步骤并不限制制造本文所述磁场检测设备的方式。还应该注意到，附图并不一定按比例绘制，也没有必要绘制出每个制备状态下的制品，换言之，制品的中间阶段可能并未在一系列附图中示出。参照附图5A至5P所述的材料和工艺也绝非限制可在此处使用的材料和工艺。
图5A示出其中形成两个电接触503和505的衬底501。可以使用各种蚀刻和图案化技术来形成电接触503和505(以及该示例性方法中的其它步骤)。图案化通常表示整形或改变沉积材料的现有形状的工艺或一系列工艺，并且可以被称为光刻(lithography)。例如，在常规光刻中，可以用化学上所称的光刻胶覆盖待图案化的层。应该注意到，本文具体提及的某些步骤具体示出光刻胶的沉积，而某些步骤并未示出。一旦被沉积，光刻胶可由步进器(一种聚焦、对准和移动掩模的机器)进行曝光，将该层的所选部分曝光。未曝光区域可以由显影液洗去。在蚀刻或其它处理之后，可以使用各种技术(诸如离子束蚀刻)移除剩余光刻胶。下一步包括在制品的整个表面上形成磁阻堆栈507。可以使用所需要的各种沉积、图案化和蚀刻技术形成磁阻堆栈507。
图5B示出具有在其上形成的磁阻堆栈507的衬底501。可以在磁阻堆栈层507的上表面沉积一硬掩模。在本文所公开的示例中，硬掩模层包括薄无定形碳层509(在一些实施方式中，无定形碳层509可以是约1nm厚)和钽(Ta)层511(在一些实施方式中，钽层511可以是约5nm厚)。光刻胶层513可以沉积在钽层511的顶部。图5C示出在曝光和显影光刻胶层513并且蚀刻未保护的硬掩模层(具体而言，无定形碳层509和钽层511)以形成经蚀刻的光刻胶层521、经蚀刻的钽层519和经蚀刻的无定形碳层517之后的制品。图5D示出在剥除经蚀刻的光刻胶层521、在磁阻堆栈层507上只剩经蚀刻的钽层519和经蚀刻的无定形碳层517(硬掩模层)之后的制品。
下一步是蚀刻磁阻堆栈层507以形成磁阻堆栈。在一实施方式中，可以使用在钽与磁阻堆栈材料之间具有高选择性的反应离子刻蚀(RIE)或电感耦合等离子(ICP)刻蚀执行该步骤。图5E示出在完成该步骤之后的制品，该制品包括磁阻堆栈523以及硬掩模层(无定形碳层517和钽层519)。下一步是沉积绝缘层(例如Al2O3)，最终形成该设备的绝缘层。沉积绝缘材料的示例性技术包括等离子体气相沉积(PVD)、基于离子化等离子体的溅射、长抛溅射、化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)。在一实施方式中，ALD可用于在制品壁上沉积电绝缘材料。图5F示出在沉积了绝缘材料以形成原始绝缘层525的制品。在沉积了绝缘材料之后，下一步是沉积构成最终设备中屏蔽层的材料(例如NiFe)。在一实施方式中，可以使用溅射沉积方法或伴随有电沉积的溅射沉积方法。图5G示出在沉积了屏蔽材料以形成原始屏蔽层527之后的制品。
图5H示出在移除了原始屏蔽层527和原始绝缘层525的一部分以形成中间绝缘层529和中间屏蔽层531之后的制品。在一实施方式中，原始屏蔽层527可以通过例如化学机械平面化(CMP)来移除，直到接触到无定形碳层517。由于存在对NiFe(或其它磁屏蔽材料)和无定形碳具有非常不同的CMP速率的浆液(例如存在对无定形碳的CMP速率比NiFe慢约100倍的浆液)，即使非常薄，无定形碳依然是非常好的CMP终止层。
图5I示出在形成了光刻胶结构533以形成屏蔽层之后的制品。光刻胶结构533可以通过沉积、曝光、显影和蚀刻光刻胶材料来形成。在形成光刻胶结构之后，它可以随后被用于蚀刻(通过例如ICP、RIE、离子束刻蚀(IBE))中间屏蔽层531以形成如图5J所示的屏蔽部分535。如图5J所示，该蚀刻步骤在磁阻堆栈外围的屏蔽材料中停止，因为一些磁屏蔽材料会在最终设备中形成返回电极。
图5K示出在剥离光刻胶结构533、施加新光刻胶材料、以及曝光、显影新光刻胶材料以形成在第二电极503上形成向上开口区域的第二光刻胶结构537之后的制品。图5L示出在第二光刻胶结构537被用于蚀刻中间绝缘层529和屏蔽部分535的部分以形成绝缘层520和屏蔽层530之后的制品。该步骤暴露出第二电极，以便与之形成电接触。图5M示出在剥离第二光刻胶结构537、施加新光刻胶材料、以及曝光、显影新光刻胶材料以形成第三光刻胶结构539之后的制品，其中第三光刻胶材料539形成开口区域，用于电镀将电极503与屏蔽层530相连接并充当返回电极的通孔。图5N示出形成通孔541之后的制品。通孔541连接电极503和屏蔽层530，使其充当返回电极。在一些实施方式中，可以通过电镀导电材料来形成通孔541。图5O示出在剥离第三光刻胶结构539并且移除无定形碳层517(例如通过灰化)之后的制品。作为结束，图5P示出该示例性方法的最终步骤，该步骤是沉积导电材料以形成导电层543。
本文还公开一种使用如上所述设备的方法。更具体地，本文所公开的方法通常可以包括使用所公开设备检测磁场的方法。图6示出该方法的实施方式，包括：步骤601，使磁场检测设备靠近磁场产生制品；步骤602，引导电流通过磁场检测设备；以及步骤603，测量磁场检测设备的电阻。
步骤601，使磁场检测设备靠近磁场产生制品可以通过移动磁场检测设备、移动产生磁场的制品或两种移动的组合来完成。磁场产生制品可以至少指示是移动其自身还是移动磁场检测设备。在磁场产生制品是磁存储器的实施方式中，可以移动磁场检测设备靠近磁场产生制品。
一般而言，靠近磁场产生设备的磁场检测设备是指与磁场产生设备的部分在空间上邻近的磁场检测设备。如本文所使用地，短语“在空间上邻近”可以是指磁场检测设备与磁场产生制品彼此接触或不接触。在一些实施方式中，可以移动磁场检测设备到在空间上邻近但不接触(或分隔开)磁场产生制品的位置。在磁场产生制品是磁记录介质的位(bit)的实施方式中，可以移动磁场检测设备到不接触磁记录介质的位、与之分隔开并且在其顶部(或下方)的位置。磁场产生设备与磁记录介质的位之间的容限可以与通常使用的容限类似。
当磁场检测设备未靠近磁场时，磁阻堆栈的自由层在第一平面中(如上所述，第一平面是与该设备的垂直轴相垂直的平面)并且垂直于参考层的磁化取向(成90°角)。当磁场检测设备靠近源于磁场产生制品的磁场时，自由层的磁化会倾斜出第一平面之外。当靠近外部磁场时，自由层的磁化可以由两个角来描述：相对于z轴的极角和x-y平面中的方位角。极角完全由外部磁场确定，而方位角是不确定的。这意味着x-y平面内的磁场分量可以指向任何方向。
所公开方法的下一步是步骤602，引导电流通过磁场检测设备。一般而言，可以通过以下路径将电流引导通过该设备：在磁阻堆栈的参考层中、流出磁阻堆栈的自由层、在导电层中、然后在屏蔽层中。作为替代，电流路径可以反向。穿过该设备的电流的电压可以改变，并且可以至少部分基于该设备的应用、该设备的组件、以及所监控的磁场产生制品来选择。
如上所述，一旦磁场检测设备靠近外部磁场，自由层的磁化可以由两个角来描述：相对于z轴的极角和x-y平面中的方位角。一旦引导电流通过磁场检测设备，磁场检测设备的电阻完全取决于自由层的极角。
在引导电流通过磁场检测设备(步骤602)之后，下一步603是测量磁场检测设备的电阻。随着磁阻堆栈自由层的磁化取向受外部磁场的影响，磁阻堆栈的电阻会改变。利用该电阻来检测由磁场产生制品产生的磁场。在一些实施方式中，所测量的电阻可用于提供与磁场相关的其它信息。例如，在磁场产生制品是磁存储器的实施方式中，所测得的电阻可用于确定磁存储器是包含“0”还是“1”。
如上所述，自由层的磁化取向具有两个分量，极角和方位角。因此，无需确定方位角，因为其与磁阻堆栈的电阻无关。由于本文所公开的设备设计，极角是在参考层与自由层之间的夹角。这一设计能够在磁场检测设备中提供某些优点。
读取器非对称均值(reader)可以得到改进。在没有磁场的情况下，自由层与参考层之间的夹角为90°。无论磁阻堆栈的形状如何，即如果堆栈从目标圆形或椭圆形偏离，这一点都成立。期望读取器非对称均值为0，并且非对称西格马(asymmetry sigma)远小于常规设计的磁场检测设备(例如磁存储器读取器)。在所公开的设备中可以发现读取器非对称均值的改进，因为在所公开的设备中，两个主要因素(形状变化和永磁体偏差变化)被完全消除。
在使用磁场检测设备读取磁存储器的情形中，相比常规使用的磁场检测设备，跨磁道屏蔽可以得到改进。与仅能在沿磁道方向上提供良好屏蔽的常规设备不同，所公开的设备允许沿磁道和跨磁道两个方向上的高效磁屏蔽。
所公开的设备比常规的磁场检测设备可靠得多。所公开的设备不使用反铁磁性(AFM)材料。常规磁场检测设备中包含锰(Mn)的AFM层通常比该设备的剩余部分更容易被腐蚀。通过消除这种材料，整个磁场检测设备的耐蚀性得到显著提高。消除Mn还可以减少信号降级的可能性，由于在该设备的长期操作过程中Mn的扩散，在含有Mn的设备中会发生信号降级。Mn扩散是磁存储器读取器中巨磁阻(GMR)和读回信号降级的主要隐患。
所公开的设备更加耐热，并且对电压力具有更好的抵抗力。磁场检测设备的磁阻堆栈中的参考层可以由具有很大垂直各向异性的材料构建，并且被制成磁性非常稳定。这些材料可以消除与参考层因加热而去固定或旋转相关的问题，这些问题是使用AFM材料时由于其相对较低的中断温度(约250°)而造成的极大隐患。
与常规磁场检测设备相比，该磁场检测设备可以得到更大、更均匀的信号。事实通常就是如此，这是因为所公开的磁场检测设备中的自由层相对较薄，因此整个自由层靠近该设备的空气轴承表面(ABS)和待测磁场。例如，与常规磁存储器读取器相比，随着自由层厚度增加(由于不得不对其进行稳定化)，自由层到待测磁场的距离增大。随着距离增大，待测磁场指数地衰减。在一实施方式中，这会造成比常规磁场检测设备所能观察到的信号几乎大3倍的信号。
所公开的设备还可以降低通常使用的磁介质读取器所能观察到的大1/f类磁噪声，因为这类噪声是由在自由层或合成AFM层中多个亚稳磁态之间的随机电报噪声跳动导致的。所公开的设备可以通过使用具有很大的垂直各向异性的材料来利用磁性坚硬的参考层。穿过参考层的电流会被自旋极化并在随后通过自旋动量转移效应在自由层上施加扭矩。如果适当选择参考层的自旋极化效率和偏置电流幅度，则可以强制自由层进入稳定的旋进。这种旋进可以将自由层置入稳定的磁轨迹并且降低随机电报噪声跳动和1/f磁噪声。
甚至可以进一步加强自由层的稳定旋进，以进一步减小由于随机电报噪声跳动导致的噪声。图6示出操作性步骤，步骤604旋转磁阻堆栈自由层的磁取向。旋转自由层磁取向或使自由层磁取向振荡会强制磁化进入良好限定的磁态，这会进一步降低磁化跳跃到另一亚稳磁态的似然性。
可以使用两种方法之一来强制自由层的磁取向振荡(或锁相)。在一实施方式中，可以使用来自相对较大的DC偏置电流的自旋动量转移来引起振荡。在一些实施方式中，可以使用至少为50微安(μA)的DC偏置电流。在一些实施方式中，可以使用从约50μA至约1毫安(mA)的DC偏置电流。对磁振荡进行锁相的第二种方法是施加DC偏置电流和频率与自由层中固有自旋转移振荡频率相等的AC电流。在向该设备施加具有磁振荡的频率的AC电流的实施方式中，可以轻易地从该设备的读回信号滤除额外的AC频率，因为AC频率的量级大于最高磁记录频率的量级。
因此，公开了“磁场检测设备及其使用方法”的实施方式。上述的实现和其他实现落入所附权利要求的范围内。本领域内技术人员将理解，本公开可通过这里公开以外的其它实施方式来实现。所公开实施方式的披露以阐述而非限定为目的，并且本发明仅由所附权利要求书来限定。

Claims (23)

1.一种具有主轴的磁场检测设备，所述磁场检测设备包括：
磁阻堆栈，所述磁阻堆栈具有第一和第二相对表面，
所述磁阻堆栈包括自由层、分隔层和参考层，其中所述分隔层位于所述自由层和所述参考层之间，
所述自由层包括在第一平面中具有自由磁取向的磁性材料；
所述分隔层包括非磁性材料；以及
所述参考层包括在第二平面中具有固定磁取向的磁性材料；
其中所述第二平面垂直于所述第一平面并且平行于所述设备的主轴，其中所述主轴沿着所述自由层、所述分隔层和所述参考层，并且所述参考层的磁取向沿着所述设备的主轴；
绝缘层，围绕所述磁阻堆栈的外表面的至少一部分；
屏蔽层，围绕所述绝缘层的至少一部分；以及
导电层，其中所述导电层提供所述磁阻堆栈与所述屏蔽层之间的电连接。
2.如权利要求1所述的磁场检测设备，其特征在于，所述分隔层包括隧穿阻挡材料、惰性金属、包括绝缘材料和导电材料的复合材料、或TiN。
3.如权利要求1所述的磁场检测设备，其特征在于，所述自由层包括钴(Co)、铁(Fe)、硼(B)、镍(Ni)、铜(Cu)及其合金。
4.如权利要求1所述的磁场检测设备，其特征在于，所述自由层包括：具有面内磁化的顶层和具有垂直于顶层的固有各向异性的底层。
5.如权利要求4所述的磁场检测设备，其特征在于，所述顶层包括钴(Co)、铁(Fe)、硼(B)、镍(Ni)、铜(Cu)及其合金，所述底层包括FePt、CoPt、CoPd、Co/Cu多层、Co/Pt多层、Co/Pd多层、Fe/Pt多层、或Fe/Pd多层。
6.如权利要求1所述的磁场检测设备，其特征在于，所述参考层包括两个可互换地耦合的层。
7.如权利要求6所述的磁场检测设备，其特征在于，第一可互换耦合层包括Co、CoFe、CoFeB、Ni、Fe、Co/Cu多层、或CoNiFe；第二可互换耦合层包括FePt、CoPt、CoPd、Co/Cu多层、Co/Pt多层、Co/Pd多层、Fe/Pt多层、或Fe/Pd多层。
8.如权利要求1所述的磁场检测设备，其特征在于，所述绝缘层3纳米(nm)至5nm厚。
9.如权利要求1所述的磁场检测设备，其特征在于，所述屏蔽层0.2至2nm厚。
10.如权利要求1所述的磁场检测设备，其特征在于，所述导电层包括导电材料以及类金刚石外覆层或导电非金属材料的双层。
11.一种结合如权利要求1所述的磁场检测设备的磁记录和写入头。
12.一种磁场检测设备使用方法，所述方法包括：
使所述磁场检测设备靠近磁场产生制品，
其中所述磁场检测设备具有主轴并包括磁阻堆栈，所述磁阻堆栈具有第一和第二相对表面，
所述磁阻堆栈包括自由层、分隔层和参考层，其中所述分隔层位于所述自由层和所述参考层之间，
所述自由层包括在第一平面中具有自由磁取向的磁性材料；
所述分隔层包括非磁性材料；以及
所述参考层包括在第二平面中具有固定磁取向的磁性材料；
其中所述第二平面垂直于所述第一平面并且平行于所述设备的主轴，其中所述主轴沿着所述自由层、所述分隔层和所述参考层，并且所述参考层的磁取向沿着所述设备的主轴；
绝缘层，围绕所述磁阻堆栈的外表面的至少一部分；
屏蔽层，围绕所述绝缘层的至少一部分；以及
导电层，其中所述导电层提供所述磁阻堆栈与所述屏蔽层之间的电连接，
引导电流通过所述磁场检测设备；以及
测量所述磁场检测设备的电阻。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电流被引导通过所述磁场检测设备，从所述磁阻堆栈的所述参考层、到所述分隔层、到所述自由层、到所述导电层、然后到所述屏蔽层。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述磁场产生制品是磁记录介质。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述磁场检测设备的电阻表示存储在所述磁记录介质中的值。
16.一种磁场检测设备使用方法，其中所述磁场检测设备具有主轴并且包括：
磁阻堆栈，所述磁阻堆栈具有第一和第二相对表面，
所述磁阻堆栈包括自由层、分隔层和参考层，其中所述分隔层位于所述自由层和所述参考层之间，
所述自由层包括在第一平面中具有自由磁化取向的磁性材料；
所述分隔层包括非磁性材料；以及
所述参考层包括在第二平面中具有固定磁化取向的磁性材料；
其中所述第二平面垂直于所述第一平面并且平行于所述主轴，其中所述主轴沿着所述自由层、所述分隔层和所述参考层，并且所述参考层的磁取向沿着所述主轴；
绝缘层，围绕所述磁阻堆栈的外表面的至少一部分；以及
屏蔽层，围绕所述绝缘层的至少一部分，
所述方法包括：
使所述自由层的磁取向旋转；以及
监控跨所述磁阻堆栈的电阻，以检测所述设备外部的磁场。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，通过使用来自至少50μA的DC偏置电流的自旋动量转移，使所述自由层的磁取向旋转。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，通过施加DC偏置电流和频率与所述自由层中旋转的固有自旋动量转移振荡频率相等的AC电流，使所述自由层的磁取向旋转。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，使所述自由层的磁取向旋转降低了源自所述磁场检测设备的噪声。
20.如权利要求18所述的方法，还包括过滤所述AC电流，以便监控跨所述磁阻堆栈的电阻。
21.一种形成磁场检测设备的方法，包括以下步骤：
在衬底上形成至少第一电接触；
在所述第一电接触的至少一部分上形成磁阻堆栈；
蚀刻磁阻堆栈层以形成所述磁阻堆栈，其中所述磁阻堆栈包括自由层、分隔层和参考层，其中所述分隔层位于所述自由层和所述参考层之间，所述自由层包括在第一平面中具有自由磁化取向的磁性材料，所述分隔层包括非磁性材料，并且所述参考层包括在第二平面中具有固定磁化取向的磁性材料，其中所述第二平面垂直于所述第一平面并且平行于所述磁场检测设备的主轴，其中所述主轴沿着所述自由层、所述分隔层和所述参考层，并且所述参考层的磁取向沿着所述主轴；
形成围绕所述磁阻堆栈的至少一部分的绝缘层；以及
形成围绕所述绝缘层的至少一部分的屏蔽层。
22.如权利要求21所述的方法，还包括在衬底上形成第二接触，以及将所述屏蔽层电连接到所述第二接触。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，将所述屏蔽层电连接到所述第二接触的步骤是通过形成覆盖所述屏蔽层的至少一部分和所述第二接触的至少一部分的导电层或形成与它们电连接的导电材料来实现的。
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