CN103605088A - 一种90度自偏置自旋阀传感单元 - Google Patents

一种90度自偏置自旋阀传感单元 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种90度自偏置自旋阀传感单元，属于磁性材料与元器件技术领域的磁传感技。本发明包括基片，所述基片上自下而上依次设有自由层、隔离层、被钉扎层和钉扎层，其特征在于：所述自由层为自下而上依次设置的第一反磁铁层、第一铁磁层、第二反铁磁层、第一金属层、第二铁磁层、第二金属层和第三铁磁层组成。本发明能够在不设置附加偏置结构、附加工艺处理的情况下实现自由层与钉扎层磁矩在无外磁场时呈90度取向，降低自旋阀传感单元的制造难度；本发明的90度自偏置自旋阀传感单元的磁阻线对外磁场的变化呈线性响应，线性响应的磁阻曲线无磁滞，满足对自旋阀传感单元的要求。

Description

一种90度自偏置自旋阀传感单元
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件技术领域的磁传感技术，具体涉及一种90度自偏置自旋阀传感单元。 
背景技术
磁自旋阀传感器因其饱和磁场低、磁场灵敏度高、温度稳定性好，成为新一代传感器家族中的姣姣者。自旋阀磁传感器基于巨磁电阻效应，基本结构为：自由层/隔离层/钉扎层/反铁磁层。其基本原理为该结构在外磁场作用下由于自由层与钉扎层磁矩取向的不同，呈现不同的电阻变化，因而利用测试到的电阻变化值可以实现对磁场变化的探测。 
对于一可靠的自旋阀磁传感器要求其磁阻曲线具有两个基本特征：一是对外磁场的变化能呈现线性响应；二是线性响应的磁阻曲线最好能无磁滞。为达到这两个要求，自旋阀结构中自由层与钉扎层的磁矩在无外磁场时应呈90度取向。由于一般在磁场下沉积的自旋阀单元中自由层与钉扎层的磁矩在零场下是平行取向的，为使他们的磁矩相互垂直，在工业界中一般采用永磁铁偏置、特殊电路产生磁场偏置、相互垂直的磁场下分别沉积自由层和钉扎层等方式来实现。由此可见，无论采用上述哪种方式，都将带来附加的工艺处理或附加的偏置结构，造成传感器制备工艺难度增大。另外，由于附加偏置结构的制备，使传感器的尺寸受制于附加偏置结构，不利于器件的小型化。因此，如能从自旋阀结构本身出发，实现该结构内的90度自偏置，即通过结构的改变使自旋阀单元在磁场下沉积后即实现自由层与钉扎层磁矩90度取向，而不再需要附加工艺处理或附加偏置结构，这将大大降低该类传感器的制备难度，有助于磁传感领域的发展。本发明正是着手解决这种需要。 
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种90度自偏置自旋阀传感单元，能够在不设置附加偏置结构、附加工艺处理的情况下实现自由层与被钉扎层磁矩在无外磁场时呈90度取向，降低自旋阀传感单元的制造难度；本发明的90度自偏置自旋阀传感单元的磁阻线对外磁场的变化呈线性响应，线性响应的磁阻曲线无磁滞， 满足对自旋阀传感单元的要求。 
本发明为解决上述问题所采用的技术方案是： 
一种90度自偏置自旋阀传感单元，包括基片，所述基片上自下而上依次设有自由层、隔离层、被钉扎层和钉扎层，其特征在于：所述自由层为自下而上依次设置的第一反磁铁层、第一铁磁层、第二反铁磁层、第一金属层、第二铁磁层、第二金属层和第三铁磁层组成。 
进一步地，所述钉扎层为第三反铁磁层。 
进一步地，所述钉扎层为至下而上依次设置的第三金属层、第四铁磁层和第三反铁磁层组成或者由自下而上依次设置的第三金属层、第四铁磁层、第四金属层、第五铁磁层和第三反铁磁层组成。 
进一步地，所述基片与自由层之间还设有缓冲层，所述缓冲层由Cu制成。 
进一步地，所述第一反铁磁层、第二反铁磁层、第三反铁磁层由FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO制成。 
进一步地，所述第二反铁磁层的厚度为
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000021
进一步地，所述第一铁磁层、第二铁磁层、第三铁磁层、第四铁磁层、第五铁磁层由Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金制成。 
进一步地，所述第一金属层由Cu制成，所述第一金属层的厚度为
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000022
进一步地，所述第二金属层、第三金属层和第四金属层由Ru或Cu制成。 
与现有技术相比本发明的有益效果：通过将现有的单层的自由层改变为本发明所提供的多层膜结构：即由第一反磁铁层/第一铁磁层/第二反铁磁层/第一金属层/第二铁磁层/第二金属层/第三铁磁层组成，可使自由层的磁矩与钉扎层的磁矩在沉积完成后即呈90度取向，满足了磁传感单元沉积后不添加任何附加偏置结构或进行附加工艺处理，自由层与钉扎层的磁矩在无外磁场时呈90度取向的要求。降低自旋阀传感单元的制造难度；本发明的90度自偏置自旋阀传感单元的磁阻线对外磁场的变化呈线性响应，线性响应的磁阻曲线无磁滞，满足对自旋阀传感单元的要求。 
附图说明
图1是本发明所提供的90度自偏置自旋阀传感单元实施例一的结构示意图； 
图2是按照本发明所制备的90度自偏置自旋阀传感单元的磁阻响应曲线； 
图中标记：1、基片，2、缓冲层、3、第一反铁磁层，4、第一铁磁层，5、第二反铁磁层，6、第一金属层，7、第二铁磁层，8、第二金属层，9、第三铁磁层，10、隔离层，11、被钉扎层，12、钉扎层。 
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。 
一种90度自偏置自旋阀传感单元，所述基片上自下而上依次设有自由层、隔离层、被钉扎层和钉扎层，其特征在于：所述自由层为自下而上依次设置的第一反磁铁层、第一铁磁层、第二反铁磁层、第一金属层、第二铁磁层、第二金属层和第三铁磁层组成。 
进一步地，所述钉扎层为第三反铁磁层。 
进一步地，所述钉扎层为至下而上依次设置的第三金属层、第四铁磁层和第三反铁磁层组成或者由自下而上依次设置的第三金属层、第四铁磁层、第四金属层、第五铁磁层和第三反铁磁层组成。 
进一步地，所述基片与自由层之间还设有缓冲层，所述缓冲层由Cu制成。 
进一步地，所述第一反铁磁层、第二反铁磁层、第三反铁磁层由FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO制成。 
进一步地，所述第二反铁磁层的厚度为
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000031
进一步地，所述第一铁磁层、第二铁磁层、第三铁磁层、第四铁磁层、第五铁磁层由Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金制成。 
进一步地，所述第一金属层由Cu制成，所述第一金属层的厚度为
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000032
进一步地，所述第二金属层、第三金属层和第四金属层由Ru或Cu制成。 
实施例一 
结合图1，本实施例的90度自偏置自旋阀传感单元，包括基片，所述基片上自下而上依次设有自由层、隔离层、被钉扎层和钉扎层，所述自由层为自下而上依次设置的第一反磁铁层、第一铁磁层、第二反铁磁层、第一金属层、第二铁磁层、第二金属层和第三铁磁层组成。 
进一步地，所述钉扎层为第三反铁磁层。 
进一步地，所述基片与自由层之间还设有缓冲层，所述缓冲层由Cu制成。 
进一步地，所述第一反铁磁层、第二反铁磁层、第三反铁磁层由FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO制成。 
进一步地，所述第二反铁磁层的厚度为
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000041
进一步地，所述第一铁磁层、第二铁磁层和第三铁磁层由Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金制成。 
进一步地，所述第一金属层由Cu制成，所述第一金属层的厚度为
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000042
进一步地，所述第二金属层由Ru或Cu制成。 
采用薄膜沉积工艺并在外磁场H（H选择：50～300Oe）作用下沉积所提出的90度自偏置自旋阀传感单元：Si基片/Cu(5nm)/IrMn(15nm)/NiFe(7nm)/IrMn(1.5nm)/Cu
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000043
/NiFe(5nm)/Ru
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000044
/NiFe(5nm)/Cu(4nm)/NiFe(8nm)/IrMn(15nm)。制备完成后利用四探针法在变化外磁场下测试其磁阻曲线，如图2所示。从该磁阻曲线上可以看到该传感单元对外磁场的变化能呈现线性响应且磁阻曲线基本无磁滞，这说明本发明提出的自旋阀结构中自由层与钉扎层的磁矩呈90度取向，利用该结构实现了不附加工艺处理和附加偏置结构等，降低了该类磁传感单元制备的难度。 
实施例二 
本实施例的90度自偏置自旋阀传感单元包括基片，所述基片上自下而上依次设有自由层、隔离层、被钉扎层和钉扎层，所述自由层为自下而上依次设置的第一反磁铁层、第一铁磁层、第二反铁磁层、第一金属层、第二铁磁层、第二金属层和第三铁磁层组成。 
所述钉扎层为至下而上依次设置的第三金属层、第四铁磁层和第三反铁磁层组成。 
进一步地，所述基片与自由层之间还设有缓冲层，所述缓冲层由Cu制成。 
进一步地，所述第一反铁磁层、第二反铁磁层、第三反铁磁层由FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO制成。 
进一步地，所述第二反铁磁层的厚度为
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000045
进一步地，所述第一铁磁层、第二铁磁层、第三铁磁层和第四铁磁层由Ni、 Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金制成。 
进一步地，所述第一金属层由Cu制成，所述第一金属层的厚度为
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000051
进一步地，所述第二金属层和第三金属层由Ru或Cu制成。 
采用薄膜沉积工艺并在外磁场H（H选择：50～300Oe）作用下沉积所提出的90度自偏置自旋阀传感单元：Si基片/Cu(5nm)/FeMn(15nm)/NiFe(7nm)/IrMn(1.5nm)/Cu
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000052
NiFe(5nm)/Ru
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000053
NiFe(5nm)/Cu(4nm)/NiFe(8nm)/IrMn(15nm)。制备完成后利用四探针法在变化外磁场下测试其磁阻曲线，如图2所示。从该磁阻曲线上可以看到该传感单元对外磁场的变化能呈现线性响应且磁阻曲线基本无磁滞，这说明本发明提出的自旋阀结构中自由层与钉扎层的磁矩呈90度取向，利用该结构实现了不附加工艺处理和附加偏置结构等，降低了该类磁传感单元制备的难度。 
实施例三 
本实施例的90度自偏置自旋阀传感单元包括基片，所述基片上自下而上依次设有自由层、隔离层、被钉扎层和钉扎层，所述自由层为自下而上依次设置的第一反磁铁层、第一铁磁层、第二反铁磁层、第一金属层、第二铁磁层、第二金属层和第三铁磁层组成。 
所述钉扎层由自下而上依次设置的第三金属层、第四铁磁层、第四金属层、第五铁磁层和第三反铁磁层组成。 
进一步地，所述基片与自由层之间还设有缓冲层，所述缓冲层由Cu制成。 
进一步地，所述第一反铁磁层、第二反铁磁层、第三反铁磁层由FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO制成。 
进一步地，所述第二反铁磁层的厚度为
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000054
进一步地，所述第一铁磁层、第二铁磁层、第三铁磁层、第四铁磁层和第五铁磁层由Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金制成。 
进一步地，所述第一金属层由Cu制成，所述第一金属层的厚度为
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000057
进一步地，所述第二金属层、第三金属层和第四金属层由Ru或Cu制成。 
采用薄膜沉积工艺并在外磁场H（H选择：50～300Oe）作用下沉积所提出的90度自偏置自旋阀传感单元：Si基片/Cu(5nm)/IrMn(15nm)/NiFe(7nm)/IrMn(1.5nm)/Cu
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000055
/NiFe(5nm)/Ru
Figure DEST_PATH_GDA0000415337650000056
/NiFe(5n m)/Cu(4nm)/NiFe(8nm)/IrMn(15nm)。制备完成后利用四探针法在变化外磁场下测试其磁阻曲线，如图2所示。从该磁阻曲线上可以看到该传感单元对外磁场的变化能呈现线性响应且磁阻曲线基本无磁滞，这说明本发明提出的自旋阀结构中自由层与钉扎层的磁矩呈90度取向，利用该结构实现了不附加工艺处理和附加偏置结构等，降低了该类磁传感单元制备的难度。 

Claims (9)

1.一种90度自偏置自旋阀传感单元，包括基片，所述基片上自下而上依次设有自由层、隔离层、被钉扎层和钉扎层，其特征在于：所述自由层为自下而上依次设置的第一反磁铁层、第一铁磁层、第二反铁磁层、第一金属层、第二铁磁层、第二金属层和第三铁磁层组成。 
2.根据权利要求1所述的90度自偏置自旋阀传感单元，其特征在于：所述钉扎层为第三反铁磁层。 
3.根据权利要求1所述的90度自偏置自旋阀传感单元，其特征在于：所述钉扎层为至下而上依次设置的第三金属层、第四铁磁层和第三反铁磁层组成或者由自下而上依次设置的第三金属层、第四铁磁层、第四金属层、第五铁磁层和第三反铁磁层组成。 
4.根据权利要求1所述的90度自偏置自旋阀传感单元，其特征在于：所述基片与自由层之间还设有缓冲层，所述缓冲层由Cu制成。 
5.根据权利要求1所述的90度自偏置自旋阀传感单元，其特征在于：所述第一反铁磁层、第二反铁磁层、第三反铁磁层由FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO制成。 
6.根据权利要求5所述的90度自偏置自旋阀传感单元，其特征在于：所述第二反铁磁层的厚度为
Figure DEST_PATH_FDA0000415337640000011
7.根据权利要求1所述的90度自偏置自旋阀传感单元，其特征在于：所述第一铁磁层、第二铁磁层、第三铁磁层、第四铁磁层和第五铁磁层由Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金制成。 
8.根据权利要求1所述的90度自偏置自旋阀传感单元，其特征在于：所述第一金属层由Cu制成，所述第一金属层的厚度为
Figure DEST_PATH_FDA0000415337640000012
9.根据权利要求1所述的90度自偏置自旋阀传感单元，其特征在于：所述第二金属层、第三金属层和第四金属层由Ru或Cu制成。 
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