CN110418973A - 使用自旋霍尔效应的磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了使用自旋霍尔效应的磁传感器及其制造方法。一种此类磁传感器包括：自旋霍尔层，该自旋霍尔层包含导电的非磁性材料；磁性自由层，该磁性自由层与自旋霍尔层相邻；一对推动端子，该一对推动端子被配置成使电流能够在垂直于自由层和自旋霍尔层的平面的方向上穿过磁性自由层和自旋霍尔层；和一对感测端子，该一对感测端子被配置成感测当电流穿过磁性自由层和自旋霍尔层时的电压，其中推动端子和感测端子中的每一者与其他端子电隔离。

Description

使用自旋霍尔效应的磁传感器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2017年11月29日提交的名称为“使用自旋霍尔效应的磁传感器(MAGNETIC SENSOR USING SPIN HALL EFFECT)”的美国专利申请15/826,578以及于2017年6月12日提交的名称为“使用自旋霍尔效应的磁传感器(MAGNETIC SENSOR USING SPINHALL EFFECT)”的美国临时专利申请62/518,540的优先权和权益，这两个专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及磁数据记录，并且更特别地涉及利用自旋霍尔效应检测磁场的存在的磁读取传感器。
背景技术
计算机系统通常包括被称为磁盘驱动器的组件。磁盘驱动器包括旋转磁盘、由与旋转磁盘的表面相邻的悬架臂悬挂的读取头和写入头、以及摆动悬架臂以将读取头和写入头放置在旋转磁盘上的所选择的轨道上的致动器。读取头和写入头直接定位在具有空气轴承表面(ABS)的滑块上。当磁盘不旋转时，悬架臂偏置滑块与磁盘的表面接触，但是当磁盘旋转时，空气被旋转的磁盘旋动。当滑块漂浮在空气轴承上时，读取头和写入头用于向旋转磁盘写入磁印痕和从旋转磁盘读取磁印痕。读取头和写入头连接到处理电路，该处理电路根据计算机程序操作，以实现读取功能和写入功能。
写入头包括至少一个线圈、写入极和一个或多个返回极。当电流流过线圈时，所得磁场致使磁通量流过写入极，这导致从写入极的尖端发出的磁写入场。该磁场足够强，使得它局部磁化相邻磁介质的一部分，从而记录数据位。然后，写入场行进穿过磁介质的软磁下层，以返回到写入头的返回极。
磁阻传感器诸如巨磁阻(GMR)传感器、隧道结磁阻(TMR)传感器或剪刀型磁阻传感器已经被用来从磁介质读取磁信号。此类磁阻传感器具有响应于外部磁场而改变的电阻。电阻的这种改变可以由处理电路检测，以便从磁介质读取磁数据。传感器位于第一磁屏蔽部和第二磁屏蔽部之间，在屏蔽部之间的间距影响数据密度。在屏蔽部之间的较小间距通过增加在给定长度的数据轨道上可记录和检测的位而导致数据密度的增加。然而，实现较小的间距或读取器间隙可能具有挑战性。
发明内容
在一个方面，本公开涉及一种磁传感器，该磁传感器包括：自旋霍尔层，该自旋霍尔层包含导电的非磁性材料；磁性自由层，该磁性自由层与自旋霍尔层相邻；一对推动端子，该一对推动端子被配置成使电流能够在垂直于自由层和自旋霍尔层的平面的方向上穿过磁性自由层和自旋霍尔层；和一对感测端子，该一对感测端子被配置成感测当电流穿过磁性自由层和自旋霍尔层时的电压，其中推动端子和感测端子中的每一者与其他端子电隔离。
在另一个方面，本公开涉及一种制造磁传感器的方法，该方法包括：提供自旋霍尔层，该自旋霍尔层包含导电的非磁性材料；在自旋霍尔层上提供磁性自由层；提供一对推动端子，该一对推动端子被配置成使电流能够在垂直于自由层和自旋霍尔层的平面的方向上穿过磁性自由层和自旋霍尔层；提供一对感测端子，该一对感测端子被配置成感测当电流穿过磁性自由层和自旋霍尔层时的电压；以及将推动端子和感测端子中的每一者与其他端子电隔离。
在另一个方面，本公开涉及一种磁传感器，该磁传感器包括：自旋霍尔层，该自旋霍尔层包含导电的非磁性材料；磁性自由层，该磁性自由层位于自旋霍尔层上；用于使电流在垂直于自由层和自旋霍尔层的平面的方向上穿过磁性自由层和自旋霍尔层的装置，其中用于使电流穿过的装置包括一对推动端子；用于感测当电流穿过磁性自由层和自旋霍尔层时的电压的装置，其中用于感测电压的装置包括一对感测端子；和用于将推动端子和感测端子中的每一者与其他端子电隔离的装置。
在另一个方面，本公开涉及一种磁传感器，该磁传感器包括：自旋霍尔层，该自旋霍尔层包含导电的非磁性材料；磁性自由层，该磁性自由层位于自旋霍尔层上；用于使电流在垂直于自由层和自旋霍尔层的平面的方向上穿过磁性自由层和自旋霍尔层的装置；用于感测当电流穿过磁性自由层和自旋霍尔层时的电压的装置；和用于将用于使电流穿过的装置与用于感测电压的装置电隔离的装置。
附图说明
图1是根据本公开的一个实施方案的磁盘驱动系统的示意性图示。
图2是根据本公开的一个实施方案的具有隔离端子的薄堆叠四端子SHE读取器的侧面剖视图。
图3A是根据本公开的一个实施方案的移除一个侧屏蔽层的薄堆叠四端子自旋霍尔效应(SHE)读取器的透视图。
图3B是根据本公开的一个实施方案的移除侧屏蔽层的图2A的薄堆叠SHE读取器的前透视图。
图3C是根据本公开的一个实施方案的移除侧屏蔽层的图2A的薄堆叠SHE读取器的顶部透视图。
图3D是根据本公开的一个实施方案所示的两个侧屏蔽层的图2A的薄堆叠SHE读取器的透视图。
图4是根据本公开的一个实施方案的薄堆叠四端子SHE读取器的透视剖视图。
图5是根据本公开的一个实施方案的具有薄堆叠的四端子二维SHE读取器的透视图。
图6A至图6F示出了根据本公开的一个实施方案的用于制造具有薄堆叠的四端子SHE读取器的方法。
图7示出了根据本公开的一个实施方案的用于制造具有薄堆叠的四端子SHE读取器的另一种方法。
具体实施方式
为解决上述问题，提出了自旋霍尔效应(SHE)传感器，其具有比常规传感器更窄的读取器间隙。现在参见附图，示出了具有窄读取器间隙的传感器以及用于该传感器的制造方法的实施方案。在一个方面，这些传感器以薄堆叠为特征，该薄堆叠具有一个自由层和一个自旋霍尔层。在一个方面，可通过电隔离传感器的端子来实现与窄读取器间隙相对应的薄堆叠。在一个方面，传感器可包括：一对推动端子，该一对推动端子被配置成使电流能够在垂直于自由层和自旋霍尔层的平面的方向上穿过磁性自由层和自旋霍尔层；和一对感测端子，该一对感测端子被配置成感测当电流穿过磁性自由层和自旋霍尔层时的电压。在若干方面，可隔离这些端子。在一个方面，推动端子中的一个推动端子的一部分设置在一对感测端子之间，这可以有助于确保端子的隔离。在一个方面，本文所公开的SHE传感器可以是具有单个磁性感应自由层的四端子器件。
与这种新设计相反，常规双端子器件可具有共享的电流注入路径和信号检测路径。因此，此类设计可以包括信号分流和寄生电阻，这可以致使较低的信号输出。
图1为根据本公开的一个实施方案的磁盘驱动系统100的示意性图示。磁盘驱动系统100包括外壳102。至少一个可旋转磁盘104支撑在主轴106上，并且由磁盘驱动马达108旋转。在每个磁盘上的磁记录可以是磁盘104上同心数据轨道(未示出)的环形图案的形式。
至少一个滑块110定位在磁盘104附近，每个滑块110支撑一个或多个磁头组件112。当磁盘旋转时，滑块110在磁盘表面104a上方移入移出，使得磁头组件112可以访问写入期望数据的磁盘的不同轨道。每个滑块110通过悬架116附接到致动器臂114。悬架116提供轻微的弹簧力，该弹簧力抵靠磁盘表面104a偏置滑块110。每个致动器臂114附接到致动器装置118。如图1所示的致动器装置118可以是音圈马达(VCM)。VCM包括能够在固定磁场内移动的线圈，线圈移动的方向和速度通过由控制单元120供应的马达电流信号来控制。
在磁盘存储系统的操作期间，在磁盘104的旋转在滑块110和磁盘表面104a之间产生空气轴承，该空气轴承在滑块上施加向上的力或升力。因此，空气轴承抗衡悬架116的轻微弹簧力，并在正常操作期间以小的、基本上恒定的间距支撑滑块110离开并稍微高于磁盘表面。
磁盘存储系统的各种部件在操作中由控制单元120所产生的控制信号来控制，诸如访问控制信号和内部时钟信号。通常，控制单元120包括逻辑控制电路和微处理器。控制单元120产生控制信号以控制各种系统操作，诸如线122上的驱动马达控制信号以及线124上的磁头位置和寻道控制信号。线124上的控制信号提供期望电流分布，以将滑块110最佳地移动和定位到介质104上的期望数据轨道。写入信号和读取信号通过记录通道126传送到写入头和读取头112和从该写入头和读取头传送。虽然各种传感器实施方案可用于如图1所示的磁盘驱动器的读取器(读取头)中，但是传感器实施方案可整体适用于其他类型的数据存储应用，诸如非易失性存储器(例如，磁阻随机存取存储器(MRAM))。
图2是根据本公开的一个实施方案的具有隔离端子的薄堆叠四端子SHE读取器200的侧面剖视图。应当注意，该侧面剖视图取自读取器的面向介质的表面(MFS)或实施读取器的滑块。面向介质的表面(MFS)也可以被称为空气轴承表面(ABS)。SHE读取器200(例如，读取器堆叠)包括在读取器堆叠的底部处的底部屏蔽部202。底部屏蔽部202还可以用作用于施加电流(例如，推动电流或充电电流)的引线/端子。用于施加电流的引线可以被称为推动端子。底部推动端子202的一部分(例如，突出部)202a在读取器的中心区域中延伸超出底部推动端子202的上表面。第一电压引线层和第二电压引线层(204a,204b)定位在底部推动端子202的上表面上。电压引线层或引线(204a,204b)可以被称为传感器引线或感测端子。第一绝缘层206定位在电压感测端子(204a,204b)和底部推动端子202之间，使得传感器端子(204a,204b)与底部推动端子202电隔离。底部推动端子202的突出部202a设置在传感器端子(204a,204b)之间，使得这些传感器端子彼此隔离。
自旋霍尔层(SHL)208定位在第一电压感测端子和第二电压感测端子(204a,204b)以及底部推动端子202的突出部202a上。自由层(FL)210定位在SHL 208的中心部分上。第二绝缘层212沿自由层210的侧面定位在SHL 208的非中心区域(例如，基本上平坦的区域)和传感器端子(204a,204b)的一部分上。在一个方面，第二绝缘层212被涂覆上述部件的绝缘层的组合所替代，并且侧屏蔽层定位在涂覆绝缘层上，使得该侧屏蔽层设置在自由层210的侧向。
顶部屏蔽层或顶部引线层214定位在自由层210上。该顶层/引线214可用于施加推动电流或充电电流，并且可以被称为推动端子。在一个方面，可以在顶部推动端子214和自由层210之间形成封盖层。在一个方面，顶部屏蔽层214可以是顶部屏蔽结构的部件，诸如当SHE读取器200用于硬盘驱动器内时。
SHL 208和自由层210可位于底部推动端子202和顶部推动端子214之间。在一个方面，底部推动端子和顶部推动端子(202,214)由磁性材料、非磁性材料和/或导电材料制成。材料示例包括NiFe、CoFe、Ru、Cr、Ir、Cu、这些材料的合金和/或其他合适的材料。在一个方面，底部推动端子和/或顶部推动端子(202,214)可以由非磁性材料制成(例如，在不涉及硬盘驱动器的应用中)。底部推动端子和顶部推动端子(例如，屏蔽部)(202,214)之间的距离限定了间隙间距。为了使数据密度最大化，希望使间隙间距尽可能小。这是因为较小的间隙间距允许传感器沿着数据轨道读取具有小的位长度的磁信号，从而允许传感器每英寸数据轨道读取更多位。
磁性自由层(FL)210可以由磁性材料构成，诸如一层或多层Co-Fe、Co-Fe-B、NiFe或赫斯勒合金。磁性自由层210的厚度优选比自由层的自旋扩散长度厚，以便完全极化电流并增加向自旋霍尔层中的自旋电流注入。自旋霍尔层(SHL)208可以由非磁性金属制成，该非磁性金属优选具有大的自旋轨道耦合。SHL 208优选由重金属构成，诸如Ta、W、Pt、Hf、Bi或其合金。在另一个方面，SHL可以由以下材料中的任一者形成(设想所有可能的组合)：
(1)Fe-Co-M，其中M为B、Si、P、Al、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、Mo、Mg、Y、Cu、Cr和/或Ni；
(2)Fe-Co-M-MeOx颗粒膜，其中Me为Si、Al、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、Mg、Y和/或Cr，并且其中M为B、Si、P、Al、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、Mo、Mg、Y、Cu、Cr和/或Ni，并且其中x为正整数；
(3)(Fe-Co-M-MeOx)n多层膜，其中Me为Si、Al、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、Mg、Y和/或Cr，并且其中M为B、Si、P、Al、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、Mo、Mg、Y、Cu、Cr和/或Ni，并且其中n为正整数；
(4)Ni-Mn-Mg-Zn-FeOx-软铁氧体
(5)Fe-Co-M-(Ni-Mn-Ma-Zn-FeOx)颗粒膜，其中M为B、Si、P、Al、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、Mo、Mg、Y、Cu、Cr和/或Ni，并且其中x为正整数；和
(6)Fe-Co-M-(Ni-Mn-Ma-Zn-FeOx)n多层膜，其中M为B、Si、P、Al、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、Mo、Mg、Y、Cu、Cr和/或Ni，并且其中x和n为正整数。
封盖层(如果包括，并且在图2中未示出)可以由材料诸如Ta和/或Ru或Rh形成。
磁性自由层210的磁化可大体取向在与面向介质的表面(MFS)平行的方向上以及在平行于V+至V-的方向上，但该方向可以响应于外部磁场自由移动其取向。可以由侧屏蔽层(例如，软磁性侧屏蔽层)212提供对自由层210的偏置，该侧屏蔽层可以与顶部屏蔽层直接接触。另选地，可以由永久性磁性偏置层来提供偏置，该磁性偏置层可位于磁性自由层210的任一侧并且可与顶部推动端子(例如，顶部屏蔽层)214电隔离。磁性偏置层(例如，侧屏蔽层)中的每个磁性偏置层可通过非磁性电绝缘层与磁性自由层210和自旋霍尔层分离(参见图3A中的312)。其他偏置机构也是可能的，诸如后边缘偏置结构、平面内偏置结构等。
可提供电路(未示出)，以通过传感器供应电流i，该传感器取向在垂直于顶部推动端子和底部推动端子(例如，顶部屏蔽层和底部屏蔽层)(202,214)的平面的方向上。换句话说，电路在与传感器要读取的数据轨道的方向大体平行的方向上施加电流i。电路提供了用于在自旋霍尔层中由于自旋霍尔效应而产生电压的装置的一个示例，这将在下文中更详细地解释。在一个方面，顶部推动端子和底部推动端子(例如，顶部屏蔽层和底部屏蔽层)(202,214)可用作用于使电流在垂直于自由层和自旋霍尔层的平面的方向上穿过磁性自由层和自旋霍尔层的装置。
由于自由层(FL)210的磁化，行进穿过磁性自由层210的电子将变得自旋极化。自旋极化的取向将受磁性自由层210的磁化方向的影响。因此，随着磁性自由层210的磁化响应于磁场而改变，自旋极化的取向也将改变。
当这些自旋极化电子行进穿过在自由层(FL)210和自旋霍尔层208之间的界面时，由于在界面处的自旋累积，将存在由于在自由层210和自旋霍尔层208之间的界面处的自旋累积而被感应并注入自旋霍尔层208中的自旋电流。由于自旋霍尔效应，此类自旋电流可以在自旋霍尔层208内侧产生电压。该电压将被取向为平行于由位于自旋霍尔层208和磁性自由层210之间的界面限定的平面(例如，图2中的水平面)。该电压可以被取向在这样的方向上，该方向垂直于从图2中的顶部到底部(或者反之亦然)的电流i的流动方向，并且也垂直于磁性自由层210的自旋极化方向。
可以提供电路(未示出)来用于测量该电压。由自旋霍尔效应产生的电压将基于磁性自由层210的磁化横跨轨道宽度方向的相对取向而改变。通过检测电压的改变，从而电压测量电路可以检测外部磁场的存在，诸如来自相邻磁介质的磁场。电路可以与形成在自旋霍尔层208任一侧处的感测端子/引线(204a/V+,204b/V-)连接。下文中将更详细地讨论的端子/引线(204a/V+,204b/V-)可以与自旋霍尔层(由相同的材料形成，并且甚至在相同的图案化过程中形成)成一体，或者也可以是由不同于自旋霍尔层的材料的导电材料形成的单独结构。在一个方面，端子(204a/V+,204b/V-)可用作用于感测当电流穿过磁性自由层和自旋霍尔层时的电压的装置。
如图2所示，第一绝缘层206、电绝缘层可设置在电压引线(V+,V-)和相邻的底部推动端子202(例如，底部屏蔽部)之间，使得底部推动端子202与传感器区域中的自旋霍尔层电连接，以便防止电流i从电压引线分流到底部屏蔽部。这可以通过在第一绝缘层206之间的底部屏蔽部的顶部处形成向上延伸的导电部分(例如，突出部)202a来实现。该部分/突出部202a可以由底部推动端子材料(例如，底部屏蔽部材料)形成，或者可以是单独形成的特征结构，并且可在共同的掩模和离子磨削过程中与SHL自对准，如下文进一步详述。第一绝缘层206和第二绝缘层212可以由AlOx或另一种合适的绝缘材料制成。在一个方面，突出部202a的顶部表面的宽度可以被制成小于自由层210的宽度。在此类情况下，可以使突出部202a的顶表面的面积最小化以防止SHE信号电流分流到电压引线(V+,V-)。在一个方面，第一绝缘层206和第二绝缘层212，以及突出部202a的宽度被可能地制成小于自由层210的宽度，可用作用于电隔离推动端子和感测端子中的每一者与其他端子的装置，或者更广泛地用作用于电隔离用于使电流穿过的装置与用于感测电压的装置的装置。如本文所用，术语“隔离”可以被定义为减小端子之间的信号分流或使其最小化。在这个方面，自由层端子(I+,I-)(例如，推动端子)和SHL端子(V+,V-)(例如，电压感测端子)可以被称为“隔离”或“电隔离”。从图2中可以看出，电压感测端子(204a,204b)与SHL 208电接触，但是与所有其他层电隔离，并且具体地与推动端子(214,202)电隔离。
在一个方面，本文所述的SHE传感器可以被称为异常SHE传感器或者仅涉及异常霍尔效应的异常霍尔效应传感器。异常SHE传感器/读取器的方面在美国专利9,293,160中有所描述，该专利的全部内容以引用方式并入本文。在一个方面，异常霍尔效应基本上利用某些磁性自由层(例如，自由层210)本身内的强自旋轨道耦合。在此类情况下，自旋轨道耦合可以沿垂直于ABS的两个外表面(例如，自由层210的左表面和右表面)产生霍尔电压信号。因此，在一个方面，本文使用的SHE传感器可以用于有效地涉及逆SHE传感器配置和异常传感器配置的组合的配置中。在一个方面，本文使用的SHE传感器可以用于逆SHE传感器配置而不是异常传感器配置中。
图3A是根据本公开的一个实施方案的移除一个侧屏蔽层的薄堆叠四端子自旋霍尔效应(SHE)读取器300的透视图。SHE读取器300(例如，读取器堆叠)包括底部推动端子302，该SHE读取器包括部分(例如，突出部)302a、第一电压感测层和第二电压感测层(304a,304b)、第一绝缘层306、自旋霍尔层(SHL)308、磁性自由层310、第二绝缘层312和侧屏蔽层316。其他侧屏蔽层(在图3A中未示出，但是参见图3D)和所描绘的侧屏蔽层316直接设置在自由层310的侧向。第二绝缘层312设置在侧屏蔽层316和自由层310之间。在一个方面，使用侧屏蔽层(例如，316)可稳定磁性读取器传感器(例如，硬盘驱动器应用)中的自由层(例如，310)，以便获得由来自介质的外部场所引起的电压信号的线性响应。
虽然未在图3A中示出(参见图2中的214)，但是顶部屏蔽层或顶部引线层可以定位在自由层310上。
与图2的SHE读取器200相比，图3的SHE读取器300包括侧屏蔽层316和自旋霍尔层308，该自旋霍尔层在第一电压感测层和第二电压感测层(304a,304b)的整个长度上延伸。除这些区别以外，所描绘的层的结构和功能与图2的SHE读取器200所描述的类似或相同。
面向介质的表面(MFS)也在图3A中示出。
图3B是根据本公开的一个实施方案的移除侧屏蔽层的图3A的薄堆叠SHE读取器300的前透视图。
图3C是根据本公开的一个实施方案的移除侧屏蔽层的图3A的薄堆叠SHE读取器300的顶部透视图。
图3D是根据本公开的一个实施方案所示的两个侧屏蔽层316的图3A的薄堆叠SHE读取器300的透视图。
图4是根据本公开的一个实施方案的薄堆叠四端子SHE读取器400的透视剖视图。在一个方面，SHE读取器400可以表示图3A至图3D的读取器300的分段部分。读取器400包括四个端子/引线以及设置在底部推动端子402和电压感测端子(404a,404b)之间的绝缘层406，该端子/引线包括V+感测端子404a、V-感测端子404b、I-底部推动端子402、I+顶部推动端子414。如上所述，推动电流或充电电流可以从I-端子402流向I+端子414，或反之亦然，并且流过自由层(FL)410和自旋霍尔层(SHL)408。有效地，电流的方向垂直于自由层(FL)410或屏蔽部的平面，因此读取器400可以被称为垂直于平面的电流(CPP)型读取器。当该电流流动时，自旋霍尔电压在SHL轨道边缘处的平面中形成，并且被V+电压引线/端子404a和V-电压引线/端子404b拾取。当从相邻介质输入磁性信号时，该自旋霍尔电压可以由读取头用作输出，或者该自旋霍尔电压可以用在测试芯片中，以研究自旋霍尔材料、自由层材料、高阻抗材料、测试芯片电路或与读取器制造相关的其他参数。此外，可实现四端子器件测试芯片以研究SHE自旋轨道转矩(SOT)和存储器。在此类情况下，自由层FL可以被磁性隧道结(MTJ)替代，并且在该配置中，电流可以流过SHL。基于SHE的存储器的方面在美国专利公布2017/0125078中有所描述，该专利公布的公开内容以引用方式并入本文。
在一个方面，读取器400还包括第一高阻抗层418，以减小自由层(FL)410和SHL408之间的信号分流或使其最小化。如本文所用，术语“隔离”可以被定义为减小端子之间的信号分流或使其最小化。在这个方面，自由层端子(I+,I-)(例如，推动端子)和SHL端子(V+,V-)(例如，电压感测端子)可以被称为“隔离”。第一高阻抗层418可以由CoFeB、Ru、CoFeHfO和/或其他合适的材料制成。在一个方面，第一高阻抗层418可以具有至少120欧姆厘米(或ohm-cm)的阻抗(例如，片电阻率)。
在一个方面，读取器400还包括第二高阻抗层420，以减小SHL 408和底部推动端子(I-)402之间的信号分流或使其最小化。第二高阻抗层420可以由CoFeB和/或其他合适的材料制成。在一个方面，读取器400还包括由Ru制成并且定位在第二高阻抗层420和SHL 408之间(例如，在层420上)的断裂层(未示出)。断裂层(例如，非磁性导电层)可用于打破SHL 408和底部推动端子(I-)402之间的相互作用(例如，磁性相互作用)。在一个方面，第二高阻抗层420可以具有至少120欧姆厘米(或ohm-cm)的阻抗(例如，片电阻率)。在一个方面，层418和420的阻抗被首先具体选择和/或设计为确保SHE信号分流最小化，并且其次允许推动电流穿过其中，从而启用SHE。在一个方面，第一高阻抗层和第二高阻抗层也可以被称为SHL408的封装层。
借助所有各种绝缘层和高阻抗层，可以隔离读取器400的四个端子/引线中的每个端子/引线。借助隔离的端子/引线，SHL 408和FL 410可以被制成非常薄，从而减小读取器间隙。在一个方面，自由层410可具有约5纳米至15纳米(nm)的厚度。在一个方面，SHL 408可具有约3纳米至10纳米(nm)的厚度。
在一个方面，底部推动端子402的突出部402a的宽度(例如，在层420的位置处的宽度)可以被制成小于FL 410在层418的位置处的宽度。这具有最小化402a的顶部表面的面积的效果，并由此使可能发生潜在的SHE信号分流的面积最小化。在此类情况下，可以使从SHL408分流到底部推动端子(例如，底部屏蔽部/引线)402最小化。更具体地，使用小的突出部宽度可避免电压(V+,V-)引线和电流(I-,I+)引线之间的重叠。如果发生重叠，则注入的电流仅有一部分将流到底部推动端子/引线(例如，一部分将流入信号感测(V+或V-)引线)，从而减小注入的电流。这可以被称为输入/电流分流。因此，使用小的突出部宽度的一个原因是该技术随后为层重叠的设计提供了便于加工的层。在一个方面，可以使用第一高阻抗层418和第二高阻抗层420(与其他绝缘层如图2中的206和212以及402a的面积最小化的顶部表面一起使用，或者使得402a的宽度小于自由层410的宽度)作为用于将推动端子和感测端子中的每一者与其他端子电隔离的装置，或者更广泛地用作用于电隔离用于使电流穿过的装置与用于感测电压的装置的装置。
在一个方面，可以使用两个主要特征结构来实现电压传感端子和推动端子的隔离。在此类情况下，第一特征结构为设置在感测端子(204a,204b)和推动端子(214,202)之间的绝缘层206。第二特征结构为突出部202a的顶部表面的宽度，该宽度被制成小于自由层210的宽度。在一个方面，第三特征结构有助于实现端子的隔离。更具体地，第三特征结构为第一高阻抗层418和第二高阻抗层420中的任一者或两者。
图5是根据本公开的一个实施方案的具有薄堆叠的四端子二维SHE读取器500的透视图。读取器500包括第一读取器堆叠和第二读取器堆叠，其中每个读取器堆叠包括底部/中间屏蔽部502、电压感测引线504、SHL508、自由层510和侧屏蔽516。在一个方面，读取器500可用于二维磁性记录(TDMR)型应用。在一个方面，读取器堆叠中的每个读取器堆叠具有与上述SHE读取器200、300或400类似或相同的结构和功能。
图6A至图6F示出了根据本公开的一个实施方案的用于制造具有薄堆叠的四端子SHE读取器的方法。在特定实施方案中，该方法可用于制造本文所述的磁传感器中的任何磁传感器(例如，SHE读取器)。在阶段652中，该方法使用光刻和化学机械抛光(CMP)在绝缘体601中形成底部屏蔽部/引线(例如，底部推动端子)602。底部引线602可以由NiFe和/或其他合适的材料制成。绝缘体601可以由AlOx和/或其他合适的材料制成。
在阶段654中，该方法使用磨削(例如，形成突出部)对底部引线602进行图案化，沉积绝缘体606，沉积用于电压感测引线(例如，感测端子)(604a,604b)的金属，并且使用CMP使顶部工作表面平坦化。绝缘体可以由AlOx、SiN、TaOx、MgOx、另一种合适的材料和/或这些材料的组合制成。电压引线可以由磁性材料诸如NiFe、非磁性材料诸如Ru、Cr、NiCr和/或这些材料的组合制成。
在阶段656中，该方法沉积自旋霍尔层(SHL)608和自由层610。SHL608可以由非磁性金属制成，该非磁性金属优选具有大的自旋轨道耦合。SHL 608优选由重金属构成，诸如Ta、W、Pt、Hf、Bi或其合金。在一个方面，SHL 608可以在顶部(与自由层610相邻)和底部(与屏蔽部/推动端子602相邻)处被磁性高阻抗材料封装，该磁性高阻抗材料诸如CoFeB、CoFeHfO或它们的合金，如上文所述。在此类情况下，底部封装层420(例如，CoFeB)可以在阶段652之后形成，使得该底部封装层沉积在底部引线602上并且用该底部引线进行图案化。在一个方面，由Ru制成的断裂层被沉积在图案化底部封装层420上。在阶段656中沉积SHL608之后，可立即形成(例如，沉积)顶部封装层418。自由层610可以由磁性材料制成，该磁性材料诸如一层或多层Co-Fe、Co-Fe-B、NiFe或赫斯勒合金。
在阶段658中，该方法使用磨削或其他合适的图案化技术对SHL 608和自由层610进行图案化。在阶段608中，该方法可以在y方向上对SHL608和自由层610进行图案化，有效地进入如用小笛卡尔坐标指示符描绘的页面。
在阶段660中，该方法使用磨削对SHL 608进行进一步图案化，使得自由层610和SHL 608在x方向上被图案化，有效地横跨如用小笛卡尔坐标指示符所描绘的图6D的页面。在图6E中，示出阶段660的所得y-y'剖视图。
在阶段662中，该方法使用磨削或其他合适的图案化技术沉积顶部引线层(例如，顶部推动端子)614并使其图案化。
在一个方面，该方法可以为自对准的。
在一个方面，该方法可用于使底部屏蔽突出部602a的面积最小化，并且优选地使底部屏蔽突出部(例如，底部推动端子突出部)602a在最上表面处的宽度小于自由层610的宽度。该技术的益处如上文所述。
在一个实施方案中，该过程可以不同的顺序执行动作序列。在另一个实施方案中，该过程可跳过动作中的一个或多个动作。在其他实施方案中，同时执行动作中的一个或多个动作。在一些实施方案中，可执行附加动作。
在一个方面，该方法形成新型类似于K5的连接形状，以形成电流从堆叠的顶部向下流动的底部引线或屏蔽部。K5的“口袋”由与SHL接触的电压感测引线组成。制造此类K5读取器的方面在美国专利8,941,954中有所描述，该专利的全部内容以引用方式并入本文。
图7示出了根据本公开的一个实施方案的用于制造具有薄堆叠的四端子SHE读取器的另一种方法700。在特定实施方案中，该方法可用于制造本文所述的磁传感器中的任何磁传感器(例如，SHE读取器)。在框702处，该方法提供包含导电的非磁性材料的自旋霍尔层。在框704处，该方法在自旋霍尔层上提供磁性自由层。在框706处，该方法提供一对推动端子，该一对推动端子被配置成使电流能够在垂直于自由层和自旋霍尔层的平面的方向上穿过磁性自由层和自旋霍尔层。在框708处，该方法提供一对感测端子，该一对感测端子被配置成感测当电流穿过磁性自由层和自旋霍尔层时的电压。在框710处，该方法将推动端子和感测端子中的每一者与其他端子电隔离。
在一个实施方案中，该过程可以不同的顺序执行动作序列。在另一个实施方案中，该过程可跳过动作中的一个或多个动作。在其他实施方案中，同时执行动作中的一个或多个动作。在一些实施方案中，可执行附加动作。
如本文所用，术语“在…上方”、“在…下方”和“在…之间”是指一层相对于其他层的相对位置。因此，沉积或设置在另一层上方或下方的一层可与另一层直接接触，或者可具有一个或多个中间层。此外，沉积或设置在层之间的一层可与层直接接触，或者可具有一个或多个中间层。
根据本公开，本领域的技术人员应当理解，尽管本文中参考磁性读取器讨论了各种示例性制造方法，但是可以使用具有或不具有某些修改的方法来制造其他类型的SHE器件。
在若干实施方案中，可使用各种沉积子工艺来执行层的沉积，包括但不限于物理气相沉积(PVD)、溅射沉积和离子束沉积以及化学气相沉积(CVD)，该化学气相沉积包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)和原子层化学气相沉积(ALCVD)。在其他实施方案中，还可以使用本领域已知的其他合适的沉积技术。
尽管以上描述包含本发明的许多具体实施方案，但这些不应解释为对本发明范围的限制，而是作为其具体实施方案的示例。因此，本发明的范围不应由例示的实施方案确定，而应由所附权利要求及其等同物确定。
上述各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合均旨在落入本公开的范围内。另外，在一些具体实施中可以省略某些方法、事件、状态或过程块。本文描述的方法和过程也不限于任何特定序列，并且与其相关的块或状态可以以适当的其他序列执行。例如，所描述的任务或事件可以以不同于具体公开的顺序执行，或者多个可以在单个块或状态中组合。示例性任务或事件可以串行、并行或以某种其他合适的方式执行。可以向所公开的示例性实施方案添加任务或事件或从其中删除任务或事件。本文描述的示例性系统和部件可以与所描述的不同地配置。例如，与所公开的示例性实施方案相比，可以添加、移除或重新布置元件。

Claims (23)

1.一种磁传感器，包括：
自旋霍尔层，所述自旋霍尔层包含导电的非磁性材料；
磁性自由层，所述磁性自由层与所述自旋霍尔层相邻；
一对推动端子，所述一对推动端子被配置成使电流能够在垂直于所述自由层和所述自旋霍尔层的平面的方向上穿过所述磁性自由层和所述自旋霍尔层；和
一对感测端子，所述一对感测端子被配置成感测当所述电流穿过所述磁性自由层和所述自旋霍尔层时的电压，
其中所述推动端子和所述感测端子中的每一者与其他端子电隔离。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中所述推动端子中的一个推动端子的一部分被设置在所述一对感测端子之间。
3.根据权利要求2所述的磁传感器，其中所述部分的宽度等于或小于所述磁性自由层的宽度，其中所述两个宽度在所述磁传感器的空气轴承表面处测得。
4.根据权利要求1所述的磁传感器：
其中所述自旋霍尔层在最靠近所述磁性自由层的顶部表面处被第一层封装，所述第一层包含选自CoFeB、CoFeHfO以及它们的组合的合金；并且
其中所述自旋霍尔层在距离所述磁性自由层最远的底部表面处被双层封装，所述双层包含CoFeB上的Ru。
5.根据权利要求1所述的磁传感器：
其中所述一对推动端子包括底部推动端子和顶部推动端子；
其中所述一对感测端子位于所述底部推动端子上；
其中所述自旋霍尔层位于所述一对感测端子上；
其中所述磁性自由层位于所述自旋霍尔层上；并且
其中所述顶部推动端子位于所述磁性自由层上。
6.根据权利要求5所述的磁传感器，还包括：
第一绝缘层，所述第一绝缘层位于所述底部推动端子和所述一对感测端子之间；和
第二绝缘层，所述第二绝缘层位于所述顶部推动端子和所述一对感测端子之间。
7.根据权利要求5所述的磁传感器：
其中所述底部推动端子包括突出部，所述突出部设置在所述一对感测端子之间；并且
其中所述自旋霍尔层位于所述突出部上。
8.根据权利要求7所述的磁传感器，其中所述突出部的宽度等于或小于所述磁性自由层的宽度，其中所述两个宽度在所述磁传感器的空气轴承表面处测得。
9.根据权利要求7所述的磁传感器，还包括：
设置在所述自旋霍尔层和所述磁性自由层之间的顶部封装层，所述顶部封装层包含选自CoFeB、CoFeHfO以及它们的组合的合金；
设置在所述自旋霍尔层和所述突出部之间的底部封装层，所述底部封装层包含CoFeB；和
设置在所述底部封装层和所述自旋霍尔层之间的断裂层，所述断裂层包含Ru。
10.根据权利要求1所述的磁传感器：
其中所述自旋霍尔层包含选自Ta、W、Pt、Hf、Bi、Fe-Co-M、Fe-Co-M-MeOx以及它们的组合的材料；
其中M为B、Si、P、Al、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、Mo、Mg、Y、Cu、Cr和/或Ni；
其中Me为Si、Al、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、Mg、Y和/或Cr；
其中x为正整数；并且
其中所述磁性自由层包含选自Co-Fe、Co-Fe-B、NiFe、赫斯勒合金以及它们的组合的材料。
11.一种磁性随机存取存储器(MRAM)单元，所述MRAM单元包括根据权利要求1所述的磁传感器。
12.一种制造磁传感器的方法，包括：
提供自旋霍尔层，所述自旋霍尔层包含导电的非磁性材料；
在所述自旋霍尔层上提供磁性自由层；
提供一对推动端子，所述一对推动端子被配置成使电流能够在垂直于所述自由层和所述自旋霍尔层的平面的方向上穿过所述磁性自由层和所述自旋霍尔层；
提供一对感测端子，所述一对感测端子被配置成感测当所述电流穿过所述磁性自由层和所述自旋霍尔层时的电压，以及
将所述推动端子和所述感测端子中的每一者与所述其他端子电隔离。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述提供所述一对推动端子包括：提供所述一对推动端子，使得所述推动端子中的一个推动端子的一部分被设置在所述一对感测端子之间。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述部分的宽度等于或小于所述磁性自由层的宽度，其中所述两个宽度在所述磁传感器的空气轴承表面处测得。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括：
提供设置在所述自旋霍尔层和所述磁性自由层之间的顶部封装层，所述顶部封装层包含选自CoFeB、CoFeHfO以及它们的组合的合金；
提供设置在所述自旋霍尔层和所述推动端子中的一个推动端子之间的底部封装层，所述底部封装层包含CoFeB；以及
提供设置在所述底部封装层和所述自旋霍尔层之间的断裂层，所述断裂层包含Ru。
16.根据权利要求12所述的方法：
其中所述提供所述一对推动端子包括提供底部推动端子和顶部推动端子；
其中所述提供所述一对感测端子包括在所述底部推动端子上提供所述一对感测端子；
其中所述提供所述自旋霍尔层包括在所述一对感测端子上提供所述自旋霍尔层；并且
其中所述提供所述一对推动端子包括在所述磁性自由层上提供所述顶部推动端子。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
提供第一绝缘层，所述第一绝缘层位于所述底部推动端子和所述一对感测端子之间；以及
提供第二绝缘层，所述第二绝缘层位于所述顶部推动端子和所述一对感测端子之间。
18.根据权利要求16所述的方法：
其中所述提供所述底部推动端子包括提供突出部，所述突出部设置在所述一对感测端子之间；并且
其中所述提供所述自旋霍尔层包括在所述突出部上提供所述自旋霍尔层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述突出部的宽度等于或小于所述磁性自由层的宽度，其中所述两个宽度在所述磁传感器的空气轴承表面处测得。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
提供设置在所述自旋霍尔层和所述磁性自由层之间的顶部封装层，所述顶部封装层包含选自CoFeB、CoFeHfO以及它们的组合的合金；
提供设置在所述自旋霍尔层和所述突出部之间的底部封装层，所述底部封装层包含CoFeB；以及
提供设置在所述底部封装层和所述自旋霍尔层之间的断裂层，所述断裂层包含Ru。
21.根据权利要求12所述的方法：
其中所述自旋霍尔层包含选自Ta、W、Pt、Hf、Bi、Fe-Co-M、Fe-Co-M-MeOx以及它们的组合的材料；
其中M为B、Si、P、Al、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、Mo、Mg、Y、Cu、Cr和/或Ni；
其中Me为Si、Al、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、Mg、Y和/或Cr；
其中x为正整数；并且
其中所述磁性自由层包含选自Co-Fe、Co-Fe-B、NiFe、赫斯勒合金以及它们的组合的材料。
22.一种磁传感器，包括：
自旋霍尔层，所述自旋霍尔层包含导电的非磁性材料；
磁性自由层，所述磁性自由层位于所述自旋霍尔层上；
用于使电流在垂直于所述自由层和所述自旋霍尔层的平面的方向上穿过所述磁性自由层和所述自旋霍尔层的装置，其中所述用于使所述电流穿过的装置包括一对推动端子；
用于感测当所述电流穿过所述磁性自由层和所述自旋霍尔层时的电压的装置，其中所述用于感测所述电压的装置包括一对感测端子；和
用于将所述推动端子和所述感测端子中的每一者与所述其他端子电隔离的装置。
23.一种磁传感器，包括：
自旋霍尔层，所述自旋霍尔层包含导电的非磁性材料；
磁性自由层，所述磁性自由层位于所述自旋霍尔层上；
用于使电流在垂直于所述自由层和所述自旋霍尔层的平面的方向上穿过所述磁性自由层和所述自旋霍尔层的装置；
用于感测当所述电流穿过所述磁性自由层和所述自旋霍尔层时的电压的装置；和
用于将所述用于使所述电流穿过的装置与所述用于感测所述电压的装置电隔离的装置。
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