CN111769192A - 一种巨磁电阻磁单极开关传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁性材料与元器件技术领域，涉及磁传感技术，具体为一种巨磁电阻磁单极开关传感器，利用双钉扎结构实现磁单极开关传感器的方法。本发明将存储领域的双钉扎自旋阀结构作为传感单元，利用其双交换偏置的交换偏置场可以较大范围调制的优点，替代现有技术中采用的只能较小范围改变的耦合场，使基于巨磁电阻实现的磁单极开关更加容易设计以及满足更大开关场应用的需求。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件技术领域，涉及磁传感技术，具体为一种巨磁电阻磁单极开关传感器，利用双钉扎结构实现磁单极开关传感器的方法。
背景技术
巨磁电阻是一种在磁多层膜中，通过外磁场调制磁性层取向，获得电阻随外磁场变化的效应。一般情况下，当各磁性层磁矩平行时整个体系呈现低电阻，而当磁性层磁矩反平行时整个体系呈现高电阻。
其中自旋阀结构是一种常见的可以获得巨磁电阻效应的结构，其基本结构为铁磁层1(自由层)/隔离层/铁磁层2(固定层)/反铁磁层。在该结构中，在外场作用下铁磁层1的磁矩随外场转动，称为自由层；而铁磁2由于被反铁磁材料钉扎，只有当外磁场大于反铁磁层对铁磁层2的钉扎场时，其磁矩才会转动，因而被称为固定层。
当巨磁电阻自旋阀结构应用于单极开关时，一般采用四端惠斯通电桥形式，为产生单极开关响应，需要将一组对应桥臂的电阻做磁屏蔽，如图1所示，对磁阻单元R2、R3进行磁屏蔽，使其不产生对外场的响应。
另外，为使开关场均为正(单极)，一般采用控制隔离层厚度在1.8-2.5nm之间，使铁磁层1与铁磁层2呈耦合状态，该耦合场使铁磁层1的磁滞回线偏离零场，不相对于零场对称，此时该结构的磁电阻曲线将如图2所示。其中磁单极开关的开、关场Bop和Brp对应的为铁磁层1的翻转场，其值远小于反铁磁层对铁磁层2的交换偏置场，因此铁磁层2的磁矩在开关场作用下不会发生改变。当外加磁场大于Bop时，铁磁层1的磁矩沿外磁场，与铁磁层2磁矩呈现反平行，获得一大电阻对应的开启状态；而当外加磁场小于Brp时，铁磁层1的磁矩发生翻转，与铁磁层2磁矩呈现平行，获得一小电阻对应的关断状态。由于铁磁层1与铁磁层2的耦合场大小随隔离层厚度调控，其变化范围<20Oe，因此采用该种方法开关场只能在小磁场范围内调节，造成开关场的可调范围较小。
而随着对高开关场磁传感单元需求的提升，目前的巨磁电阻单极开关的开关场已几乎达到饱和，不能再提高，使其应用受限制。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有自旋阀结构磁单极开关传感器的开关场不能满足更大开关场应用需求的问题，本发明提供了一种巨磁电阻磁单极开关传感器，基于双钉扎自旋阀结构，利用交换偏置场可以较大范围调制的优点，替代只能较小范围改变的耦合场，使基于巨磁电阻实现的磁单极开关更加容易设计以及满足更大开关场应用的需求。
一种巨磁电阻磁单极开关传感器，由四个完全一致的传感单元组成惠斯通电桥结构。
所述传感单元为长条形双钉扎结构磁电阻传感单元薄膜，为从下至上依次沉积的基片/缓冲层/反铁磁层1/铁磁层1/隔离层/铁磁层2/反铁磁层2的双钉扎结构磁电阻传感单元薄膜；其长短轴比为5：1～15：1，短轴的线宽为1～20μm。
在薄膜沉积过程中沿长条形双钉扎结构磁电阻传感单元薄膜的长轴加上沉积磁场H，沉积磁场方向沿膜面，并且平行于长条形传感单元的长轴方向，大小在50～1000Gs之间。使得铁磁层1/反铁磁层1、铁磁层2/反铁磁层2在薄膜沉积时将分别形成对应的交换偏置场H1、H2，并根据应用需要使铁磁层1的翻转场h1、h2对应于传感器所需开、关场Bop和Brp，铁磁层2/反铁磁层2两层薄膜产生的交换偏置场H2远大于传感器所需开关场(即H2≥10H1)。
进一步的，所述H1、H2的大小通过铁磁层1/2、反铁磁层1/2的材料和厚度选择进行调控。
进一步的，所述基片材料为Si/SiO2；反铁磁层1、2材料采用FeMn、NiMn、IrMn或PtMn的金属反铁磁材料，厚度选择为5-20nm；铁磁层1、2采用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co合金的铁磁性材料，厚度选择为5-15nm；隔离层采用Cu或Ag的非磁性导体材料，厚度选择为1.8-5nm；缓冲层采用Ta、NiFeCr或Pt，厚度选择为3-5nm；。所述惠斯通电桥结构的一组对应桥臂设有完全覆盖所属传感单元的矩形屏蔽层框。(如图1和图4中电极B、C间的R2及电极A、D间的R3是一组对应桥臂，电极A、C间的R1及电极B、D间的R4是另一组对应桥臂)。进一步的，所述传感单元还包括设置在反铁磁层2上的保护层，保护层的材料为Ta，厚度选择为3-5nm。
本发明沿薄膜表面加沉积磁场，使反铁磁层1/铁磁层1与铁磁层2/反铁磁层2中产生同方向的两个交换偏置场H1和H2。由于反铁磁层/铁磁层双层结构中的钉扎场大小在反铁磁层厚度固定的情况下与铁磁层的厚度呈反比，且当铁磁层厚度在能产生大巨磁电阻效应的3～15nm变化时，钉扎场可以在几Oe～200Oe的范围内改变，因而在设计过程中铁磁层2仍作为固定层，铁磁层2/反铁磁层2双层膜中产生的钉扎场要远大于单极开关的开关场；而对于铁磁层1，可根据实际所需开关场的大小，改变铁磁层1厚度，通过反铁磁层1/铁磁层1中产生的交换偏置场大小的改变来改变铁磁层1偏离零场的位置，使此时铁磁层1的产生的翻转场对应于所需的开、关场Bop和Brp。这样，利用交换偏置场可以较大范围调制的优点，替代只能较小范围改变的耦合场，克服了目前单极开关的开关场区域趋于饱和，不能满足更大开关场需求的问题，并且由于开关场大小由交换偏置场决定，因而可以通过改变交换偏置场方便的实现开关场的改变，设计及应用范围将更广。使得基于巨磁电阻实现的磁单极开关更加容易设计以及满足更大开关场应用的需求。
综上所述，本发明提供了一种巨磁电阻磁单极开关传感器，利用其双交换偏置结构的交换偏置场可以较大范围调制的优点，替代现有技术中采用的只能较小范围改变的耦合场，使基于巨磁电阻实现的磁单极开关更加容易设计以及满足更大开关场应用的需求。
附图说明
图1是磁单极开关的惠斯通电桥结构连接示意图。
图2是目前磁单极开关选用的自旋阀传感单元磁电阻曲线图。
图3是双钉扎磁阻薄膜单元结构示意图。
图4是长条形惠斯通电桥结构磁单极开关传感器示意图。
图5是本发明实现的长条形双钉扎结构磁单极开关的输出示意图。
附图标记：1-Si/SiO2，2-缓冲层，3-反铁磁层1，4-铁磁层1，5-隔离层，6-铁磁层2，7-反铁磁层2，8-保护层。H1、H2分别为铁磁层1、铁磁层2在薄膜沉积时形成的交换偏置场。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
一种巨磁电阻磁单极开关传感器，其制备方法包括以下步骤：
步骤1：选用Si/SiO2作为基片材料，然后采用标准lift-off光刻工艺，曝光出巨磁电阻磁单极开关传感器的图形，该传感器由四个完全一致的传感单元组成惠斯通电桥结构。每一长条形双钉扎结构磁电阻传感单元薄膜的长轴为84μm，短轴为10μm。
步骤2：将步骤1曝光后的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在基片上依次沉积Ta(5nm)/IrMn(15nm)/NiFe(12nm)/Cu(5nm)/CoFe(6nm)/IrMn(15nm)/Ta(5nm)的双钉扎结构磁电阻传感单元薄膜。在薄膜沉积过程中沿长条形双钉扎结构磁电阻传感单元的长轴加上300Gs的外磁场。
步骤3：在步骤2的薄膜镀制完成后，采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶，获得长条形的双钉扎结构磁电阻传感器薄膜。
步骤4：采用标准lift-off光刻工艺，在步骤3所得基片上甩上光刻胶，曝光出四个双钉扎结构磁电阻传感单元薄膜的两端电极，两端电极选用长方形或正方形(本实施例选择正方形)，其边长为100μm，直接与长条形的双钉扎结构磁电阻传感单元薄膜两端相连。
步骤5：将步骤4曝光后具有正方形电极图形的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在其上沉积电极材料，电极材料选用Cu。电极沉积完成后，采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶。
步骤6：采用标准lift-off光刻工艺，将惠斯通电桥一组对应桥臂电极B、C间的R2及电极A、D间的R3曝光出完全覆盖单元的矩形屏蔽层框。
步骤7：将步骤6曝光后具有矩形屏蔽层框的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在屏蔽层框中镀上绝缘层和磁性屏蔽层。其中绝缘层材料可采用MgO、Al2O3、SiO2、SiN等，磁屏蔽层材料可采用Fe、NiFe、CoFe等磁性材料。沉积完成后，采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶，获得最终的巨磁电阻磁单极开关传感器，如图4所示。
制备完成后的巨磁电阻磁单极开关传感器，沿电极A、B加上恒定电流(1mA)，沿磁单极开关传感器的长轴方向加从150Oe到-150Oe再到150Oe的变化外磁场，沿电极C、D测试开关在变化外磁场下的输出Vout，即可获得如图5所示的开关曲线。
在本实例中，开关场已远大于常规的20Oe。可见本发明利用较大范围调制的交换偏置场替代耦合场，有效克服了目前单极开关的开关场区域趋于饱和，不能满足更大开关场需求的问题，使得基于巨磁电阻实现的磁单极开关更加容易设计以及满足更大开关场应用的需求；且可通过改变交换偏置场方便的实现开关场的改变。
Claims (5)
1.一种巨磁电阻磁单极开关传感器，由四个完全一致的传感单元组成惠斯通电桥结构，其特征在于：
所述传感单元为长条形双钉扎结构磁电阻传感单元薄膜，为从下至上依次沉积的基片/缓冲层/反铁磁层1/铁磁层1/隔离层/铁磁层2/反铁磁层2；其长短轴比为5：1～15：1，短轴的线宽为1～20μm；
铁磁层1/反铁磁层1和铁磁层2/反铁磁层2在薄膜沉积时通过施加大小50～1000Gs的沉积磁场H，分别形成对应的交换偏置场H1、H2，方向沿传感单元膜面长轴方向；且铁磁层1的翻转场h1、h2对应于传感器所需开、关场Bop和Brp，铁磁层2/反铁磁层2两层薄膜产生的交换偏置场H2远大于传感器所需开关场，即H2≥10H1。
所述惠斯通电桥结构的一组对应桥臂设有完全覆盖所属传感单元的矩形屏蔽层框。
2.如权利要求1所述巨磁电阻磁单极开关传感器，其特征在于：所述H1、H2的大小通过铁磁层1/2、反铁磁层1/2的材料和厚度选择进行调控。
3.如权利要求1所述巨磁电阻磁单极开关传感器，其特征在于：
所述基片材料为Si/SiO2；反铁磁层1、2材料采用FeMn、NiMn、IrMn或PtMn的金属反铁磁材料，厚度选择为5-20nm；铁磁层1、2采用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co合金的铁磁性材料，厚度选择为5-15nm；隔离层采用Cu或Ag的非磁性导体材料，厚度选择为1.8-5nm；缓冲层采用Ta、NiFeCr或Pt，厚度选择为3-5nm。
4.如权利要求1所述巨磁电阻磁单极开关传感器，其特征在于：所述传感单元还包括设置在反铁磁层2上的保护层。
5.如权利要求4所述巨磁电阻磁单极开关传感器，其特征在于：所述保护层的材料为Ta，厚度选择为3-5nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201013 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |