CN1319083C - 具有改进的磁场范围的磁多层结构 - Google Patents
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Abstract
根据需要的，例如在汽车应用中，一种加强的GMR或者TMR效应类型多层结构，其包括自由和固定铁磁性层，具有被描述的广阔的磁场范围。通过使用在交换-偏转人工反铁磁体中的非相邻铁磁性层作为固定层，获得改进。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁致电阻装置，其包括支承用于提供磁致电阻效应的自由和固定的铁磁层的衬底，所述的固定层包括人造的反铁磁性物质层系统(AAF)，和交换偏置层，该交换偏置层临近和磁感应该AAF层系统。
背景技术
旋转阀结构，例如大磁致电阻(GMR)和旋转道磁致电阻(TMR)装置最近被广泛地研究并已经成为具有很多公开的课题。GMR和TMR装置包括由非磁性材料的分隔层分隔的作为基本构件的两个铁磁性层。这个结构将称为磁装置的基本GMR或TMR堆，或者被称为GMR或者TMR结构。这种结构具有磁致电阻特性并表现GMR或TMR效应。对于GMR装置，分隔层是非铁磁性金属层，对于TMR装置，分隔层是非金属层，最好是绝缘层。在分隔层上，存在在两个铁磁层之间的磁耦合。在TMR装置中的绝缘层考虑到对于在两个铁磁性层之间的电子的量子机械隧道(quantum mechanical tunneling)的重要可能性。两个铁磁性层的一个是所谓的自由层，而另一个是所谓的硬固定层。自由层是其磁化方向能够通过施加具有较低强度的磁场被改变的层，该较低强度最好基本上低于用来改变固定层的磁化方向所需要的磁场强度。因此，固定层具有较佳的，更好的固定磁场方向，此处的自由层的磁化方向在外部施加磁场的作用下能够被很容易地改变。自由层的磁化强度的变化改变了TMR或GMR装置的阻抗。这导致了这些装置的所谓的磁致电阻效应。这些磁装置或系统的特性能够以不同的方式被利用。例如，利用GMR效应的旋转阀读取元件能够被用作先进的硬盘薄膜头。例如独立的磁存储装置或者非易失嵌入存储装置能够基于GMR或TMR元件被制造。这种存储装置的例子是MRAM装置。另一个应用是用于磁特性的传感器装置或系统。这种传感器是用于例如防刹车锁定(ABS)系统或者其它汽车应用。
磁致电阻传感器从US5686837可知。某些磁致电阻传感器使用所谓的GMR效应。大磁致电阻(GMR)是依靠在磁化方向(例如，不同的层)之间的角度的物质(例如，磁多层)的电阻的现象。GMR材料系统的例子是交换-偏转旋转阀和包括人造反铁磁性物质的多层(AAF’S)。更好地，这种传感器(特别是用于汽车和工业应用的传感器)应该工作在广阔的磁场范围。因此，磁致电阻应该适于高磁场。特别对于类似的传感器，假如输出信号不依靠在大场区间上的场强度是有利的。
交换-偏转旋转阀表现了差的热稳定性或者太小的场范围。另一方面，AAF’s仅仅对有限的磁场稳定。在较高的磁场，输出特性甚至能翻转，因为安全的原因这是不可以接受的。
发明内容
本发明的目的是，为了能够实际的应用GMR或TMR装置，提供一种磁致电阻装置，其在广阔的磁场范围内提供相当恒定的输出信号。
上述目的通过一种磁致电阻装置被满足，该磁致电阻装置包括支承用来提供磁致电阻效应的自由和固定铁磁层的衬底，所述的固定层包括人造的反铁磁性层系统(AAF)，和交换偏转层，该交换偏转层邻近于并磁感应AAF层系统，其中AAF层系统具有大于或等于3的奇数个非相邻的铁磁性层。非相邻意味着铁磁性层被非磁性层彼此分隔开。每个铁磁性层本身可以由几个子层组成，例如，铁磁性子层的堆。在AAF中的奇数个铁磁性层提供了非常大的磁场范围。人造反铁磁性AAF是由交替的铁磁性和非磁性层组成的层结构，其已经通过材料和层厚度的选择，这种铁磁性层的磁化方向的交换耦合在没有外部磁场的情况下是不平行的。每个铁磁性层能够包括另一组铁磁性层。AAF减少了在固定和自由层之间的静磁耦合。因为非常小的净磁矩(在理想状态下理论上为零)，AAF也提供了在磁场中的大的刚性，然而在两个相对的方向它是稳定的。
交换偏转层可以包括，例如，FeMn，NiMn，PtMn，NiO或者最好IrMn类型的材料。IrMn的间歇温度要高于FeMn的间歇温度，并且不象NiMn不需要退火处理。间歇温度是高于在反铁磁性IrMn类型层和固定层之间的交换偏转消失(减少到零)情况的温度。
AAF可以包括Co/非磁性金属/Co/非磁性金属/Co系统，但最好使用CoFe/非磁性金属/CoFe/非磁性金属/CoFe系统，因为在这种系统中各向异性能够被减少。
这种在AAF中的非磁性金属最好是Ru，其提供了强耦合并表现得非常稳定(没有氧化，没有扩散)，这对于在AAF堆中的最薄和最关键层的限定是非常重要的。
为了消除扩散，在所有利用Cu的界面Ni最好被避免。最好CoFe被用来代替NiFe。此外，这增加了GMR系数。与Co相比，CoFe给出了在自由层中的较低的矫顽磁力(和更好的晶体结构)。
交换偏转场在反向上大于传统的旋转阀；因此，交换偏转层最好位于最接近衬底处。然而，在这种情况下，缓冲层可能需要获得所需的质地。研究表明，在(例如3.5nm)Ta上的(2nm)NiFe是首选的。
根据本发明的磁致电阻装置可以被用在例如，用于位置检测，类似的角度检测，或者旋转速度检测的传感器上，或者被用在读取头中。根据本发明的磁致电阻装置也可以被用在数据存储装置中，例如，作为诸如MRAM结构的磁存储结构的部分，最好被集成在半导体衬底上。
如上面所指出的，提议的交换-偏转AAF可以被用在数据存储系统中。本发明的一个实施例包括在一个具有在芯片上被栽培或沉积的多层结构的半导体(硅)芯片上的整个数据存储系统的集成。这个多层结构能够在用于形成芯片的过程的前期或者后期在芯片上被栽培或者沉积。在后期过程中，芯片部分被平面化并且多层构造在其上被沉积或栽培。为了把多层构造的信号传输到包含信号处理逻辑的芯片部分，通过焊接或者通过结构的适当的连接被形成。在前期过程中，该多层构造被直接地集成在半导体(硅)上。
本发明的数据存储系统的层能够通过分子束外延或者MOCVD或者溅射沉积或者本领域技术人员知道的任何沉积技术而被沉积。
本发明的数据存储系统可以是磁存储元件，或者磁存储装置，也可以是计算机或者具有诸如MRAM的存储功能的集成电路，或者具有嵌入的非易失的磁存储元件的ASIC，或者芯片卡或者任何这种数据存储系统。本发明的数据存储系统的组结构能够被形成进一步建立在系统的基本GMR或TMR堆上的多层构造。同样也在其它构造中，该组结构能够是被集成在半导体衬底上的MRAM结构的一部分。该组结构也能够是被集成在半导体衬底上的非易失磁存储结构的一部分。MRAM数据存储系统能够基于磁道连接或者GMR旋转阀，代替CMOS电容器并且嵌在传统的半导体芯片环境中。典型的MRAM单元部件由磁性材料层组成，该磁性材料由薄的非磁性绝缘体分隔，电子能够通过其穿过(基本TMR堆)。在磁性层中的磁性取向能够通过施加磁场被独立地控制。场由穿过邻接或者整合在MRAM单元中的细线的电流脉冲建立。当磁性层具有相同的方向时，电流在它们之间穿过，并且比当方向不同的时候更容易穿过绝缘体。该单元因此能够在两种状态之间切换，表示二进制的0和1。作为例子，具有不平行磁方向的Co/AL-oxide/NiFe沟道连接的穿透特性与平行状态相比较，表示出了大的电阻。在两种状态之间的阈值是由磁性层的矫顽磁场(Hc(Co)＝1.6kA/m和Hc(NiFe)＝0.35kA/m)确定的，并且能够通过材料和厚度的选择而被调节。在例子中，所有的层能够通过磁电溅射被沉积。氧化铝层能够在纯净的氧气(O2)中以100mbar的压力持续60-180秒而被等离子氧化。薄膜的rms粗糙度临界于信号高度并且低于0.3nm。
对于磁性存储器一个磁性层的方向能够由反铁磁性被保持确定和固定。因为在MRAM中的数据被磁存储，所以无论装置是否通电，数据都被保持，即它是非易失的。该MRAM的优点包括：因为信号高度与磁道连接的单元面积不成比例，所以有比现在的静态RAM更高的速度，比DRAM更高的密度。读/写时间能够被缩短为10纳秒，大约比现在最快的RAM存储器快6倍。另外，相对简单的原理允许在电路设计中的更大灵活性。
根据本发明的另一方面的检测系统能够是磁传感器装置或者磁读取头，例如用于硬盘的GMR薄膜头，或者包括用于处理磁特征信号的电子信号处理的任何这种系统，或者其测量和派生。本发明的检测系统的该组结构能够被制成进一步建立在基本的系统GMR或TMR堆上的多层构造。因此该系统的至少一部分在没有大改变标准制造程序的情况下是可制造的，从而使得该系统的至少一部分是低成本的。在本发明的一个实施例中，能够在Alsimag(氧化物混合物)滑动器上或者在一个带有被栽培或沉积在芯片上的多层构造的半导体(硅)芯片上集成整个检测系统。该多层构造在用于制造芯片的过程的前期或者后期能够被栽培或者沉积在芯片上。在后期过程，部分芯片被平面化并且多层构造被沉积或者栽培在其上。为了把多层构造的信号传输到包含信号处理逻辑的芯片部分，通过焊接或者通过结构的适当的连接被形成。在前期过程中，该多层构造被直接地集成在半导体(硅)上。本发明的检测系统也可以是具有存储器功能和集成的检测系统的集成电路，或者具有嵌入的非易失的磁存储元件和检测系统的ASIC，或者具有检测系统的芯片卡或者任何这种检测系统。本发明的检测系统的该组结构能够被形成进一步建立在系统的基本GMR或TMR堆上的多层构造。
本发明的这些和其它实施例将参考附图被说明。
附图说明
图1表示了穿过根据本发明的磁致电阻装置的第一个实施例的示意性横截面图。
图2表示根据图1的带有奇数个和偶数个铁磁层的装置的磁致电阻曲线。
图3表示包括根据本发明的磁致电阻装置的数据存储系统的示意性顶视图。
图4表示包括根据本发明的磁致电阻装置的磁存储器。
具体实施方式
本发明将参考确定的实施例并参考确定的附图被描述，但本发明不限于此，而是由权利要求限定的。在本发明的特定实施例中，基于基本的GMR或TMR堆的磁多层构造被公开。这些多层构造根据本领域中技术人员已知的技术能够被集成在本发明的系统中。例如，在本发明的实施例中，能够在一个带有被栽培或沉积在芯片上的多层构造的半导体(硅)芯片上集成整个检测或者数据存储系统。该多层构造在用于制造芯片的过程的前期或者后期能够被栽培或者沉积在芯片上。在后期过程，部分芯片被平面化和多层构造被沉积或者栽培在其上。为了把多层构造的信号传输到包含信号处理逻辑的芯片部分，通过焊接或者通过结构形成适当的连接。这是明显地，对于本领域中的技术人员来说，在不偏离本发明的实际精神的情况下，本发明的其它可选择的和等价的实施例能够被构思和转变成实践，本发明的范围仅由所附加的权利要求来限定的。
图1表示了本发明的GMR多层堆的第一个实施例的示意性构成。在衬底2(例如玻璃，半导体材料，象Si或者陶瓷材料，像Al2O3)上，假如需要，提供了缓冲层28，用来改进随后的层的结晶结构或者晶粒度。假如使用了，缓冲层28可以包括，例如和最好，Ta的第一子层4和NiFe的第二子层6。在缓冲层28上，交换偏转层8被沉积。该交换偏转层可以是，例如，FeMn，NiMn，PtMn，NiO或者最好是IrMn类型的材料(例如，10nm的IrMn)。而IrMn意味着是IrMn或者是带有至少一种其它金属的IrMn合金。在交换偏转层8的上面，人工反铁磁性(AAF)堆30被提供，其包括奇数个铁磁性层10，14，18，该奇数等于或者大于3，其带有散置在它们之间的非磁性层12，16。堆30可以包括，例如，第一Co90Fe10层10(例如，4.0nm厚)，第一Ru层12(例如，0.8nm厚)和第二Co90Fe10层14(例如，4.0nm厚)。为了在堆30中获得奇数个铁磁性层，第二Ru层16(例如，0.8nm厚)和第三Co90Fe10层18(例如，4.0nm厚)被增加。对于较高的奇数或者偶数个铁磁性层，另外的Ru/CoFe层的组合可以被增加。在AAF堆30上，非磁性间隔层20被沉积。间隔层的材料可以是Cu类型的材料。而Cu类型意味着是Cu(例如，2.5nm厚的Cu)或者是带有其它金属，特别是Ag的Cu合金。在间隔层20的上面，Co90Fe10的层22(例如，0.8nm厚)被提供，其带有Ni80Fe20层24(例如，5nm厚)。保护层26(例如，4nm的Ta)覆盖该层系统。
为了证明本发明的改进的磁场范围，与在图1中显示的带有在AAF堆30中的有奇数和偶数个不同数量的铁磁性层相似的例子被准备，从而在AAF堆30中的铁磁性材料的总体数量被保持基本上相同。材料的厚度在表1中被给出。从这个表中能够看出，朝向层堆的外侧的铁磁性层的厚度比朝向堆中心的层在某些情况下被形成得更薄。然而，本发明包括使外侧铁磁性层的厚度比内侧层的更薄。
表1
| 号码 | 用mm表示的各个层的厚度 | ||||||||||||||
| CoFe | Ru | CoFe | Ru | CoFe | Ru | CoFe | Ru | CoFe | Ru | CoFe | Ru | CoFe | Ru | CoFe | |
| 2 | 4 | 0.8 | 4 | ||||||||||||
| 3 | 2 | 0.8 | 4 | 0.8 | 2 | ||||||||||
| 4 | 2 | 0.8 | 2 | 0.8 | 2 | 0.8 | 2 | ||||||||
| 5 | 1.4 | 0.8 | 2 | 0.8 | 1.4 | 0.8 | 2 | 0.8 | 1.4 | ||||||
| 6 | 1.4 | 0.8 | 1.3 | 0.8 | 1.4 | 0.8 | 1.3 | 0.8 | 1.4 | 0.8 | 1.3 | ||||
| 8 | 1 | 0.8 | 1 | 0.8 | 1 | 0.8 | 1 | 0.8 | 1 | 0.8 | 1 | 0.8 | 1 | 0.8 | 1 |
*非临近铁磁层的数量
磁致电阻曲线平行于磁场被测量(相对于交换偏转方向)。测量被表示在图2中，从而各个曲线被垂直地偏移以允许容易的比较。最显著的结果是3-倍和5-倍AAF堆30的磁致电阻在零区域的两侧是非常平的。这对于传感器应用来说是特别有利的。
这个重要的结果仅仅能利用在AAF堆30中的铁磁性层的奇数组合来获得。另外，具有AAF堆30的IrMn交换偏转层的组合提供了高温稳定性，例如，在250℃到350℃或者更高的温度，没有交换偏转的方向的旋转。
自由层可以是单一的CoFe层，或多个子层(例如，CoFe+NiFe；CoFe+NiFe+CoFe等)。
代替CoFe，CoNiFe或Co可以被使用，但假如CoNiFe被使用，最好不与Cu间隔层相邻。
AAF可以包括多个铁磁性和非磁性层。每个铁磁性层可以相对自由层如上所述地被构成。
传感器可以包括两个固定铁磁性层和自由铁磁性层的组合。
本发明的传感器也可以被用作数据存储单元。在自由和固定层的磁化方向之间设置的角度表示例如，“0”或者“1”。数据内容能够通过测量存储“单元”的阻抗而被读取。
上面的实施例涉及包括自由和固定铁磁性层的加强的GMR或TMR效应类型多层装置，其具有在汽车应用中所需要的大磁场范围。GMR多层具有不对称的磁致电阻曲线并且能够为具有互补的输出信号的传感器。通过这些措施的组合可获得进一步的改进，该措施包括使用交换偏转人工铁磁性物质的组合作为固定层和IrMn交换偏转层，后者最好布置在缓冲层顶部的层堆的底部。
所述的材料系统可以被广泛地使用在GMR传感器中，特别是对于汽车和工业应用。特殊的应用是数字位置传感器(例如，用于曲轴位置的)和类似的角度传感器(例如，阀位置，踏板位置，方向盘位置)。由于发明的传感器具有不对称的磁致电阻曲线，它能够是具有互补的输出信号的传感器。通过生产其中固定层(的磁向)相对自由层是+90°的第一自由/固定层系统和其中固定层(的磁向)相对自由层是-90°的第二自由/固定层系统，提供互补输出信号的传感器元件能够被形成。通过加热和冷却在具有所要的方向的磁场中的层，定向固定层能够被实现。这种方法在由K.M.Lenssen的“加强的大磁致电阻传感器(Robust Giant Magnetoresistance Sensors)”，1999年9月12-15日，在荷兰海牙的第13次关于固态传感器的欧洲会议中被描述。
在图3中显示的根据本发明的数据存储系统包括框架32，和主轴34，其旋转地安装在框架32上用来支承存储介质，特别是盘类信息载体36，例如磁-光盘。该信息载体36可以是整体载体或者可移动载体。该系统还包括激光源，和承载具有读取头40的滑动器的摆臂38，该读取头40包括根据本发明的磁致电阻装置。用于驱动主轴34和臂38的驱动被提供。在运转状态，读取头40检测存在于旋转信息载体36上的信息，该头被相对信息载体36布置并且相对于载体36基本径向地移动。根据本发明表示的系统也可以是用于从卡片或磁带上读取信息的系统。
在图4中表示的根据本发明的磁存储器包括存储元件42，字线44和位线46，来选择特定的存储元件。每个存储元件42包括AAF层系统30。在位线46中的存储元件42通过具有低电阻系数的非磁性金属48，例如Cu，被彼此隔离。
虽然本发明参考最佳实施例已经被表示和描述，应该理解为，在不偏离如所附权利要求中所定义的本发明的范围和精神的情况下，本领域中的技术人员可以在形式和细节上作出各种变化和修改。
Claims (10)
1.一种磁致电阻装置，包括支承用来提供磁致电阻效应的自由和固定铁磁层的衬底，所述的固定层包括人造的反铁磁性层系统，和交换偏转层，该交换偏转层邻近和磁感应所述人造的反铁磁生层系统，其中所述人造的反铁磁性层系统具有大于或等于3的奇数个非相邻的铁磁性层。
2.如权利要求1的装置，其中所述人造的反铁磁性层系统包括三个CoFe层和两个中间的非磁性层。
3.如权利要求1的装置，其中自由层和固定铁磁性层被一个Cu类型层分离，所述Cu类型的意思是Cu或者带有其它金属的Cu合金，所述自由层包括Co或CoFe层，所述固定铁磁性层包括Co或CoFe层，该Cu类型层的两侧邻接Co或者CoFe层。
4.如权利要求1的装置，其中所述人造的反铁磁性层系统的每个中间层是Ru层。
5.如权利要求1的装置，其中交换偏转层被布置在衬底和所述人造的反铁磁性层系统之间。
6.如权利要求1的装置，其中在奇数个非邻近的铁磁性层内形成层堆。
7.如权利要求6的装置，其中朝向堆的外侧的至少两个铁磁性层比朝向堆的中心的铁磁性层薄。
8.如权利要求6的装置，其中朝向堆的外侧的至少两个铁磁性层比朝向堆的中心的铁磁性层厚。
9.包括根据前述权利要求1到8中的任何一个的磁致电阻装置的数据存储系统。
10.包括根据前述权利要求1到8中的任何一个的磁致电阻装置的磁存储器。
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