专利名称：具有耦合层的磁性装置以及这种装置的制造与操作方法
技术领域：
本发明涉及磁性装置的领域。更具体地说，公开了具有耦合层的磁数据存储系统和磁特性的读出系统。还公开了制造这种系统的方法。
现有技术中磁性装置是众所周知的。自旋阀门结构如巨磁阻(GMR)和自旋隧道磁阻(TMR)装置近来已经被广泛地研究并且成为大量公开的主题。GMR和TMR装置包括作为基本构造叠层的两个铁磁性层，并且它们由非磁性材料的隔离层隔开。以下此结构称为磁性装置的基本GMR或TMR叠层，或者称为GMR或TMR结构。这种结构具有磁阻特性并表现出GMR或TMR效应。用于GMR装置的隔离层是非铁磁性的金属层，用于TMR装置的隔离层是非金属层，最好为绝缘层。越过隔离层存在两个铁磁性层之间的磁耦合。TMR装置中的绝缘层使两个铁磁性层之间电子的量子隧道效应发生概率相当大。两个铁磁性层之中，一种是所谓的自由层，一种是所谓的硬牵制层。通过施加磁场强度较低的磁场、最好充分低于使牵制层的磁化方向改变所需的磁场强度，可以改变自由层的磁化方向。因而牵制层具有优先的、相当固定的磁化方向，而自由层的磁化方向可以在外加场下很容易地改变。自由层的磁化的变化改变TMR或GMR装置的电阻。这就导致这些装置所谓的磁阻效应。这些磁性装置或系统的特性可以通过不同方式加以利用。例如利用GMR效应的自旋阀门读出元件可用作高级硬盘薄膜磁头。此外，可以基于GMR或TMR元件来制作磁存储装置、如独立的或非易失性的嵌入式存储装置。这种存储装置的一个例子是MRAM(磁硅兼容静态随机存取存储器)装置。进一步的应用是磁特性的感测装置或系统。此类传感器用于例如防抱死煞车(ABS)系统或其他汽车应用。
在许多应用中经常需要修改、变化或影响GMR或TMR装置的至少一种固有磁特性。例如由于铁磁性层之间的磁耦合，装置的磁阻输出曲线表现出场偏移。对于大多数的应用，由于所要求的工作范围通常需要在零或大约为零的外磁场下，所以这种固有磁特性会引起问题。这种偏移特性可以通过外部偏磁体来平衡，但因为高成本和装置的设计限制，往往不希望采用这种方法。
美国专利6023395公开了一种用于检测磁场的磁隧道结磁阻的传感器，当连接到读出电路时，它用于探测传感器内的电阻变化。磁隧道结具有包括通过隔离层隔离的第一层结构和第二层结构的多层的叠层。
第一层结构包括在没有施加磁场的情况下、其磁矩固定在优选方向上的第一铁磁性层；与固定铁磁性层接触、作为隔离层的绝缘隧道阻挡层；以及与绝缘隧道阻挡层接触的第二铁磁性读出层。第二层结构包括偏置铁磁性层，在没有施加磁场的情况下用于使读出铁磁性层的磁矩偏置在优选方向。隔离层隔离偏置铁磁性层，使其不与第二铁磁性读出层和第一固定铁磁性层接触，并且包括导电的非铁磁材料。读出电流垂直流经磁隧道结叠层中的各层。为了使传感器的输出稳定和线性化，来源于偏置铁磁性层的去磁磁场与第二铁磁性读出层的边缘静磁耦合。
已知传感器的缺点在于，磁性层边缘的反铁磁性静磁耦合取决于装置的几何形状，特别是其中相关的层。因此，在磁隧道结的区域上难以获得均匀的偏磁场强度。
为了防止偏置铁磁性层与第二铁磁性读出层之间的直接铁磁性耦合，隔离层必须相对较厚，但另一方面又必须足够薄、以便允许与第二铁磁性读出层之间的反铁磁性静磁耦合。所公开的方法仅仅涉及磁隧道结磁阻传感器。在平面电流(current-in-plane)配置的情况下相对较厚的隔离层引入不希望的电分路。这种效应使得反铁磁性静磁耦合结构实际上不适合应用于GMR装置中。
发明概要本发明的一个目的是公开一种具有基本GMR叠层并且还包括用于影响系统的基本GMR叠层的至少一个固有磁特性的装置的磁性系统。本发明的另一个目的是公开一种基于GMR效应并且还包括用于影响系统的基本GMR叠层的至少一个固有磁特性的装置的磁性系统，其中磁性系统的至少一部分可无须显著改变标准生产工序来制造，从而使系统的成本合理。本发明还有一个目的是公开基于GMR或TMR效应的磁性系统，至少系统的一部分制造成多层结构，它包括影响系统的基本GMR或TMR叠层的至少一个固有磁特性的装置，并且影响固有磁特性的装置不引入多层结构外的额外的磁分量。
以下概括本发明的若干方面。在这一部分和整个说明书中说明的本发明的不同方面和实施例可以合在一起。在本部分结尾对概要和整个说明书中使用的许多术语加以说明。
在本发明的第一方面中，公开了包括一组结构的数据存储系统。数据存储系统包括第一层结构，后者至少包括第一铁磁性层和第二铁磁性层以及它们之间的至少一个非磁性材料的隔离层，所述第一结构至少具有磁阻效应。隔离层的非磁性材料是金属。数据存储系统还包括包含至少一个磁性层的第二结构，所述第二结构影响所述第一结构的至少一种固有磁特性；并且所述第二结构通过至少一个高阻金属隔离层与所述第一结构隔离，并且所述隔离层在不明显影响所述第一结构的磁阻效应的大小的同时、还引起所述第二结构在所述第一结构上的主要是铁磁性的耦合。
在具有平面电流结构的GMR叠层中，选择高阻金属材料、以免由于电分路导致磁阻效应的大小显著地减小。利用由于磁性层的波纹或粗糙性产生的铁磁性耦合(常称为″桔皮耦合″或拓扑耦合)来得到所需的铁磁性耦合。被非磁性隔离层的高阻金属材料隔离的磁性层的相关波纹导致铁磁性耦合，因为在平行磁化的情况下，从一个磁性层到另一个磁性层的磁通会穿过非磁性隔离层，并且这使得具有平行磁化的情况比反平行结构更加有利。因此微观尺度的交互作用所致的铁磁性耦合结构与磁阻装置的几何形状无关，并且在磁阻装置的区域上均匀分布。
本发明的数据存储系统的这组结构可以制作在进一步基于系统的基本GMR叠层的多层结构中。因此可制造系统的至少一部分而无须显著地改变标准生产工序，从而使至少系统的一部分的成本很低。在所述第一结构和所述高阻金属材料的隔离层之间，以及在所述高阻金属材料的隔离层和所述第二结构之间可以有若干中间层。可以使这组结构不需要引入多层结构外的额外的磁分量。在本发明的实施例中，有可能将整个数据存储系统集成在一个半导体(硅)基片上，多层结构可生长或淀积在基片上。多层结构可以在制造基片的前端处理或后端处理中生长或淀积在基片上。在后端处理中，基片的一部分被平面化，多层结构淀积或生长于其上。通过粘合或经由结构进行适当的连接，以便将多层结构的信号传递到基片上包含信号处理逻辑电路的部分。在前端处理中，多层结构直接集成在半导体(硅)上。
本发明的一个有利的实施例中，所述高阻金属材料的隔离层又至少局部地在所述第二结构上诱发结晶特性。如果第一结构在高阻金属材料层上方，高阻金属材料的隔离层还可以在所述第一结构上诱发结晶特性。这样，根据高阻金属材料的结晶特性的选择，可以选择第二或第一结构(视第二或第一结构中哪一个在高阻金属材料层上方而定)之中优选的或需要的晶体结构。对于相同的高阻金属材料，结晶特性可包括高阻金属材料的不同取向，例如(111)或(100)或(110)，或者高阻金属材料的另一种相结构。本发明的实施例还有其他实施方式。第二结构可以淀积在高阻金属材料隔离层上或所述隔离层可以淀积在第二结构上。在两种实施方式中，高阻金属材料隔离层的晶体结构可以诱发到或转入第二结构。
为了补偿例如本发明的系统的基本GMR叠层的磁阻输出曲线的场偏移的固有磁特性，在本发明的实施例中，第二结构可包括至少一层高矫顽性的磁性材料。所述第二结构还可包括至少一层的交换偏置或交换偏磁材料，或具有相对于所述第一铁磁性层的磁化方向有最佳取向的磁化方向的层。最好具有最佳取向的层的取向与所述第一铁磁性层的磁化方向大体上反平行。第二结构还可以是这样的层，该层的磁化取向在相对于所述第一铁磁性层的磁化方向90°到180°之间的角度上，以便同时消除所述第一结构的场偏移和磁滞。第二结构的磁化方向的取向还可受到高阻金属材料的结晶特性诱发的晶体结构的影响。
本发明的数据存储系统还可包括包含至少一个磁性层的第三结构，所述第三结构影响所述第一结构的至少一种磁特性，所述第二结构至少部分地补偿所述第三结构对所述第一结构的影响。这个实施例在这样的情况下有利，例如通过把所述第三结构添加到数据存储系统，加强对所述第一结构的第一铁磁性层的磁化牵制。另一种所述第三结构可以是用于减少第一结构的第二铁磁性层的矫顽磁力的第三层结构。第三结构还可以通过一层或包括至少一层高阻金属材料的许多层的叠层与第一结构隔离，所述高阻金属材料层还引起所述第三结构在所述第一结构上的主要是铁磁性的耦合，同时基本上不影响所述第一结构的磁阻效应的大小。
本发明的系统可具有由Ti、Zr、Hf、V、Nb和Ta这组中的一种或其任何组合的材料构成的层、作为高阻金属材料的隔离层。隔离层也可以由Mo、Cr、W这组中的一种或其任何组合的材料构成，或者可以是聚合物、或者电阻率在这组金属Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、Cr和W或任何它们的组合的典型电阻率的范围内的任何其他金属材料。本发明的一个优点是，通过所述高阻金属材料隔离层对所述第二结构在所述第一结构上的耦合的影响，对于高阻金属材料隔离层的厚度上的小变化不是非常敏感。然而所述第一结构的固有磁特性的影响程度可能取决于高阻金属材料层的厚度，因此所述第一结构的固有磁特性还可以通过改变高阻金属材料层的厚度来调整。
因而耦合强度并非关键取决于高阻金属材料层的准确厚度，但所述第一结构的固有磁特性的影响可能取决于高阻金属材料隔离层的厚度。隔离层的厚度可以与单原子层一样薄，或者可以具有最多2或3或5或7或10甚至15nm的厚度。最好用具有大约3nm的厚度的Ta层作为高阻金属材料隔离层。可以通过本专业的技术人员所知的分子束外延、或MOCVD(金属有机物化学汽相淀积)、或溅射淀积、或任何这种淀积技术来淀积本发明的数据存储系统的各层。
本发明的数据存储系统可以是磁存储元件或磁存储装置，还可以是具有存储功能的计算机或集成电路，如具有嵌入式非易失性磁存储元件或芯片电路卡或任何这种数据存储系统的MRAM或ASIC(专用集成电路)。本发明的数据存储系统的这组结构可以制作在基于系统的基本GMR叠层的多层结构中。同样地、但在其他配置中，这组结构可以是集成在半导体基片上的MRAM结构的一部分。这组结构还可以是集成在半导体基片上的非易失性磁存储器结构的一部分。该MRAM数据存储系统可以基于GMR自旋阀门、以此替代CMOS电容器，并嵌入常规半导体芯片环境。典型MRAM单元由通过其中有电子流动的薄的非磁性金属隔离的磁性材料层(基本GMR叠层)组成。可通过施加磁场来独立控制磁性层的磁性取向。该场由通过接近或并入MRAM单元的细导线传递电流脉冲而产生。当磁性层的磁化具有相同取向时，由于自旋相关的迁移电子散射相对较低，电阻也低。因此单元可在代表二进制的0和1的两种状态之间切换。
对于磁存储器，可以通过反铁磁体来固定和牵制磁性层之一的取向。因为MRAM内的数据是以磁的方式存储的，无论装置加电与否，数据都能够保持，即它是非易失性的。MRAM的优点包括比现在的静态RAM(随机存取存储器)高速并且具有比DRAM(动态随机存取存储器)更高的密度，因为信号高度与磁性元件的单元面积不成比例。读/写时间可以短到10毫微秒，大约是现在最快的RAM存储器的六倍。此外，相对简单的原理允许线路设计更灵活。
在本发明的第二方面中，公开了磁特性的读出系统。读出系统包括第一层结构，后者至少包括第一铁磁性层和第二铁磁性层以及它们之间的至少一个非磁性材料隔离层，所述第一结构至少具有磁阻效应。隔离层的非磁性材料是金属。读出系统还包括第二结构，并且所述第二结构通过至少一个高阻金属隔离层与所述第一结构隔离，所述隔离层还引起所述第二结构在所述第一结构上的主要是铁磁性的耦合，同时基本上不影响所述第一结构的磁阻效应的大小。在具有平面电流结构的GMR叠层中，选择高阻金属材料，以免磁阻效应的大小由于电分路而显著地减小。利用由于磁性层的波纹或粗糙性产生的铁磁性耦合(常称为″桔皮耦合″或拓扑耦合)获得所需的铁磁性耦合。被非磁性隔离层的高阻金属材料隔离的磁性层的相关波纹导致铁磁性耦合，因为在平行磁化的情况下，从一个磁性层到另一个磁性层的磁通会穿过非磁性隔离层，并且这使得具有平行磁化的情况比反平行结构更加有利。因此微观尺度上的交互作用所致的铁磁性耦合结构与磁阻装置的几何形状无关，并且在磁阻装置的区域均匀分布。
根据本发明第二方面的读出系统可以是磁性传感器装置或读出磁头、如用于硬盘的GMR薄膜磁头，或者任何包括用于处理磁特性信号的信号处理电子装置的这种系统，或者量具或其衍生物。本发明的读出系统的这组结构可以制作在基于系统的基本GMR叠层上的多层结构中。因此可无须显著地改变标准生产工序来制造系统的至少一部分，从而使至少系统的一部分的成本很低。在所述第一结构和所述高阻金属材料的隔离层之间，以及所述高阻金属材料的隔离层和所述第二结构之间可以有若干中间层。可以使这组结构不需引入在多层结构外的额外的磁分量。在本发明的实施例中，有可能将整个读出系统集成在铝硅镁合金(氧化物的混合物)滑块或者半导体(硅)基片上，多层结构生长或淀积于基片上。多层结构可以在制造基片的前端处理或后端处理中生长或淀积在基片上。在后端处理中，基片的一部分被平面化，多层结构淀积或生长于其上。通过粘合或经由结构进行适当的连接以便将多层结构的信号传递到基片上包含信号处理逻辑电路的部分。在前端处理中，多层结构直接集成在半导体(硅)上。本发明的读出系统还可以是具有存储功能的集成电路、具有嵌入式非易失性磁存储元件以及读出系统的集成读出系统或者ASIC、或者具有读出系统的芯片电路卡、或者任何这种读出系统。本发明的读出系统的这组结构可以制作在进一步基于系统的基本GMR叠层的多层结构中。
本发明的一个有利的实施例中，其中第二结构在高阻金属材料的上方，所述高阻金属材料的隔离层至少部分地在所述第二结构上诱发结晶特性。这样，可以选择更喜欢或者所需要的第二结构的晶体结构。本发明的这个实施例至少有两种实施方式。第二结构可以淀积在高阻金属材料隔离层上或所述隔离层可以淀积在第二结构上。在两种实施方式中，高阻金属材料层的晶体结构可被诱发到或转到第二结构。
为了补偿例如本发明的系统的基本GMR叠层的磁阻输出曲线的场偏移的固有磁特性，在本发明的实施例中，第二结构可包括至少一层高矫顽磁性的磁性材料层。所述第二结构还可包括至少单层的交换偏磁材料，或者具有相对于所述第一铁磁性层的磁化方向有最佳取向的磁化方向的层。最好具有最佳取向的层的取向与所述第一铁磁性层的磁化方向大体上反平行。第二结构还可以是这样的层，该层的磁化取向在相对于所述第一铁磁性层的磁化方向、90°到180°之间的角度下，以便同时消除所述第一结构的场偏移和磁滞。
本发明的读出系统还可包括包含至少一个磁性层的第三结构，所述第三结构影响所述第一结构的至少一个磁特性，所述第二结构至少部分地补偿所述第三结构对所述第一结构的影响。这个实施例有利于这样的情况，例如通过在读出系统上添加所述第三结构，加强对所述第一结构的第一铁磁性层的磁化牵制。另一种所述第三结构可以是用于减小第一结构的第二铁磁性层的矫顽磁力的第三层结构。这种第三结构还可以通过包括至少一个高阻金属材料隔离层的一层或多层的叠层与第一结构隔离，所述高阻金属材料隔离层还引起所述第三结构在所述第一结构上的主要是铁磁性的耦合，同时基本上不影响所述第一结构的磁阻效应的大小。
本发明的系统可具有由Ti、Zr、Hf、V、Nb和Ta这组中的一种或其任何组合的材料构成的层作为高阻金属材料隔离层。隔离层也可以由Mo、Cr和W这组中的一种或其任何组合的材料构成，或者可以由聚合物或者电阻率在这组金属Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、Cr和W或其任何组合的典型电阻率的范围内的任何其他金属材料构成。本发明的一个优点是，通过所述高阻金属材料隔离层、所述第二结构在所述第一结构上的主要是铁磁性的耦合的影响对高阻金属材料隔离层厚度上的小变化不很敏感。隔离层的厚度可以与单原子层一样薄，或可以具有最多2或3或5或7或10甚至15nm的厚度。最好用具有大约3nm的厚度的Ta层作为高阻金属材料隔离层。本发明的读出系统的层可以通过本专业技术人员所知的分子束外延、或MOCVD、或溅射淀积、或任何这种淀积技术来淀积。
在本发明的第三方面，公开了磁性系统的制造方法。磁性系统可以是数据存储系统或者读出系统。该方法包括以下步骤设定包括至少第一铁磁性层和第二铁磁性层以及其间的至少一层非磁性金属材料的隔离层的第一层结构，所述第一结构至少具有磁阻效应；设定第二结构，所述第二结构包括至少一个磁性层或者一组用于影响所述第一结构的至少一个固有磁特性的层；以及在所述第二结构和所述第一结构之间设定至少一层高阻金属材料层，所述高阻金属材料层在所述第二结构上至少部分地诱发结晶特性。本发明的磁性系统的层可以通过本专业技术人员所知的分子束外延或MOCVD或溅射淀积或任何这种淀积技术进行淀积。
在本发明的第四方面，公开了调整磁性系统的固有磁特性的方法，该系统包括包含第一层结构的一组结构，第一层结构至少包括第一铁磁性层和第二铁磁性层，以及至少一层非磁性金属材料的隔离层夹于其间，所述第一结构至少具有所述磁阻效应。磁性系统可以是数据存储系统或者读出系统。该方法包括以下步骤在所述第一结构上设定高阻金属材料层；并且在所述高阻金属材料的所述层上设定包括至少一个磁性层的第二结构，所述第二结构包括至少一个磁性层或者一组层，用于影响所述第一结构的至少一个固有磁特性。在所述第一结构和所述高阻金属材料层之间，以及所述高阻金属材料层和所述第二结构之间可以有若干中间层。
在本发明的第五方面中，公开了一种磁性系统、如数据存储系统或者磁特性的读出系统。该系统包括一组结构，它包括第一层结构，至少包括第一铁磁性层结构和第二铁磁性层以及它们之间的至少一个非磁性材料隔离层，所述第一结构至少具有磁阻效应；第二结构包括至少一个磁性层，所述第二结构影响所述第一结构的至少一个固有磁特性；所述第二结构通过至少一层高阻金属材料层与所述第一结构隔离，所述高阻金属材料层还引起所述第二结构在所述第一结构上的耦合，同时基本上不影响所述第一结构的磁阻效应的大小；并且其中所述第一铁磁性层结构和所述第二结构分别包括偶数或奇数的非邻接的铁磁性层和奇数或偶数的非邻接的铁磁性层。因而，依据本发明的第五方面，如果第一铁磁性层结构包括偶数的非邻接的铁磁性层，则第二结构包括奇数的非邻接铁磁性层，反之亦然。在这个特别的情况下，第一层结构和第二结构中的交换偏置材料的磁化方向具有相同方向。交换偏置材料，如IrMn，最好具有高阻塞温度而且保证良好的温度稳定性。在所加磁场中，交换偏置材料的磁化方向可以通过加热各层的叠层到阻塞温度以上而很好地定向。因此，通过改变第一层结构和第二结构的交换偏置材料的磁化方向的取向，整个多层结构可以在淀积后通过场冷却进行(重新)取向。一般这对于偶数与奇数的铁磁性层的任何组合都是可能的。
所述系统的层可以通过本专业的技术人员所知的分子束外延或MOCVD或溅射淀积或任何这种淀积技术来淀积。
参考权利要求书，应当指出在这组权利要求中定义的各种特征要素可能以组合形式出现。此外，应当注意，用于此文件中各处的层结构的表述可能意味单层或者多层的叠层。
以下说明用于概要和贯穿本说明书的许多术语。术语“固有磁特性”指GMR或者TMR结构的任何磁特性，即与GMR或者TMR结构的磁阻效应相关的磁特性。这包括GMR或者TMR结构的场偏移以及磁滞的出现，但不包括GMR或者TMR结构的杂散场，因为杂散场不直接地与结构、装置或者系统的磁阻特性相关。因而术语固有磁特性可以按照上述说明改名为固有磁阻特性。本领域的专业人员会明白术语“高阻金属材料”。Cu或者Al显然是低阻金属材料。为了不明显影响所述第一结构的磁阻效应的大小，金属材料的电阻率要足够高。例如高阻金属材料是这样的材料，其电阻率大约在Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、Cr和W这组金属或者其任何组合的典型电阻率的范围内。
图1简要表示根据实施例、本发明的系统作为多层结构的部分。
图2表示根据实施例、本发明的系统作为具有交换偏置人造反铁磁性物质的多层结构的部分。
图3表示如何通过改变Ta层的厚度来调整作为本发明的系统的一部分的GMR结构的场偏移。Ta层将GMR结构与包括4.0CoFe/10.0IrMn/10.0 Ta(所有数字以nm为单位)层的叠层的第二结构隔离。
图4表示根据本发明的实施例、作为多层结构的具有AAF的层结构的偏移补偿的数据。
为了说明本发明，以下描述本发明的方法和装置的最佳实施例。具体地说，公开了基于基本GMR叠层的磁性多层结构的本发明的实施例。根据本专业技术人员已知的技术，这些多层结构可集成到本发明的系统中。例如，在本发明的实施例中，有可能将整个读出或数据存储系统集成在一个半导体(硅)基片上而在基片上淀积或生长多层结构。可以在制造基片的前端处理或后端处理中在基片上生长或淀积多层结构。在后端处理中，基片的一部分被平面化，并且多层结构淀积或生长于其上。通过粘合或经由各结构进行适当的连接、以便将多层结构的信号传递到基片上包含信号处理逻辑电路的部分。显然，本领域的技术人员只要不背离本发明的真实精神和仅由所附权利要求书限定的本发明的范围，可以构思和简化实施本发明其它的替代和等效实施例。
以下公开的磁性系统包括一组结构。这组结构包括第一层结构，后者至少包括第一铁磁性层和第二铁磁性层以及其间的至少一个非磁性材料隔离层，所述第一结构至少具有磁阻效应。隔离层的非磁性材料是金属。这组结构系统还包括具有至少一个磁性层的第二结构，所述第二结构影响所述第一结构的至少一种固有磁特性；并且所述第二结构通过至少一个高阻金属材料隔离层与所述第一结构隔离，而且所述隔离层还在不明显影响所述第一结构的磁阻效应的大小的同时、导致所述第二结构在所述第一结构上的主要是铁磁性的耦合。
图1简明示出作为本发明的系统的一部分的多层结构的第一实施例。图中所示为衬底(10)，其上淀积了第一铁磁性层(11)和第二铁磁性层(12)以及其间的非磁性材料的隔离层(13)。这种第一结构是具有磁阻效应的自旋阀门多层并且包含牵制磁性层(11)和自由磁性层(12)。包括牵制层(15)的第二结构通过淀积其上的高阻金属材料的隔离层(14)与这种第一结构隔离。用薄的Ta层作为高阻金属材料(14)。Ta层引起所述第二结构在所述第一结构上的主要铁磁性耦合，所述第二结构影响所述第一结构的至少一种固有磁特性，同时不明显影响所述第一结构的磁阻效应的大小。
第一层结构的第二铁磁性层、即自由磁性层经受弱耦合场、如静磁反铁磁耦合和铁磁性“桔皮”耦合。通过结合来源于第二结构中的牵制磁性层(15)的占优势的主要的铁磁性耦合、抵消了耦合效应，其中所述第二结构容许该牵制磁性层的磁化与第一牵制层的磁化反平行。
在这个实施例中，目的不是实现隔离层上的交换和静磁耦合的“镜像”，仅仅是通过Ta层上的相对的(基本上是“桔皮”)铁磁性耦合场来补偿基本GMR叠层的场偏移。通过实验发现●耦合强度对Ta层厚度的小的变化不很敏感；●另一方面，Ta层厚度的变化对基本GMR叠层的场偏移有影响(见下文)；●Ta具有相对较高的电阻率，因此不会过多地减小基本GMR叠层中的MR(磁阻)效应；●Ta将此应用所需的晶体结构(111)引入/转到上面的层(15)；Ta上的GMR效应非常小，所以它不会抵销基本GMR叠层的GMR效应。
如果交换偏置人造反铁磁体(AAF)用于基本GMR叠层的有源部分(active part)、同时单个铁磁性层用于偏移补偿子系统(见图2)，可以获得具有额外优点的实施例。在此结构中交换偏置方向相同，因而整个多层结构在淀积后仍然可通过场冷却来(重新)取向。一般对于偶数与奇数的铁磁性层的任何组合都是可能的。
图2示出交换偏置人造反铁磁体的实施例。人造反铁磁体是包括交替的铁磁性和非磁性层的层结构，这些层通过选择材料和层厚度而具有这样的交换耦合，使得在没有外部磁场的情况下铁磁性层的磁化方向是反平行的。每个铁磁性层可包括另一组铁磁性层。根据图2的实施例，在衬底(20)上随后设置以下的多层结构引入右边的材料结构、即(111)晶体结构的缓冲层(28)，在这种情况下缓冲层是3.5nm Ta/2.0 nm Ni80Fe20的叠层；第一结构(21-3)，它包括由交换偏置AAF构成的层结构，在这种情况下为10.0nmIr19Mn81/4.5nm Co90Fe10/0.8nm Ru/4.0nm Co90Fe10；CoFe/Ru/CoFe叠层用作第一铁磁性层(21)(牵制层)；已选择Ir19Mn81(交换偏置层)作为交换偏置材料，由于它阻塞温度(560K左右)高，具有优良的温度稳定性；因为AAF有非常小的净磁化强度，用AAF作为牵制层提供了优异的磁稳定性，这导致大的硬度；3.0nm Cu的隔离层(23)；0.8nm Co90Fe10/3.5nm Ni80Fe20/0.8nm Co90Fe10的自由层[第二铁磁性层(22)](薄Co90Fe10层提高GMR比率并且限制夹层的扩散、从而改善热稳定性)；并且所述多层结构还包括2.5nm Ta的高阻金属层(24)第二结构(25)，它包括由用10.0nmIr19Mn81交换偏置的4.0nm Co90Fe10构成的第二牵制层(25)；以及最后用于保护的10.0nm Ta的覆盖层(29)。
可看出，最接近自由铁磁性层的两个铁磁性层的磁化方向是相反取向的。这样，通过正确选择Ta层厚度，可以实现耦合场的抵消和从而消除磁阻特性的场偏移。然而，因为高阻Ta耦合层在多层的上部几乎没有提供GMR效应，所以没有抵销GMR效应。
此实施例的外延是选择附加层的磁化在90°到180°之间的角度下、以便同时消除场偏移和磁滞。
原则上除Ta外别的金属也可用于上述实施例，只要它具有相对较高的电阻率、不引起明显的GMR效应、并且不干扰多层的晶体结构。
本发明依据这些实施例、具有许多优点不需要交换和静磁耦合两者的精确镜像；使用高阻材料如Ta[同时可引入所需(111)晶体结构]，这个想法还可用于GMR多层(见下文)；使用AAF使之坚固，因而也适合于汽车/工业传感器应用以及读出磁头；通过使用奇数和偶数的AAF，整个多层在淀积之后仍然可重置或重新取向，例如，实现交叉各向异性或修正交换偏置。
在本发明的最佳方式的实施例中，公开了由3.5 Ta/2.0 NiFe/10.0IrMn/4.5 CoFe/0.8 Ru/4.0 CoFe/3.0 Cu/0.8 CoFe/3.5 NiFe/0.8 CoFe/2.5Ta/4.0 CoFe/10.0 IrMn/10.0 Ta(所有数值以nm为单位)组成的GMR多层结构。这种结构淀积在硅晶片衬底上。3.5nm厚的Ta层淀积在衬底上，在此Ta层上淀积了堆叠的多个层。第一结构是IrMn/CoFe/Ru/CoFe/Cu/CoFe/NiFe/CoFe叠层；第二结构是CoFe/IrMn双层结构；2.5nm Ta层是高阻金属材料隔离层。图3说明可以通过改变Ta层的厚度来调整基本GMR叠层的场偏移。图3表明依靠Ta层的厚度可以把场偏移甚至调到负值。在许多应用中，这种调整到负值的场偏移是有利的。本实施例也是本发明第五方面的例子，其中公开了磁性系统、如数据存储系统或磁特性的读出系统。此系统包括一组结构，包括第一层结构和具有至少一个磁性层的第二结构，所述第二结构通过至少高阻金属材料隔离层与所述第一结构隔离。第一结构的第一铁磁性层结构是4.5 CoFe/0.8 Ru/4.0 CoFe的叠层(具有Ru隔离层的偶数非邻接的铁磁性层)，而所述第二结构是4.0 CoFe/10.0IrMn的叠层[奇数(单层)的非邻接的铁磁性层]。第二结构还可以是CoFe/NiFe/IrMn的叠层，其中邻接的CoFe/NiFe结构被视为一个铁磁性层(非邻接的铁磁性层)。
又在本发明的另一个实施例中，公开了另一种坚固性多层结构，其中使用AAF代替单个铁磁性层作为第二结构。这种多层的实验数据、例如由3.5 Ta/2.0 NiFe/10.0 IrMn/4.5 CoFe/0.8 Ru/4.0 CoFe/3.0Cu/0.8 CoFe/5.0 NiFe/2.2 Ta/t1CoFe/0.8 Ru/t2CoFe/10.0 IrMn/10.0Ta(所有数值以nm为单位)组成，示于图4中(t1，t2＝2，2nm时的特性用----线表示；t1，t2＝4，4.5nm时的特性用＿＿表示)。
本发明的又一个实施例中，公开了施加纵向偏磁场的方法，其中除改变多层叠层以外，不需要任何额外的处理步骤。首先淀积一种层结构，在淀积这些层期间，把场相对于用来淀积第二牵制层(第二结构)的场旋转90度。一种示例结构是 (所有数值以nm为单位)具有包括高阻金属材料(Al2O3层上的3.5nm Ta层)的附加层的叠层和第二牵制层(第二结构)。Al2O3层是第一层结构和高阻金属材料隔离层之间的中间层。
本发明的实施例可被用于未来一代的磁读出头和MRAM系统。多层的叠层解决了GMR自旋阀门和TMR结构的自由层的磁特性矫顽磁场的问题。当这一层的磁矩与来自经过的磁盘的杂散场对齐时，可以实现与牵制层磁矩的反平行排列。这导致电阻的大的变化。如果自由层中存在磁矫顽力，通过引入不规律地穿过该层的磁畴壁使该层的磁化与场对齐，从而引入GMR传感器的输出失真。来自经过的磁盘的杂散场的方向平行于第一层结构的磁化方向、即淀积期间的H方向。纵向偏置场是单向的，并且用作与先有技术中使用的来自偏置永磁体或偏置导体的场一样的目的。因而，附加层用来纵向牵制GMR结构。在这种情况下自由层的矫顽力降低为零；这导致在GMR结构的输出中失真较小。
权利要求
1.一种包括一组结构的数据存储系统，它包括第一层结构，它至少包括第一铁磁性层和第二铁磁性层以及它们之间的至少一个非磁性材料隔离层，所述第一结构至少具有磁阻效应；包括至少一个磁性层的第二结构，所述第二结构影响所述第一结构的至少一种固有磁特性；并且所述第二结构通过至少一个隔离层与所述第一结构隔开，其中所述非磁性材料是金属并且所述隔离层包括高阻金属材料，而且所述隔离层在基本上不影响所述第一结构的磁阻效应的大小的同时、还导致所述第二结构在所述第一结构上的主要是铁磁性的耦合。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第二结构包括至少一层高矫顽磁性的磁性材料。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第二结构包括至少一层交换偏置材料。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第二结构包括具有与所述第一铁磁性层的磁化方向大体上反平行的磁化方向的层。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括包含至少一个磁性层的第三结构，所述第三结构影响所述第一结构的至少一种磁特性，所述第二结构至少部分地补偿所述第三结构对所述第一结构的影响。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述高阻金属材料层至少局部地在所述第二结构和/或所述第一结构上诱发结晶特征。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述高阻金属材料层是Ti、Zr、Hf、V、Nb和Ta这组材料中的一种或它们的任何组合。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述高阻金属材料层具有从单原子层直到15nm的范围内的厚度。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述高阻金属材料层是Mo、Cr和W这组材料中的一种或它们的任何组合。
10.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述高阻金属材料层是电导率在Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、Cr和W这组材料或它们的任何组合的电导率的范围内的金属聚合物。
11.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述第二结构通过至少所述高阻金属材料的所述层与所述第一结构隔离，并且有绝缘层与所述高阻金属材料的所述层邻接。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述一组结构是磁存储结构、如MRAM(磁硅兼容静态随机存取存储器)结构的一部分，最好集成在半导体衬底上。
13.一种磁特性的读出系统，所述系统包括第一层结构，它至少包括第一铁磁性层和第二铁磁性层以及它们之间的至少一个非磁性材料隔离层，所述第一结构至少具有磁阻效应；包括至少一个磁性层的第二结构，所述第二结构影响所述第一结构的至少一种固有磁特性；并且所述第二结构通过至少一个隔离层与所述第一结构隔开，其中所述非磁性材料是金属并且所述隔离层包括高阻金属材料，而且所述隔离层在基本上不影响所述第一结构的磁阻效应的大小的同时、还导致所述第二结构在所述第一结构上的主要是铁磁性的耦合。
14.一种制造磁性系统的方法，所述方法包括以下步骤设定第一层结构，它至少包括第一铁磁性层和第二铁磁性层以及其间的至少一个非磁性金属材料隔离层，所述第一结构至少具有磁阻效应；设定第二结构，所述第二结构包括至少一个磁性层或者一组层、用于影响所述第一结构的至少一种固有磁特性；以及在所述第二结构与所述第一结构之间设定至少一个高阻金属材料层，所述高阻金属材料层还在所述第二结构上至少部分地诱发结晶特征。
15.一种调整磁性系统的磁阻特性的方法，所述系统包括含有第一层结构的一组结构，所述第一层结构至少包括第一铁磁性层和第二铁磁性层以及其间的至少一个非磁性金属材料隔离层，所述第一结构至少具有所述磁阻特性，所述方法包括以下步骤在所述第一结构上设定高阻金属材料层；以及在所述高阻金属材料的所述层上设定包括至少一个磁性层的第二结构，所述第二结构所述第二结构包括至少一个磁性层或者一组层、用于影响所述第一结构的至少一种固有磁特性。
16.一种磁性系统、如数据存储系统或者磁特性的读出系统。所述系统包括一组结构，该结构包括第一层结构，它至少包括第一铁磁性层结构和第二铁磁性层以及其间的至少一个非磁性材料隔离层，所述第一结构至少具有磁阻效应；包括至少一个磁性层的第二结构，所述第二结构影响所述第一结构的至少一种固有磁特性；所述第二结构通过至少一个高阻金属材料隔离层与所述第一结构隔开，所述高阻金属材料隔离层还在基本上不影响所述第一结构的磁阻效应大小的同时、引起所述第二结构在所述第一结构上的耦合；并且其中所述第一铁磁性层结构和所述第二结构分别包括偶数或奇数的非邻接的铁磁性层和奇数或偶数的非邻接的铁磁性层。
全文摘要
在包括GMR(巨磁阻)结构的磁数据存储系统或磁性读出系统中,引入一组结构,以便影响GMR结构的固有磁特性或磁阻特性、如场偏移。这组结构通过高阻金属材料如Ta与GMR结构隔开。
文档编号H01L27/105GK1372688SQ01801187
公开日2002年10月2日 申请日期2001年2月23日 优先权日2000年3月9日
发明者K·M·H·伦森 申请人:皇家菲利浦电子有限公司