专利名称：磁性传感器的制作方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及检测磁场。更具体地说，本发明涉及用于使磁场传感器中的转换偏移减至最小的装置、系统以及方法。
背景技术：
磁场检测可用于读出存储在磁介质、如磁盘或磁带的表面的信息。磁性传感器必须实际上放在靠近磁介质的位置，以便允许检测磁存储的信息。
磁性传感器还可用于磁存储器。例如，磁随机存取存储器(MRAM)可用于存储信息。
可用于检测磁场存在与否的装置是磁隧道结传感器。基于隧道磁阻器件的磁隧道结传感器可包括自旋相关的隧道结。典型的自旋相关结包括受牵制层、感测层以及夹在受牵制层和感测层之间的绝缘隧道势垒。受牵制层具有固定的磁化取向，在相关范围内出现外加磁场时不会旋转。感测层的磁化取向可以取两个方向中的任一个。如果受牵制层和感测层的磁化为相同方向，则自旋相关的隧道结的取向称作平行。如果受牵制层与感测层的磁化为相反方向，则自旋相关的隧道结的取向称作反平行。两种稳定的取向、平行和反平行可对应于逻辑值“0”和“1”。
感测层的磁性取向一般排列成与在感测层附近感测层的最后外部磁场的方向对应的方向。外部磁场必须具有足够的磁场强度来改变感测层的取向，以便检测磁场。
磁隧道结传感器上的电阻大小随相对于受牵制层的磁性取向的感测层的磁性取向而变化。通常，如果感测层具有与受牵制层相反方向的磁性取向，则磁隧道结传感器上的电阻较大。如果感测层具有与受牵制层相同方向的磁性取向，则磁隧道结传感器上的电阻较小。因此，磁隧道结传感器上的电阻可用于检测磁场方向，因为磁场方向确定感测层相对于受牵制层的磁性取向，从而确定磁性传感器上的电阻。
磁隧道结传感器一般包括转换偏移。也就是说，将磁隧道结传感器从第一状态转换为第二状态所需的磁场强度值一般与将磁隧道结传感器从第二状态转换为第一状态所需的磁场强度值不同。转换偏移可能是由去磁磁场和奈耳(奈耳)或桔皮耦合导致的。在磁性传感器的许多不同应用中，转换偏移是不希望有的。
希望有一种检测磁场的装置和方法，它提供的转换偏移比现有磁场传感器少，而且是非易失性的并且耗电少。
发明内容
本发明包括一种检测磁场的装置和方法，它提供改善的转换偏移，而且是非易失性的并且耗电少。
本发明的一个实施例包括磁性装置。所述磁性装置包括牵制层。该实施例还包括多个铁磁层，至少一个铁磁层与牵制层相邻。分隔层与至少一个其它铁磁层相邻。感测层与隧道势垒层相邻。磁性装置包括这样形成的每个铁磁层的厚度，使得感测层和铁磁层之间的奈耳磁场与铁磁层和感测层之间的去磁磁场的方向相反。
通过以下举例说明本发明原理的结合附图的详细描述，本发明的其它方面和优点会十分明显。
图1表示磁隧道结传感器。
图2表示磁隧道结传感器的转换响应曲线。
图3表示根据本发明的一个实施例的磁隧道结传感器。
图4表示根据本发明的另一个实施例的磁隧道结传感器。
图5表示根据本发明的一个实施例的磁隧道结传感器的转换响应曲线。
图6表示根据本发明的一个实施例的MRAM存储单元阵列。
图7表示包括根据本发明的一个实施例的MRAM存储单元阵列的计算系统。
图8表示根据本发明的一个实施例的磁性传感器阵列。
图9表示包括其中含根据本发明实施例的磁性传感器的读出头的盘驱动器。
具体实施例方式
如用于说明的附图所示，本发明以检测磁场的装置、系统和方法来实现，它提供改善的灵敏度，并且是非易失性的且耗电少。
图1表示磁隧道结传感器100的一个实施例，它包括合成铁磁参考层110(受牵制层)。合成铁磁参考层110是对以前描述的受牵制层的改进，因为合成铁磁参考层110可配置成使磁隧道结传感器100的去磁磁场减至最小。
磁隧道结传感器100包括受牵制层(合成铁磁参考层)110、感测层120以及绝缘层130。
受牵制层110具有固定的净磁化取向，在相关范围内出现外加磁场时不会旋转。受牵制层110包括第一受牵制层112和第二受牵制层114。分隔层116位于第一受牵制层112和第二受牵制层114之间。第一受牵制层112包括磁化强度M1A，第二受牵制层114包括磁化强度M1B。受牵制层110的净磁化强度一般可由磁化向量M1A和M1B之和来表示。如图1所示，第一层112的磁化强度M1A与第二层114的磁化强度M1B方向相反。因此，它们的磁矩往往相互抵消。但是，一般来说，磁化向量其中之一大于另一个，参考层具有净磁矩。
牵制层140帮助固定受牵制层110。反铁磁牵制层140可固定受牵制层110的磁性取向。反铁磁牵制层提供大的交换磁场，它将受牵制层的磁化保持在一个方向。这种顶部受牵制结构包括基础受牵制层110(都在势垒层之上)，用作反铁磁牵制层140的籽晶层。
感测层120的磁化M2能够取两个方向中任一个。感测层120的第一磁化取向与受牵制层110的固定磁化方向相同。感测层120的第二磁化取向与受牵制层110的固定磁化方向相反。
感测层120的磁性取向一般对准与在感测层120附近感测层120的最后外部磁场的方向对应的方向。外部磁场必须具有足够的磁场强度来改变感测层120的取向，以便检测磁场。
磁隧道结传感器100上的电阻大小随相对于受牵制层110的磁性取向的感测层120的磁性取向而改变。通常，如果感测层120具有与受牵制层110相反方向的磁性取向，则磁隧道结传感器100上的电阻较大。如果感测层120具有与受牵制层110相同方向的磁性取向，则磁隧道结传感器100上的电阻较小。因此，磁隧道结传感器100上的电阻可用于检测磁场方向，因为磁场方向确定感测层120相对于受牵制层110的磁性取向，从而确定磁性传感器100上的电阻。
图2表示磁隧道结传感器的转换响应曲线。该曲线描述将磁隧道结的逻辑状态从一种状态转换到另一种状态所需的磁场强度。例如，施加超过阈值Hc的正磁场时，逻辑状态可以从0状态变为1状态。施加负磁场阈值-Hc时，逻辑状态可从1状态变为0状态。如图2所示，正磁场阈值Hc和负磁场阈值-Hc可能都包括偏移Hoff。由于存在偏移Hoff，因此，将磁隧道结转换到一种状态比将磁隧道结转换到另一种状态需要更大的磁场强度。偏移Hoff是不希望有的，因为一个转换方向中的噪声容限小于另一个转换方向中的噪声容限。另外，在磁隧道结阵列中，偏移Hoff可能在不同的隧道结中是不同的。这是不希望的，因为不仅各磁隧道结的各方向的噪声阈值不同，而且它们在不同磁隧道结中也不同。
图3表示本发明的一个实施例。这个实施例包括磁性装置300，它可以是磁性传感器或磁存储单元。这个实施例包括牵制层310。这个实施例还包括多个铁磁受牵制层322、324、326，它们构成受牵制层320。至少一个铁磁受牵制层322与牵制层310相邻。隧道势垒层340与至少一个其它铁磁受牵制层326相邻。感测层330与隧道势垒层340相邻。形成各个铁磁受牵制层322、324、326的厚度，使得感测层380和铁磁受牵制层322、324、326之间的奈耳磁场384与铁磁受牵制层322、324、326和感测层380之间的去磁磁场(Hdemag)方向相反。
转换偏移如上所述，转换偏移在磁隧道结传感器和存储单元中是不需要的，因为转换偏移使磁性装置不对称地转换磁性状态。也就是说，将磁性装置转换到一种状态所需的磁场强度值大于将磁性装置转换到另一种状态所需的磁场强度值。
如上所述，转换偏移使一个转换方向中的噪声容限不同于另一个转换方向中的噪声容限。
转换偏移可能至少部分是磁性装置的参考层和感测层之间形成的去磁磁场的结果。
转换偏移可能至少部分是磁性装置的参考层和感测层之间形成的奈耳耦合磁场的结果。
通过控制铁磁受牵制层的厚度以及通过控制铁磁受牵制层的磁化，可以控制去磁磁场引起的偏移的方向和奈耳耦合磁场引起的偏移的方向。
去磁磁场去磁磁场又称作形状各向异性，它是由于装置的有限形状而在磁性装置边缘的磁极所引起的。对于包括具有相反磁化方向的铁磁层的合成铁磁层，净去磁磁场大致可等于各层的向量和。也就是说，受牵制层的磁化强度M1一般可通过对各受牵制层的磁化强度M1A、M1B、...、M1N求和来估算。
去磁磁场将偏移引入转换曲线或磁性装置。偏移量取决于去磁磁场的大小。去磁偏移可通过执行磁性装置几何的微磁模拟来计算。转换偏移量主要受各磁层的尺寸、形状以及厚度的影响。更准确地说，各层的边缘影响转换偏移量。
奈耳耦合磁场一般来说，奈耳耦合可通过受牵制层引入感测层。更具体地说，奈耳耦合可由感测层和受牵制层的表面附近产生的磁极所引起。磁极通常由感测层和受牵制层表面和接触面的粗糙度和其它特征而产生。
对于图3所示的实施例，所产生的奈耳磁场与相邻受牵制层326的磁化方向相同。奈耳耦合在磁性装置的转换曲线中引入偏移。奈耳耦合的偏移作用是加还是减，取决于最近受牵制层的磁化方向。
奈耳耦合偏移量可通过下式来估算HN=((Π2h2)/(λTs2))Mse-((Πtb22)/λ)]]>其中tb是势垒厚度，λ是粗糙度波长，h是接触面的粗糙度，ts是感测层的厚度，以及Ms是感测层的饱和磁化。此式的变量可经过调整以控制奈耳耦合的大小，从而控制由奈耳耦合引入的转换偏移。
图3的实施例可包括所形成的各铁磁层的厚度，使铁磁受牵制层和感测层之间的去磁磁场基本上抵消了感测层和铁磁受牵制层之间的奈耳磁场的作用。通过配置成抵消去磁磁场和奈耳耦合的作用的实施例，可使装置的转换偏移减到最小。
应当指出，存在对磁性装置的各向异性的其它较小作用，它们会对磁性装置的转换偏移带来较小影响。例如，应力和磁晶各向异性影响会产生额外的转换偏移。这些影响一般较小。但是，这样影响可通过在设计磁性装置时加以考虑而减到最小。
本发明的一个实施例包括由奇数个铁磁受牵制层组成的多个铁磁层。稍后说明包括奇数个铁磁受牵制层的实施例。
隧道势垒层130可更一般地标为分隔层。分隔层可包括隧道势垒层130，或者分隔层可包括金属层。
本发明的一个实施例包括与牵制层相邻、比其它任何铁磁层更厚的铁磁层。如上所述，牵制层310可固定受牵制层的磁性取向。反铁磁牵制层310提供大的交换磁场，它将受牵制层的磁化保持在一个方向。
本发明的一个实施例包括铁磁层的磁矩，它从一个铁磁层到下一个铁磁层旋转方向，磁矩的总和处于与感测层和铁磁层之间的奈耳磁场相反的方向。
参考受牵制层322、324、326和感测层330可由铁磁材料制成。
如果磁隧道结传感器300的感测层330和参考层320的磁化在相同方向，则磁隧道结传感器的取向可称作“平行”。如果磁隧道结传感器的感测层330和参考层320的磁化处于相反方向，则磁隧道结传感器的取向可称作“反平行”。两种取向、即平行和反平行可对应于磁性传感器的低阻或高阻状态。
绝缘隧道势垒340允许量子力学隧道效应出现在受牵制层320(更准确地说是第N受牵制层326)和感测层330之间。隧道效应是电子自旋相关的，使磁隧道结传感器的电阻随参考层320(同样更准确地说，是第N受牵制层326)和感测层330的磁化方向的相对取向而定。磁场存在与否可通过建立参考层320和感测层330的磁化取向来检测。
如果磁隧道结传感器300的磁化取向为平行，则磁隧道结传感器300的电阻是第一值(R)，如果磁化取向为反平行，则电阻是第二值(R+Δ)。但是，本发明不限于两层的磁化取向或者仅限为两层。
绝缘隧道势垒340可由氧化铝、二氧化硅、氧化钽、氮化硅、氮化铝或氧化镁制成。但是，其它电介质和某些半导体材料也可用于绝缘隧道势垒340。绝缘隧道势垒340的厚度范围在大约0.5纳米至大约3纳米之间。但是，本发明不限于这个范围。
感测层330可由铁磁材料制成。参考层可以合成铁氧磁材料(SF)、也称作人造反铁磁体来实现。合成铁氧磁材料可包括铁磁受牵制层。
隧道结传感器300的感测层330一般对准与外加磁场的方向对应的方向。
如上所述，磁隧道结传感器300上的电阻直接取决于相对于参考(受牵制)层320的磁化取向的感测层330的磁化取向。
本实施例的参考(受牵制)层320包括合成铁磁结构受牵制层。也就是说，受牵制层320包括第一铁磁受牵制层322、第二铁磁受牵制层324以及第三铁磁受牵制层326(图3中该层表示为第N受牵制层)。第一铁磁受牵制层322和第二铁磁受牵制层324由非磁性分隔层323分隔。第二铁磁受牵制层324和第N铁磁受牵制层326由非磁性分隔层325分隔。
铁磁层322、324、326可由诸如CoFe、NiFe或Co之类的材料制成。分隔层323、325可由诸如Ru、Re、Rh或Cu之类的非导磁材料制成。
各铁磁受牵制层322、324、326之间存在较强的层间交换耦合。这个耦合的大小和符号(即耦合为正还是为负)随分隔层323、325的厚度和材料以及铁磁受牵制层323、324、326的厚度和材料而定。例如，如果第一铁磁受牵制层323的磁化方向反平行于第二铁磁受牵制层324的磁化方向，则耦合为负。如果第一铁磁受牵制层322的磁化方向平行于第二铁磁受牵制层的磁化方向，则耦合为正。
第一铁磁层322的矫顽力可以略微不同于第二铁磁层324的矫顽力。例如，第一铁磁层322的矫顽力可约为10Oe，第二铁磁层324的矫顽力可约为50Oe。
感测层330的矫顽力一般明显小于铁磁受牵制层322、324、326的矫顽力。感测层330和铁磁受牵制层322、324、326的矫顽力应当经过选择，使得磁隧道结传感器300进行的磁场检测仅影响感测层330的磁性取向，但不影响铁磁受牵制层322、324、326的磁性取向。
由于第一铁磁受牵制层322的磁化取向与第二铁磁受牵制层324方向相反，因此它们的磁矩往往相互抵消。第一铁磁受牵制层322的磁化取向与第N铁磁受牵制层326方向相同。因此，它们的磁矩往往彼此相加。
分隔层323、325的厚度可以在大约0.2纳米与2纳米之间。
各铁磁受牵制层322、324、326包括具有一定磁场强度的磁化向量。一般来说，各铁磁受牵制层322、324、326的磁场强度取决于铁磁受牵制层322、324、326的厚度。
在第一铁磁受牵制层322中描绘的向量大于在第二铁磁受牵制层324中描绘的向量。向量长度表示第一铁磁受牵制层322的磁化强度和第二铁磁受牵制层324的磁化强度。如上所述，表示第一铁磁受牵制层322的磁化强度的向量大于表示第二铁磁受牵制层324的向量。
一般来说，磁化大小取决于铁磁层的厚度。对于图3的实施例，第一铁磁受牵制层322的厚度大于第二铁磁受牵制层324的厚度。因此，第一铁磁层322的磁化大于第二铁磁层324的磁化。
第一铁磁层322、第二铁磁层324、第三铁磁层326以及分隔层323、325的可能厚度和材料类型的示例如下。
图4表示根据本发明的一个实施例的另一个磁性装置400。本实施例包括受牵制层420，它包括三个铁磁层(受牵制层)422、424、426。各铁磁受牵制层422、424、426包括磁矩M1A、M1B、M1C。
在受牵制层420和感测层430之间产生去磁磁场。去磁磁场的方向由受牵制层422、424、426的磁矩方向来确定。去磁磁场引入的偏移的方向取决于去磁磁场的方向。如上所述，去磁磁场的方向取决于受牵制层422、424、426的磁矩M1A、M1B、M1C。磁矩取决于受牵制层422、424、426的矫顽力以及受牵制层422、424、426的厚度。
图4所示磁隧道结400的奇数(更准确地说是三个)受牵制层422、424、426提供一种用于提供去磁磁场和奈耳耦合磁场产生的转换偏移的抵消的便捷结构。去磁磁场自然以与奈耳耦合磁场相反的方向形成。如上所述，让靠近牵制层310的受牵制层422成为最厚的受牵制层可能是有利的。
在第三受牵制层426和感测层430之间产生奈耳耦合磁场。奈耳耦合磁场的方向取决于第三铁磁受牵制层426的磁矩方向。奈耳耦合磁场的大小取决于磁性传感器400的参数，如上所述。
绝缘隧道势垒440允许在感测层430和第三铁磁受牵制层326之间出现量子力学隧道效应。隧道效应是电子自旋相关的，使磁隧道结装置400的电阻随感测层430和第三铁磁层426的磁化方向的相对取向而定。
磁场存在与否可通过建立感测层430和第三铁磁受牵制层426的磁化取向来检测。更具体地说，可检测磁隧道结400上的电阻，以确定感测层430的磁性取向。
图5表示根据本发明的一个实施例的磁隧道结传感器的转换响应曲线。在此曲线中不存在上述偏移Hoff，因为各受牵制层的厚度以及受牵制层的数量经过选择，使去磁磁场产生的转换偏移包括奈耳耦合磁场产生的转换偏移的负值。去磁磁场抵消奈耳耦合磁场的转换偏移影响。
图6表示根据本发明的一个实施例的MRAM存储单元阵列。本实施例包括根据上述实施例的存储(MRAM)单元阵列610。本实施例还包括行解码器620、列解码器630及相关读出放大器640。行解码器620通过字线(WL)选择MRAM单元阵列610中的一行。列解码器630通过位线(BL)选择MRAM单元阵列610中的一列。一般来说，读出放大器640可连接到位线。读出放大器640提供对存储单元的状态的检测。
图7表示包括根据本发明实施例的MRAM存储单元阵列的计算系统。计算系统包括访问如图6所示的MRAM单元阵列610的中央处理器710。
图8表示根据本发明的一个实施例的磁性传感器阵列。磁场检测传感器810的阵列包括根据本发明的实施例、按照某种模式放置的磁场检测传感器。
磁性传感器阵列提供各种强度的磁场的检测和读出。也就是说，外部磁场的检测将磁性传感器设置为各种阻态。通过将传感器阵列预先置于第一磁场中，后续磁场会改变全部或部分传感器的状态，取决于后续磁场的强度及方向。
图9表示包括含有根据本发明实施例的磁性传感器的读出头910的磁盘驱动器920。读出头910可包括根据本发明的一个实施例的磁场传感器930。一般来说，磁盘驱动器920包括其中含有存储在盘表面942的信息的磁盘940。磁场检测传感器930检测存储在磁盘940的表面942上的信息。
虽然已经描述及说明了本发明的特定实施例，但本发明不限于所述和所说明的各部分的特定形式或布置。本发明仅由所附权利要求书来限定。
权利要求
1.一种磁性装置[300]，包括牵制层[310]；多个铁磁层[322、324、326]，所述铁磁层中至少一个[322]与所述牵制层[310]相邻；分隔层[340]，与至少一个其它所述铁磁层[326]相邻；感测层[330]，与所述分隔层[340]相邻；其中形成所述铁磁层[322、324、326]中每个的厚度，使得所述感测层[330]和所述铁磁层[322、324、326]之间的奈耳磁场与所述铁磁层[322、324、326]和所述感测层[330]之间的去磁磁场方向相反。
2.如权利要求1所述的磁性装置，其特征在于，形成所述铁磁层[322、324、326]中每个的厚度，使得所述铁磁层[322、324、326]和所述感测层[330]之间的去磁磁场充分抵消所述感测层[330]和所述铁磁层[322、324、326]之间的奈耳磁场的影响。
3.如权利要求1所述的磁性装置，其特征在于，形成所述铁磁层[322、324、326]中每个的厚度，使得所述铁磁层[322、324、326]和所述感测层[330]之间的去磁磁场使所述磁场检测传感器[300]的转换偏移减到最小。
4.如权利要求1所述的磁性装置，其特征在于，所述多个铁磁层[322、324、326]包括奇数个铁磁层。
5.如权利要求1所述的磁性装置，其特征在于，所述分隔层[340]包括金属层。
6.如权利要求1所述的磁性装置，其特征在于，所述分隔层[340]包括隧道势垒层。
7.如权利要求6所述的磁性装置，其特征在于，与所述牵制层[310]相邻的所述至少一个铁磁层[322]的磁性取向与所述感测层[330]和所述铁磁层[322、324、326]之间的奈耳磁场方向相同。
8.如权利要求7所述的磁性装置，其特征在于，与所述牵制层[310]相邻的所述至少一个铁磁层[322]比所述多个铁磁层中其它任何一层更厚。
9.如权利要求8所述的磁性装置，其特征在于，所述多个铁磁层[322、324、326]包括三个铁磁层，各铁磁层具有磁矩。
10.如权利要求9所述的磁性装置，其特征在于，所述铁磁层[322、324、326]的所述磁矩从一个铁磁层到下一个铁磁层旋转方向，所述磁矩之和与所述感测层[330]和所述铁磁层之间的所述奈耳磁场方向相反。
全文摘要
本发明包括磁性装置[300]。磁性装置[300]包括牵制层[310]。实施例还包括多个铁磁层[322、324、326]，至少一个铁磁层与牵制层[310]相邻。分隔层[340]与至少另一个铁磁层相邻。感测层[330]与分隔层[340]相邻。磁性装置包括所形成的各铁磁层[322、324、326]的厚度，使是感测层[330]和铁磁层[322、324、326]之间的奈耳磁场与铁磁层[322、324、326]和感测层[330]之间的去磁磁场方向相反。
文档编号H01L21/8246GK1534678SQ200310123920
公开日2004年10月6日 申请日期2003年12月18日 优先权日2003年3月18日
发明者M·沙马, M 沙马 申请人:惠普开发有限公司