专利名称：反铁磁/铁磁交换耦合结构垂直磁偏置异常磁电阻传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁电阻(magnetoresistive)传感器，更特别地涉及一种基于异常磁电阻(EMR)的传感器。
背景技术：
基于异常磁电阻(EMR)的磁电阻传感器已经被建议作为用于磁记录硬盘驱动器的读取头(read-head)传感器。因为EMR传感器中的有源区是由非磁性半导体材料形成的，EMR传感器不会遇到磁噪声的问题，所述磁噪声问题存在于基于巨磁电阻(GMR)和隧道磁电阻(tunneling magnetoresistanceTMR)的读取头传感器中，这两种传感器在它们的有源区中都使用了磁性膜。
EMR包括与有源区的一侧接触的一对电压引线和一对电流引线、以及与有源区的另一侧接触的导电分路。没有施加磁场时，经过电流引线的传感电流(sense current)进入半导体有源区并经过分路而分流。当存在施加的磁场时，电流从分路偏离，主要流过半导体有源区。通过电压引线检测施加的磁场导致的电阻变化。T.Zhou等人发表在应用物理快报(Appl.Phys.Lett.)2001年1月29日第78卷第5期第667-669页的文章“Extraordinarymagnetoresistance in externallY shunted van der Pauw plates”中描述了EMR。S.A.Solin等人发表在应用物理快报(Appl.Phys.Lett.)2002年5月27日第80卷第21期第4012-4014页的文章“Nonmagnetic semiconductors asread-head sensors for ultra-high-density magnetic recording”中说明了用于读取头应用的EMR传感器。
EMR传感器的问题之一是它的磁电阻近似为施加的磁场的二次函数。因此在来自所记录的磁介质的小磁场面前，磁电阻响应较小而且是非线性的。有人建议通过电压引线的位置不对称来实现EMR传感器的偏置。也有人建议通过使用单铁磁层对传感器施加垂直磁场来实现EMR传感器的偏置，如美国专利6,714,374中所说明的。
需要具有改进的磁场偏置的EMR传感器，使得在施加的小的磁场中传感器具有更高的磁电阻并且对施加的磁场的有更线性的响应。
发明内容
本发明是一种EMR传感器，其使用反铁磁/铁磁交换耦合双层结构来为传感器提供垂直磁偏置。双层结构中的铁磁层具有垂直磁各向异性并被反铁磁层交换偏置。反铁磁/铁磁双层结构位于EMR有源膜的顶部，并提供垂直于有源膜平面的磁场来偏置EMR传感器的磁电阻对磁场的响应。
铁磁层可由能够以其磁化方向可基本垂直于层平面而定向的方式来制备的铁磁材料或多层形成。可通过选择具有内在实质上离面(out-of-plane)的磁各向异性的铁磁材料来实现磁化基本垂直于平面。反铁磁层可由任何已知的锰合金形成，例如PtMn、NiMn、FeMn、IrMn、PdMn、PtPdMn和RhMn，或由任何绝缘反铁磁材料形成，例如那些基于钴氧化物和镍氧化物的反铁磁材料。双层结构中铁磁层或者反铁磁层可以是下层。扩散阻挡层(diffusionbarrier)可位于EMR有源膜和反铁磁/铁磁交换耦合双层之间。
为了更全面地理解本发明的本质和优点，应该参考下面结合附图的详细描述。
图1是现有技术EMR传感器的立体图。
图2是图1的现有技术EMR传感器通过EMR有源膜截面的俯视示意图，示出该传感器的基本操作。
图3A是具有对称电流和电压引线的现有技术EMR传感器的理论上的磁电阻对磁场的响应。
图3B是具有不对称电流和电压引线的现有技术EMR传感器的理论上的磁电阻对磁场的响应。
图4是依照本发明的EMR传感器的立体图。
具体实施例方式
<现有技术>
图1是现有技术EMR传感器10的立体图。EMR传感器10包括形成在半导体衬底12例如GaAs上的III-V异质结构20。但是，本发明中所述的EMR传感器并不局限于III-V半导体材料。例如，它也可以形成在硅的基础上。异质结构20包括具有第一带隙(band-gap)的半导体材料的第一层22、形成在第一层22顶部并具有比第一带隙更小的第二带隙的半导体材料的第二层30、以及形成在第二层30顶部并具有比第二带隙更大的第三带隙的半导体材料的第三层24。第一和第三层22、24中的材料可以相似或者相同。第一、第二和第三半导体材料层因其不同材料的不同带隙而产生能量势阱(量子阱)。因此载流子被限制在层30中，层30被视为传感器10中的EMR有源膜。
通常第一层22形成在缓冲层26上面，缓冲层26可以是一层或更多层。缓冲层26包括数个周期的超晶格(superlattice)结构，用来防止衬底中存在的杂质迁移到功能层(functional layer)22、24和30中。另外，缓冲层26选择为适应衬底12和异质结构20的功能层的通常不同的晶格常数，因此在衬底和功能层之间起到应力释放层的作用。
一个或更多掺杂层被结合进第一层22、第三层24、或者22和24两层的半导体材料中，并且与第二和第三半导体材料的边界分离开。掺杂层为量子阱提供电子(如果n掺杂)或空穴(如果p掺杂)。电子或空穴分别以二维电子气或空穴气(hole-gas)的形式聚集在量子阱中。
如前面引用的参考文献所描述的，层22/30/24可以是生长在半绝缘砷化镓(GaAs)衬底12上的Al0.09In0.91Sb/InSb/Al0.09In0.91Sb异质结构，在该异质结构和衬底之间具有缓冲层26。InSb是窄带隙半导体。窄带隙半导体通常表现出具有较高的电子迁移率，因为其有效电子质量(electron mass)被大大减小。典型的窄带隙材料是InSb和InAs。例如，InSb和InAs的室温电子迁移率分别是70,000cm2/Vs和35,000cm2/Vs。
形成在缓冲层26上的底Al0.09In0.91Sb层22的厚度在大约1-3微米的范围，并且顶Al0.09In0.91Sb层24的厚度在大约10到1000nm的范围，通常为50nm。结合进层22或24之中的掺杂层的厚度从一个单层(monolayer)(delta-doped layerσ掺杂层)到10nm。掺杂层与第一和第二或第二和第三半导体材料的InSb/Al0.09In0.91Sb边界间隔10-300的距离。因为通常电子比空穴具有更高的迁移率，因此N型掺杂是优选的。通常N型掺杂剂是浓度范围为1-1019/cm3的硅。异质结构20的沉积工艺优选为分子束外延，但是也可使用其他外延生长方法。
在异质结构20上形成盖层(capping layer)40来防止器件被腐蚀。盖层可以由绝缘材料例如铝或硅的氧化物或氮化物(例如Si3N4，Al2O3)或由非腐蚀性半绝缘半导体形成。
在EMR结构20的一侧上构图两个电流引线50，52和两个电压引线60，62，使得它们与量子阱电接触。在EMR结构20的对着电流和电压引线的侧面上构图金属分路70，使得其与量子阱电接触。箭头示出施加的磁场也就是将被感测的磁场，其与EMR结构20中的膜平面正交。引线通常包括金属接触，例如扩散到器件中的Au、AuGe或Ge。通常在形成盖层40后形成引线，有时候在除去一些盖层材料之后。
图2是EMR传感器通过有源膜30截面的俯视示意图，说明了传感器的基本运行方式。在没有施加的磁场H时，通过引线50、52的传感电流进入半导体有源膜30并通过分路70被分流，如线80所示。当存在施加的磁场H时，如图2中的箭尾所示进入页面，电流从分路70偏移，主要经过半导体有源膜30，如线条82所示。通过电压引线60、62探测到施加的磁场导致的电阻变化。
现有技术EMR传感器10的问题之一是它的磁电阻[(R-Rmin)/Rmin]近似为施加的磁场的二次函数。因此，对于所关心的范围内的施加的磁场，也就是来自记录的磁介质的小磁场，磁电阻响应小并且是非线性的。图3A中具有对称电流和电压引线的EMR传感器的理论的磁电阻对磁场的响应示出了这一点，该EMR传感器和图1-2以及和图3A里的插图所示出的一样。
有人建议通过电压引线位置不对称来实现EMR传感器的偏置，如图3B中插图所示。图3B示出包括不对称电压引线的EMR传感器的理论的磁电阻对磁场的响应。在施加的磁场为零时图3B中的传感器比图3A中的传感器具有更高的磁电阻和更线性的响应。
也有人建议通过使用单铁磁层对传感器施加一垂直磁场来实现EMR传感器的偏置，如美国专利6,714,374中所说明的。
<本发明>
本发明的EMR传感器包含铁磁材料层，其利用反铁磁层被垂直于层的平面地交换偏置并且位于EMR膜结构之上。该反铁磁/铁磁(AF/F)双层结构提供偏置EMR传感器的磁电阻对磁场响应的磁场。美国专利6,650,513中说明了AF/F结构中具有矫顽力增强和磁滞回线位移(hysteresis loop-shift)的垂直于平面的交换偏置(exchange-biasing)，对于该AF/F结构，铁磁层具有离面(out-of-plane)的铁磁性易轴(easy axis)。垂直交换偏置的大小和在类似的AF/F结构中发现的相当，对于该类似的AF/F结构，铁磁层在层的平面内被交换偏置。
图4是根据本发明的EMR传感器的立体图。该EMR传感器110和现有技术传感器10相似处在于，具有形成在半导体衬底112上的量子阱膜结构120，该量子阱膜结构120包括第一半导体层122、第二半导体且EMR有源层130和第三半导体层124以及缓冲层126。两个电流引线150、152和两个电压引线160、162与EMR有源膜130电接触并且金属分路170与EMR有源膜130在对着电流和电压引线的侧上电接触。箭头示出施加的磁场H，也就是将要被感测的磁场，并且该磁场垂直于EMR结构120中膜的平面。盖层140在传感器110之上。
EMR传感器110也包括衬底120上的铁磁层180。图4所示的优选实施例中EMR结构120位于衬底112和铁磁层180之间。铁磁层180具有垂直磁各向异性和垂直于EMR有源膜130的平面定向的垂直平面(out-of-plane)磁矩181。源自铁磁层180的磁矩181是偏置磁场，EMR有源膜130暴露于该偏置磁场。这使磁电阻对磁场的响应曲线平移，使得在零施加的磁场时传感器110具有更高的磁电阻和更线性的响应。提供偏置磁场的铁磁层180被反铁磁层190交换偏置。
垂直于其平面而磁化的铁磁层所产生的磁场H可以用厚度为t，长度为L的均匀磁化的正方块(square block)的磁场来近似。如果起点(origin)在正方块的上表面，磁场H沿着垂直于层的Y轴方向表示为H=4Msarctan(q2-q11+q1q2),]]>其中q2=4(y+t)L12+(y+tL)2]]>并且q1=4yL12+(yL)2]]>并且y是沿着Y轴的距离。作为例子，对于垂直于其平面磁化、磁化强度MS约为1400emu/cm3、长度L＝100nm、厚度t＝10nm的Co层，在y＝10nm处磁场H大约为1400Oe。
用于铁磁偏置层180的材料可以是任何可用于垂直磁记录的铁磁材料，包括FePt、化学有序L10相的CoPt或(FeCo)Pt合金、CoCrPt合金以及Co/Pd、Co/Pt、Fe/Pd和Fe/Pt多层。以各向异性轴显著垂直于平面(out-of-plane)的方式制备铁磁层，使得它被视为具有“垂直”磁各向异性。这些合金和多层也可以用另外的元素掺杂。例如，CoCrPtX合金被建议用于垂直记录，其中X＝B、Nb和Ta是常见的掺杂剂。类似的，Co/Pd和Co/Pt多层中的Co层通常包括元素Y，使得Co是Co-Y合金，其中Y＝B、Ta、Cr、O、Cu、Ag、Pt、Pd。其它合适的铁磁材料是铁氧体，例如钴铁氧体或镍铁氧体。这些铁氧体的优点是他们是绝缘的，因此不需要使用绝缘层来分隔EMR异质结构和铁磁偏置层180。
反铁磁层190可以是充分厚的Mn合金层(PtMn、NiMn、FeMn、IrMn、PdMn、PtPdMn或RhMn)。PtMn层要厚于约100从而在退火后成为化学有序和反铁磁的，而当IrMn层厚于约40时则它沉积时就是反铁磁性的。这些反铁磁Mn合金也可包括少量附加元素，例如Cr、V、Pt、Pd和Ni，通常增加它们用来提高抗腐蚀性或增加电阻。因为这些反铁磁材料是金属的，由诸如由钴氧化物、镍氧化物以及钴和镍合金的氧化物形成的已知的反铁磁材料的电绝缘材料形成反铁磁层190会是所希望的。
铁磁层180具有本征矫顽力HC0。当它和反铁磁层190交换耦合，它的矫顽力增强到HC＞HC0，并且它的M-H回线将被交换场HE平移。根据下式，交换场HE由铁磁层180和反铁磁层190之间的磁耦合强度JA、以及铁磁层180的厚度tF和磁化强度MF决定HE＝JA/MFtF。
因此，当EMR传感器110意图用于磁记录读取头时，值(HE+HC)必须比来自磁介质上的磁转变(magnetic transition)的磁场即通常在+/-200到+/-500Oe范围的感测磁场大，但低于翻转磁介质的位(bits)所需要的磁场。比来自磁转变的磁场大的(HE+HC)值保证当暴露于施加的磁场时，铁磁层180的磁矩181不翻转(switch)。因此，由于可较大的交换偏置场HE，铁磁层180的本征矫顽力HC0能相对较低。这允许铁磁层180的材料和厚度的选择范围更宽。例如，使用[Co(0.7nm)/Pt(0.5nm)]3多层作为铁磁层180，并用15nm厚PtMn层作为反铁磁层190，产生大约200Oe的HE和大约450Oe的HC。[Co(0.7nm)/Pt(0.5nm)]3多层具有大约100Oe的相对较低的本征矫顽力HC0，这甚至比感测场(sensing field)还低。
上面例子中的[Co(0.7nm)/Pt(0.5nm)]3多层是表现出本征的垂直于平面的磁各向异性的Co/Pt、Co/Pd、Fe/Pt以及Fe/Pd的组中的一种。这些多层在本发明中特别有用，因为它们可以在较宽范围的矫顽力和有效磁化强度内制备，甚至当在室温或低温沉积时。这些多层的高可调性(tunability)归因于Co和Fe的大磁矩及Pt或Pd的小的多的感生磁矩(induced moment)，以及Fe或Co层通过Pt或Pd的高铁磁性耦合(ferromagnetic coupling)。另外，这些多层的M-H回线有高矩形度(high squareness)，也就是，剩磁对饱和磁矩的比值接近为1。
EMR传感器10可以作为一种选择在EMR结构120和铁磁层180之间包括扩散阻挡层(diffusion barrier)182。用于扩散阻挡层182的合适材料包括铝和硅的氧化物和氮化物，例如，Al2O3、SiO2和Si3N4。
图4中，反铁磁/铁磁双层180/190被描述为反铁磁层190在铁磁层180的上面。但是，反铁磁层190也可位于铁磁层180的下面。这种排列中如果反铁磁层190是电绝缘的，可不需要扩散阻挡层182。
以下面的方式制造EMR传感器110。在半绝缘衬底上生长如前所述的异质结构。通过反应离子刻蚀或离子研磨来刻蚀出定义所要制造的EMR传感器的形状的平台(mesa)。然后例如通过使用例如金属圆点掩模(shadowmask)来沉积引线150、152、160、162和分路170。接着，在平台、引线和分路上沉积绝缘材料例如氧化铝来作为扩散阻挡层182。然后平坦化该结构，例如通过化学机械抛光(CMP)。通过溅射、离子束沉积、蒸镀、分子化学气相沉积(MOCVD)或这些工艺的组合，在平坦化了的表面上沉积铁磁层180和反铁磁层190。然后通过RIE或离子研磨部分地除去铁磁层180和反铁磁层190，使得只有这些层的直接在EMR平台结构之上的、特别是在EMR有源区之上的部分保留下来。如果层190使用如PtMn或NiMn的化学有序反铁磁物质，那么将该结构在方向垂直于层平面的磁场中退火。合金化学地有序化并经历顺磁到反铁磁的相变。冷却到低于反铁磁物质的阻挡温度(blocking temperature)后，也就是铁磁层180和反铁磁层190之间产生交换耦合的温度，反铁磁层190设置并固定位铁磁层180的磁化方向181。另一选择是在更高温度下沉积铁磁层180和反铁磁层190，使得在沉积期间已经诱导反铁磁层190中的化学有序。然后在方向垂直于层平面的磁场中将该结构从沉积温度冷却经过阻挡温度。如果层190使用如IrMn或FeMn的化学无序的反铁磁物质，那么就不需要退火。在方向垂直于层平面的磁场中沉积铁磁层180和反铁磁层190就完全足够了。然而，沉积后在方向垂直于层平面的磁场中的沉积后(post-deposition)退火会是可取的，因为这可以增加偏置场HE。
尽管已经参考优选实施例特别地示出并说明了本发明，本领域技术人员应理解，在不偏离本发明的思想和范围的情况下，可以进行各种形式和细节上的变化。因此，这里所公开的发明应视为说明性的并限制在所附权利要求所限定的范围。
权利要求
1.一种异常磁电阻传感器，包括半导体衬底；在所述衬底上的EMR有源膜，该有源膜包括对大体垂直于该有源膜的磁场作出响应的非磁半导体材料；与所述有源膜接触的导电分路；与所述有源膜接触的一对电流引线；与所述有源膜接触的一对电压引线；所述衬底上的铁磁层，其磁矩取向大体垂直于所述铁磁层和有源膜的平面；以及与所述铁磁层接触的反铁磁层，所述铁磁层的磁矩被该反铁磁层垂直地偏置。
2.如权利要求1所述的传感器，其中所述铁磁层的材料选自包括钴-铂-铬合金、铁-铂合金、一个或更多钴-铂双层、一个或更多钴-钯双层、一个或更多铁-铂双层以及一个或更多铁-钯双层的组。
3.如权利要求2所述的传感器，其中所述铁磁层的材料是从包括Co/Pt、Co/Pd、Fe/Pt和Fe/Pd多层的组中选择的多层。
4.如权利要求1所述的传感器，其中所述铁磁层的材料选自包括(a)一个或更多Co-Y合金和Pt的双层以及(b)一个或更多Co-Y合金和Pd的双层的组，其中Y选自包括B、Ta、Cr、O、Cu、Ag、Pt和Pd的组。
5.如权利要求1所述的传感器，其中所述铁磁层的材料是从包括FePt、CoPt和(FeCo)Pt的组中选择的材料的化学有序L10相。
6.如权利要求1所述的传感器，其中所述铁磁层的材料是电绝缘铁氧体。
7.如权利要求1所述的传感器，其中所述铁磁层位于所述EMR有源膜和所述反铁磁层之间。
8.如权利要求1所述的传感器，其中所述反铁磁层位于所述EMR有源膜和所述铁磁层之间。
9.如权利要求1所述的传感器，其中所述EMR有源膜位于所述衬底和所述铁磁层之间。
10.如权利要求1所述的传感器，其中所述反铁磁层选自包括钴氧化物、镍氧化物和钴镍合金的氧化物的组。
11.如权利要求1所述的传感器，其中所述反铁磁层是包括Mn和从包括Pt、Rh、Ni、Fe、Ir和Pd的组中选择的至少一种元素的合金。
12.如权利要求1所述的传感器，还包括所述EMR有源膜和所述铁磁层之间的扩散阻挡层。
13.如权利要求1所述的传感器，其中所述扩散阻挡层选自包括铝氧化物、铝氮化物、硅氧化物和硅氮化物的组。
14.一种异常磁电阻传感器，包括半导体衬底；所述衬底上的EMR有源膜，该有源膜包括对大体垂直于该有源膜的磁场作出响应的非磁半导体材料；与所述有源膜接触的导电分路；与所述有源膜接触的一对电流引线；与所述有源膜接触的一对电压引线；以及在所述有源膜上的提供基本垂直于所述有源膜的平面的偏置磁场的反铁磁/铁磁交换耦合双层，所述双层包括(a)由从包括钴-铂-铬合金、铁-铂合金、一个或更多钴-铂双层、一个或更多钴-钯双层的组中选择的材料所形成的铁磁层；以及(b)与所述铁磁层交换耦合的反铁磁层，其由从包括钴氧化物、镍氧化物、钴镍合金氧化物以及包括Mn和从包括Pt、Ni、Fe、Ir、Pd的组中选择的元素的的合金的组中选择的材料形成。
15.如权利要求14所述的传感器，其中所述铁磁层的材料是一个或更多钴铂双层或者一个或更多钴钯双层，并且其中所述双层中的钴层包括从包括B、Ta、Cr、O、Cu、Ag、Pt和Pd的组中选择的元素。
16.如权利要求14所述的传感器，其中所述铁磁层的材料是包括从包括B、Nb和Ta的组中选择的元素的钴-铂-铬合金。
17.如权利要求14所述的传感器，其中所述反铁磁层向所述铁磁层提供交换场HE，其中所述铁磁层的本征矫顽力HC0被HE增强到大于HC0的矫顽力HC，其中HE和HC的和大于所述传感器将要感测的磁场。
18.如权利要求16所述的传感器，其中所述铁磁层的本征矫顽力HC0小于将要被感测的磁场。
19.如权利要求14所述的传感器，其中所述铁磁层位于所述EMR有源膜和所述反铁磁层之间。
20.如权利要求14所述的传感器，其中所述反铁磁层位于所述EMR有源膜和所述铁磁层之间。
21.如权利要求14所述的传感器，还包括位于所述EMR有源膜和所述反铁磁/铁磁双层之间的扩散阻挡层。
22.如权利要求21所述的传感器，其中所述扩散阻挡层选自包括铝氧化物、铝氮化物、硅氧化物和硅氮化物的组。
全文摘要
本发明涉及一种异常磁电阻(EMR)传感器，其在EMR有源膜上具有反铁磁/铁磁交换耦合双层结构。双层结构中的铁磁层具有垂直磁各向异性并且被反铁磁层交换偏置。反铁磁/铁磁双层结构提供垂直于EMR有源膜平面的磁场来偏置EMR传感器的磁电阻对磁场响应。铁磁层可由任何可用于垂直磁记录的铁磁材料形成，并以其各向异性轴显著地离面的方式来制备。反铁磁层可由任何已知的Mn合金形成，例如PtMn、NiMn、FeMn、IrMn、PdMn、PtPdMn和RhMn，或者由任何绝缘反铁磁材料形成，例如那些基于钴氧化物和镍氧化物的反铁磁材料。
文档编号G11B5/00GK1725519SQ20051008141
公开日2006年1月25日 申请日期2005年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者马修·J·凯里, 布鲁斯·A·格尼, 斯蒂芬·马特, 尼尔·史密斯 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司