CN101688904A - 低噪音磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁阻传感器，其包括第一俘获磁化磁层(410)和被称作敏感层的自由磁化磁层(430)，这两个层被用于磁去耦的第一隔离层(420)隔开。传感器进一步包括第二俘获磁化磁层(450)，其通过用于磁去耦的第二隔离层(440)与所述敏感层隔开，第一和第二隔离层位于所述敏感层的两侧，并且在没有外场的情况下，第一俘获磁化磁层和敏感层的各自磁化基本正交。选择第二俘获层的磁化方向。

Description

低噪音磁场传感器

技术领域

本发明涉及磁场传感器的领域，更具体地涉及具有垂直于层的平面的电流几何形状(géométrie de courant)的自旋阀或磁隧道结。

本发明尤其应用于磁记录领域。

背景技术

磁场传感器应用于众多应用中：用于计算机硬盘的读头、用于读取磁道的装置、磁性墨水、位置编码器、角度编码器、电子罗盘等。

磁场传感器是近年来主要研究的目标，以便与硬盘上的记录密度的快速增加同步前进。

从1992年开始，在计算机硬盘读头中使用的磁场传感器是磁阻型的。在此类型的传感器中，磁场变化改变了磁阻材料的电阻，导致传感器端子处的电压变化。

最初的磁阻传感器利用薄磁层的磁阻的各向异性，即利用这种层的电阻与根据磁化和施加于其的电流之间的角度的从属性。

最近的磁阻传感器以自旋阀为基础。通常将自旋阀定义为由通过非磁性金属的薄层隔开的两个磁层组成的结构。通过与反铁磁性材料的交换相互作用，将一个磁层(称作俘获层)的磁化保持固定。另一磁层(称作自由层或敏感层)的磁化随着施加于其的磁场的变化而自由变化。两个磁层的各自磁化的方向的相对变化导致非磁层中的电阻的变化(称作巨磁阻效应)。例如，在1994年于Journ.Magn.Mater.136的第335至359页发表的B.Dieny撰写的名为“自旋阀多层中的巨磁阻”的文章中可发现关于自旋阀的描述。

最初的自旋阀使用与根据被称作CIP(面内电流)的构造的层的平面平行的电流几何形状。硬盘上的位尺寸(2006年大约是100nm×40nm)的减小导致具有CPP(电流垂直于平面)构造的自旋阀的发展，CPP构造同时具有更高的集成度和更大的磁阻变化。

根据此构造，包围磁阻元件的屏蔽(écrans)也用作电流输入(amenée du courant)和电压端子(prise de tension)。具体地，在申请WO-A-97/44781中可发现具有CPP构造的自旋阀的描述。

图1示意性地示出了使用具有CPP构造的自旋阀100的磁阻传感器。

两个金属屏蔽101和102用来限制磁场测量区域，并用作电流输入和电压端子。此区域的宽度d给出了最大读取分辨率。自旋阀主要由反铁磁性层110、磁化被层110俘获的磁层120、非磁性薄层130和磁化随着外部磁场而自由变化的磁层140组成。可通过一对侧向永磁铁(未示出)将偏磁场施加于自由层140，以便当没有外部磁场时给其预定的磁化方向。

如果自由层140的磁化方向和俘获层120的磁化方向平行，那么自旋阀的电阻小，并且，在其反平行的情况中，自旋阀的电阻大。当将待测磁场施加于层的平面中时，此磁场在所述平面中产生自由层的磁化的旋转。自由层的磁化相对于俘获的磁化的相对定向确定自旋阀的电阻。

由于其较小的尺寸，具有CPP构造的自旋阀具有非常低的电阻。为了制造适于前置放大器的典型输入阻抗(数十欧姆)的阻抗传感器，可以使用具有高表面电阻(以Ω.μm²测量)的磁阻材料。为此，提出将断续氧化层插入非磁性隔离层中，该断续氧化层用于局部限制电流路径。然而，此方法导致非常高的电流密度，并由此导致有害于传感器的使用寿命的电迁移现象。

最后，最有前途的技术看起来是基于使用磁阻隧道结或MTJ的技术。MTJ结与具有CPP构造的自旋阀的区别在于，隔离层130由绝缘材料制成，例如，由氧化铝或氧化镁(MgO)制成。隧道结必须具有足够低的阻值(由用于电阻区域的电阻和面积的乘积RA测得)，从而，传感器具有与前置放大器的输入阻抗相适合的电阻，并将散粒噪音最小化。

所有磁阻传感器的一个重要特征是影响读取信号的噪音。在磁阻传感器中，这可能从各种源中产生。如在2001年于Appl.Phys.Lett.第78期的第1148至1150页发表的N.Smith等人撰写的名为“磁阻头中的白噪音磁化波动”的文章所指出的，当自旋阀具有较低的磁阻相对变化(即，较低的ΔR/R比值，其中，ΔR是平行和反平行状态之间的电阻变化)时，主要的噪音源是来源于电，更精确地，是从导电电子的布朗运动产生的约翰逊噪音。相反地，如果此比值较高，那么主要的噪音源是来源于磁。事实上，在此情况中，敏感层中的磁化波动可导致传感器电阻的较大波动。这些磁化波动可由热扰动导致，或者可从壁俘获(piégeage de parois)或磁畴的不稳定性产生。对于相同的耗散功率，当传感器的尺寸更小时，热波动相应地更大。

以相同的方式，对于具有低ΔR/R比值的MTJ结传感器，主要的噪音源是来源于电，即，隧道结的散粒噪音，而对于具有高ΔR/R比值的MTJ结传感器，噪音主要是来源于磁，如上所述。

因此，对于具有自旋阀的磁阻传感器或具有非常高的敏感性(即具有高ΔR/R比值)的磁隧道结的磁阻传感器，信噪比(SNR)主要取决于来源于磁的噪音。

图2示出了典型的噪音功率密度曲线(由RI²标准化，其中，R是传感器的电阻，I是穿过其的电流)，其根据磁场的频率f(被标注为ρ₀实线曲线)影响磁阻传感器(基于CPP自旋阀或磁隧道结)中的测量信号。

区分三个不同的噪音状态：

在低频区域(被标注为区域(I)，从0延伸至数百MHz)中，测量噪音是白噪音和1/f的噪音的总和，该白噪音部分来源于电(约翰逊噪音或散粒噪音)，部分来源于磁(传感器的敏感层中的磁化热波动)，该1/f的噪音来源于偏磁场对敏感层的不充分磁极化。事实上，在敏感层的磁化旋转的过程中，不充分极化可导致敏感层中出现能够俘获的壁或磁化可能跳跃的不稳定磁畴。

在高频区域(被标注为区域(III)，典型地从大约1.5GHz延伸至数十GHz)中，噪音曲线的形状归因于铁磁共振现象或FMR。当自旋波励磁的频率等于敏感层的磁化的进动自然频率时(FMR)，将自旋波励磁热激活为具有振幅峰值。

中间区域(被标注为区域(II))将低频区域与高频区域隔开。在此区域中，主要是白噪音，几乎不存在1/f噪音和FMR共振。

因此，本发明的目的是，提供一种具有非常高的性能(高敏感性、小尺寸)同时在有利的频率范围中表现出高信噪比的磁阻传感器结构。

发明内容

本发明由磁阻传感器定义，所述磁阻传感器包括第一俘获磁化磁层(称作第一俘获层)和自由磁化磁层(称作敏感层)，所述第一俘获层和所述敏感层由用于磁去耦的第一隔离层隔开，所述磁阻传感器进一步包括被称作第二俘获层的第二俘获磁化磁层()，所述第二俘获层通过用于磁去耦的第二隔离层与所述敏感层隔开，第一和第二隔离层位于所述敏感层的两侧，在没有外场的情况下，所述第一俘获层和所述敏感层的各自的磁化基本正交。

根据第一实施方式，所述传感器适于使直流电流从第一俘获层流向第二俘获层，并且，第二俘获层的磁化(π₂)被定向为在第一俘获层的磁化方向(π₁)和所述敏感层的磁化方向(M₀)之间的中间方向上，在没有外场的情况下，允许极限方向。

根据第二实施方式，所述传感器适于使直流电流从第二俘获层流向第一俘获层，并且，第二俘获层的磁化(π₂)被定向为在第一俘获层的磁化方向(π₁)和与所述敏感层的磁化方向(M₀)相对的方向之间的中间方向上，在没有外场的情况下，允许极限方向。

根据第三实施方式，所述传感器适于使直流电流从第一俘获层流向第二俘获层，并且，第二俘获层的磁化(π₂)被定向为在与第一俘获层的磁化方向(π₁)相对的方向和与所述敏感层的磁化方向(M₀)相对的方向之间的中间方向上，在没有外场的情况下，允许极限方向。

根据第四实施方式，所述传感器适于使直流电流从第二俘获层流向第一俘获层，并且，第二俘获层的磁化(π₂)被定向为在与第一俘获层的磁化方向(π₁)相对的方向和所述敏感层的磁化方向(M₀)之间的中间方向上，在没有外场的情况下，允许极限方向。

有利地，敏感层/第一隔离层/第一俘获层整体的电阻基本上大于敏感层/第二隔离层/第二俘获层整体的电阻。

根据第一替代方式，第一隔离层是形成隧道结的薄绝缘层。

根据第二替代方式，第一隔离层是金属层。

根据第三替代方式，第一隔离层是复合的金属-绝缘层，适于局部地限制电流路径。

第二隔离层是金属层。

有利地，第二隔离层的表面电阻基本上小于第一隔离层的表面电阻。

第二隔离层是复合的金属-绝缘层，适于局部地限制电流路径。

磁阻传感器可包括第一合成铁磁层，所述第一合成铁磁层由第一和第二子磁层组成，所述第一和第二子磁层中间夹有第一反铁磁耦合层，第一子磁层被第一俘获反铁磁层俘获，第二子磁层构成第一俘获层。

第一隔离层由氧化铝或MgO组成。

第一合成铁磁层可由CoFe/Ru/CoFe组成，其中，第一和第二CoFe子磁层具有1.5至4nm的厚度，第一Ru反铁磁接合子层具有0.5至1nm的厚度。

替代地，第一合成铁磁层可由CoFe/Ru/CoFeB或CoFe/Ru/CoFe组成，其中，第一CoFe子磁层具有1.5至4nm的厚度，第一Ru反铁磁耦合子层具有0.5至1nm的厚度，第二子磁层由具有面心立方结构的CoFeB或CoFe合金组成，其厚度为1.5至5nm。

第一钉扎层可由PtMn、PtPdMn或IrMn组成，例如，由具有15至25nm厚度的PtMn组成。

敏感层可由CoFe合金组成，尤其由Co₉₀Fe₁₀组成。

可替代地，敏感层可由两个子层组成，一个子层是Co或CoFe合金层，具有0.5nm至1.5nm的厚度，直接位于第一隔离层之间的界面处，另一个子层是具有2至4nm厚度的NiFe层。

第二隔离层可由具有2至5nm厚度的Cu组成。

磁阻传感器可包括第二合成铁磁层，所述第二合成铁磁层由第三和第四子磁层组成，所述第三和第四子磁层中间夹有第二反铁磁耦合层，第四子磁层被第二俘获反铁磁层俘获，第三子磁层构成第二俘获层。

第二俘获反铁磁层由具有5至10nm厚度的Ir₂₀Mn₈₀组成。

第二合成铁磁层可由第三和第四子磁层组成，所述第三和第四子磁层中间夹有第二反铁磁耦合层，第四子磁层被硬磁性材料层俘获，第三子磁层构成第二俘获层。

硬磁性材料可以是基于Co和Cr的合金。

第二俘获层可由铁磁过渡金属组成，尤其由基于Co、Fe、Ni的合金组成。

可替代地，第二俘获层可由具有2至7nm厚度的Co₉₀Fe₁₀组成。

进一步替代地，第二俘获层由CoFeCu或CoFeAg合金组成。

第二俘获层最终可由层积的多层(Co₉₀Fe₁₀ 1nm/Cu 3nm)或CoFe/NiFe双层组成。

有利地，通过具有第一阻隔温度(température de blocage)的第一俘获反铁磁层，第一俘获层具有在第一方向上的俘获磁化，并且，通过具有与第一阻隔温度不同的第二阻隔温度的第二俘获反铁磁层，第二俘获层具有在第二方向上的俘获磁化。

本发明还由用于制造磁阻传感器的方法定义，其中，将第一俘获反铁磁层、第一俘获层、第一隔离层、敏感层、第二隔离层、第二俘获层、第二俘获反铁磁层连续地沉积在电极上，然后：

-如果第一阻隔温度高于第二阻隔温度，那么，在被定向为沿着所述第一方向的磁场的作用下使所述层退火，然后，将温度降低至第二阻隔温度，那么，磁场被定向为沿着所述第二方向，并且，将温度降低至环境温度；

-如果第二阻隔温度高于第一阻隔温度，那么，在被定向为沿着所述第二方向的磁场的作用下使所述层退火，然后，将温度降低至第一阻隔温度，那么，磁场被定向为沿着所述第一方向，并且，将温度降低至环境温度。

附图说明

参照附图，通过阅读本发明的优选实施方式，本发明的其它特征和优点将会显现出来：

图1示意性地示出了现有技术中已知的具有CPP构造的自旋阀的磁阻传感器；

图2示出了影响图1中的磁阻传感器中的测量信号的噪音密度；

图3示意性地示出了磁层中的自旋转移效应；

图4示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的磁阻传感器；

图5A至图5D示出了允许减小图4中的磁阻传感器中的来源于磁的噪音的各种情况。

具体实施方式

本发明的基本想法是使用被称为自旋转移效应的效应来减少磁阻传感器中来源于磁的噪音。

在1996年，已经预言CPP型自旋阀中具有自旋转移效应。具体地，可在Phys.Rev.B第54卷第13号第9353至9539页发表的L.Berger撰写的名为“通过由电流穿过的多磁层发射自旋波”的文章和在1996年于Journal Magn.Magn.159的L1至L7发表的J.C.Slonczewski撰写的名为“磁层的电流驱动励磁”的文章中发现相应描述。

可认为自旋转移效应是磁阻效应的对偶(dual)效应。而磁阻现象能够根据磁层的磁化控制电流，自旋转移效能够根据自旋极化电流作用在自由磁层的磁化上。更精确地，当这种电流垂直于磁层流动时，导电电子在此层中的自旋非常快速地重新定向为平行于局部磁化，这表示电子自旋极化平面的旋转。此旋转导致角力矩转移到磁层的磁化，从而导致在此层上产生磁矩。

图3示出了自旋转移效应。J表示在p方向上自旋极化的电流，其中，p是在极化方向上定向的单位向量。此电流穿过具有磁化M的磁层。

可以证明：控制磁化动力的等式可书写为(Landau、Lifschitz、Gilbert或LLG等式，由Slonczewski项修正)：

$\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{\γ}(M\×H)+\mathrm{\γ}\frac{a_j\left(\mathrm{\θ}\right)}{M_s}M\×(M\×p)+\frac{\mathrm{\α}}{M_s}M\×\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中，H是层中的有效磁场，γ是旋磁系数，α是阻尼系数(称为吉伯系数)，M_s是层中的饱和磁化，并且

其中，j是自旋极化的电流密度，δ是层的厚度，g(θ)是取决于极化方向p和层的磁化M之间的角度θ的有效因子，是普朗克常数，e是电子的电荷。

等式(1)的右侧的第一项是有效磁场H周围的磁化的进动转矩。有效磁场指的是有效地经过层的磁场，即所施加外场、去磁场和各向异性场的总和。第二项代表自旋转移转矩T_s，该自旋转移转矩T_s根据电流符号趋向于在自旋极化方向或相对方向上对准层的磁化。最后，最后一项相当于磁化运动的阻尼(amortissement)。

为了更好地理解本发明，我们将首先分析如图1中所示的传统磁阻结构中的自旋转移效应。

根据相对于临界电流密度j_c的电流密度的值而出现各种状态，j_c允许通过自旋转移来转换磁化。

对于具有平面磁化的材料来说，Li和Zhang已在于物理评论B68，024404(2003)发表的文章“具有自旋转移扭矩的磁化动力学”中证明，对于对应于a_j ^critical的临界电流密度j_c，出现由自旋转移产生的磁转换，a_j ^critical由等式(2)给出，从而， $a_j^{\mathrm{critical}}=\mathrm{\α}(2\mathrm{\π}{M}_s+H_K),$ 其中，H_K是所涉及磁层的各向异性磁场，其它量已经由等式(1)定义。典型地，在传统的具有CPP电流几何形状的自旋阀中，j_c大约是几个10⁷A/cm²。在基于MgO的隧道结中，由于穿过隧道结的电子的更高的自旋极化，以及由于使用具有更低磁化和更低吉伯阻尼的材料，从而可以将j_c减小至大约10⁶A/cm²的值。

对于明显小于临界密度j_c的值的电流密度(典型地小于j_c/10)，实际上察觉不到自旋转移效应，因为由自旋极化的电流所施加的磁矩太小，以至于对敏感层的磁化不起作用。

对于从大约j_c的电流密度至稍微小于j_c的电流密度(典型地大约从几个10⁵A/cm²至几个10⁶A/cm²)，在电流密度足以导致由自旋转移产生的磁转换之前，自旋转移效应变得可以察觉。一方面，该效应取决于自旋极化和敏感层磁化的相应方向，另一方面，取决于电流方向。

我们将首先假设，俘获层的磁化和敏感层的磁化是平行的。

如果电流从敏感层流至俘获层，即，如果电子从俘获层到达敏感层，那么，电流趋向于使敏感层的磁化相对于俘获层的磁化平行地对准。因此，可以理解，自旋转移效应使敏感层的磁化稳定，这具有减少此层中的磁波动的效果。这导致图2中的区域(I)中的来源于磁的噪音减少。此工作区域对应于通过振幅和频率的线性标度、根据FMR共振区(raie de résonnance)的频率f₀和在功率表示的峰值的一半高度所测量的此区的半宽度Δf来定义的频率范围。更精确地，可将区域I近似地定义为对应于工作范围]0，max(100MHz，f₀-3Δf)]。

还可指出，在磁构造和电流方向的这些条件中，自旋转移效应增加等式(1)中的阻尼项。这导致图2中的区域(III)中的FMR共振区变宽。这相当于，平均噪音水平在对应于此FMR共振区的底部的频率范围中(尤其是在图2中的区域II和区域III之间的边界的附近中)的增加。

现在，如果电流从俘获层流至敏感层，即，如果电子从敏感层到达俘获层，那么，电流促进敏感层的磁化与俘获层的磁化反平行对准。物理上，来自具有与俘获层的极化反平行的极化的敏感层的电子被所述俘获层反射，并趋向于当这些电子再次与敏感层相互作用时使敏感层的磁化反向。可以理解，自旋转移效应使得敏感层的磁化不稳定并增加其波动。这导致图2中的区域(I)中的来源于磁的噪音的增加。还可以指出，此状态中的自旋转移效应等价于等式(1)中的吉伯阻尼系数α的减小。这导致图2中的区域(III)中的FMR共振区的收缩，并且相关地，导致对应于此区的底部的频率范围中(尤其是图2的区域II和III之间的过渡区域中)的噪音水平的减小。可将此过渡区域近似地定义为工作区域]max(100MHz，f₀-3Δf)，f₀-1.5Δf]。

图2中已示出了在电流从敏感层流至俘获层的情况下存在自旋转移时的噪音密度曲线。在敏感层的磁化和俘获层的磁化分别平行对准和反平行对准的情况中，典型的噪音曲线分别用ρ_par和ρ_par表示。如果电流从俘获层流至敏感层，那么曲线ρ_par和ρ_par颠倒。

现在，我们将假设，俘获层和敏感层各自的磁化是反平行的。

因此，上述结论应该被反向。

更精确地，如果电流从敏感层流至俘获层，那么自旋转移效应趋向于使敏感层的磁化与俘获层的磁化平行，使得磁层不稳定，结果，导致图2中的区域(I)中的来源于磁的噪音增加，并导致区域(III)中的共振区的收缩。

相反地，如果电流从俘获层流至敏感层，那么自旋转移效应趋向于增强敏感层和俘获层的磁化的反平行对准，从而使得敏感层的磁化稳定，结果，导致图2中的区域(I)中的来源于磁的噪音减小，并使得区域(III)中的共振区变宽。

在本发明中，通过在磁阻结构(CPP自旋阀或MTJ结)中加入第二俘获层来实现由自旋转移控制磁噪音，第二俘获层的磁化被定向在下面指示的特定方向上。第二俘获层能够使穿过敏感层的电流自旋极化，并且，通过第二俘获层的磁化方向的适当选择，能够在可能出现于其中的磁波动密度上起作用，由此能够在从其导致的来源于磁的噪音的振幅上起作用。

图4示出了根据本发明的一个实施方式的传感器的结构。

传感器400包括两个金属屏蔽(écran)401和402，其一方面用来限制磁场测量区域，另一方面用来输入直流电流并恢复(récupérer)测量电压。

与现有技术相同，所述传感器还包括：第一磁层410，该第一磁层的磁化被反铁磁层(未示出)俘获；组成敏感层的自由磁层430。第一非磁性隔离层420能够使这两个磁层去耦。隔离层可以是金属层，典型地由Cu组成，与自旋阀中的一样。该隔离层还可以由断续氧化层组成，该断续氧化层由金属路径穿孔以限制电流路径并由此增加传感器的CPP(被称为限制电流路径结构的结构)电阻。最后，此隔离层可由薄半导体层或绝缘层组成，例如磁隧道结中的氧化铝或MgO。

反铁磁层可由合金IrMn、PtMn、PtPdMn组成。俘获层例如是3nm的单层CoFe，或属于由合成反铁磁结构CoFe/Ru/CoFe(将在下面示出)的一部分。

第一俘获磁层410具有沿着固定方向定向的磁化，该固定方向基本上平行于待测磁场的方向。在没有施加的磁场时，自由磁层在其平面中具有磁化，该磁化基本上垂直于第一层的磁化。通过用一对位于磁阻元件两侧的侧向永磁铁(例如，由合金CoCr制成)施加偏磁场，可获得此正交方向。可替代地，在此元件是隧道结的情况中，通过位于隧道结和用于传输电流的金属屏蔽之间的层叠结构(栈内偏移)中的永磁铁层，可获得自由层的磁化的正交方向。在层的平面和垂直于俘获层磁化的平面中选择永磁铁层的磁化。通过部分地关闭隧道结的自由层，由永磁铁层产生的磁场使自由层在期望方向上极化。

在敏感层中垂直极化的选择能够获得传感器的线性响应、自旋阀或隧道结的磁阻如同敏感层和俘获层的磁化强度之间的角度的余弦而改变。

与现有技术不同，传感器400进一步包括第二俘获磁层450，其通过第二非磁性隔离层440与自由层430磁隔离。第二隔离层优选地是导电层，例如，金属层。该第二隔离层还可以是形成隧道结的薄绝缘层或者甚至是断续氧化层，该断续氧化层由金属路径穿孔以限制电流流经。

第二磁层具有已选择方向(如下所指示的)的磁化，以根据传感器朝着频率区域I或朝着区域II和III之间的边界(即，在FMR共振区的底部的附近(见图2))工作来减少或增加敏感层中的磁波动。事实上，由于两个俘获磁层的缘故，敏感层的磁化受到自旋转移的共轭影响。

我们将首先假设，磁阻传感器在诸如以上相对于图2定义的区域(I)的频带中工作。

在图5A中，当电流从第一俘获层流至第二俘获层时，以及在图5B中，当电流在相反方向上流动时，示出了能够减少磁噪音的构造的分解图。

当没有施加外场时，自由层的磁化方向基本上垂直于第一俘获层的磁化方向，如图中的M₀所指示的。那么，由于第一俘获层的缘故，敏感层的磁化上的自旋转移效应位于平行构造的自旋转移效应和反平行构造的自旋转移效应之间，即同时包括稳定作用和不稳定作用。这里，选择第二俘获层的磁化强度，以减小不稳定作用并增强稳定作用。

当电流J从第一俘获层流至第二俘获层时，即当电子从第二俘获层到达第一俘获层时，在没有外磁场的情况中，如图5A所示，第二俘获层的磁化方向(表示为π₂)被选择为沿着在第一俘获层的磁化方向(表示为π₁)和敏感层的磁化方向之间的中间方向(包括极值)定向。换句话说，第二俘获层的磁化位于象限Q中，象限Q由第一俘获层的磁化和敏感层的磁化限定，在没有外场的情况中，允许象限的极值。

相反地，当电流J从第二俘获层流至第一俘获层时，即当电子从第一俘获层到达第二俘获层时，在没有外磁场的情况中，如图5B所示，第二俘获层的磁化方向(表示为π₂)被选择为沿着在第一俘获层的磁化方向(表示为π₁)和与敏感层的磁化方向相对的方向之间的中间方向(包括极值)定向。换句话说，第二俘获层的磁化位于由第一俘获层的磁化方向和与敏感层的磁化相对的磁化限定的象限中，在没有外场的情况中，允许象限的极值。

在图5A或图5B的情况中，由于第二俘获层的磁化分量平行于第一俘获层的磁化分量，所以通过此第二俘获层的稳定作用抵消由自旋转移效应导致的第一俘获层的不稳定作用。此外，在零场(champ nul)的情况下，由于第二俘获层的磁化分量与敏感层的磁化平行或反平行(取决于电流方向)，俘获层的磁化对敏感层的磁化具有稳定作用。

因此，可以理解，根据电流方向，图5A和图5B中的构造能够减小在区域(I)的频带中工作的传感器中的来源于磁的噪音。最后，在象限内选择第二俘获层磁化的精确定向能够平衡敏感层内的自旋转移效应(分别归因于第一和第二俘获层)，并由此能够调节期望的稳定水平。通过Slonczewski项(与第一和第二俘获层相关的等式(2)比较)的前因子(préfacteurs)a_j(θ)的相对振幅确定此定向。此前因子本身与从这些层中的每个流出的电流的极化成正比，优选地通过实验确定π₂相对于π₁的相对角度。

现在，我们将假设，磁阻传感器在图2中的区域II和III之间的过度频带中工作，如上面定义的，即在FMR共振峰值的底部工作。

当电流从第一俘获层流至第二俘获层时，图5C中示出了能够减小磁噪音的构造，并且，，图5D中示出了当电流在相反方向上流动时能够减小磁噪音的构造。

当电流从第一俘获层流至第二俘获层时，即当电子从第二俘获层到达第一俘获层时，在没有外磁场的情况中，如图5C所示，第二俘获层的磁化方向被选择为沿着在与第一俘获层的磁化方向相对的方向和与敏感层的磁化方向相对的方向之间的中间方向(包括极限方向)定向。换句话说，第二俘获层的磁化方向于象限Q中，象限Q由与第一俘获层的磁化相对的磁化和与敏感层的磁化相对的磁化限定，在没有外场的情况中，允许象限的极值。

另一方面，当电流从第二俘获层流至第一俘获层时，即当电子从第一俘获层到达第二俘获层时，在没有外磁场的情况中，如图5D所示，第二俘获层的磁化方向被选择为沿着在与第一俘获层的磁化方向相对的方向和敏感层的磁化方向之间的中间方向(包括极值)定向。换句话说，第二俘获层的磁化位于象限Q中，象限Q由与第一俘获层的磁化相对的磁化和敏感层的磁化限定，在没有外场的情况中，允许象限的极值。

在图5C或图5D的情况中，由自旋转移效应产生的两个俘获层的不稳定作用合并(se cumulent)。

不稳定作用的合并导致包含于敏感层的磁化的动力学等式(1)中的阻尼系数的减小，从而，导致FMR共振区的收缩和对应于FMR共振区底部的频率范围中的噪音水平的降低。

因此可以理解，图5C和图5D中的构造根据电流方向能够减小在上述过渡频带中工作的磁阻传感器中的来源于磁的噪音。

关注根据本发明的传感器的磁阻，可将其第一近似值看成是来自于两个串联的磁阻夹层结构，即：

-第一夹层结构，由第一俘获磁层410、第一隔离层420和敏感磁层430组成，以及

-第二夹层结构，由敏感磁层430、第二隔离层440和第二俘获磁层450组成。

关于第一近似值，可认为与这两个夹层结构相关的电阻是串联的。因此，这两个电阻的相对权重将使整个堆栈结构的磁阻平衡(pondérer)。为了传感器的线性，优选地，磁阻主要来源于第一夹层结构，其中，在零场时，敏感层的磁化与俘获层的磁化基本上彼此成90°地定向。因此，优选地，第二隔离层是导电层，例如具有低电阻的金属层。相反地，第一隔离层优选地是形成隧道结的薄绝缘层，或由用于局部限制电流的金属路径穿过的断续绝缘层。因此，主要由上述第一结构的磁阻确定磁阻。

第一隔离层也可以是金属层。然而，在此情况中，第一和第二磁阻夹层结构的电阻项的权重将是相似的。为了具有这两个成分(contributions)的磁阻的额外作用，优选地，确保出现图5A和图5B所示的情况(两个俘获层的磁化之间的相对角度小于90°)。

通过以下方式可以实现根据本发明的磁阻传感器。

首先，优选地在电流输入电极上沉积非磁性缓冲层，例如限制测量区域的金属屏蔽中的一个。此缓冲层的目的是促进结构的生长，并可由例如5nm的NiFeCr组成。然后，连续实现：

(a)第一俘获反铁磁层，例如，由PtMn、PtPdMn或IrMn组成，优选地，由具有15至25nm厚度的PtMn组成；然后，继续选项(b1)或选项(b2)；

(b1)与反铁磁层直接接触的单个磁层，例如，CoFe合金的层，富含Co，具有2至5nm的典型厚度。因此，此单层构成根据本发明传感器的第一俘获磁层；或者

(b2)人造铁磁复合层，其由以下层组成：

-与反铁磁层接触的第一俘获子层，例如，富含Co的、具有1.5至4nm的典型厚度的CoFe合金层；

-具有0.5至1nm的典型厚度的Ru反铁磁耦合层；

-由此构成根据本发明传感器的第一俘获磁层的第二俘获子层。如果下一层(第一隔离层)是金属层或由用于局部限制电流的金属路径穿过的绝缘层，那么此第二层可由富含Co的、具有1.5nm至4nm的典型厚度的CoFe组成。如果下一层是绝缘的并具有面心立方结构(如由MgO组成)，那么该第二层也可由具有面心立方结构的CoFeB或CoFe组成；此层的厚度典型地是1.5nm至5nm；

(c)构成根据本发明传感器的第一隔离层的非磁性层。如已经指出的，其优选地是绝缘的，例如，由氧化铝的或MgO的或TiO_x组成，以实现隧道结。其也可以是金属的，例如，由Cu组成，以实现自旋阀。最后，其可以是绝缘体与金属的复合层，以实现限制电流结构；

(d)CoFe合金的层，富含Co，尤其由Co₉₀Fe₁₀组成，其构成根据本发明传感器的自由层(或敏感层)。此层可由两个子层的组合交替地形成，一个子层是Co或CoFe合金，具有0.5至1.5nm的厚度，且与第一隔离层直接接触，另一个子层是NiFe，具有1.5nm至4nm的厚度，以增加前层的磁性平稳性。也可在与第二隔离层的界面处对前两个子层增加第三子层(例如，具有0.5至1.5nm厚度的Co或CoFe合金)，以避免NiFe和第二隔离层之间的相互扩散作用。

然而，如果第一下(sous jacente)隔离层由具有面心立方结构的MgO组成，那么优选地使用具有相同结构的CoFe合金和可随后被退火的无定形CoFeB合金。从而可避免界面处的晶格失配；

(e)构成根据本发明传感器的第二隔离层的非磁性层。其优选地是金属的，典型地由具有大约2至5nm厚度的Cu组成。其也可由其他材料制成，例如，Au、Zr、Hf、Rh。此层必须足够厚，以确保敏感磁层和第二俘获磁层之间的磁去耦(découplage)，同时尽可能地薄以避免过度地增加传感器的总厚度，此总厚度限定读头的分辨率；

(f)构成根据本发明传感器的第二俘获磁层的磁层。此层必须能够使电流自旋极化。有利地，可选择在其体积中和/或在这些界面处具有自旋扩散或透射效应的材料，其足够坚硬(fort)以在与其磁化平行和反平行的自旋电流之间产生不对称。

根据第一替代方式，可选择自旋扩散长度小的材料，以便最小化层的厚度。事实上，典型地大约在自旋扩散长度l_SF的长度上获得电流的自旋极化(在金属中)。例如，使用具有l_SF(在300K时大约为5nm)的坡莫合金(Ni₈₀Fe₂₀)。

根据第二替代方式，替代第一替代方式或作为其补充，在界面处使用自旋扩散效应，以产生此极化。已知地，例如，在Co/Cu界面的交叉(traversée)处，使电子电流去极化大约30％。因此，可通过插入Cu的薄层来使磁层分成薄片，以利用此效应并支持电流的自旋极化。

因此，第二俘获磁层可由铁磁过渡金属(例如，基于Co、Fe、Ni的合金，典型地是具有2至7nm的典型厚度的Co₉₀Fe₁₀)制成，或者可由若干层的堆栈组成(例如，层压的多层(1nm的Co₉₀Fe₁₀/0.3nm的Cu)，或CoFe/NiFe层叠结构)，或者由多相合金(例如，富含Co的CoFeCu或CoFeAg)构成。如果磁阻元件是隧道结或限制电流结构，那么也可使用电阻更大的材料，例如，产生高自旋极化的磁性氧化物(例如，磁铁矿)。

最后，第二俘获磁层可属于合成铁磁复合层的一部分，这能够改进其俘获并能够减小其辐射场对软层磁化的影响；

(g)第二俘获反铁磁层，例如，具有5至10nm的典型厚度的Ir₂₀Mn₈₀。这种层具有大约200℃的阻隔温度，小于PtMn的阻隔温度(～300℃)。为了沿着第一方向定向第一俘获层的磁化以及为了沿着第二方向定向第二俘获层的磁化，可在定向于第一方向上的磁场下在300℃时进行第一退火，然后，可在相同的场中将结构冷却至200℃。然后，施加定向于第二方向上的磁场，然后将温度冷却至环境温度。

通常，在具有不同阻隔温度的两种反铁磁材料时进行此过程。令t₁、t₂分别是第一、第二俘获反铁磁层的阻隔温度。如果t₁＞t₂，那么，在沿着期望用于第一俘获层的磁化的方向定向的磁场下，在t₁时使层退火，然后将温度降低至t₂，然后沿着期望用于第二俘获层的磁化的方向定向磁场，然后将温度降低至环境温度。如果t₂＞t₁，那么，进行相反的过程：在沿着所述第二方向定向的磁场下，在t₂时使层退火，然后将温度降低至t₁，然后沿着所述第一方向定向磁场，然后将温度降低至环境温度。

根据一个替代方式，第二俘获层可以是硬磁性材料的层，例如，由CoCr组成。在此情况中，可通过施加强磁场建立此层的磁化方向，该强磁场能够期望方向上使该层的磁化饱和。

Claims (31)

1.一种磁阻传感器，包括被称作第一俘获层的第一俘获磁化磁层(410)、和被称作敏感层的自由磁化磁层(430)，所述第一俘获层和所述敏感层由用于磁去耦的第一隔离层(420)隔开，其特征在于，所述磁阻传感器进一步包括被称作第二俘获层的第二俘获磁化磁层(450)，所述第二俘获层通过用于磁去耦的第二隔离层(440)与所述敏感层隔开，所述第一和第二隔离层位于所述敏感层的两侧，在没有外场的情况下，所述第一俘获层和所述敏感层的各自的磁化基本正交，所述传感器适于使直流电流从所述第一俘获层流向所述第二俘获层，并且，所述第二俘获层的磁化(π₂)被定向为在所述第一俘获层的磁化方向(π₁)和所述敏感层的磁化方向(M₀)之间的中间方向上，在没有外场的情况下，允许极限方向。

2.一种磁阻传感器，包括被称作第一俘获层的第一俘获磁化磁层(410)、和被称作敏感层的自由磁化磁层(430)，所述第一俘获层和所述敏感层由用于磁去耦的第一隔离层(420)隔开，其特征在于，所述磁阻传感器进一步包括被称作第二俘获层的第二俘获磁化磁层(450)，所述第二俘获层通过用于磁去耦的第二隔离层(440)与所述敏感层隔开，所述第一和第二隔离层位于所述敏感层的两侧，在没有外场的情况下，所述第一俘获层和所述敏感层的各自的磁化基本正交，所述传感器适于使直流电流从第二俘获层流向第一俘获层，并且，第二俘获层的磁化(π₂)被定向为在第一俘获层的磁化方向(π₁)和与所述敏感层的磁化方向(M₀)相对的方向之间的中间方向上，在没有外场的情况下，允许极限方向。

3.一种磁阻传感器，包括被称作第一俘获层的第一俘获磁化磁层(410)、和被称作敏感层的自由磁化磁层(430)，所述第一俘获层和所述敏感层由用于磁去耦的第一隔离层(420)隔开，其特征在于，所述磁阻传感器进一步包括被称作第二俘获层的第二俘获磁化磁层(450)，所述第二俘获层通过用于磁去耦的第二隔离层(440)与所述敏感层隔开，所述第一和第二隔离层位于所述敏感层的两侧，在没有外场的情况下，所述第一俘获层和所述敏感层的相应磁化基本正交，所述传感器适于使直流电流从第一俘获层流向第二俘获层，并且，所述第二俘获层的磁化(π₂)被定向为在与第一俘获层的磁化方向(π₁)相对的方向和与所述敏感层的磁化方向(M₀)相对的方向之间的中间方向上，在没有外场的情况下，允许极限方向。

4.一种磁阻传感器，包括被称作第一俘获层的第一俘获磁化磁层(410)、和被称作敏感层的自由磁化磁层(430)，所述第一俘获层和所述敏感层由用于磁去耦的第一隔离层(420)隔开，其特征在于，所述磁阻传感器进一步包括被称作第二俘获层的第二俘获磁化磁层(450)，所述第二俘获层通过用于磁去耦的第二隔离层(440)与所述敏感层隔开，所述第一和第二隔离层位于所述敏感层的两侧，在没有外场的情况下，所述第一俘获层和所述敏感层的各自的磁化基本正交，所述传感器适于使直流电流从第二俘获层流向第一俘获层，并且，第二俘获层的磁化方向(π₂)被定向为在与第一俘获层的磁化方向(π₁)相对的方向和与所述敏感层的磁化方向(M₀)之间的中间方向上，在没有外场的情况下，允许极限方向。

5.根据上述权利要求中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，敏感层/第一隔离层/第一俘获层整体的电阻基本上大于敏感层/第二隔离层/第二俘获层整体的电阻。

6.根据上述权利要求中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第一隔离层是形成隧道结的薄绝缘层。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第一隔离层是金属层。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第一隔离层是复合的金属-绝缘层，所述复合的金属-绝缘层适于局部地限制电流路径。

9.根据上述权利要求中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二隔离层是金属层。

10.根据权利要求7和9中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二隔离层的表面电阻基本上小于所述第一隔离层的表面电阻。

11.根据权利要求1至8中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二隔离层是复合的金属-绝缘层，所述复合的金属-绝缘层适于局部地限制电流路径。

12.根据上述权利要求中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述磁阻传感器包括第一合成铁磁层，所述第一合成铁磁层由第一和第二子磁层组成，所述第一和第二子磁层中间夹有第一反铁磁耦合层，所述第一子磁层被第一俘获反铁磁层俘获，所述第二子磁层构成所述第一俘获层。

13.根据权利要求6所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第一隔离层由氧化铝组成。

14.根据权利要求6所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第一隔离层由MgO组成。

15.根据权利要求12所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第一合成铁磁层是CoFe/Ru/CoFe，其中，第一和第二CoFe子磁层具有1.5至4nm的厚度，第一Ru反铁磁耦合子层具有0.5至1nm的厚度。

16.根据权利要求12和14中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第一合成铁磁层是CoFe/Ru/CoFeB或CoFe/Ru/CoFe，其中，第一CoFe子磁层具有1.5至4nm的厚度，第一Ru反铁磁耦合子层具有0.5至1nm的厚度，第二子磁层由具有面心立方结构的CoFeB或CoFe合金组成，其厚度为1.5至5nm。

17.根据权利要求12、15或16所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第一俘获层由PtMn、PtPdMn或IrMn组成。

18.根据权利要求17所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第一俘获层由具有15至25nm厚度的PtMn组成。

19.根据上述权利要求中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述敏感层由CoFe合金组成，尤其由Co₉₀Fe₁₀组成。

20.根据权利要求1至18中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述敏感层由两个子层组成，一个子层是Co或CoFe合金层，具有0.5nm至1.5nm的厚度，直接位于所述第一隔离层之间的界面处，另一个子层是具有2至4nm厚度的NiFe层。

21.根据权利要求9所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二隔离层由具有2至5nm厚度的Cu组成。

22.根据上述权利要求中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述磁阻传感器包括第二合成铁磁层，所述第二合成铁磁层由第三和第四子磁层组成，所述第三和第四子磁层中间夹有第二反铁磁耦合层，所述第四子磁层被第二俘获反铁磁层俘获，所述第三子磁层构成第二俘获层。

23.根据权利要求22所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二俘获反铁磁层由具有5至10nm厚度的Ir₂₀Mn₈₀组成。

24.根据权利要求1至21中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述磁阻传感器包括第二合成铁磁层，所述第二合成铁磁层由第三和第四子磁层组成，所述第三和第四子磁层中间夹有第二反铁磁耦合层，所述第四子磁层被硬磁性材料层俘获，所述第三子磁层构成第二俘获层。

25.根据权利要求24所述的磁阻传感器，其特征在于，所述硬磁性材料是基于Co和Cr的合金。

26.根据上述权利要求中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二俘获层由铁磁过渡金属组成，尤其由基于Co、Fe、Ni的合金组成。

27.根据权利要求26所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二俘获层由具有2至7nm厚度的Co₉₀Fe₁₀组成。

28.根据权利要求1至25中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二俘获层由CoFeCu或CoFeAg合金组成。

29.根据权利要求1至25中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二俘获层是层积的多层，例如Co₉₀Fe₁₀ 1nm/Cu0.3nm，或CoFe/NiFe双层。

30.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，通过具有第一阻隔温度的第一俘获反铁磁层，所述第一俘获层具有在第一方向上的俘获磁化，并且，通过具有与第一阻隔温度不同的第二阻隔温度的第二俘获反铁磁层，所述第二俘获层具有在第二方向上的俘获磁化。

31.一种用于制造根据权利要求30所述的磁阻传感器的方法，其特征在于，将第一俘获反铁磁层、第一俘获层、第一隔离层、敏感层、第二隔离层、第二俘获层、第二俘获反铁磁层依次地沉积在电极上，并且其特征在于：

-如果所述第一阻隔温度高于所述第二阻隔温度，那么，在被定向为沿着所述第一方向的磁场的作用下使所述层退火，然后，将温度降低至所述第二阻隔温度，那么，磁场被定向为沿着所述第二方向，并且，将温度降低至环境温度；

-如果所述第二阻隔温度高于所述第一阻隔温度，那么，在被定向为沿着所述第二方向的磁场的作用下使所述层退火，然后，将温度降低至所述第一阻隔温度，那么，磁场被定向为沿着所述第一方向，并且，将温度降低至环境温度。

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