磁阻自旋阀层系统技术方案

本发明专利技术实施方式涉及磁阻自旋阀层系统。具体地，实施方式涉及具有增强稳定性的诸如巨磁阻（GMR）或隧道式磁阻（TMR）的MR自旋阀层系统以及相关传感器。本发明专利技术实施方式至少包括多层固定层或多层基准层之一，使得叠层更稳定，从而适用于比传统系统和传感器更高的温度和磁场。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的来说涉及集成电路(IC)传感器，更具体地，涉及具有增加稳定性的磁阻自旋阀层系统。
技术介绍
在磁阻自旋阀层系统中，层系统的电阻取决于两个磁化方向之间的角度。参考图1中传统巨磁阻(giant magnetoresistive, GMR)自旋阀叠层,这些方向中的一个是自由的，追随外部施加的磁场。与该方向关联的层被称为自由层。虽然图1中示出GMR叠层，但其他磁阻技术也可用于实施方式，如隧道式磁阻(tunneling magnetoresistive, TMR)。其他磁化方向被固定并与所谓的基准层关联。基准层是基准系统的一部分，基准系统还包括反铁磁体层、固定层(pinned layer)、钌(Ru)层。传统上,例如，固定层和基准层是匀质的并由钴铁(CoFe)或钴铁硼(CoFeB)合金组成。基准系统的目的是保持基准层的固定磁化方向尽可能稳定。磁化通常通过将铁磁体的磁化耦合到反铁磁体而被固定在自旋阀层系统的基准层中。然后，层系统在磁场中受到热处理，其中邻近反铁磁体的磁化方向在系统冷却后被固定。使用这种自旋阀层系统的磁阻传感器可以在高达某最高温度和最大磁场中使用。然而，如果传感器暴露于较高温度或磁场，则固定磁化方向会被改变，导致不当的传感器操作。在某些应用中该有限的范围是相当大的缺陷。例如，较强的磁体可有助于减小噪声，但如果这些磁体影响传感器的正常操作，则不能使用。因此需要能够在较高温度和磁场中使用的改善的磁阻自旋阀层系统和相关传感器。
技术实现思路
实施方式涉及磁阻自旋阀层系统和传感器。在实施方式中，磁阻(MR)自旋阀叠层包括反铁磁体层；邻接该反铁磁体层的多层固定层；多层基准层；多层固定层和多层基准层之间的非磁性金属层；自由层；以及自由层和多层基准层之间的非磁性金属层。在实施方式中，形成巨磁阻(GMR)自旋阀叠层的方法包括形成晶种层(seedlayer);形成自由层，自由层的第一侧与晶种层的第一侧邻接；形成铜(Cu)层，Cu层的第一侧与自由层的第二侧邻接；形成多层基准层(reference layer),多层基准层的第一侧与Cu层的第二侧邻接；形成非磁性金属层，非磁性金属层的第一侧与多层基准层的第二侧邻接；形成多层固定层，多层固定层的第一侧与非磁性金属层的第二侧邻接；形成反铁磁体层，反铁磁体层的第一侧与多层固定层的第二侧邻接；以及形成盖帽层(cap layer，保护层)，盖帽层的第一侧与反铁磁体层的第二侧邻接。在实施方式中，形成隧道式磁阻(TMR)自旋阀叠层的方法包括形成晶种层；形成自由层，自由层的第一侧与晶种层的第一侧邻接；形成绝缘层，绝缘层的第一侧与自由层的 第二侧邻接；形成多层基准层，多层基准层的第一侧与绝缘层的第二侧邻接；形成非磁性 金属层，非磁性金属层的第一侧与多层基准层的第二侧邻接；形成多层固定层，多层固定层 的第一侧与非磁性金属层的第二侧邻接；形成反铁磁体层，反铁磁体层的第一侧与多层固 定层的第二侧邻接；以及形成盖帽层，盖帽层的第一侧与反铁磁体层的第二侧邻接。在实施方式中，磁阻(MR)自旋阀叠层包括邻接晶种层的自由层；邻接自由层的 非磁性层；基准系统，邻接非磁性层，包括基准层、非磁性金属层以及固定层，基准层或固定 层中的至少一个是多层；以及邻接基准系统的反铁磁体层。附图说明结合附图考虑本专利技术不同实施例的详细说明可更完整地理解本专利技术，其中图1是传统顶部自旋阀叠层的结构图。图2是根据实施方式的GMR顶部自旋阀叠层的结构图。图3是根据实施方式的GMR顶部自旋阀叠层的结构图。图4是根据实施方式的TMR顶部自旋阀叠层的结构图。图5是根据实施方式的TMR顶部自旋阀叠层的结构图。图6是根据实施方式的应力测试方法的框图。图7是底部自旋阀叠层的结构图。虽然本专利技术易于进行不同修改和替换，其中细节已经通过例子在附图中示出并在下面详细描述。然而，应该理解，本专利技术不限于所述的具体实施方式。相反，本专利技术涵盖在 权利要求限定的本专利技术的精神和保护范围内的所有修改、等价物、和替换。具体实施方式实施方式涉及具有增强稳定性的磁阻自旋阀层系统和相关传感器。实施方式包括 至少一种多层固定层或多层基准层，使得叠层更稳定，从而适用于比传统系统和传感器更 高的温度和磁场。参考图2，描述了根据实施方式的顶部自旋阀叠层100。相比传统叠层，叠层100 包括多层固定层102和多层基准层104。虽然叠层100是以固定层102和基准层104都为 多层描述的，但其他实施方式可仅包括一个多层，其中固定层102或基准层104中的一个为 多层。然而，在这里讨论的例子中，采用固定层和基准层都为多层的实施方式。在图2中，固定层102包括两层，固定层I和固定层2。在其他实施方式中，固定 层102可包括多于两个的多层。在一个实施方式中，固定层I包括CoFe,固定层2包括镍铁 (NiFe)，但这些在另一个实施方式中可相反。固定层102的层可具有相同或基本相同的磁 化方向。在实施方式中，固定层102的至少一个层包括与固定层102的一个或更多其它层 的材料不同的材料。在实施方式中，固定层102的不与反铁磁体邻接的至少一个内层包括 第一材料，第一材料关于反铁磁体的磁稱合特性比与反铁磁体交界(interface )的层的第 二材料的耦合特性水平弱。换句话说，例如，对于材料测试，如果几何上相同的第一材料和 第二材料的层与反铁磁体交界，则第一材料与反铁磁体的磁耦合比第二材料的弱。包括NiFe和CoFe双层的固定层102可提供比包括NiFe或CoFe的单层系统更稳定的基准系统。例如，考虑到不顾来自外场的磁化方向，固定层102更稳定。实验结果已 表明NiFe形成的固定层102对反铁磁体的磁耦合比CoFe的更强。相比之下，如果邻近铁 磁体包括C0Fejljg(Ru)层的磁耦合被强化。实施方式中Ru层可包括诸如适用于邻近磁 性层的其他非磁性金属的其他材料，以得到反平行磁化取向。实例包括铱(Ir)、铜(Cu)、铑 (Rh )、锇(Os )、铬钥(CrMo )和其他合适的材料。虽然图2的实施方式中，基准层104包括三个层，基准层1、基准层2以及基准层 3，但在其他实施方式中基准层104可包括更多或更少的层。基准层104的层可具有相同或 基本相同的磁化方向，如图2所示。基准层104的至少一个层可包括与基准层104其他层 的材料不同的材料。在实施方式中，基准层104的层可包括例如，CoFe、NiFe和/或CoFeB。 例如，参考图3，在一个实施方式中，叠层110包括包含CoFe且厚度约为O. 2纳米(nm)的基 准层1、包含NiFe且厚度约为O. 6nm的基准层2、包含CoFe且厚度约为O. 2nm的基准层3。 在另一个实施方式中，固定层102被配置为类似于图3，基准层104包括厚度约为1. 3nm的 单个CoFe层。如前面所述，材料和/或厚度可以改变。例如，在不同实施方式中，包括下面讨论 的关于TMR自旋阀叠层的那些实施方式，固定层102约O. 4到约4nm厚，基准层104约O. 9nm 到约5nm厚。固定层102的各多层(如，固定层I或固定层2)每个都可以为约O. 2nm到约 2nm。实施方式中，基准层I和3每个都可以是约O. 2到约1. 5nm,同时基准层2约O. 5nm到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁阻（MR）自旋阀叠层，包括：反铁磁体层；邻接所述反铁磁体层的多层固定层；多层基准层；所述多层固定层和所述多层基准层之间的非磁性金属层；自由层；以及所述自由层和所述多层基准层之间的非磁性金属层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·贝维尔，克莱门斯·普鲁格尔，沃尔夫冈·拉伯格，安德烈亚斯·斯特拉瑟，于尔根·齐默尔，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：