專(zhuān)利名稱(chēng)：一種消除自旋閥磁敏電阻磁滯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁敏傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種消除自旋閥磁敏電阻磁滯的方法。
背景技術(shù)：
利用巨磁阻(GMR)自旋閥磁敏電阻制成的磁敏傳感器可廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械精 確定位、石油勘探系統(tǒng)、電力控制、汽車(chē)ABS系統(tǒng)、導(dǎo)彈導(dǎo)航和醫(yī)療器械等技術(shù)領(lǐng)域。相對(duì) 于傳統(tǒng)磁敏傳感器如霍爾器件、AMR器件等，GMR自旋閥磁敏傳感器在尺寸、靈敏度、能耗和 穩(wěn)定性等方面有諸多優(yōu)勢(shì)。制備高性能自旋閥磁敏電阻的一個(gè)關(guān)鍵是減小磁滯，目前減小 自旋閥磁敏電阻磁滯的方法主要有1)通過(guò)外加永磁體形成偏置磁場(chǎng)；2)通過(guò)在集成線圈 中通電流形成偏置磁場(chǎng)；但上述兩種方法將使工藝難度增大并使器件能耗增加。通常設(shè)計(jì) 自旋閥磁敏電阻時(shí)將其兩端設(shè)計(jì)成尖角形狀，目的是束縛尖端磁疇疇壁的運(yùn)動(dòng)，以減小末 端效應(yīng)帶來(lái)的磁滯，但這種方法很難達(dá)到從根本上束縛磁疇運(yùn)動(dòng)的目的，因?yàn)槟┒舜女牻Y(jié) 構(gòu)受外磁場(chǎng)特別是大磁場(chǎng)的影響將發(fā)生變化從而使磁敏電阻產(chǎn)生磁滯。在美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利 US6865062B2中提到，利用反鐵磁釘扎材料將自由層兩端釘扎在平行于長(zhǎng)軸方向上(如圖1 所示，陰影部分表示自由層兩端被反鐵磁材料釘扎在長(zhǎng)軸方向上)，可減小和消除由于末端 多疇結(jié)構(gòu)帶來(lái)的磁滯，但該方法存在一個(gè)本質(zhì)缺陷，被釘扎層是被釘扎在垂直于長(zhǎng)軸的方 向上，被釘扎的自由層的釘扎方向與被釘扎層的釘扎方向不同，如圖2所示，圖中的空白區(qū) 從上至下依次為鐵磁自由層、非鐵磁隔離層和鐵磁被釘扎層。圖中的上下兩個(gè)陰影區(qū)表示 兩個(gè)反鐵磁釘扎層。圖2中自由層末端和被釘扎層的釘扎方向標(biāo)示分別為平行于長(zhǎng)軸和垂 直于長(zhǎng)軸方向。因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)被釘扎層和自由層兩端不同方向的釘扎，需要采用較為復(fù) 雜的工藝才能實(shí)現(xiàn)，比如需要在沉積自旋閥材料時(shí)所加的磁場(chǎng)方向與沉積釘扎自由層的釘 扎層時(shí)所加的磁場(chǎng)方向不同。此外，在優(yōu)化器件性能時(shí)往往需要熱處理，而熱處理將使在沉 積材料時(shí)形成的兩個(gè)不同釘扎方向發(fā)生改變，從而使器件性能劣化。顯然這種方法不適合 于工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了消除自旋閥磁敏電阻的磁滯，提出了 一種消除自旋閥磁敏電 阻磁滯的方法。本發(fā)明方法是在制備自旋閥磁敏電阻過(guò)程中，利用反鐵磁材料對(duì)自由層兩端進(jìn)行 釘扎，在自由層兩端形成被釘扎區(qū)域；所述的自旋閥磁敏電阻的主體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形，兩端可設(shè)計(jì)為斜角和弧形等特殊結(jié) 構(gòu)，長(zhǎng)方形的長(zhǎng)度方向?yàn)榇琶綦娮璧拈L(zhǎng)軸方向；所述的被釘扎區(qū)域與未被扎區(qū)域的分界線為直線段；所述的分界線與磁敏電阻長(zhǎng)軸垂直方向即被釘扎方向形成(0°，90° )夾角，且 自旋閥磁敏電阻中自由層兩端分界線相對(duì)于長(zhǎng)軸垂直方向的傾斜方向相同。所述的自由層兩端被釘扎區(qū)域的釘扎方向與自旋閥磁敏電阻中的被釘扎層的釘扎方向一致。所述的釘扎方向與磁敏電阻長(zhǎng)軸垂直方向一致。所述釘扎自由層兩端的反鐵磁材料所選用的材料可以與自旋閥磁敏電阻中的釘 扎層的反鐵磁材料所選用的材料相同。本發(fā)明的自旋閥磁敏電阻結(jié)構(gòu)中自由層兩端采用了反鐵磁材料進(jìn)行釘扎，能夠使 自由層末端有效單疇化，從而減小末端效應(yīng)帶來(lái)的磁滯。此外，自由層中兩端被釘扎區(qū)域的 特殊形狀可在兩端被釘扎區(qū)域與未被釘扎區(qū)域的分界線上產(chǎn)生磁荷效應(yīng)，可對(duì)在外磁場(chǎng)下 自由轉(zhuǎn)動(dòng)的未被釘扎的自由層產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)偏置作用，使其單疇化，從而進(jìn)一步減小磁敏 電阻的磁滯。采用與自旋閥結(jié)構(gòu)中釘扎層相同的反鐵磁材料對(duì)自由層末端進(jìn)行釘扎，一方 面可以簡(jiǎn)化工藝，另外可以避免熱處理過(guò)程中材料性能劣化。


圖1為美國(guó)專(zhuān)利中自旋閥磁敏電阻的自由層結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為美國(guó)專(zhuān)利中利用反鐵磁釘扎自由層末端技術(shù)制備的自旋閥材料結(jié)構(gòu)示意 圖；圖3為本發(fā)明方法中自由層結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例示意圖；圖5為本發(fā)明中自旋閥磁敏電阻各層的磁化方向示意圖；圖6為仿真模型圖；圖7(1)為圖6中仿真模型的仿真結(jié)果圖；圖7(2)為圖6中仿真模型未對(duì)自由層兩端釘扎時(shí)的仿真結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。如圖3所示，本發(fā)明方法是在制備自旋閥磁敏電阻過(guò)程中，利用反鐵磁材料對(duì)自 由層兩端進(jìn)行釘扎，在自由層兩端形成被釘扎區(qū)域；圖中陰影部分表示自由層兩端被反鐵 磁材料釘扎在垂直于長(zhǎng)軸的方向上。自旋閥磁敏電阻的主體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形，兩端可設(shè)計(jì)為斜角和弧形等特殊結(jié)構(gòu)，長(zhǎng) 方形的長(zhǎng)度方向?yàn)榇琶綦娮璧拈L(zhǎng)軸方向。被釘扎區(qū)域與未被扎區(qū)域的分界線為直線段。分界線與磁敏電阻長(zhǎng)軸垂直方向即被釘扎方向形成夾角，且自旋閥磁敏電阻中自 由層兩端分界線相對(duì)于長(zhǎng)軸垂直方向的傾斜方向相同。如圖5所示，自旋閥磁敏電阻從上至下依次為自由層，Cu層、被釘扎層和釘扎層。 釘扎層將被釘扎層的磁化方向釘扎在垂直于長(zhǎng)軸的方向，自由層兩端(陰影部分)采用反 鐵磁材料進(jìn)行釘扎，其釘扎方向與被釘扎層的釘扎方向相同，為垂直于長(zhǎng)軸的方向，自由層 未被釘扎部分的磁化方向在磁場(chǎng)的作用下可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，自旋閥磁敏電阻阻值的變化與所加 外磁場(chǎng)成正比。釘扎自由層兩端的反鐵磁材料所選用的材料可以與自旋閥磁敏電阻中的釘扎層 的反鐵磁材料所選用的材料相同。
本發(fā)明的本質(zhì)特點(diǎn)在于自由層兩端被釘扎區(qū)域和自由層中未被釘扎區(qū)域的分界 線與長(zhǎng)軸的垂直方向不平行，同時(shí)兩端的分界線相對(duì)于長(zhǎng)軸垂直方向的傾斜方向相同。因 此不僅限于圖3所示的結(jié)構(gòu)，也可是其它具有這種本質(zhì)特點(diǎn)的設(shè)計(jì)，圖4列舉了另一種實(shí)施 方式，陰影部分為自由層兩端被釘扎區(qū)域。自由層兩端被釘扎區(qū)域與未被釘扎區(qū)域的分界 線相對(duì)于長(zhǎng)軸的垂直方向傾斜方向相同，兩邊的傾角α和β可以相同，也可以不同。本發(fā)明中自旋閥磁敏電阻可以是上釘扎自旋閥結(jié)構(gòu)或下釘扎自旋閥結(jié)構(gòu)。上釘 扎自旋閥結(jié)構(gòu)自下而上由鐵磁自由層、非磁性間隔層、鐵磁被釘扎層以及反鐵磁釘扎層組 成。鐵磁自由層材料可選用NiFe、NiFeC0、C0Fe、C0、C0FeB及其復(fù)合層材料；間隔層由非磁 性導(dǎo)電材料組成，可以是Cu、Au、Ag、Cr及其合金；鐵磁被釘扎層由鐵磁材料，可以是NiFe、 NiFeCo, CoFe, Co及其復(fù)合層材料，鐵磁被釘扎層也可由人工合成反鐵磁材料結(jié)構(gòu)組成；反 鐵磁釘扎層由反鐵磁性材料組成，通常為FeMn、NiMn, IrMn, PtMn, PtPdMn, CrPtMn合金材 料。人工合成反鐵磁材料由鐵磁層/非磁性層/鐵磁層三層組成，鐵磁層可以是NiFe、 NiFeCo, CoFe, Co及其復(fù)合層材料，非磁性層一般采用Ru。通常采用的典型的材料結(jié)構(gòu)為 CoFe/Ru/CoFe。；如圖6所示，針對(duì)兩端為弧形結(jié)構(gòu)的自旋閥磁敏電阻進(jìn)行仿真，自旋閥自由層中 間未被釘扎部分長(zhǎng)度為4 μ m，寬度為1 μ m,兩端弧形部分高度為1. 5 μ m。自由層兩端被釘 扎在長(zhǎng)軸的垂直方向上，釘扎強(qiáng)度為9000e，自由層兩端被釘扎區(qū)域與中間未被釘扎區(qū)域的 分界線與長(zhǎng)軸垂直方向夾角為45°。圖7(1)為上述模型的微磁仿真結(jié)果，即在士200 Oe的外磁場(chǎng)作用下得到的磁化 曲線。自旋閥磁敏電阻的磁化曲線沒(méi)有磁滯。對(duì)比圖7 (2)中未對(duì)自由層兩端釘扎時(shí)得到的 磁化曲線存在明顯磁滯的情況，說(shuō)明通過(guò)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了消除自旋閥磁敏電阻磁滯的目的。
權(quán)利要求
一種消除自旋閥磁敏電阻磁滯的方法，其特征在于該方法是在制備自旋閥磁敏電阻過(guò)程中，利用反鐵磁材料對(duì)自由層兩端進(jìn)行釘扎，在自由層兩端形成被釘扎區(qū)域；所述的被釘扎區(qū)域與未被扎區(qū)域的分界線為直線段；所述的分界線與磁敏電阻長(zhǎng)軸垂直方向形成夾角Φ，0°＜Φ＜90°；且自旋閥磁敏電阻中自由層兩端分界線相對(duì)于長(zhǎng)軸垂直方向的傾斜方向相同；所述的自由層兩端被釘扎區(qū)域的釘扎方向與自旋閥磁敏電阻中的被釘扎層的釘扎方向一致；所述的釘扎方向與磁敏電阻長(zhǎng)軸垂直方向一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除自旋閥磁敏電阻磁滯的方法，其特征在于所述釘 扎自由層兩端的反鐵磁材料所選用的材料可以與自旋閥磁敏電阻中的釘扎層的反鐵磁材 料所選用的材料相同。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種消除自旋閥磁敏電阻磁滯的方法?，F(xiàn)有的方法工藝復(fù)雜且不適合于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明方法是在制備自旋閥磁敏電阻過(guò)程中，利用反鐵磁材料對(duì)自由層兩端進(jìn)行釘扎，在自由層兩端形成被釘扎區(qū)域；被釘扎區(qū)域與未被扎區(qū)域的分界線為直線段；分界線與磁敏電阻長(zhǎng)軸垂直方向即被釘扎方向形成夾角，且自旋閥磁敏電阻中自由層兩端分界線相對(duì)于長(zhǎng)軸垂直方向的傾斜方向相同；自由層兩端被釘扎區(qū)域的釘扎方向與自旋閥磁敏電阻中的被釘扎層的釘扎方向一致；釘扎方向與磁敏電阻長(zhǎng)軸垂直方向一致。本發(fā)明方法可以有效地消除自旋閥磁敏電阻的磁滯，使之線性化，從而達(dá)到優(yōu)化器件性能的效果。
文檔編號(hào)H01L43/08GK101964393SQ20101025144
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者錢(qián)正洪 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)