[發明專利]使用側向自旋轉移的低噪音磁場傳感器

無效

• 申請號: 200880023901.5
• 申請日: 2008-07-04
• 公開（公告）號: CN101688903A
• 公開（公告）日: 2010-03-31
• 發明（設計）人: 伯納德·迪耶尼
• 申請（專利權）人: 法國原子能委員會;國立科學研究中心
• 主分類號: G01R33/09
• 分類號: G01R33/09
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 吳貴明

技術領域

本發明涉及磁場傳感器的領域，更具體地涉及具有垂直于層的 平面的電流幾何形狀(géométrie?de?courant)的自旋閥的領域。

本發明尤其用于磁記錄領域。

背景技術

磁場傳感器應用于眾多應用中：用于計算機硬盤的讀頭、用于 讀取磁道的裝置、磁性墨水、位置編碼器、角度編碼器、電子羅盤 等。

磁場傳感器是近年來主要研究的目標，以便與硬盤上的記錄密 度的快速增加同步前進。

從1992年開始，在計算機硬盤讀頭中使用的磁場傳感器是磁阻 型的。在此類型的傳感器中，磁場變化改變了磁阻材料的電阻，導 致傳感器端子處的電壓變化。

最初的磁阻傳感器利用薄磁層的磁阻的各向異性，即利用這種 層的電阻根據磁化和施加于其的電流之間的角度的從屬性。

最近的磁阻傳感器以自旋閥為基礎。通常將自旋閥定義為由通 過非磁性金屬的薄層隔開的兩個磁層組成的結構。通過與反鐵磁性 材料的交換相互作用，將一個磁層(稱作俘獲層(couche?piégée)) 的磁化保持固定。另一磁層(稱作自由層或敏感層)的磁化隨著施 加于其的磁場的變化而自由變化。兩個磁層的各自磁化的方向的相 對變化導致非磁層中的電阻的變化(稱作巨磁阻效應)。例如，在 1994年于Journ.Magn.Mater.136的第335至359頁發表的B.Dieny 的名為“自旋閥多層中的巨磁阻”的文章中可發現關于自旋閥的描 述。

最初的自旋閥使用與根據CIP(面內電流)構造的層的平面平 行的電流幾何形狀。硬盤上的位尺寸(2006年大約是100nm×40nm) 的減小導致具有CPP(電流垂直于平面)構造的自旋閥的發展，CPP 構造同時具有更高的集成度和更大的磁阻變化。

根據此構造，包圍磁阻元件的屏蔽(écrans)也用作電流輸入 (amenée?du?courant)和電壓端子(prise?de?tension)。具體地，在申 請WO-A-97/44781中可發現具有CPP構造的自旋閥的描述。

圖1示意性地示出了使用具有CPP構造的自旋閥100的磁阻傳 感器。

兩個金屬屏蔽101和102用來限制磁場測量區域，并用作電流 輸入和電壓端子。此區域的寬度d給出了最大讀取分辨率。自旋閥 主要由反鐵磁性層110、磁化被層110俘獲的磁層120、非磁性薄層 130和磁化隨著外部磁場而自由變化的磁層140組成。可通過一對 側向永磁鐵(未示出)將偏磁場施加于自由層140，以便當沒有外 部磁場時給其預定的磁化方向。

如果自由層140的磁化方向和俘獲層120的磁化方向平行，那 么自旋閥的電阻小，并且，在其反平行的情況中，自旋閥的電阻大。 當將待測磁場施加于層的平面中時，此磁場在所述平面中產生自由 層的磁化的旋轉。自由層的磁化相對于俘獲層的磁化的相對定向確 定自旋閥的電阻。

由于構成自旋閥的層的低厚度及其金屬特性，具有CPP構造的 自旋閥具有非常低的電阻。為了制造適于前置放大器的典型輸入阻 抗(數十歐姆)的阻抗傳感器，可以使用具有高表面電阻(以Ω.μm²測量)的磁阻材料。為此，提出將斷續氧化層插入非磁性隔離層中， 該斷續氧化層用于限制電流路徑。然而，此方法導致非常高的電流 密度，并由此導致有害于傳感器的使用壽命的電遷移現象。最后， 最有前途的技術看起來是基于使用磁阻隧道結或MTJ的技術。MTJ 結與具有CPP構造的自旋閥的區別在于，隔離層130由絕緣材料制 成，例如由氧化鋁或氧化鎂(MgO)制成。

自旋閥的另一限制來源于影響讀取信號的噪音。這從各種源中 產生。如在2001年于Appl.Phys.Lett.第78期的第1148至1150頁 發表的N.Smith等人撰寫的名為“磁阻頭中的白噪音磁化波動”的 文章所指出的，當自旋閥具有較低的磁阻相對變化(即，較低的ΔR/R 比值，其中，ΔR是平行和反平行狀態之間的電阻變化)時，主要的 噪音源是來源于電，更精確地，是從導電電子的布朗運動產生的約 翰遜噪音。相反地，如果此比值較高，那么主要的噪音源是來源于 磁。事實上，在此情況中，敏感層中的磁化波動可導致傳感器電阻 的較大波動。這些磁化波動可由熱擾動導致，或者可從壁俘獲 (piégeage?de?parois)或磁域的不穩定性產生。對于相同的耗散功率， 當傳感器的尺寸更小時，熱波動相應地更大。