专利名称：使用侧向自旋转移的低噪音磁场传感器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及石兹场传感器的领域，更具体地涉及具有垂直于层的
平面的电;虎几<可形^1犬(g6om6trie de courant)的自4t阀的4页i或。
本发明尤其用于》兹记录领域。
背景技术：
磁场传感器应用于众多应用中用于计算才几硬盘的读头、用于 读取》兹道的装置、/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，》兹场变化改变了不兹阻材冲牛的电阻，导 致传感器端子处的电压变化。
最初的》兹阻传感器利用薄/磁层的》兹阻的各向异性，即利用这种 层的电阻才艮据》兹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(couche pi^6e ))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^兹层中的电阻的变化(称作巨^兹阻效应)。例如，在
1994年于Journ. Magn. Mater. 136的第335至359页发表的B. Dieny 的名为"自^:阀多层中的巨》兹阻"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CIP (面内电流)构造的层的平面平 行的电流几何形状。》更盘上的位尺寸(2006年大约是100nmx40nm ) 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。
才艮据此构造，包围》兹阻元件的屏蔽Ucrans)也用作电流l命入 (amen6e 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IIO俘获的磁层120、非磁性薄层 130和^兹化随着外部》兹场而自由变化的^兹层140组成。可通过一对 侧向永》兹4失(未示出)将偏》兹场施加于自由层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层的磁化的相对定向确
定自^:阀的电阻。
由于构成自旋阀的层的低厚度及其金属特性，具有CPP构造的 自旋阀具有非常低的电阻。为了制造适于前置方文大器的典型输入阻 抗(数十欧姆)的阻抗传感器，可以使用具有高表面电阻(以anm2 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f兹阻隧道结或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^l"制 成，例如由氧化铝或氧化4美(MgO)制成。
自旋阀的另 一限制来源于影响读取信号的噪音。这从各种源中 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AR/R 比值，其中，AR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^v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i兹化波动可由热扰动导致，或者可从壁俘获 (pi6geage de parois )或》兹域的不稳、定性产生。对于相同的肆毛散功率， 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AR/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AR/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AR/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示出了典型的噪音密度曲线(由1112标准化，其中，R是 传感器的电阻，I是穿过其的电流)，其根据所测》兹场的频率f影响 》兹阻传感器(基于CPP自旋阀或》兹隧道结)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(1)，从O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， 在每丈感层的》兹化;^:转的过程中，不充分才及化可导致每丈感层中出现能 够不可逆移动的壁或》兹4b可能淵&夭的不稳、定,兹i或。
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 热激活的FMR励》兹的频率对应于壽文感层的i兹化的进动自然频率时， 自然;也力文大热激活的FMR厉力石兹。
中间区域"皮标注为区域(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
本发明由包括第一俘获磁化磁层(被称作俘获层)和自由磁化 磁层(被称作敏感层)的磁阻传感器定义，在没有外场的情况下， 敏感层的》兹化基本上垂直于俘获层的磁化，所述俘获层和敏感层由
用于f兹去茅禺(d&ouplage magn6tique )的第一隔离层隔开。
根据第一实施方式，磁阻传感器还包括被称作侧向耦合层 (couche de couplage lat6ral)的层，其^f立于壽丈感层的与P鬲离层才目只t 的一侧上，并适于在保持自旋的同时向所述敏感层反向散射电子； 以及使直流电流从侧向耦合层流向俘获层的装置。
根据第一替代方式，隔离层是第一绝缘层，形成第一隧道结。
根据第二替代方式，隔离层是第一断续绝缘层，其适于限制沿 着多条电流路径穿过其的电流。
根据第三替代方式，隔离层是第一非磁性金属层。
根据第 一或第二替代方式，侧向耦合层可有利地包括第二绝缘 层或半导体层，其形成第二隧道结并具有小于隔离层的表面电阻率 的表面电阻率。
可替代地，侧向耦合层可包括第二断续绝缘层，其适于限制通 过其的电流并具有小于隔离层的表面电阻率的表面电阻率。
磁阻传感器可进一步包括与敏感层直接接触的第二金属层，所 述第二金属层包含有第三金属层或附加有第三金属层，所述第三金 属层的电阻率比第二金属层的电阻率高。根据第二实施方式，磁阻传感器包括侧向耦合层，其位于敏感层的与隔离层相对的一侧上，并适于减少电子的侧向散射和/或适于产生自S走存々者对员库4 ( perte de m6moire de spin ); 以及4吏直;克电;危从俘获层流向侧向耦合层的装置。
根据第一替代方式，隔离层是第一绝缘层，形成第一隧道结。
根据第二替代方式，隔离层是第一断续绝缘层，其适于限制沿着多条电流路径穿过其的电流。
根据第三替代方式，隔离层是第一非磁性金属层。
根据第一或第二替代方式，侧向耦合层可具有高电阻率，从而
的特征侧向尺寸短。
可替代地，才艮据三个替代方式中的一个，侧向耦合层可以是具有低电阻率的第二金属层，并包括适于导致自旋翻转的杂质。
第二金属层可具有比第 一金属层的电阻率低的电阻率。
第一隔离层可由氧4匕铝、MgO或TiOx组成。
第一金属层可由Cu组成。
第二绝纟彖层可由氧化铝、MgO或TiOx，或TaO的纳米层组成。
第二绝缘层可通过合金的氧化或AlCu双层的氧化来实现。
第二金属层可由Cu组成，第三金属层属于由Ta、 Ru、 Cr、 Zr、Nb、 Mo、 Hf、 W、 Re组成的组。侧向l禺合层可由Ta、 Ru或Cr组成。
侧向耦合层由NiFeCr或NiCoFeCr合金组成。
侧向耦合层还可由Ta和Cu的原子单层的叠层结构组成。
适于导致翻转的杂质可属于由Mn、 Pd、 Ru、 Pt、 Hf、 Ta、 W、Re、 Ir、 Pt、 Au组成的组。
根据第 一或第二替代方式的磁阻传感器可进一 步包括合成铁磁层，所述合成铁^磁层由第一和第二子^ 兹层组成，所述第一和第二子磁层中间包含反铁磁耦合子层，第 一子磁层由俘获反铁磁层俘获，第二子磁层构成所述俘获层。
合成铁/磁层可以是CoFe/Ru/CoFe,其中，CoFe子》兹层具有1至5nm的厚度，并且Ru第一反铁i兹耦合子层具有0.5至lnm的厚度。
可替 ;也，合成4失》兹层可以是 CoFe/Ru/CoFeB 或CoFe/Ru/CoFe,其中，CoFe和CoFeB子》兹层具有1至5nm的厚度，Ru第一反铁磁耦合子层具有0.5至lnm的厚度，并且第二子磁层由具有面心、立方结冲勾(structure cubique centime )的CoFeB合金或CoFe合金组成。
4孚获反4失》兹层可由PtMn、 PtPdMn或IrMn组成，例如，具有15至25nm厚度的PtMn。
每文感层可由CoFe合金组成，尤其是由Co9oFeu)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，具有0.5nm至2nm的厚度，直接位于与隔离层的界面处，另一个子层是具有1.5至5nm厚度的NiFe。
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》兹阻传感器；
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3A至图3D示意性地示出了》兹层中的侧向自4t转移效应；
图4示意性地示出了根据本发明的磁阻传感器；
图5A和图5B示意性地示出了4艮据本发明的第一实施方式的两个变型例的》兹阻传感器的细节。
具体实施例方式
本发明的基本想法是，使用侧向自旋转移效应来减少磁阻传感器中来源于磁的噪音。
在2004年于Phys. Rev. B.第69巻，054408中发表的M.D. Stiles等人撰写的名为"电流致f兹化进动的现象学理;仑(phenomenologicaltheory of current-induced magnetization precession )，，和在2004年于Phys, Rev. Lett,第92巻，2号，026602中发表的M丄.Polianski等人撰写的名为"薄纳米级》兹体中的电流致横向自旋波不稳定性"中描 述了侧向自旋转移效应(在文献中也称作自转矩)。
图3A至图3C示意性地示出了侧向自旋转移现象。
这些图示出了自由磁层或敏感层310和非》兹性金属层320之间 的界面(interface )。
区分两种情况，其中，^f叚i殳在图3A和图3B中，敏感层中的》兹 化M理想地均匀，并且在图3C和图3D中，敏感层中的/F兹化M出 现波动。
在图3A和图3C中，自旋电流从敏感层流至非磁层，即电子从 非磁层到达敏感层。相反地，在图3B和图3D中，自旋极化的电流 乂人非》兹层流至敏感层，即电子从每文感层到达非石兹层。
在图3A的构造中，来自非》兹层并且具有与》兹化M反平行的自 旋s的电子被敏感层反射。然后，所反射的电子被侧向散射并通过 电场再次返回至界面，同时，保持其自旋方向。因此，其与敏感层 的/P兹化的相互作用是侧向不变的。然而，如下面图3C所示，敏感 层的平衡是不稳定的。
在图3B的构造中，来自敏感层的电子具有其沿着磁化方向M 被极化的自旋s，并在电场的作用下透入非^磁层。这些电子中的一 些，在其布朗运动中，被反向散射至界面，但是，由于其自旋保持 与M平4于，所以其与敏感层的相互作用是侧向不变的。
在图3C的构造中，来自非磁层并且具有与敏感层的第一区域 Zj的局部石兹化M!反平行的自旋s的电子在界面处被反射，然后， 在返回至具有局部磁化M2的敏感层的另 一 区域Z2之前被侧向散射， M2的方向与Mi的方向不同。通过将其磁矩转移至敏感层，将其自方走s重新定向为与M2反平^f亍。此转移〗吏M2相对于Mi更难以定向。 通过增加敏感层磁化的波动，侧向自旋效应使得敏感层不稳定。
相反地，在图3D中，来自敏感层的第一区域Zi且沿着此区域 的局部磁化]V^极化的电子，在其布朗运动中，具有不可忽略的在 非磁层中被反向散射至界面的可能性。如果其返回至具有局部磁化 M2 (与Mi不同)的壽丈感层的区域Z2，通过将其》兹矩转移至每文感层， 将其自旋s定向为平行于M2。此转移相当于趋向于在M！的方向上 与磁化M2对准的转矩。在此情况中，通过使敏感层的磁化均匀， 侧向自旋转移效应使得每文感层稳定。
侧向自旋转移效应是通过穿过界面或被界面反射的电子所施 加的側向耦合，敏感层在其自身上施加的自旋转移。
图4示出了根据本发明的传感器的结构。
传感器400包括两个金属屏蔽401和402，其一方面用于限制 石兹场测量区域，另 一方面用于输入直流电流并获得测量电压。
与现有技术中一样，该传感器还包括磁化被反铁磁层(未示出) 俘获的第一磁层410和构成敏感层的自由磁层430。非磁性隔离层 420用于使俘获层和敏感层去耦。隔离层可以是金属层，典型地由 Cu组成，可选地布置在断续氧化层的中间以限制电流路径，或者隔 离层可以是薄绝缘层(例如，氧化铝或氧化镁(MgO))。这分别获 得自4t阀、电流限制自4t阀，或》兹隧道结。
反纟失》兹层可由合金IrMn、 PtMn、 PtPdMn组成。例如，俘获层 是3nm的单层CoFe，或者是将在下面示出的合成反铁磁结构 CoFe/Ru/CoFe的一部分。第一4孚获》兹层410具有沿着固定方向定向的》兹化MT,所述固 定方向基本平行于待测的磁场H加的方向。当没有外部磁场时，自 由石兹层在其平面中具有》兹化M,该》兹化M垂直于第一层的磁化。通 过用一对4立于》兹阻元件两侧的侧向7JCf兹4失(例如，由合金CoCr制 成)来施加偏》兹场，可获得此垂直定向。可替代地，在此元件是隧 道结的情况下，通过位于隧道结和用于电流输入的金属屏蔽之间的 堆栈(栈内偏移(in-stack bias ))中的永》兹4失层，可获得自由层的磁 化的垂直定向。在层的平面和垂直于俘获层平面的平面中选择永磁 铁层的^P兹化。通过部分地封闭隧道结的自由层，由永》兹铁层产生的 f兹场^f吏自由层在期望方向上才及化。
在敏感层中垂直极化的选择能够荻得传感器的线性响应、如同 敏感层和俘获层的磁化之间的角度的余弦而变化的自旋阀或隧道结 的》兹阻。
与现有技术不同，传感器400进一步包括第二层440 (下面称 作侧向耦合层)，其用于控制敏感层上的侧向自旋转移效应。
才艮据第一实施方式，传感器包括用于〗吏直流电流乂人侧向耦合层 流向俘获层(即，如图3D所示，电子从敏感层到达侧向耦合层) 的装置(例如，电流源，未示出)。
根据第一实施方式，侧向耦合层适于支持电子向敏感层的反向 散射，在此反向散射过程中保持自旋。通常，侧向耦合层440包括 反向散射层445，其可能包含在金属层443中或附加到金属层443 上，分别如图5A和图5B所示。侧向自旋效应使敏感层的磁化稳定， 并且，当在图2中的区域(I)中使用时，由此减小传感器中来源于 磁的噪音。
17侧向耦合层的选择取决于隔离层420的性质。事实上，侧向耦 合层的电阻与俘获层/隔离层/敏感层堆栈(自旋阀或隧道结)的磁阻 串联。然而，耦合层的电阻基本上与所测磁场无关，从而减小传感 器的电阻的相对变化AR/R,由此减小其灵敏度。因此，有利地，选 择具有基本上d、于俘获层/隔离层/敏感层堆栈电阻的电阻的侧向耦 合层。
例如，如果隔离层是隧道结，那么，根据情况，反向散射层445 可以是
a) 第二隧道结，其相对于第 一 隧道结更薄和/或具有更低的结高 度，该第二隧道结是绝缘的或半导体的；
b) 电流限制层，即，确保限制电流路径的断续绝缘层；
c) 具有比金属层443更高电阻率的金属层，与敏感层直接接触。
第二隧道结/电流限制层的表面电阻率被选择为基本上小于第 一隧道结的表面电阻率。
如果隔离层是电流限制层，那么，根据情况，反向散射层445 可以是
a) 非常薄的隧道结，其是绝缘的或半导体的；
b) 第二电流限制层；
c) 具有比金属层443更高电阻率的金属层，与敏感层直接接触。隧道结/第二电流限制层的表面电阻率被选择为基本上小于第 一电淨u限制层的表面电阻率。
最后，如果隔离层是金属层，那么反向散射层445优选地是具 有比金属层443更高电阻率的金属层，该反向散射层包含在金属层 443中或附加到其上，并与每文感层直4备接触。
为了使电子在其反向散射运动的过程中尽可能地保持其自旋， 必须避免向侧向耦合层中引入趋向于产生自旋翻转的元素，例如， Pd、 Pt、 Mn、 Au。
根据本发明的第二实施方式，传感器包括使直流电流从俘获层 流向侧向耦合层(即，如图3C所示，电子从侧向耦合层到达敏感 层)的装置(例如，电流源，未示出)。
根据第二实施方式，侧向耦合层适于减少电子(由敏感层反射) 的侧向散射和/或适于产生反向散射的电子的自旋存储损耗。这样， 侧向自旋转移效应不会放大敏感层的磁化波动。这能够将磁阻传感 器中来源于磁的噪音保持在相对较低的水平。
侧向耦合层的选择还取决于隔离层的性质。
例如，如果隔离层是隧道结或电流限制层，那么，根据情况， 侧向耦合层可包括
a) 具有高电阻率的层，其中，电子具有短的平均自由路径。对 于短的平均自由路径，表示比敏感层的均匀磁化区域的特征侧向尺 寸小的平均自由路径；
b) 具有低电阻率但是包含导致电子自旋翻转的杂质的金属层。最后，如果隔离层是金属层，那么侧向耦合层可包括具有低电 阻率的且包含导致自旋翻转的杂质的金属层。
才艮据本发明的》兹阻传感器可通过以下方式实现。
首先，优选地在电流输入电极(例如， 一个限制测量区域的金 属屏蔽)上沉积非磁性緩冲层。此緩冲层具有促进结构生长的目的，
并由例如5nm的NiFeCr构成。然后，依次实现
(a)第一俘获反铁》兹层，例如，由PtMn、 PtPdMn或IrMn构成， 优选地，由具有15至25nm厚度的PtMn构成，；然后，继续选项(bl ) 或选项(b2);
(bl)与反铁磁层直接接触的单个磁层，例如，由CoFe合金构 成的层，富含Co，具有大约3nm的典型厚度。因此，此单层构成 根据本发明传感器的俘获磁层；或者
(b2)人造铁磁复合层，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的具有大约 3nm的典型厚度的CoFe合金层；
-具有0.5至lnm的典型厚度的Ru反铁^P兹耦合层；
-实际构成传感器400的俘获磁层410的第二俘获子层。此第 二俘获子层可由富含Co的CoFe组成。如果隔离层是绝缘的(由 MgO构成)，那么第二俘获子层也可由具有面心立方结构的CoFeB 或CoFe组成；
(c)构成根据本发明传感器的隔离层的非磁性层。其可以是绝 缘的，例如，由氧化铝或MgO或TiOx构成，以便实现隧道结。其 也可以是金属的(例如，由Cu构成)，以实现自旋阀。最后，其可以是绝缘体与金属的复合层，例如，由Al^Cux合金的薄层的氧化 制成(按体积，x在0.005和0.05之间)，以实现电流限制结构；
(d) CoFe合金的层，富含Co,尤其是Co9oFe^，其构成根据本 发明的传感器的敏感层。此层可由两个子层Co和Fe的组合交替地 形成，具有lnm的总厚度，与跟随3nm的NiFe层的第一隔离层直 接接触，以增加上述层的磁性平稳性。
然而，如果第一隐藏(sous jacente)隔离层由具有面心立方结 构的MgO构成，那么优选地使用具有相同结构的CoFe合金或者随 后可被退火的无定形CoFeB合金。从而可避免界面处的晶格失配；
(e) 侧向耦合层，将根据本发明的实施方式区分侧向耦合层的 组成。
在第一实施方式的情况中，如上所述，耦合层的组成取决于隔 离层的性质。
如果隔离层形成隧道结，那么，根据情况，侧向耦合层可包括
ei)非常薄的第二隧道结，例如，与第一隧道结的材并+相同的 绝缘层，^旦是其更薄，例如，在0.3至0.6nm之间；
e2)能够限制电流路径的断续绝缘层，例如，TiOx的层，或非 磁性氧化物(例如，TaO)的纳米层。此断续绝缘层也可通过合金 的氧化或包4舌少量百分比的Cu的AlCu双层的氧化来实现；
e3)金属双层，包括具有低电阻率的且与敏感层直接接触的第 一金属子层和具有比第 一子层的电阻率高的电阻率的第二金属子 层，或者，其与第一子层的界面具有高电阻率或电子的电位阶跃， 例如，第一子层由Cu构成和第二子层由Ta、 Ru、 Cr、 Zr、 Nb、 Mo、 Hf、 W或Re构成。如果隔离层是电流限制层，那么侧向耦合层也可以是根据前述
选项(e0、 (e2)或(e3)的一个层。对于选项(e!)和(e2)，隧道结/第二限制 层必须具有比第一电流限制层的电阻率小的电阻率。
如果隔离层是金属层，那么侧向耦合层将优选地包括具有低 电阻率的且与敏感层直接接触的第一金属子层；以及第二金属子层， 该第二金属子层具有比第一子层更高的电阻率或者与第一子层的界 面具有更高的阻<直或电子的电4立阶3夭。例如，第一子层可以由Cu 构成，第二子层可以由Ta、 Ru、 Cr、 Zr、 Nb、 Mo、 Hf、 W或Re 构成。
在第二实施方式的情况中，如上所述，耦合层的组成取决于隔 离层的性质。
如果隔离层是隧道结或电流限制层，那么侧向耦合层可包括以 下两个选项(e4和es)的一个或另一个
e4)具有高电阻率且厚度为0.2nm至几nm的层。例如，此层可 以由Ta、 Ru、 Cr构成或者由NiFeCr或NiCoFeCr合金构成，4吏电 子具有短的平均自由路径。此层也可由Ta和Cu的原子单层的叠层 结构组成；
e5)具有低电阻率但是包含导致电子自旋翻转的杂质的金属 层。作为杂质，可使用磁性离子(例如，Mn)和/或具有高自旋轨 道耦合的元素(例如，Pd、 Ru、 Pt、 Hf、 Ta、 W、 Re、 Ir、 Au )。
通过在诸如选项(e4)中描述的高电阻率层中添加导致选项(es)中 指示的电子自旋翻转的杂质，这两个选项也可组合。
最后，如果隔离层是金属的，那么侧向耦合层将按照上述选项 (es)实现。
权利要求
1.一种磁阻传感器，包括被称作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)，在没有外场的情况下，所述敏感层的磁化基本上垂直于俘获层的磁化，所述俘获层和敏感层由用于磁去耦的第一隔离层(420)隔开，其特征在于，所述磁阻传感器还包括被称作侧向耦合层的层(440)，其位于所述敏感层的与所述隔离层相对的一侧上，并适于在保持自旋的同时向所述敏感层反向散射电子；以及使直流电流从所述侧向耦合层流向所述俘获层的装置。
2. 根据权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，所述隔离层 是第一绝缘层，形成第一隧道结。
3. 根据权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，所述隔离层 是第 一断续绝缘层，其适于限制沿着多条电流路径穿过所述隔 离层的电流。
4. 根据权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，所述隔离层 是第一非磁性金属层。
5. 根据权利要求2或3所述的磁阻传感器，其特征在于，所述侧 向耦合层包括第二绝缘层或半导体层，所述第二绝缘层或半导 体层形成第二隧道结并具有小于所述隔离层的表面电阻率的 表面电阻率。
6. 根据权利要求2或3所述的磁阻传感器，其特征在于，所述侧 向耦合层包括第二断续绝缘层，所述第二断续绝缘层适于限制 通过其的电流并具有小于所述隔离层的表面电阻率的表面电 阻率。
7. 根据权利要求2、 3或4所述的磁阻传感器，其特征在于，所 述f兹阻传感器包括与所述敏感层直接接触的第二金属层(443 ),所述第二金属层包含有第三金属层(445 )或者附加 有第三金属层，所述第三金属层的电阻率比所述第二金属层的 电阻率高。
8. —种》兹阻传感器，包括被称作俘获层的第一俘获磁化》兹层(410)、和^皮称作每丈感层的自由》兹化》兹层(430),在没有外场 的情况下，所述敏感层的磁化基本上垂直于俘获层的磁化，所 述俘获层和敏感层由用于磁去耦的第一隔离层(420)隔开， 其特征在于，所述磁阻传感器还包括被称作侧向耦合层的层(440)，其位于所述敏感层的与所述隔离层相对的一侧上，并 适于减少电子的侧向散射和/或适于产生自旋存储损耗；以及 使直流电流从所述俘获层流向所述侧向耦合层的装置。
9. 根据权利要求8所述的磁阻传感器，其特征在于，所述隔离层 是第一绝缘层，形成第一隧道结。
10. 根据权利要求8所述的磁阻传感器，其特征在于，所述隔离层 是第 一断续绝缘层，其适于限制沿着多条电流路径穿过其的电流o
11. 根据权利要求8所述的磁阻传感器，其特征在于，所述隔离层 是第一非磁性金属层。
12. 根据权利要求9或10中任一项所述的磁阻传感器，其特征在 于，所述侧向耦合层具有高电阻率，从而所述侧向耦合层中的 电子的平均自由路径比所述敏感层的均匀磁化区域的特征侧 向尺寸4豆。
13. 根据权利要求9、 IO或11所述的磁阻传感器，其特征在于， 所述侧向耦合层是具有低电阻率的第二金属层，并包括适于导 致自旋翻转的杂质。
14. 才艮据权利要求11和13中任一项所述的》兹阻传感器，其特征在 于，所述第二金属层具有比所述第 一金属层的电阻率低的电阻 率。
15. 根据权利要求2或9所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第 一隔离层由氧化铝、MgO或TiOx组成。
16. 根据权利要求4或11所述的磁阻传感器，其特征在于，所述 第一金属层由Cu纟且成。
17. 根据权利要求5所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二绝 纟彖层由氧化铝、MgO或TiOx组成。
18. 根据权利要求5或6所述的磁阻传感器，其中，所述第二绝缘 层由TiOx组成，或由TaO的纳米层组成。
19. 根据权利要求6所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二绝 缘层通过合金的氧化或AlCu双层的氧化来实现。
20. 根据权利要求7所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第二金 属层由Cu组成，并且其特4正在于，所述第三金属层属于由Ta、 Ru、 Cr、 Zr、 Nb、 Mo、 Hf、 W、 Re组成的组。
21. 根据权利要求12所述的磁阻传感器，其特征在于，所述侧向 耦合层由Ta、 Ru或Cr组成。
22. 根据权利要求12所述的磁阻传感器，其特征在于，所述侧向 耦合层由NiFeCr或NiCoFeCr合金组成。
23. 根据权利要求12所述的i兹阻传感器，其特征在于，所述侧向 耦合层由Ta和Cu的原子单层的叠层结构组成。
24. 根据权利要求13所述的磁阻传感器，其特征在于，所述杂质 属于由Mn、 Pd、 Ru、 Pt、 Hf、 Ta、 W、 Re、 Ir、 Pt、 Au纟且成的组。
25. 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》兹阻传感器还包括合成4失-磁层，所述合成4失》兹层由第 一和 第二子》兹层组成，所述第一和第二子万兹层中间包含反4力磁耦合 子层，所述第一子磁层由俘获反铁磁层俘获，所述第二子磁层 构成所述俘获层(410)。
26. 根据权利要求25所述的磁阻传感器，其特征在于，所述合成 铁磁层是CoFe/Ru/CoFe,其中，CoFe子磁层具有1至5nm的 厚度，并且Ru第一反铁磁耦合子层具有0.5至lnm的厚度。
27. 根据权利要求25所述的磁阻传感器，其特征在于，所述合成 牵失》兹层是CoFe/Ru/CoFeB或CoFe/Ru/CoFe，其中，CoFe和 CoFeB子磁层具有1至5nm的厚度，Ru第一反铁磁耦合子层 具有0.5至lnm的厚度，并且所述第二子磁层由具有面心立方 结构的CoFeB合金或CoFe合金组成。
28. 根据权利要求25、 26或27所述的磁阻传感器，其特征在于， 所述4孚获反4失一磁层由PtMn、 PtPdMn或IrMn组成。
29. 根据权利要求28所述的磁阻传感器，其特征在于，所述俘获 反4失f兹层由具有15至25nm厚度的PtMn组成。
30, 4艮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Co9oFe,o组成。
31. 根据权利要求1至29中任一项所述的磁阻传感器，其特征在 于，所述壽t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2nm的厚度，直接位于与隔离层的界面 处，另一个子层是具有1.5至5nm厚度的NiFe层。
全文摘要
本发明涉及一种磁阻传感器，其包括第一俘获磁化磁层(410)，被称作俘获层；和自由磁化磁层(430)，被称作敏感层，在没有外场的情况下，敏感层的磁化基本上垂直于俘获层的磁化，所述俘获层和敏感层由用于磁去耦的第一隔离层(420)隔开。磁阻传感器还包括被称作侧向耦合层的层(440)，其位于敏感层的与隔离层相对的一侧，并能够控制侧向自旋转移。
文档编号G01R33/09GK101688903SQ200880023901
公开日2010年3月31日 申请日期2008年7月4日 优先权日2007年7月10日
发明者伯纳德·迪耶尼 申请人:法国原子能委员会;国立科学研究中心