專利名稱：基于波動磁阻的磁阻傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于從磁介質(zhì)中讀出信息信號的磁傳感器，特別是經(jīng)改進的磁阻讀出傳感器。
先有技術(shù)揭示了一種磁傳感器，稱作磁阻(MR)敏感器或讀出頭，它能以極大的線性密度從磁表面讀出數(shù)據(jù)。MR讀出器通過由磁性材料制成的讀出部件的電阻變化探測磁場信號，該變化量是讀出部件檢測的磁通的大小和方向的函數(shù)。這些先有技術(shù)的MR敏感器的工作原理是以異向磁阻效應為基礎(chǔ)的，其中電阻分量隨磁化和電流方向之間夾角的余弦的平方變化。這些MR讀出器的工作原理以AMR效應為基礎(chǔ)，即使該效應只產(chǎn)生非常小的電阻變化百分比。
最近，出版了有關(guān)得到增強了的MR效應的技術(shù)報道。其中有一份出版物(“疊層磁結(jié)構(gòu)中反鐵磁夾層互換增強磁阻“G.Binasch等，見《物理評論》第39卷第4828頁，1989年)描述了一種疊層磁結(jié)構(gòu)，它增強了由磁化的逆平行排列引起的MR效應。然而，得到這些電阻變化所需的磁飽和太高了，結(jié)果太非線性了，因此不適用于生產(chǎn)實際的MR讀出器。
另一份出版物(“疊層磁結(jié)構(gòu)橫穿夾層的鐵磁層的互換耦合“P.Gurnberg等，MRS Intl.Adv.Mats，第10卷第255頁，1989年)以及追溯到二十世紀60年代的研究都揭示了在這種系統(tǒng)中的鐵磁耦合，這些系統(tǒng)隨著系統(tǒng)在范圍的磁層分離的增加而逐漸淘汰了。
先有技術(shù)并沒有顯示這樣的一種多層系統(tǒng)，其中磁阻高并且磁場強度足夠低，因此它能用作MR讀出器。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種具有大的磁阻值的MR傳感器。
根據(jù)本發(fā)明，MR傳感器由一個在基片上形成的多層結(jié)構(gòu)組成，包括交替的鐵磁材料層和非磁性金屬材料層，鐵磁材料和非磁性材料形成雙層，顯示出這樣的特性，即多層結(jié)構(gòu)的磁阻作為非磁性材料層的厚度的函數(shù)而變化。產(chǎn)生一個流經(jīng)MR傳感器的電流，并且MR傳感器電阻率的變化作為正在檢測的磁場的函數(shù)被檢測到。
通過選擇非磁性層的厚度使其對應磁阻的峰值，就可以得到極大的飽和磁阻，在室溫下超過65%，在4.2K時超過110%，這比任何先前觀察到的數(shù)值都大。
通過以下對本發(fā)明的附圖所示的最佳實施例的更具體的描述，本發(fā)明上述的和其它的目的、特征及優(yōu)點將變得非常清楚。


圖1表示根據(jù)先有技術(shù)的作為非磁性隔層厚度函數(shù)的飽兒磁阻，在這種結(jié)構(gòu)中包括由非磁性隔層分開的鐵磁層。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的作為一組有關(guān)的多層結(jié)構(gòu)中的非磁性層厚度函數(shù)的飽和磁阻。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的具有雙層結(jié)構(gòu)的磁阻傳感器的一個具體實施例的端面。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的作為具有雙層結(jié)構(gòu)的一個具體實施例的非磁性層厚度函數(shù)的飽和磁阻。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的具有四層結(jié)構(gòu)的磁阻讀出器的一個具體實施例的端面。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的作為具有四層結(jié)構(gòu)的一個具體實施例的非磁性層厚度函數(shù)的飽和磁阻。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明的具有雙層結(jié)構(gòu)的磁阻讀出器的另一個實施例的端面。
圖8表示作為四個類似于圖7所示結(jié)構(gòu)的平面磁場強度的函數(shù)的磁阻。
圖9表示作為圖2所示的一組結(jié)構(gòu)中的非磁性層厚度函數(shù)的飽和磁阻。
圖10表示根據(jù)本發(fā)明的具有四層結(jié)構(gòu)的磁阻讀出器的另一個實施例的端面。
圖11表示作為圖10所示結(jié)構(gòu)的非磁性層厚度函數(shù)的飽和磁場。
圖12是一組圖(a)～(f)，表示作為圖7所示類型的六個有代表性結(jié)構(gòu)的平面磁場強度的函數(shù)的磁阻。
圖13表示作為圖7所示結(jié)構(gòu)中的非磁性層厚度函數(shù)的磁阻。
圖14表示作為圖7所示結(jié)構(gòu)的磁場強度的函數(shù)的磁阻，該圖顯示在低場強時高磁阻的情況。
圖15表示作為圖7所示類型的三個結(jié)構(gòu)的平面磁場強度的函數(shù)的磁阻，但是鐵磁層的厚度是變化的。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種多金屬層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由交替的磁性材料層和非磁性材料層組成。與先有技術(shù)的結(jié)構(gòu)相比，這種多金屬層結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生意想不到的、相當高的飽和磁阻值，并且對某些材料來說，還發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)中的磁阻是非磁性層厚度的函數(shù)。
如圖1所示，先有技術(shù)中疊層結(jié)構(gòu)的飽和磁阻隨著非磁性層厚度的增加而單調(diào)減小。與先有技術(shù)相反，例如對圖2所示的某些材料組合來說，我們發(fā)現(xiàn)飽和磁阻隨著非磁性層厚度的增加而變動，磁阻隨著非磁性層厚度的增加而發(fā)生波動，在這一個具體的實施例中，第一峰值出現(xiàn)在9 和10 之間，第二峰值出現(xiàn)在大約19A或20A處，第三峰值出現(xiàn)在剛過30A處。
通過采用顯示這種波動特性的材料，選擇與例如圖2所示的其中一個峰值對應的非磁性金屬層的厚度，就有可能制成磁阻變化大的MR讀出器。
磁性層和非磁性層的材料組合的飽和磁阻的幅值作為非磁性層厚度的函數(shù)波動，這種材料組合可以通過考慮例如由它們的整體側(cè)面圖揭示的特性加以選擇。通常這些材料組合不相互形成混合物，它們之間存在著很大的混溶裂隙。
現(xiàn)有給出這些材料體系的具體例子。圖3表示磁阻(MR)讀出器的一個具體實施例。MR讀出器10包括一個在適當?shù)幕?1上形成的多層金屬結(jié)構(gòu)，具有交替的鐵磁材料層12和非磁性金屬材料層14。選擇層12和14的材料組合數(shù)N，組合件的上面是頂層16，它對讀出器10起保護層的作用。
圖3所示的本發(fā)明的一個具體實施例由以下材料的雙層結(jié)構(gòu)組成Si/48
Cu〔9
C0/Cu(tcu)〕n/50
Cu在某些具有20組雙層的樣品中采用了這種結(jié)構(gòu)，而其它則有16組雙層，它們的磁阻如圖4所示。具有16組雙層結(jié)構(gòu)的磁阻要小一些，但16組雙層結(jié)構(gòu)和20組雙層結(jié)構(gòu)的磁阻的波動方式相同，峰值出現(xiàn)在銅的大約10
、20
和剛過30A處。通過緩沖層和頂層的分流減小了磁阻的幅值，但是通過選擇具有高電阻率的緩沖層和頂層，以及通過選擇大的材料層組合數(shù)N(例如40～60)，就可以使磁阻的幅值最大。
圖5所示的本發(fā)明的具體實施例由淀積在基片11上的四層結(jié)構(gòu)組成，包括第一層鐵磁材料12，第一層非磁性金屬材料14，第二層鐵磁材料13，以及第二層非磁性金屬材料15。選擇層12、13、14和15的材料組合數(shù)N，組合件的上面是頂層16。
根據(jù)本發(fā)明的具有四層結(jié)構(gòu)的一個具體實施例由以下材料構(gòu)成Si/〔Co10
/Cu(tcu)/Ni11.5
/Cu(tcu)〕n/如圖6所示，該結(jié)構(gòu)所引起的磁阻隨厚度波動，峰值出現(xiàn)在剛剛不到10A和20A處。
還可以發(fā)現(xiàn)在上述疊層結(jié)構(gòu)中觀察到的巨大的磁阻效應基本上可以通過在一定的緩沖層上進行淀積得到。除了在基片11上形成第一鐵磁層12之前先形成緩沖層18之外，圖7所表示的雙層結(jié)構(gòu)與圖3的類似。淀積頂層16之后，緊接著是引線20和22，以便在MR讀出器、電流源24和檢測裝置26之間形成電路。
圖8畫出了雙層結(jié)構(gòu)的四幅圖，該結(jié)構(gòu)中Co和Cu層的數(shù)目相同，但阻擋層19和頂層16具有不同的Fe和Cu組合。這些圖所表示的飽和磁阻的變化大于三倍。這些差別是由于減小了通過緩沖層的分流和改變結(jié)構(gòu)中的薄膜的生長形態(tài)的結(jié)果。
為了得到最佳的磁阻，必須選擇緩沖層的材料。首先要考慮的是這種材料不與基片材料發(fā)生反應，其次要考慮的是這種材料的平整性，因為這看起來很重要，特別對薄的非磁性隔層而言(即在第一峰值附近)。此外，緩沖層應盡可能地薄，以便將分流效應減到最小，而在同時又必須保證緩沖層是一連續(xù)不斷的層。緩沖層可以由例如Fe、Ru、Cu、Rh、Ir、Re或Cr組成，并且Fe的適合的厚度在15A至50 的范圍之間。
圖2表示具有緩沖層結(jié)構(gòu)的一個具體實例，材料構(gòu)成如下Si/Fe45 /〔Co10 /Cu(tcu)〕n圖2中所標數(shù)據(jù)是在室溫300K時測得的，同樣的結(jié)構(gòu)但是在氦溫度(4.2K)下測得的數(shù)據(jù)如圖9所示。這兩幅圖相似，證明磁阻的峰值與溫度無關(guān)。
圖10表示一個MR傳感器，上類似于圖5的四層結(jié)構(gòu)組成，除了在基片11上形成第一鐵磁層12之間先形成緩沖層18之外。具有緩沖層的四層結(jié)構(gòu)的一個具體實施例的材料構(gòu)成如下Si/Ru100 /〔Co16 /Ru(ts)/Ni45 /Ru(ts)〕10/Ru50 作為該結(jié)構(gòu)的緩沖層18厚度的函數(shù)的飽和磁場見圖11所示。峰值出現(xiàn)在10 以下，20 和30 附近。該圖表明飽和磁場與飽和磁阻緊密相關(guān)，并且它們的幅值作為Ru緩沖層厚度的函數(shù)，以大約8～10A的周期波動。飽和磁場的峰值隨非磁性隔層厚度的增加而變化，其衰減速度比磁阻峰值的衰減速度要快。飽和磁場的峰值按1/(ts)P變化，其中P大約為1.7至2，而磁阻的峰值按大約1/ts變化。
圖12表示與磁場曲線成函數(shù)關(guān)系的磁阻，有六個相同的Co/Cu雙層結(jié)構(gòu)，只是銅隔離層的厚度有所變化。結(jié)構(gòu)如下Si/Fe40 /〔Co10 /Cu(tcu)〕16可以清楚地看到，Cu層厚度為9.3 時，磁阻的幅值就變大了。隨著Cu層厚度的增加，磁阻的幅值從小變大，如圖12所示。
還可以看到，產(chǎn)生磁阻響應所需的磁場強度也隨Cu層厚度的變化而變化。例如，Cu層為9.3 時的第一峰值對應大約55%的磁阻。然而，所需的場強是～3KOe。利用這些數(shù)據(jù)就可以選擇Cu層的厚度，使其在第一峰值對應最大的磁阻，或在第二峰值對應的磁阻大而場強較低。
圖13表示具有以下結(jié)構(gòu)的MR傳感器的一個具體實施例的數(shù)據(jù)Si/Ru50 /〔Co10 /Cu(tcu)〕n/Ru15 該數(shù)據(jù)顯示了磁阻的波動情況，從銅層厚度大約60 起，磁阻基本上是衰減的。在銅層較厚部分，磁阻隨著厚度增加而減小。該數(shù)據(jù)也表示一直到大于400 的極厚的銅層的大的磁阻值。
圖14表示在更低場強下產(chǎn)生較小的28%磁阻的結(jié)構(gòu)的一個實例。該結(jié)構(gòu)包括Si/50 Ru/〔10 Co/17.4 Cu〕20/15 Ru上面已經(jīng)給出了不同材料組合的多種實例，它們都顯示了飽和磁阻隨非磁性層厚度波動的特性。具體的材料組合包括Fe/Cr和Co/Cr。Cu通常和大部分鐵磁材料組合，例如Co/Cu，NiFe/Cu，Co/Cu/Ni/Cu，Co/Cu/Fe/Cu，Co/Cu/NiFe/Cu，以及Co/Cu/NiCo/Cu。Ru通常和大部分鐵磁材料組合，例如Fe/Ru，Co/Ru，Ni/Ru，NiFe/Ru，NiCo/Ru，F(xiàn)e/Ru/Co/Ru，Co/Ru/Ni/Ru，Co/Ru/NiCo/Ru，以及Co/Ru/NiFe/Ru。Ir、Re和Rh也通常和大部分鐵磁材料組合。
鐵磁層的厚度也對磁阻有影響，并且可以表明，鐵磁層應盡可能地薄。然而，圖15表示三組雙層結(jié)構(gòu)的作為平面場強函數(shù)的橫向磁阻，這種結(jié)構(gòu)組成如下Si/Fe40 〔Co(tco)/Cu9.3A〕16/Cu19 這些曲線表示磁阻和場強隨鐵磁層厚度變化而發(fā)生巨大變化的情況。當鈷層厚度增加，達到10A以上時，飽和磁阻的幅值基本上隨鈷層厚度的增加而減小。
我們已經(jīng)描述了采用鐵磁材料和非磁性金屬材料組合制成的MR傳感器，這些材料組合顯示了這樣的特性，即多層結(jié)構(gòu)的磁阻作為非磁性材料層厚度的函數(shù)而波動。通過選擇對應磁阻峰值的非磁性材料的厚度，就可以得到超過60%的非常大的磁阻。
雖然參照本發(fā)明的最佳實施例對本發(fā)明進行了具體的表述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應該懂得，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細節(jié)上做各種其它的變動。
權(quán)利要求
1.一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于一種磁阻傳感器包括基片和在該基片上形成的多層結(jié)構(gòu)，疊層結(jié)構(gòu)由鐵磁材料層和非磁性金屬材料層交替組成，所說的鐵磁材料和非磁性材料構(gòu)成雙層，它顯示了這樣的特性，即所說的多層結(jié)構(gòu)的磁阻作為所說的非磁性材料層厚度的函數(shù)而波動；產(chǎn)生流經(jīng)所說的磁阻傳感器的電流的裝置；以及檢測上述作為被測磁場函數(shù)的磁阻讀出器的電阻率變化的裝置。
2.如權(quán)利要求1的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的磁阻作為所說的非磁性材料層厚度的函數(shù)，至少包括一個第一峰值和一個第二峰值。
3.如權(quán)利要求2的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于選擇所說的非磁性材料層的厚度，以便使磁阻傳感器工作在作為所說的非磁性材料層厚度的函數(shù)的所說的磁阻的第一峰值。
4.如權(quán)利要求2的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于選擇所說的非磁性材料層的厚度，以便使磁阻傳感器工作在作為所說的非磁性材料層厚度的函數(shù)的所說的磁阻的第二峰值。
5.如權(quán)利要求1的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的非磁性材料層由從包括Cu、Cr、Ru、Ir、Re和Rh的一組材料中選出的材料構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求5的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的非磁性材料層是銅。
7.如權(quán)利要求6的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的鐵磁材料層由從包括鈷、NiFe和NiCo的一組材料中選出的材料構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求5的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的非磁性材料層是Ru。
9.如權(quán)利要求8的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的鐵磁材料層由從包括Fe、Co、Ni、NiFe和NiCo的一組材料中選出的材料構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求1的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的基片和所說的鐵磁材料層之間有一層緩沖層。
11.如權(quán)利要求10的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的緩沖層由從包括Fe、Cu、Cr、Ru、Rh、Ir和Re的一組材料中選出的材料構(gòu)成。
12.一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于一種磁阻讀出器包括基片和在讀基片上形成的多層結(jié)構(gòu)，疊層結(jié)構(gòu)由第一和第二鐵磁材料層和非磁性金屬材料層交替組成，所說的第一和第二鐵磁材料和非磁性材料構(gòu)成四層，它顯示了這樣的特性，即所說的多層結(jié)構(gòu)的磁阻作為所說的非磁性材料層厚度的函數(shù)而波動;產(chǎn)生流經(jīng)所說的磁阻傳感器的電流的裝置;以及檢測上述作為被測磁場函數(shù)的磁阻讀出器的電阻率變化的裝置。
13.如權(quán)利要求12的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的磁阻作為所說的多層結(jié)構(gòu)的非磁性材料層厚的函數(shù)，至少包括一個第一峰值和一個第二峰值。
14.如權(quán)利要求13的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于選擇所說的非磁性材料層的厚度，以便使磁阻傳感器工作在作為所說的非磁性材料層厚度的函數(shù)的所說的磁阻的第一峰值。
15.如權(quán)利要求13的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于選擇所說的非磁性材料層的厚度，以便使磁阻傳感器工作在作為所說的非磁性材料層厚度的函數(shù)的所說的磁阻的第二峰值。
16.如權(quán)利要求12的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的非磁性材料層由從包括Cu、Cr、Ru、Ir、Re和Rh的一組材料中選出的材料構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求16的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的非磁性材料層是銅。
18.如權(quán)利要求17的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的第一和第二鐵磁材料層由從包括Co和Ni，Co和Fe，Co和NiFe，以及Co和NiCo的材料組件選出的材料構(gòu)成。
19.如權(quán)利要求16的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的非磁性材料層由從包括Ru、Ir、Re和Rh的一組材料中選出的材料構(gòu)成。
20.如權(quán)利要求19的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的第一和第二鐵磁材料層由從包括Fe和Co，Co和Ni，Co和NiCo，Co和NiFe，以及Ni和Fe的材料組中選出的材料構(gòu)成。
21.如權(quán)利要求12的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的基片和所說的鐵磁材料層之間有一層緩沖層。
22.如權(quán)利要求21的一種磁阻檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的緩沖層由從包括Fe、Cu、Cr、Ru、Rh、Ir、和Re的一組材料中選出的材料構(gòu)成。
23.一種磁阻讀出器，其特征在于一個基片;以及在該基片上形成的多層結(jié)構(gòu)，疊層結(jié)構(gòu)由鐵磁材料層和非磁性金屬材料層交替組成，所說的鐵磁材料和非磁性材料構(gòu)成雙層，它顯示了這樣的特性，即所說的多層結(jié)構(gòu)的磁阻作為所說的非磁性材料層厚度的函數(shù)而波動。
全文摘要
一種由在基片上形成的多層結(jié)構(gòu)組成的磁阻(MR)傳感器，包括交替的鐵磁材料層和非磁性金屬材料層。鐵磁材料和非磁性材料構(gòu)成雙層，它顯示了這樣的特性，即多層結(jié)構(gòu)的磁阻作為非磁性材料層厚度的函數(shù)而波動。產(chǎn)生一個流經(jīng)MR傳感器的電流，并且檢測作為被測磁場函數(shù)的MR傳感器的電阻率的變化情況。
文檔編號H01L43/10GK1063960SQ9210032
公開日1992年8月26日 申請日期1992年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月8日
發(fā)明者斯圖爾特·斯蒂芬·帕沃思·帕克林, 凱文·帕特里克·羅齊 申請人:國際商業(yè)機器公司