本發(fā)明專利技術(shù)實(shí)施方式涉及磁阻自旋閥層系統(tǒng)。具體地，實(shí)施方式涉及具有增強(qiáng)穩(wěn)定性的諸如巨磁阻（GMR）或隧道式磁阻（TMR）的MR自旋閥層系統(tǒng)以及相關(guān)傳感器。本發(fā)明專利技術(shù)實(shí)施方式至少包括多層固定層或多層基準(zhǔn)層之一，使得疊層更穩(wěn)定，從而適用于比傳統(tǒng)系統(tǒng)和傳感器更高的溫度和磁場(chǎng)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)總的來(lái)說(shuō)涉及集成電路(IC)傳感器，更具體地，涉及具有增加穩(wěn)定性的磁阻自旋閥層系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
在磁阻自旋閥層系統(tǒng)中，層系統(tǒng)的電阻取決于兩個(gè)磁化方向之間的角度。參考圖1中傳統(tǒng)巨磁阻(giant magnetoresistive, GMR)自旋閥疊層,這些方向中的一個(gè)是自由的，追隨外部施加的磁場(chǎng)。與該方向關(guān)聯(lián)的層被稱為自由層。雖然圖1中示出GMR疊層，但其他磁阻技術(shù)也可用于實(shí)施方式，如隧道式磁阻(tunneling magnetoresistive, TMR)。其他磁化方向被固定并與所謂的基準(zhǔn)層關(guān)聯(lián)。基準(zhǔn)層是基準(zhǔn)系統(tǒng)的一部分，基準(zhǔn)系統(tǒng)還包括反鐵磁體層、固定層(pinned layer)、釕(Ru)層。傳統(tǒng)上,例如，固定層和基準(zhǔn)層是勻質(zhì)的并由鈷鐵(CoFe)或鈷鐵硼(CoFeB)合金組成。基準(zhǔn)系統(tǒng)的目的是保持基準(zhǔn)層的固定磁化方向盡可能穩(wěn)定。磁化通常通過(guò)將鐵磁體的磁化耦合到反鐵磁體而被固定在自旋閥層系統(tǒng)的基準(zhǔn)層中。然后，層系統(tǒng)在磁場(chǎng)中受到熱處理，其中鄰近反鐵磁體的磁化方向在系統(tǒng)冷卻后被固定。使用這種自旋閥層系統(tǒng)的磁阻傳感器可以在高達(dá)某最高溫度和最大磁場(chǎng)中使用。然而，如果傳感器暴露于較高溫度或磁場(chǎng)，則固定磁化方向會(huì)被改變，導(dǎo)致不當(dāng)?shù)膫鞲衅鞑僮鳌Ｔ谀承?yīng)用中該有限的范圍是相當(dāng)大的缺陷。例如，較強(qiáng)的磁體可有助于減小噪聲，但如果這些磁體影響傳感器的正常操作，則不能使用。因此需要能夠在較高溫度和磁場(chǎng)中使用的改善的磁阻自旋閥層系統(tǒng)和相關(guān)傳感器。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
實(shí)施方式涉及磁阻自旋閥層系統(tǒng)和傳感器。在實(shí)施方式中，磁阻(MR)自旋閥疊層包括反鐵磁體層；鄰接該反鐵磁體層的多層固定層；多層基準(zhǔn)層；多層固定層和多層基準(zhǔn)層之間的非磁性金屬層；自由層；以及自由層和多層基準(zhǔn)層之間的非磁性金屬層。在實(shí)施方式中，形成巨磁阻(GMR)自旋閥疊層的方法包括形成晶種層(seedlayer);形成自由層，自由層的第一側(cè)與晶種層的第一側(cè)鄰接；形成銅(Cu)層，Cu層的第一側(cè)與自由層的第二側(cè)鄰接；形成多層基準(zhǔn)層(reference layer),多層基準(zhǔn)層的第一側(cè)與Cu層的第二側(cè)鄰接；形成非磁性金屬層，非磁性金屬層的第一側(cè)與多層基準(zhǔn)層的第二側(cè)鄰接；形成多層固定層，多層固定層的第一側(cè)與非磁性金屬層的第二側(cè)鄰接；形成反鐵磁體層，反鐵磁體層的第一側(cè)與多層固定層的第二側(cè)鄰接；以及形成蓋帽層(cap layer，保護(hù)層)，蓋帽層的第一側(cè)與反鐵磁體層的第二側(cè)鄰接。在實(shí)施方式中，形成隧道式磁阻(TMR)自旋閥疊層的方法包括形成晶種層；形成自由層，自由層的第一側(cè)與晶種層的第一側(cè)鄰接；形成絕緣層，絕緣層的第一側(cè)與自由層的 第二側(cè)鄰接；形成多層基準(zhǔn)層，多層基準(zhǔn)層的第一側(cè)與絕緣層的第二側(cè)鄰接；形成非磁性 金屬層，非磁性金屬層的第一側(cè)與多層基準(zhǔn)層的第二側(cè)鄰接；形成多層固定層，多層固定層 的第一側(cè)與非磁性金屬層的第二側(cè)鄰接；形成反鐵磁體層，反鐵磁體層的第一側(cè)與多層固 定層的第二側(cè)鄰接；以及形成蓋帽層，蓋帽層的第一側(cè)與反鐵磁體層的第二側(cè)鄰接。在實(shí)施方式中，磁阻(MR)自旋閥疊層包括鄰接晶種層的自由層；鄰接自由層的 非磁性層；基準(zhǔn)系統(tǒng)，鄰接非磁性層，包括基準(zhǔn)層、非磁性金屬層以及固定層，基準(zhǔn)層或固定 層中的至少一個(gè)是多層；以及鄰接基準(zhǔn)系統(tǒng)的反鐵磁體層。附圖說(shuō)明結(jié)合附圖考慮本專利技術(shù)不同實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明可更完整地理解本專利技術(shù)，其中圖1是傳統(tǒng)頂部自旋閥疊層的結(jié)構(gòu)圖。圖2是根據(jù)實(shí)施方式的GMR頂部自旋閥疊層的結(jié)構(gòu)圖。圖3是根據(jù)實(shí)施方式的GMR頂部自旋閥疊層的結(jié)構(gòu)圖。圖4是根據(jù)實(shí)施方式的TMR頂部自旋閥疊層的結(jié)構(gòu)圖。圖5是根據(jù)實(shí)施方式的TMR頂部自旋閥疊層的結(jié)構(gòu)圖。圖6是根據(jù)實(shí)施方式的應(yīng)力測(cè)試方法的框圖。圖7是底部自旋閥疊層的結(jié)構(gòu)圖。雖然本專利技術(shù)易于進(jìn)行不同修改和替換，其中細(xì)節(jié)已經(jīng)通過(guò)例子在附圖中示出并在下面詳細(xì)描述。然而，應(yīng)該理解，本專利技術(shù)不限于所述的具體實(shí)施方式。相反，本專利技術(shù)涵蓋在 權(quán)利要求限定的本專利技術(shù)的精神和保護(hù)范圍內(nèi)的所有修改、等價(jià)物、和替換。具體實(shí)施方式實(shí)施方式涉及具有增強(qiáng)穩(wěn)定性的磁阻自旋閥層系統(tǒng)和相關(guān)傳感器。實(shí)施方式包括 至少一種多層固定層或多層基準(zhǔn)層，使得疊層更穩(wěn)定，從而適用于比傳統(tǒng)系統(tǒng)和傳感器更 高的溫度和磁場(chǎng)。參考圖2，描述了根據(jù)實(shí)施方式的頂部自旋閥疊層100。相比傳統(tǒng)疊層，疊層100 包括多層固定層102和多層基準(zhǔn)層104。雖然疊層100是以固定層102和基準(zhǔn)層104都為 多層描述的，但其他實(shí)施方式可僅包括一個(gè)多層，其中固定層102或基準(zhǔn)層104中的一個(gè)為 多層。然而，在這里討論的例子中，采用固定層和基準(zhǔn)層都為多層的實(shí)施方式。在圖2中，固定層102包括兩層，固定層I和固定層2。在其他實(shí)施方式中，固定 層102可包括多于兩個(gè)的多層。在一個(gè)實(shí)施方式中，固定層I包括CoFe,固定層2包括鎳鐵 (NiFe)，但這些在另一個(gè)實(shí)施方式中可相反。固定層102的層可具有相同或基本相同的磁 化方向。在實(shí)施方式中，固定層102的至少一個(gè)層包括與固定層102的一個(gè)或更多其它層 的材料不同的材料。在實(shí)施方式中，固定層102的不與反鐵磁體鄰接的至少一個(gè)內(nèi)層包括 第一材料，第一材料關(guān)于反鐵磁體的磁稱合特性比與反鐵磁體交界(interface )的層的第 二材料的耦合特性水平弱。換句話說(shuō)，例如，對(duì)于材料測(cè)試，如果幾何上相同的第一材料和 第二材料的層與反鐵磁體交界，則第一材料與反鐵磁體的磁耦合比第二材料的弱。包括NiFe和CoFe雙層的固定層102可提供比包括NiFe或CoFe的單層系統(tǒng)更穩(wěn)定的基準(zhǔn)系統(tǒng)。例如，考慮到不顧來(lái)自外場(chǎng)的磁化方向，固定層102更穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果已 表明NiFe形成的固定層102對(duì)反鐵磁體的磁耦合比CoFe的更強(qiáng)。相比之下，如果鄰近鐵 磁體包括C0Fejljg(Ru)層的磁耦合被強(qiáng)化。實(shí)施方式中Ru層可包括諸如適用于鄰近磁 性層的其他非磁性金屬的其他材料，以得到反平行磁化取向。實(shí)例包括銥(Ir)、銅(Cu)、銠 (Rh )、鋨(Os )、鉻鑰(CrMo )和其他合適的材料。雖然圖2的實(shí)施方式中，基準(zhǔn)層104包括三個(gè)層，基準(zhǔn)層1、基準(zhǔn)層2以及基準(zhǔn)層 3，但在其他實(shí)施方式中基準(zhǔn)層104可包括更多或更少的層。基準(zhǔn)層104的層可具有相同或 基本相同的磁化方向，如圖2所示。基準(zhǔn)層104的至少一個(gè)層可包括與基準(zhǔn)層104其他層 的材料不同的材料。在實(shí)施方式中，基準(zhǔn)層104的層可包括例如，CoFe、NiFe和/或CoFeB。 例如，參考圖3，在一個(gè)實(shí)施方式中，疊層110包括包含CoFe且厚度約為O. 2納米(nm)的基 準(zhǔn)層1、包含NiFe且厚度約為O. 6nm的基準(zhǔn)層2、包含CoFe且厚度約為O. 2nm的基準(zhǔn)層3。 在另一個(gè)實(shí)施方式中，固定層102被配置為類似于圖3，基準(zhǔn)層104包括厚度約為1. 3nm的 單個(gè)CoFe層。如前面所述，材料和/或厚度可以改變。例如，在不同實(shí)施方式中，包括下面討論 的關(guān)于TMR自旋閥疊層的那些實(shí)施方式，固定層102約O. 4到約4nm厚，基準(zhǔn)層104約O. 9nm 到約5nm厚。固定層102的各多層(如，固定層I或固定層2)每個(gè)都可以為約O. 2nm到約 2nm。實(shí)施方式中，基準(zhǔn)層I和3每個(gè)都可以是約O. 2到約1. 5nm,同時(shí)基準(zhǔn)層2約O. 5nm到本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種磁阻（MR）自旋閥疊層，包括：反鐵磁體層；鄰接所述反鐵磁體層的多層固定層；多層基準(zhǔn)層；所述多層固定層和所述多層基準(zhǔn)層之間的非磁性金屬層；自由層；以及所述自由層和所述多層基準(zhǔn)層之間的非磁性金屬層。
【技術(shù)特征摘要】
...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：托馬斯·貝維爾，克萊門斯·普魯格爾，沃爾夫?qū)だ?/a>，安德烈亞斯·斯特拉瑟，于爾根·齊默爾，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：英飛凌科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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