[发明专利]具有偏置磁层结构的磁场元件

说明书

本发明涉及磁场元件，该磁场元件被提供了第一磁层结构、具有基本上为固定磁化方向的第二磁层结构，以及将第一磁层结构和第二磁层结构彼此分开的隔离层结构的层叠，该磁场元件还被提供了用于将纵向偏置场施加给第一磁层结构的偏置装置。

US-A6,023,359公开了用于传感外部磁场的磁隧道结磁阻传感器。磁隧道结器件包括被绝缘隧道势垒层相互分开的固定铁磁层和传感铁磁层，并且它是建立在自旋-极化电子隧道现象的基础上。当传感电流从一铁磁层到另一磁铁磁层垂直穿过磁隧道结时，磁隧道结器件的响应通过测量磁隧道结的电阻被确定。磁隧道结器件容易遇到维持单个磁畴态的问题。移动畴壁会引起噪声并且降低信噪比。当需要线性响应时，这会导致传感器的不可再现的响应。由于这种问题，公知的磁隧道结磁阻传感器在与传感铁磁层进行静磁耦合的磁隧道结层叠中被提供了偏置铁磁层。非磁电导隔离层被呈现在偏置层与层叠中的其它层之间，这样就防止了偏置层与传感铁磁层之间的铁磁耦合。来自偏置铁磁层的去磁化场与传感铁磁层的边缘进行静磁耦合。这样，其中的隔离层足够厚，传感层与偏置层的磁矩通过反铁磁耦合场相互进行磁耦合，该反铁磁耦合场由传感层与偏置层边缘的静磁耦合产生。

公知传感器的缺点在于具有偏置层的传感层的磁耦合角度依赖于元件的几何结构，特别是其中的关联层。此外，为了抑制可能的铁磁耦合，反铁磁静磁耦合需要厚的隔离层，但是，这样厚的层会在面内电流的情况中引进不希望的电分流。这种影响使得反铁磁耦合机制实际上不适合于用在GMR或AMR元件中。在本文中，请注意公开的测量仅涉及磁隧道结磁阻传感器。

本发明的一个目的是改善开始段落中所描述的那种磁场元件，用这种方式，由偏置装置感应的磁耦合相对地独立于场元件的几何结构。

根据本发明的磁场元件可实现此目的，该磁场元件被提供了第一磁层结构、具有基本上为固定磁化方向的第二磁层结构、以及将第一磁层结构和第二磁层结构彼此分开的隔离层结构的层叠，磁场元件还被提供了用于将纵向偏置场施加给第一磁场层结构的偏置装置，其中偏置装置包括位于第一磁层结构对面的偏置磁层结构，该偏置磁层结构提供了一个垂直于第二磁层结构的磁化方向的磁耦合场分量，并且被非磁层结构从第一磁层结构分开，从而第一磁层结构主要被铁磁耦合到偏置磁层结构。纵向偏置场被垂直地导向第二磁层结构的固定磁化方向。施加的测量通过非磁层结构在偏置磁层结构与第一磁层结构之间引起磁耦合。在磁场元件的制造过程中，偏置磁层结构可利用一种已经存在的技术的简单的方法来实现。在偏置磁层结构的形成过程中，应施加磁场，其在第二磁层结构的形成期间使施加的场的角度大于0°并小于180°。

用在场元件中的偏置装置可用于不同传感原理的传感器中。根据本发明的磁场元件可以是一种自旋隧道结元件，在该情况中，隔离层结构包括绝缘材料的隧道势垒层，如Al₂O₃，或者巨磁阻类型的自旋阀(spin-valve)元件。在两种情况中，一个很重要的磁特征是第一磁层结构的磁滞。当该层结构的磁矩由磁源例如一通过的磁盘的磁场来进行排列时，就可实现与第二磁层结构磁矩的反平行排列。这种影响导致电阻的改变。为了防止在磁场元件的输出端失真，必须防止在所述磁排列过程中无规律地穿过第一磁层结构移动的畴壁的引入。如果磁滞存在于第一磁层结构中，就会引进畴壁。已经证实在根据本发明的传感器中的所述磁滞明显被降低甚至完全被消除。

在根据本发明的磁场元件中，磁耦合场，即纵向偏置场，存在于偏置磁层结构与第一磁层结构之间。引起的耦合主要是铁磁的，即铁磁耦合超过可能存在的反铁磁耦合起支配作用。这种支配可通过精心地将隔离层结构的厚度选择为关联层结构的铁磁材料的函数来得到。铁磁耦合被限定在一个大的面积上，即原则上为偏置层结构和第一层结构的相对面，发生在很局部的水平上，即为结构的颗粒尺寸的数据取。更精确的，由于磁层结构的起伏或者粗糙，因此需要的铁磁耦合要通过利用铁磁耦合来获得。这种耦合也被称为橙皮耦合或者拓扑耦合。在此发明中，偏置磁层结构和第一磁层结构的相关起伏导致铁磁耦合，所述的结构被具有足够厚度的非磁隔离层结构分开。在平行磁化的情况中，磁通穿过隔离结构从该磁结构到其它的结构；这使得具有平行磁化的情形在反平行配置上起积极的有利作用。

通过使隔离层结构充分薄，例如在将Ta用作隔离材料的情况下层厚度一般小于约3纳米，以及通过使偏置层结构中铁磁层的饱和磁化选择得足够大，可确保铁磁耦合超过静磁反铁磁耦合而起支配作用，因此铁磁耦合相对独立于场元件的几何结构并且至少元件的大部分是均匀的。