[发明专利]三层磁性元件、其生产方法、使用这种元件的磁场传感器、磁性存储器和磁性逻辑门

说明书

技术领域

本发明涉及磁性材料领域，更具体地说，涉及意图用作磁场传感器或在磁性存储器中用于存储并且读取电子系统中的数据或者甚至生产可以在可重复编程逻辑器件的领域中使用的组件的那些磁性材料。

背景技术

本发明所涉及的应用之一关注用于基于测量反常霍尔效应来检测磁场的磁性元件。

存在两种类型的霍尔效应：正常（ordinary）霍尔效应和反常（extraordinary）霍尔效应。正常霍尔效应出现在金属材料或掺杂半导体中，并且归因于在磁场的影响下对电子起作用的洛伦兹力。反常霍尔效应出现于铁磁材料中的有限范围，并且是归因于与铁磁材料的磁矩的自旋轨道（spin-orbit）相互作用的电子扩散的结果。

霍尔效应的一个特性参数是霍尔电阻率，其由以下方程给出：

ρ_xy = (V_xy / I)t = R₀H + 4πR_sM_z                                       (1)

其中：

·V_xy是在垂直于电流方向的方向上在薄膜的平面中测量的霍尔电压，

·I是在薄膜的平面中流动的电流的强度，

·t是薄膜的厚度，

·R₀是正常霍尔系数，

·H是所施加的磁场的幅度，

·R_s是反常霍尔系数，并且M_z是薄膜的磁化的垂直分量。

方程（1）的第一项R₀H对应于正常霍尔电阻率，并且第二项4πR_sM_z对应于反常霍尔电阻率。对于相对较弱的磁场，正常霍尔效应通常比反常霍尔效应小若干量级，并且因此可以被忽略。

如果铁磁膜的磁化平行于平面（对于薄膜来说通常如此），则其垂直分量M_z随所施加的平面外磁场线性增加，直到达到饱和磁化M_s为止。因此，只要M_z小于M_s，反常霍尔电压就与所施加的磁场成比例。

图1示意性示出针对其磁化平行于平面的薄膜磁性材料的作为所施加的磁场的函数的霍尔电阻率的变化。对于H < 4πM_s，电阻率随所施加的场而线性变化，直到到达ρ_xy =4πR_sM_s为止。越过该点，电阻率以非常小的斜率R₀（方程（1）的第一项）随所施加的场线性变化，如先前所指示的那样。基于该原理的磁场传感器的有用操作区域因此被限制为小于4πM_s的磁场值，其中，M_s是所讨论的磁性材料的饱和磁化。

正是ρ_xy（H）斜率的斜率确定了以微欧姆厘米每特斯拉（μΩcm/T）表示的这种传感器的磁场灵敏度（sensitivity）。考虑薄膜的厚度t，并且根据关系式ρ_xy = t × R_xy，该斜率也可以以欧姆每特斯拉（Ω/T）来表示。为了最大化该斜率，可以增加反常霍尔效应项R_s或者减小材料的平面磁各向异性，以便减小垂直饱和场。

有用的是，选取具有高纵向电阻率以及高自旋轨道扩散的材料，以便最大化R_s。这种高纵向电阻率也是有利的，因为对于小型器件而言，这使得有可能在保持足够电压响应的同时将所述器件中流动的电流限制为可以经受的值，低于该值将引起不可逆的结构修改（电迁移现象）。

高纵向电阻率是通过增加材料（例如无序的合金）的原子无序性或者减小膜的厚度（已知的是，对于极端薄的膜，电阻率与膜的厚度近似相反地变化）而获得的。自旋轨道扩散所做出的贡献是通过选取包含具有高原子量的元素（例如铂、钯、金或镧系中的金属）的材料而加强（augment）的。

然而，应注意，这些材料的掺合（incorporation）一定必须根据其浓度而被限制，以便保留铁磁合金的满意磁特性。