專利名稱：三軸磁場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及磁電子器件領(lǐng)域，更具體地，涉及用于在三個(gè)正交方向上感測磁場的CMOS兼容的磁電子場傳感器。
背景技術(shù)：
傳感器廣泛地用在現(xiàn)代系統(tǒng)中以測量或檢測諸如位置、運(yùn)動、力、加速度、溫度、壓力等物理參數(shù)。盡管存在用于測量這些和其他參數(shù)的多種不同的傳感器類型，但是它們均受到各種限制。例如，諸如用在電子羅盤和其他類似的磁感測應(yīng)用中的廉價(jià)的低場傳感器通常包括基于各向異性磁電阻(AMR)的器件。為了達(dá)到所需的靈敏度和與CMOS配合良好的合理的電阻，這些傳感器的感測單元通常在尺寸上在平方毫米量級。對于移動應(yīng)用，在費(fèi)用、電路面積和功耗方面，AMR傳感器配置過于昂貴。其他類型的傳感器，諸如霍爾效應(yīng)傳感器、巨磁電阻(GMR)傳感器和磁隧道結(jié) (MTJ)傳感器，已被用于提供較小外形的傳感器，但是這些傳感器具有它們自身的問題，諸如靈敏度不夠以及受溫度變化的影響。為了解決這些問題，以惠斯通電橋結(jié)構(gòu)使用MTJ和 GMR傳感器以增加靈敏度并消除依賴溫度的電阻改變。除正交軸之外，許多磁感測技術(shù)固有地響應(yīng)于所施加的場的一個(gè)取向。事實(shí)上，兩軸磁場傳感器已被開發(fā)用于電子羅盤應(yīng)用，以通過針對每個(gè)感測軸使用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)來檢測地球磁場方向。例如，霍爾傳感器通常響應(yīng)于在襯底表面法向的異面(out-of-plane)場分量，而磁電阻傳感器響應(yīng)于面內(nèi)(in-plane)施加的磁場。利用這些響應(yīng)軸，小“足印”三軸感測解決方案的開發(fā)典型地牽涉多芯片模塊，一個(gè)或多個(gè)芯片被設(shè)置為彼此成正交角度。對于磁電阻傳感器，通過仔細(xì)的傳感器設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)正交的面內(nèi)分量，但是通常通過豎直接合或焊料回流以接觸已經(jīng)豎直安裝的次級芯片來收集異面響應(yīng)。由于豎直接合的芯片的尺寸典型地由根據(jù)處理約束確定的焊盤節(jié)距支配，因此該技術(shù)導(dǎo)致大豎直范圍的所完成的封裝、高的管芯和封裝成本，并且由于必須并入穿過芯片的通孔，因此使芯片級封裝是困難和高成本的。因此，需要一種改進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造工藝，用于形成單芯片磁傳感器，其三維地響應(yīng)所施加的磁場。還需要一種三軸傳感器，其能夠高效地和廉價(jià)地被構(gòu)造為用在移動應(yīng)用中的集成電路結(jié)構(gòu)。還需要一種改進(jìn)的磁場傳感器和制造方法以克服諸如上文概述的現(xiàn)有技術(shù)中的問題。此外，結(jié)合附圖和本發(fā)明的背景，通過隨后的具體實(shí)施方式
和所附權(quán)利要求， 本發(fā)明的其他期望的特征和特性將變得明顯。


下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，并且圖1圖示了根據(jù)示例性實(shí)施例的使用由三個(gè)具有MTJ傳感器的電橋結(jié)構(gòu)形成的差分傳感器的電子羅盤結(jié)構(gòu)；圖2是根據(jù)示例性實(shí)施例的圖1的Z軸電橋結(jié)構(gòu)的部分橫截面；
圖3是圖2的四個(gè)磁隧道結(jié)傳感器中的兩個(gè)的通過有限元仿真計(jì)算的通量線的視圖；圖4是根據(jù)另一示例性實(shí)施例的圖1的Z軸電橋結(jié)構(gòu)的部分橫截面；圖5是根據(jù)又一示例性實(shí)施例的圖1的Z軸電橋結(jié)構(gòu)的部分橫截面；圖6是如圖5中所示的通量引導(dǎo)件的另一形狀；圖7是如圖5中所示的通量引導(dǎo)件的又一形狀；圖8是如圖5中所示的通量引導(dǎo)件的再一形狀；以及圖9是圖示作為覆層到傳感器的間距的函數(shù)的、對于單個(gè)(非差分配線)MTJ感測元件的被表示為X靈敏度的百分比的Z靈敏度的曲線圖。將認(rèn)識到，為了說明的簡單和清楚，圖中圖示的元件并不必然依比例繪制。例如， 出于促進(jìn)和改進(jìn)清晰性和理解的目的，一些元件的尺寸可以相對于其他元件放大。此外，在被認(rèn)為是適當(dāng)?shù)那闆r下，在附圖中重復(fù)使用附圖標(biāo)記以表示相應(yīng)的或相似的元件。

發(fā)明內(nèi)容
一種基于鐵磁薄膜的磁場傳感器包括第一磁電阻傳感器，所述第一磁電阻傳感器包括具有平坦表面的襯底；以及第一感測元件，具有與襯底的所述平坦表面平行的第一面，第一感測元件具有與第一面相反的第二面，并且具有第一和第二相反的邊緣；以及第一通量引導(dǎo)件，設(shè)置為與襯底的第一面不平行，并且具有接近第一感測元件的第一邊緣和第一面的末端?？蛇x的第二通量引導(dǎo)件可以被設(shè)置為與襯底的第一面不平行，并且具有接近第一感測元件的第二邊緣和第二面的末端。在另一示例性實(shí)施例中，一種基于鐵磁薄膜的磁場傳感器包括第一、第二和第三磁電阻傳感器。第一磁隧道結(jié)傳感器包括第一被釘扎層和在第一被釘扎層上形成的第一感測元件，第二磁隧道結(jié)傳感器包括第二被釘扎層和在第二被釘扎層上形成的并且與第一感測元件正交的第二感測元件，并且第三磁隧道結(jié)傳感器包括第三被釘扎層和在第三被釘扎層上形成的第三感測元件，第三被釘扎層被設(shè)置為與第一和第二被釘扎層中的每一個(gè)成約 45度，第三感測元件具有第一和第二邊緣以及第一和第二面。通量引導(dǎo)件被設(shè)置為與襯底的所述平坦表面不平行，并且具有接近第三感測元件的第一邊緣和第一面的末端。
具體實(shí)施例方式下面的本發(fā)明的詳細(xì)描述在本質(zhì)上僅是示例性的，并非意圖限制本發(fā)明或者本發(fā)明的應(yīng)用和使用。此外，不受前文的背景中呈現(xiàn)的任何理論或者下文的本發(fā)明的詳細(xì)描述的約束。通過集成例如鎳鐵(NiFe)的高磁導(dǎo)率材料的高寬比高的豎直棒條(通量引導(dǎo)件)，其末端緊鄰磁感測元件的相反的邊緣和相反的面終止，可以使一部分Z軸場進(jìn)入XY平面。這些通量引導(dǎo)件用于捕獲來自在Z方向上取向的施加場的磁通量，并且在這樣操作時(shí)， 在通量引導(dǎo)件的末端附近以基本上水平的方式使場線彎曲。通過通量引導(dǎo)件的不對稱安置，例如在惠斯通電橋的四個(gè)橋臂(leg)中的兩個(gè)橋臂中的感測元件的左邊緣上方的通量引導(dǎo)段，以及在另外兩個(gè)橋臂中的感測元件的右邊緣上方的通量引導(dǎo)件，對于兩對橋臂，水平分量可以作用在相反的方向上，導(dǎo)致強(qiáng)的差分信號。在X或Y方向上施加的場將等同地投射在電橋的所有四個(gè)橋臂上并因此被減除掉，并且對最終傳感器信號沒有貢獻(xiàn)。在磁傳感器芯片上的其他位置包括分立的電橋，用于確定磁信號的X和Y分量，并且通過該方式，可以由單芯片磁電阻感測模塊，例如，基于磁隧道結(jié)(MTJ)感測元件，準(zhǔn)確地確定具有所有三個(gè)空間取向上的分量的場。有限元方法(FEM)仿真表明一對高寬比高的通量引導(dǎo)件(例如，25nm寬乘以500nm高并且在第三方向上延伸數(shù)微米)在被最優(yōu)地安置時(shí)，將在單獨(dú)的元件上提供相當(dāng)于從同一強(qiáng)度的面內(nèi)(χ軸)場測量的信號的約80%的信號。通過使通量引導(dǎo)件與傳感器更近、增加通量引導(dǎo)件的高度、以及另外對引導(dǎo)件的幾何形狀進(jìn)行塑形，可以獲得另外的信號。一個(gè)示例是添加與感測元件平行的水平段，其在感測元件的邊緣上延伸。 其他示例是形成U形，其內(nèi)部水平段與感測元件的外部邊緣對準(zhǔn)，豎直段的成角的終止用于使通量引導(dǎo)件在感測元件的平面內(nèi)部分地延伸，以及形成類似地放置的箱形結(jié)構(gòu)。這些幾何特征用于進(jìn)一步增強(qiáng)所引導(dǎo)的通量的水平分量，并且使其移動到傳感器的更中心的區(qū)域。利用各個(gè)25nm寬的豎直棒條作為通量引導(dǎo)件的結(jié)構(gòu)容忍覆蓋誤差(overlay error), 并且對于單個(gè)通量引導(dǎo)層和感測層之間的85nm(3Sigma)的失準(zhǔn)，以2. 5%的比率產(chǎn)生明顯的χ到ζ場轉(zhuǎn)換(對于差分配線的惠斯通電橋)。通量引導(dǎo)層可以由典型地用在磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)工藝流程中的層形成， 在該工藝流程期間位線(bit line)和數(shù)位線(digit line)覆有高磁導(dǎo)率磁材料(諸如， 在典型的磁存儲器器件中)，其在這里被稱為通量引導(dǎo)件，這些層用于增加所存在的場系數(shù) (field factor)以減少切換存儲器存儲元件所需的電流。在傳感器應(yīng)用中，可以使用相同的工藝流程，以及濺射出數(shù)位線底部的可選的附加步驟，以便移除溝槽底部存在的任何覆層?？梢詫に嚵鞒踢M(jìn)行修改，從而使得用于通量引導(dǎo)的覆層的高度和寬度處于最優(yōu)值，而非上述示例性工藝中使用的相應(yīng)的500nm和25nm。隨后更詳細(xì)地描述了用于在體晶片上提供多軸釘扎的方法和裝置，其可用于形成具有不同參考層的集成電路傳感器，這些參考層具有三個(gè)不同的釘扎方向，其中兩個(gè)釘扎方向基本上正交，它們是通過單個(gè)釘扎材料淀積和體晶片設(shè)定工序來設(shè)定的。作為預(yù)備步驟，一個(gè)或多個(gè)鐵磁或反鐵磁材料層的疊層被刻蝕成具有高的高寬比的二維形狀的成形的參考層，其中該形狀提供了每個(gè)參考層的期望的磁化方向的區(qū)別。根據(jù)所使用的材料和技術(shù)，最終磁化方向可以沿所成形的層的短軸或長軸取向。例如，如果被釘扎層由被構(gòu)圖成微米尺度尺寸的略微不均衡的合成反鐵磁體(SAF)形成，則磁化將沿短軸定向。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到的，SAF實(shí)施例提供了與被釘扎的SAF參考層在磁電子器件中的使用相關(guān)的許多益處。在其他實(shí)施例中，通過控制被釘扎和固定的層的厚度以及所構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)的面內(nèi)空間范圍(spatial extent)，最終磁化方向?qū)⒀亻L軸定向。利用形狀各向異性，通過在存在取向場的情況下加熱，在參考層中感生了不同的磁化方向，該取向場在參考層的期望磁化方向之間對準(zhǔn)。在所選擇的實(shí)施例中，參考層被充分加熱以減少各向異性的材料分量， 并允許形狀和外部場支配磁化方向。通過該方式，一旦取向場被移除，則形狀各向異性將磁化定向在期望方向上。在移除取向場之后，參考層的磁化弛豫以遵循參考層的形狀，以便感生沿所成形的參考層的期望軸對準(zhǔn)的磁化?？梢詰?yīng)用可選的補(bǔ)償場以幫助感生正交性，并且隨后將參考層加熱到反鐵磁釘扎層的相變溫度之上。例如，如果兩個(gè)參考層被成形為具有彼此垂直的較長的尺寸，則兩個(gè)參考層的感生磁化將接近于彼此垂直?，F(xiàn)將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的各種說明性實(shí)施例。盡管在下面的描述中闡述了各種細(xì)節(jié)，但是將認(rèn)識到，本發(fā)明可以在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施，并且可以針對這里描述的本發(fā)明進(jìn)行許多實(shí)現(xiàn)方法特定的決定以實(shí)現(xiàn)器件的設(shè)計(jì)者的特定目標(biāo)，諸如與依實(shí)現(xiàn)方案而變化的工藝技術(shù)或者設(shè)計(jì)相關(guān)約束兼容。盡管該開發(fā)努力可能是復(fù)雜和耗時(shí)的，然而這將是受益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所采取的例行程序。此外，參照簡化的橫截面圖示出了選定方面，而沒有包括每一個(gè)器件特征或幾何特征以避免限制本發(fā)明或使本發(fā)明模糊。還應(yīng)當(dāng)注意，在該具體實(shí)施方式
通篇中，這里可以不對與磁傳感器設(shè)計(jì)和操作、磁電阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM)設(shè)計(jì)、MRAM操作、半導(dǎo)體器件制造、以及集成電路器件的其他方面相關(guān)的常規(guī)技術(shù)和特征進(jìn)行詳細(xì)描述。盡管作為現(xiàn)有MRAM制造工藝的一部分，將形成和移除某些材料以制造集成電路傳感器，但是下文并未詳細(xì)描述用于形成或移除這些材料的特定工序，原因在于這些細(xì)節(jié)是公知的并且不認(rèn)為其對于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實(shí)現(xiàn)或使用本發(fā)明是必需的。此外，這里包含的各種圖中示出的電路/部件布局和配置旨在表示本發(fā)明的示例性實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)注意，實(shí)際的實(shí)施例中可能存在許多替代的或另外的電路/部件布局。 圖1示出了形成有第一、第二和第三差分傳感器101、111、121的磁場傳感器100， 第一、第二和第三差分傳感器101、111、121分別用于檢測沿第一軸120(例如，y軸方向)、 第二軸110(例如，χ軸方向)和第三軸130(例如，ζ軸方向)的施加場的分量方向。ζ軸方向被表示為進(jìn)入或離開圖1所在紙面的點(diǎn)和十字絲。在美國專利申請第12/433,679號中詳細(xì)描述了第一和第二傳感器101、111的示例性實(shí)施例。如這里示出的，每個(gè)傳感器 101、111、121形成有以電橋配置連接的未屏蔽的感測元件。因此，由在相應(yīng)的多個(gè)被釘扎層 106-109上的以電橋配置的多個(gè)感測元件102-105的連接來形成第一傳感器101，其中被釘扎層106-109中的每一個(gè)在χ軸方向上磁化。以相似的方式，通過在相應(yīng)的多個(gè)被釘扎層 116-119上的多個(gè)感測元件112-115以電橋配置的連接來形成第二傳感器111，其中被釘扎層116-119每一均在與被釘扎層106-109的磁化方向垂直的y軸方向上磁化。此外，通過在相應(yīng)的多個(gè)被釘扎層上的多個(gè)感測元件122-125以電橋配置的連接來形成與第一和第二傳感器101、111處于同一平面中的第三傳感器121，其中被釘扎層126-1 每一均在與被釘扎層106-109和被釘扎層116-119的磁化方向成45度的xy軸方向上磁化。在所示電橋配置101中，感測元件102、104被形成為具有第一易軸磁化方向，并且感測元件103、 105被形成為具有第二易軸磁化方向，其中第一和第二易軸磁化方向彼此正交并且被取向?yàn)榕c被釘扎層106-109的磁化方向的差相等。對于第二電橋配置111，感測元件112、114具有與感測元件113、115的第二易軸磁化方向正交的第一易軸磁化方向，從而第一和第二易軸磁化方向被取向?yàn)榕c被釘扎層116-119的磁化方向的差相等。在第三電橋配置121中，感測元件122、123、IM和125均具有與被釘扎層1沈、127、1觀和1 的釘扎的磁化方向正交的易軸磁化方向。第三電橋配置121進(jìn)一步包括分別與感測元件122-125的右邊緣相鄰的通量引導(dǎo)件132-135，以及與感測元件122-125的左邊緣相鄰的通量引導(dǎo)件136-139。通量引導(dǎo)件132U37U34和139位于感測元件122-125上方，并且通量引導(dǎo)件136、133、138和 135位于感測元件122-125下方。隨后在圖2中更詳細(xì)地描述了這些通量引導(dǎo)件132-139 的定位。在所示傳感器101、111、121中，不存在感測元件所需的屏蔽，也不存在所需的任何特定的參考元件。在示例性實(shí)施例中，這是通過如下方式實(shí)現(xiàn)的使用形狀各向異性技術(shù)使每個(gè)有源感測元件(例如，102、104)參考另一有效(active)感測元件(例如，103、105)，以對于χ和1傳感器，建立彼此偏轉(zhuǎn)90度的被參考感測元件的易磁軸，并且對于Z傳感器， 參考以相反的方式響應(yīng)在Z方向上的施加場的感測元件。下文將更詳細(xì)地描述Z傳感器參考。不需要圖1中示出的配置來獲得圖2中更詳細(xì)描述的第三傳感器121的結(jié)構(gòu)的益處， 其僅被給出作為示例。通過將第一和第二傳感器101、111安置為正交對準(zhǔn)，在每個(gè)傳感器中感測元件取向?qū)τ趥鞲衅鞯尼斣较蛳嗟鹊仄D(zhuǎn)并且彼此正交，傳感器可以檢測施加場的沿第一和第二軸的分量方向。通量引導(dǎo)件132-139在傳感器121中以橋臂141、143和橋臂142、144之間的非對稱的方式安置在元件122-125的相反邊緣上方和下方。由于通量引導(dǎo)件132、134 被放置在感測元件122、IM上方，因此來自Z場的磁通量可以由通量引導(dǎo)件132和134沿右側(cè)引導(dǎo)到xy平面中，并且使感測元件122和IM的磁化在第一方向上朝向較高的電阻旋轉(zhuǎn)。相似地，來自Z場的磁通量可以由通量引導(dǎo)件133和135沿感測元件的右側(cè)引導(dǎo)到xy 平面中，并且使感測元件123和125的磁化在與第一方向相反的第二方向上朝向較低的電阻旋轉(zhuǎn)，原因在于這些通量引導(dǎo)件位于感測元件123、125下方。因此，傳感器121可以檢測施加場的沿第三軸的分量方向。盡管在優(yōu)選實(shí)施例中，通量引導(dǎo)件處于與場傳感器的平面正交的平面中，但是如果通量引導(dǎo)件與傳感器所成的角度不是準(zhǔn)確的90度，則通量引導(dǎo)件也仍將起作用。在其他實(shí)施例中，通量引導(dǎo)件和場傳感器之間的角度的范圍可以是45度至 135度的范圍內(nèi)，所選擇的準(zhǔn)確角度取決于諸如制造容易性等的其他因素。如從前文所見，磁場傳感器可以由差分傳感器101、111、121形成，它們使用在各自的釘扎的層或參考層106-109、116-119和126-1 上連接成電橋配置的具有被引導(dǎo)的磁通量的無屏蔽感測元件102-105、112-115以及感測元件122-125來檢測施加磁場的存在和方向。通過該配置，磁場傳感器提供了良好的靈敏度，并且還提供了電橋配置的溫度補(bǔ)償性質(zhì)。電橋電路101、111、121可以作為現(xiàn)有的MRAM或薄膜傳感器的制造工藝的一部分而被制造，僅進(jìn)行微小的調(diào)整以控制各種傳感器層的磁取向以及通量引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面。 被釘扎層106-109、116-119和中的每一個(gè)可以通過一個(gè)或多個(gè)下鐵磁層形成，并且感測元件102-105、112-115和122-125中的每一個(gè)可以通過一個(gè)或多個(gè)上鐵磁層形成。 絕緣隧穿電介質(zhì)層(未示出)可以設(shè)置在感測元件102-105、112-115和122-125與被釘扎層106-109、116-119和之間。被釘扎電極和感測電極理想地是磁化方向能夠?qū)?zhǔn)的磁材料。適當(dāng)?shù)碾姌O材料以及將材料布置成通常用于磁電阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM) 器件和其他磁隧道結(jié)(MTJ)傳感器器件的電極的結(jié)構(gòu)在本領(lǐng)域中是公知的。例如，被釘扎層106-109、116-119和可以通過一個(gè)或多個(gè)鐵磁和反鐵磁材料層形成至10至 1000人范圍內(nèi)的組合厚度，并且在所選擇的實(shí)施例中，至250至350人范圍內(nèi)的組合厚度。 在示例性實(shí)現(xiàn)方案中，被釘扎層106-109、116-119和中的每一個(gè)通過單個(gè)鐵磁層和下面的反鐵磁釘扎層形成。在另一示例性實(shí)現(xiàn)方案中，每個(gè)釘扎層106-109、116-119和 126-129包括厚度為20至80λ的合成反鐵磁疊層部件(例如，CF (鈷鐵)、釕(Ru)和CFB 的疊層)，以及厚度約為200人的下面的反鐵磁釘扎層。下面的反鐵磁釘扎材料可以是諸如 IrMn的可重新設(shè)定的材料，但是也可以使用，其在合理的溫度下不易被重新設(shè)定的其他材料，諸如PtMn。如所形成的，當(dāng)其磁化方向被釘扎在正常操作條件期間不會改變的一個(gè)方向上時(shí)，被釘扎層106-109、116-119和用作固定或被釘扎磁性層。如這里公開的，用于釘扎被釘扎層106-109、116-119和的材料的加熱質(zhì)量可以改變用于形成這些層
的制造工序。每一個(gè)感測元件102-105、112-115、122-125中的一個(gè)以及每一個(gè)被釘扎層 106-109、116-119、126-129中的一個(gè)形成了磁隧道結(jié)(MTJ)傳感器。例如，對于電橋電路 121，感測元件122和被釘扎層1 形成了 MTJ傳感器141。同樣地，感測元件123和被釘扎層127形成了 MTJ傳感器142，感測元件124和被釘扎層128形成了 MTJ傳感器143，并且感測元件125和被釘扎層1 形成了 MTJ傳感器144。被釘扎層106-109、116-119和可以通過具有沿被構(gòu)圖的參考層的長軸對準(zhǔn)的磁化方向(由箭頭指示)的單個(gè)被構(gòu)圖的鐵磁層形成。然而，在其他實(shí)施例中，被釘扎的參考層可以通過用于使被釘扎的參考層的磁化沿構(gòu)圖的參考層的短軸對準(zhǔn)的合成反鐵磁(SAF)層實(shí)現(xiàn)。如將認(rèn)識到的，SAF層可以與下面的反鐵磁釘扎層組合實(shí)現(xiàn)，但是對于提供足夠強(qiáng)的磁化的具有適當(dāng)?shù)膸缀翁卣骱筒牧系腟AF結(jié)構(gòu)，可以不需要下面的反鐵磁釘扎層，從而提供了成本節(jié)約的較簡單的制造工藝。感測元件102-105、112-115、122-125可以通過一個(gè)或多個(gè)鐵磁材料層形成到10 至5000人范圍內(nèi)的厚度，并且在所選擇的實(shí)施例中，到 ο至60A范圍內(nèi)的厚度。上面的鐵磁材料可以是軟磁材料，諸如NiFe、CoFe, Fe、CFB等。在每個(gè)MTJ傳感器中，感測元件 102-105、112-115、122-125用作感測層或者自由磁層，這是因?yàn)樗鼈兊拇呕较蚩梢砸蛲獠渴┘訄?諸如地球磁場)的存在而偏轉(zhuǎn)。如最后形成的，感測元件102-105、112-115、 122-125可以通過具有沿所構(gòu)圖的形狀的長軸對準(zhǔn)的磁化方向(由箭頭表示)的單個(gè)鐵磁層形成。被釘扎層106-109、116-119、126-129 和感測元件 102-105、112-115、122-125 可以被形成為具有不同的磁性質(zhì)。例如，被釘扎層106-109、116-119、126-129可以通過耦合到鐵磁膜以形成具有高矯頑力和偏移磁滯曲線的層的反鐵磁膜交換層形成，從而它們的磁化方向?qū)⒈会斣谝粋€(gè)方向上，并且因此基本上不受外部施加的磁場影響。相反地，感測元件 102-105、112-115、122-125可以通過軟磁材料形成以提供具有相對低的各向異性和矯頑力的不同的磁化方向，從而感測電極的磁化方向可以因外部施加的磁場而改變。在所選擇的實(shí)施例中，釘扎場的強(qiáng)度比感測電極的各向異性場大約兩個(gè)數(shù)量級，但是也可以通過使用本領(lǐng)域公知的技術(shù)以改變它們的組成來調(diào)整電極各自的磁性質(zhì)而使用不同的比。MTJ傳感器中的被釘扎層106-109、116-119、126-129被形成為在被釘扎層 106-109、116-119、126-129的平面中具有形狀確定的磁化方向(在圖1中，由標(biāo)有“釘扎方向”的對于每個(gè)傳感器電橋的矢量箭頭表示)。如這里描述的，可以使用釘扎電極的形狀各向異性獲得被釘扎層106-109、116-119、1沈-1四的磁化方向，在該情況中，對于單個(gè)被釘扎層，被釘扎層106-109、116-119、126-129的形狀每一均可以是在釘扎方向上較長。替代地，對于被釘扎的SAF結(jié)構(gòu)，參考層和被釘扎層可以是沿釘扎方向較短。特別地，被釘扎層 106-109、116-119、126-129的磁化方向可以通過如下方式獲得首先在存在取向磁場的情況下加熱成形的被釘扎層106-109、116-119、126-129，該取向磁場被取向?yàn)椴慌c成形的被釘扎層106-109、116-119、的最長取向的軸正交，從而所施加的取向場包括在被釘扎層106-109、116-119、126-129的期望釘扎方向上的場分量。被釘扎層的磁化方向至少臨時(shí)地對準(zhǔn)在預(yù)定方向上。然而，通過在該處理期間適當(dāng)?shù)丶訜岜会斣鷮硬⑶以诓粶p少熱的情況下移除取向場，被釘扎層的磁化沿所成形的被釘扎層106-109、116-119、126-129的期望的取向軸弛豫。一旦磁化弛豫，則可以使被釘扎層退火和/或冷卻，以使得被釘扎電極層的磁場方向被設(shè)定在所成形的被釘扎層106-109、116-119、1沈-1四的期望方向上。這里描述的示例性實(shí)施例可以使用如下的已知光刻工藝制造。集成電路、微電子器件、微機(jī)電器件、微流體器件、和光子器件的制造牽涉創(chuàng)建以某種方式交互的若干個(gè)材料層。這些層中的一個(gè)或多個(gè)可以被構(gòu)圖，使得層的各種區(qū)域具有不同的電氣或其他特性，其可以在層中互連或者互連到其他層以創(chuàng)建電氣部件和電路。這些區(qū)域可以通過選擇性地弓I 入或移除多種材料來創(chuàng)建。定義這些區(qū)域的圖案常常通過光刻工藝創(chuàng)建。例如，將光致抗蝕劑材料層施加到晶片襯底上面的層。通過某種形式的輻射，諸如紫外光、電子或X射線， 使用光掩模(包含透明和不透明區(qū)域)來選擇性地使該光致抗蝕劑材料曝光。通過應(yīng)用顯影劑來移除暴露于輻射的光致抗蝕劑材料，或者未暴露于輻射的光致抗蝕劑材料。隨后將刻蝕應(yīng)用到未受剩余的光致抗蝕劑保護(hù)的層，并且當(dāng)光致抗蝕劑被移除時(shí)，襯底上面的層被構(gòu)圖?？商孢x地，還可以使用附加的工藝，例如使用光致抗蝕劑作為模板構(gòu)建結(jié)構(gòu)。參照圖2，并且根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，第三電橋電路121的MTJ器件 141-144的結(jié)構(gòu)包括被釘扎層126-129、感測元件122-125、和通量引導(dǎo)件132-139，所有這些在電介質(zhì)材料140中形成。通量引導(dǎo)件136被安置為與線路145相鄰，并且具有位于傳感器元件122的邊緣下方的末端。通量引導(dǎo)件133和138位于線路146的相反兩側(cè)，并且分別具有位于傳感器元件123和124的邊緣下方的末端。通量引導(dǎo)件135被安置為與線路 147相鄰，并且具有位于傳感器元件125的邊緣下方的末端。通量引導(dǎo)件132和137通過上面的線路148間隔開，并且分別具有位于傳感器元件122和123的邊緣上方的末端，并且通量引導(dǎo)件Π4和139通過上線路149間隔開，并且分別具有位于傳感器元件134和139的邊緣上方的末端。線路145-149優(yōu)選地是銅，但是在一些實(shí)施例中可以是電介質(zhì)。金屬穩(wěn)定線路150位于MTJ器件141-144上方，用于向感測元件提供穩(wěn)定場?？梢允雇恳龑?dǎo)件的末端盡可能接近傳感器元件，此兩者之間的優(yōu)選間距為小于或等于250nm。使感測元件盡可能接近以獲得最緊密密集的陣列，優(yōu)選地間隔小于2. 5μπι。圖3是通過圖2的MTJ器件141、142的有限元仿真計(jì)算的通量線的視圖，其中ζ方向上的磁場被賦予感測元件122-123。FEM建模示出了得到的磁通量線160，其呈現(xiàn)傳感器的平面中的分量。MTJ器件141由感測元件122的相反的末端上的通量引導(dǎo)件132和136 表示。MTJ器件142由感測元件123的相反的末端上的通量引導(dǎo)件133和137表示。換言之，感測元件122從通量引導(dǎo)件132和136延伸，而感測元件123從通量引導(dǎo)件133和137 延伸。Z軸130上的磁場160在感測元件122、123中產(chǎn)生了如箭頭170指示的沿X軸120 的非對稱響應(yīng)。通過該方式，對于指向紙面底部的Z方向130上的場160，感測元件122的磁化遠(yuǎn)離被釘扎層1 的釘扎方向旋轉(zhuǎn)(并且旋轉(zhuǎn)到較高電阻)，而感測元件123的磁化朝向被釘扎層127的釘扎方向旋轉(zhuǎn)(并且旋轉(zhuǎn)到較低電阻)。對于X方向120上的場，元件 122、123均呈現(xiàn)同一方向上的感生磁化(朝向較高或較低的電阻)。因此，通過將MTJ元件 141,142配線成惠斯通電橋以用于差分測量并且使MTJ器件141、142的電阻相減，消除了 X 場響應(yīng)并且測量Z場響應(yīng)的兩倍。再次參照圖2，在暴露于可能在通量引導(dǎo)件132-139中引起磁化擾動和疇 (domain)結(jié)構(gòu)的大磁場的情況下，可以沿金屬線路145-149引入大電流脈沖以重新設(shè)定通量引導(dǎo)件疇結(jié)構(gòu)。在另一示例性實(shí)施例(圖4中所示)中，每個(gè)被覆蓋的線路145-149被分為兩個(gè)獨(dú)立的金屬線路，并且在內(nèi)部邊緣處在這兩個(gè)金屬線路之間放置另外的非通量引導(dǎo)性覆層 (161-168和191-198)。對于傳感器141，左金屬線路148的左邊緣上的通量引導(dǎo)件161將 Z場通量引導(dǎo)到其左側(cè)的感測元件122，并且右金屬線路145的最右邊緣上的通量引導(dǎo)件 192將Z場通量引導(dǎo)到其右側(cè)的感測元件122。傳感器142-144的功能相似，其中與每個(gè)感測元件相鄰的金屬線路的被覆蓋的邊緣服務(wù)于有效(active)通量引導(dǎo)功能。由于這些線路分離，因此可以使電流通過被覆蓋的線路145、146、182和183進(jìn)入紙面，并且通過181、 147、148和149離開紙面，以創(chuàng)建沿被覆蓋的線路邊緣的磁場，其中Z分量指向一致的方向 (在該示例中向下)。這些電流取向可以用于創(chuàng)建Z方向上具有強(qiáng)分量的磁場，其通過針對幾何特征進(jìn)行校準(zhǔn)，能夠用作對于Z軸響應(yīng)的功能和靈敏度的自測。另一示例性實(shí)施例(參見圖5)包括延伸部152-159，其與通量引導(dǎo)件132-139 — 體地形成。延伸部152-159沿與傳感器元件122-125相同的軸延伸，并且加強(qiáng)通量引導(dǎo)件的水平分量，并使水平分量更加朝向適當(dāng)?shù)母袦y元件122-125的中心移動。盡管已經(jīng)針對通量引導(dǎo)件示出了多種示例性實(shí)施例，包括圖2的豎直元件 132-139，以及圖5的包括延伸部152-159的“L”形通量引導(dǎo)件，但是對于上和下通量引導(dǎo)件，可以使用其他示例性實(shí)施例，諸如箱形或“U”形通量引導(dǎo)件。在“U”形結(jié)構(gòu)(圖6)中， 水平NWe段171沿底部金屬線路連接兩個(gè)豎直段161、162;而在箱形結(jié)構(gòu)(圖7)中，水平段172也連接兩個(gè)在金屬線路上方的豎直段。水平段有助于耦合兩個(gè)豎直段的磁結(jié)構(gòu)，較之兩個(gè)隔離的豎直通量引導(dǎo)件，使場轉(zhuǎn)換因子增加10-20%。箱狀結(jié)構(gòu)的兩個(gè)水平段提供了更好的耦合，并且較之簡單的豎直通量引導(dǎo)件使場轉(zhuǎn)換因子增加20-40%。此外，圖6的 “U”形結(jié)構(gòu)的豎直段可以向外展開(圖8) 173、174，從而感測元件邊緣附近的區(qū)域具有水平分量。與L形引導(dǎo)件相似，展開段引導(dǎo)磁通量，從而存在直接位于磁傳感器的平面中的分量以進(jìn)一步放大場轉(zhuǎn)換因子。然而，必須小心覆蓋不能過大，否則磁通量將被對傳感器屏蔽。圖9是示出關(guān)于放置在感測元件上方和下方的25nm寬、500nm高的豎直段的Z/X 靈敏度比相對覆層/傳感器間距的曲線圖。隨著覆層被置于25納米的距離，Z/X靈敏度增加到約75%。通過諸如上文強(qiáng)調(diào)的橫截面改變，或者通過通量引導(dǎo)件中的高寬比的改進(jìn)，例如使引導(dǎo)件更高，可以獲得另外的有利因子，并且增加高寬比將線性地增加Z/X靈敏度比。 因此，重要的是使通量引導(dǎo)件盡可能接近感測元件，并且在不會不利地影響磁微結(jié)構(gòu)的情況下盡可能地增加其高寬比。盡管這里公開的所述示例性實(shí)施例涉及多種傳感器結(jié)構(gòu)及其制造方法，但是本發(fā)明并不必然限于這些示例性實(shí)施例，并且示例性實(shí)施例說明了本發(fā)明的適用于廣泛的各種半導(dǎo)體工藝和/或器件的創(chuàng)造性方面。因此，上文所公開的特定實(shí)施例僅是說明性的，并且不應(yīng)被視為對本發(fā)明的限制，本發(fā)明可以按照對于受益于這里的教導(dǎo)的本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的不同但等效的方式進(jìn)行修改和實(shí)施。例如，傳感器結(jié)構(gòu)中的感測層和釘扎層的相對位置可以反轉(zhuǎn)，從而釘扎層在頂部而感測層在下面。再者，感測層和釘扎層可以通過與所公開的不同的材料形成。而且，所描述的層的厚度可以偏離所公開的厚度值。因此，前面的描述并非旨在將本發(fā)明限于所闡述的特定形式，而是相反地，旨在涵蓋可以被包括在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的這些替代、修改和等同方案，從而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，他們能夠進(jìn)行各種改變、替換和變更而不偏離本發(fā)明的最廣泛的形式的精神和范圍。上文針對特定實(shí)施例描述了益處、其他優(yōu)點(diǎn)以及對問題的解決方案。然而，這些益處、優(yōu)點(diǎn)、對問題的解決方案，以及可以導(dǎo)致任何這些益處、優(yōu)點(diǎn)或解決方案出現(xiàn)或者使其變得更加顯著的任何因素，不應(yīng)被解釋為任何或所有權(quán)利要求的關(guān)鍵的、必需的或基本的特征或要素。如這里使用的，術(shù)語“包括”、“包含”或其任何其他變化形式旨在涵蓋非排他性的包括，從包括一系列要素的處理、方法、物品或裝置不是僅包括這些要素，而是可以包括未明確列出的或者對于該處理、方法、物體或裝置固有的其他要素。盡管前面的詳細(xì)描述已呈現(xiàn)了至少一個(gè)示例性實(shí)施例，但是應(yīng)認(rèn)識到，存在大量的變型。還應(yīng)認(rèn)識到，示例性實(shí)施例僅是示例，并非旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍、適用性或配置。相反，前面的詳細(xì)描述將向本領(lǐng)域的技術(shù)人員提供用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的便利的路線圖，應(yīng)當(dāng)理解，可以對在示例性實(shí)施例中描述的元件的功能和布置進(jìn)行各種改變而不偏離如所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，包括襯底，具有平坦表面；以及第一磁電阻傳感器，包括第一感測元件，具有與所述襯底的所述平坦表面平行的第一面，所述第一感測元件具有與所述第一面相反的第二面，并且具有第一和第二相反的邊緣；以及第一通量引導(dǎo)件，設(shè)置為與所述第一感測元件的第一面不平行，并且具有接近所述第一感測元件的第一邊緣和第一面的末端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一磁電阻傳感器進(jìn)一步包括第二通量引導(dǎo)件，被設(shè)置為與所述第一感測元件的第一面不平行，并且具有接近所述第一感測元件的第二邊緣和第二面的末端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一磁電阻傳感器包括基于鐵磁薄膜的磁場傳感器的陣列中的一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一通量引導(dǎo)件包括與所述第一感測元件不平行的具有高的高寬比的結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一通量引導(dǎo)件包括 U形元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一通量引導(dǎo)件包括向外展開式末端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，進(jìn)一步包括與所述第一通量引導(dǎo)件相鄰設(shè)置的材料，并且包括由高導(dǎo)電率金屬和電介質(zhì)材料組成的組中的一個(gè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一通量引導(dǎo)件包括箱形結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一和第二通量引導(dǎo)件中的至少一個(gè)被設(shè)置為基本上與所述襯底的所述平面正交。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一和第二通量引導(dǎo)件中的至少一個(gè)被設(shè)置為與所述襯底的所述平面成45度和90度之間的角。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，進(jìn)一步包括第二磁電阻傳感器，具有第二感測元件，用于在與第一方向正交的第二方向上檢測磁場；以及第三磁電阻傳感器，具有與所述第二感測元件正交的第三感測元件，用于在與所述第一和第二方向正交的第三方向上檢測磁場，其中所述第三感測元件與所述第一和第二感測元件共面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一、第二和第三傳感器元件每一均包括由間隔物層分隔的第一和第二鐵磁層形成的非均衡合成反鐵磁體， 其中所述第一和第二鐵磁層具有不同的磁矩。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，進(jìn)一步包括所述第一磁電阻傳感器包括第一被釘扎層；第二磁電阻傳感器包括 第二被釘扎層；以及第二感測元件，形成在所述第二被釘扎層上； 第三磁電阻傳感器包括 第三被釘扎層；以及第三感測元件，形成在所述第三被釘扎層上，并且與所述第二感測元件正交； 其中所述第二和第三被釘扎層被取向?yàn)榕c所述第一被釘扎層成45度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中第一磁隧道結(jié)進(jìn)一步包括第二通量引導(dǎo)件，被設(shè)置為與所述第一感測元件的第一面不平行，并且具有接近所述第一感測元件的第二邊緣和第二面的末端。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一和第二通量引導(dǎo)件每一均包括大于10的高寬比。
16.一種鐵磁薄膜磁場傳感器，包括第一電橋電路，包括第一、第二、第三和第四磁隧道結(jié)傳感器，它們被耦合為惠斯通電橋，用于感測與所述傳感器的平面正交的磁場； 所述第一磁隧道結(jié)傳感器包括 第一參考層；以及第一感測元件，形成在所述第一參考層上，所述第一感測元件具有第一和第二邊緣以及第一和第二面；以及第一通量引導(dǎo)件，被設(shè)置為與所述第一感測元件的第一邊緣和第一面正交并且與其間隔開；所述第二磁隧道結(jié)傳感器包括 第二參考層；以及第二感測元件，形成在所述第二參考層上，所述第二感測元件具有第一和第二邊緣以及第一和第二面；以及第二通量引導(dǎo)件，被設(shè)置為與所述第二感測元件的第一邊緣和第一面正交并且與其間隔開；所述第三磁隧道結(jié)傳感器包括 第三參考層；以及第三感測元件，形成在所述第三參考層上，所述第三感測元件具有第一和第二邊緣以及第一和第二面；以及第三通量引導(dǎo)件，被設(shè)置為與所述第三感測元件的第一邊緣和第一面正交并且與其間隔開；所述第四磁隧道結(jié)傳感器包括 第四參考層；以及第四感測元件，形成在所述第四參考層上，所述第四感測元件具有第一和第二邊緣以及第一和第二面；以及第四通量引導(dǎo)件，被設(shè)置為與所述第四感測元件的第一邊緣和第一面正交并且與其間隔開。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一、第二、第三和第四磁隧道結(jié)傳感器進(jìn)一步分別包括第五、第六、第七和第八通量引導(dǎo)件，所述第五、第六、 第七和第八通量引導(dǎo)件被分別設(shè)置為與所述第一、第二、第三和第四感測元件的第二邊緣和第二面正交并且與其間隔開。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，進(jìn)一步包括第二電橋電路，包括第五、第六、第七和第八磁隧道結(jié)傳感器，它們被耦合成第二惠斯通電橋，用于在與第一方向正交的第二方向上感測磁場；以及第三電橋電路，包括第九、第十、第十一和第十二磁隧道結(jié)傳感器，它們被耦合成第三惠斯通電橋，用于在與所述第一和第二方向正交的第三方向上感測磁場。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的基于鐵磁薄膜的磁場傳感器，其中所述第一、第二、第三和第四傳感器中的每一個(gè)包括感測元件的陣列。
20.一種測試鐵磁薄膜磁場傳感器的Z軸響應(yīng)的功能和靈敏度的方法，所述鐵磁薄膜磁場傳感器包括襯底，具有平坦表面；以及第一磁電阻傳感器，包括感測元件，具有與所述襯底的所述平坦表面平行設(shè)置的第一面，所述感測元件具有與所述第一面相反的第二面，并且具有第一和第二相反的邊緣；第一通量引導(dǎo)件，設(shè)置為與所述襯底的所述第一面不平行，并且具有接近所述感測元件的第一邊緣和第一面的末端；以及金屬線路，被形成為鄰近地與所述通量引導(dǎo)件相鄰，所述方法包括通過所述金屬線路施加電流以提供具有與所述通量引導(dǎo)件的平面平行的分量的磁場。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括通過所述金屬線路施加電流以重置通量弓I導(dǎo)件疇結(jié)構(gòu)。
全文摘要
三個(gè)電橋電路(101、111、121)每一均包括耦合成惠斯通電橋(100)的磁電阻傳感器，以在三個(gè)正交方向(110、120、130)上感測磁場(160)，它們是通過單個(gè)釘扎材料淀積和體晶片設(shè)定工序來設(shè)定的。三個(gè)電橋電路中的一個(gè)(121)包括第一磁電阻傳感器(141)，其包括第一感測元件(122)，設(shè)置在釘扎層(126)上，第一感測元件(122)具有第一和第二邊緣以及第一和第二面；以及第一通量引導(dǎo)件(132)，設(shè)置為與襯底的第一面不平行，并且具有接近第一感測元件(122)的第一邊緣和第一面的末端?？蛇x的第二通量引導(dǎo)件(136)可以被設(shè)置為與襯底的第一面不平行，并且具有接近第一感測元件(122)的第二邊緣和第二面的末端。
文檔編號G11C5/12GK102292773SQ201080005490
公開日2011年12月21日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者J·斯勞特, N·里佐, P·馬瑟 申請人:艾沃思賓技術(shù)公司