一种磁电阻薄膜结构和磁电阻传感器的制作方法

1.本实用新型实施例涉及磁传感检测技术领域，尤其涉及一种磁电阻薄膜结构和磁电阻传感器。


背景技术：

2.磁电阻效应是指在外磁场作用下材料电阻发生变化的现象。利用该效应的技术又被称为“xmr技术”，其中x可以代指多种效应。常见的xmr效应包括各向异性磁电阻(amr)效应、巨磁电阻(gmr)效应、庞磁电阻(cmr)效应和隧道结磁电阻(tmr)效应。利用xmr效应制造的各类磁电阻传感器，可用于研制高精度的磁性编码器、位置传感器、角度传感器等，在智能家电、新能源汽车、机器人等新兴产业具有重要的应用前景。
3.传统的磁电阻薄膜结构工艺中，参考层磁矩方向的钉扎效果对磁电阻性能有着举足轻重的作用，尤其是存在多个钉扎方向的情况下。但由于需要在同一平面内进行精确定位，增加了由于操作失误导致的传感器的测量精度损失的可能性。因此，精确控制参考层的钉扎方向是提高传感器测量精度的有效方式。
4.目前，多是加热辅助设备利用激光加热方式进行参考层磁矩钉扎方向的控制，工艺复杂且成本高。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例提供一种磁电阻薄膜结构和磁电阻传感器，以解决现有参考层磁矩钉扎方向的控制工艺复杂且成本高的问题。
6.本实用新型实施例提供了一种磁电阻薄膜结构，包括：依次层叠设置的基底、种子层、参考层、间隔层、自由层和电极层；
7.所述参考层在所述种子层上生长，且所述参考层的磁矩方向受到通入所述种子层内电流产生的自旋注入被钉扎；
8.所述自由层的磁矩方向随外部磁场的变化而变化。
9.基于同一发明构思，本实用新型实施例还提供了一种磁电阻传感器，包括：多个磁电阻；
10.每个所述磁电阻具有如上所述的磁电阻薄膜结构，至少两个所述磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向不同；或者，
11.所有所述磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向相同，且所有所述磁电阻薄膜结构位于不同的物理位置。
12.基于同一发明构思，本实用新型实施例还提供了一种磁电阻传感器，所述磁电阻传感器的电路结构包含第一半桥结构，所述第一半桥结构的两个桥臂均由若干个磁电阻串并联构成，输出第一电压信号；
13.每个所述磁电阻具有如上所述的磁电阻薄膜结构，至少两个所述磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向不同；或者，
14.所有所述磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向相同，且所有所述磁电阻薄膜结构位于不同的物理位置。
15.基于同一发明构思，本实用新型实施例还提供了一种磁电阻传感器，所述磁电阻传感器的电路结构包含第一全桥结构，所述第一全桥结构的四个桥臂均由若干个磁电阻串并联构成，输出第一差分电压信号；
16.每个所述磁电阻具有如上所述的磁电阻薄膜结构，至少两个所述磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向不同；或者，
17.所有所述磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向相同，且所有所述磁电阻薄膜结构位于不同的物理位置。
18.本实用新型实施例中，参考层生长在种子层上，电流通入种子层后会使种子层产生自旋流且该自旋流可注入相邻参考层，使得参考层的磁矩方向受到通入种子层内电流产生的自旋注入影响而改变并钉扎。自由层磁矩方向随外部磁场的变化而变化，则自由层的磁矩方向相对于参考层的磁矩方向发生偏转，进而使得磁电阻薄膜结构的阻值发生变化，由此将外部磁场信号转换为电信号输出，该电信号表征外部磁场特性。本实用新型实施例中，种子层产生自旋流进入参考层内，使得参考层磁矩方向改变并钉扎，无需外部设备辅助即可精确控制参考层的钉扎方向，能够更加便捷的实现参考层的多角度钉扎，与现有技术相比，设计工艺简单且成本低廉，更具竞争力和市场前景。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本实用新型的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本实用新型的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本实用新型的权利要求范围之内。
20.图1是本实用新型实施例提供的一种磁电阻薄膜结构的示意图；
21.图2是本实用新型实施例提供的使用sot效应翻转磁电阻传感器中参考层磁矩的x轴翻转模式的示意图；
22.图3是本实用新型实施例提供的使用sot效应翻转磁电阻传感器中参考层磁矩的y轴翻转模式的示意图；
23.图4是本实用新型实施例提供的使用sot效应翻转磁电阻传感器中参考层磁矩的z轴翻转模式的示意图；
24.图5是本实用新型实施例提供的磁电阻传感器的示意图；
25.图6是本实用新型实施例提供的磁电阻传感器的连接示意图；
26.图7是本实用新型实施例提供的磁性种子层擦除工艺示意图。
具体实施方式
27.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本实用新型实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本实用新型的技术方案，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例所揭示
和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.参考图1所示，为本实用新型实施例提供的一种磁电阻薄膜结构的示意图。如图1所示，本实施例提供的磁电阻薄膜结构1包括：依次层叠设置的基底2、种子层3、参考层4、间隔层5、自由层6和电极层7；参考层4在种子层3上生长，且参考层4的磁矩方向受到通入种子层3内电流产生的自旋注入被钉扎；自由层6的磁矩方向随外部磁场的变化而变化。
29.本实施例中，磁电阻薄膜结构1包括基底2以及生长在基底2上的多膜层堆叠结构。可选基底2所在平面为x-y平面，则多膜层堆叠结构的堆叠方向垂直于x-y平面。
30.可选多膜层堆叠结构中种子层3为磁性种子层，电流可以通入种子层3使得种子层3产生自旋注入，即种子层3根据充入的电流产生自旋流，且该自旋流会进入生长在种子层3上的参考层4内，则参考层4的磁矩方向受到通入种子层3内电流产生的自旋注入影响而改变并钉扎，具体的，参考层4的磁矩方向受到通入磁化种子层3内电流产生的有效偏置场作用而钉扎。可以理解，通入种子层3的电流参数的变化会影响参考层4的磁矩方向，使参考层4的磁矩方向发生相应变化并钉扎。参考层4的磁矩方向也可以理解为是参考层4的参考方向。
31.可选多膜层堆叠结构中间隔层5根据磁电阻效应的不同而采用不同材料。可选由磁电阻薄膜结构1构成的磁电阻为gmr磁电阻，gmr磁电阻的间隔层5由非磁金属材料构成，如cu等；或者，由磁电阻薄膜结构1构成的磁电阻为tmr磁电阻，tmr磁电阻的间隔层5由非磁绝缘材料构成，如mgo、al2o3等。具体的，对于gmr磁电阻而言，其间隔层5为非磁金属导体，对于tmr磁电阻而言，其间隔层5为非磁绝缘体。
32.可选磁电阻薄膜结构1还包括：自由层偏置结构8，自由层偏置结构8在自由层6上产生一偏置磁场；自由层偏置结构8为外加永磁体、外侧导线、永磁体膜层或者软磁近邻层(sal)的偏置结构。自由层偏置结构8设置在磁电阻薄膜结构1的边缘，具体的，在磁电阻薄膜结构1的自由层6的一侧边缘设置自由层偏置结构8，可以为自由层6提高初始偏置磁矩，增加自由层6的动态范围，提高磁场响应的线性度，并降低磁滞。可选自由层偏置结构8为永磁体，但不限于永磁体，自由层偏置结构8还可以是通电线圈、永磁层等多种偏置结构。需要说明的是，若磁电阻薄膜结构构成角度传感器，则其中不需要设置偏置结构，自由层与外部磁场的方向保持一致。
33.自由层6的磁矩方向跟随外部磁场方向变化而变化，那么跟随外部磁场方向变化而变化后，磁电阻薄膜结构1中自由层6的磁矩方向和参考层4的磁矩方向可能呈现不同情况，例如两者磁矩方向呈一定角度，或者，两者磁矩方向平行且相同，或者，两者磁矩方向平行且相反，等等。自由层6的磁矩方向受外部磁场影响发生变化，相对于参考层4的磁矩方向发生偏转，可使得磁电阻薄膜结构1的阻值变化，由此可以将外部磁场信号转化为电信号输出。
34.可选参考层4的磁矩被钉扎在垂直于或者平行于基底2所在平面。基底2所在平面为x-y平面，则参考层4的磁矩可以被钉扎在z轴方向上，z轴垂直于x-y平面。或者，基底2所在平面为x-y平面，则参考层4的磁矩可以被钉扎在x轴或y轴方向上，即平行于x-y平面。
35.可选自由层6的易磁化轴方向平行于或者垂直于基底2所在平面。参考层4的磁矩可以被钉扎在垂直于基底2所在平面上，则可选自由层6的易磁化轴方向垂直于基底2所在
平面。或者，参考层4的磁矩可以被钉扎在平行于基底2所在平面上，则可选自由层6的易磁化轴方向平行于基底2所在平面。但不限于此。
36.本实用新型实施例中，参考层生长在种子层上，电流通入种子层后会使种子层产生自旋流且该自旋流可注入相邻参考层，使得参考层的磁矩方向受到通入种子层内电流产生的自旋注入影响而改变并钉扎。自由层磁矩方向随外部磁场的变化而变化，则自由层的磁矩方向相对于参考层的磁矩方向发生偏转，进而使得磁电阻薄膜结构的阻值发生变化，由此将外部磁场信号转换为电信号输出，该电信号表征外部磁场特性。本实用新型实施例中，种子层产生自旋流进入参考层内，使得参考层磁矩方向改变并钉扎，无需外部设备辅助即可精确控制参考层的钉扎方向，能够更加便捷的实现参考层的多角度钉扎，与现有技术相比，设计工艺简单且成本低廉，更具竞争力和市场前景。
37.可选种子层由具有自旋轨道力矩(sot)效应的材料构成。
38.本实施例中，磁化种子层由具有高自旋轨道力矩效应的功能材料组成，在通入电流后能产生自旋流进入相邻参考层，使得参考层磁矩方向改变并钉扎。可选具有高自旋轨道力矩效应的功能材料包括ta、w、hf、mo、nb、ti、pt或pd等重金属材料，还可选具有高自旋轨道力矩效应的功能材料包括wte2、mote2或mo
xw1-x
te等半金属材料，还可选具有高自旋轨道力矩效应的功能材料包括bi2se3、bi2te3、sb2te3或(bi
x
sb
1-x
)2te3等拓扑绝缘体材料。
39.本实施例中，向种子层中通入电流后，由于sot效应，种子层产生自旋流且该自旋流进入参考层，会使参考层受到自旋极化电流作用后其磁矩方向改变并被钉扎在固定方向上，实现参考层钉扎方向的精确定位和控制。
40.对于使用sot效应翻转参考层的研究是自旋电子学的热点所在，参考层也可看做是铁磁层。参考图2所示，为本实用新型实施例提供的使用sot效应翻转磁电阻传感器中参考层磁矩的x轴翻转模式的示意图。参考图3所示，为本实用新型实施例提供的使用sot效应翻转磁电阻传感器中参考层磁矩的y轴翻转模式的示意图。参考图4所示，为本实用新型实施例提供的使用sot效应翻转磁电阻传感器中参考层磁矩的z轴翻转模式的示意图。可选磁电阻传感器中种子层为重金属层，参考层为铁磁层。
41.如图2所示，为x轴翻转模式，其中参考层4的易磁化轴方向11为x轴，向种子层3内通-x轴方向电流10，由于量子自旋霍尔效应，电荷流在种子层3内转变为自旋流。自旋方向相反的两束极化自旋流901和902分别向不同方向运动，其中，901自旋流向图示中的上运动，902自旋流向图示中的下运动。向上运动的自旋流901从种子层3进入参考层4，此时在方向为z轴的外磁场12共同作用下，能在参考层4中的x轴方向上产生等效磁场，使得参考层4磁矩在x轴上翻转。
42.如图3所示，为y轴翻转模式，其中参考层4的易磁化轴方向11为-y轴，向种子层3内通-x轴方向电流10，由于量子自旋霍尔效应，电荷流在种子层3内转变为自旋流。自旋方向相反的两束极化自旋流901和902分别向不同方向运动，其中，901自旋流向图示中的上运动，902自旋流向图示中的下运动。向上运动的自旋流901从种子层3进入参考层4，此时能在参考层4中的y轴方向上产生等效磁场，使得参考层4磁矩在y轴上翻转。
43.如图4所示，为z轴翻转模式，其中参考层4的易磁化轴方向11为z轴，向种子层3内通-x轴方向电流10，由于量子自旋霍尔效应，电荷流在种子层3内转变为自旋流。自旋方向相反的两束极化自旋流901和902分别向不同方向运动，其中，901自旋流向图示中的上运
动，902自旋流向图示中的下运动。向上运动的自旋流901从种子层3进入参考层4，此时在方向为x轴的外磁场12协调作用下，能在参考层4中的z轴方向上产生等效磁场，使得参考层4磁矩在z轴上翻转，在z轴翻转模式中参考层4具有垂直各向异性。
44.本实用新型实施例所采用钉扎参考层的翻转模式可以是上述三种的任意一种，具体需求根据对参考层要求的变化而变化。
45.基于同一发明构思，本实用新型实施例还提供一种磁电阻传感器，该磁电阻传感器包括：多个磁电阻；每个磁电阻具有如上任意实施例所述的磁电阻薄膜结构，至少两个磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向不同；或者，所有磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向相同，且所有磁电阻薄膜结构位于不同的物理位置。
46.本实施例中，磁电阻传感器包含的多个磁电阻薄膜结构中，存在至少两个磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向不同。或者，不同的物理位置的磁场强度不同，则可选磁电阻传感器包含的多个磁电阻薄膜结构中，各个磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向相同，但所有磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩位于不同的物理位置。
47.基于同一发明构思，本实用新型实施例还提供另一种磁电阻传感器，该磁电阻传感器的电路结构包含第一半桥结构，第一半桥结构的两个桥臂均由若干个磁电阻串并联构成，输出第一电压信号；每个磁电阻具有如上任意实施例所述的磁电阻薄膜结构，至少两个磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向不同；或者，所有磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向相同，且所有磁电阻薄膜结构位于不同的物理位置。
48.可选磁电阻传感器的电路结构还包含第二半桥结构，第二半桥结构的两个桥臂均由若干个磁电阻串并联构成，输出与第一电压信号具有相位差的第二电压信号。第二半桥结构中，每个磁电阻具有如上任意实施例所述的磁电阻薄膜结构，至少两个磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向不同；或者，所有磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向相同，且所有磁电阻薄膜结构位于不同的物理位置。
49.本实施例提供的磁电阻传感器，其主要包含由上述磁电阻组成的半桥结构，能够更加便捷的实现单芯片多角度的参考层钉扎，该设计工艺简单，成本低廉，更具竞争力。
50.基于同一发明构思，本实用新型实施例还提供又一种磁电阻传感器。该磁电阻传感器的电路结构包含第一全桥结构，第一全桥结构的四个桥臂均由若干个磁电阻串并联构成，输出第一差分电压信号；每个磁电阻具有如上任意实施例所述的磁电阻薄膜结构，至少两个磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向不同；或者，所有磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向相同，且所有磁电阻薄膜结构位于不同的物理位置。
51.可选磁电阻传感器的电路结构还包含第二全桥结构，第二全桥结构的四个桥臂均由若干个磁电阻串并联构成，输出与第一差分电压信号具有相位差的第二差分电压信号。
52.第二全桥结构中，每个磁电阻具有如上任意实施例所述的磁电阻薄膜结构，至少两个磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向不同；或者，所有磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向相同，且所有磁电阻薄膜结构位于不同的物理位置。
53.参考图5所示，为本实用新型实施例提供的磁电阻传感器的示意图。如图5所示，可选磁电阻传感器包括若干个磁电阻，一个或多个磁电阻串并联构成一个磁阻元件，磁电阻传感器包括8个磁阻元件，分别为r11、r12、r13、r14、r21、r22、r23和r24，每个磁阻元件具有如上任意实施例所述的磁电阻薄膜结构，至少两个磁电阻薄膜结构的参考层的磁矩方向不
同，每个磁阻元件的参考层磁矩方向为磁电阻薄膜结构上的箭头方向。其中，4个磁阻元件r11、r12、r13和r14串并联构成第一全桥结构，4个磁阻元件r21、r22、r23和r24串并联构成第二全桥结构。第一全桥结构输出第一差分电压信号sa，第二全桥结构输出第二差分电压信号sb，sa和sb具有相位差。
54.若磁电阻传感器应用在角度传感器中，则可通过配置第一全桥结构和第二全桥结构位置，使得sa和sb相位差为90
°
，通过求取sa/sb的反正切值得到外场旋转角度。可选第一全桥结构中r11和r14的钉扎层方向相同，r12和r13的钉扎层方向相同，且r12和r11的钉扎层方向相同。第二全桥结构相对第一全桥结构旋转90
°
。
55.参考图6所示，为本实用新型实施例提供的磁电阻传感器的连接示意图。如图6所示，多个磁电阻101～104串联连接。其中，两个磁电阻101和102共用种子层3，两个磁电阻103和104共用种子层3，位于中间的两个磁电阻102和103共用电极层7，由此实现多个磁电阻的串联。需要说明的是，磁电阻传感器可以共用基底2。
56.磁电阻传感器中往往使用多个磁电阻进行串并联形成的电路结构来检测磁场变化。其中，磁性种子层3选用具有自旋轨道力矩(sot)效应的材料构成，且其作用可以直接作为底电极使用。需要说明的是，在参考层4钉扎结束后需要增加工艺步骤将磁性种子层3部分擦除，具体实施方式见图7。若不进行擦除，则各个磁电阻的底部电极相连，导致其串联结构实际上只有首尾两个磁电阻起作用。
57.而对于gmr传感器而言，通常一个桥臂只有一个磁电阻，因此不需要图7所示“磁性种子层3部分擦除”的过程。
58.本实施例提供的磁电阻传感器，其主要包含由上述磁电阻组成的单全桥结构或双全桥结构，能够更加便捷的实现单芯片多角度的参考层钉扎，该设计工艺简单，成本低廉，更具竞争力。
59.可以理解，本实用新型所公开的电路结构不仅仅局限于双全桥电路，还可以是半桥、全桥、双半桥结构等等。此外，磁电阻传感器还可以应用于梯度传感器等等，不限于此。
60.注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。