具有包括两个自由层的一个TMR叠堆的磁传感器阵列的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年12月30日提交的美国申请16/730,746的优先权，该申请要求2019年8月23日提交的美国临时专利申请序列号62/891,153的优先权和权益，这两个专利申请据此以引用方式并入本文。

背景技术：

本公开的实施方案整体涉及惠斯通电桥阵列及其制造方法。

相关领域的描述

惠斯通电桥是用于通过平衡电桥电路的两个支路来测量未知电阻的电路，其中一个支路包含未知部件。与简单的分压器相比，惠斯通电路提供了极其准确的测量结果。

惠斯通电桥包括多个电阻器，尤其是最近包括磁性材料诸如磁传感器。磁传感器可包括霍尔效应磁传感器、各向异性磁阻传感器(amr)、巨磁阻(gmr)传感器和隧道磁阻(tmr)传感器。与其他磁传感器相比，tmr传感器具有非常高的灵敏度。

tmr传感器的可靠性和性能确定了磁阻响应。各种因素影响tmr传感器的可靠性和性能，这些因素诸如tmr传感器的材料，并且更重要的是，制造tmr传感器的方法。例如，虽然可使用完全相同的材料制造两个不同的tmr传感器，但是由于不同的制造工艺，tmr传感器将具有不同的可靠性和性能。

因此，本领域需要实现良好可靠性和性能的tmr传感器及其制造方法。

技术实现要素：

本公开整体涉及包括tmr传感器的惠斯通电桥阵列及其制造方法。在该惠斯通电桥阵列中，存在四个不同的tmr传感器。这些tmr传感器全部同时制造，以产生具有合成反铁磁自由层作为顶层的四个相同的tmr传感器。这些合成反铁磁自由层包括第一磁性层、间隔层和第二磁性层。在形成该四个相同的tmr传感器之后，从两个tmr传感器移除该间隔层和该第二磁性层。在移除该间隔层和该第二磁性层之后，在现在暴露的该第一磁性层上形成新的磁性层，使得该新的磁性层具有与该间隔层和该第二磁性层的组合基本上相同的厚度。

在一个实施方案中，tmr传感器装置包括：第一tmr传感器；和第二tmr传感器，其中该第二tmr传感器包括被设置成彼此接触的两个不同的磁性层。

在另一个实施方案中，tmr传感器装置包括：第一tmr传感器，其中该第一tmr传感器包括自由层；和第二tmr传感器，其中该第二tmr传感器包括与第一tmr传感器自由层不同的自由层。

在另一个实施方案中，制造tmr传感器装置的方法包括：制造第一tmr传感器和第二tmr传感器；从第二tmr传感器移除第一层；从第二tmr传感器移除第二层以暴露自由磁性层；在暴露的自由磁性层上沉积磁性层。

附图说明

因此，通过参考实施方案，可以获得详细理解本公开的上述特征的方式、本公开的更具体描述、上述简要概述，所述实施方案中的一些在附图中示出。然而，应当注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施方案并且因此不应视为限制其范围，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方案。

图1是惠斯通电桥阵列设计的示意图。

图2a至图2k是处于各个制造阶段的两个tmr传感器的示意图。

图3为示出图2a至图2k制造tmr传感器的方法的流程图。

图4是示出图2k的tmr传感器的模拟结果的曲线图。

为了有助于理解，在可能的情况下，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。可以设想是，在一个实施方案中公开的元件可以有利地用于其他实施方案而无需具体叙述。

具体实施方式

在下文中，参考本公开的实施方案。然而，应当理解的是，本公开不限于具体描述的实施方案。相反，思考以下特征和元件的任何组合(无论是否与不同实施方案相关)以实现和实践本公开。此外，尽管本公开的实施方案可以实现优于其他可能解决方案和/或优于现有技术的优点，但是否通过给定实施方案来实现特定优点不是对本公开的限制。因此，以下方面、特征、实施方案和优点仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。同样地，对“本公开”的引用不应当被解释为本文公开的任何发明主题的概括，并且不应当被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。

本公开整体涉及包括tmr传感器的惠斯通电桥阵列及其制造方法。在该惠斯通电桥阵列中，存在四个不同的tmr传感器。这些tmr传感器全部同时制造，以产生具有合成反铁磁自由层作为顶层的四个相同的tmr传感器。这些合成反铁磁自由层包括第一磁性层、间隔层和第二磁性层。在形成该四个相同的tmr传感器之后，从两个tmr传感器移除该间隔层和该第二磁性层。在移除该间隔层和该第二磁性层之后，在现在暴露的该第一磁性层上形成新的磁性层，使得该新的磁性层具有与该间隔层和该第二磁性层的组合基本上相同的厚度。

图1是惠斯通电桥阵列100设计的示意图。阵列100包括偏置源102、第一电阻器104、第二电阻器106、第三电阻器108、第四电阻器110、第一传感器输出焊盘112、第二传感器输出焊盘114和接地连接件116。从偏置源102到接地连接件116跨阵列施加偏置电压。第一传感器输出焊盘112和第二传感器输出焊盘114感测所施加电压的输出。来自电阻器104、106、108、110的任何温度变化均可被抵消。

如本文所讨论，电阻器104、106、108、110各自包括tmr传感器。在一个实施方案中，tmr传感器各自是独特且不同的，使得电阻器104、106、108、110具有不同电阻。在另一个实施方案中，tmr传感器相同，但是电阻器104、106、108、110不同。在又一个实施方案中，电阻器104、110彼此相同(因为包括电阻器104、110的tmr传感器彼此相同)，并且电阻器106、108彼此相同(因为包括电阻器106、108的tmr传感器彼此相同)但与电阻器104、110不同。对于阵列100中的tmr传感器，阵列100的ra为约100欧姆/平方微米。

典型的磁场传感器在惠斯通电桥电路中使用mr(磁阻)装置。该传感器需要mr装置在电桥中不同地变化。如本文所讨论，制造磁场传感器的新方法是在同一层中制造两个不同的tmr膜。tmr膜的可靠性和性能确定磁阻响应。这样，结合不同tmr膜特征，可制造用于磁场传感器的完美惠斯通电桥设计。

关于图1，如果包括电阻器104、106、108、110的tmr传感器的自由层具有与钉扎层磁化方向成+45°或-45°的长轴，则由于形状各向异性，自由层易磁化轴被限制为沿着长轴，并且磁化方向可以如简图所示通过来自设置线电流的安培场设置，尤其是在于自由层顶部上存在正交于自由层长轴的设置线的情形下。

当沿着y轴施加磁场时，电阻器110和104随场增大而增大，而电阻器106、108随场增大而减小。这种不同的响应实现惠斯通电桥，并且传感器灵敏度与输出电压成比例，该输出电压与电阻器110(或电阻器104)和电阻器106(或电阻器108)之间的差值成比例。然而，在使用中，由于45°自由层或钉扎层初始状态，仅一半的磁阻变化被使用。如果自由层到钉扎层初始状态可为90°并且仍然具有两种不同的磁阻变化，则传感器灵敏度可增加两倍。

如果自由层和钉扎层正交，则钉扎层磁化方向由磁性退火方向设置。通常，电阻器104、106、108、110由相同的tmr膜制成并且经历相同的过程，因此全部具有相同的钉扎层方向。每个装置都可以全mr比来工作，但是所有装置都以相同的方式响应于外部场，因此根本不存在输出电压。解决该问题的简单方法是通过用厚nife膜覆盖来屏蔽电阻器106和电阻器108，使得电阻器106和电阻器108将不响应磁场。另选地，可用恒定电阻器代替电阻器106和108。然而，这种半桥感测方案也将降低输出电压并因此限制灵敏度。

图2a至图2k是处于各个制造阶段的两个tmr传感器200、250的示意图。tmr传感器200、250各自包括晶种层202、252，该晶种层将形成在底部引线(未示出)上。在一个实施方案中，晶种层202、252包含导电材料诸如钌，并且具有介于约10埃至约100埃的厚度，并且通过熟知的沉积方法诸如电镀、化学镀或溅镀进行沉积。另外，应当理解，虽然钌已被例示为晶种层202、252材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将钌用于晶种层202、252。另外，同时沉积晶种层202、252。

如图2a所示，然后，反铁磁(afm)层204、254设置在晶种层204、254上。用于afm层204、254的合适材料包括厚度介于约40埃至约500埃之间的irmn或ptmn。afm层204、254可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。另外，应当理解，虽然irmn和ptmn已被例示为afm层204、254材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将irmn或ptmn用于afm层204、404。另外，同时沉积amf层204、254。

如图2b所示，钉扎层206、256设置在afm层204、254上。用于钉扎层206、256的合适材料包括厚度介于约20埃和约30埃之间的cofe或co/cofe/co多层堆叠。钉扎层206、256可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。另外，应当理解，虽然cofe或co/cofe/co已被例示为钉扎层206、256材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将cofe或co/cofe/co用于钉扎层206、256。另外，同时沉积钉扎层206、256。

如图2c所示，间隔层208、258设置在钉扎层206、256上。用于间隔层208、258的合适材料包括厚度介于约4埃至约10埃之间的ru。间隔层208、258可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。另外，应当理解，虽然钌已被例示为间隔层208、258材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将钌用于间隔层208、258。另外，同时沉积间隔层208、258。

如图2d所示，参考层210、260设置在间隔层208、258上。用于参考层210、260的合适材料包括作为多层叠堆的cofe/ta/cofeb/cofe。cofe层可具有介于约8埃至约10埃之间的厚度。ta层可具有介于约0.5埃至约2埃之间的厚度。cofeb层可具有介于约10埃至约15埃之间的厚度。第二cofe层可具有介于约3埃至约10埃之间的厚度。参考层210、260可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。另外，应当理解，虽然cofe/ta/cofeb/cofe已被例示为参考层210、260材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将cofe/ta/cofeb/cofe用于参考层210、260。另外，同时沉积参考层210、260。

如图2e所示，阻挡层212、262设置在参考层210、260上。用于阻挡层212、262的合适材料包括厚度介于约10埃至约20埃之间的mgo。应当理解，虽然mgo被例示为阻挡层212、262，但也设想了其他绝缘材料。另外，同时沉积阻挡层212、262、252。

如图2f所示，第一自由层214、264设置在阻挡层212、262上。用于第一自由层214、264的合适材料包括cofe/cofeb/ta/nife多层叠堆。cofe层可具有介于约3埃至约10埃之间的厚度。cofeb层可具有介于约10埃至约20埃之间的厚度。ta层可具有介于约0.5埃至约2埃之间的厚度。nife层可具有介于约3埃至约300埃之间，诸如介于约3埃和约10埃之间或介于约10埃和约300埃之间的厚度。第一自由层214、264可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。此外，应当理解，虽然cofe/cofeb/ta/nife已被例示为第一自由层214、264材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将cofe/cofeb/ta/nife用于第一自由层214、264。另外，同时沉积第一自由层214、216、252。

如图2g所示，然后在第一自由层214、264上形成附加间隔层216、266。在一个实施方案中，间隔层216、266为包含co/ru/co的多层结构。应当理解，间隔层416可以是单层或包括第一磁性层、非磁性导电层和第二磁性层的其他多层叠堆。在间隔层216、266为co/ru/co的实施方案中，第一co层可具有介于约3埃至约6埃之间的厚度，ru层可具有介于约6埃和约10埃之间的厚度，并且第二co层可具有介于约3埃至约6埃之间的厚度。co层用于增强合成反铁磁(saf)耦合。间隔层216、266可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。另外，同时沉积间隔层216、266。

如图2h所示，然后在间隔层216、266上形成第二自由层218、268。用于第二自由层218、268的合适材料包括nife。nife层可具有介于约100埃至约300埃之间，诸如介于约100埃和约200埃之间(第二自由层218、268的磁矩大于第一自由层214、264的磁矩)或介于约200埃和约300埃之间的厚度。第二自由层218、268可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。应当理解，虽然nife已被例示为第二自由层218、268材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将nife用于第二自由层218、268。另外，同时沉积第二自由层218、268。第一自由层214、264与间隔层216、266和第二自由层218、268一起共同形成不平衡的合成afm结构。

此时，tmr传感器200、250是相同的并且已经同时制造。因此，tmr传感器200、250仅一次形成，其中两个传感器200、250具有相同的ra和相同的tmr。对于惠斯通电桥阵列，所有传感器不能都相同。相反，电阻器104、110彼此相同，并且电阻器106、108彼此相同并且与电阻器104、110不同。为了使电阻器不同，需要对电阻器106、108中的两者进行附加处理。tmr传感器250将表示经历附加处理的电阻器106、108。

如图2i所示，从tmr传感器250移除第二自由层268，而对于tmr传感器200保留第二自由层218。通过熟知的工艺诸如离子铣削移除第二自由层268，以暴露下面的间隔层266。对于tmr传感器250，图2i所示的所得结构不具有第二自由层268，而是具有暴露的间隔层266。tmr传感器200未改变并且仍然具有第二自由层218。在移除过程期间tmr传感器200被掩蔽，使得没有材料从tmr传感器200移除。

此后，如图2j所示，从tmr传感器250移除间隔层266。没有材料从tmr传感器200移除。同样，在移除过程期间tmr传感器200被掩蔽。可以通过熟知的工艺诸如离子铣削移除间隔层266，以暴露下面的第一自由层264。对于tmr传感器250，图2j中所示的所得结构不具有第二自由层268并且不具有间隔层266，而是具有暴露的第一自由层264。tmr传感器200未改变并且仍然具有第二自由层218和间隔层216两者。应当理解，虽然已经将间隔层266移除和第二自由层268移除作为两个单独的过程来讨论，但是可以使用一个连续过程来移除第二自由层268和间隔层266两者。

然后，如图2k所示，另一个磁性层270沉积在tmr250的暴露的第一自由层264上。另一个磁性层270在组成上与第二自由层218、268基本上相同，但是将具有基本上等于间隔层216、266和第二自由层218、268的总厚度的厚度。用于第二磁性层270的合适材料包括具有介于约100埃至约350埃之间的总厚度的nife。该nife层可具有介于约100埃至约300埃之间，诸如介于约100埃和约200埃之间或介于约200埃和约300埃之间的厚度。第二自由层218、268可通过熟知的沉积方法(诸如溅射或离子束沉积)形成。应当理解，虽然nife已被例示为第二自由层218、268材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将nife用于第二自由层218、268。

在形成第二磁性层270之后，可以在第二自由层218和第二磁性层270上方形成封盖层。然后在磁烘箱中，将所得tmr传感器200、250以介于约250摄氏度至约300摄氏度之间的温度、在介于约10,000oe至约50,000oe之间的磁场下退火。应当理解，虽然退火已经被讨论为在沉积第二磁性层270之后发生，但是可以设想的是，退火也可以在沉积第二自由层218、268之后发生。第二磁性层270具有大于第一自由层214、264的磁矩。应当理解，第二磁性层270具有的厚度大于第一自由层264的厚度。在tmr传感器250中，第二磁性层270铁磁耦合到tmr250中的第一自由层264，第一自由层264将提供在相同偏置场下具有相反磁性方向的磁阻。硬磁偏置场h偏置由箭头272示出。在退火之后，钉扎层206、256在-z方向上被钉扎。当施加硬磁偏置场时，参考层210、260具有+z方向的磁矩，tmr传感器200的第一自由层214具有由箭头276示出的磁矩，该磁矩与由箭头278示出的tmr传感器250的第一自由层264的磁矩反平行。另外，在所施加的硬磁偏置下，第二自由层218和第二磁性层270具有由箭头274、280示出的平行的磁矩。如图2k所示，在同一硬磁偏置场下，第一自由层214的磁矩与第二自由层218的磁矩反平行，而第一自由层264的磁矩与第二磁性层270的磁矩平行。

图3为示出图2a至图2k制造tmr传感器的方法300的流程图。在步骤302中，形成多个tmr传感器。然后在步骤304中，通过诸如离子铣削或蚀刻的工艺移除至少一个tmr传感器的顶层。然后在步骤306中，从先前通过诸如离子铣削的工艺移除了顶层的相同tmr传感器移除另一层。然后在步骤308中，在已移除顶层和另一层的位置处通过诸如离子束沉积或溅射的工艺形成磁性层。

图4是示出图2k的tmr传感器的模拟结果的曲线图。如图4所示，等同于tmr传感器200的膜a和等同于tmr传感器250的膜b具有在所施加的磁场下基本上完全相反的磁阻。

在一个实施方案中，tmr传感器装置包括：第一tmr传感器；和第二tmr传感器，其中该第二tmr传感器包括被设置成彼此接触的两个不同的磁性层。第一tmr传感器具有磁性材料顶层和与该顶层接触的层，其中第二tmr传感器包括磁性材料顶层，该顶层具有的厚度基本上等于第一tmr传感器的磁性材料顶层和与第一tmr传感器的磁性材料顶层接触的层的厚度。第一tmr传感器具有第一自由磁性层、设置在第一自由磁性层上的间隔层和设置在间隔层上的第二自由磁性层，其中第一自由磁性层和第二自由磁性层反平行地磁性耦合。第二tmr传感器包括第一自由磁性层和设置在第一自由磁性层上的第二自由磁性层，其中第一自由磁性层和第二自由磁性层平行地磁性耦合。第二tmr传感器的第二自由磁性层比第二tmr传感器的第一自由磁性层厚。该阵列还包括：第三tmr传感器；和第四tmr传感器，其中第一tmr传感器和第三tmr传感器基本上相同。第四tmr传感器和第二tmr传感器基本上相同。

在另一个实施方案中，tmr传感器装置包括：第一tmr传感器，其中该第一tmr传感器包括自由层；和第二tmr传感器，其中该第二tmr传感器包括与第一tmr传感器自由层不同的自由层。第一tmr传感器包括不平衡的合成反铁磁自由层。第二tmr传感器的自由层是多层结构。第二tmr传感器的自由层包括第一磁性层和设置在第一磁性层上的第二磁性层。第一磁性层和第二磁性层平行地磁性耦合。第一tmr传感器的不平衡的合成反铁磁自由层的底层与第二tmr传感器的自由层的第一磁性层基本上相同。

在另一个实施方案中，制造tmr传感器装置的方法包括：制造第一tmr传感器和第二tmr传感器；从第二tmr传感器移除第一层；从第二tmr传感器移除第二层以暴露自由磁性层；在暴露的自由磁性层上沉积磁性层。在从第二tmr传感器移除第一层之前，第一tmr传感器和第二tmr传感器基本上相同。磁性层具有的厚度基本上等于第一层和第二层组合的厚度。移除第二tmr传感器的第一层包括离子铣削第一层。移除第二tmr传感器的第二层包括离子铣削第二层。沉积磁性层通过离子束沉积工艺来执行。沉积磁性层通过溅射工艺来执行。

在一个实施方案中，tmr传感器用于作为单轴传感器操作的相机中。此类传感器的示例见于美国专利申请公布2019/0020822a1中，该专利申请公布以引用方式并入本文。然而，预期tmr传感器可用作二维或甚至三维传感器。另外，预期tmr传感器可集成并用于除了相机之外的惯性测量单元技术中，诸如可穿戴装置、罗盘和mems装置。此外，tmr传感器可作为位置传感器、桥角传感器、磁开关、电流传感器或它们的组合来操作。tmr传感器可用于通过使用tmr传感器作为位置和角度传感器来聚焦相机，诸如智能电话相机。另外，tmr传感器在汽车工业中也可以作为开关、电流和角度传感器来替代电流霍尔传感器、各向异性磁阻(amr)传感器和巨磁阻(gmr)传感器。tmr传感器也可在无人机和机器人工业中用作位置和角度传感器。医疗装置也可利用tmr传感器来对输注系统进行流量控制，还可以使用内窥镜相机传感器等。因此，本文所讨论的tmr传感器具有远远超出智能电话相机的应用，并且因此不应限于用作智能电话相机的传感器。此外，tmr传感器不需要布置成惠斯通电桥布置，而是能够以任何数量的方式布置。

通过同时形成tmr传感器，然后改变顶部两层，仅需要一次退火，制造吞吐量大幅增加。

虽然前述内容针对本公开的实施方案，但是可以在不脱离本公开的基本范围的情况下设想本公开的其他和另外的实施方案，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。