专利名称：具有磁性层结构的器件的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种具有磁性层结构的器件的制造方法，该方法包括以下步骤形成磁性层结构，用电流加热该磁性层结构。
WO 00/02006公开了一种在磁性传感器件的磁性多层中设置偏置层的磁化方向的方法。这个偏置层是人造反铁磁(AAF)系统的一部分，所述系统由至少一个偏置层、至少一个传导通量(fluxconducting)层和设置在所述层之间并将它们反铁磁性地连接在一起的至少一个连接层构成。在该方法中，在传感器件两端施加电流，以便加热传感器件，例如将温度升高到偏置层的阻挡温度之上。在加热过程中，在将要设置的偏置层的磁化方向上施加磁场。在预定时间周期之后，切断磁场。然后，使温度返回到初始温度，并固定住偏置层的磁化方向。
存在的问题是由施加于磁性传感器件两端的电流产生的热量对环境进行加热并扩散到长的距离。干扰了与磁性传感器件相邻的器件，并且，尤其是存在施加磁场的情况下，可能改变相邻器件的输出特性。
本发明的目的是为了获得在开篇所述类型的器件的制造方法，在该方法中，热量基本上被局限在磁性层结构内。
根据本发明的目的是通过如下方式实现的电流是具有一定持续时间的脉冲，所述持续时间使得基本上不会发生从该层结构向层结构的环境传输热量，从而在电流脉冲之前和之后的所述环境的温度基本上是相同的。
对该磁性层结构施以该电流脉冲。电流脉冲的持续时间比向层结构的环境发生实质热传递的时间尺度短。层结构的环境可以例如是其上设置层结构的衬底、空气、电绝缘层、或相邻器件。由于电流脉冲的短持续时间，在层结构和层结构的环境之间不可能发生热平衡。因此与电流脉冲相关的热量基本上在层结构内部消散。在终止该脉冲之后，热量迅速分布到层结构的整个环境，导致只发生环境的适度的温度增加。
主要优点是在不改变附近温度的情况下，例如不干扰相邻电子或磁性器件的情况下，可以选择性地改变该器件的磁性层结构的电或磁特性。
WO 00/79298公开了一种具有磁特性的传感系统的制造方法。该系统包括一组处于平衡结构中的磁性器件，例如处于惠斯登桥结构，并且基本上每个所述器件包括层结构，所述层结构至少包括第一铁磁层和第二铁磁层，并且其间至少具有非磁性材料的分离层，所述结构至少具有磁阻效应。该方法包括加热包括所述器件组的至少一个的系统的一部分同时在至少一部分所述系统上施加外部磁场的步骤，所述部分包括所述至少一个器件。所述加热可以通过向该器件或经过该器件施加电流脉冲、激光脉冲或来自电子束或离子束的脉冲来实现。
已知方法的缺点是在长距离上仍然存在热量的大扩散至少在该系统的器件之一的总尺度上升高温度。由于该器件相当大((几)100μm2数量级)并且在器件的整个尺寸上实现了温度，因此不能实现将热量局限在一个器件内。通过加热至少一个器件，该器件的环境也同样被加热。由于环境温度升高，因此在施加外部磁场时改变了该系统的相邻器件的磁阻输出特性。因此，利用已知方法，不可能实现磁性层叠置体内的局部加热。
从磁性层结构向环境的热传输由热传导来控制。磁性层结构通常包括设置在衬底上的金属层的叠置体。金属层叠置体的热容量一般与衬底的固态材料的热容量大小的数量级相同，而气体如空气的热容量明显较小。当对该磁性层结构施以电流脉冲时，热前锋(front)向衬底非常快速地移动。由于衬底的体积相对于磁性层结构的体积是相对大的，因此在层结构中产生的热量快速地分布在衬底的整个体积内。通常，一旦热量在层结构的体积的两倍的体积内分布，温度将以2为因子下降。
因此，电流脉冲之后衬底的温度保持基本上与电流脉冲之前的温度相同。
在有利的方法中，使用电流脉冲来选择层结构中的物理工艺。这种物理工艺可以是(原子的)扩散、界面处的组成物的变化、电阻变化、成对排列(易轴取向)的强度或方向的变化、磁化方向的变化、结构或相位(非晶/晶体/晶体取向)的变化、应力和应变的变化、或者表面附近(或界面附近)的掺杂剂的浓度的变化。
从某个状态向另外某个状态的物理工艺的转变取决于在这些状态之间存在的能量势垒。这种能量势垒还被称为激活能。这种转变的时间常数取决于能量势垒高度和相关工艺的总热能之间的比率。一般情况下，这个时间常数τ可以表示为类似Arrhenius的等式，例如τ＝τ0·exp(Ebarrier/kT)其中，τ0是考虑的工艺类型的某固定时间常数(例如其可以等于反相尝试(reversed attempt)频率)，Ebarrier是能量势垒，而kT是被考虑的工艺的总热能。因此时间常数τ取决于温度T。在短加热脉冲的情况下，所达到的温度T取决于加热持续时间(脉冲时间)和加热强度(脉冲幅度)，使τ(T)→τ(T(tpulse，Apulse))，其中tp是脉冲时间，Apulse是脉冲幅度。这些状态的数量(population)或占用期间(occupation)取决于允许工艺克服能量势垒的时间有多长。数量取决于允许的时间t和物理工艺的时间常数τ之间的比率。与时间相关的数量通常由Poisson-分布来描述，如exp(-t/τ)或exp(-t/τ(T(tpulse，Apulse)))。由于脉冲之后温度快速下降，因此t大约等于tpulse。
因此，在磁性多层的一个叠置体内，可以通过使用正确的脉冲时间和脉冲幅度来选择一定磁性层中的物理工艺，假设本征材料参数τ0和/或Ebarrier明显不同于多层叠置体的另一层的本征材料参数。
在有利的方法中，通过使用电流脉冲的较短脉冲时间和较高幅度可以增强工艺之间的选择性。
可以有利地施加不同脉冲的次序以便选择不同物理工艺。在选择脉冲持续时间和幅度以便保证从层结构向其环境基本上不发生热传递时，必须考虑层叠置体和环境(例如衬底)的热容和体积。
在有利的实施例中，该器件可以是用作用于车辆应用的磁性传感器件的磁阻器件、磁记录智能卡、生物传感器、例如在移动电话中使用的3D罗盘，或者用作磁性存储器件如数据存储系统中的MRAM。
磁性层结构可以包括至少一个例如反铁磁偏置层。该偏置层可以是层结构中的人造反铁磁物质(AAF)部分。
在用于设置偏置层的磁化方向的有利方法中，在短脉冲期间施加磁场，在偏置层的温度已经下降到Neel温度以下之后切断该磁场。Neel温度是临界温度，在该临界温度之上磁排列消失在反铁磁物质(AF)中。当临界温度从下面靠近，子晶格磁化连续下降到零。在偏置层已经冷却到Neel温度以下之后切断磁场是非常重要的，其中在该温度AF层的晶粒内的磁矩被排序。优选地，在阻挡温度之下切断磁场。阻挡温度通常小于Neel温度，并且被定义为所有晶粒的总体的平均磁化基本上为零时的温度。由于磁化的旋转也是涉及能量势垒的物理工艺，因此很清楚阻挡温度取决于在其间进行测量的时间尺度。在考虑的时间尺度减小时，阻挡温度增加。
该器件可以用在具有几个磁阻器件的磁性系统的制造中。该磁性系统可以是包括很多磁阻器件的磁性传感系统或存储系统。
优选地，形成至少四个磁阻器件并设置成惠斯登桥结构。惠斯登桥结构中的磁阻器件的输出特性对温度效应的灵敏程度比分离磁阻器件的磁阻特性差。
当磁阻效应是基于GMR或TMR效应，至少四个磁阻器件中的两个的磁化设置在相反方向，以便获得对于要测量的磁场的最大灵敏度。可以采用类似工艺用于AMR效应。优选地，在该方法中，施加磁性层叠置体的单个淀积用于惠斯登桥结构中的不同磁阻器件。在第一步骤中，在淀积期间在适当的磁场中设置偏置层的磁化方向。偏置层具有对应所述外部磁场的方向的磁化方向，其在大约10-100KA/m的外部磁场中在中等温度下优选是不能翻转的。
接着，对惠斯登桥结构中的四个磁阻器件中的两个施加(非常)短的电流脉冲。由于这个电流脉冲，被选的两个磁阻器件被加热到某个温度。如果该温度足够高，则如果同时施加强的磁场，偏置方向可以改变。在存在磁场的情况下进行冷却的期间，磁化方向被“冻结”在反铁磁材料中。还可以省略第一步骤(即，在磁场中生长)。在这种情况下，通过使磁场反向且经过其它两个桥器件发送电流脉冲，使后两个元件中的偏置方向反向。通过这种方式，可以获得全功能惠斯登桥结构。磁化方向的变化(如可能在淀积期间发生)引起惠斯登桥中的偏移变化，并通过这种方式可以在很大程度上得到避免。
为了补偿惠斯登桥中的磁阻器件的输出特性的偏移，使用电流脉冲是非常有利的。可以采用电流脉冲修整单个磁阻器件的电阻值。
可以选择性地改变惠斯登桥中的每个磁阻器件的电阻，而不干扰其它磁阻器件。使用电流脉冲来调整电阻是特别有用的，因为可以省掉通常用于修整目的所需的特殊修整电阻。另一主要优点是可以在磁阻器件的封装之后进行偏移补偿。在封装工艺期间电阻值的变化可以在之后得到补偿。结果是减小了偏移。
电流脉冲可以增加磁阻器件的电阻值，这是因为层结构的层混合。由于退火掉了来自磁阻层结构的缺陷，因此还可以减小电阻值。因此可以不可逆地将电阻值变为更高或更低的值。
在惠斯登桥结构的有利实施例中，桥的具有相同偏置方向的磁阻元件例如以弯曲结构非常紧密地组合在一起，而具有相反偏置方向的另一对磁阻元件以离另一成组对一定的距离、以弯曲结构非常紧密地组合在一起。优点是由于电流脉冲而导致的加热在设置成彼此非常靠近的弯曲元件中几乎相同。通过使用相同的接触焊盘可以同时施加该电流脉冲。这个结构还可以有利地用于测量磁场中的梯度或温度梯度，或者例如作为流量计。
从下面结合附图的详细说明中，本发明的这些和其它特征和优点将变得更加显而易见，其以举例形式说明了本发明的原理。这个说明书只是以举例形式给出的，而不限制本发明的范围。下文引用的参照图示指的是附图。
附图简述
图1示出穿过磁性层结构的示意剖面图；图2示出作为温度函数的磁性多层叠置体的电阻；图3示意性示出结合磁场施加短电流脉冲来设置偏置方向的方法；图4示出利用具有不同持续时间的电流脉冲在反向磁场中退火之后的磁阻曲线a)开始情况；b)2sec电流脉冲之后；和c)140ms电流脉冲之后，使用与a)中相同的开始位置；图5示出利用具有不同幅度的电流脉冲在40ms期间的电流退火之后的电阻变化；图6示出具有两个数量n1(T，t)和n2(T，t)和它们的各自能量势垒ΔE1和ΔE2的示意能量图；图7示意性地示出在相同温度下具有不同能量势垒的不同物理工艺，其可以通过选择具有改变的脉冲持续时间和幅度的电流脉冲来进行选择，y轴可以是任意单位；图8示出一定的脉冲时间和幅度可用于分开具有不同能量势垒的两个不同工艺，y轴可以是任意单位的；图9示出穿过磁性多层结构的示意性代表剖面图，该磁性多层结构包括第一交换偏置层和第二交换偏置层；图10示出a)交换-偏置强度和b)在宽脉冲时间范围上的方向以及c)不同温度下的交换-偏置强度的行为；图11示出IrMn和PtMn(每个点的测量时间大约为20分钟)的相对交换偏置场，实线测量的结果；虚线计算的结果；图12示出惠斯登桥的示意代表图；图13示出a)由GMR条构成的惠斯登桥器件。箭头表示该器件的所希望的磁化方向。黑色箭头示出淀积之后交换偏置层的磁化方向，虚线箭头示出电流脉冲退火工艺之后交换偏置层的磁化方向；b)淀积(开口标记)之后和电流退火工艺(填满标记)之后的单个淀积传感器的两个半桥的输出特性，其中这些器件被短电流脉冲(100ms、100mA)加热，并且使用外部场使偏置方向复位；图14示出为了旋转速度检测而优化的单个淀积GMR传感器的输出特性；b)GMR和AMR传感器的偏移漂移之间的对比，用于拟合的数据是用于AMR的3(μV/V)/K和用于GMR传感器的1(μV/V)/K；图15示出其中进行电流脉冲退火以便减小偏移电压的惠斯登桥结构；图16示出具有弯曲形状磁阻器件的惠斯登桥结构；图17表示本发明的惠斯登桥结构的实施例，其中具有相同偏置方向的磁阻器件组合在一起，而具有相反偏置方向的磁阻器件以一定距离设置并且也组合在一起。
在具有磁性层结构2的器件1的制造方法中，在层结构附近或穿过该层结构施加短电流脉冲3。
图1示出通过溅射淀积形成的磁性多层结构2。GMR多层叠置体淀积在衬底21上(例如玻璃、半导体材料，如设有氧化硅层的Si、或者陶瓷材料，如Al2O3)。如果需要的话，在衬底上设置用于修改随后层的结晶结构或晶粒尺寸的缓冲层。缓冲层可以包括Ta的第一子层22(例如3.5nm厚)和NiFe的第二子层23(例如2nm厚)。在缓冲层上，淀积IrMn交换偏置层24(例如10nm的Ir19Mn81)。在偏置层的顶部，设置人造反铁磁(AAF)叠置体，其包括第一Co90Fe10层25(例如4.5nm厚)、Ru层26(例如0.8nm厚)和第二Co90Fe10层27(例如4.0nm厚)。在AAF叠置体上，淀积非磁性间隔层28。间隔层28可以是Cu类型材料。Cu类型材料意味着Cu(例如2.2nm厚的Cu)或者是Cu和其它金属、特别是Ag的合金。在间隔层的顶部，设置承载Ni80Fe20层30(例如9nm厚)的Co90Fe10(例如1.2nm厚)的层29。保护层31(例如10nm Ta)覆盖该层系统。
下文中将交换偏置材料6(IrMn)称为AF1。将层4.5CoFe/0.8Ru/4.0CoFe的序列称为人造反铁磁物质(AAF)。下文中将Co90Fe10层29和Ni80Fe20层30一起称为自由层。
上述磁性层结构(3.5Ta/2.0NiFe/10.0IrMn/4.5CoFe/0.8Ru/4.0CoFe/2.2Cu/1.2CoFe/9.0NiFe/10.0Ta)也可以倒置。
或者，合适的TMR多层叠置体可以为5.0Ta/30.0Cu/3.5Ta/2.0或3.0NiFe/10.0IrMn/4.0CoFe/0.8Al，氧化的/5.0NiFe/10.0Ta。
在该方法的有利实施例中，穿过图1的GMR多层结构施加短电流脉冲3。这是通过在磁性多层叠置体两端施加短电压脉冲，由此感应电流脉冲来实现的。通过施加一定持续时间和幅度的电压脉冲来加热该磁性多层叠置体。这被称为“电流脉冲退火”。电流脉冲的持续时间和幅度对应多层叠置体内的一定温度。叠置体的或者该叠置体的直接相邻部位的某个电导率是实施该方法所必须的。
在上述TMR叠置体中，电流脉冲不能通过层结构发送；它将损坏氧化物。在这种情况下，可以通过位于TMR叠置体附近的电导体来发送电流脉冲。电导体迹线可以例如位于衬底上，并可以通过薄氧化硅层而与该层叠置体分离。
实验表明，在静电放电(ESD)事件中大约100-250ns的电压大约为1000V的极短脉冲不会导致MR多层叠置体的电阻值R明显变化，也不会改变磁阻效应ΔR/R，并且其将该器件加热到阻挡温度(大约290℃)以上。
40ms的脉冲持续时间和160V的电压导致10nm厚IrMn的阻挡温度即290℃左右的温度。
图2示出作为温度函数的多层叠置体的计算出的平方电阻。为了解释图2中的曲线形状，多层叠置体的一些重要的材料参数列于表1中。
表1在20℃时的电阻率和各个GMR叠置体材料的温度系数
表1总结了各种材料的电阻率和温度系数。温度系数是对于10nm的合理厚度层进行测量的。电阻率取决于膜的厚度，因而电阻率随着膜厚减小而增加，特别是对于10nm以下的膜厚。随着膜厚减小，界面处的散射效应变得更重要，这导致更高的电阻。GMR多层叠置体的总厚度通常大于40nm。
在表1中，假设电阻率取决于层厚。
大多数材料呈现恒定的温度系数，除了IrMn之外，其呈现非线性的行为。在20和80℃之间，温度系数是3000ppm/K，但是在较高的温度，温度系数下降。
在这个具体实施例中，在电流脉冲具有小于100ms的持续时间且电压脉冲的幅度在160V左右时，基本上没有发生从多层结构向多层结构的环境的热量传递。电流脉冲之前和之后衬底的温度基本上是相同的。没有观察到对相邻磁阻器件的输出特性的影响。
该方法在器件的制造中的应用是多方面的用于例如车辆应用、磁性记录、生物传感器、3D罗盘的磁性传感系统，在移动电话中，在数据存储系统如MRAM、IC、磁性叠置体、电叠置体等中的应用。
电流退火工艺采用时间尺度为几百毫秒或更快的电流脉冲来设置多层叠置体中的偏置层5的磁化方向9。在图3中图示了准确的工艺。在时间t1≤t3，在所希望的方向(点线)上施加强磁场。在t2，向磁性层结构施加电流脉冲3，其高得足以将该器件加热到其阻挡温度以上(实线)。在t3，切断电流。电流脉冲的持续时间应该在几百毫秒范围内或更快(t3-t2＜100ms)。电流脉冲将偏置层5加热到阻挡温度以上，并且偏置层的磁化方向9(重新)设置在施加的磁场的方向上。温度用虚线表示。非常重要的是在磁性多层结构冷却下来时，磁场仍然存在。在时间t4，可以切断磁场。
电流脉冲的持续时间在这个工艺中起到非常重要的作用。在图4a中，示出了两个相邻器件的磁阻曲线(曲线1和2)。所述器件之间的距离为300μm。图4b示出在存在反向磁场的情况下，在通过2秒的电流脉冲故意使仅仅一个器件(曲线1)的偏置方向反向之后的这两个器件的输出曲线。显然，另一器件的偏置方向也被旋转。在图4c中，通过140ms的电压脉冲已经故意使所述一个器件(曲线1)的偏置方向反向。通过使用非常短的电流脉冲，在不影响其它相邻器件的偏置方向(不改变曲线2)的情况下，可以使单独的器件的磁化方向反向。即使在这些器件只分开100μm时，这个脉冲技术也起作用。如果使用更快的电流脉冲，则可以进一步减小相邻器件之间的距离。
在加热叠置体时，与用在GMR传感器中的材料类似的材料的电阻率或多层叠置体的材料的电阻率改变。电阻率的变化部分地是可逆的，部分地是不可逆的。
电阻率的不可逆变化可以是负的，这意味着电阻减小。例如，这通常是由材料中的缺陷的退火造成的。缺陷对于导电电子来说是捕获中心，并且将影响材料的电阻率。
不可逆变化还可以是正的，这意味着电阻增加。这种效果通常是由引起材料混合的扩散效应造成的。根据温度，电阻变化可以很小或很大，这意味着通过使用合适的温度可以永久性地改变电阻。
图5示出作为施加在电阻器两端的电压脉冲高度的函数的图1的GMR多层叠置体的电阻的变化。在这种情况下，脉冲时间为40msec。在160V脉冲高度完成偏置层的旋转，表示该温度接近于交换偏置材料IrMn的阻挡温度，使用正常测量次数由VSM确定其阻挡温度为大约290℃。通过增加脉冲高度，通过电阻器的电流变高，并且电阻器的温度增加。增加的温度增强了相互扩散效应。在200V时，电阻已经增加了大约2％。
在前一例子中，在该器件中进行两个工艺磁化旋转和扩散。对于其它应用，必须通过使用它们激活能的差别来分开这些工艺。这将在下面描述。图6为含有与反铁磁材料AF接触的铁磁(FM)材料的结构示意性地示出作为AF材料中的磁化方向的函数的总能量。AF材料被假设为含有隔离晶粒的多晶体。假设在没有施加场的情况下，AF和FM层中的磁化处于相同的方向，并且AF晶粒中的磁化方向沿着晶粒的各向异性轴。就是说，磁化处于能量极小，数量为磁矩n1(T，t)。现在，如果在相反方向上施加强磁场，则FM层中的磁矩将响应该场，并且将在场的方向上取向。同时，这些磁矩将经过交换偏置耦合而尝试使AF晶粒中的磁矩反向。由于AF晶粒中的磁矩已经处于能量极小值，因此它们不会立即朝向相反方向旋转。尽管相反方向也是能量极小值，但是这两个能量极小值被能量势垒ΔE1分开，这是不能通过磁矩来克服的，除非添加足够的热能。因此，热能kBT和能量势垒ΔE1之间的比率对于AF晶粒中的磁化的切换行为是非常重要的，并且总磁化方向将是温度的函数。由于热波动的统计学上的行为，磁矩是否通过能量势垒将是时间和温度的问题。因此，总磁化方向还将是时间和温度的函数。通过使用电流脉冲退火技术，可以控制时间和温度，以便实现所希望的磁化方向。
图7示意性地示出在恒定温度下具有不同能量势垒的不同物理工艺。工艺之间的选择将通过选择改变脉冲持续时间和幅度的电流脉冲来获得。
不同曲线的垂直轴表示不同特性，如角度、电阻、结晶状态。位置和曲线形状取决于使用的材料和温度。
在上述选择性电流脉冲退火处理期间进行的(局部)工艺可以是(原子的)扩散、界面处的组成物的改变、成对排列的强度或方向的改变(易轴取向)、磁化方向的改变、结构或相位的变化(非晶/晶体/晶体取向)、应力和应变的变化、表面附近(或界面附近)的掺杂剂的浓度的变化。
图7中的示意曲线的例子是1、磁化的旋转(例如AF材料1)
2、磁化的旋转(例如AF材料2)3、由于小原子位移的性能(例如易轴旋转)4、由于大原子位移的性能(例如电阻)5、相变过渡(例如非晶-晶体材料1)6、相变过渡(例如非晶-晶体材料2)7、从绝缘状态向(半)导电状态的过渡(例如由于掺杂剂或材料变化造成的)。
由于在这个过程中一般没有原子位移，因此磁化方向的旋转可能进行得非常快。
NiFe(坡莫合金)膜的各向异性的松弛包括原子对的再取向，因为对排列是坡莫合金膜中的各向异性的主源。由于这涉及小原子位移，因此它通常是比磁化旋转慢的过程。对再取向直接涉及空位浓度。执行这些过程所需的时间用t＝τ0expEA/kBT来近似。用于自由层中的成对排序的激活能高于(EA＝1.3eV)用于改变固定(pinned)层中的磁化方向的激活能(1eV)，并且τOfree layer≈2.10-15min，而τOpinned layer≈4.10-10min。(文献“Thermal relaxation of the free layeranisotropy in spin valves”，L.Baril，D.Mauri，J.McCord，S.Gider和T.Lin，J.Appl.Physics，Vol.89，No.2，2001年1月15日，第1320-1324页)。
基于这些值，在T＝800K的温度下、在600nsec期间各向异性轴几乎完全旋转。相比之下，在室温T＝300K时，这将用2.5年的时间。
磁化的旋转是最快工艺之一并已经可以在ns范围内的极短脉冲持续时间内发生，而扩散工艺是较慢的工艺。对于大多数材料的相变来说，例如从非晶向晶相变化，需要更多功率，并且由于这个原因，脉冲持续时间通常要大得多，尽管存在如用于CD记录的相变材料的例外情况。
图8示出时间可用于分离两个不同的效应。在这种情况下，选择几乎不影响电阻(曲线4)的脉冲时间，同时其完全改变了AF材料1中的磁化方向(曲线1)。
不同曲线的垂直轴再次表示不同特性，如角度、电阻、结晶状态。
作为例子，图9示出包括两个交换偏置材料5、7的多层结构，所述两个交换偏置材料5、7具有不同的阻挡温度，选择性电流脉冲退火的方法可以有利地应用于该多层结构。通过为电流加热脉冲选择适当的时间和幅度，可以选择性地改变叠置体中的一个交换偏置层。
在图9的实施例中，多层结构包括具有附加叠置体32，33，34:x nmTa/4.0nm CoFe/10.0nm X-Mn/10.0nm Ta的GMR叠置体3.5nm Ta/2.0nmNiFe/10.0nm IrMn/4.5nm CoFe/0.8nm Ru/4.0nm CoFe/3.0nmCu/1.2nm CoFe/9.0nm NiFe。这种情况下的第一交换偏置层5(AF1)是IrMn，第二交换偏置层7(AF2)是X-Mn，其中X例如是Pt或Ni。
图10a和10b中示出了在宽的脉冲时间范围上的交换偏置强度和方向的行为。
该器件的温度已经固定在375℃，并且施加的磁场设置在与初始偏置方向相反的方向。由于时间和温度的影响，偏置方向从0°变为180°。图10a为IrMn(实线)和PtMn(虚线)AF材料两者示出了作为脉冲时间的函数的标准化交换偏置强度。曲线中的凹陷部分表示磁化改变方向的脉冲时间。图10b示出了交换偏置方向。可以看出在比1sec长的脉冲时间处，IrMn(实线)中的交换偏置场9几乎完全改变(即，方向和强度)，而PtMn(虚线)的交换偏置场10几乎不受影响。因此，通过为加热脉冲选择合适的时间和温度，可以选择性地改变叠置体中的一个交换偏置层。
在本例中，该选择是基于以下物理原理交换偏置膜的特征在于其所谓的阻挡温度TB。如果膜的温度超过阻挡温度，则AF材料中的磁化方向可以很容易地改变为施加场的方向，(为了清楚起见，AF材料中的磁化方向经过铁磁层中的磁化方向而改变，而所述铁磁层交换-耦合到AF材料)。通过使用具有基本上不同阻挡温度(TB，1和TB，2)的两个不同交换偏置材料，在存在场的情况下将一种材料加热(到其阻挡温度TB，1以上)可以改变该一种材料的磁化方向，而同时在相同的温度(在其阻挡温度TB，2以下)和磁场下不影响另一种材料。通过这种方式，在一个元件内，可以独立地实现两个不同交换偏置方向。
在图10c中，对于不同的温度示出了交换偏置强度。
这个附图清楚地示出了使用短脉冲时间的另一个优点是通过使用电流脉冲的较短脉冲时间和较高幅度(温度)，可以增强两个工艺之间的选择性。
借助于VSM测量法测量了IrMn和PtMn的阻挡温度。结果示于图11中。该图在垂直轴上示出了作为温度函数的交换偏置场。可以清楚地看出IrMn(实线)和PtMn(虚线)具有不同的阻挡温度，其中PtMn具有较高的阻挡温度。该图中的点线是通过计算得来的，该计算模拟了AF材料的行为，并假设了AF层中的实际log-normal晶粒/颗粒-尺寸分布。AF材料的Neel温度和各向异性常数已经从测量的数据提取出来。
借助于各种持续时间和幅度的短和超短(电流和最终的激光)脉冲序列(或者特定持续时间和幅度的一个短或超短电流脉冲)，可以选择性地影响叠置体中的不同工艺和位于不同位置的多个叠置体中的工艺。通过这种方式可以优化叠置体的特性，而这是通过任何其它方式所不能优化的。在‘电流脉冲退火’处理期间可以施加磁和/或电场、机械应力、气流等。
电流脉冲方法可以有利地用于制造例如磁特性的传感系统1中的磁性器件。磁性传感器广泛地用于各种类型的应用，尤其是在车辆工业中。传感器可以基于AMR(各向异性磁阻)效应，用于在ABS刹车系统中的应用和车辆应用中的旋转速度测量。感兴趣的是更灵敏的传感器，使用例如GMR(巨磁阻)、具有NOL(NaNo-氧化层)的GMR或者甚至TMR(隧道磁阻)。对于这种传感器的典型要求包括对于较高温度(通常为200℃)下的延长操作的高温稳定性、低偏移电压、低偏移电压漂移、低噪声和低磁滞现象。
大多数磁性传感器基于惠斯登桥结构16，由四个电阻器12、13、14和15构成，这四个电阻器由磁性材料形成并通过四个端子彼此连接(见图12)。磁性材料通常由AMR、GMR或TMR材料构成。这四个端子给桥提供输入和输出。因为惠斯登桥的与温度无关的行为，因此它们通常被使用，通过使用这种结构至少大大减小了传感器的与温度有关的特性。这个桥通过两个端子(例如图12中的端子A和D)连接到电压源或电流源。
在有利实施例中，磁性器件是用于旋转速度检测的GMR传感器。传感器布置是有效面积小于0.3mm2的全惠斯登桥结构。它由具有如图1中所述的交换偏置人造反铁磁物质(AAF)的自旋阀构成。这种结构对于高达至少200kA/m的场是稳定的，并且可以经受住超过170℃的操作温度，这使其适合于车辆应用。
使用单个淀积工艺淀积所有器件。这个桥的两个器件的磁化方向必须旋转180°，以便获得来自GMR传感器的最大输出(见图13a)。惠斯登桥器件由GMR条构成。箭头9、10表示这些器件的所希望的磁化方向。黑箭头9示出淀积之后的磁化方向，而虚线箭头10示出两个桥器件的所希望的磁化方向。这两个桥器件的磁化方向10可以经由电流脉冲退火工艺来实现，其中在阻挡温度之上对单独的器件13、14进行退火，并且使用强磁场来设置该器件的磁化方向。这个工艺可以在不影响相邻器件的磁化方向的情况下来进行。考虑到器件之间的大约50μm的小距离，这个因素变得更至关重要了。
图13b示出施加于单个淀积传感器的电流脉冲退火工艺的结果。通过短电流脉冲(100ms、10mA)加热单独器件，并且使用2500Oe的外部场设置半桥的偏置方向。输出曲线表示传感器的单独半桥(例如，具有相同磁化方向的器件)。在淀积之后，两个半桥表现出非常类似的输出特性(打开的符号)。使用电流脉冲退火工艺，半桥的磁化方向被设置在相反方向(填充的符号)。设置单独半桥的磁化方向之后，两个半桥呈现相同的最大GMR效果并具有相反特性的事实表明一个半桥的磁化方向已经在不影响相邻器件的磁化方向的情况下被旋转。
优化的单淀积GMR旋转速度传感器的桥输出示于图14a中。传感器的有效面积大约为0.25mm2。该传感器在小场下显示出10-18(mV/V)/(kA/m)之间的高灵敏度和小于0.1kA/m的磁滞。在较大的场下，传感器的输出一直到30kA/m的场都保持恒定。GMR速度传感器相对于运动的靶轮(active target wheel)的测量产生了可靠的输出信号，并且与常用的AMR传感器相比，使最大气隙增加了20％以上。
这个电流脉冲退火工艺还可用于在单个淀积工艺中产生片上GMR角度传感器。这导致传感器尺寸的明显减小和传感器精度的提高。
GMR旋转速度传感器的优异性能可以归因于高灵敏度、小场下的低磁滞和大场下的恒定输出调制的独特组合。
当图12中的桥的四个电阻器都具有相同电阻值时，作为在两个端子之间测量的电压的输出电压在施加于桥的零磁场(Happ)时为零，所述两个端子不用于将功率引入到惠斯登桥(例如端子B和C)。在Happ＝0时的零输出电压是大多数应用所希望的。在这种情况下，认为偏移电压为零。电阻器的值的小变化(例如由施加的磁场引起的)使桥不平衡，在非零磁场下提供非零输出电压。因此，从设计角度来看，惠斯登桥对于电阻的变化是非常灵敏的。然而，这些小电阻变化还可能由磁性传感器的制造方法引起。在制造环境中，实际上几乎不可能通过电阻值精确相等这样的方式来制成这四个电阻器。由于已经提到该桥对于电阻的小偏差很灵敏，因此输出电压在Happ＝0时将不为零。这个非零输出电压被称为桥的偏移。
图14b对比了GMR传感器与商业上可获得的AMR传感器的偏移漂移(offset drift)。该单淀积GMR传感器的偏移漂移大约为1(μV/V)/K，并且大约比用于旋转速度传感器的通常可获得的AMR传感器的偏移漂移好三倍。
为了校正这个非零偏移电压，通常在晶片级上完成完整器件之后使用修整程序。每个惠斯登桥设有两个可修整的电阻器，每个电阻器在桥的一条对角线上。通过利用激光切割金属连接，可以改变这些修整电阻器的值，并且最终在Happ＝0时的桥的输出电压可以被修正为零。由于这些器件对于激光修整设备来说必须是可接近的，因此这个程序只能在晶片级应用。一旦该传感器被封装，则不能再校正由于例如封装期间的热处理产生的输出电压的偏移。
该电流脉冲法可适用于通过‘电流脉冲退火’技术来减小惠斯登桥结构的偏移电压。
该方法可以代替如目前在制造AMR传感器期间用到的激光修正程序，并具有可适用于已封装传感器的优点。由于修正程序可用作封装线尽头的最终处理，因此还可以校正在封装期间可能发生的输出电压的额外偏移。
借助电流脉冲的上述修正方法是基于两个现象。
第一个现象是类似于用在GMR传感器中的材料的电阻率或者材料的多层叠置体的电阻率在该叠置体被加热时发生变化的事实。这种变化部分地可逆且部分地不可逆。
电阻率的不可逆变化可以是负的，这意味着电阻减小。例如，这通常是由材料中的缺陷的退火造成的。缺陷对于导电电子来说是捕获中心，并且将影响材料的电阻率。
不可逆变化还可以是正的，这意味着电阻增加。这种效果通常是由引起材料混合的扩散效应造成的。根据温度，电阻变化可以很小或很大，这意味着通过使用合适的温度可以永久性地改变电阻。
第二个现象是基于以下事实桥中的偏移电压的移位只是由电阻的小变化引起的。例如，偏移电压的移位通常为每1％电阻变化，其移位大约为5mV/V。由于偏移电压的移位实际上(由于这些电阻器的制造中的扩散)在-10mV/V和+10mV/V之间，在这些电阻器其中之一的仅仅±2％的变化就足以补偿这个移位。这种电阻变化可以很容易地通过加热该电阻来实现。
图5示出作为在电阻器两端施加的电压脉冲的高度的函数的GMR多层叠置体的电阻的变化。脉冲时间为40msec。在160V脉冲高度，完成偏置层的旋转，表示温度接近于交换偏置材料IrMn的阻挡温度，其阻挡温度为大约290℃。通过增加脉冲高度，流过电阻器的电流变高，并且电阻器的温度增加。增加的温度提高了相互扩散的效果。在200V，电阻已经增加了几乎2％。
图15示出完整的惠斯登桥的两条输出曲线。第一输出曲线涉及其中所有桥器件(电阻器)已经通过脉冲高度为160V的脉冲在40ms期间被“电流”退火的桥(虚线)。第二输出曲线(实线)表示其中在40ms期间利用160V脉冲对一条对角线上的器件进行了退火而在40ms期间利用200V脉冲对另一条对角线上的器件进行了退火的惠斯登桥。清楚地看出，在这种情况下，通过这个电流退火法可以实现大约7-8mV的偏移电压的移位。尽管存在相互扩散效应，但是也没有观察到该传感器的磁特性的变化。
提出的这种偏移电压修正法可以与上述借助电流退火来设置偏置方向的方法相结合。根据应用，可以在磁场中或没有磁场的情况下进行修正。该方法消除了在制造中使用的激光修正程序，同时提供了一种改进已封装产品的关于偏移电压的最终性能的方法。
当特定器件的热量将传到相邻器件时会出现一个问题。
在这种情况下，相邻器件的固定层的方向也可能被改变。如果桥的器件彼此弯曲，则这个问题变得更糟。使用这种布局的惠斯登桥示于图16中。这种布局的优点是减小了由层的膜厚和性能的小变化引起的偏移电压漂移。此外，它减小了磁场梯度效应。不同线图形(实线和虚线)表示固定层的不同方向。
为了解决这个问题，在有利的实施例中，以稍微不同的方式设置惠斯登桥，使得具有相等特性(即具有相同的固定层方向)的两个弯曲部组合在一起，如在图17中所描绘的。通过这种方式，具有相同特性的桥器件组合在一起，而具有不同特性(即相反的固定层方向)的桥器件彼此分开。与原始布局(图16)相比，新布局(图17)中具有相同特性的传感器件的加热不太可能影响具有不同特性的传感器件。
权利要求
1.具有磁性层结构的器件(1)的制造方法，该方法包括以下步骤形成磁性层结构(2)，用电流加热该磁性层结构，该方法的特征在于该电流是具有一定持续时间的脉冲(3)，从而从该层结构(2)向层结构的环境(4)基本上不发生热传递，因而所述环境的温度在该电流脉冲之前和之后基本上相同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于热量通过热传导进行传递。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于电流脉冲(3)用于选择该层结构中的物理工艺，该脉冲的持续时间和幅度适合于这个物理工艺的激活能。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于通过增加该脉冲的幅度和减小脉冲持续时间来提高物理工艺的选择。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在基本上没有从该层结构向其环境(4)发生热传递的情况下施加电流脉冲序列。
6.根据权利要求1到5所述的方法，其特征在于器件(1)是磁阻器件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于器件(1)是传感器件。
8.根据权利要求1到7所述的方法，其中磁性层结构(2)包括至少一个偏置层(5)，其特征在于在短脉冲期间施加磁场，在该偏置层的温度已经降低到Neel或居里温度以下之后切断该磁场。
9.根据权利要求7所述的方法，其中该磁性层结构包括具有第一反铁磁材料(6)的第一偏置层(5)和第二偏置层(7)，所述反铁磁材料(6)具有第一阻挡温度，所述第二偏置层(7)具有第二不同的阻挡温度，其特征在于首先设置具有较高阻挡温度的材料的磁化方向(9)，然后设置具有较低阻挡温度的材料的磁化方向(10)。
10.根据前述任何权利要求所述的方法，其特征在于电流脉冲(3)的持续时间比100ms短。
11.根据权利要求8、9或10所述的方法，其特征在于该器件用在具有几个磁阻器件的磁性系统(11)的制造中。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于形成至少四个磁阻器件(12、13、14、15)，并且设置为惠斯登桥结构(16)。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于施加该电流脉冲，用于通过局部加热而不可逆地改变桥器件(12、13、14、15)中的至少一个的电阻，由此进行偏移补偿。
14.根据权利要求12所述的方法制造的惠斯登桥，其特征在于在偏置层中具有相同磁化方向的桥器件(12、15)组合在一起，而具有不同磁化方向的桥器件(13、14)组合在一起，从而使它们与另一组在空间上分离。
15.根据权利要求14所述的惠斯登桥，其特征在于成组的桥器件(12、15；13、14)具有交错弯曲形状。
全文摘要
公开了一种具有磁性层结构的器件的制造方法，该方法包括以下步骤形成磁性层结构(2)；用电流加热该磁性层结构，其中电流是具有一定持续时间的脉冲(3)，从而从该层结构向层结构的环境(4)基本上不发生热传递，因而所述环境的温度在电流脉冲之前和之后基本上相同。热量基本上消散在层结构中。因此这种方法允许选择层结构中的物理工艺，以便优化磁阻器件的磁或电特性，同时不干扰环境如相邻器件。该方法可以有利地用于在设置成惠斯登桥结构(16)的不同磁阻器件(12、13、14、15)的偏置层中设置不同的磁化方向(9、10)，或者用于减小所述惠斯登桥的输出特性的偏移。
文档编号H01L43/12GK1826672SQ200480016087
公开日2006年8月30日 申请日期2004年6月1日 优先权日2003年6月11日
发明者雅各布斯·J·M·卢伊格罗克, 约安内斯·B·A·D·范佐恩, 弗雷德里克·W·M·范黑尔蒙特, 威廉·J·A·热万 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司