专利名称：一种层状集成的三维磁场传感器及其制备方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，具体地说是涉及一种层状集成的、带有隧道结磁阻和巨磁电阻元件的、能在三维方向上探测弱磁场的传感器及其制备方法和用途。
背景技术：
磁场传感器有广泛的商业用途，如计算机磁头、MARM(非挥发性磁性存储器)，磁性编码器、位置传感器、无刷直流电机、VCD、DVD、电流计、指南针等等，目前使用最广泛的磁场传感器是以霍尔效应为基础的霍尔磁场传感器。但是，现有的磁场传感器一般只能探测一维磁场，而对于三维磁场的探测只能采用将具有不同敏感磁场方向的传感器组合在一起的方法，这种方法不仅成本较高，而且稳定性和一致性也较难得到保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的磁场传感器只能将具有不同敏感磁场方向的传感器组合在一起来探测三维磁场，成本较高、且稳定性和一致性也较难得到保证的缺陷，利用近年来新发展的磁性隧道结材料(TMR)和巨磁电阻材料，其磁电阻比值超过传统的霍尔元件和半导体器件几倍甚至几十倍，并且与半导体工艺兼容，从而提供一种制备成本低廉、稳定性和一致性均较高的层状集成的三维磁场传感器，及其制备方法和用途。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供的层状集成的三维磁场传感器，其为在磁性多层膜上经过常规半导体制备工艺，形成的独立的分别对三维空间感应的磁场传感器，所述的磁性多层膜如图l所示，包括一片基1及其上的缓冲层2，在缓冲层上依次沉积三个由叠加的隧道结或/和巨磁电阻材料的磁组元件形成的第一磁性传感器单元71、第二磁性传感器单元72和第三磁性传感器单元73，还包括在第一磁性传感器单元71和第二磁性传感器单元72间的第一绝缘层61，第二磁性传感器单元72和第三磁性传感器单元73之间的第二绝缘层62，以及第三磁性传感器单元73上的覆盖层80；每一个磁性传感器单元均包括反铁磁层21、22、23，钉扎层31、32、33，非磁性层41、42、43，和自由层51、52、53，且钉扎层和自由层的磁化强度方向相互垂直，在没有外加磁场时三个磁电阻元件的自由层51、52、53有同一个易轴方向，钉扎层31、32、33的三个易轴方向相互垂直，分别具有垂直于片基1平面磁场感应方向(设为z方向)和平行于片基1平面、且相互垂直的二维磁场感应方向(设为x，y方向)；所述的隧道结磁组元件为自旋阀型磁性隧道结元件；所述的巨磁电阻材料的磁组元件为自旋阀型或层间耦合型多层膜；每一个磁性传感器单元的反铁磁层为具有反铁磁性的合金，优选Ir-Mn，Fe-Mn，或Pt-Mn，厚度为2～20nm；钉扎层为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，厚度为2～20nm；具有垂直于平面磁场感应方向的传感器的钉扎层采用具有垂直各向异性的铁磁性金属或合金，优选Co/Pt多层膜，CoFe/Pt组成的多层膜，TbFeCo，或GdFeCo等；其他两个方向的钉扎层为Fe、Co、Ni及其合金，优选Co-Fe合金，Ni-Fe合金，非晶CoFeB合金。
对于隧道结材料，每一个磁性传感器单元的非磁性层一般采用Al2O3、MgO、AlN、Ta2O5、ZnO、或TiO2等绝缘材料，厚度为0.5～5nm；对于巨磁电阻材料，每一个磁性传感器单元的非磁性层一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为1.0～10nm；每一个磁性传感器单元的自由层为矫顽力较小的具有较高自旋极化率的铁磁性金属及其合金，优选Co，Co-Fe，Co-Fe-B，或Ni-Fe合金(如Ni81Fe19)，厚度为1.0～10nm；所述的绝缘层为Al2O3或SiO2，厚度为0.5～20nm；所述的片基为Si衬底或Si-SiO2衬底，厚度为0.3～1mm；所述的缓冲层为电阻较大的金属材料，优选Ta、Ru、Cr、Pt，厚度为3～10nm；所述的覆盖层为不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化。
本发明提供一种上述层状集成的三维磁场传感器的制备方法，是将隧道结或/和巨磁电阻磁电阻材料，在片基上沉积叠加，再利用常规的半导体集成工艺将其集成，具体包括如下的步骤1、选择一个片基，并在其上沉积缓冲层；
所述的片基为Si衬底或Si-SiO2衬底，衬底厚度为0.3～1mm；所述的缓冲层为电阻较大的金属材料，优选Ta、Ru、Cr、Pt，厚度为3～10nm；2、在缓冲层上依次沉积第一磁性传感器单元的反铁磁层、钉扎层、非磁性层、和自由层，且钉扎层和自由层的磁化强度方向相互垂直；3、在第一磁性传感器单元的自由层上沉积第一绝缘层；4、在第一绝缘层上依次沉积第二磁性传感器单元的缓冲层、反铁磁层、钉扎层、非磁性层、和自由层，且钉扎层和自由层的磁化强度方向相互垂直；5、在第二磁性传感器单元的自由层上沉积第二绝缘层；6、在第二绝缘层上依次沉积第三磁性传感器单元的缓冲层、反铁磁层、钉扎层、非磁性层、和自由层，且钉扎层和自由层的磁化强度方向相互垂直；所述的第一磁性传感器单元、第二磁性传感器单元和第三磁性传感器单元层均由叠加的隧道结或/和巨磁电阻材料的磁组元件形成；在没有外加磁场时三个磁电阻元件的自由层有一个易磁化方向，并且钉扎层的三个易轴方向相互垂直，分别具有垂直于片基1平面磁场感应方向(设为z方向)和平行于片基1平面、且相互垂直的二维磁场感应方向(设为x，y方向)；所述的隧道结磁组元件为自旋阀型磁性隧道结元件；所述的巨磁电阻材料的磁组元件为自旋阀型或层间耦合型多层膜；每一个磁性传感器单元的反铁磁层为具有反铁磁性的合金，优选Ir-Mn，Fe-Mn，或Pt-Mn，厚度为2～20nm；钉扎层为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，厚度为2～10nm；具有垂直于平面磁场感应方向的传感器的钉扎层采用具有垂直各向异性的铁磁性金属或合金，优选Co/Pt多层膜、CoFe/Pt组成的多层膜、TbFeCo、或GdFeCo等；其他两个方向的钉扎层为Fe、Co、Ni及其合金，优选Co-Fe合金，Ni-Fe合金，Co-Fe-B非晶合金；对于隧道结材料，每一个磁性传感器单元的非磁性层一般采用Al2O3、MgO、AlN、Ta2O5、ZnO、或TiO2等绝缘材料，厚度为0.5～5nm；对于巨磁电阻材料，每一个磁性传感器单元的非磁性层一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为1.0～10nm；每一个磁性传感器单元的自由层为矫顽力较小的具有较高自旋极化率的铁磁性金属及其合金，优选Co，Co-Fe，Co-Fe-B，或Ni-Fe合金，厚度为1.0～10nm；所述的绝缘层为Al2O3或SiO2，厚度为0.5～20nm；7、在第二磁性传感器单元的自由层上沉积覆盖层，得到本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜；所述的覆盖层为不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化；8、在步骤7)制备的磁性多层膜上采用常规半导体制备工艺，形成本发明的层状集成的三维磁场传感器；当采用隧道结作为磁层单元时，所述的常规半导体制备工艺包括首先经过涂胶、曝光、前烘、曝光、中烘、显影、后烘、刻蚀刻出最低部磁层单元和中间磁层单元，再经过传统的半导体隧道结制备工艺，依次进行基片处理、涂胶、曝光、前烘、曝光、中烘、显影、后烘、刻蚀、沉积SiO2工艺，分别在三层磁电阻层单元刻出隧道结单元，形成独立的分别对三维空间感应的磁场传感器，每层上刻出的隧道结单元感应一维磁场，最后引出电极；当采用巨磁电阻材料时，所述的常规半导体制备工艺包括经过传统的巨磁电阻单元制备工艺，首先经过涂胶、曝光、前烘、曝光、中烘、显影、后烘、刻蚀工艺，刻出最低部磁层单元和中间磁层单元，依次进行基片处理、涂胶、曝光、前烘、曝光、中烘、显影、后烘、刻蚀工艺，分别在三层磁电阻层单元刻出巨磁电阻单元，形成独立的分别对三维空间感应的磁场传感器，每层上刻出的巨磁电阻单元感应一维磁场，最后引出电极。
本发明提供的上述层状集成的三维磁场传感器可用于检测三维磁场。在工作中，在Ui端输入一恒压源或是恒流源，三个传感器a、b、c并联，这时三个传感器上的分压相同，在a、b、c的输出端给出输出信号，分别对应x、y、z三个方向。当有外磁场时，由于a、b、c三个传感器的磁电阻发生变化，导致输出信号的变化，每个自旋阀当自由层与钉扎层的方向垂直时，在一定范围内输出电压与外磁场的变化呈线性关系，由输出电压即可得出外磁场的大小。
与现有技术相比，本发明具有显著的优点。现有技术通常是将三种感应不同方向的传感器拼在一起组成三维磁性传感器，其对每个传感器的一致性要求很高，而且拼装工艺极其复杂，制作成本高，得到的三维磁性传感器体积大且稳定性较差。相比之下，本发明提供的制作三维磁性传感器的方法将测量三维方向的磁场传感器集中在一块芯片上，减小了传感器体积，降低了成本，大大提高了三维磁性传感器的稳定性，尤其是可以与大规模集成电路工艺相兼容，在一些特定条件下有着很多不可替代的优点。
图1是本发明提供的用于层状集成的三维磁场传感器的磁性多层膜的截面示意图；图2是本发明提供的层状集成的三维磁场传感器的截面示意图；其中1片基，2缓冲层，21第一反铁磁层，22第二反铁磁层，23第三反铁磁层，31第一钉扎层，32第二钉扎层，33第三钉扎层，41第一非磁性层，42第二非磁性层，43第三非磁性层，51第一自由层，52第二自由层，53第三自由层，61第一绝缘层，62第二绝缘层，71第一磁性传感器，72第二磁性传感器，73第三磁性传感器，80覆盖层。
具体实施例方式
实施例11、选择一个厚度为1mm的Si-SiO2衬底作为片基1，并在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该片基上沉积5nm Ta缓冲层2；2、在缓冲层上依次沉积第一磁性传感器71的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为第一反铁磁层21，然后依次是3个周期的(Pt 0.5nm/Co 0.4nm)作为第一钉扎层31，1.0nm Al2O3作为第一非磁性层41，3个周期的(Co 1.0nm/Pt 1.0nm)作为第一自由层51，钉扎层31的方向垂直于片基1；自由层51的方向平行于片基1。
3、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在第一磁性传感器的自由层51上沉积10nm SiO2作为第一绝缘层61，用于保护材料不被氧化；SiO2沉积速率为0.2nm/s。
4、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件在第一绝缘层61上依次沉积第二磁性传感器72的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为第二反铁磁层22，然后依次是4.0nm Co75Fe25作为第二钉扎层32，1.0nmAl2O3作为第二非磁性层42，4.0nm Co75Fe25作为第二自由层52，钉扎层32的方向与钉扎层31的方向垂直，平行于片基1，自由层52的方向与自由层51的方向一致，平行于片基1；5、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第二磁性传感器72的自由层52上沉积10nm SiO2作为第二绝缘层62，用于保护材料不被氧化；6、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第二绝缘层62上依次沉积第三磁性传感器73的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为第三反铁磁层23，然后依次是4.0nm Co75Fe25作为第三钉扎层33，1.0nmAl2O3作为第三非磁性层43，4.0nm Co75Fe25作为第三自由层53，钉扎层33的方向平行于片基1，且与钉扎层31和钉扎层32的方向均垂直，自由层53的方向与自由层51的方向一致，平行于片基1；在没有外加磁场时，三个磁电阻元件的自由层有一个平行于片基1的且相互垂直的易轴方向，而钉扎层的三个易轴方向相互垂直，分别具有垂直于片基平面磁场感应方向(设为z方向)和平行于片基的二维x和y方向；7、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第三磁性传感器73的自由层53上沉积5nm Ta作为覆盖层80，用于保护材料不被氧化，得到本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜；8、在步骤7)制备的磁性多层膜上采用常规半导体制备工艺，形成本发明的层状集成的三维磁场传感器；具体步骤为依次进行基片处理、涂胶、曝光、前烘、曝光、中烘、显影、后烘、刻蚀出最低部磁层单元和中间磁层单元，再经过传统的半导体隧道结制备工艺，依次进行基片处理、涂胶、曝光、前烘、曝光、中烘、显影、后烘、刻蚀、长SiO2工艺，分别在三层磁电阻层单元刻出隧道结单元，形成独立的分别对三维空间感应的磁场传感器，每层上刻出的隧道结单元感应一维磁场，最后引出电极，得到本发明的三维集成地磁场传感器。
实施例2按照实施例1的方法，制备的层状集成的三维磁场传感器，其核心的磁性多层膜的结构包括1mm Si片基1及其上5nm的Ru缓冲层2，在缓冲层上依次沉积10nmFeMn/z方向(0.5nm Pt/0.4nm Co75Fe25)3/3nm MgO/(1.0nm Pt/1.0nm Co75Fe25)3组成第一磁性传感器71的各层；在第一磁性传感器的自由层上沉积5.0nmAl2O3作为第一绝缘层61；在第一绝缘层61上依次沉积10nm Fe-Mn/x方向4.0nm Co-Fe-B/3.0nmMgO/4.0nm Co-Fe-B组成第二磁性传感器72的各层；在第二磁性传感器72的自由层52上沉积5.0nm Al2O3作为第二绝缘层62；在第二绝缘层62上依次沉积10nm Fe-Mn/y方向4.0nm Co-Fe-B/3.0nm MgO/4.0nmCo-Fe-B组成第三磁性传感器73的各层；在第三磁性传感器73的自由层53上沉积5.0nm Ru作为覆盖层80，得到本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜；然后采用常规半导体制备工艺，形成本发明的层状集成的三维磁场传感器。
实施例31、选择一个厚度为1mm的Si-SiO2衬底作为片基1，并在其上在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa。沉积3.0nm Ta缓冲层；2、在缓冲层上依次沉积第一磁性传感器71的各层，首先是沉积10nm的Ir-Mn作为第一反铁磁层21，然后依次是3个周期的(Pt 0.5nm/Co 0.4nm)作为第一钉扎层31，1.0nmAl2O3作为第一非磁性层41，3个周期的(Co1.0nm/Pt 1.0nm)作为第一自由层51，钉扎层31的方向垂直于片基1；自由层51的方向平行于片基1。
3、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa在第一磁性传感器的自由层51上沉积10nm SiO2作为第一绝缘层61，用于保护材料不被氧化；SiO2沉积速率为0.2nm/s。
4、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa在第一绝缘层61上依次沉积第二磁性传感器72的各层，首先是沉积10nm的Ir-Mn作为第二反铁磁层22，然后依次是2nm Co75Fe25作为第二钉扎层32，1.0nm Al2O3作为第二非磁性层42，2.0nm Co75Fe25作为第二自由层52，钉扎层32的方向与钉扎层31的方向垂直，平行于片基1，自由层52的方向与自由层51的方向一致，平行于片基1；5、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa在第二磁性传感器72的自由层52上沉积10nm SiO2作为第二绝缘层62，用于保护材料不被氧化；6、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa在第二绝缘层62上依次沉积第三磁性传感器73的各层，首先是沉积10nm的Ir-Mn作为第三反铁磁层23，然后依次是2.0nm Co75Fe25作为第三钉扎层33，1.0nm Al2O3作为第三非磁性层43，2.0nm Co75Fe25作为第三自由层53，钉扎层33的方向平行于片基1，且与钉扎层31和钉扎层32的方向均垂直，自由层53的方向与自由层51的方向一致，平行于片基1；
在没有外加磁场时，三个磁电阻元件的自由层有一个平行于片基1的且相互垂直的易轴方向，而钉扎层的三个易轴方向相互垂直，分别具有垂直于片基平面磁场感应方向(设为z方向)和平行于片基的二维x，y方向；7、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa在第三磁性传感器73的自由层53上沉积2.0nmTa作为覆盖层80，用于保护材料不被氧化，得到本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜；8、在步骤7)制备的磁性多层膜上采用常规半导体制备工艺，形成本发明的层状集成的三维磁场传感器；具体步骤为依次进行基片处理、涂胶、曝光、前烘、曝光、中烘、显影、后烘、刻蚀出最低部磁层单元和中间磁层单元，再经过传统的半导体隧道结制备工艺，依次进行基片处理、涂胶、曝光、前烘、曝光、中烘、显影、后烘、刻蚀、长SiO2工艺，分别在三层磁电阻层单元刻出隧道结单元，形成独立的分别对三维空间感应的磁场传感器，每层上刻出的隧道结单元感应一维磁场，最后引出电极，得到本发明的三维集成地磁场传感器。
实施例41、选择一个厚度为1mm的Si-SiO2衬底作为片基1，并在其上在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa。沉积10nmTa缓冲层；2、在缓冲层上依次沉积第一磁性传感器71的各层，首先是沉积20nm的Ir-Mn作为第一反铁磁层21，然后依次是3个周期的(Pt 0.5nm/Co 0.4nm)作为第一钉扎层31，1.0nm Al2O3作为第一非磁性层41，3个周期的(Co 1.0nm/Pt 1.0nm)作为第一自由层51，钉扎层31的方向垂直于片基1；自由层51的方向平行于片基1。
3、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa在第一磁性传感器的自由层51上沉积10nm SiO2作为第一绝缘层61，用于保护材料不被氧化；SiO2沉积速率为0.2nm/s。
4、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa在第一绝缘层61上依次沉积第二磁性传感器72的各层，首先是沉积20nm的Ir-Mn作为第二反铁磁层22，然后依次是10nm Co75Fe25作为第二钉扎层32，1.0nm Al2O3作为第二非磁性层42，10nm Co75Fe25作为第二自由层52，钉扎层32的方向与钉扎层31的方向垂直，平行于片基1，自由层52的方向与自由层51的方向一致，平行于片基1；5、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa在第二磁性传感器72的自由层52上沉积10nm SiO2作为第二绝缘层62，用于保护材料不被氧化；6、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa在第二绝缘层62上依次沉积第三磁性传感器73的各层，首先是沉积20nm的IrMn作为第三反铁磁层23，然后依次是10nm Co75Fe25作为第三钉扎层33，1.0nm Al2O3作为第三非磁性层43，10nm Co75Fe25作为第三自由层53，钉扎层33的方向平行于片基1，且与钉扎层31和钉扎层32的方向均垂直，自由层53的方向与自由层51的方向一致，平行于片基1；在没有外加磁场时，三个磁电阻元件的自由层有一个平行于片基1的且相互垂直的易轴方向，而钉扎层的三个易轴方向相互垂直，分别具有垂直于片基平面磁场感应方向(设为z方向)和平行于片基的二维x和y方向；7、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa在第三磁性传感器73的自由层53上沉积10nm Ta作为覆盖层80，用于保护材料不被氧化，得到本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜；8、在步骤7)制备的磁性多层膜上采用常规半导体制备工艺，形成本发明的层状集成的三维磁场传感器；具体步骤为依次进行基片处理、涂胶、曝光、前烘、曝光、中烘、显影、后烘、刻蚀出最低部磁层单元和中间磁层单元，再经过传统的半导体隧道结制备工艺，依次进行基片处理、涂胶、曝光、前烘、曝光、中烘、显影、后烘、刻蚀、长SiO2工艺，分别在三层磁电阻层单元刻出隧道结单元，形成独立的分别对三维空间感应的磁场传感器，每层上刻出的隧道结单元感应一维磁场，最后引出电极，得到本发明的三维集成地磁场传感器。
实施例5～52按照实施例1～4的方法，制备一系列的层状集成的三维磁场传感器，其核心的磁性多层膜的结构列于表1～8。
表1、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表2、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表3、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表4、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表5、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表6、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表7、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表8、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表1～8中z方向代表垂直于片基，x和y方向代表平行于片基且互相垂直。需要说明的是，本发明中的第一，二，三传感器单元可以相互替换。
本发明提供的上述三维集成地磁场传感器可用于检测三维磁场。在工作中，在Ui端输入一恒压源或是恒流源，三个传感器a、b、c并联，这时三个传感器上的分压相同，在a、b、c的输出端给出输出信号，分别对应x、y、z三个方向。当有外磁场时，由于a、b、c三个传感器的磁电阻发生变化，导致输出信号的变化，每个自旋阀当自由层与钉扎层的方向垂直时，在一定范围内输出电压与外磁场的变化呈线性关系，由输出电压即可得出外磁场的大小。
权利要求
1.一种层状集成的三维磁场传感器，其为在磁性多层膜上经过常规半导体制备工艺，形成的独立的分别对三维空间感应的磁场传感器，其特征在于所述的磁性多层膜包括一片基及其上的缓冲层，在缓冲层上依次沉积的三个由叠加的隧道结或/和巨磁电阻材料的磁组元件形成的第一磁性传感器单元、第二磁性传感器单元和第三磁性传感器单元，还包括在第一磁性传感器单元和第二磁性传感器单元间的第一绝缘层，第二磁性传感器单元和第三磁性传感器单元之间的第二绝缘层，以及第三磁性传感器单元上的覆盖层；每一个磁性传感器单元均包括反铁磁层、钉扎层、非磁性层、和自由层，且钉扎层和自由层方向垂直，在没有外加磁场时三个磁电阻元件的自由层有一个易轴方向，钉扎层的三个易轴方向相互垂直，分别具有垂直于片基平面的磁场感应方向和平行于片基平面、且相互垂直的磁场感应方向；每一个磁性传感器单元均包括反铁磁层，钉扎层，非磁性层，和自由层，且钉扎层和自由层的磁化强度方向相互垂直，在没有外加磁场时三个磁电阻元件的自由层有同一个易轴方向，钉扎层的三个易轴方向相互垂直，分别具有垂直于片基平面磁场感应方向和平行于片基平面、且相互垂直的二维磁场感应方向；所述的隧道结磁组元件为自旋阀型磁性隧道结元件；所述的巨磁电阻材料的磁组元件为自旋阀型或层间耦合型多层膜。
2.如权利要求1所述的层状集成的三维磁场传感器，其特征在于所述的反铁磁层为具有反铁磁性的合金，厚度为2～20nm；所述的钉扎层为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，厚度为2～10nm；对于隧道结材料，所述的非磁性层为Al2O3、MgO、AlN、Ta2O5、ZnO、或TiO2，厚度为0.5～5nm；对于巨磁电阻材料，所述的非磁性层为Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为1.0～10nm；所述的自由层为矫顽力较小的具有较高自旋极化率的铁磁性金属及其合金，厚度为1.0～10nm。
3.如权利要求2所述的层状集成的三维磁场传感器，其特征在于所述的具有反铁磁性的合金为Ir-Mn，Fe-Mn，或Pt-Mn。
4.如权利要求2所述的层状集成的三维磁场传感器，其特征在于所述的具有垂直于平面磁场感应方向的传感器的钉扎层采用Co/Pt多层膜，CoFe/Pt组成的多层膜，TbFeCo，或GdFeCo；其他两个方向的钉扎层为Fe、Co、Ni及其合金。
5.如权利要求2所述的层状集成的三维磁场传感器，其特征在于所述的矫顽力较小的具有较高自旋极化率的铁磁性金属及其合金为Co、Co-Fe、Co-Fe-B、或Ni-Fe合金。
6.如权利要求1所述的层状集成的三维磁场传感器，其特征在于所述的绝缘层为Al2O3或SiO2，厚度为0.5～20nm。
7.如权利要求1所述的层状集成的三维磁场传感器，其特征在于所述的片基为Si衬底或Si-SiO2衬底，厚度为0.3～1mm；所述的缓冲层为电阻较大的金属材料，厚度为3～10nm；所述的覆盖层为不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料，厚度为2～10nm。
8.如权利要求7所述的层状集成的三维磁场传感器，其特征在于所述的电阻较大的金属材料为Ta、Ru、Cr、或Pt；所述的不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料为Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、或Au。
9.一种权利要求1至8之一所述的层状集成的三维磁场传感器的制备方法，是将隧道结或/和巨磁电阻磁电阻材料，在片基上沉积叠加，再利用常规的半导体集成工艺将其集成。
10.一种权利要求1至8之一所述的层状集成的三维磁场传感器在检测三维磁场中的用途。
全文摘要
本发明涉及一种层状集成的三维磁场传感器，其为在磁性多层膜上经常规半导体制备工艺，形成的独立的分别对三维空间感应的磁场传感器，所述的磁性多层膜包括一片基及其上的缓冲层，在缓冲层上依次沉积三个由叠加的隧道结或/和巨磁电阻材料的磁组元件形成的磁性传感器单元，还包括在两个磁性传感器单元之间的绝缘层，及第三磁性传感器单元上的覆盖层；每一个磁性传感器单元均包括反铁磁层、钉扎层、非磁性层、和自由层，且钉扎层和自由层方向垂直，在没有外加磁场时三个磁电阻元件的自由层有一个易轴方向，钉扎层的三个易轴方向相互垂直，分别具有垂直于片基和平行于片基、且相互垂直的磁场感应方向。该三维集成地磁场传感器可用于检测三维磁场。
文档编号H01L43/10GK1955753SQ20051011675
公开日2007年5月2日 申请日期2005年10月28日 优先权日2005年10月28日
发明者王磊, 韩秀峰, 魏红祥, 杨捍东, 翟光杰 申请人:中国科学院物理研究所