形成隧道磁阻（TMR）元件和TMR传感器元件的方法技术

一种方法包括对隧道磁阻(TMR)堆叠执行离子束蚀刻过程以移除所述TMR堆叠的第一磁层和隧道势垒层的材料部分。所述离子束蚀刻过程在所述TMR堆叠的第二磁层的顶表面处停止。保护层沉积在所述TMR堆叠上方。另一个蚀刻过程被执行以移除所述保护层，使得所述第二磁层的一部分从所述保护层暴露并且由所述保护层的剩余部分形成间隔物。所述间隔物围绕所述第一磁层和所述隧道势垒层的侧壁。所述第二磁层的从所述保护层暴露的所述部分被移除，从而使得TMR传感器元件仍然存在，其中，所述TMR传感器元件包括底部磁体、顶部磁体以及隧道结。

【技术实现步骤摘要】
形成隧道磁阻(TMR)元件和TMR传感器元件的方法
本专利技术总体上涉及磁场传感器。更具体地说，本专利技术涉及隧道磁阻(TMR)传感器元件以及鲁棒的TMR传感器元件制作方法。
技术介绍
磁场传感器系统在各种商业、工业和汽车应用中用于为了速度和方向感测、角度感测、接近度感测等的目的而对磁场进行测量。磁场传感器可以基于半导体材料(例如，霍尔传感器、磁阻器等等)以及铁磁材料(例如，铁磁磁阻器和磁通控制器(fluxguide))。其他磁场传感器可以利用光学、谐振和超导性质。隧道磁阻(TMR)传感器元件利用在磁隧道结(MTJ)结构中发生的磁阻效应。MTJ结构包括金属-绝缘体-金属夹层，在所述夹层中，金属层是铁磁的并且绝缘体层非常薄。在电气上，这形成了隧道二极管，在所述隧道二极管中，电子可以从一个铁磁体通过隧道进入另一个铁磁体。这种隧道二极管展现出不仅取决于电压偏置而且取决于顶部和底部铁磁层的磁状态的传递特性。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供一种方法，包括：对形成于基板上的隧道磁阻(TMR)堆叠执行离子束蚀刻过程，所述离子束蚀刻过程移除所述TMR堆叠的第一磁层和隧道势垒层的材料部分并且在所述TMR堆叠的第二磁层的顶表面处停止；在所述TMR堆叠上方沉积保护层；执行第二蚀刻过程以移除所述保护层，其中，响应于所述第二蚀刻过程，所述第二磁层的一部分从所述保护层暴露并且由所述保护层的剩余部分形成间隔物，所述间隔物围绕所述第一磁层和所述隧道势垒层的侧壁；以及移除从所述保护层暴露的所述第二磁层。在一个或多个实施例中，所述执行所述离子束蚀刻过程包括以处于从垂直于所述基板的表面起30到60度的范围内的入射射束角引导离子束。在一个或多个实施例中，所述沉积包括利用氮化硅、硅烷基氧化硅以及正硅酸乙酯(TEOS)氧化物材料中的至少一种以形成所述保护层。在一个或多个实施例中，所述执行所述第二蚀刻过程包括执行各向异性蚀刻过程。在一个或多个实施例中，所述执行所述第二蚀刻过程包括利用氟基化学物质。在一个或多个实施例中，所述第二蚀刻过程被执行以移除所述保护层和从所述保护层暴露的所述第二磁层两者。在一个或多个实施例中，所述第二蚀刻过程是第二离子束蚀刻过程，其中，所述第二离子束蚀刻过程包括以从垂直于所述基板的所述表面起小于十度的入射射束角引导离子束。在一个或多个实施例中，所述移除操作包括在所述第二蚀刻过程之后执行第三蚀刻过程。在一个或多个实施例中，所述第三蚀刻过程是第二离子束蚀刻过程，其中，所述第二离子束蚀刻过程包括以从垂直于所述基板的所述表面起小于十度的入射射束角引导离子束。在一个或多个实施例中，在所述移除操作之后，TMR传感器元件仍然存在于所述基板上，所述TMR传感器元件包括由所述第二磁层形成的底部磁体、由所述第一磁层形成的顶部磁体以及插置于所述底部与顶部磁体之间且由所述隧道势垒层形成的隧道结。在一个或多个实施例中，在所述移除之后，所述底部磁体包括分步区域，所述分步区域相对于所述顶部磁体和所述隧道结横向延伸通过所述间隔物的横向宽度限定的距离，并且所述间隔物存在于所述分步区域上。在一个或多个实施例中，所述基板是有源硅基板。根据本专利技术的第二方面，提供一种方法，包括：对形成于基板上的隧道磁阻(TMR)堆叠执行第一离子束蚀刻过程，所述第一离子束蚀刻过程移除所述TMR堆叠的第一磁层和隧道势垒层的材料部分并且在所述TMR堆叠的第二磁层的顶表面处停止；在所述TMR堆叠上方沉积保护层；执行各向异性蚀刻过程以移除所述保护层，其中，响应于所述各向异性蚀刻过程，所述第二磁层的一部分从所述保护层暴露并且由所述保护层的剩余部分形成间隔物，所述间隔物围绕所述第一磁层和所述隧道势垒层的侧壁；以及执行第二离子束蚀刻过程以移除从所述保护层暴露的所述第二磁层。在一个或多个实施例中，所述执行所述第一离子束蚀刻过程包括以处于从垂直于所述基板的所述表面起30到60度的范围内的入射射束角引导离子束；并且所述执行所述第二离子束蚀刻过程包括以从垂直于所述基板的所述表面起小于十度的入射射束角引导离子束。在一个或多个实施例中，所述执行所述各向异性蚀刻过程包括利用氟基化学物质。根据本专利技术的第三方面，提供一种隧道磁阻(TMR)传感器元件，包括：底部磁体，形成于有源硅基板的表面上；隧道结，形成于所述底部磁体上；顶部磁体，形成于所述隧道结上；以及间隔物，完全围绕所述顶部磁体和所述隧道结的侧壁。在一个或多个实施例中，所述间隔物包括氮化硅、硅烷基氧化硅以及正硅酸乙酯(TEOS)氧化物材料中的至少一种。在一个或多个实施例中，所述底部磁体包括分步区域，所述分步区域相对于所述顶部磁体和所述隧道结横向延伸通过所述间隔物的横向厚度限定的距离，并且所述间隔物存在于所述分步区域上。在一个或多个实施例中，所述顶部磁体包括所述TMR传感器元件的自由层；并且所述底部磁体包括所述TMR传感器元件的参考层。在一个或多个实施例中，所述顶部磁体包括所述TMR传感器元件的参考层；并且所述底部磁体包括所述TMR传感器元件的自由层。本专利技术的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。附图说明附图用于进一步示出各个实施例并且用于解释全部根据本专利技术的各种原理和优点，在附图中的各个视图中，相同的参考号指代完全相同或功能上类似的元件，附图不一定按比例绘制，并且附图连同以下详细说明被结合到本说明书中并形成本说明书的一部分。图1示出了隧道磁阻(TMR)传感器元件的例子的简化侧视图；图2示出了TMR传感器元件的另一个例子的简化侧视图；图3示出了在根据现有技术方法的初始加工阶段下的结构的侧截面图；图4示出了在根据现有技术方法的随后加工阶段下的图3结构的侧截面图；图5示出了在根据现有技术方法的随后加工阶段下的图4结构的侧截面图；图6示出了在根据现有技术方法的图5所示的随后加工阶段下的图5结构的侧截面图；图7示出了在根据现有技术方法的随后加工阶段下的图6结构的侧截面图；图8示出了在根据实施例的中间加工阶段下的结构的侧截面图；图9示出了在随后加工阶段下的图8结构的侧截面图；图10示出了在随后加工阶段下的图9结构的侧截面图；图11示出了在随后加工阶段下的图10结构的侧截面图；并且图12示出了根据实施例的TMR元件制作的流程图。具体实施方式概括地说，本公开涉及隧道磁阻(TMR)传感器元件制作方法以及利用所述方法制作的TMR传感器元件。更具体地说，所述制作方法需要氮化物或氧化物间隔物技术以在蚀刻过程期间保护磁隧道结(MTJ)结构。所述制作方法可以实现鲁棒且高产量的过程，所述过程能够在不添加另外的过程步骤的情况下生产迥然不同的磁堆叠以提高磁传感器性能、可靠性、成本节省等。本公开被提供用于以使能方式进一步解释在应用时制作和使用根据本专利技术的实施例的最佳方式。本公开还被提供用于增强对本专利技术的专利技术性原理及优点的理解和认识，而不是以任何方式对本专利技术进行限制。本专利技术仅由所附权利要求书(包括在本申请未决期间所做出的任何修改以及如所公布的那些权利要求的所有等效物)限定。应当理解，对关系术语(如果有的话，比如，第一和第二、顶部和底部等)的使用仅用于将实体或动作彼此区分，而不一定需要或暗示这种实体或动作之间的任何这种实际关系或顺序。此外，可以使用各种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，其特征在于，包括：对形成于基板上的隧道磁阻(TMR)堆叠执行离子束蚀刻过程，所述离子束蚀刻过程移除所述TMR堆叠的第一磁层和隧道势垒层的材料部分并且在所述TMR堆叠的第二磁层的顶表面处停止；在所述TMR堆叠上方沉积保护层；执行第二蚀刻过程以移除所述保护层，其中，响应于所述第二蚀刻过程，所述第二磁层的一部分从所述保护层暴露并且由所述保护层的剩余部分形成间隔物，所述间隔物围绕所述第一磁层和所述隧道势垒层的侧壁；以及移除从所述保护层暴露的所述第二磁层。

【技术特征摘要】
2017.07.18 US 15/652,3111.一种方法，其特征在于，包括：对形成于基板上的隧道磁阻(TMR)堆叠执行离子束蚀刻过程，所述离子束蚀刻过程移除所述TMR堆叠的第一磁层和隧道势垒层的材料部分并且在所述TMR堆叠的第二磁层的顶表面处停止；在所述TMR堆叠上方沉积保护层；执行第二蚀刻过程以移除所述保护层，其中，响应于所述第二蚀刻过程，所述第二磁层的一部分从所述保护层暴露并且由所述保护层的剩余部分形成间隔物，所述间隔物围绕所述第一磁层和所述隧道势垒层的侧壁；以及移除从所述保护层暴露的所述第二磁层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述执行所述离子束蚀刻过程包括以处于从垂直于所述基板的表面起30到60度的范围内的入射射束角引导离子束。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积包括利用氮化硅、硅烷基氧化硅以及正硅酸乙酯(TEOS)氧化物材料中的至少一种以形成所述保护层。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述执行所述第二蚀刻过程包括执行各向异性蚀刻过程。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述执行所述第二蚀刻过程包括利用氟基化学物质。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二蚀刻过程被执行以移除...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·艾斯勒，克劳斯·莱曼，哈穆特·马茨，约尔格·科克，
申请(专利权)人：恩智浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL