一种可用于巨磁阻传感器退火的方法与结构技术

本发明专利技术公开了一种可用于巨磁阻传感器退火的方法与结构，包括在基底上制备了由两层铁磁层和中间隔离层构成的MR结构。MR结构的其中一层铁磁层为被钉扎层，其磁化方向将在后续操作中被固定。在MR结构上沉积一层绝缘层之后，再在其上面沉积一层金属层。将金属层光刻为热电阻。在外磁场下，通过热电阻对MR结构进行退火处理。退火完成后，将绝缘层和热电阻移除。本发明专利技术克服了现有方法精度低，效率低的弊端，实现工业批量生产。现工业批量生产。

【技术实现步骤摘要】
一种可用于巨磁阻传感器退火的方法与结构


[0001]本专利技术涉及磁电阻传感器，具体涉及具有集成式退火结构的巨磁电阻传感器和遂穿磁电阻传感器。

技术介绍

[0002]磁阻(MR)传感器例如巨磁电阻(简称GMR，Giant MagnetoResistance)传感器和遂穿磁电阻(简称TMR，Tunneling MagnetoResistance)传感器应用广泛，是目前最具发展前景的磁电阻传感器。典型的磁电阻传感器核心结构包含一个由两个铁磁层中间夹着一个非铁磁层的“三明治”结构。如图1所示，GMR传感器(10)包含铁磁层(第一铁磁层12和第二铁磁层16)及中间的非铁磁层(14)。铁磁层的主要成分可以是NiFe、CoFe或其他合适的磁性材料。非铁磁层(14)主要由Cu、MgO、Al2O3或其他合适的非磁性材料构成。第二铁磁层(16)的磁化方向不随待测磁场变化，因此被称为“被钉扎层”。第一铁磁层(12)的磁化方向随待测磁场的改变发生变化，故通常被称为“自由层”。
[0003]MR结构具有CIP(电流平行于膜面)和CPP(电流垂直于膜面)两种形式。在CIP模式中，MR结构中的非磁性层(14)通常由Cu构成，通过MR结构的电流平行于多层膜的表面。在CPP模式中，电流则垂直于多层膜表面，其非磁性层通常由绝缘体构成，例如Al2O3或者MgO。
[0004]在传感器工作时，为了实现自由层和被钉扎层磁化方向相对角度的变化与待测磁场之间的线性关系，被钉扎层的本征磁化方向M
p
与自由层的本征磁化方向M/>f
相互垂直。在图1所示的笛卡尔坐标系中，M
p
沿Y轴方向，M
f
沿X轴方向。
[0005]在MR传感器中通常可以使用惠斯通电桥结构以取得更好的性能。在不同的惠斯通电桥构型中，惠斯通全桥结构具有最好的线性和信号电平，如图2所示。图中四个电阻R1、R2、R3和R4组成一个惠斯通全桥结构。四个电阻都可以随外界信号的变化而独立变化，桥路输出电压信号Vo可以通过下面的公式1计算。Vb是电压R1＝R4＝R-ΔRR2＝R3＝R+ΔR....公式1
[0006]其中，ΔR是由外界信号变化引起的磁阻变化值。
[0007]由MR磁电阻结构(例如图1中的GMR结构)组成的惠斯通电桥在不同应用时具有多种结构。无论是何种结构，惠斯通全桥电路中MR磁电阻结构具有相反的磁化方向，如图3所示。在图3中，MR传感器由R1、R2、R3和R4四个MR结构的电阻组成。这四个电阻都与惠斯通桥相连接。为了使惠斯通全桥实现可操作性，可通过改变外磁场来检测R1、R2、R3和R4四个MR电阻。而且，惠斯通全桥电路中相邻MR电阻的被钉扎层具有相反的磁化方向Mp。例如，R1、R2的被钉扎层Mp方向相反，R3和R4的被钉扎层Mp方向相反。R1和R3具有相同的Mp方向，R2和R4具有相同的Mp方向。
[0008]为了使相邻MR电阻(如R1和R2、R3和R4)的被钉扎层具有相反的磁化方向，目前采用局部激光退火的方法。MR传感器置于外加磁场H
b
中，依据M
p
的方向将GMR电阻分成两组，M
p
方向相同的为一组，两组的M
p
方向相反。选定其中一组(如R1和R3)，激光退火该组的GMR电阻，使其温度达到阻挡温度以上，从而使MR的M
p
方向与外加磁场H
b
的方向一致。依次对该组所有的MR电阻进行同样的操作。当调整完第一组MR电阻(如R1和R3)后，将MR传感器旋转180
°
，使其与外加磁场H
b
反向。当然，也可以将外加磁场旋转180
°
而MR传感器固定不动。随后利用激光退火第二组GMR电阻(如R2和R4)，并且退火过程与第一组(如R1和R3)相同。
[0009]另一种能够形成MR全桥传感器的工艺是多步光刻法。在沉积了MR结构的多层膜后，具有相同Mp方向的第一组GMR电阻(如R1和R3)采用光刻法来完成。已完成的第一组MR电阻R1、R3用磁屏蔽材料进行保护。随后在外加磁场Hb反向的情况下再次沉积MR多层膜，光刻形成第二组MR电阻(R2和R4)。由于第一组MR电阻(如R1和R3)被磁屏蔽材料保护，所以制备第二组MR电阻(R2和R4)时所采用的反向磁场对其并没影响。
[0010]可以看到，无论是局部激光退火工艺或者多步光刻工艺都存在精度低，效率低的弊端，尤其是难以在工业量产方面实现。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是提供一种可用于巨磁阻传感器退火的方法；本专利技术的另一个目的是提供一种具有集成式退火结构的MR结构。
[0012]本专利技术技术方案如下：一种方法，组成步骤如下：(1)形成一个MR结构，包括：在基片上形成MR结构，MR结构由被钉扎层和自由层中间夹一层非磁性层构成，其中被钉扎层和自由层是铁磁层；在MR结构上沉积绝缘覆盖层；在绝缘层上方沉积热电阻，包括：(2)在绝缘层上方沉积一层金属层；并且将金属层光刻成热电阻；调整被钉扎层的磁化方向，包括：(3)外加一个磁场；给热电阻通电流使MR结构温度升至或高于阻挡温度；移除电流：并且移除绝缘层和热电阻。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，绝缘层是SiO
x
、SiO2或SiN。
[0014]MR结构是GMR结构，它由两层铁磁层夹一层金属铜构成。
[0015]或者MR结构是TMR结构，它由两层铁磁层夹一层氧化物构成。
[0016]氧化物是Al2O3或MgO。
[0017]另一种方法，形成第一组和第二组MR结构的方法，其中每个MR结构都包含一层被钉扎层，方法包括：(1)形成第一组和第二组MR结构，包括：沉积被钉扎层、非磁隔离层、和基底上的自由层，其中被钉扎层和自由层是铁磁层；
(2)沉积绝缘层；并且将绝缘层光刻成第一组和第二组热电阻，其中第一组和第二组热电阻分别在第一组和第二组MR结构的绝缘层上；(3)第一组和第二组MR结构的退火处理，包括：沿着第一磁化方向施加一磁场；通过给第一组热电阻通电流，使第一组MR结构被钉扎层的温度升至或高于阻挡温度；移除第一组电阻上的电流，使其冷却；重新调整磁场，使其方向沿着第二磁场方向通过给第二组热电阻通电流，使第二组MR结构被钉扎层的温度升至或高于阻挡温度；并且移除第二组电阻上的电流，使其冷却；并且移除绝缘层和第一组、第二组热电阻。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，MR结构是GMR结构，它由两层铁磁层夹一层金属铜构成。
[0019]或者MR结构是TMR结构，它由两层铁磁层夹一层氧化物构成。
[0020]氧化物层是Al2O3或MgO。
[0021]绝缘层是SiO
x
、SiO2或SiN。
[0022]本专利技术一种具有集成式退火结构的MR结构，能够在一个MR传感器中实现具有不同磁化方向的MR电阻。克服了现有方法精度低，效率低的弊端，实现工业批本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种方法，组成步骤如下：(1)形成一个MR结构，包括：在基片上形成MR结构，MR结构由被钉扎层和自由层中间夹一层非磁性层构成，其中被钉扎层和自由层是铁磁层；在MR结构上沉积绝缘覆盖层；在绝缘层上方沉积热电阻，包括：(2)在绝缘层上方沉积一层金属层；并且将金属层光刻成热电阻；调整被钉扎层的磁化方向，包括：(3)外加一个磁场；给热电阻通电流使MR结构温度升至或高于阻挡温度；移除电流：并且移除绝缘层和热电阻。2.根据权利要求1所述的方法，绝缘层是SiO
x
、SiO2或SiN。3.一种结构，权利要求书1中的方法中的MR结构是GMR结构，它由两层铁磁层夹一层金属铜构成。4.一种结构，权利要求书1中的方法中的MR结构是TMR结构，它由两层铁磁层夹一层氧化物构成。5.根据权利要求3所述的结构，氧化物是Al2O3或MgO。6.一种方法，形成第一组和第二组MR结构的方法，其中每个MR结构都包含一层被钉扎层，方法包括：(1)形成第一组和第二组MR结构，包括：沉积被钉扎层、非磁隔离层...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋玉哲，韩根亮，张彪，高晓平，
申请(专利权)人：甘肃省科学院传感技术研究所，
类型：发明
国别省市：