由磁化方向不同的巨磁阻结构构建的巨磁阻传感器的退火方法技术

本发明专利技术公开了一种由磁化方向不同的巨磁阻结构构建的巨磁阻传感器的退火方法，这种集成式的退火结构能够独立地对GMR结构退火，使温度达到其阻挡温度甚至更高，在外加磁场下，GMR结构中的被钉扎层的磁化方向Mp与外加退火磁场调整到一致并固定下来，从而将该GMR结构中的被钉扎层的磁化方向调整到所希望的方向。在一些例子中，GMR结构根据Mp的相同与否划分为多组，Mp相同的为一组，Mp不同的为不同的组。具有不同磁化方向的GMR结构，能够通过在不同方向的外加退火磁场中对不同分组的GMR结构分别退火来实现。别退火来实现。

【技术实现步骤摘要】
由磁化方向不同的巨磁阻结构构建的巨磁阻传感器的退火方法


[0001]本专利技术涉及巨磁阻传感器，具体涉及具有集成式退火结构的巨磁阻传感器。

技术介绍

[0002]MR传感器，例如巨磁阻(简称GMR，Giant MagnetoResistance)传感器应用广泛，是目前最具发展前景的磁传感器之一。典型的GMR结构的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结构(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(第一铁磁层12和第二铁磁层16)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)的主要成分可以是Cu、MgO、Al2O3或其他合适的非磁性材料。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”。自由层的磁化方向和被钉扎层(第二铁磁层16)磁化方向的夹角(相对方向)决定了GMR结构(10)的电阻值。在传感应用中，被钉扎层的磁化方向保持不变，待测磁场引起自由层磁化方向的改变，从而引起自由层磁化方向和被钉扎层磁化方向的角度的变化。通过测量这种角度的变化，可以反推出待测磁场。
[0003]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Mp与自由层的本征磁化方向Mf相互垂直。在图1所示的笛卡尔坐标系中，Mp沿Y轴方向，Mf沿X轴方向。
[0004]实际应用中，测量电流通过GMR结构(10)，通过测量GMR结构(10)的磁电阻而计算待测磁场的大小。测量电流可以平行于GMR膜面也可以垂直于GMR膜面。测量电流平行于GMR膜面的构型通常被称为“CIP(Current-In-Plane)”型(电流方向在平面内)。典型的CIP型GMR结构如自旋阀(Spin-Valve,简称SV)，自旋阀的非铁磁层(14)的成分一般是Cu。
[0005]电流方向垂直于膜面的通常被成为“CPP(Current-Perpendicular-to-Plane”型(电流方向垂直于膜面)。典型的CPP型GMR结构如MTJ(Magnetic-Tunnel-Junction,磁隧道结)。MTJ的非铁磁层(14)的成分一般是MgO、Al2O3或其他合适的非磁性绝缘材料。
[0006]在基于磁电阻测量的实际应用中，人们往往希望使用惠斯通电桥结构以取得更高的灵敏度、稳定性和线性度。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
[0007]其中，AR是由外界信号变化引起的磁阻变化值。
[0008]当采用GMR磁电阻结构组成惠斯通全桥电路时，全桥电路中的GMR结构需要具有不同的磁化方向，如图3所示。图3是一个典型的全桥电路GMR传感器(18)。GMR传感器(18)由R1、R2、R3和R4四个GMR结构组成，每个GMR结构都能随待测磁场的变化而变化的。相邻GMR结构的被钉扎层的磁化方向Mp方向相反。比如，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。
[0009]为了使相邻GMR结构(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。GMR传感器(18)置于外加磁场Hb中，依据Mp的方向将GMR结构分成两组，Mp方向相同的为一组，两组的Mp方向相反。选定其中一组(如 R1和R3)，激光退火该组的GMR结构，使其温度达到阻挡温度以上，从而使GMR的Mp 方向与外加磁场Hb的方向一致，依次对该组所有的GMR结构进行同样的操作。当调整完第一组GMR结构(如R1和R3)后，将GMR传感器(18)旋转180
°
，使其与外加磁场 Hb反向。当然，也可以将外加磁场旋转180
°
而GMR传感器固定不动。随后利用激光退火第二组GMR结构(如R2和R4)，进行与第一组相同的操作。
[0010]另一种能够形成GMR全桥传感器(18)的工艺是多步光刻法。在沉积了GMR结构的多层膜后，具有相同Mp方向的第一组GMR结构(如R1和R3)采用光刻法来完成。已完成的第一组GMR结构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GMR多层膜，光刻形成第二组GMR结构(R2和R4)。因为第一组GMR结构 (如R1和R3)被磁屏蔽材料保护，所以制备第二组GMR结构(R2和R4)时所采用的反向磁场对其并没影响，从而在一个GMR传感器中形成多个具有相反磁化方向的GMR结构。
[0011]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

[0012]本专利技术的目的是提供一种由磁化方向不同的巨磁阻结构构建的巨磁阻传感器的退火方法。
[0013]本专利技术技术方案如下：一种GMR传感器的退火方法，该GMR传感器由两组具有不同磁化方向的GMR结构构建而成。第一组GMR结构的磁化方向设定为第一磁化方向，第二组GMR结构的磁化方向设定为第二磁化方向。该方法包括：第一组GMR结构的退火，步骤：沿第一磁化方向施加外磁场；第一组GMR结构所对应的退火结构中通入电流，使第一组GMR结构达到其阻挡温度；第一组GMR结构在其阻挡温度保温一段时间；撤销电流输入，保留外磁场，使GMR结构降温至阻挡温度以下。和第二组GMR结构的退火，步骤：沿第二磁化方向施加外磁场；第二组GMR结构所对应的退火结构中通入电流，使第二组GMR结构达到其阻挡温度；第二组GMR结构在其阻挡温度保温一段时间；撤销电流输入，保留外磁场，使GMR结构降温至阻挡温度以下。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，第一组和第二组GMR结构均由一个自旋阀组成。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，第一组和第二组GMR结构均由一个磁隧道结组成。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，第一组GMR结构进行退火的电流是脉冲电流。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，第一组GMR结构进行保温的方法是施加间歇式脉冲电流，脉冲列之间有间歇性的停滞；作为本专利技术的进一步改进，第一组退火结构沉积在基片上，再沉积第一组GMR结构，也就是说第一组GMR结构沉积在第一组退火结构的正上方，并且两者上下一一对应。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，第一组和第二组退火结构沉积在同一平面上；第二组 GMR结构沉积在第二组退火结构上，并且两者上下一一对应。
[0019]本专利技术集成式的退火结构能够独立地对GMR结构退火，使温度达到其阻挡温度甚至更高，在外加磁场下，GMR结构中的被钉扎层的磁化方向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种由磁化方向不同的巨磁阻结构构建的巨磁阻传感器的退火方法，该GMR传感器由两组具有不同磁化方向的GMR结构构建而成，第一组GMR结构的磁化方向设定为第一磁化方向，第二组GMR结构的磁化方向设定为第二磁化方向；该方法包括：第一组GMR结构的退火，步骤：沿第一磁化方向施加外磁场；第一组GMR结构所对应的退火结构中通入电流，使第一组GMR结构达到其阻挡温度；第一组GMR结构在其阻挡温度保温一段时间；撤销电流输入，保留外磁场，使GMR结构降温至阻挡温度以下；和第二组GMR结构的退火，步骤：沿第二磁化方向施加外磁场；第二组GMR结构所对应的退火结构中通入电流，使第二组GMR结构达到其阻挡温度；第二组GMR结构在其阻挡温度保温一段时间；撤销电流输入，保留外磁场，...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩根亮，郑礴，宋玉哲，张彪，
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：