高灵敏度TMR磁性传感器制造技术

公开了一种包括一个或多个TMR电阻器的隧道磁阻(TMR)传感器设备。该TMR传感器设备包括：第一TMR电阻器，该第一TMR电阻器包括第一TMR膜；第二TMR电阻器，该第二TMR电阻器包括不同于该第一TMR膜的第二TMR膜；第三TMR电阻器，该第三TMR电阻器包括该第二TMR膜；以及第四TMR电阻器，该第四TMR电阻器包括该第一TMR膜。该第一TMR电阻器和该第四TMR电阻器设置在第一平面中，而该第二TMR电阻器和该第三TMR电阻器设置在不同于该第一平面的第二平面中。该第一TMR膜包括合成反铁磁钉扎层，该合成反铁磁钉扎层的基准层的磁化方向正交于自由层的磁化方向。该第二TMR膜包括双合成反铁磁钉扎层，该双合成反铁磁钉扎层的基准层的磁化方向正交于自由层的磁化方向。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高灵敏度TMR磁性传感器相关申请的交叉引用本申请要求于2019年12月18日提交的美国申请16/718,351的优先权，该美国申请要求于2019年8月27日提交的美国临时专利申请序列号62/892,405的权益，该两个申请均以引用方式整体并入本文。
技术介绍

本公开的实施方案总体涉及隧穿磁阻传感器设备诸如惠斯通电桥，及其制造方法。相关领域的描述惠斯通电桥是用于通过平衡电桥电路的两个支路来测量未知部件的电阻的电路，其中一个支路包含未知部件。与简单的分压器相比，惠斯通电路提供了极其准确的测量结果。惠斯通电桥最近已用于磁性传感器应用中。惠斯通电桥包括基于磁性霍尔效应、各向异性磁阻(AMR)效应、巨磁阻(GMR)效应和隧穿磁阻(TMR)效应的多个电阻器。与其他磁性传感器相比，基于TMR的磁性传感器具有非常高的灵敏度。典型的基于TMR的惠斯通电桥包括由TMR膜制成的四个电阻器。为了使得惠斯通电桥特性能够用于磁场感测，第一电阻器和第四电阻器与第二电阻器和第三电阻器需要电阻场依存性的相反符号。实现此的一种方式是制造磁条取向与设计场感测方向成+45°的第一电阻器和第四电阻器，以及磁条取向与设计场感测方向成-45°的第二电阻器和第三电阻器。所有四个电阻器由相同的TMR材料或膜构成，并且这样，四个电阻器中的每个电阻器的钉扎层具有类似的相同磁化方向，这些磁化方向被指定为垂直于场感测方向。当向惠斯通电桥施加磁场时，第一电阻器和第四电阻器的电阻随所施加的磁场增大或减小，而第二电阻器和第三电阻器的电阻随所施加的磁场减小或增大，从而实现电桥特性差分输出。然而，如此形成的惠斯通电桥的效率不是最佳的，因为由于±45°传感器磁条取向，磁阻改变的全范围不能在这种设计中利用，从而导致输出电压减小或灵敏度有限。因此，本领域需要在全磁阻范围内操作同时实现最大输出电压或灵敏度的磁性传感器及其制造方法。
技术实现思路
公开了一种包括一个或多个TMR电阻器的TMR传感器设备。该TMR传感器设备包括：第一TMR电阻器，该第一TMR电阻器包括第一TMR膜；第二TMR电阻器，该第二TMR电阻器包括不同于该第一TMR膜的第二TMR膜；第三TMR电阻器，该第三TMR电阻器包括该第二TMR膜；和第四TMR电阻器，该第四TMR电阻器包括该第一TMR膜。该第一TMR电阻器和该第四TMR电阻器设置在第一平面中，而该第二TMR电阻器和该第三TMR电阻器设置在不同于该第一平面的第二平面中。该第一TMR膜包括合成反铁磁钉扎层，该合成反铁磁钉扎层的基准层的磁化方向正交于自由层的磁化方向。该第二TMR膜包括双合成反铁磁钉扎层，该双合成反铁磁钉扎层的基准层的磁化方向正交于自由层的磁化方向。在一个实施方案中，TMR传感器设备包括：第一TMR电阻器，该第一TMR电阻器包括第一TMR膜，该第一TMR膜包括合成反铁磁钉扎层，该合成反铁磁钉扎层的第一基准层的磁化方向正交于第一自由层的磁化方向；第二TMR电阻器，该第二TMR电阻器包括第二TMR膜，该第二TMR膜包括双合成反铁磁钉扎层，该双合成反铁磁钉扎层的第二基准层的磁化方向正交于第二自由层的磁化方向并且与该第一TMR膜的该第一基准层的该磁化方向相反；第三TMR电阻器，该第三TMR电阻器包括第二TMR膜；和第四TMR电阻器，该第四TMR电阻器包括该第一TMR膜，其中该第一TMR电阻器和该第四TMR电阻器设置在第一平面中，并且该第二TMR电阻器和该第三TMR电阻器设置在不同于该第一平面的第二平面中。在另一个实施方案中，制造包括第一TMR电阻器、第二TMR电阻器、第三TMR电阻器和第四TMR电阻器的TMR传感器设备的方法包括：在第一介电层中形成底部引线；在该底部引线和该第一介电层之上沉积第一TMR膜；通过图案化第一硬偏置和第一设备结点并且将该第一TMR膜的设置在该第一介电层和该底部引线之上的一个或多个第一部分移除来由该第一TMR膜形成该第一TMR电阻器和该第四TMR电阻器；形成多个中间引线；在该多个中间引线之上沉积第二TMR膜，该第二TMR膜不同于该第一TMR膜；通过图案化第二硬偏置和第二设备结点并且将该第二TMR膜的设置在该中间引线之上的一个或多个第二部分移除来由该第二TMR膜形成该第二TMR电阻器和该第三TMR电阻器；以及形成多个顶部引线。在另一个实施方案中，制造TMR传感器设备的方法包括：形成底部引线；在该底部引线之上沉积第一TMR膜，该第一TMR膜包括合成反铁磁钉扎层，该合成反铁磁钉扎层的第一基准层的磁化方向正交于第一自由层的磁化方向；在该第一TMR膜的设置在该底部引线上的第一部分之上沉积第一光致抗蚀剂；蚀刻该第一TMR膜的第二部分以暴露该底部引线；沉积第一氧化铝膜和第一硬偏置膜；移除该第一光致抗蚀剂；在该第一TMR膜的第三部分和该第一硬偏置膜之上沉积第二光致抗蚀剂；蚀刻该第一TMR膜的第四部分和该第一硬偏置膜；用第二介电层重新填充，在相同平面中形成如所制造的第一TMR电阻器和第四TMR电阻器。该方法还包括：在该第一TMR电阻器和该第四TMR电阻器之上沉积第一中间引线和第四中间引线；以及在要制造该第二TMR电阻器和该第三TMR电阻器的区域中沉积第二中间引线和第三中间引线。该方法还包括：相邻于该第一中间引线、该第二中间引线、该第三中间引线和该第四中间引线形成该第三介电层。该方法还包括：在该中间引线和该第三介电层之上沉积该第二TMR膜。该第二TMR膜包括双合成反铁磁钉扎层，该双合成反铁磁钉扎层的第二基准层的磁化方向正交于第二自由层的磁化方向并且与该第一TMR膜的该第一基准层的该磁化方向相反。该方法还包括：在该第二TMR膜的设置在该第二中间引线和该第三中间引线之上的第一部分之上沉积第三光致抗蚀剂；蚀刻该第二TMR膜的第二部分以暴露该第二中间引线和该第三中间引线；沉积第二氧化铝膜和第二硬偏置膜；移除该第三光致抗蚀剂；在该第二TMR膜的第三部分和该第二硬偏置膜之上沉积第四光致抗蚀剂；蚀刻该第二TMR膜的第四部分和该第二硬偏置膜；用第四介电层再填充，在相同但与该第一TMR电阻器和该第四TMR电阻器的平面不同的平面中制造该第二TMR电阻器和该第三TMR电阻器；以及在该第一中间引线之上形成第一顶部引线，在该第四中间引线之上形成第四顶部引线，并且在该第二TMR电阻器之上形成第二顶部引线，在该第三TMR电阻器之上形成第三顶部引线。附图说明因此，通过参考实施方案，可以获得详细理解本公开的上述特征的方式、本公开的更具体描述、上述简要概述，所述实施方案中的一些在附图中示出。然而，应当注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施方案并且因此不应视为限制其范围，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方案。图1为TMR传感器设备或惠斯通电桥设计的示意图。图2为示出根据一个实施方案的用于形成TMR传感器设备或惠斯通电桥的电阻器的第一TMR膜和第二TMR膜的示意图。图3A-图3C示出了根据一个实施方案的处于各种形成阶段的第一TMR膜或TMR膜A。图4A-图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧穿磁阻(TMR)传感器设备，所述TMR传感器设备包括：/n第一TMR电阻器，所述第一TMR电阻器包括第一TMR膜，所述第一TMR膜包括合成反铁磁钉扎层，所述合成反铁磁钉扎层的第一基准层的磁化方向正交于第一自由层的磁化方向；/n第二TMR电阻器，所述第二TMR电阻器包括第二TMR膜，所述第二TMR膜包括双合成反铁磁钉扎层，所述双合成反铁磁钉扎层的第二基准层的磁化方向正交于第二自由层的磁化方向并且与所述第一TMR膜的所述第一基准层的所述磁化方向相反；/n第三TMR电阻器，所述第三TMR电阻器包括所述第二TMR膜；和/n第四TMR电阻器，所述第四TMR电阻器包括所述第一TMR膜，其中所述第一TMR电阻器和所述第四TMR电阻器设置在第一平面中，并且所述第二TMR电阻器和所述第三TMR电阻器设置在不同于所述第一平面的第二平面中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20190827 US 62/892,405;20191218 US 16/718,3511.一种隧穿磁阻(TMR)传感器设备，所述TMR传感器设备包括：
第一TMR电阻器，所述第一TMR电阻器包括第一TMR膜，所述第一TMR膜包括合成反铁磁钉扎层，所述合成反铁磁钉扎层的第一基准层的磁化方向正交于第一自由层的磁化方向；
第二TMR电阻器，所述第二TMR电阻器包括第二TMR膜，所述第二TMR膜包括双合成反铁磁钉扎层，所述双合成反铁磁钉扎层的第二基准层的磁化方向正交于第二自由层的磁化方向并且与所述第一TMR膜的所述第一基准层的所述磁化方向相反；
第三TMR电阻器，所述第三TMR电阻器包括所述第二TMR膜；和
第四TMR电阻器，所述第四TMR电阻器包括所述第一TMR膜，其中所述第一TMR电阻器和所述第四TMR电阻器设置在第一平面中，并且所述第二TMR电阻器和所述第三TMR电阻器设置在不同于所述第一平面的第二平面中。


2.根据权利要求1所述的TMR传感器设备，其中，所述第一TMR电阻器与所述第二TMR电阻器和所述第三TMR电阻器相邻，所述第二TMR电阻器与所述第一TMR电阻器和所述第四TMR电阻器相邻，所述第三TMR电阻器与所述第一TMR电阻器和所述第四TMR电阻器相邻，并且所述第四TMR电阻器与所述第二TMR电阻器和所述第三TMR电阻器相邻。


3.根据权利要求1所述的TMR传感器设备，其中，所述第一TMR膜的所述第一基准层的磁化方向与所述第一TMR膜的第一钉扎层的磁化方向反平行。


4.根据权利要求3所述的TMR传感器设备，其中，所述第一TMR膜还包括第一阻挡层、第一间隔层和第一反铁磁层，并且其中所述第一阻挡层设置在所述第一基准层和所述第一自由层之间，所述第一间隔层设置在所述第一基准层和所述第一钉扎层之间，并且所述第一反铁磁层设置成与所述第一钉扎层相邻。


5.根据权利要求1所述的TMR传感器设备，其中，所述第二TMR膜还包括第二钉扎层和设置在所述第二基准层和所述第二钉扎层之间的第三钉扎层，所述第二基准层的磁化方向与所述第二钉扎层的磁化方向平行并且与所述第三钉扎层的磁化方向反平行。


6.根据权利要求5所述的TMR传感器设备，其中，所述第二TMR膜还包括第二阻挡层、第二间隔层、第三间隔层和第二反铁磁层，并且其中所述第二阻挡层设置在所述第二基准层和所述第二自由层之间，所述第二间隔层设置在所述第二基准层和所述第三钉扎层之间，所述第三间隔层设置在所述第二钉扎层和所述第三钉扎层之间，并且所述第二反铁磁层设置成与所述第二钉扎层相邻。


7.根据权利要求1所述的TMR传感器设备，其中，所述第一TMR膜的所述第一基准层包括厚度介于约20埃和约30埃之间的Co/CoFe/Co多层叠堆，并且其中所述第二TMR膜的所述第二基准层包括厚度介于约20埃和约30埃之间的Co/CoFe/Co多层叠堆。


8.一种制造包括第一TMR电阻器、第二TMR电阻器、第三TMR电阻器和第四TMR电阻器的TMR传感器设备的方法，所述方法包括：
在第一介电层中形成第一底部引线和第二底部引线；
在所述第一底部引线和所述第二底部引线以及所述第一介电层之上沉积第一TMR膜；
通过将所述第一TMR膜的设置在所述第一介电层之上的一个或多个第一部分移除来由所述第一TMR膜形成所述第一TMR电阻器和所述第四TMR电阻器；
形成多个中间引线；
在所述多个中间引线之上沉积第二TMR膜，所述第二TMR膜不同于所述第一TMR膜；
通过将所述第二TMR膜的设置在所述第一TMR电阻器和所述第二TMR电阻器之上的一个或多个第一部分移除来由所述第二TMR膜形成所述第二TMR电阻器和所述第三TMR电阻器；以及
形成多个顶部引线。


9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一TMR电阻器和所述第四TMR电阻器设置在第一平面中，并且所述第二TMR电阻器和所述第三TMR电阻器设置在不同于所述第一平面的第二平面中，并且
其中所述第一TMR电阻器与所述第二TMR电阻器和所述第三TMR电阻器相邻，所述第二TMR电阻器与所述第一TMR电阻器和所述第四TMR电阻器相邻，所述第三TMR电阻器与所述第一TMR电阻器和所述第四TMR电阻器相邻，并且所述第四TMR电阻器与所述第二TMR电阻器和所述第三TMR电阻器相邻。


10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一TMR膜包括合成反铁磁钉扎层，所述合成反铁磁钉扎层的第一基准层的磁化方向正交于第一自由层的磁化方向，并且
其中所述第二TMR膜包括双合成反铁磁钉扎层，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志清，王勇鸿，毛明，D·毛里，姜明，
申请(专利权)人：西部数据技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US