具有双TMR膜的磁性传感器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种包括四个或更多个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、该第二TMR电阻器、该第三TMR电阻器和该第四TMR电阻器设置在相同平面中。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。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但与该第一TMR膜的该基准层的该磁化方向相反。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有双TMR膜的磁性传感器及其制造方法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16/718,346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62/892,232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
公开了一种包括四个或更多个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；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、该第二TMR电阻器、该第三TMR电阻器和该第四TMR电阻器设置在相同平面中。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。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但与该第一TMR膜的该基准层的该磁化方向相反。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；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并且与该第一TMR膜的该第一基准层的磁化方向相反；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、该第二TMR电阻器、该第三TMR电阻器和该第四TMR电阻器设置在相同平面中。在另一个实施方案中，制造TMR传感器设备的方法包括：形成一个或多个底部引线；在至少第一底部引线和第二底部引线之上沉积第一TMR膜；移除该第一TMR膜的设置在该第二底部引线上方的第一部分；在该第一TMR膜和该第二底部引线之上沉积第二TMR膜，该第二TMR膜不同于该第一TMR膜；以及移除该第二TMR膜的设置在该第一TMR膜之上的第一部分。在另一个实施方案中，制造TMR传感器设备的方法包括：形成一个或多个底部引线；在该一个或多个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；在该第一TMR膜的第一部分和至少第一底部引线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至少第二底部引线；移除该第一光致抗蚀剂；在该第一TMR膜和该第二底部引线之上沉积第二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；在该第二TMR膜的第一部分和该第二底部引线之上沉积第二光致抗蚀剂；蚀刻该第二TMR膜的第二部分以暴露该第一TMR膜；以及移除该第二光致抗蚀剂。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4C示出了根据另一个实施方案的处于各种形成阶段的第二TMR膜或TMR膜B。图5示出了根据一个实施方案的形成TMR传感器设备或惠斯通电桥的方法。图6A-图6H示出了根据另一个实施方案的沉积第一TMR膜以用作TMR传感器设备或惠斯通电桥的第一电阻器和第四电阻器并且沉积第二TMR膜以用作第二电阻器和第三电阻器的对应示意图。图7A示出了根据另一个实施方案的包括四个TMR电阻器的TMR传感器设备或惠斯通电桥。图7B示出了根据一个实施方案的四个TMR电阻器阵列。为了有助于理解，在可能的情况下，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。可以设想是，在一个实施方案中公开的元件可以有利地用于其他实施方案而无需具体叙述。具体实施方式在下文中，参考本公开的实施方案。然而，应当理解的是，本公开不限于具体描述的实施方案。相反，思考以下特征和元件的任何组合(无论是否与不同实施方案相关)以实现和实践本公开。此外，尽管本公开的实施方案可以实现优于其他可能解决方案和/或优于现有技术的优点，但是否通过给定实施方案来实现特定优点不是对本公开的限制。因此，以下方面、特征、实施方案和优点仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。同样地，对“本公开”的引用不应当被解释为本文公开的任何专利技术主题的概括，并且不应当被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。公开了一种包括四个或更多个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T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第一隧穿磁阻(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、所述第二TMR电阻器、所述第三TMR电阻器和所述第四TMR电阻器设置在相同平面中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20190827 US 62/892,232;20191218 US 16/718,3461.一种隧穿磁阻(TMR)传感器设备，所述TMR传感器设备包括：
第一隧穿磁阻(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、所述第二TMR电阻器、所述第三TMR电阻器和所述第四TMR电阻器设置在相同平面中。


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膜包括所述第二基准层、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TMR传感器设备的方法，所述方法包括：
形成一个或多个底部引线；
在至少第一底部引线和第二底部引线之上沉积第一TMR膜；
移除所述第一TMR膜的设置在所述第二底部引线上方的第一部分；
在所述第一TMR膜和所述第二底部引线之上沉积第二TMR膜，所述第二TMR膜不同于所述第一TMR膜；以及
移除所述第二TMR膜的设置在所述第一TMR膜之上的第一部分。


9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：图案化形成具有指定几何结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志清，王勇鸿，A·L·卡瓦哈尔，毛明，钱震中，郑元凯，周荣辉，万渡江，C·科罗纳，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