使用自由层交换钉扎的大场范围TMR传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种制造处于惠斯通配置的基于TMR的磁传感器的方法，该方法包括进行磁隧道结(MTJ)的第一退火以及进行MTJ的第二退火。MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在该第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在该钉扎层上方的反并联耦合层、在该反并联耦合层上方的参考层、在该参考层上方的势垒层、在该势垒层上方的自由层以及在该自由层上方的第二反铁磁钉扎层。MTJ的第一退火将第一AFM钉扎层、钉扎层、自由层和第二AFM钉扎层设置在第一磁化方向上。MTJ的第二退火将自由层和第二AFM钉扎层重置在第二磁化方向上。基于TMR的磁性传感器的操作场范围超过±100Oe。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用自由层交换钉扎的大场范围TMR传感器相关申请的交叉引用本申请要求于2019年12月27日提交的美国申请16/729,080的优先权，该美国申请要求于2019年8月26日提交的美国临时专利申请序列号62/891,578的优先权和权益，该两个申请据此全文以引用方式并入。
技术介绍

本公开的实施方案整体涉及具有部分钉扎自由层的磁性隧道结(MTJ)的大场范围TMR传感器。相关领域的描述霍尔效应磁性传感器是廉价的，具有大的操作场范围，具有良好的线性度，但具有低灵敏度。另一方面，磁阻(MR)传感器具有大得多的灵敏度(＞100x)，但通常被设计用于小于80Oe的低场应用。对于一些应用，需要具有高于80Oe的工作范围的高灵敏度传感器。例如，该应用可适于检测传感器平面中的场(如MR传感器的情况)，而不是垂直于传感器平面的场(如霍尔传感器的典型情况)。ZhengqiLu等人，“Doublyexchange-biasedFeMn/NiFe/Cu/NiFe/CrMnPtspinvalves”Doublyexchange-biasedFeMn/NiFe/Cu/NiFe/CrMnPtspinvalves，第36卷，第5期(2000年9月)公开了一种不具有势垒层的自旋阀，其中两个铁磁层通过不同的反铁磁层在相反方向上交换偏置。双交换偏置的自旋阀对于用于读取超过10Gbit/in2的高记录密度的低场强具有高灵敏度。然而，需要一种用于大场范围包括高场强的传感器。
技术实现思路
本公开的实施方案整体涉及具有部分钉扎自由层的MTJ的大场范围TMR传感器以及制造该TMR传感器的方法。在一个实施方案中，一种制造惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器的方法包括进行磁性隧道结(MTJ)的第一退火以及进行MTJ的第二退火。MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在该第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在该钉扎层上方的反并联耦合层、在该反并联耦合层上方的参考层、在该参考层上方的势垒层、在该势垒层上方的自由层以及在该自由层上方的第二反铁磁钉扎层。MTJ的第一退火将第一AFM钉扎层、钉扎层、自由层和第二AFM钉扎层设置在第一磁化方向上。MTJ的第二退火将自由层和第二AFM钉扎层重置在第二磁化方向上。基于TMR的磁性传感器的操作场范围超过±100Oe。在另一个实施方案中，一种制造惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器的方法包括在第一外部磁场强度、第一外部磁方向和第一温度处进行磁性隧道结(MTJ)的第一退火，以及在第二外部磁场强度、第二外部磁方向和第二温度处进行该MTJ的第二退火。第一退火的第一外部磁场强度大于第二退火的第二外部磁场强度。第一退火的第一外部磁方向不同于第二退火的第二外部磁方向。第一退火的第一温度大于第二退火的第二温度。MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在该第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在该钉扎层上方的反并联耦合层、在该反并联耦合层上方的参考层、在该参考层上方的势垒层、在该势垒层上方的自由层以及在该自由层上方的第二反铁磁钉扎层。在一个实施方案中，惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器包括多个MTJ。该多个MTJ中的每一者包括在第一磁化方向上的参考层、自由层和反铁磁(AFM)钉扎层。AFM钉扎层在与参考层的第一磁化方向正交、成锐角或成钝角的第二磁化方向上部分地钉扎自由层。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是示出惠斯通配置中的基于隧道磁阻的磁性传感器的某些实施方案的电路图。图2是示出图1的惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器的某些实施方案的布局的示意性平面图。图3是示出单个MTJ的某些实施方案的示意性侧视图。图4A至图4B是图3的MTJ的示意性顶视图，其示出了设置第二反铁磁钉扎层和第二反铁磁钉扎层的磁化方向的过程的某些实施方案。图5是示出在第一退火之后和在第二退火之后图4B的单个MTJ的某些实施方案的示意性俯视图。图6是示出在第一退火之后和在第二退火之后图4B的单个MTJ的实施方案的示意性俯视图，其中自由层与参考层成一角度部分地钉扎。图7A示出了基于TMR的磁性传感器的一个支路的电阻信号，其中每个MTJ包括自由层，该自由层在第一退火之后具有与参考层的磁化方向反并联的磁化方向。图7B示出了图7A的基于TMR的磁性传感器100的支路的电阻信号，其中每个MTJ包括自由层，该自由层在第二退火之后具有与参考层的磁化方向正交的磁化方向。图8是基于TMR的磁性传感器的电桥接信号输出的模拟，其中每个MTJ包括在第二退火之后的自由层，该第二退火将自由层设置成与参考层正交，其中在自由层上具有不同的钉扎强度。图9是基于TMR的磁性传感器的电桥接信号输出的模拟，其中每个MTJ包括在第二退火之后的自由层，该第二退火将自由层的磁化方向设置成与参考层的磁化方向正交或成一角度。图10A至图10B是通过具有不同的钉扎结构在同一管芯上形成具有不同极性的两个不同MTJ的示意图。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。某些实施方案涉及磁阻元件，诸如磁性隧道结(MTJ)，其包括部分钉扎自由层。此类MTJ可耦合在一起以形成惠斯通配置中的基于隧道磁阻(TMR)的磁性传感器。基于TMR的磁性传感器可检测大的操作场范围，诸如在数百Oe范围内到数千Oe范围内的操作场。MTJ可具有低滞后响应。基于TMR的磁性传感器可对感测磁场的期望范围具有低滞后响应和高线性响应(即，低线性度比率)。图1是示出惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器100的某些实施方案的电路图。基于TMR的磁性传感器100可包括布置在惠斯通配置中的第一磁阻支路102、第二磁阻支路104、第三磁阻支路106和第四磁阻支路108的四个可变电阻器支路。端子Vb和端子G用于提供从Vb到G的偏置电压/电流。端子V1和V2用于测量V1和V2之间的表示感测磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造处于惠斯通配置的基于隧道磁阻(TMR)的磁性传感器的方法，所述方法包括：/n进行磁性隧道结(MTJ)的第一退火，所述MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在所述第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在所述钉扎层上方的反并联耦合层、在所述反并联耦合层上方的参考层、在所述参考层上方的势垒层、在所述势垒层上方的自由层以及在所述自由层上方的第二反铁磁钉扎层，其中所述MTJ的所述第一退火将所述第一AFM钉扎层、所述钉扎层、所述自由层和所述第二AFM钉扎层设置在第一磁化方向上；以及/n进行所述MTJ的第二退火，其中所述第二退火将所述自由层和所述第二AFM钉扎层重置在第二磁化方向上，/n其中所述基于TMR的磁性传感器的操作场范围超过±100Oe。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20190826 US 62/891,578;20191227 US 16/729,0801.一种制造处于惠斯通配置的基于隧道磁阻(TMR)的磁性传感器的方法，所述方法包括：
进行磁性隧道结(MTJ)的第一退火，所述MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在所述第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在所述钉扎层上方的反并联耦合层、在所述反并联耦合层上方的参考层、在所述参考层上方的势垒层、在所述势垒层上方的自由层以及在所述自由层上方的第二反铁磁钉扎层，其中所述MTJ的所述第一退火将所述第一AFM钉扎层、所述钉扎层、所述自由层和所述第二AFM钉扎层设置在第一磁化方向上；以及
进行所述MTJ的第二退火，其中所述第二退火将所述自由层和所述第二AFM钉扎层重置在第二磁化方向上，
其中所述基于TMR的磁性传感器的操作场范围超过±100Oe。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二磁化方向选自与所述参考层的第三磁化方向正交、成锐角和成钝角。


3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二磁化方向与所述参考层的第三磁化方向成锐角，以形成对正极性感测磁场具有增加的灵敏度的所述MTJ。


4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二磁化方向与所述参考层的第三磁化方向成钝角，以形成对负极性感测磁场具有增加的灵敏度的所述MTJ。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二退火基本上不改变所述第一AFM钉扎层和所述钉扎层的所述第一磁化方向。


6.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述MTJ形成为细长多边形。


7.一种制造处于惠斯通配置的基于隧道磁阻(TMR)的磁性传感器的方法，所述方法包括：
在第一外部磁场强度、第一外部磁方向和第一温度处进行磁性隧道结(MTJ)的第一退火，所述MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在所述第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在所述钉扎层上方的反并联耦合层、在所述反并联耦合层上方的参考层、在所述参考层上方的势垒层、在所述势垒层上方的自由层以及在所述自由层上方的第二反铁磁钉扎层，
在第二外部磁场强度、第二外部磁方向和第二温度处进行所述MTJ的第二退火，
其中所述第一外部磁场强度大于所述第二外部磁场强度，所述第一外部磁方向不同于所述第二外部磁方向，并且所述第一温度大于所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·毛里，郑元凯，王磊，C·凯撒，
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