CN102047134A - 用于抑制巴克豪森噪声的改进的磁传感器设计 - Google Patents

Abstract

一种半导体工艺和装置通过只需要两个不同的钉扎轴(206、216)的两个差动传感器配置(201、211)中提供了高性能的磁场传感器，其中每个差动传感器(例如，201)由具有四个未屏蔽MTJ传感器(202-205)的惠斯通电桥结构所形成，这四个未屏蔽MTJ传感器(202-205)中的每一个包括磁场脉冲发生器(例如，414)以选择性地施加场脉冲来稳定或恢复传感层(例如，411)的易轴磁化，从而在小磁场的测量期间消除微磁畴切换。

Description

用于抑制巴克豪森噪声的改进的磁传感器设计

技术领域

本发明一般地针对磁电器件领域。在一个方面，本发明涉及用来感测磁场的CMOS兼容的磁电场传感器。

背景技术

传感器在现代系统中被广泛地用来测量或检测物理参数，例如位置、运动、力、加速度、温度、压力等。虽然为了测量这些及其它参数而存在各种不同的传感器类型，但是它们全部受到各种限制。例如，廉价的低场传感器，诸如在电子罗盘及其它相似的磁传感应用中所使用的那些传感器，通常包括基于各向异性磁阻(AMR)的器件。为了达到所需的灵敏度以及与CMOS良好配合的合理电阻，这种传感器的传感单元的尺寸一般为平方毫米的量级。对于移动应用，此类AMR传感器配置在费用、电路面积及功率消耗方面是过于昂贵的。

其它类型的传感器，例如磁性隧道结(MTJ)传感器和巨磁阻(GMR)传感器，已经被用来提供外形较小的传感器，但是此类传感器也具有它们自己的顾虑，例如不足的灵敏度以及受温度变化影响。为了解决这些顾虑，MTJ、GMR和AMR传感器已经被使用于惠斯通电桥结构中以增加灵敏度并消除与温度相关的电阻变化。对于最小的传感器尺寸和成本，MTJ或GMR元件是优选的。典型地，惠斯通电桥结构使用磁屏蔽体来抑制电桥内的参考元件的响应使得只有传感元件(以及因此电桥)按预定的方式响应。但是，磁屏蔽体是厚的并且需要精心地调整NiFe晶粒(seed)和电镀步骤。与磁屏蔽体相关的另一个缺陷在屏蔽体暴露于强磁场(～5kOe)时保留残余磁场时产生，因为该残余磁场能够消弱电桥结构的低场测量能力。为了防止磁屏蔽体的使用，惠斯通电桥结构可以包含用于每个传感轴的两个相反的反铁磁钉扎(pinning)方向，这导致了必须为每个晶片单独设置的四个不同的钉扎方向，很多时候需要复杂且难处理的磁化技术。还存在与使用MTJ传感器来感测地球磁场有关的另外的挑战，例如考虑由巴克豪森(Barkhausen)噪声所引起的被测场的变化、零星的去钉扎，以及在传感元件响应于所施加场时的微磁畴的跳跃。现有的解决方案已经试图通过钉扎MTJ传感器内的传感元件的端部(通过硬磁偏置层或反铁磁钉扎层)或者通过在测量期间沿着传感元件的易轴(easy axis)施加场来解决这些挑战。这些解决方案增加了处理成本/复杂性和/或在测量期间消耗了额外的功率。

因此，需要适用于测量各种物理参数的改进的传感器以及方法。还需要简单的、结实的且可靠的传感器，该传感器能够被有效地且廉价地构造成使用于移动应用中的集成电路结构。还需要克服本领域中诸如如以上所概述的问题的改进的磁场传感器及产品(fabrication)。在参考随后的附图及详细描述来浏览本申请的剩余部分之后，常规传感器技术的更多的限制和缺点对本领域技术人员而言将变得显而易见。

附图说明

本发明以及其众多的目的、特征和所获得的优点在结合下列附图考虑下列详细描述时可以得以理解，在附图中：

图1示出了具有在与钉扎层不同的方向上成相等角度的磁化的两个有源传感元件，其中该钉扎层将响应于外部施加的磁场而偏转并且提供与没有和钉扎层的钉扎方向对准的磁场分量相关的输出信号；

图2示出了使用由具有未屏蔽的MTJ传感器的两个电桥结构所形成的差动传感器的电子罗盘结构，连同每个电桥结构的电路输出；

图3提供了惠斯通电桥电路的简化的示意性透视图，在该惠斯通电桥电路中串联连接的MTJ传感器被对准为具有与钉扎层的磁化方向不同的磁化方向；

图4是第一及第二MTJ传感器的局部示意性透视图，其中所述第一及第二MTJ传感器包括用于在传感操作之前或期间清除或稳定传感层的磁场发生器结构；

图5是集成电路的局部横断面视图，在该集成电路中图4所示的第一及第二MTJ传感器被形成为具有磁化方向不同的传感层；

图6提供了在没有给传感器施加稳定场时磁阻相对于所施加场的示例图；

图7提供了在给传感器施加稳态的稳定场时对磁阻相对于所施加场的示例图；

图8提供了在给传感器施加脉冲型稳定场时磁阻相对于所施加场的示例图；

图9提供了标线布局的简化的示意性顶视图或平面图，该示意性顶视图或平面图示出了差动传感器，其中所述差动传感器形成由多个串联连接的MTJ传感器，所述多个串联连接的MTJ传感器配置在磁场发生器结构相对于MTJ传感器定位的惠斯通电桥电路内；以及

图10是示出制作不受微磁畴切换影响并且可以被用来提供使用未屏蔽的或有源传感元件的差动传感的MTJ场传感器的方法的流程图。

应当理解，为了说明的简单和清晰，在附图中示出的元件并没有必要按比例绘制。例如，为了增进及提高清晰性及理解的目的，某些元件的尺寸相对于其它元件放大。此外，在认为合适的地方，参考数字在附图当中重复以表示对应的或类似的元件。

具体实施方式

本文描述了用于制作差动传感器的方法和装置，在该差动传感器中未屏蔽的传感元件被形成于具有单个钉扎方向的钉扎层之上并且通过周期性施加的对准的场脉冲动态地稳定(例如，在每个测量周期内)。使用形状各向异性，两个传感元件的形状可以被形成为具有在与钉扎层的单个磁化方向不同的方向上成相等的角度的磁化使得传感层将响应于外部施加磁场而偏转。通过这种配置，单轴的磁传感器可以由单个钉扎方向形成，或者罗盘电路可以由两个差动传感器电路形成使得每个轴只需要一个钉扎方向，由此简化并降低了制造成本和复杂性。在示例实现方式中，每个差动传感器电路被构造成其中未屏蔽的有源传感元件被用来检测和测量外部施加的磁场的惠斯通电桥结构。为了解决能够消弱未屏蔽的传感元件的场响应的场波动，传感器层可以通过在每次场测量之前或者在准备磁传感器的预定间隔施加场脉冲来动态地稳定，由此去除对传感元件中的任意硬偏置层的需要。

现在将参考附图详细地描述本发明的各种说明性实施例。虽然各种细节在下列描述中阐述，但是应当理解，本发明可以在没有这些特定细节的情况下实施，并且可以针对在此所描述的本发明作出众多特定于实现方式的决定以获得器件设计者的具体目标，例如与工艺技术或设计相关的约束的适应性，其中所述决定将随着实现方式的不同而不同。虽然该开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于从本公开内容获益的本领域技术人员来说这将仍然是例行任务。另外，所选择的方面参考简化的截面图来描述，而不包括每个器件特征或几何图形，以便避免限制本发明或者使本发明难理解。还应注意，在整个详细描述中，与磁阻式随机存取存储器(MRAM)设计、MRAM操作、半导体器件制作以及集成电路器件的其它方面相关的常规的技术和特征可能没有在此详细地描述。虽然作为现有MRAM制作工艺的一部分，某些材料将被形成以及被去除以制作集成电路传感器，但是用于形成或去除此类材料的具体程序没有在下文详述，因为此类细节是众所周知的并且不认为是教导本领域技术人员如何制成或使用本发明所需要的。而且，在包含于此的各种附图中示出的电路/元件布局和配置意图表示本发明的示例实施例。应当注意，许多另选的或附加的电路/元件布局可以存在于实际的实施例中。

现在转向图1，传感器结构1以简化的示意性形式示出，其使用两种有源传感元件类型20、30及钉扎层10来测量外部磁场。如所描绘的，有源传感元件20、30的磁化方向(21，31)与钉扎层10的磁化方向成相等角度并且处于不同的方向上。为此，可以将传感元件20、30形成为使得每个传感元件的形状在传感元件的所期望的磁化的方向上伸长(即，较长)。这样成形后，传感元件20、30使用它们的形状各向异性来建立偏离钉扎层10的磁化方向。例如，可将第一传感元件20形成为使得其优选的磁化方向与钉扎层10的磁化方向成-45度的角度，以及可将第二传感元件30形成为使得其优选的磁化方向与钉扎层10的磁化方向成45度的角度，但是也可以使用其它偏移角度。

因为跨传感元件及钉扎层的电阻/电导取决于传感元件和钉扎层之间的角度的余弦，所以传感器结构的电阻/电导能够通过施加使传感器元件20、30的磁化偏转的外部磁场(H)来改变。例如，如果没有对传感器结构1施加的场(H＝0)，那么传感元件20、30的磁化方向21、31不改变，并且在第一及第二传感器元件20、30的电阻/电导之间没有差别。以及如果将沿着钉扎层10或反平行于钉扎层10所指向的外部场H施加于传感器结构2，那么所施加场将使传感器元件20、30的磁矩22、32等同地偏转或旋转，从而引起每个传感元件相等的电阻/电导变化，并且因此它们的差没有改变。但是，在将与钉扎层10正交的外部场H施加于传感器结构3时，每个传感元件20、30的磁矩23、33响应于所施加场有差别地改变。例如，当图1所示的外部场H指向右时，第一传感元件20的电阻/电导减小，当第一传感元件20的电阻/电导减小时，第二传感元件30的电阻/电导则增大，从而引起与场强度相关的差异信号。这样，所描绘的传感器结构测量所施加场垂直于钉扎轴(而非与之平行)的投影。

图2示出了分别用于检测所施加场沿着第一y轴(轴1)和第二x轴(轴2)的分量方向的第一及第二传感器201、211。如所描绘的，每个传感器被形成有以电桥配置连接的未屏蔽的传感元件。因而，第一传感器201由在沿第一方向磁化的钉扎层206之上的采用电桥配置的传感元件202-205的连接所形成。以同样的方式，第二传感器211由沿与钉扎层206的磁化方向垂直的第二方向磁化的钉扎层216之上的采用电桥配置的传感元件212-215的连接来形成。在所描绘的电桥配置201中，传感元件202、204被形成为具有第一磁化方向而传感元件203、205被形成为具有第二磁化方向，其中第一及第二磁化方向是相互正交的并且被取向为相对于钉扎层206的磁化方向差异相等。至于第二电桥配置211，传感元件212、214具有与传感元件213、215的第二磁化方向正交的第一磁化方向，使得第一及第二磁化方向被取向为相对于钉扎层216的磁化方向差异相等。在所描绘的传感器201、211中，没有为传感元件所需的屏蔽，也没有任何所需的特殊参考元件。在示例的实施例中，这通过以下途径获得的，即使用形状各向异性技术将每个有源传感元件(例如，202、204)相对于另外的有源传感元件(例如，203，205)进行参照，以使所参照的传感元件的易磁轴相互偏离90度。

通过将第一及第二传感器201、211定位成与每个传感器中相对于传感器的钉扎方向相等地偏转的正交的传感元件取向正交对准，传感器能够检测所施加场沿着第一个及第二轴的分量方向。其被示出于图2中，所描述的电路模拟在每个传感器之下示出。在每个模拟中，所模拟的电桥输出207、217是传感元件的所施加场角度的函数，其中当传感元件由反平行状态切换到平行状态时各向异性场为10Oe，所施加场为0.5Oe，以及磁阻为100％。所模拟的电桥输出能够被用来唯一地识别所施加的外部场的任意取向。例如，以0度的场角度施加的场(例如，指向“上”使得它与y轴或轴1对准)将从第一传感器201中产生0mV/V的电桥输出，并且将从第二传感器201中产生10mV/V的电桥输出。相反地，在相反方向上施加的场(例如，指向“下”使得它与180度的场角度对准)将从第一传感器201中产生0mV/V的电桥输出，以及将从第二传感器201中产生-10mV/V的电桥输出。

如从上文中看出的，磁场传感器可以由使用未屏蔽的传感元件202-205、212-215的差动传感器201、211形成，其中未屏蔽的传感元件202-205、212-215在各自钉扎层206、216之上以电桥配置连接以检测所施加磁场是否存在及其方向。通过这种配置，在磁屏蔽中存在剩余磁矩的可能性得以排除。另外，磁场传感器提供了良好的灵敏度，并且还提供了电桥配置的温度补偿性质。通过消除形成磁屏蔽层的需要，制造的复杂性及成本得以降低并且传感器结构的尺寸得以减小(在消除形成任意屏蔽层所需的硅片空间方面)。还存在有助于使用未屏蔽的传感元件的性能，因为磁残余问题通过去除磁屏蔽层被消除。

图3提供了通过将四个MTJ传感器301、311、321、331连接于惠斯通电桥电路中所形成的示例场传感器300的简化的示意性透视图，其中串联连接的MTJ传感器301、311、321、331形成有被对准以具有与钉扎层304、314、324、334的磁化方向不同的磁化方向的传感层302、312、322、332。所描绘的传感器300形成有MTJ传感器301、311、321、331，其中所述MTJ传感器可以作为现有MRAM制造工艺的一部分来制造，仅具有较小调整，以控制不同层的磁场方向的取向。特别地，每个MTJ传感器(例如，301)包括第一钉扎电极304、绝缘隧穿电介质层303及第二传感电极302。钉扎电极和传感电极希望是磁性材料，例如，但并非要限制于，NiFe、CoFe、Fe、CoFeB等，或者更一般地，其磁化能够共同对准的材料。适合的电极材料及布局的示例是通常用于磁阻式随机存取存储器(MRAM)器件的电极的材料和结构，其中所述材料和结构在本领域中是众所周知的并且尤其是包含铁磁材料。钉扎电极和传感电极可以被形成为具有不同的矫顽力或矫顽场的要求。矫顽场基本上是在饱和之后将磁体从一个方向反转至另一个方向所需的场大小。在技术上，矫顽场是在铁磁体已经饱和之后使它的磁化返回到零所需的磁场。例如，钉扎电极304、314、324、334可以形成有用高的矫顽场耦合至铁磁膜的反铁磁膜交换，以便钉扎它们的磁化取向使之基本上不受外部施加的磁场的移动影响。相反地，传感电极302、312、322、332可以形成有软磁材料，以提供具有比较低的矫顽力的不同的各向异性轴，使得传感电极的磁化取向(在其对准的任何方向上)可以被外部施加磁场的移动所改变。在所选择的实施例中，钉扎电极的矫顽场大约比传感电极的矫顽场大两个数量级，但是通过使用众所周知的技术改变电极的组成和/或钉扎强度来调整电极各自的矫顽场可以使用不同的比率。

如图3所示，在MTJ传感器中的钉扎电极304、314、324、334被形成为在钉扎电极层304、314、324、334的平面内具有第一示例性的各向异性轴的对准(由指向图3的图形顶部的矢量箭头所识别)。如在此所描述的，钉扎电极304、314、324、334的各向异性轴的对准可以使用钉扎电极的形状各向异性来获得，在这种情况下钉扎电极304、314、324、334的形状在单层的钉扎磁堆叠的“向上”的矢量箭头的方向上将均是较长的。附加地或另选地，钉扎电极304、314、324、334的各向异性轴的对准可以通过在存在饱和磁场的情况下形成一个或多个磁性层来获得，其中所述磁性层随后或同时进行退火并然后冷却从而将钉扎电极层的磁场方向设置于饱和磁场的方向上。如将会认识到的，钉扎电极304、314、324、334的各向异性轴的对准的形成必须与形成包括具有不同的各向异性轴的对准的钉扎电极的任意其它场传感器所使用的制作步骤，以及形成具有不同的各向异性轴的对准的任意传感电极所使用的任意制作步骤一致。

所描绘的场传感器300还包括MTJ传感器301、321，在MTJ传感器301、321中传感电极302、322被形成为具有偏离钉扎电极的各向异性轴第一偏转角的示例性的各向异性轴(由指向左的矢量箭头所识别)。另外，所描绘的场传感器300包括MTJ传感器311、331，在MTJ传感器311、331中传感电极312、332被形成为具有偏离钉扎电极的各向异性轴第二偏转角的示例性的各向异性轴(由指向右的矢量箭头所确定)，其中第二偏转角与第一偏转角相等但相反。在特定的实施例中，第一偏转角垂直于第二偏转角，使得传感电极302、322的各向异性轴相对钉扎电极的各向异性轴旋转负45度，以及使得传感电极312、332的各向异性轴相对钉扎电极的各向异性轴旋转正45度。

如将会认识到的，MTJ传感器301、311、321、331可以被形成为具有通过金属互连如所示那样串行连接的相同结构，所述金属互连处于具有所示电桥电路的电源端子341、343和输出信号端子342、344的标准惠斯通电桥电路配置中。通过将未屏蔽的MTJ传感器301、311、321、331串联于惠斯通电桥电路中，场传感器300检测外部施加磁场的水平方向(在图3中为从左到右)的分量，由此形成X轴的传感器电桥。特别地，水平的场分量使传感电极302、322的磁化的偏转与传感电极312、332的磁化的偏转不同，以及所引起的传感器电导/电阻差异将会量化水平场分量的强度。虽然没有示出，但是Y轴传感器电桥电路也可以形成有连接于惠斯通电桥电路配置中的未屏蔽的MTJ传感器，但是在Y轴传感器电桥电路中的钉扎电极的各向异性轴会与在X轴传感器电桥中的钉扎电极304、314、324、334的各向异性轴垂直。

低的场磁性传感器易受巴克豪森噪声、零星的去钉扎、微磁畴的跳跃(由磁传感元件中的不同区域所引起，可能具有与它们在弱局部钉扎中的局部磁矩略微不同取向的局部磁矩，其中弱局部钉扎由传感层中小的局部不均匀性所引起的边缘粗糙度所引起)，或多种其它源的影响。该噪声能够在精确测量地球磁场的角分辨率中引入误差。在施加磁场时，这些微磁畴可能按连续的方式而非按传感元件的期望的一致旋转来反转。解决该噪声的先前尝试在传感层中使用硬磁偏置层来钉扎器件的端部。但是，硬偏置层会降低传感器的灵敏度，并且具有需要另外的处理层、蚀刻步骤及退火步骤的附加缺点。

为了解决巴克豪森噪声的问题，磁场可以在执行测量之前选择性地沿着传感元件的易轴施加。在所选择的实施例中，将磁场作为短场脉冲来施加，该短场脉冲足以恢复传感元件的磁状态并且去除作为暴露于强磁场的结果可能已经出现的微磁畴。在示例的实现方式中，将场脉冲施加于传感器以去除传感元件中的亚稳定的钉扎区域，其中场脉冲具有阈值场强度(例如，大约40Oe以上)以及最小的脉冲持续时间(例如，大约20-100纳秒)。通过施加如罗盘应用所需的那种具有预定测量周期(例如，10Hz)的场脉冲，所引起的场脉冲具有极低的占空比以及最小的功率消耗。另外，通过在测量之前终止场脉冲，则在测量期间没有施加于传感元件的另外的场，从而产生最大的灵敏度。

为了示出可以如何将场脉冲施加于传感元件的示例，现在参考示出了第一及第二MTJ传感器410、420的部分示意性透视图的图4，在图4中第一及第二MTJ传感器410、420中的每一个都包括用于在传感操作之前或期间重置或稳定传感层411、421的磁场发生器结构414、424。每个MTJ传感器可以如图4所示那样构造，在图4中传感层的磁方向确定了磁场发生器结构的取向。具体而言，每个MTJ传感器通常包括上铁磁层411、421，下铁磁层413、423，以及在这两个铁磁层之间的隧道势垒层(tunnel barrier layer)412、422。在该示例中，可以使上铁磁层411、421形成至10～1000埃范围的厚度，而在所选择的实施例中为10～100埃的范围，并且使它起传感层或自由磁性层的作用，因为其磁化方向能够通过外部施加场(例如地球磁场)的存在所偏转。至于下铁磁层413、423，可以使它形成至10～2000埃范围的厚度，而在所选择的实施例中为10～100埃的范围，并且当将它的磁化方向钉扎于在正常操作条件下不改变磁取向的方向的那个方向上时使它起固定或钉扎的磁性层的作用。如上文所描述的，通过形成具有相同磁化方向(没有示出)的下钉扎层413、423，以及通过将上传感层411中的磁化方向415形成为与上传感层421中的磁化方向425垂直，使得磁化方向415、425按与下钉扎层413、423的磁化方向相等且相反的方向进行取向，可以使用第一及第二MTJ传感器410、420来构造差动传感器。

为了恢复可能被磁畴结构所扭曲的上传感层411、421的原始磁化，图4描绘了形成于每个传感器之下的磁场发生器结构414、424。在所选择的实施例中，磁场发生器结构414、424被形成为传导电流路线，该传导电流线路被取向为生成与上传感层411、421中的磁化方向415、425对准的磁场脉冲。例如，当电流脉冲按箭头416指示的方向流过第一MTJ传感器410下方的磁场发生器结构414时，则与在第一MTJ传感器410中的传感元件411的易轴415对准的场脉冲得以生成。但是，因为第二MTJ传感器420包含具有不同的磁化方向425的传感层421，所以磁场发生器结构424被取向为使得在电流脉冲按箭头426指示的方向流过磁场发生器结构424时生成与第二MTJ传感器420中的传感元件421的易轴425对准的场脉冲。

场脉冲与易轴方向的相对对准也可以参见图5，图5描绘了集成电路器件的部分横断面视图，其中图4所示的第一及第二MTJ传感器被形成为具有磁化方向不同的传感层411、421。特别地，左侧的横断面视图示出了从图4的透视图5A所看到的第一MTJ传感器410，而右侧的横断面视图示出了从图4的透视图5B所看到的第二MTJ传感器420。第一及第二MTJ传感器410、420每个都形成于有源电路431、441可以嵌入其中的基板430、440之上。在基板上，一个或多个电路层432、442可以在形成导电线路414、424嵌入其中的绝缘层433、443之前形成，以形成磁场发生器结构。如图5所示，在第一MTJ传感器410内的导电线路414被形成为按从图5的图形平面出来的方向传送电流，然而在第二MTJ传感器420中的导电线路424被形成为传送在图形上从右到左前进的电流。在嵌入的导电线路之上，第一及第二MTJ核形成于绝缘层435、445中。特别地，在第一MTJ传感器410中的第一MTJ核包括至少部分地嵌入绝缘层435内的第一导电线路434、下钉扎铁磁层413、隧道势垒层412、具有从右到左取向的磁化方向415的上传感铁磁层411，以及其上形成了附加的电介质层437的第二导电线路436。第一导电层434通过通路结构439与底接触层438连接。另外，在第二MTJ传感器420中的第二MTJ核包括至少部分地嵌入绝缘层445内的第一导电线路444、下钉扎铁磁层423、隧道势垒层422、具有指向图5的图形平面之内的磁化方向425的上传感铁磁层421，以及其上形成了附加的电介质层447的第二导电线路446。为了连接第一及第二MTJ传感器410、420，则通过通路结构(没有示出)将第二MTJ传感器420中的第一导电层444连接到在与嵌入的导电线路424相同的水平上的底接触层(没有示出)，其中该嵌入的导电线路424又通过一个或多个通路及导电层连接到第一MTJ传感器410的第二导电线路436。通过所描绘的结构，通过嵌入的导电线路414的电流脉冲将生成与传感元件411的易轴415对准的磁场脉冲417，以及通过嵌入的导电线路424的电流脉冲将在传感元件421(没有示出)的区域内生成与传感元件421的易轴425对准的磁场脉冲。

根据所选择的实施例，通过形成正交磁取向均与钉扎层413、423的磁方向差别相等的传感层411、421，可以将第一及第二MTJ传感器410、420作为差动传感器的一部分一起制作于单片集成电路上。在示例工艺流程中，制作工艺中的第一步骤是提供由电介质基层(没有示出)所覆盖的单片集成电路芯片基板。在电介质基层之上，使用已知的沉积、图形化及蚀刻工艺将磁场发生器结构414、424形成为导电材料的嵌入线路从而使磁场发生器结构414、424对准及定位于传感器410、420之下并且嵌入绝缘层(没有示出)内。在绝缘层之上，传感器层的堆叠通过沉积第一导电层(在蚀刻之后用作导电线路434)、一个或多个下铁磁层(在蚀刻之后用作下钉扎铁磁层413)、一个或多个电介质层(在蚀刻之后用作隧道势垒层412)、一个或多个上铁磁层(在蚀刻之后用作上传感铁磁层411)以及第二导电层(在蚀刻之后用作导电线路436)顺序地形成。

虽然可以在存在磁场的情况下分别沉积并加热各个铁磁层以产生所期望的磁取向，但是同样可以使用形状各向异性技术来获得不同的铁磁层所需的磁取向。为此，按图形化蚀刻工艺的顺序选择性地蚀刻传感器层堆叠以在MTJ传感器410、420中限定钉扎层和传感层。在第一蚀刻顺序中，通过使用图形化的光致抗蚀剂来形成第一图形化硬掩膜、然后执行选择性蚀刻工艺(例如，反应离子蚀刻)来向下去除所有未遮蔽层直到并且包括未遮蔽的下铁磁层，而由下铁磁层限定不同钉扎层413、423的形状。所蚀刻的下铁磁层的结果形状取向为使得每个钉扎层具有形状各向异性，从而导致沿着其轴之一的优选磁取向。除了形成为长且窄的形状之外，还可以提供钉扎层的端部的其它形状使得每个钉扎层表现得更像单磁畴一样。例如，可以使图9所示的钉扎层901、902、903、904成形为具有在与钉扎层的期望钉扎方向对应的方向上锥形化的尖角端部。使用形状各向异性，成形的钉扎层413、423可以被退火以设置它们各自的钉扎方向。

在制作工艺的这点上，上铁磁层将被选择性地蚀刻以留下在第一图形化硬掩膜之下的残余部分使得上铁磁层和下铁磁层具有相同的形状。但是，传感层的最终形状将小于下面的钉扎层，并且为此，使用第二蚀刻顺序限定与上铁磁层的残余部分不同的传感层411、421的最终形状。在第二蚀刻顺序中，另一光致抗蚀剂图形被用来将图形化硬掩膜形成于残余的上铁磁层的将形成传感层的部分之上。当选择性蚀刻工艺(例如，反应离子蚀刻)被用来向下去除所有未遮蔽层直到并且包括未遮蔽的上铁磁层411、421时，选择图形来限定传感层的高纵横比的形状。在所选择的实施例中，选择性蚀刻工艺可以使下面的成形钉扎层413、423保留完整的，但在其它实施例中，选择性蚀刻工艺还蚀刻下面的成形钉扎层413、423的未遮蔽部分。所限定的传感层的高纵横比形状被取向为使得传感层411在所期望的磁化415的尺寸上(而不是它们的宽度上)较长，而传感层421在所期望的磁化425的尺寸上(而不是它们的宽度上)较长。换句话说，每个传感层的长轴沿着单个铁磁传感层所期望的磁化方向来绘制。除了形成为长且窄的形状之外，还可以提供传感层411、421端部的附加形状使得每个传感层表现得更像像单磁畴一样。例如，可以使传感层成形为具有在与传感层的期望易轴的对应方向上锥形化的尖角端部。一旦形成了成形的传感层，就可以通过在没有磁场的情况下使晶片短退火(例如，退火温度为大约250℃)以去除材料分散，从而由它们的形状各向异性产生所期望的易轴磁化取向。在冷却时，传感层411、421的磁化与单个图形对准，从而提供多种取向的传感层。

通过控制流过磁场发生器结构414、424的电流的幅值和定时以便紧接在使用传感器410、420执行场测量之前生成场脉冲，传感层411、421在每次测量之前都以保留高灵敏度并最小化功率消耗的方式来准备。选择性地将磁场施加于传感元件的益处在图6-8中得到了证明。从图6开始，提供了在没有对传感器施加稳定场时的磁阻相对于所施加场的示例图。在没有稳定场的情况下，随着所施加场扫过，微磁畴跳跃导致转换曲线60在磁阻中具有零星的、不可预测的跳跃(也称为巴克豪森噪声)。该噪声可以通过施加与传感元件的易轴对准的弱稳定场来防止。例如，图7提供了在将15Oe的易轴稳定场作为稳态场施加于传感器时磁阻相对于所施加场的示例图。如图7的图形所示，微磁畴跳跃已经被消除。结果，本示例的转换曲线70包括高达大约20Oe的所施加场的线性特征71的区域。附加地或另选地，可以施加场脉冲以进一步改进转换曲线，如图8所示，图8提供了在将脉冲型稳定场施加于传感器时磁阻相对于所施加场的示例图80。特别地，转换曲线80通过紧挨在按一种场扫描顺序(以从-5Oe到5Oe的第一扫描开始，以及然后执行从-10Oe到10Oe的第二扫描，等等)对传感器执行场测量之前沿着传感器元件的易轴短暂地脉动传感器元件来获得。所得到的转换曲线80包括高达至少大约20Oe的所施加场的线性特征81的区域。另外，转换曲线80指示当该传感器暴露于大约40Oe以上的硬轴场时可能造成不良性能。更一般地表述，在任意方向上施加的强场可以使传感元件处于不良状态下，然而沿着传感器易轴施加的场脉冲足以从传感元件中去除畴结构。

在实际的布置中，磁场发生器结构414、424由使电桥臂互连所必需的同一层所形成，并且因此没有造成另外的处理步骤。另外，磁场发生器结构414、424每个都可以由单个导电元件构造，其中单个导电元件被定位成在每个MTJ传感器下方按适当的取向通过，由此通过单个电流脉冲生成遍及整个芯片的场脉冲。该实际实现方式的示例由提供了标线布局的简化的示意性顶视图或平面图的图9所示出，其中标线布局示出了差动传感器900，所述差动传感器900形成有多个串联连接的MTJ传感器921、922、923、924，所述多个串联连接的MTJ传感器921、922、923、924配置于磁场发生器结构920相对于MTJ传感器定位的惠斯通电桥电路中。所描绘的差动传感器包括均具有相同磁化方向(例如，y方向上的钉扎轴)(如由每个钉扎层上的大的矢量箭头所示)的四个钉扎层901、902、903、904。虽然钉扎层901、902、903、904可以使用它们的形状各向异性(如图9所示出的)来形成，但是它们同样可以使用传统的场退火工艺来形成。

图9还示出了差动传感器中的两个MTJ传感器921、924被形成有具有按与竖向成45度取向的磁化方向的传感层911、914，如所示的易轴矢量在传感层911、914中指向右侧。其它两个MTJ传感器902、903形成有具有与竖向成45度取向的磁化方向的传感层912、913，如所示的易轴矢量在传感层912、913中指向左侧。虽然可以使用任意所期望的技术形成具有不同磁化方向的传感层，但是本发明所选择的实施例使用形状各向异性技术使传感元件911、914成形为具有以相对于竖向的预定偏转角度取向的磁化方向(或易轴)，以及使传感元件912、913成形为具有以相对于竖向的预定偏转角度负向取向的磁化方向(或易轴)。这样，传感元件911、914的磁化方向和传感元件912、913的磁化方向在相反的方向上等同地偏离钉扎层901、902、903、904的磁化方向。

所描绘的差动传感器900还包括形成于MTJ传感器921、922、923、924之下以便选择性地产生磁场来稳定或恢复传感层911、912、913、914的磁场的磁场发生器结构920。在所选择的实施例中，磁场发生器结构920被形成为按与传感层的易轴取向垂直的方向布置以在传感层911、912、913、914下方传送电流的单个导电线路，使得由电流生成的磁场与易轴对准。因而，导电线路920形成于第四MTJ传感器924下方以生成与传感元件914的易轴对准的磁场。另外，在第二和第三MTJ传感器922、923之下的导电线路920的取向生成了与传感元件912、913的易轴对准的磁场。最终，导电线路920形成于第一MTJ传感器921之下以生成与传感器元件911的易轴对准的磁场。

本发明所选择的实施例还可以参考图10来说明，图10描绘了用于制作没有展示微磁结构并且可以使用未屏蔽的或有源传感元件用来提供差动传感的MTJ场传感器的方法的示例流程图。在步骤111，基板使用已知的半导体处理技术提供。如将被认识到的，基板可以具有一个或多个形成于其中的有源电路元件，例如智能功率或模拟集成电路。基板和有源电路可以作为前端MRAM制作工艺的一部分形成。

在步骤112，使用已知的半导体处理技术将嵌入的场导体形成于基板/电路结构之上。场导体将用作后续形成的传感层的磁场发生器结构，并且因此被图形化并定位于传感器之下使得它产生与每个传感器内传感层的易轴对准的场。为了形成嵌入的场导体，使用已知的半导体处理技术将第一绝缘层(例如层间电介质(ILD))形成于基板/电路结构之上。随后，例如，通过物理气相沉积并进行电镀以沉积导电材料(例如铜或铜基合金)来形成导电层。导电层然后被图形化并被蚀刻，或者使用镶嵌工艺以限定要定位于传感器区域以及电桥传感器互连路径之下的场导体。在步骤113，使用已知的半导体处理技术，将第二绝缘层形成于第一绝缘层以及嵌入的导体之上。随后在绝缘层中蚀刻通路以提供传感器下电极与电桥互连路径之间的互连。

在步骤114，MTJ核结构通过使用多步骤的制作工艺将传感器层沉积于第二绝缘层之上来形成。在这点上，传感器层可以作为在前端制作过程之后发生的后端MRAM制作工艺的一部分形成。在示例的实施例中，传感器层通过沉积将用作导电接触线(例如，在图5中示出的第一导电线路434)的第一导体层(例如，铝、铜、钽、氮化钽、钛、氮化钛等)来形成。然后将至少第一钉扎铁磁电极层(例如，铱锰、铂锰、钴铁、钴铁硼、镍铁、钌等，或它们的任意组合)沉积于第一导电层之上，并与其电接触。为形成第一铁磁电极层所选择的材料应当具有相对高的矫顽力，并且应当是充分耐热的以致于经受住用来将第一铁磁电极层钉扎于预定取向上的退火温度(例如，200～350℃)。在沉积第一铁磁电极层之后，使遂穿电介质层(例如，氧化铝或氧化镁)生长或沉积于第一铁磁电极层之上，然后使至少第二铁磁电极层(例如，镍铁、钴铁、钴铁硼、钌等)沉积于遂穿电介质层之上以形成第二铁磁电极层。用来形成第二铁磁电极层的材料的组合应该具有比构成第一铁磁电极层的材料低的矫顽力，这一般通过钉扎下电极层来获得。另外，导电材料(例如，钽、氮化钽、钛、氮化钛等)的覆盖层可以形成于第二铁磁电极层之上。最后，沉积第二导电层(例如，铝、铜、钽、氮化钽、钛、氮化钛等)，所述第二导电层将用作导电接触线路(例如，在图5中示出的第二导电线路436)。

在步骤115，设置钉扎层的磁化方向。在所选择的实施例中，第一铁磁电极层可以在磁场存在的情况下退火以设置其磁化方向，由此限定钉扎层。但是，在需要磁化取向垂直的不同钉扎层的其它实施例中，通过使用不同钉扎层的形状各向异性和精心选择的退火工艺可以用第一铁磁电极层来形成不同的钉扎层。为此，可以选择性地图形化及蚀刻第一铁磁电极层以限定钉扎层，所述钉扎层被成形为在所期望的磁化方向的方向上具有较长的尺寸。通过施加定向于所期望的钉扎层的垂直磁化取向之间的饱和磁场，并且然后去除该磁场，在成形的钉扎层上施加的磁化沿着成形的钉扎层的长轴衰减。在另外的实施例中，不同的钉扎层可以通过沉积分离的铁磁电极层以及使用两步骤的退火工艺来形成。

在步骤116，形成传感层使之具有不同的磁化方向使得不同传感器的第一传感层和第二传感层相对于那些传感器的钉扎层的磁化方向偏转相等但方向相反。通过利用不同传感层的形状各向异性可以使用第二铁磁电极层来获得不同传感层的不同易轴取向。为此，可以选择性地图形化并蚀刻第二铁磁电极层以限定传感层，所述传感器层被成形为在所期望的磁化方向的方向上具有较长的尺寸。

应当理解，另外的处理步骤将被用来制作MTJ传感器结构。作为示例，可以连同常规的后端处理一起(没有示出)使用众所周知的技术来沉积、图形化及蚀刻一个或多个电介质层、铁磁层和/或导电层，其中常规的后端处理典型地包括被用来按所期望的形式连接传感器结构以获得所期望的功能的多级互连的形成。因而，用来完成传感器结构的制作的步骤的具体顺序可以改变，这取决于工艺和/或设计要求。

所公开的制作工艺可以被用来由单轴响应的两个差动传感器配置形成仅具有单个钉扎方向的磁场传感器。对于双轴(X，Y)磁场响应，传感器只需要两个不同的钉扎轴，其中每个差动传感器由具有未屏蔽的MTJ传感器的电桥结构所形成。不同的钉扎轴可以通过结合精心选择的退火工艺使用形状不同的钉扎层的形状各向异性，或者通过形成两个分别设置及退火的不同的钉扎层来获得。在由连接于电桥电路中的MTJ传感器所形成的给出的差动传感器中，形状各向异性可以被用来生成在零场具有与钉扎层的磁化成-45度角及45度角的不同磁化的传感元件。在这种配置中，包括正交于钉扎方向的分量的所施加场将不同地改变不同传感层的磁化，并且因此，差动传感器能够测量所施加场垂直于钉扎轴的投影。所公开的制作工艺还在每个MTJ传感器下方形成了场导体，其中该场导体可以被用来沿着传感层的易轴施加场脉冲以为传感器的测量作准备，以及施加小电流以在测量期间稳定传感器(若需要的话)。

应当认识到，至此已经提供了用磁场传感器检测磁场的方法和装置。如所公开的，场传感器包括未屏蔽的磁性隧道结(MTJ)传感器以及形成于基板之上的嵌入的磁场脉冲发生器。MTJ传感器包括具有相对固定的磁方向的第一铁磁层、邻近于第一铁磁层形成的隧道势垒层、以及邻近于隧道势垒层形成的且具有沿着易轴取向的相对自由的磁方向的第二铁磁层。在所选择的实施例中，第二铁磁层具有长度尺寸较长的以及宽度尺寸较短的形状各向异性，其中较长的长度尺寸与可以从相对固定的磁方向偏转45度的易轴对准。嵌入的磁场脉冲发生器形成于一个或多个电介质层中，并且相对于MTJ传感器来定位以产生与第二铁磁层的易轴对准的磁场脉冲，使得能够施加脉冲，以为未屏蔽的MTJ传感器的测量作准备。在所选择的实施例中，磁场脉冲发生器被实现为嵌入于一个或多个绝缘层内的并且定位成产生使第二铁磁层沿着易轴的磁方向重置的磁场脉冲的导电线路。还可以将磁场脉冲发生器配置为沿着第二铁磁层的易轴施加弱磁场。未屏蔽的MTJ传感器可以耦合至惠斯通电桥电路配置中的另外的未屏蔽的MTJ传感器以形成差动传感器。在这种电路配置中，嵌入式磁场脉冲发生器可以相对于多个未屏蔽的MTJ传感器中的每一个来定位以在多个未屏蔽的MTJ传感器中的每一个内产生沿着传感层的易轴的磁场脉冲。

在另一种形式中，提供了用于形成磁场传感器的磁场传感器装置、方法以及相关的制作工艺。所公开的磁场传感器包括形成于共同的基板之上的第一及第二差动传感器电路。第一差动传感器电路检测所施加磁场沿着第一轴的第一分量方向，而第二差动传感器电路检测所施加磁场沿着与第一轴垂直的第二轴的第二分量方向。特别地，第一及第二差动传感器电路每个都可以被配置为形成有多个未屏蔽的传感层以及对应的多个钉扎层的未屏蔽的磁性隧道结(MTJ)传感器的惠斯通电桥结构，其中每个钉扎层都沿着钉扎方向进行磁化使得第一差动传感器电路的钉扎方向与第一轴对准，以及第二差动传感器电路的钉扎方向与第二轴对准。在所选择的实施例中，第一及第二差动电路每个都包括包含具有第一易轴磁取向的第一未屏蔽传感层的第一未屏蔽MTJ传感器，以及包含具有第二易轴磁取向的第二未屏蔽传感层的第二未屏蔽MTJ传感器，其中第一及第二易轴磁取向相对于差动传感器电路的钉扎方向相等但反向偏转(例如，分别为-45度和45度)。

在另一种形式中，提供了用于在基板上形成检测沿着第一轴指向的所施加磁场的差动传感器电路的磁场传感器装置、方法以及相关的制作工艺。差动传感器电路可以被构造为未屏蔽的磁性隧道结(MTJ)传感器的惠斯通电桥结构，所述未屏蔽的磁性隧道结传感器形成有各自在单个钉扎方向上磁化的多个钉扎层以及对应的多个未屏蔽的传感层。在示例的实现方式中，差动传感器电路包括包含具有第一易轴磁取向的第一未屏蔽的传感层的第一未屏蔽的MTJ传感器，以及包含具有第二易轴磁取向的第二未屏蔽的传感层的第二未屏蔽的传感器，其中第一及第二易轴磁取向相对于所述单个钉扎方向相等但反向地偏转(例如，±45度)。当每个未屏蔽的传感层形成为具有长度尺寸较长且宽度尺寸较短的各向异性的轴时，较长的长度尺寸与未屏蔽的传感层的易轴磁取向对准。磁场传感器还可以包括用于每个未屏蔽的传感层的嵌入的磁场发生器，其中所述每个未屏蔽的传感器被定位成产生与每个未屏蔽传感层的易轴磁取向对准的磁场脉冲。在所选择的实施例中，嵌入的磁场发生器被实现为导电线路，其中该导电线路定位成传导生成用于重置相关的未屏蔽传感层的磁取向的磁场脉冲的电流脉冲，和/或沿着每个未屏蔽的传感层的易轴磁取向施加弱磁场。磁场传感器还可以包括形成于基板之上用于检测沿着与第一轴正交的第二轴指向的所施加磁场的第二差动传感器电路。所述第二差动传感器电路可以被构造成未屏蔽的磁性隧道结(MTJ)传感器的惠斯通电桥结构，其中所述未屏蔽的磁性隧道结传感器形成有各自在第二钉扎方向上磁化的第二多个钉扎层以及对应多个未屏蔽的传感层，其中第一差动传感器电路的单个钉扎方向与第一轴对准，以及第二差动传感器电路的第二钉扎方向与第二轴对准。在示例的实现方式中，第二差动传感器电路包括包含具有第三易轴磁取向的第三未屏蔽传感层的第三未屏蔽MTJ传感器，以及包含具有第四易轴磁取向的第四未屏蔽传感层的第四未屏蔽MTJ传感器，其中第三和第四易轴磁取向相对于第二差动传感器电路的第二钉扎方向相等但反向偏转。

虽然在此公开的所描述的示例性实施例针对不同的传感器结构及其制造方法，但是本发明并不一定限定于示例实施例，所述示例实施例说明了可应用于多种半导体工艺和/或器件的本发明的发明方面。因而，以上所公开的特定的实施例只是说明性的并且不应当被看作是对本发明的限定，因为本发明可以被修改以及用不同但等效的方式来实施，这对于从此处的教导受益的本领域技术人员而言是显而易见的。例如，在传感器结构中的传感层和钉扎层的相对位置可以对换，使得钉扎层在上而传感层在下。传感层和钉扎层还可以用与所公开的那些材料不同的材料来形成。而且，所述层的厚度可以偏离所公开的厚度值。因此，上述描述并不意图将本发明限定于所阐述的特定形式，相反，意图涵盖可以包含于由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的可选方案、修改及等价物，因此本领域技术人员应当理解他们在没有脱离本发明最广泛的形式的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替换和变化。

已经在上文关于具体的实施例描述了益处、其它优点、以及问题的解决方案。但是益处、优点、问题的解决方案以及可以促使任意益处、优点或解决方案出现或变得更显著的任意要求不应被解释为任意或所有权利要求的关键的、必需的或本质的特征或要素。如在此使用的，词语“包括”、“包含”或者它的任意其它变形，意图涵盖非排它性的包括，使得包括一系列要素的工艺、方法、物品或者装置不仅包括那些要素而且可以包括没有明确列出的或者此类工艺、方法、物品或装置所固有的其它要素。

Claims (20)

1.一种场传感器，包括：

形成于基板之上的未屏蔽磁性隧道结(MTJ)传感器，包括：

具有相对固定的磁方向的第一铁磁层，

邻近于所述第一铁磁层形成的隧道势垒层，以及

邻近于所述隧道势垒层形成且具有沿着易轴取向的相对自由的磁方向的第二铁磁层，以及

形成于一个或多个电介质层内的嵌入的磁场发生器，其中所述嵌入的磁场发生器被定位成生成磁场脉冲，所述磁场脉冲与所述第二铁磁层的所述易轴对准并且被施加以为所述未屏蔽MTJ传感器的测量作准备。

2.根据权利要求1所述的场传感器，其中所述嵌入的磁场发生器包括嵌入一个或多个绝缘层内的导电线路，其中所述导电线路被配置为产生重置所述第二铁磁层沿着所述易轴的所述磁方向的磁场脉冲。

3.根据权利要求1所述的电路磁场传感器，其中所述第二铁磁层包括具有较长的长度尺寸和较短的宽度尺寸的各向异性轴，其中所述较长的长度尺寸与所述易轴对准。

4.根据权利要求3所述的场传感器，其中所述易轴从所述相对固定的磁方向偏转45度。

5.根据权利要求1所述的场传感器，其中所述嵌入的磁场发生器被配置为沿着所述第二铁磁层的所述易轴施加弱磁场。

6.根据权利要求1所述的场传感器，其中所述未屏蔽MTJ传感器耦合至惠斯通电桥电路配置内的多个未屏蔽MTJ传感器以形成差动传感器，以及其中所述嵌入的磁场发生器相对于所述多个未屏蔽MTJ传感器中的每一个定位以生成沿着在所述多个未屏蔽MTJ传感器的每一个中的所述第二铁磁层的所述易轴的磁场脉冲。

7.一种磁场传感器，包括：

形成于基板之上、用于检测所施加磁场沿着第一轴的第一分量方向的第一差动传感器电路；以及

形成于所述基板之上、用于检测所述所施加磁场沿着与所述第一轴正交的第二轴的第二分量方向的第二差动传感器电路；

其中所述第一及第二差动传感器电路每个都包括未屏蔽磁性隧道结(MTJ)传感器的惠斯通电桥结构，所述未屏蔽磁性隧道结传感器形成有多个未屏蔽传感层和对应的多个钉扎层，所述对应的多个钉扎层每个都在钉扎方向上磁化使得所述第一差动传感器电路的所述钉扎方向与所述第一轴对准，以及所述第二差动传感器电路的所述钉扎方向与所述第二轴对准。

8.根据权利要求7所述的磁场传感器，其中所述第一差动传感器电路包括：

包含具有第一易轴磁取向的第一未屏蔽传感层的第一未屏蔽MTJ传感器，以及

包含具有第二易轴磁取向的第二未屏蔽传感层的第二未屏蔽MTJ传感器，

其中所述第一及第二易轴磁取向从所述第一差动传感器电路的所述钉扎方向相等但反向地偏转。

9.根据权利要求8所述的磁场传感器，其中所述第一易轴磁取向从所述第一差动传感器电路的所述钉扎方向偏转-45度，以及所述第二易轴磁取向从所述第一差动传感器电路的所述钉扎方向偏转45度。

10.根据权利要求8所述的磁场传感器，其中所述第二差动传感器电路包括：

包含具有第三易轴磁取向的第三未屏蔽传感层的第三未屏蔽MTJ传感器，以及

包含具有第四易轴磁取向的第四未屏蔽传感层的第四未屏蔽MTJ传感器，

其中所述第三及第四易轴磁取向从所述第二差动传感器电路的所述钉扎方向相等但反向地偏转。

11.根据权利要求10所述的磁场传感器，其中所述第三易轴磁取向从所述第二差动传感器电路的所述钉扎方向偏转-45度，以及所述第四易轴磁取向从所述第二差动传感器电路的所述钉扎方向偏转45度。

12.一种磁场传感器，包括形成于基板之上、用于检测沿着第一轴指向的所施加磁场的差动传感器电路，其中所述差动传感器电路包括未屏蔽磁性隧道结(MTJ)传感器的惠斯通电桥结构，所述未屏蔽磁性隧道结传感器形成有多个钉扎层以及对应的多个未屏蔽传感层，所述多个钉扎层中的每一个在单个钉扎方向上磁化。

13.根据权利要求12所述的磁场传感器，其中所述差动传感器电路包括：

包含具有第一易轴磁取向的第一未屏蔽传感层的第一未屏蔽MTJ传感器，以及

包含具有第二易轴磁取向的第二未屏蔽传感层的第二未屏蔽MTJ传感器，

其中所述第一及第二易轴磁取向从所述单个钉扎方向相等但反向地偏转。

14.根据权利要求13所述的磁场传感器，其中所述第一易轴磁取向从所述单个钉扎方向偏转-45度，以及所述第二易轴磁取向从所述单个钉扎方向偏转45度。

15.根据权利要求12所述的磁场传感器，其中每个未屏蔽传感层包括具有较长的长度尺寸以及较短的宽度尺寸的各向异性轴，其中所述较长的长度尺寸与所述未屏蔽传感层的易轴磁取向对准。

16.根据权利要求12所述的磁场传感器，还包括用于每个未屏蔽传感层的嵌入的磁场发生器，所述磁场发生器被定位成生成与每个未屏蔽传感层的易轴磁取向对准的磁场脉冲。

17.根据权利要求16所述的磁场传感器，其中每个嵌入的磁场发生器包括导电线路，所述导电线路定位成传导生成用于重置相关未屏蔽传感层的磁取向的磁场脉冲的电流脉冲。

18.根据权利要求16所述的磁场传感器，其中每个嵌入的磁场发生器被配置为沿着每个未屏蔽传感层的易轴磁取向施加弱磁场。

19.根据权利要求12所述的磁场传感器，还包括形成于所述基板之上、用于检测沿着与所述第一轴正交的第二轴指向的所述所施加磁场的第二差动传感器电路，其中所述第二差动传感器电路包括未屏蔽磁性隧道结(MTJ)传感器的惠斯通电桥结构，所述未屏蔽磁性隧道结传感器形成有第二多个钉扎层以及对应的多个未屏蔽传感层，所述第二多个钉扎层中的每一个在第二钉扎方向上磁化，其中所述第一差动传感器电路的所述单个钉扎方向与所述第一轴对准，以及所述第二差动传感器电路的所述第二钉扎方向与所述第二轴对准。

20.根据权利要求19所述的磁场传感器，其中所述第二差动传感器电路包括：

包含具有第三易轴磁取向的第三未屏蔽传感层的第三未屏蔽MTJ传感器，以及

包含具有第四易轴磁取向的第四未屏蔽传感层的第四未屏蔽MTJ传感器，

其中所述第三及第四易轴磁取向从所述第二差动传感器电路的所述第二钉扎方向相等但反向地偏转。

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