CN102057487B - 具有多个钉扎方向的双轴磁场传感器及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造工艺和装置通过两个差分传感器配置(201、211)提供了高性能磁场传感器(200)，其仅需要通过单个参考层(60)形成的两个不同的钉扎轴(206、216)，该单个参考层被刻蚀为高纵横比的形状(62、63)，其长轴是按不同的取向绘制的，从而在通过适当对准的饱和场(90)对参考层进行处理并且随后移除饱和场之后，高纵横比的图案提供了迫使每个构图形状(62、63)的磁化沿其各自的所期望的轴弛豫的形状各向异性。在加热和冷却之后，铁磁膜被钉扎在不同的所期望的方向上。

Description

具有多个钉扎方向的双轴磁场传感器及其生产方法
技术领域
本发明通常涉及磁电子器件的领域。在一个方面，本发明涉及用于感测磁场的CMOS兼容的磁电子场传感器。
背景技术
在现代系统中广泛地使用传感器来测量或检测诸如位置、运动、力、加速度、温度、压力等物理参数。尽管存在用于测量这些和其他参数的多种不同的传感器类型，但是它们均受到各种限制。例如，诸如在电子罗盘和其他相似的磁感测应用中使用的廉价的低场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和与CMOS良好配合的合理的电阻，这些传感器的感测单元通常具有几个平方毫米的尺寸。对于移动应用，这些AMR传感器配置在费用、电路面积和功耗方面是成本过高的。
诸如磁隧道结(MTJ)传感器和巨磁阻(GMR)传感器的其他类型的传感器已被用于提供外形更小的传感器，但是这些传感器具有它们自身的顾虑，诸如不足的灵敏度以及受温度变化的影响。为了解决这些顾虑，以惠斯通电桥结构的形式使用MTJ传感器和GMR传感器来提高灵敏度并且消除依赖于温度的电阻变化。实际上，双轴磁场传感器已被部署用于电子罗盘应用，用于通过针对每个感测轴使用惠斯通电桥结构来检测地球磁场方向。然而，对于每个感测轴，这些场传感器典型地包括两个相反的钉扎(pinning)方向，导致四个不同的钉扎方向，对于利用具有复杂的和不便的磁化技术的磁体阵列的每个电路，必须单独地设置这些钉扎方向，或者使用厚的NiFe屏蔽/通量集中层以对较低中间场的局部方向进行指向，这需要另外的处理复杂性。
因此，需要一种用于形成具有不同的磁化方向的参考电极的改进的传感器设计和制造工艺。还需要一种双轴传感器，其能够被高效地和廉价地构造为用于移动应用的集成电路结构。还需要一种改进的磁场传感器和制造方法，用于克服诸如上文概述的现有技术中的问题。在参照下面的附图以及详细描述阅读本申请的以下部分之后，常规的传感器技术的另外的限制和缺点对于本领域的技术人员将是明显的。
附图说明
当结合附图考虑下面的详细描述时，可以理解本发明及其众多的目的、特征和所获得的优点，在附图中：
图1图示了使用由两个具有未屏蔽的MTJ传感器的电桥结构形成的差分传感器的电子罗盘结构；
图2提供了通过将四个MTJ传感器以惠斯通电桥电路连接而形成的示例性场传感器的简化的示意性透视图；
图3是示出通过使用均匀磁场设置制程和从单个参考层构图而来的成形的参考电极来在同一晶片上制造MTJ场传感器的第一示例性方法的流程图，这些MTJ场传感器具有不同磁化方向的参考电极；
图4是示出使用体晶片(bulk wafer)设置制程和从单个参考层构图而来的成形的参考电极来制造MTJ场传感器的第二示例性方法的流程图，这些MTJ场传感器具有正交的参考层；
图5是其中已经在衬底上形成MTJ传感器层的堆叠的集成电路的部分横截面图；
图6图示了在衬底上将MTJ传感器层的堆叠选择性刻蚀为预定形状之后的接续图5的处理；
图7图示了用于示出通过选择性刻蚀工艺形成的MTJ传感器层的堆叠中的参考层的预定形状的顶视图；
图8图示了当在存在饱和场的情况下对刻蚀的参考层加热时的接续图7的处理，该饱和场在最终形成的参考层的所期望的磁化方向之间对准；
图9图示了在移除饱和场并且使经刻蚀的MTJ传感器堆冷却由此使经刻蚀的参考层的磁化沿长轴钉扎之后的接续图8的处理；
图10是示出最终形成的参考层中的钉扎磁化方向的MTJ传感器层堆叠的部分横截面图；
图11示出了用于形成钉扎的参考层的不平衡SAF堆叠；以及
图12图示了在移除饱和场并且使经刻蚀的MTJ传感器堆叠冷却由此使经刻蚀的参考层的磁化沿短轴钉扎之后的通过不平衡SAF堆叠形成的钉扎和参考层的处理。
将意识到，为了使说明简单和清楚，图中示出的元件并不必然依比例绘制。例如，出于促进和改进清晰度和理解的目的，一些元件的尺寸相对于其他元件被放大。此外，在被认为适当的情况中，在附图中重复附图标记以表示对应的或者类似的元件。
具体实施方式
描述了一种用于在体晶片上提供多轴钉扎的方法和装置，其可用于形成具有不同参考元件的集成电路传感器，这些参考元件具有通过单钉扎材料淀积和体晶片设置制程来设置的不同的钉扎方向。作为预备步骤，将一个或多个铁磁和反铁磁材料层的堆叠刻蚀为具有高的纵横比的二维形状的成形参考元件，其中该形状提供了对于每个参考元件的所期望的磁化方向的区别。依赖于所使用的材料和技术，最终磁化方向可以沿成形层的短轴或长轴取向。例如，如果钉扎层是通过被构图为微米级尺度的些微不平衡的合成反铁磁体(SAF)形成的，则磁化将沿短轴指向。如本领域的技术人员将意识到的，SAF实施例提供了与在磁电子器件中使用钉扎的SAF参考层相关的许多益处。在其他实施例中，通过控制自由层和固定层的厚度，最终的磁化可以沿长轴指向。利用形状各向异性，通过在存在饱和场的情况下进行加热而在参考元件中引生了不同的磁化方向，该饱和场在参考元件的所期望的磁化方向之间对准。在所选择的实施例中，对参考元件进行充分的加热以减少各向异性的材料成分并且允许形状和外部场支配磁化方向。通过该方式，一旦移除饱和场，则形状各向异性使磁化指向在所期望的方向。在移除饱和场之后，参考元件的磁化弛豫以遵循参考元件的形状以便于引生磁化，该磁化沿成形参考元件的所期望的轴对准并且随后在退火温度降低时被钉扎。例如，如果两个参考层被成形为具有彼此垂直的较长的尺寸，则两个参考层的引生的磁化将彼此垂直。最终，如果参考元件未被在反铁磁体的钉扎温度(其是反铁磁阻挡温度或者反铁磁晶相形成温度中的较低的温度)之上退火，则应用单退火工艺以设置两个参考层的引生磁化。通过该方法，执行单钉扎材料淀积步骤和单退火步骤以设置参考层的所有引生磁化而无需另外的磁性层，由此提供了简化和降低了制造成本和复杂度的体晶片设置制程。用于形成具有不同的钉扎方向的参考层的简化的工艺允许在传感器管芯中以最小的间距形成独立的磁传感器元件，并且结果，具有最小面积的单个管芯中的不同的传感器配置可以具有不同的敏感轴。
现将参照附图详细描述本发明的各种说明性实施例。尽管在下面的描述中阐述了各种细节，但是将意识到，本发明可以在没有这些特定细节的情况下实施，并且可以对这里描述的本发明进行许多针对特定实现方案的决策以实现器件设计者的特定的目的，诸如与根据实现方案而变化的处理技术或者设计相关约束兼容。尽管这一开发努力可能是复杂的和耗时的，但是这是受益于本公开内容的本领域的普通技术人员所承担的例行程序。此外，为了避免限制或混淆本发明，参照并非包括每个器件特征或几何特征的简化的横截面图示出了所选择的方面。还应当注意，在这里的详细描述通篇中，未详细描述与磁阻随机存取存储器(MRAM)设计、MRAM操作、半导体器件制造以及集成电路器件的其他方面相关的常规的技术和特征。尽管作为现有的MRAM制造工艺的一部分，某些材料将被形成和移除以制造集成电路传感器，但是下文并未详细描述用于形成或者移除这些材料的特定制程，因为这些细节是公知的并且对于教导本领域的技术人员如何实施和使用本发明而言并不认为是必需的。此外，这里包含的各个图中示出的电路/部件布局和配置旨在呈现本发明的示例性实施例。应当注意，在实际的实施例中可以存在许多可替选的或者另外的电路/部件布局。
图1示出了通过分别用于检测所施加的场的沿第一轴(例如，图中的y轴方向)和第二轴(例如，图中的x轴方向)的分量方向的第一和第二差分传感器201、211形成的磁场传感器200。如所示出的，每个传感器是通过按电桥配置连接的未屏蔽的感测元件形成的。因此，第一传感器201是通过在相应的多个钉扎层206-209上按电桥配置连接多个感测元件202-205而形成的，其中钉扎层206-209中的每一个在y轴方向上磁化。按相似的方式，第二传感器211是通过在相应的多个钉扎层216-219上按电桥配置连接多个感测元件212-215而形成的，这些钉扎层216-219均在与钉扎层206-209的磁化方向垂直的x轴方向上磁化。在所示出的电桥配置201中，感测元件202、204被形成为具有第一易磁化轴方向，而感测元件203、205被形成为具有第二易磁化轴方向，其中第一和第二易磁化轴方向彼此正交并且被取向为相对钉扎层206-209的磁化方向的偏差是相同的。对于第二电桥配置211，感测元件212、214具有与感测元件213、215的第二易磁化轴方向正交的第一易磁化轴方向，从而第一和第二易磁化轴方向被取向为相对钉扎层216-219的磁化方向的偏差是相同的。在所示出的传感器201、211中，不需要用于感测元件的屏蔽，也不需要任何特殊的参考元件。在示例性实施例中，这是通过如下方式实现的：使用形状各向异性技术使每个有源感测元件(例如，202、204)参考另一有源感测元件(例如，203、205)以建立彼此偏转90度的参考感测元件的易磁轴。图1中示出的配置对于获得双轴钉扎技术的益处而言不是必须的，并且仅被给出作为示例。例如，也可以使用薄的屏蔽来抑制四个相同的传感器元件中的两个传感器元件的传感器响应以实现差分响应。
通过将第一和第二传感器201、211安置为与每个传感器中的正交的感测元件取向正交地对准，这些正交的感测元件取向相对该传感器的钉扎方向的偏转相同，传感器可以沿第一和第二轴的检测所施加的场的分量方向。
如从前文所见，磁场传感器可以由差分传感器201、211形成，这些差分传感器201、211使用在各自的钉扎层206、216上按电桥配置连接的未屏蔽的感测元件202-205、212-215来检测所施加的磁场的存在和方向。通过该配置，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特性。
为了提供对磁场传感器的结构和形成的另外的理解，图2提供了通过将四个MTJ传感器301、311、321、331以惠斯通电桥电路连接而形成的示例性场传感器300的简化的示意性透视图。作为现有的MRAM或薄膜传感器制造工艺的一部分，仅进行微小的调整以控制各种传感器层的磁取向，就可以制造该电桥电路。具体地，所示出的MTJ传感器301、311、321、331是通过钉扎的参考层304、314、324、334和感测层302、312、322、332形成的，这些钉扎的参考层304、314、324、334均在单个钉扎方向上磁对准，而这些感测层302、312、322、332被对准以具有相对钉扎层304、314、324、334的磁化方向的不同的磁化方向。如所形成的，每个MTJ传感器(例如，301)包括通过一个或多个下铁磁层形成的第一钉扎电极304、绝缘隧穿电介质层303、以及通过一个或多个上铁磁层形成的第二感测电极302。钉扎电极和感测电极是所需要的可以使其磁化方向对准的磁材料。适当的电极材料以及将材料布置为通常用于磁阻随机存取存储器(MRAM)器件和其他MTJ传感器器件的电极在本领域中是公知的。例如，下层304、314、324、334可以通过一个或多个铁磁和反铁磁材料的层形成到范围为10至
Figure BDA0000036977830000061
的组合厚度，并且在所选择的实施例中范围为200至
Figure BDA0000036977830000062
的组合厚度。在示例性实施例中，每个钉扎层(例如，304、314、324、334)是通过单个铁磁层和下面的反铁磁钉扎层形成的。在另一示例性实施例中，每个钉扎层(例如，304)包括厚度为20至
Figure BDA0000036977830000063
的铁磁堆叠部件(例如，CFB(钴铁硼)、钌(Ru)和CFB的堆叠)，以及下面的厚度约为的反铁磁钉扎层。下面的反铁磁钉扎材料可以是诸如IrMn的可重新设置的材料，但是也可以使用不易于在合理的温度下重新设置的其他材料，诸如PtMn。如所形成的，当钉扎的参考层的磁化方向被钉扎在正常操作条件期间不改变的一个方向上时，该钉扎的参考层用作固定的磁性层或钉扎的磁性层。如这里公开的，用于使参考层304、314、324、334的材料钉扎的加热质量可以改变用于形成这些层的制造顺序。
如图2中所示，钉扎的参考层(例如，304、314、324、334)可以通过具有沿构图的参考层的长轴对准的磁化方向(由箭头指示)的单个构图的铁磁层形成。然而，在其他实施例中，钉扎的参考层可以通过用于使钉扎的参考层的磁化沿构图的参考层的短轴对准的合成反铁磁(SAF)层实现。如将意识到的，SAF层可以与下面的反铁磁钉扎层组合实现，但是对于具有提供足够强的磁化的适当的几何特征和材料的SAF结构，可以不需要下面的反铁磁钉扎层，由此提供成本节约的更简单的制造工艺。例如，图11示出了通过具有由钌隔层1102隔开的两个不同的铁磁体层1101、1103的不平衡合成反铁磁体(SAF)形成的钉扎的参考层1100，其中钌层1102上方和下方的铁磁层1101和1103具有不同的磁矩。所述铁磁层中的任一个或者两个可以通过CFB(钴铁硼)或者任何所期望的铁磁合金形成。例如，在示例性实施例中，CoFe可以用于下面的层而CFB可以用于上面的层。在钌隔层1102的某个周期性厚度下，两个铁磁层1101、1103将交换耦合，从而反平行状态是低能量状态。结果，使净磁矩最小并且强化了对外部场响应的免御力。图11中示出了不平衡SAF堆叠1100的示例性实现方案和微磁学仿真，其中不平衡SAF 1100包括通过CFB形成的具有约20埃的厚度的固定层1101、通过钌形成的具有约10埃的厚度的隔层1102、和通过CFB形成的具有约30埃的厚度的钉扎层1103。通过该示例性SAF结构，生成了净磁矩，其将响应于如图11中所示的外部施加的磁场H1104。对于具有微米级尺度(例如，沿短轴的尺寸大于约2μm)的通过SAF形成的参考层，磁化趋向于沿短轴(而非沿长轴)反平行对准，因此短轴设置了钉扎方向。这是由如下事实所导致的：最低能量状态是两个层沿构图的形状的短轴封闭其磁通量。在剩磁(例如，在设置场被移除之后)中，最大磁矩层(例如，该示例中的下面的钉扎层1103)的磁矩对准使得其在具有到设置场角度上的正投影的方向上(在该示例中向右)沿SAF的短轴。相反，较小磁矩层(例如，该示例中的上面的固定或参考层1101)的磁矩在相对钉扎层1103的相反的方向上对准，如图11中所示。
上面的层或者感测层302、312、322、332可以通过一个或多个铁磁材料层形成至10至
Figure BDA0000036977830000081
的厚度范围，并且在选择的实施例中其厚度范围是10至上面的铁磁材料可以是诸如NiFe、CoFe、Fe、CFB等的软磁材料。在每个MTJ传感器中，上面的铁磁层302、312、322、332用作感测层或自由磁性层，这是因为它们的磁化方向可以因诸如地球磁场的外部施加的场而偏转。如最终形成的，上面的层或者感测层302、312、322、332可以通过具有沿构图的形状302、312、322、332的长轴对准的磁化方向(由箭头指示)的单个铁磁性层形成。
钉扎和感测的电极可以被形成为具有不同的磁特性。例如，钉扎电极304、314、324、334可以通过反铁磁膜交换层形成，其耦合到铁磁膜以形成具有高的矫顽力和偏移的磁滞曲线的层，从而它们的磁化方向将被钉扎在一个方向上，并且因此基本上不受外部施加的磁场的影响。相反，感测电极302、312、322、332可以通过具有相对低的各向异性和矫顽力的用于提供不同的磁化方向的软磁材料形成，从而感测电极的磁化方向可以因外部施加的磁场而变更。在所选择的实施例中，钉扎场的强度大约比感测电极的各向异性场大两个量级，但是可以通过使用公知的技术来改变电极的组成从而调整电极各自的磁特性，来使用不同的比例。
如图2中所示，MTJ传感器中的钉扎电极304、314、324、334被形成为具有钉扎电极层304、314、324、334的平面中的第一示例性磁化方向(由指向图2的图顶部的矢量箭头表示)。如这里所描述的，可以使用钉扎电极的形状各向异性获得钉扎电极304、314、324、334的磁化方向，在该情况中钉扎电极304、314、324、334的形状均可以在“上”矢量箭头的方向上是较长的。具体地，通过首先在存在饱和磁场的情况下对成形的参考层304、314、324、334进行加热，可以获得钉扎电极304、314、324、334的磁化方向，该饱和磁场被取向为不与成形的钉扎电极304、314、324、334的最长取向轴正交，使得所施加的饱和场包括参考层304、314、324、334的所期望的钉扎方向的方向上的场分量。参考层的磁化方向至少暂时地与饱和场对准。然而，通过在该处理期间适当地加热参考层并且在不减少热量的情况下移除饱和场，参考层的磁化沿成形的钉扎电极304、314、324、334的所期望的取向轴弛豫。一旦磁化弛豫，则参考层可以被退火和/或冷却，从而使钉扎电极层的磁场方向被设置在成形的钉扎电极304、314、324、334的所期望的方向上。通过该方法，可以通过如下来容易地使钉扎电极304、314、324、334的磁化方向的形成符合用于形成具有不同的磁化方向的其他钉扎电极的制造步骤：简单地将其他钉扎电极成形为具有与所期望的钉扎方向对准的由形状限定的各向异性轴，并随后施加饱和场从而使其包括在所有所期望的钉扎方向的方向上的场分量。
如将意识到的，MTJ传感器301、311、321、331可以被形成为具有相同的结构，这些结构通过金属互连如所示出的那样以标准的惠斯通电桥电路配置串联连接，该配置具有用于所示出的电桥电路的两个电源端子341、343和输出信号端子342、344。通过将未屏蔽的MTJ传感器301、311、321、331以惠斯通电桥电路串联连接，场传感器300检测外部施加的磁场的水平方向(图2中的从左至右的方向)分量，由此形成X轴传感器桥。具体地，水平场分量将使感测电极302、322的磁化的偏转不同于感测电极312、332的磁化的偏转，并且所得到的传感器电导/电阻的差将对水平场分量的强度进行量化。尽管没有示出，但是也可以通过以惠斯通电桥电路配置连接的未屏蔽的MTJ传感器形成Y轴传感器桥电路，但是Y轴传感器桥电路中的钉扎电极的磁化方向将垂直于X轴传感器桥中的钉扎电极304、314、324、334的磁化方向。
也可以参照图3说明本发明的所选择的实施例，其示出了使用体晶片设置制程以从单个参考层形成成形参考电极来制造具有正交的参考层的MTJ场传感器的方法的示例性流程图。在步骤31中，使用已知的半导体处理技术提供衬底结构。如将意识到的，该衬底结构包括由绝缘体基层覆盖的衬底，其中在衬底上或者衬底中形成诸如智能电源电路或模拟集成电路的一个或多个有源电路元件。作为前端半导体制造工艺的一部分，可以形成衬底和有源电路。
接着，通过使用多步骤制造工艺在绝缘体基层上淀积传感器层来形成MTJ核心结构。此时，作为在前端半导体制作工艺之后进行的后端磁器件制造工艺的一部分，可以形成传感器层。在步骤32中，通过在衬底结构上至少淀积第一反铁磁电极层(例如，铱锰(IrMn)等)，以及铁磁性层或合成反铁磁性层(例如，钴铁、钴铁硼、钌、镍、镍铁等，或者它们的任何组合)，形成第一传感器层。尽管没有示出，但是一个或多个第一铁磁电极层可以被淀积为与下面的导电接触层电气接触。被选择用于形成钉扎层和第一铁磁电极层的材料应当使得所得到的铁磁性层将具有相对高的钉扎强度，并且应当是足够耐热的，以便于承受用以将第一铁磁电极层的磁化方向钉扎在预定取向上的退火温度(例如200至350摄氏度)(如果使用的话)。此时还可以使用公知的技术来淀积另外的传感器层，诸如一个或多个隧穿电介质层和一个或多个感测电极层。在步骤32中，还对所淀积的第一铁磁电极层进行构图并且将其选择性刻蚀为具有取向不同的长轴的伸长的形状。作为刻蚀的结果，每个成形的参考层具有所期望的钉扎磁化方向的方向上的优选的形状各向异性方向。
在步骤33中，在存在饱和场的情况下对刻蚀的参考层进行加热或退火，所施加的该饱和场具有在所述不同的参考层的不同的期望的钉扎磁化方向之间的方向。例如，如果正在形成两个正交取向的钉扎层，则所施加的饱和场可以被取向为在正交钉扎层的所期望的取向之间的中间。更一般地说，所施加的饱和场应被取向为使其包括在参考层的每个所期望的钉扎方向的方向上的场分量。对于加热的要求，用于形成参考层的材料的性质将控制将施加多少热量。例如，由于磁取向可能改变，因此此时诸如IrMn的可重新设置的材料可以在它们的钉扎温度之上退火。在任何情况中，应当控制加热步骤从而使成形的参考层的磁化对遵循外部磁场是自由的。
在步骤34中，移除饱和磁场，并且在步骤35中，使退火温度维持预定的时长(例如，两个小时)。在没有施加场的情况下，高纵横比的图案提供了形状各向异性，其迫使施加在成形的参考层中的磁化沿成形参考层的各自的各向异性轴弛豫。在步骤36中，随后在零场中使晶片冷却，从而参考层中的形状引生的磁化被钉扎，由此提供参考层的多个取向。通过在零场中获得形状引生的磁化之后使参考层在钉扎温度之下冷却，参考层的磁化变为被钉扎，并且至少对于典型的所施加的场强度，在它们各自的方向上将保持严格的钉扎。
可以参照图4说明本发明的另外的实施例，其示出了使用体晶片设置制程从单个参考层形成成形的参考电极来制造具有正交的参考层的MTJ场传感器的第二示例性方法的示例性流程图。在步骤41中，使用已知的半导体处理技术提供衬底结构。接着，作为后端磁器件制造工艺的一部分，通过使用多步骤制造工艺在绝缘体基层上淀积传感器层来形成MTJ核心结构。在步骤42中，通过在衬底结构上至少淀积第一反铁磁电极层(例如，铂锰(PtMn)等)，以及铁磁或合成反铁磁层(例如，钴铁、钴铁硼、钌、镍、镍铁等，或者它们的任何组合)，来形成传感器层中的第一传感器层。再一次地，一个或多个第一铁磁电极层可以被淀积为与下面的导电接触层电气接触。被选择用于形成钉扎层和第一铁磁电极层的材料应当使得所得到的铁磁性层将具有相对高的钉扎强度，并且应当是足够耐热的，以便于承受用以将第一铁磁电极层的磁化方向钉扎在预定取向上的退火温度(例如200至350摄氏度)(如果使用的话)。此时还可以使用公知的技术来淀积另外的传感器层，诸如一个或多个隧穿电介质层和一个或多个感测电极层。在步骤42中，还对所淀积的第一铁磁电极层进行构图并且将其选择性刻蚀为具有取向不同的长轴的伸长的形状。作为刻蚀的结果，每个成形的参考层具有所期望的钉扎磁化方向的方向上的优选的形状各向异性方向。
在步骤43中，在存在饱和场的情况下对刻蚀的参考层进行加热或退火，所施加的该饱和场具有在不同参考层的不同的期望的钉扎磁化方向之间的场方向。一般说来，所施加的饱和场应被取向为使得其包括在参考层的每个所期望的钉扎方向的方向上的场分量。对于加热的要求，用于形成参考层的材料的性质将控制将施加多少热量。例如，存在多种参考层材料(诸如PtMn)，其中磁钉扎牵涉相变，其一旦被设置，则其不能在合理的温度下撤消。通过这些材料，该磁化指向工艺应保持在相变温度之下，并且可以在以后应用退火工艺。在任何情况中，应当控制加热步骤从而使成形的参考层的磁化对遵循外部磁场是自由的，并且仍不发生钉扎。
在步骤44中，在维持升高的温度的同时移除饱和磁场。在没有施加场的情况下，高纵横比的图案提供了形状各向异性，其迫使施加在成形的参考层中的磁化沿成形的参考层的各自的各向异性轴弛豫。在步骤45中，将参考层(诸如对于使用PtMn的情况)在第一反铁磁电极层的相变温度之上进一步退火或加热，并且在前往步骤46之前保持一定的时间以引生钉扎相变。在步骤46中，随后在零场中使晶片冷却，从而参考层中的形状引生的磁化被钉扎，由此提供多个参考层取向。在该情况中，通过在零场中获得形状引生的磁化之后将在相变温度之上参考层加热，参考层的磁化变为被钉扎，并且至少对于典型的所施加的场强度，在它们各自的方向上将保持严格的钉扎。
使用这里公开的技术，通过形成具有第一钉扎方向的第一参考层206-209并且同时形成具有与第一钉扎方向正交的第二钉扎方向的第二参考层216-219，可以在单片集成电路上一起制造第一和第二差分传感器(例如，图1中示出的传感器201、211)。这些技术可以通过从图5开始的示例性工艺流程的描述而得到进一步的说明，图5示出了多传感器结构的部分横截面图，其中已在衬底40和绝缘体基层50上形成MTJ传感器层60、70、80的堆叠。当传感器将与半导体电路集成时，通过本领域的技术人员已知的方法制成的穿过绝缘体层50的导电过孔(via)将把传感器的导电部分连接到衬底40中的下面的电路。依赖于正在制造的晶体管器件的类型，衬底40可以被实现为体硅衬底、(掺杂的或未掺杂的)单晶硅、或者包括例如Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge、GaAs、InAs、InP以及其他III-IV族化合物半导体或者它们的任何组合的任何半导体材料，并且可以可选地被形成为体处理晶片。此外，衬底40可以被实现为绝缘体上硅(SOI)结构的顶部半导体层。尽管没有示出，但是可以在衬底40上或者衬底40中形成一个或多个电路元件。此外，通过使用化学汽相淀积(CVD)、等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)、物理汽相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、离子束淀积(IBD)、热氧化、或者以上工艺的组合，在半导体衬底40上淀积或生长电介质(例如，二氧化硅、氧氮化物、金属氧化物、氮化物等)，形成绝缘体基层50。
在绝缘体基层50上，通过淀积在刻蚀之后用作导电线的第一导电层(未示出)、一个或多个下铁磁性层60(在刻蚀之后用作下钉扎铁磁层)、一个或多个电介质层70(在刻蚀之后用作隧道阻挡层)、一个或多个上铁磁性层80(在刻蚀之后用作上感测铁磁层)、和在刻蚀之后用作导电线的第二导电层(未示出)，顺序地形成传感器层堆叠。每个层可以是使用诸如CVD、PECVD、PVD、ALD、IBD或者它们的组合的已知技术淀积到预定厚度的毯式覆层(blanket)。这样，传感器层堆叠覆盖整个晶片，从而该堆叠在其中将形成第一类型的传感器(例如，x轴传感器)的“传感器1”区域中形成，并且也在其中将形成第二类型的传感器(例如，y轴传感器)的“传感器2”区域中形成。此外，传感器堆叠可以在其中将形成具有任何所期望的取向的传感器的“其他”区域中形成。
图6图示了在对MTJ传感器层60、70、80的堆叠进行选择性刻蚀之后的接续图5的传感器器件结构的处理，由此限定每个传感器区域中的衬底40上的剩余的传感器层的预定形状。可以使用任何所期望的构图和刻蚀工艺来形成构图的传感器层，包括在上铁磁性层80上淀积诸如氮化硅(未示出)的硬掩模层，淀积光致抗蚀剂层(未示出)并且对其构图以对硬掩模层构图，以及随后使用光致抗蚀剂层(未示出)对暴露的传感器层进行选择性刻蚀(例如，通过反应离子刻蚀工艺)以形成开口84、85。为了更加清楚地看到选择性刻蚀工艺如何从MTJ传感器层堆叠创建不同的预定形状，参照图7，其提供了图6中示出的传感器器件结构的简化顶视图。如图6和7中所示，传感器层堆叠60、70、80中的开口84、85将第一传感器区域中的传感器层62、72、82限定为具有第一形状，该第一形状被取向为具有在最终形成的参考层62的所期望的钉扎方向上的易轴。按相似的方式，开口84、85限定第二传感器区域中的传感器层63、73、83的形状，从而使它们具有在最终形成的参考层63的所期望的钉扎方向上的易轴。尽管开口84、85可以用于限定正交取向的形状62、63，但是通过适当地构图和控制刻蚀工艺，可以实现任何所期望的取向。例如，“其他”传感器区域中的传感器层61、71、81可以被限定为具有另一形状，该另一形状被取向为具有在最终形成的参考层61的所期望的钉扎方向上的易轴。除了被形成为长和窄的形状之外，还可以提供另外的成形，从而使每个钉扎的参考层表现得更类似于单个磁畴。在图7中，在参考层61、62、63中示出了另外的成形，其被成形为具有在每个参考层的所期望的钉扎方向的相应的方向上变尖的尖头端(pointed end)。
一旦形成了成形的参考层61、62、63，则可以通过如下方式引生参考层的所期望的钉扎方向：首先在存在饱和场的情况下对晶片进行加热或退火，该饱和场被取向为在参考层61、62、63的取向之间，并随后在维持高温的同时移除该场。对参考层进行加热并且使其饱和的结果在图8中示出，其图示了当在存在饱和场的情况下对刻蚀的参考层61、62、63进行加热时的接续图7的传感器器件结构的处理。如图8中所示，饱和场在最终形成的参考层的所期望的磁化方向之间的方向90上对准。然而，在工艺的该阶段中，在被充分加热时，参考层61、62、63的磁化(如分别通过磁化矢量64、65、66示出的)遵循外部磁场90。
图9图示了在移除饱和场90并且使刻蚀的MTJ传感器层堆叠冷却之后的接续图8的传感器器件结构中的参考层的磁化取向。通过在零场中使晶片冷却，参考层61、62、63的各自的形状提供了形状各向异性，其使每个参考层的磁化沿所期望的方向弛豫。因此，第一参考层62的磁化68遵循其形状，从而使与成形的参考层62的所期望的维度对准(例如，在y轴方向上)，由此形成最终形成的参考层62的所期望的钉扎方向。按相似的方式，当第二参考层63的磁化69遵循其形状各向异性(例如，在x方向上)时，引生了最终形成的参考层63的所期望的钉扎方向。当然，如通过参考层61所示的，其中磁化67遵循参考层61的形状各向异性(例如，与y轴成45度)，通过对参考层进行适当的成形，可以引生任何所期望的钉扎方向。
图12图示了通过如下方式形成的钉扎和参考层1200的处理：对不平衡SAF堆叠1210、1220、1230进行刻蚀；在存在饱和场的情况下对层1200进行退火，该饱和场被取向为在参考层的短轴取向之间；以及随后移除饱和场1290(如通过虚线场箭头指示的)并且使刻蚀的MTJ传感器的堆叠冷却，由此使经刻蚀的参考层1210、1220、1230的磁化将沿它们各自的短轴钉扎。如图示的，刻蚀的参考层1210、1220、1230的磁化取向沿刻蚀的参考层的短轴钉扎。因此，在不平衡SAF堆叠1210中，参考层磁化1211和钉扎层磁化1212基本上彼此反平行并且与刻蚀的参考层1210的长轴正交。相似地，不平衡SAF堆叠1220中的参考层磁化1221和钉扎层磁化1222基本上彼此反平行并且与刻蚀的参考层1220的长轴正交，并且对于刻蚀的参考层1230情况亦是如此。对于图12中示出的不平衡SAF堆叠的实施例，参考层1210的长轴被构图为与图8中示出的用于单个参考层61的方向正交，以便于提供在参考层1220和1230的正交方向之间的中间的最终参考方向。
为了进一步说明所得到的在不同的最终形成的参考层中形成多个取向，现在参照图10，其提供了图9中示出的经刻蚀的MTJ传感器层堆叠的横截面图。如图9和10中所示，第一传感器区域中的经刻蚀的传感器层堆叠62、72、82具有钉扎在第一钉扎方向(例如，“进入”图10中的图形的平面的方向)上的参考层，第二传感器区域中的经刻蚀的传感器层堆叠63、73、83具有钉扎在第二钉扎方向(例如，图10中的图形的平面中的“向右”的方向)上的参考层，并且其他传感器区域中的经刻蚀的传感器层堆叠61、71、81具有钉扎在另一钉扎方向(例如，与图10中的图形的平面成45度)上的参考层。
在制造工艺的这一点，每个上面的铁磁层81、82、83(和隧道阻挡层)已被选择性刻蚀为与下面的参考层相同的形状。然而，在感测层的最终形状将小于下面的钉扎层的情况中，可以使用第二刻蚀工序来从上面的铁磁性层81、82、83的剩余部分限定不同的感测层的最终形状。第二刻蚀工序通过使用构图的掩模和刻蚀工艺(例如，反应离子刻蚀)向下移除所有未被掩蔽的层并且包括未被掩蔽的上面的铁磁性层，但是原样留下下面的成形的钉扎层，来限定感测层的高纵横比的形状。所限定的感测层的高纵横比的形状被取向为使得每个感测层具有形状各向异性轴。换言之，每个感测层的长轴被绘制为生成所期望的易磁化轴方向。
将意识到，将使用另外的处理步骤制造MTJ传感器结构。例如，使用公知的技术，以及常规的后端处理(未示出)，典型地包括形成用于按所期望的方式连接传感器结构以实现所期望的功能的多级互连，可以淀积、构图和刻蚀一个或多个电介质层、铁磁性层和/或导电层。因此，用于完成传感器结构的制造的步骤的特定顺序可以根据工艺和/或设计要求而变化。
所公开的制造工艺可以用于通过仅需要通过单个材料淀积和退火步骤形成的两个不同的钉扎轴两个差分传感器配置形成磁场传感器，其中每个差分传感器是通过电桥结构形成的。使用按不同方式成形的钉扎层的形状各向异性，结合用仔细选择的于在存在适当对准的饱和场的情况下对参考层进行加热的工艺，可以获得不同的钉扎轴。
到此为止应当意识到，已提供了一种具有两个或更多个参考层方向的基于铁磁薄膜的磁场传感器及其制造方法。如所公开的，提供半导体衬底和第一绝缘层，并且在第一绝缘层上形成传感器层堆叠，其中传感器层堆叠包括通过反铁磁材料(例如，IrMn或PtMn)形成的可选的钉扎层、在钉扎层和第一绝缘层上形成的参考层、在参考层上形成的非磁性中间层、和在非磁性中间层上形成的第二铁磁性层。对传感器层堆叠进行选择性刻蚀以形成第一和第二经刻蚀的电极堆叠，其中第一电极堆叠具有用于设置第一参考方向的第一形状各向异性，并且其中第二电极堆叠具有用于设置第二参考方向的第二形状各向异性。在刻蚀电极堆叠之后，施加饱和场直至第一和第二电极堆叠的每个参考层具有与饱和场对准的磁化，该饱和场基本上与衬底平行并且被取向为在第一和第二参考方向之间。通过移除饱和场，第一形状各向异性设置第一电极堆叠的参考层的磁化，而第二形状各向异性设置第二电极堆叠的参考层的磁化。例如，第一和第二电极堆叠中的每个参考层的磁化方向可以被分别设置为沿第一和第二电极堆叠的长(或短)轴维度。在第一参考方向(和第一形状各向异性)与第二参考方向(和第二形状各向异性)正交的情况中，所施加的饱和场可以基本上与衬底平行并且在相对第一参考方向和第二参考方向均偏移45度的角度上。在第一参考方向(和第一形状各向异性)相对第二参考方向(和第二形状各向异性)小于180度的其他实施例中，所施加的饱和场可以基本上与衬底平行并且在相对第一参考方向和第二参考方向相等偏移的角度上。更一般地说，所施加的饱和场可以基本上平行于衬底并且在具有沿所述两个或更多个参考层方向中的每个方向的场分量的角度上。饱和场的施加可以，但是并不必需，伴随有加热工艺，由此在升高的温度下对第一和第二电极堆叠进行加热，以及移除饱和场之后的冷却工艺，以沿第一形状限定的轴设置第一电极堆叠中的参考层的磁化，并且沿第二形状限定的轴设置第二电极堆叠中的参考层的磁化。例如，在所选择的实施例中，加热步骤可以通过如下方式实现：在饱和场中分别在第一和第二电极堆叠中形成的第一和第二反铁磁钉扎层的阻挡温度之上的升高的温度下加热第一和第二电极堆叠，在该情况中，移除饱和场允许第一形状各向异性设置第一电极堆叠中的钉扎层的磁化，并且允许第二形状各向异性设置第二电极堆叠中的钉扎层的磁化。在此外的或者替选方案中，可以在移除饱和场之后将第一和第二电极堆叠分别在第一和第二电极堆叠中形成的第一和第二反铁磁性层的反铁磁晶相形成温度或者之上进行加热。通过随后使第一和第二电极堆叠冷却，第一电极堆叠中的钉扎层的磁化沿第一形状限定的轴钉扎，并且第二电极堆叠中的钉扎层的磁化沿不同的第二形状限定的轴钉扎。
在另一形式中，提供了一种具有两个或更多个参考方向的基于铁磁薄膜的磁场传感器及其制造方法。如所公开的，在衬底上形成参考层结构并且使其与衬底绝缘，其中该参考层结构包括通过由隔层隔开并且具有不同的磁矩的第一和第二铁磁性层形成的不平衡合成反铁磁体。在不平衡SAF下方还存在通过反铁磁材料(例如，IrMn或PtMn)形成的钉扎层。参考层结构被选择性刻蚀以形成第一和第二刻蚀的电极堆叠，其中第一电极堆叠具有用于设置第一参考方向的第一形状各向异性，并且其中第二电极堆叠具有用于设置第二参考方向的第二形状各向异性。在刻蚀电极堆叠之后，施加饱和场直至第一和第二电极堆叠(例如，每个堆叠中的SAF)中的每一个具有与饱和场对准的磁化，该饱和场基本上与衬底平行并且被取向为在第一和第二参考方向之间。通过移除饱和场，第一形状各向异性设置第一电极堆叠的第一和第二铁磁性层的磁化，而第二形状各向异性设置第二电极堆叠的第一和第二铁磁性层的磁化。例如，第一和第二电极堆叠中的第一和第二铁磁性层中的每一个的磁化方向可以被分别设置为沿第一和第二电极堆叠的长(或短)轴维度。为此，第一电极堆叠具有其中第一长(或短)轴维度与第一参考方向对准的第一形状各向异性，并且第二电极堆叠具有其中第二长(或短)轴维度与第二参考方向对准的第二形状各向异性。更一般地说，所施加的饱和场可以基本上平行于衬底并且在具有沿所述两个或更多个参考方向中的每个方向的场分量的角度。饱和场的施加可以，但是并不必需，伴随有加热工艺，由此在升高的温度下对第一和第二电极堆叠进行加热，以及移除饱和场之后的冷却工艺，以沿第一形状限定的轴设置第一电极堆叠中的不平衡合成反铁磁体的磁化，并且沿不同的第二形状限定的轴设置第二电极堆叠中的不平衡合成反铁磁体的磁化。例如，在所选择的实施例中，加热步骤可以通过如下方式实现：在饱和场中将第一和第二电极堆叠分别在第一和第二电极堆叠中形成的第一和第二反铁磁钉扎层的阻挡温度之上的升高的温度下加热，在该情况中，移除饱和场允许第一形状各向异性设置第一电极堆叠中的钉扎层的磁化，并且允许第二形状各向异性设置第二电极堆叠中的钉扎层的磁化。在此外的或者替选的方案中，可以在移除饱和场之后将第一和第二电极堆叠分别在第一和第二电极堆叠中形成的第一和第二反铁磁性层的反铁磁晶相形成温度或者之上加热。通过随后使第一和第二电极堆叠冷却，第一电极堆叠中的钉扎层的磁化沿第一形状限定的轴钉扎，并且第二电极堆叠中的钉扎层的磁化沿第二不同的形状限定的轴钉扎。
在另一形式中，提供了一种具有两个或更多个参考层磁化方向的基于铁磁薄膜的磁场传感器以及关联的制造方法。如所公开的，该传感器包括在衬底上形成的并且与衬底绝缘的第一和第二传感器层堆叠。第一和第二传感器层堆叠均包括在第一绝缘层上形成的参考层，并且还可以均包括与各自的参考层相邻的反铁磁性层。在选择的实施例中，每个第一和第二参考层被实现为通过由隔层隔开的第一和第二铁磁体层形成的不平衡合成反铁磁体，其中第一和第二铁磁层具有不同的磁矩。此外，第一和第二铁磁性层均可以分别具有沿第一和第二参考层的短(或长)轴对准的磁化。如所形成的，第一电极堆叠具有限定第一参考层的第一参考方向的第一形状各向异性，而第二电极堆叠具有限定第二参考层的不同于第一参考方向的第二参考方向的第二形状各向异性。
尽管这里公开的所描述的示例性实施例涉及各种传感器结构及其制造方法，但是本发明并不限于这些示例性实施例，其仅说明可应用于广泛的多种半导体工艺和/或器件的本发明的多个创造性方面。因此，以上公开的特定实施例仅是说明性的并且不应被视为对本发明的限制，可以通过对于受益于这里的教导的本领域的技术人员而言是明显的不同的但是等效的方式来修改和实践本发明。例如，可以倒转传感器结构中的感测层和钉扎层的相对位置，从而钉扎层位于上面而感测层位于下面。再者，感测层和钉扎层可以通过与公开的材料不同的材料形成。而且，所描述的层的厚度可以偏离所公开的厚度值。因此，前面的描述并非意在将本发明限于所阐述的特定形式，而是相反地，意在涵盖落入如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的这些替选、修改和等效方案，从而本领域的技术人员应当理解，他们可以在不偏离本发明的最广泛的精神和范围的情况下进行各种改变、替换和变更。
上文针对特定实施例描述了益处、其他优点和对问题的解决方案。然而，这些益处、优点、对问题的解决方案以及可以引出任何益处、优点或解决方案或者使其变得更加显著的任何因素不应被解释为任何或所有权利要求的关键的、必需的或基本的特征或因素。如这里使用的术语“包括”或其任何其他变化形式意在涵盖非排他的内含物，使得包括元素列表的处理、方法、物品或装置不仅包括这些元素，而且可以包括未明确列出的或者对于该处理、方法、物品或装置而言是固有的其他元素。

Claims (22)

1.一种用于制造包括两个或更多个参考层方向的基于铁磁薄膜的磁场传感器的方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成第一绝缘层；
在所述第一绝缘层上形成传感器层堆叠，所述传感器层堆叠包括在所述第一绝缘层上形成的参考层结构、在所述参考层结构上形成的非磁性中间层、和在所述非磁性中间层上形成的感测层；
对所述传感器层堆叠进行选择性刻蚀以形成第一电极堆叠和第二电极堆叠，其中所述第一电极堆叠具有用于设置第一参考方向的第一形状各向异性，并且其中所述第二电极堆叠具有用于设置第二参考方向的第二形状各向异性；
施加饱和场直至所述第一和第二电极堆叠的每个参考层结构具有与所述饱和场对准的磁化，所述饱和场与所述衬底平行并且被取向在所述第一和第二参考方向之间；以及
移除所述饱和场以允许所述第一形状各向异性设置所述第一电极堆叠的参考层结构的磁化，并且允许所述第二形状各向异性设置所述第二电极堆叠的参考层结构的磁化。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在施加所述与所述衬底平行并且被取向在所述第一和第二参考方向之间的饱和场的同时，在升高的温度下对所述第一和第二电极堆叠进行加热，以及
在移除所述饱和场之后使所述第一和第二电极堆叠冷却以沿第一形状限定的轴设置所述第一电极堆叠中的参考层结构的磁化，并且沿第二形状限定的轴设置所述第二电极堆叠中的参考层结构的磁化。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在施加所述饱和场的同时分别在所述第一和第二电极堆叠中形成的第一和第二反铁磁钉扎层的阻挡温度之上的升高的温度下加热所述第一和第二电极堆叠，从而所述移除所述饱和场的步骤允许所述第一形状各向异性设置所述第一电极堆叠中的钉扎的层的磁化，并且允许所述第二形状各向异性设置所述第二电极堆叠中的钉扎的层的磁化；以及
使所述第一和第二电极堆叠冷却，由此使所述第一电极堆叠中的钉扎的层的磁化沿第一形状限定的轴钉扎，并且使所述第二电极堆叠中的钉扎的层的磁化沿第二形状限定的轴钉扎。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在移除所述饱和场之后，在使所述第一和第二电极堆叠冷却之前，分别在所述第一和第二电极堆叠中形成的第一和第二反铁磁性层的反铁磁晶相形成温度或者之上加热所述第一和第二电极堆叠，由此使所述第一电极堆叠中的钉扎的层的磁化沿第一形状限定的轴钉扎，并且使所述第二电极堆叠中的钉扎的层的磁化沿第二形状限定的轴钉扎。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电极堆叠中的参考层结构的磁化方向沿所述第一电极堆叠的长轴维度设置，并且其中所述第二电极堆叠中的参考层结构的磁化方向沿所述第二电极堆叠的长轴维度设置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电极堆叠中的参考层结构的磁化方向沿所述第一电极堆叠的短轴维度设置，并且其中所述第二电极堆叠中的参考层结构的磁化方向沿所述第二电极堆叠的短轴维度设置。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二电极堆叠中的每一个包括反铁磁性层，其包括铱锰或铂锰。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一参考方向与所述第二参考方向正交，并且其中施加与所述衬底平行的所述饱和场包括按相对所述第一参考方向和所述第二参考方向均偏移45度的角度来施加所述饱和场。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一参考方向相对所述第二参考方向小于180度，并且其中施加与所述衬底平行的所述饱和场包括按相对所述第一参考方向和所述第二参考方向的相等偏移的角度来施加所述饱和场。
10.根据权利要求1所述的方法，其中施加与所述衬底平行的所述饱和场包括按具有沿两个或更多个参考层方向中的每个方向的场分量的角度来施加所述饱和场。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述参考层结构包括通过由隔层隔开的第一和第二铁磁体层形成的不平衡合成反铁磁体，其中所述第一和第二铁磁性层具有不同的磁矩。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在施加所述饱和场的同时在升高的温度下对所述第一和第二电极堆叠进行加热，所述饱和场与所述衬底平行并且被取向在所述第一和第二参考方向之间，以及
在移除所述饱和场之后使所述第一和第二电极堆叠冷却以沿第一形状限定的轴设置所述第一电极堆叠中的不平衡合成反铁磁体的磁化，并且沿第二形状限定的轴设置所述第二电极堆叠中的不平衡合成反铁磁体的磁化。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在施加所述饱和场的同时在升高的温度下分别在所述第一和第二电极堆叠中形成的第一和第二反铁磁钉扎层之上加热所述第一和第二电极堆叠，从而所述移除所述饱和场的步骤允许所述第一形状各向异性设置所述第一电极堆叠中的钉扎的层的磁化，并且允许所述第二形状各向异性设置所述第二电极堆叠中的钉扎的层的磁化；以及
使所述第一和第二电极堆叠冷却，由此使所述第一电极堆叠中的钉扎的层的磁化沿第一形状限定轴钉扎，并且使所述第二电极堆叠中的钉扎的层的磁化沿第二形状限定轴钉扎。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在移除所述饱和场之后，在使所述第一和第二电极堆叠冷却之前，分别在所述第一和第二电极堆叠中形成的第一和第二反铁磁性层的反铁磁晶相形成温度或之上加热所述第一和第二电极堆叠，由此所述第一电极堆叠中的钉扎的层的磁化沿第一形状限定的轴钉扎，并且所述第二电极堆叠中的钉扎的层的磁化沿第二形状限定的轴钉扎。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一电极堆叠中的第一和第二铁磁性层的磁化方向沿所述第一电极堆叠的长轴维度设置，并且其中所述第二电极堆叠中的第一和第二铁磁性层的磁化方向沿所述第二电极堆叠的长轴维度设置。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一电极堆叠具有其中第一短轴维度与所述第一参考方向对准的第一形状各向异性，并且所述第二电极堆叠具有其中第二短轴维度与所述第二参考方向对准的第二形状各向异性。
17.根据权利要求1所述的方法，其中选择性地刻蚀所述传感器层堆叠包括：
进行所述传感器层堆叠的第一刻蚀，导致所述感测层具有与所述参考层结构相同的形状；以及
进行所述感测层的第二刻蚀，导致所述感测层具有与所述参考层结构不同的形状。
18.根据权利要求17所述的方法，所述限定包括：
取向所述感测层堆叠的长轴来限定期望的易磁化轴方向。
19.一种包括两个或更多个参考层磁化方向的基于铁磁薄膜的磁场传感器，包括：
衬底；
所述衬底上的第一绝缘层；
所述第一绝缘层上的第一传感器层堆叠，其包括所述第一绝缘层上的第一参考层、在所述第一参考层上的第一中间层、以及在所述第一参考层上的第一感测层；以及
所述第一绝缘层上的第二传感器层堆叠，其包括所述第一绝缘层上的第二参考层、在所述第二参考层上的第二中间层、以及在所述第二参考层上的第二感测层；
其中所述第一传感器层堆叠具有限定所述第一参考层结构的第一参考方向的第一形状各向异性，并且其中所述第二传感器层堆叠具有限定所述第二参考层结构的与所述第一参考方向不同的第二参考方向的第二形状各向异性。
20.根据权利要求19所述的基于铁磁薄膜的磁场传感器，其中所述第一和第二参考层结构均包括通过由隔层隔开的第一和第二铁磁体层形成的不平衡合成反铁磁体，其中所述第一和第二铁磁性层具有不同的磁矩。
21.根据权利要求20所述的基于铁磁薄膜的磁场传感器，其中所述第一和第二铁磁性层中的每一个分别具有沿所述第一和第二参考层的短轴对准的磁化。
22.根据权利要求19所述的基于铁磁薄膜的磁场传感器，其中所述第一和第二传感器层堆叠中的每一个分别包括与所述第一和第二参考层相邻的反铁磁性层。
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