CN102292773B - 三轴磁场传感器 - Google Patents

Abstract

三个电桥电路(101、111、121)每一均包括耦合成惠斯通电桥(100)的磁电阻传感器，以在三个正交方向(110、120、130)上感测磁场(160)，它们是通过单个钉扎材料淀积和体晶片设定工序来设定的。三个电桥电路中的一个(121)包括第一磁电阻传感器(141)，其包括：第一感测元件(122)，设置在钉扎层(126)上，第一感测元件(122)具有第一和第二边缘以及第一和第二面；以及第一通量引导件(132)，设置为与衬底的第一面不平行，并且具有接近第一感测元件(122)的第一边缘和第一面的末端。可选的第二通量引导件(136)可以被设置为与衬底的第一面不平行，并且具有接近第一感测元件(122)的第二边缘和第二面的末端。

Description

三轴磁场传感器

技术领域

本发明通常涉及磁电子器件领域，更具体地，涉及用于在三个正交方向上感测磁场的CMOS兼容的磁电子场传感器。

背景技术

传感器广泛地用在现代系统中以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，诸如用在电子罗盘和其他类似的磁感测应用中的廉价的低场传感器通常包括基于各向异性磁电阻(AMR)的器件。为了达到所需的灵敏度和与CMOS配合良好的合理的电阻，这些传感器的感测单元通常在尺寸上在平方毫米量级。对于移动应用，在费用、电路面积和功耗方面，AMR传感器配置过于昂贵。

其他类型的传感器，诸如霍尔效应传感器、巨磁电阻(GMR)传感器和磁隧道结(MTJ)传感器，已被用于提供较小外形的传感器，但是这些传感器具有它们自身的问题，诸如灵敏度不够以及受温度变化的影响。为了解决这些问题，以惠斯通电桥结构使用MTJ和GMR传感器以增加灵敏度并消除依赖温度的电阻改变。除正交轴之外，许多磁感测技术固有地响应于所施加的场的一个取向。事实上，两轴磁场传感器已被开发用于电子罗盘应用，以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。

例如，霍尔传感器通常响应于在衬底表面法向的异面(out-of-plane)场分量，而磁电阻传感器响应于面内(in-plane)施加的磁场。利用这些响应轴，小“足印”三轴感测解决方案的开发典型地牵涉多芯片模块，一个或多个芯片被设置为彼此成正交角度。对于磁电阻传感器，通过仔细的传感器设计可以实现正交的面内分量，但是通常通过竖直接合或焊料回流以接触已经竖直安装的次级芯片来收集异面响应。由于竖直接合的芯片的尺寸典型地由根据处理约束确定的焊盘节距支配，因此该技术导致大竖直范围的所完成的封装、高的管芯和封装成本，并且由于必须并入穿过芯片的通孔，因此使芯片级封装是困难和高成本的。

因此，需要一种改进的设计和制造工艺，用于形成单芯片磁传感器，其三维地响应所施加的磁场。还需要一种三轴传感器，其能够高效地和廉价地被构造为用在移动应用中的集成电路结构。还需要一种改进的磁场传感器和制造方法以克服诸如上文概述的现有技术中的问题。此外，结合附图和本发明的背景，通过随后的具体实施方式和所附权利要求，本发明的其他期望的特征和特性将变得明显。

附图说明

下面将结合附图描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且

图1图示了根据示例性实施例的使用由三个具有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是根据示例性实施例的图1的Z轴电桥结构的部分横截面；

图3是图2的四个磁隧道结传感器中的两个的通过有限元仿真计算的通量线的视图；

图4是根据另一示例性实施例的图1的Z轴电桥结构的部分横截面；

图5是根据又一示例性实施例的图1的Z轴电桥结构的部分横截面；

图6是如图5中所示的通量引导件的另一形状；

图7是如图5中所示的通量引导件的又一形状；

图8是如图5中所示的通量引导件的再一形状；以及

图9是图示作为覆层到传感器的间距的函数的、对于单个(非差分配线)MTJ感测元件的被表示为X灵敏度的百分比的Z灵敏度的曲线图。

将认识到，为了说明的简单和清楚，图中图示的元件并不必然依比例绘制。例如，出于促进和改进清晰性和理解的目的，一些元件的尺寸可以相对于其他元件放大。此外，在被认为是适当的情况下，在附图中重复使用附图标记以表示相应的或相似的元件。

发明内容

一种基于铁磁薄膜的磁场传感器包括第一磁电阻传感器，所述第一磁电阻传感器包括：具有平坦表面的衬底；以及第一感测元件，具有与衬底的所述平坦表面平行的第一面，第一感测元件具有与第一面相反的第二面，并且具有第一和第二相反的边缘；以及第一通量引导件，设置为与衬底的第一面不平行，并且具有接近第一感测元件的第一边缘和第一面的末端。可选的第二通量引导件可以被设置为与衬底的第一面不平行，并且具有接近第一感测元件的第二边缘和第二面的末端。

在另一示例性实施例中，一种基于铁磁薄膜的磁场传感器包括第一、第二和第三磁电阻传感器。第一磁隧道结传感器包括第一被钉扎层和在第一被钉扎层上形成的第一感测元件，第二磁隧道结传感器包括第二被钉扎层和在第二被钉扎层上形成的并且与第一感测元件正交的第二感测元件，并且第三磁隧道结传感器包括第三被钉扎层和在第三被钉扎层上形成的第三感测元件，第三被钉扎层被设置为与第一和第二被钉扎层中的每一个成约45度，第三感测元件具有第一和第二边缘以及第一和第二面。通量引导件被设置为与衬底的所述平坦表面不平行，并且具有接近第三感测元件的第一边缘和第一面的末端。

具体实施方式

下面的本发明的详细描述在本质上仅是示例性的，并非意图限制本发明或者本发明的应用和使用。此外，不受前文的背景中呈现的任何理论或者下文的本发明的详细描述的约束。

通过集成例如镍铁(NiFe)的高磁导率材料的高宽比高的竖直棒条(通量引导件)，其末端紧邻磁感测元件的相反的边缘和相反的面终止，可以使一部分Z轴场进入XY平面。这些通量引导件用于捕获来自在Z方向上取向的施加场的磁通量，并且在这样操作时，在通量引导件的末端附近以基本上水平的方式使场线弯曲。通过通量引导件的不对称安置，例如在惠斯通电桥的四个桥臂(leg)中的两个桥臂中的感测元件的左边缘上方的通量引导段，以及在另外两个桥臂中的感测元件的右边缘上方的通量引导件，对于两对桥臂，水平分量可以作用在相反的方向上，导致强的差分信号。在X或Y方向上施加的场将等同地投射在电桥的所有四个桥臂上并因此被减除掉，并且对最终传感器信号没有贡献。在磁传感器芯片上的其他位置包括分立的电桥，用于确定磁信号的X和Y分量，并且通过该方式，可以由单芯片磁电阻感测模块，例如，基于磁隧道结(MTJ)感测元件，准确地确定具有所有三个空间取向上的分量的场。有限元方法(FEM)仿真表明：一对高宽比高的通量引导件(例如，25nm宽乘以500nm高并且在第三方向上延伸数微米)在被最优地安置时，将在单独的元件上提供相当于从同一强度的面内(x轴)场测量的信号的约80％的信号。通过使通量引导件与传感器更近、增加通量引导件的高度、以及另外对引导件的几何形状进行塑形，可以获得另外的信号。一个示例是：添加与感测元件平行的水平段，其在感测元件的边缘上延伸。其他示例是形成U形，其内部水平段与感测元件的外部边缘对准，竖直段的成角的终止用于使通量引导件在感测元件的平面内部分地延伸，以及形成类似地放置的箱形结构。这些几何特征用于进一步增强所引导的通量的水平分量，并且使其移动到传感器的更中心的区域。利用各个25nm宽的竖直棒条作为通量引导件的结构容忍覆盖误差(overlayerror)，并且对于单个通量引导层和感测层之间的85nm(3sigma)的失准，以2.5％的比率产生明显的x到z场转换(对于差分配线的惠斯通电桥)。

通量引导层可以由典型地用在磁随机存取存储器(MRAM)工艺流程中的层形成，在该工艺流程期间位线(bitline)和数位线(digitline)覆有高磁导率磁材料(诸如，在典型的磁存储器器件中)，其在这里被称为通量引导件，这些层用于增加所存在的场系数(fieldfactor)以减少切换存储器存储元件所需的电流。在传感器应用中，可以使用相同的工艺流程，以及溅射出数位线底部的可选的附加步骤，以便移除沟槽底部存在的任何覆层。可以对工艺流程进行修改，从而使得用于通量引导的覆层的高度和宽度处于最优值，而非上述示例性工艺中使用的相应的500nm和25nm。

随后更详细地描述了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层的集成电路传感器，这些参考层具有三个不同的钉扎方向，其中两个钉扎方向基本上正交，它们是通过单个钉扎材料淀积和体晶片设定工序来设定的。作为预备步骤，一个或多个铁磁或反铁磁材料层的叠层被刻蚀成具有高的高宽比的二维形状的成形的参考层，其中该形状提供了每个参考层的期望的磁化方向的区别。根据所使用的材料和技术，最终磁化方向可以沿所成形的层的短轴或长轴取向。例如，如果被钉扎层由被构图成微米尺度尺寸的略微不均衡的合成反铁磁体(SAF)形成，则磁化将沿短轴定向。如本领域的技术人员将认识到的，SAF实施例提供了与被钉扎的SAF参考层在磁电子器件中的使用相关的许多益处。在其他实施例中，通过控制被钉扎和固定的层的厚度以及所构图的结构的面内空间范围(spatialextent)，最终磁化方向将沿长轴定向。利用形状各向异性，通过在存在取向场的情况下加热，在参考层中感生了不同的磁化方向，该取向场在参考层的期望磁化方向之间对准。在所选择的实施例中，参考层被充分加热以减少各向异性的材料分量，并允许形状和外部场支配磁化方向。通过该方式，一旦取向场被移除，则形状各向异性将磁化定向在期望方向上。在移除取向场之后，参考层的磁化弛豫以遵循参考层的形状，以便感生沿所成形的参考层的期望轴对准的磁化。可以应用可选的补偿场以帮助感生正交性，并且随后将参考层加热到反铁磁钉扎层的相变温度之上。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，则两个参考层的感生磁化将接近于彼此垂直。

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，但是将认识到，本发明可以在没有这些特定细节的情况下实施，并且可以针对这里描述的本发明进行许多实现方法特定的决定以实现器件的设计者的特定目标，诸如与依实现方案而变化的工艺技术或者设计相关约束兼容。尽管该开发努力可能是复杂和耗时的，然而这将是受益于本公开内容的本领域的普通技术人员所采取的例行程序。此外，参照简化的横截面图示出了选定方面，而没有包括每一个器件特征或几何特征以避免限制本发明或使本发明模糊。还应当注意，在该具体实施方式通篇中，这里可以不对与磁传感器设计和操作、磁电阻随机存取存储器(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技术和特征进行详细描述。尽管作为现有MRAM制造工艺的一部分，将形成和移除某些材料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移除这些材料的特定工序，原因在于这些细节是公知的并且不认为其对于教导本领域技术人员如何实现或使用本发明是必需的。此外，这里包含的各种图中示出的电路/部件布局和配置旨在表示本发明的示例性实施例。应当注意，实际的实施例中可能存在许多替代的或另外的电路/部件布局。

图1示出了形成有第一、第二和第三差分传感器101、111、121的磁场传感器100，第一、第二和第三差分传感器101、111、121分别用于检测沿第一轴120(例如，y轴方向)、第二轴110(例如，x轴方向)和第三轴130(例如，z轴方向)的施加场的分量方向。z轴方向被表示为进入或离开图1所在纸面的点和十字丝。在美国专利申请第12/433,679号中详细描述了第一和第二传感器101、111的示例性实施例。如这里示出的，每个传感器101、111、121形成有以电桥配置连接的未屏蔽的感测元件。因此，由在相应的多个被钉扎层106-109上的以电桥配置的多个感测元件102-105的连接来形成第一传感器101，其中被钉扎层106-109中的每一个在x轴方向上磁化。以相似的方式，通过在相应的多个被钉扎层116-119上的多个感测元件112-115以电桥配置的连接来形成第二传感器111，其中被钉扎层116-119每一均在与被钉扎层106-109的磁化方向垂直的y轴方向上磁化。此外，通过在相应的多个被钉扎层126-129上的多个感测元件122-125以电桥配置的连接来形成与第一和第二传感器101、111处于同一平面中的第三传感器121，其中被钉扎层126-129每一均在与被钉扎层106-109和被钉扎层116-119的磁化方向成45度的xy轴方向上磁化。在所示电桥配置101中，感测元件102、104被形成为具有第一易轴磁化方向，并且感测元件103、105被形成为具有第二易轴磁化方向，其中第一和第二易轴磁化方向彼此正交并且被取向为与被钉扎层106-109的磁化方向的差相等。对于第二电桥配置111，感测元件112、114具有与感测元件113、115的第二易轴磁化方向正交的第一易轴磁化方向，从而第一和第二易轴磁化方向被取向为与被钉扎层116-119的磁化方向的差相等。在第三电桥配置121中，感测元件122、123、124和125均具有与被钉扎层126、127、128和129的钉扎的磁化方向正交的易轴磁化方向。第三电桥配置121进一步包括分别与感测元件122-125的右边缘相邻的通量引导件132-135，以及与感测元件122-125的左边缘相邻的通量引导件136-139。通量引导件132、137、134和139位于感测元件122-125上方，并且通量引导件136、133、138和135位于感测元件122-125下方。随后在图2中更详细地描述了这些通量引导件132-139的定位。在所示传感器101、111、121中，不存在感测元件所需的屏蔽，也不存在所需的任何特定的参考元件。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，102、104)参考另一有效(active)感测元件(例如，103、105)，以对于x和y传感器，建立彼此偏转90度的被参考感测元件的易磁轴，并且对于Z传感器，参考以相反的方式响应在Z方向上的施加场的感测元件。下文将更详细地描述Z传感器参考。不需要图1中示出的配置来获得图2中更详细描述的第三传感器121的结构的益处，其仅被给出作为示例。

通过将第一和第二传感器101、111安置为正交对准，在每个传感器中感测元件取向对于传感器的钉扎方向相等地偏转并且彼此正交，传感器可以检测施加场的沿第一和第二轴的分量方向。通量引导件132-139在传感器121中以桥臂141、143和桥臂142、144之间的非对称的方式安置在元件122-125的相反边缘上方和下方。由于通量引导件132、134被放置在感测元件122、124上方，因此来自Z场的磁通量可以由通量引导件132和134沿右侧引导到xy平面中，并且使感测元件122和124的磁化在第一方向上朝向较高的电阻旋转。相似地，来自Z场的磁通量可以由通量引导件133和135沿感测元件的右侧引导到xy平面中，并且使感测元件123和125的磁化在与第一方向相反的第二方向上朝向较低的电阻旋转，原因在于这些通量引导件位于感测元件123、125下方。因此，传感器121可以检测施加场的沿第三轴的分量方向。尽管在优选实施例中，通量引导件处于与场传感器的平面正交的平面中，但是如果通量引导件与传感器所成的角度不是准确的90度，则通量引导件也仍将起作用。在其他实施例中，通量引导件和场传感器之间的角度的范围可以是45度至135度的范围内，所选择的准确角度取决于诸如制造容易性等的其他因素。

如从前文所见，磁场传感器可以由差分传感器101、111、121形成，它们使用在各自的钉扎的层或参考层106-109、116-119和126-129上连接成电桥配置的具有被引导的磁通量的无屏蔽感测元件102-105、112-115以及感测元件122-125来检测施加磁场的存在和方向。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性质。

电桥电路101、111、121可以作为现有的MRAM或薄膜传感器的制造工艺的一部分而被制造，仅进行微小的调整以控制各种传感器层的磁取向以及通量引导结构的横截面。被钉扎层106-109、116-119和126-129中的每一个可以通过一个或多个下铁磁层形成，并且感测元件102-105、112-115和122-125中的每一个可以通过一个或多个上铁磁层形成。绝缘隧穿电介质层(未示出)可以设置在感测元件102-105、112-115和122-125与被钉扎层106-109、116-119和126-129之间。被钉扎电极和感测电极理想地是磁化方向能够对准的磁材料。适当的电极材料以及将材料布置成通常用于磁电阻随机存取存储器(MRAM)器件和其他磁隧道结(MTJ)传感器器件的电极的结构在本领域中是公知的。例如，被钉扎层106-109、116-119和126-129可以通过一个或多个铁磁和反铁磁材料层形成至10至范围内的组合厚度，并且在所选择的实施例中，至250至范围内的组合厚度。在示例性实现方案中，被钉扎层106-109、116-119和126-129中的每一个通过单个铁磁层和下面的反铁磁钉扎层形成。在另一示例性实现方案中，每个钉扎层106-109、116-119和126-129包括厚度为20至的合成反铁磁叠层部件(例如，CF(钴铁)、钌(Ru)和CFB的叠层)，以及厚度约为的下面的反铁磁钉扎层。下面的反铁磁钉扎材料可以是诸如IrMn的可重新设定的材料，但是也可以使用，其在合理的温度下不易被重新设定的其他材料，诸如PtMn。如所形成的，当其磁化方向被钉扎在正常操作条件期间不会改变的一个方向上时，被钉扎层106-109、116-119和126-129用作固定或被钉扎磁性层。如这里公开的，用于钉扎被钉扎层106-109、116-119和126-129的材料的加热质量可以改变用于形成这些层的制造工序。

每一个感测元件102-105、112-115、122-125中的一个以及每一个被钉扎层106-109、116-119、126-129中的一个形成了磁隧道结(MTJ)传感器。例如，对于电桥电路121，感测元件122和被钉扎层126形成了MTJ传感器141。同样地，感测元件123和被钉扎层127形成了MTJ传感器142，感测元件124和被钉扎层128形成了MTJ传感器143，并且感测元件125和被钉扎层129形成了MTJ传感器144。

被钉扎层106-109、116-119和126-129可以通过具有沿被构图的参考层的长轴对准的磁化方向(由箭头指示)的单个被构图的铁磁层形成。然而，在其他实施例中，被钉扎的参考层可以通过用于使被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。如将认识到的，SAF层可以与下面的反铁磁钉扎层组合实现，但是对于提供足够强的磁化的具有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，从而提供了成本节约的较简单的制造工艺。

感测元件102-105、112-115、122-125可以通过一个或多个铁磁材料层形成到10至范围内的厚度，并且在所选择的实施例中，到10至范围内的厚度。上面的铁磁材料可以是软磁材料，诸如NiFe、CoFe、Fe、CFB等。在每个MTJ传感器中，感测元件102-105、112-115、122-125用作感测层或者自由磁层，这是因为它们的磁化方向可以因外部施加场(诸如地球磁场)的存在而偏转。如最后形成的，感测元件102-105、112-115、122-125可以通过具有沿所构图的形状的长轴对准的磁化方向(由箭头表示)的单个铁磁层形成。

被钉扎层106-109、116-119、126-129和感测元件102-105、112-115、122-125可以被形成为具有不同的磁性质。例如，被钉扎层106-109、116-119、126-129可以通过耦合到铁磁膜以形成具有高矫顽力和偏移磁滞曲线的层的反铁磁膜交换层形成，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影响。相反地，感测元件102-105、112-115、122-125可以通过软磁材料形成以提供具有相对低的各向异性和矫顽力的不同的磁化方向，从而感测电极的磁化方向可以因外部施加的磁场而改变。在所选择的实施例中，钉扎场的强度比感测电极的各向异性场大约两个数量级，但是也可以通过使用本领域公知的技术以改变它们的组成来调整电极各自的磁性质而使用不同的比。

MTJ传感器中的被钉扎层106-109、116-119、126-129被形成为在被钉扎层106-109、116-119、126-129的平面中具有形状确定的磁化方向(在图1中，由标有“钉扎方向”的对于每个传感器电桥的矢量箭头表示)。如这里描述的，可以使用钉扎电极的形状各向异性获得被钉扎层106-109、116-119、126-129的磁化方向，在该情况中，对于单个被钉扎层，被钉扎层106-109、116-119、126-129的形状每一均可以是在钉扎方向上较长。替代地，对于被钉扎的SAF结构，参考层和被钉扎层可以是沿钉扎方向较短。特别地，被钉扎层106-109、116-119、126-129的磁化方向可以通过如下方式获得：首先在存在取向磁场的情况下加热成形的被钉扎层106-109、116-119、126-129，该取向磁场被取向为不与成形的被钉扎层106-109、116-119、126-129的最长取向的轴正交，从而所施加的取向场包括在被钉扎层106-109、116-119、126-129的期望钉扎方向上的场分量。被钉扎层的磁化方向至少临时地对准在预定方向上。然而，通过在该处理期间适当地加热被钉扎层并且在不减少热的情况下移除取向场，被钉扎层的磁化沿所成形的被钉扎层106-109、116-119、126-129的期望的取向轴弛豫。一旦磁化弛豫，则可以使被钉扎层退火和/或冷却，以使得被钉扎电极层的磁场方向被设定在所成形的被钉扎层106-109、116-119、126-129的期望方向上。

这里描述的示例性实施例可以使用如下的已知光刻工艺制造。集成电路、微电子器件、微机电器件、微流体器件、和光子器件的制造牵涉创建以某种方式交互的若干个材料层。这些层中的一个或多个可以被构图，使得层的各种区域具有不同的电气或其他特性，其可以在层中互连或者互连到其他层以创建电气部件和电路。这些区域可以通过选择性地引入或移除多种材料来创建。定义这些区域的图案常常通过光刻工艺创建。例如，将光致抗蚀剂材料层施加到晶片衬底上面的层。通过某种形式的辐射，诸如紫外光、电子或x射线，使用光掩模(包含透明和不透明区域)来选择性地使该光致抗蚀剂材料曝光。通过应用显影剂来移除暴露于辐射的光致抗蚀剂材料，或者未暴露于辐射的光致抗蚀剂材料。随后将刻蚀应用到未受剩余的光致抗蚀剂保护的层，并且当光致抗蚀剂被移除时，衬底上面的层被构图。可替选地，还可以使用附加的工艺，例如使用光致抗蚀剂作为模板构建结构。

参照图2，并且根据本发明的示例性实施例，第三电桥电路121的MTJ器件141-144的结构包括被钉扎层126-129、感测元件122-125、和通量引导件132-139，所有这些在电介质材料140中形成。通量引导件136被安置为与线路145相邻，并且具有位于传感器元件122的边缘下方的末端。通量引导件133和138位于线路146的相反两侧，并且分别具有位于传感器元件123和124的边缘下方的末端。通量引导件135被安置为与线路147相邻，并且具有位于传感器元件125的边缘下方的末端。通量引导件132和137通过上面的线路148间隔开，并且分别具有位于传感器元件122和123的边缘上方的末端，并且通量引导件134和139通过上线路149间隔开，并且分别具有位于传感器元件134和139的边缘上方的末端。线路145-149优选地是铜，但是在一些实施例中可以是电介质。金属稳定线路150位于MTJ器件141-144上方，用于向感测元件提供稳定场。可以使通量引导件的末端尽可能接近传感器元件，此两者之间的优选间距为小于或等于250nm。使感测元件尽可能接近以获得最紧密密集的阵列，优选地间隔小于2.5μm。

图3是通过图2的MTJ器件141、142的有限元仿真计算的通量线的视图，其中z方向上的磁场被赋予感测元件122-123。FEM建模示出了得到的磁通量线160，其呈现传感器的平面中的分量。MTJ器件141由感测元件122的相反的末端上的通量引导件132和136表示。MTJ器件142由感测元件123的相反的末端上的通量引导件133和137表示。换言之，感测元件122从通量引导件132和136延伸，而感测元件123从通量引导件133和137延伸。Z轴130上的磁场160在感测元件122、123中产生了如箭头170指示的沿X轴120的非对称响应。通过该方式，对于指向纸面底部的Z方向130上的场160，感测元件122的磁化远离被钉扎层126的钉扎方向旋转(并且旋转到较高电阻)，而感测元件123的磁化朝向被钉扎层127的钉扎方向旋转(并且旋转到较低电阻)。对于X方向120上的场，元件122、123均呈现同一方向上的感生磁化(朝向较高或较低的电阻)。因此，通过将MTJ元件141、142配线成惠斯通电桥以用于差分测量并且使MTJ器件141、142的电阻相减，消除了X场响应并且测量Z场响应的两倍。

再次参照图2，在暴露于可能在通量引导件132-139中引起磁化扰动和畴(domain)结构的大磁场的情况下，可以沿金属线路145-149引入大电流脉冲以重新设定通量引导件畴结构。

在另一示例性实施例(图4中所示)中，每个被覆盖的线路145-149被分为两个独立的金属线路，并且在内部边缘处在这两个金属线路之间放置另外的非通量引导性覆层(161-168和191-198)。对于传感器141，左金属线路148的左边缘上的通量引导件161将Z场通量引导到其左侧的感测元件122，并且右金属线路145的最右边缘上的通量引导件192将Z场通量引导到其右侧的感测元件122。传感器142-144的功能相似，其中与每个感测元件相邻的金属线路的被覆盖的边缘服务于有效(active)通量引导功能。由于这些线路分离，因此可以使电流通过被覆盖的线路145、146、182和183进入纸面，并且通过181、147、148和149离开纸面，以创建沿被覆盖的线路边缘的磁场，其中Z分量指向一致的方向(在该示例中向下)。这些电流取向可以用于创建Z方向上具有强分量的磁场，其通过针对几何特征进行校准，能够用作对于Z轴响应的功能和灵敏度的自测。

另一示例性实施例(参见图5)包括延伸部152-159，其与通量引导件132-139一体地形成。延伸部152-159沿与传感器元件122-125相同的轴延伸，并且加强通量引导件的水平分量，并使水平分量更加朝向适当的感测元件122-125的中心移动。

尽管已经针对通量引导件示出了多种示例性实施例，包括图2的竖直元件132-139，以及图5的包括延伸部152-159的“L”形通量引导件，但是对于上和下通量引导件，可以使用其他示例性实施例，诸如箱形或“U”形通量引导件。在“U”形结构(图6)中，水平NiFe段171沿底部金属线路连接两个竖直段161、162；而在箱形结构(图7)中，水平段172也连接两个在金属线路上方的竖直段。水平段有助于耦合两个竖直段的磁结构，较之两个隔离的竖直通量引导件，使场转换因子增加10-20％。箱状结构的两个水平段提供了更好的耦合，并且较之简单的竖直通量引导件使场转换因子增加20-40％。此外，图6的“U”形结构的竖直段可以向外展开(图8)173、174，从而感测元件边缘附近的区域具有水平分量。与L形引导件相似，展开段引导磁通量，从而存在直接位于磁传感器的平面中的分量以进一步放大场转换因子。然而，必须小心覆盖不能过大，否则磁通量将被对传感器屏蔽。

图9是示出关于放置在感测元件上方和下方的25nm宽、500nm高的竖直段的Z/X灵敏度比相对覆层/传感器间距的曲线图。随着覆层被置于25纳米的距离，Z/X灵敏度增加到约75％。通过诸如上文强调的横截面改变，或者通过通量引导件中的高宽比的改进，例如使引导件更高，可以获得另外的有利因子，并且增加高宽比将线性地增加Z/X灵敏度比。因此，重要的是：使通量引导件尽可能接近感测元件，并且在不会不利地影响磁微结构的情况下尽可能地增加其高宽比。

尽管这里公开的所述示例性实施例涉及多种传感器结构及其制造方法，但是本发明并不必然限于这些示例性实施例，并且示例性实施例说明了本发明的适用于广泛的各种半导体工艺和/或器件的创造性方面。因此，上文所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，本发明可以按照对于受益于这里的教导的本领域技术人员明显的不同但等效的方式进行修改和实施。例如，传感器结构中的感测层和钉扎层的相对位置可以反转，从而钉扎层在顶部而感测层在下面。再者，感测层和钉扎层可以通过与所公开的不同的材料形成。而且，所描述的层的厚度可以偏离所公开的厚度值。因此，前面的描述并非旨在将本发明限于所阐述的特定形式，而是相反地，旨在涵盖可以被包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的这些替代、修改和等同方案，从而本领域技术人员应理解，他们能够进行各种改变、替换和变更而不偏离本发明的最广泛的形式的精神和范围。

上文针对特定实施例描述了益处、其他优点以及对问题的解决方案。然而，这些益处、优点、对问题的解决方案，以及可以导致任何这些益处、优点或解决方案出现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要素。如这里使用的，术语“包括”、“包含”或其任何其他变化形式旨在涵盖非排他性的包括，从包括一系列要素的处理、方法、物品或装置不是仅包括这些要素，而是可以包括未明确列出的或者对于该处理、方法、物体或装置固有的其他要素。

尽管前面的详细描述已呈现了至少一个示例性实施例，但是应认识到，存在大量的变型。还应认识到，示例性实施例仅是示例，并非旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将向本领域的技术人员提供用于实现本发明的示例性实施例的便利的路线图，应当理解，可以对在示例性实施例中描述的元件的功能和布置进行各种改变而不偏离如所附权利要求中阐述的本发明的范围。

Claims (6)

1.一种基于铁磁薄膜的磁场传感器，包括：

第一电桥电路，包括第一、第二、第三和第四磁隧道结传感器，它们被耦合为惠斯通电桥，用于感测与所述传感器的平面正交的磁场；

所述第一磁隧道结传感器包括：

第一参考层；以及

第一感测元件，形成在所述第一参考层上，所述第一感测元件具有第一和第二边缘以及第一和第二面；以及

第一通量引导件，包括高磁导率磁材料，被设置为与所述第一感测元件的第一边缘和第一面正交并且与其间隔开；

所述第二磁隧道结传感器包括：

第二参考层；以及

第二感测元件，形成在所述第二参考层上，所述第二感测元件具有第一和第三边缘以及第一和第二面；以及

第二通量引导件，包括高磁导率磁材料，被设置为与所述第二感测元件的第一边缘和第一面正交并且与其间隔开；

所述第三磁隧道结传感器包括：

第三参考层；以及

第三感测元件，形成在所述第三参考层上，所述第三感测元件具有第一和第二边缘以及第一和第二面；以及

第三通量引导件，包括高磁导率磁材料，被设置为与所述第三感测元件的第一边缘和第一面正交并且与其间隔开；

所述第四磁隧道结传感器包括：

第四参考层；以及

第四感测元件，形成在所述第四参考层上，所述第四感测元件具有第一和第二边缘以及第一和第二面；以及

第四通量引导件，被设置为与所述第四感测元件的第一边缘和第一面正交并且与其间隔开。

2.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜的磁场传感器，其中所述第一、第二、第三和第四磁隧道结传感器进一步分别包括第五、第六、第七和第八通量引导件，所述第五、第六、第七和第八通量引导件被分别设置为与所述第一、第二、第三和第四感测元件的第二边缘和第二面正交并且与其间隔开。

3.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜的磁场传感器，进一步包括：

第二电桥电路，包括第五、第六、第七和第八磁隧道结传感器，它们被耦合成第二惠斯通电桥，用于在与第一方向正交的第二方向上感测磁场；以及

第三电桥电路，包括第九、第十、第十一和第十二磁隧道结传感器，它们被耦合成第三惠斯通电桥，用于在与所述第一和第二方向正交的第三方向上感测磁场。

4.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜的磁场传感器，其中所述第一、第二、第三和第四传感器中的每一个包括感测元件的阵列。

5.一种测试铁磁薄膜磁场传感器的Z轴响应的功能和灵敏度的方法，所述铁磁薄膜磁场传感器包括：

衬底，具有平坦表面；以及

第一磁电阻传感器，包括：感测元件，具有与所述衬底的所述平坦表面平行设置的第一面，所述感测元件具有与所述第一面相反的第二面，并且具有第一和第二相反的边缘；通量引导件，包括高磁导率磁材料，设置为与所述衬底的所述第一面不平行，并且具有接近所述感测元件的第一边缘和第一面的末端；以及金属线路，被形成为与所述通量引导件相邻且接触，

所述方法包括：

通过所述金属线路施加电流以提供具有与所述通量引导件的平面平行的分量的磁场。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：

通过所述金属线路施加电流脉冲以重置通量引导件畴结构。