CN103081008B - 对于零偏移具有降低的补偿角的二轴磁场传感器 - Google Patents

Abstract

提供用于形成参考层的传感器和制造工艺，该参考层具有基本上正交的磁化方向，该磁化方向具有小补偿角的零偏移。一个示例性实施例包括基于磁阻薄膜的磁场传感器的传感器层堆叠，该传感器层堆叠包括：钉扎层；被钉扎层包括：在钉扎层之上的非晶材料的层，以及在非晶材料的层之上的晶体材料的第一层；在被钉扎层之上的非磁性耦合层；在非磁性耦合层之上的第一层；在固定层之上的隧道势垒；以及，在非磁中间层之上的感测层。另一个实施例包括传感器层堆叠，其中，被钉扎层包括由非晶层分开的两个晶体层。

Description

对于零偏移具有降低的补偿角的二轴磁场传感器

优先权数据

本申请要求在2010年8月30提交的美国专利申请序列号No.12/870,970的优先权，其提供引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及电磁装置的领域，更具体地涉及用来感测磁场的CMOS兼容电磁场传感器。

背景技术

传感器被被广泛地应用于现代系统中，以测量或检测物理参数，诸如：位置、运动、力、加速度、温度、压力等。虽然存在用于测量这些参数和其它参数的各种不同的传感器类型，但是它们都有各种局限性。例如，诸如在电子指南针或其它类似的磁感测应用中使用的廉价的低场（lowfield）传感器通常由基于各向异性磁阻（AMR）的装置构成。为了达到与CMOS良好地啮合（meshwith）的所需的灵敏度和合理的抗性（resistance），这样的传感器的感测单元的大小通常以平方毫米计。对于移动应用，这样的AMR传感器配置在费用、电路面积和能耗方面都是昂贵的。

诸如磁隧道结（MTJ）传感器和巨磁阻（GMR）传感器的其它类型的传感器已经被用于提供更小外形的传感器，但是这样的传感器具有它们自身的问题，诸如不足的灵敏度和会受到温度变化的影响。为了解决这些问题，MTJ传感器和GMR传感器已经被应用于Wheatstone桥接结构，以增强灵敏度并消除受温度影响的阻抗改变。确切的说，已经针对电子指南针应用开发了二轴磁场传感器，以通过使用Wheatstone桥接结构针对每个感测轴来检测地球的场方向。但是，这样的场传感器通常包括针对每个感测轴的两个相对的钉扎（pinning）方向，导致四个不同的钉扎方向，这四个不同的钉扎方向必须利用磁体阵列使用复杂和笨重的磁化技术分别针对每个电路来设置，或者采用厚的NiFe屏蔽/流（flux）集中层，以引导需要额外的处理复杂性的下部中间场的局部方向。美国专利申请公开2009/0279212描述了用于在整块晶片（bulkwafer）中生成多个钉扎方向的处理，以及具有针对每个感测轴的单个钉扎方向的Wheatstone桥接结构。不同的钉扎方向通常在退火处理期间设置，但是在整个晶片上和在各个装置上可以存在变化，这导致具有不希望的偏移的桥接输出。可以通过要求图案的装置的定向（例如3.5度）的补偿角以实现零偏移（offset）来校正平均偏移。但是，偏移变化仍然是一个问题，并且会随着补偿角而增加；因此，对于最小化偏移的标准偏差（deviation），最小化用于零偏移的补偿角是重要的。

因此，存在改进传感器设计和制造工艺的需要，用于以小补偿角形成具有基本上正交的磁化方向的参考层，具有零偏移。还存在对双轴传感器的需要，其可以被有效地并廉价地构建为用于移动应用中的集成电路结构。还存在对改进的磁场传感器和制造的需要，以克服在本领域中的问题，诸如上文中指出的。此外，结合附图和前述技术领域以及背景，根据后续的详细描述和附录的权利要求，示例性实施例的其它想要的特征和特性将变得显而易见。

发明内容

提供用于形成参考层的传感器和制造工艺，这些参考层具有零平均偏移的基本上正交的磁化方向、小的传感器与传感器的偏移变化、以及具有在装置的定向上的小补偿角的贯穿晶片的小偏移变化。

一个示例性实施例包括：包含抗铁磁性钉扎层的磁阻薄膜磁场传感器；被钉扎层，包括在钉扎层之上具有2到15埃范围中的厚度的非晶铁磁层和在非晶铁磁层之上的第一晶体铁磁层；在被钉扎层之上的非磁性耦合层；在非磁性耦合层之上的铁磁性固定层；在固定层之上的电介质隧道势垒层；以及，在电介质隧道势垒层之上的铁磁性感测层。

在另一个示例性实施例中，上面刚刚描述的结构包括在抗铁磁性钉扎层与非晶铁磁层之间形成的第二晶体铁磁层。

在另一个示例性实施例中，包含两个或更多参考层磁化方向的磁阻薄膜磁场传感器包括：基板；在基板之上的绝缘层；在绝缘层之上的第一传感器层堆叠，该第一传感器层堆叠包括在绝缘层之上的第一钉扎层；第一被钉扎层，包括在第一钉扎层之上具有2到15埃范围中的厚度的第一非晶铁磁层，以及在非晶铁磁层之上的第一晶体铁磁层；在第一第一晶体铁磁被钉扎层之上的第一非磁性耦合层；在第一非磁性耦合层之上的第一铁磁性固定层；在第一铁磁性固定层之上的第一电介质隧道势垒层；以及，在第一电介质隧道势垒层之上的第一铁磁性感测层。在绝缘层之上的第二传感器层堆叠，包括：在第二绝缘层之上的第二钉扎层；第二被钉扎层包括：在第二钉扎层之上具有2到15埃范围中的厚度的第二非晶铁磁层和在第二非晶铁磁层之上的第二晶体铁磁层；在第二被钉扎层之上的第二非磁性耦合层；在第二非磁性耦合层之上的第二铁磁性固定层；在第二铁磁性固定层之上的第二电介质隧道势垒层；以及，在第二电介质隧道势垒层之上的第二铁磁性感测层；其中，第一传感器层堆叠具有限定第一参考方向的第一形状各向异性，并且，其中，第二传感器层堆叠具有限定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。

在另一个示例性实施例中，用于制造具有两个或多个参考层方向的基于磁阻薄膜的磁场传感器的方法，包括：提供基板；在基板之上形成绝缘层；在绝缘层之上形成传感器层堆叠，该传感器层堆叠包括：在绝缘层之上形成的钉扎层；被钉扎层，包括在钉扎层之上形成的具有2到15埃范围中的厚度的非晶铁磁层和在非晶铁磁层之上形成的晶体铁磁层；在被钉扎层之上形成的非磁性耦合层；在非磁性耦合层之上形成的铁磁性固定层；在铁磁性固定层之上形成的电介质隧道势垒层；以及，在电介质隧道势垒层之上形成的铁磁性感测层；选择性地蚀刻传感器层堆叠以形成第一电极堆叠和第二电极堆叠，其中，第一电极堆叠具有第一形状各向异性以设置第一参考方向，并且第二电极堆叠具有第二形状各向异性以设置第二参考方向；采用基本上平行于在第一和第二参考方向间定向的基板的饱和场，直到第一和第二电极堆叠的每一个参考层结构都具有基本上与饱和场对准的磁化；以及去除饱和场，以允许第一形状各向异性来设置第一电极堆叠的参考层结构的磁化，并允许第二形状各向异性来设置第二电极堆叠的参考层结构的磁化。

附图说明

将在下文中结合下面的附图描述本发明，其中，相同的附图标记表示相同的元素，并且

图1是电子指南针结构，其使用由两个具有未屏蔽MTJ传感器的桥接结构形成的差分传感器；

图2是通过以Wheatstone桥接电路连接的四个MTJ传感器形成的示例性场传感器的简化的示意性透视图；

图3是根据示例性实施例的传感器层堆叠叠的横截面；

图4是根据另一个示例性实施例的传感器层堆叠叠的横截面；

图5是具有不同厚度的CoFeB和CoFe的预退火M-H环的曲线图；

图6描绘用于形成被钉扎参考层的不平衡SAF堆叠叠；

图7是制造基于铁磁薄膜的磁场传感器的示例性方法的流程图；

图8是由不平衡合成抗铁磁（SAF）形成的两个参考层及其实际的和希望的磁化的示意性顶视图；

图9是图5的两个参考层的示意性顶视图，但根据示例性实施例进行了旋转；

图10是根据示例性实施例施加了补偿场的由不平衡合成抗铁磁（SAF）形成的两个参考层及其实际磁化的示意性顶视图；

图11是其中已经在基板之上形成了MTJ传感器层的堆叠叠的集成电路的部分横截面图；

图12示出在基板之上MTJ传感器层的堆叠已经被选择性地蚀刻为预定形状后，在图11之后的处理。

图13图示示出通过选择性蚀刻处理形成的在MTJ传感器层的堆叠中的参考层的预定形状的顶视图；

图14图示为了最终形成参考层，在希望的磁化方向之间对准的定向场存在的情况下加热蚀刻参考层时，在图13之后的处理。

图15图示了在定向场被去除并且MTJ传感器的蚀刻堆叠被冷却，从而使得蚀刻参考层的磁化被沿着长轴钉扎后，在图14之后的处理。

图16示出在定向场被去除并且MTJ传感器的蚀刻堆叠被冷却，从而使得蚀刻参考层的磁化被沿着短轴钉扎后，使用不平衡SAF堆叠形成被钉扎和参考层的处理；并且

图17是在最终形成的参考层中示出被钉扎磁化方向的MTJ传感器层的堆叠的部分横截面图。

具体实施方式

下面的详细描述实际上仅仅是示意性的，并且并不希望限制主题的实施例或这些实施例的应用和使用。本文中作为示例描述的任何实现都不是必须地被构建为比其它实现优选或有利。此外，不希望受到在之前的技术领域、背景、摘要或下面的详细描述中出现的任何明确的或暗含的理论的束缚。

在本描述进行期间，根据图示各种实施例的不同示图，相同的数字被用来识别相同的元素。

描述用于提供在整块晶片上的多轴钉扎的方法和结构，该整块晶片可以被用来形成使用单个钉扎材料沉积和整块晶片设置工序设置的具有基本上正交的钉扎方向的不同的参考层的集成电路传感器，并且由具有两个或多个特定材料的层的被钉扎层制造，以导致针对零偏移的降低的补偿角和降低的偏移偏差。参考层通过隧道势垒与感测元件（或自由层）分开，参考层包括合成抗铁磁（SAF）结构，其中，靠近钉扎层的被钉扎层通过耦合层与靠近隧道势垒的固定层分开。在一个示例性实施例中，被钉扎层包括邻近耦合层的钴和铁（CoFe）材料的层和邻近钉扎层的钴、铁和硼（CoFeB）材料的层。在另一个示例性实施例中，被钉扎层包括由CoFeB材料的层分开的两个CoFe材料的层。两个实施例都提供具有改进的软磁特性的被钉扎层，例如，小的矫顽力（）He、更佳的磁滞环的方形、在硬轴磁滞环处的更小的开口、以及低的固有各向异性场。由于设置多个钉扎方向的工序是在期间不施加磁场的退火处理，因此被钉扎层具有的软磁特性越大，钉扎方向所具有的偏差越小。钉扎方向偏差是造成偏移偏差的资源之一。

作为初步的制造步骤，铁磁和抗铁磁性材料的一个或多个层的堆叠被蚀刻为具有高纵横比的二维形状的成形的参考层，其中，该形状为针对每个参考层的想要的磁化方向提供区别。依赖于使用的材料和技术，最终的磁化方向可以沿着成形的层的短轴或长轴来定向。例如，如果被钉扎的SAF层通过轻微的不平衡和以微米尺度的图像形成，那么磁化将沿着短轴指向。如本领域技术人员将会认识到的，SAF实施例提供与在电磁装置中使用被钉扎SAF参考层有关的大量优点。在另一个实施例中，通过控制被钉扎SAF层的厚度和形状，最终的磁化可以沿着长轴指向。使用形状各向异性，不同的磁化方向被包括在具有不同形状定向的参考层中。在选择的实施例中，形成图形的参考层首先在定向场存在的情况下被设置，该定向场在针对参考层的想要的磁化方向之间被对准。该定向场在样品被加热前被去除。加热温度必须足够高以生成来自靠近被钉扎层的钉扎层的足够高的钉扎场。加热降低了各向异性的材料成分并允许形状各向异性来主导磁化方向。以这种方式，一旦定向场被去除，形状各向异性将磁化指向想要的方向。在去除定向场时，参考层的磁化缓和（relax）以跟随参考层的形状，从而引入沿着成形的参考层的想要的轴被对准并且稍后在钉扎层在退火处理期间提供足够的钉扎场时被钉扎的磁化。例如，如果两个参考层（被钉扎SAF）被成形为彼此垂直的更长的尺度，那么针对两个参考层引入的磁化将接近于彼此垂直。

但是，存在超出影响参考层的磁化的形状各向异性的额外的资源，并因此确定最终的钉扎方向。虽然钉扎步骤发生在高温，因此降低了沉积的铁磁层的固有的各向异性，但是仍然会出现具有定义方向的有限的各向异性，其与形成图案的参考层的形状各向异性进行对抗。此外，由于随着时间的场循环，即使在没有磁化电流的情况下应用小的剩余场，也可以使得在钉扎退火中采用的用于磁炉的支撑结构和/或磁极片被磁化。该剩余场将与参考层磁化相互作用，并且可以被归零或被克服，以创建具有在与该残余场相对的方向上施加的场的小的补偿场。另外，类似于在任何真实的被钉扎铁磁层中出现的钉扎强度的分布，在钉扎铁磁层所需的温度中存在局部分布。这允许在钉扎退火之前发生的高温步骤产生低水平的局部钉扎位点，这些钉扎位点会影响钉扎退火期间的磁化方向。因此，在钉扎退火期间出现的固有各向异性、形状各向异性、早期钉扎的低水平和小的残余场之间的对抗阻止了引入的磁化的真正的正交设置。为了精确地去除在最终装置中的软Fe效应，由于如果也出现非正交则针对软Fe效应的任何简单校准将失去精确性，因此希望真正的正交设置。该真正的正交设置可以由下面的一个或多个来实现：1）通过在沉积期间应用场方向以引入不同于在设置工序期间使用的各向异性方向，来调整（tailor）参考层材料的固有各向异性。为了去除在铁磁层的高能量沉积期间在被钉扎层中引入将在磁场退火期间抵消想要的钉扎方向的低水平的磁钉扎的可能性，与加工固有各向异性类似的方法是在磁层沉积期间应用交替场。第三种加工可能性是在沉积磁材料期间产生旋转场以去除任何优选的各向异性方向。另外，具有低固有各向异性场的磁材料可以被用作用于改进真实的正交设置的被钉扎层。2）在磁退火的钉扎部分期间施加小场，以消除剩余场或提供微小的负净场以补偿固有的各向异性。3）形成具有非正交轴的参考层，其中，最终得到的设置方向是真正正交的。当使用具有非正交对准的参考层时，信号与磁场方向的响应曲线的偏移会减小，但是，整个晶片上的偏移的标准偏差较高。因此，存在改进整个晶片上的偏移的标准偏差的需要。

如果参考层还没有在抗铁磁的钉扎温度（该温度是抗铁磁的阻隔温度（blockingtemperature）或抗铁磁晶体相位形成温度中较低的温度）之上被退火，那么施加单独的退火处理以为两个参考层设置引入的磁化。通过该方法，执行单个的钉扎材料沉积步骤和单个的退火步骤，以在不需要额外磁层的情况下针对参考层设置所有的引入磁化，从而提供，与之前已知的使用两个不同的抗铁磁性钉扎层或磁阵列来设置钉扎方向的方法相比，简化并降低制造成本和复杂度的整块晶片设置工序。用于形成具有不同的被钉扎方向的参考层的简化处理允许在传感器管芯内以最小的间隔形成独立的磁传感器元件，并且，作为结果，在最小面积的单个管芯内的不同的传感器配置可以具有不同的感测轴。

现在将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。虽然在下面的描述中阐述了各种细节，但是应当理解，本发明可以在没有这些特定细节的情况下被实践，并且可以对在本文中描述的方面进行许多针对实现的决定，以达成装置设计者的特定目标，例如与各个实现均不同的处理技术或与设计有关的约束相一致。虽然这样的开发努力（effort）可能是复杂和耗时的，但对于本领域普通技术人员其还是具有本公开的优点的采取的常规方法。另外，为了避免限制或妨碍本发明，参考不包括每个装置特征或几何结构的简化的横截面图来描述选择的方面。还应当注意，贯穿本详细描述，与磁传感器设计和操作、磁阻随机访问存储器（MRAM）设计、MRAM操作、半导体装置制造和集成电路装置的其它方面有关的传统技术和特征不会在本文中进行详细描述。虽然作为现有MRAM制造工艺的一部分某些材料将被形成或去除以制造集成电路传感器，但是用于形成或去除这样的材料的特定工序不在下面详细描述，这是由于这样的细节是众所周知的并且不被认为是教导本领域技术人员怎样实现或使用本发明所必需的。此外，希望在本文中包含的各个附图中示出的电路/部件布局和配置表示本发明的示例性实施例。应当注意，许多可替换或额外电路/部件布局可以出现在实际的实施例中。

图1示出由第一和第二差分传感器101和111形成的磁场传感器200，用于分别检测沿着第一轴120（例如，y轴方向）和第二轴110（例如，x轴方向）施加的场的分量（component）方向。如图所示，每个传感器101、111都由以桥接配置连接的未屏蔽感测元件形成。这样，第一传感器101是通过在对应的多个被钉扎层106-109之上以桥接配置连接多个感测元件102-105来形成的，其中，每个被钉扎层106-109在y轴方向上被磁化。以类似的方式，第二传感器111是通过在对应的多个被钉扎层116-119之上以桥接配置连接多个感测元件112-115来形成的，其中，每个被钉扎层116-119在与被钉扎层106-109的磁化方向垂直的x轴方向上被磁化。在上述的桥接配置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，并且第一和第二易轴磁化方向被定向为与被钉扎层106-109的磁化方向相等地不同。对于第二桥接配置111，感测元件112、114具有与针对感测元件113、115的第二易轴磁化方向正交的第一易轴磁化方向，从而使得第一和第二易轴磁化方向被定向为与被钉扎层116-119的磁化方向相等地不同。在上述的传感器101、111中，不需要对感测元件进行屏蔽，也不需要任何特殊的参考元件。在示例性实施例中，这是通过使用形状各向异性技术参考每个有源感测元件（例如，102、104）与另一个有源感测元件（例如，103、105），以建立以90度从彼此偏转的所参考的感测元件的易磁轴来实现的。在图1中示出配置并不需要获得双轴钉扎技术的益处，并且仅作为例子给出。例如，薄屏蔽也可以被用于抑制四个相同传感器元件中的两个的传感器响应，以实现差分响应。

通过将第一和第二传感器101、111放置为正交对齐，在每个传感器中，每个都使得感测元件定向从传感器的钉扎方向相等地偏转并且彼此正交，这些传感器可以检测沿着第一和第二轴施加的场的分量方向。

从前述可以看到，磁场传感器可以由差分传感器101、111形成，差分传感器101、111使用在各个被钉扎层106-109、116-119上以桥接配置连接的未屏蔽感测元件102-105、112-115，以检测施加的磁场的存在和方向。使用该配置，磁场传感器提供良好的灵敏度，并且还提供桥接配置的温度补偿特性。

为了提供对示例性实施例的磁场传感器的结构和形成的额外的说明，图2提供通过以Wheatstone桥接电路连接的四个MTJ感测元件201、211、221、231形成的示例性场传感器200的简化的示意性透视图。桥接电路可以被制造为现有MRAM的一部分或者仅对薄膜传感器制造工艺进行少许的调整以控制各个传感器层的磁定向。特别地，上述MTJ传感器201、211、221、231是使用被钉扎层204、214、224、234以及传感器层202、212、222、232形成的，每个被钉扎层204、214、224、234都在单个被钉扎方向上磁对准，而传感器层202、212、222、232被对准为具有与被钉扎层204、214、224、234的磁化方向不同的磁化方向。正如所形成的，每个MTJ传感器（例如，201）包括：在图3、图4中示出并在随后更详细地描述的在参考层内形成的被钉扎电极204、绝缘隧道电介质层203和以一个或多个上铁磁层形成的感测电极202。被钉扎和感测电极是其磁化方向可以被对准的理想的磁材料。适合的电极材料和将这些材料布置在通常用于磁阻随机存取存储器（MRAM）装置和其它MTJ传感器装置的电极的结构中在本领域中是众所周知的。例如，被钉扎层204、214、224、234使用CoFe层来形成。在下面的实施例中，这些被钉扎层可以使用CoFe层和CoFeB层（图3），或者使用由CoFeB层分开的两个CoFe层（图4）来形成为在10到的范围中的组合厚度，并且在所选实施例中范围为10到。

在示例性实现（图3）中，每个被钉扎层（例如，204、214、224和234）由两个铁磁层形成：在抗铁磁性钉扎层之上的诸如CoFeB的非晶铁磁层和诸如CoFe的晶体铁磁层。在另一个示例性实现（图4）中，每个被钉扎层（例如，204、214、224、234）包括20到厚的铁磁堆叠部件（例如，CoFe、CoFeB和CoFe的堆叠）。下面的抗铁磁性钉扎层大约厚。下面的抗铁磁钉扎材料可以是PtMn，不过也可以使用其它材料，诸如PtPdMn、IrMn和RhMn。正如所形成的，当被钉扎层的磁化方向被钉扎于在普通操作情况期间不会改变的一个方向上时，被钉扎层充当固定或钉扎磁层。如本文中所公开的，用于钉扎被钉扎层204、214、224、234的材料的热量可以改变用来形成这些层的制造序列。

更具体地并通过举例的方法，参考图3，结构300包括被钉扎层304，被钉扎层304形成在包含PtMn的钉扎层302与包含钌（Ru）的耦合层306之间。固定层308在耦合层306之上形成，并且包含AlOx的隧道势垒310在固定层308与包含NiFe的自由层312之间形成。覆盖层314可以在自由层312之上形成。可选地，在形成覆盖层314之前，可以在自由层312之上形成包含AlOx的扩散势垒（未示出）。被钉扎层304包括非晶铁磁层316（优选地为CoFeB，其中B为原子重量15.0到30.0%的），该非晶铁磁层316形成在CoFe晶体铁磁层318（其中包含原子重量10.0-25.0%的Fe）与钉扎层302之间。CoFeB的非晶铁磁层316具有2到的厚度。通常，CoFeB合金具有与CoFe合金相比更软的磁特性，因此CoFeB/CoFe被钉扎层提供更优的软磁特性。软磁CoFeB/CoFe被钉扎层导致对于真实的正交钉扎方向和零偏移的更少非正交对准的参考层，以及整个晶片的更显著地降低的偏移偏差，其显著地影响这些磁传感器的可制造性。

通过另一个例子的方法并参考图4，结构400包括与图3的结构300相似的钉扎层302、耦合层306、固定层308、隧道势垒310、自由层312和覆盖层314。但是，在图4中的钉扎层302与耦合层306之间形成的被钉扎层404包括在第一晶体铁磁层420（例如，CoFe）与第二晶体铁磁层418（例如，CoFe）之间形成的非晶铁磁层416（优选地为CoFeB，其中B的原子重量为15.0到30.0%），其中，层418、420的Fe的原子重量为10.0-25.0%。非晶铁磁层416具有2到的范围中的厚度，而晶体铁磁层420具有2到的范围中的厚度。类似于图3中示出的被钉扎层，插入到CoFe层中的由CoFeB层形成的磁层提供更软的磁被钉扎层。此外，该磁被钉扎结构还具有与诸如PtMn的钉扎层的强交换耦合，因此形成高钉扎场。该软磁被钉扎结构导致整个晶片的偏移偏差降低40%。

图5示出具有不同CoFeB厚度的CoFeB/CoFe被钉扎层结构的预退火M-H环。样品501具有的CoFe厚度，而样品502和503分别具有10/14.4和15/10.8的CoFeB/CoFe厚度（以计）。随着CoFeB厚度增加到CoFeB/CoFe层的矫顽场显著地降低，显示了改进的软磁特性。此外，随着厚CoFeB层切换（switching）的宽度也降低，显示了磁化方向的更少的分散。磁滞环的方形也随着CoFeB层而改善。在图4中示出的被钉扎结构具有类似于图5中示出的软磁特性，即，降低的矫顽场和切换宽度。另外，随着如图3和图4所示的被钉扎层结构的CoFeB层厚度的增加，硬轴M-H环示出小的矫顽力和小的各向异性场。

被钉扎参考层（例如，204、214、224、234）可以被形成为具有沿着形成图案的参考层（多个）的长轴对准的磁化方向（由箭头指示）。但是，在其它实施例中，被钉扎参考层可以被实现为合成抗铁磁（SAF）层，该合成抗铁磁（SAF）层被用于沿着形成图案的参考层（多个）的短轴对准被钉扎参考层的磁化。正如应当被认识到的，SAF层可以与下面的抗铁磁性钉扎层结合在一起来实现，然而使用具有适当的几何结构和提供足够强的磁化的材料的SAF结构，可以不需要下面的抗铁磁性钉扎层，从而提供节约成本的更简单的制造工艺。例如，图6描述由不平衡合成抗铁磁（SAF）形成的被钉扎参考层600形成，该不平衡合成抗铁磁（SAF）具有由钌间隔层602分开的两个不同铁磁层601、603，其中，在钌间隔层602上的铁磁层601和在钌间隔层602下的铁磁层601具有不同的磁矩（magneticmoment）。！铁磁层中的任意一个或两者可以使用CoFe（钴铁）或任何理想的铁磁合金形成。例如，在一个示例性实施例中，CoFe可以被用于下面的层，CoFeB可以被用于上面的层。在钌间隔层602的一定的周期性厚度处，两个铁磁层601、603将交换耦合，从而使得反并联状态成为低能态。结果，净磁矩被最小化，并且对外部场的响应的抵抗力被加强。在图6中示出不平衡SAF堆叠600的示例性实施和微磁模拟，其中，不平衡SAF堆叠600包括：使用CoFeB形成的厚度大约20埃的固定层601、使用钌形成的厚度大约10埃的间隔层602、以及使用CoFeB形成的厚度大约30埃的被钉扎层603。使用该示例性SAF结构，如图6所示，生成将响应于在外部施加的磁场H604的净磁矩。对于使用具有微米尺度（例如，沿着短轴大约大约2μm）的SAF形成的参考层，磁化倾向于将反并联沿着短轴对准而不是沿着长轴对准，因此短轴设置钉住方向。这是从最低能态被用于两个层沿着形成图案的形状的短轴关闭它们的磁通量的事实来得出的。在剩磁（例如，在设置场被去除后）中，最长磁矩层（例如，本例中的下面的被钉扎层603）的磁矩对准，从而使得其沿着SAF的短轴在具有设置场角度上具有正投影的方向上（在本例中为向右）。相反地，如图6所示，更小的磁矩层（在本例中的上面的固定或参考层601）的磁矩在与被钉扎层603相反的方向上对准。

再次参考图2，上面的或感测层202、212、222、232可以使用厚度在10到范围中的一个或多个铁磁材料的层形成，在所选实施例中，厚度在10到的范围中。上面的铁磁材料可以是软磁材料，诸如NiFe、CoFeB、NiFeX、CoFeX（X是非磁元素）等。在每个MTJ传感器中，上面的铁磁层202、212、222、232充当感测层或自由磁层，这是由于它们的磁化的方向可以由出现的诸如地球磁场的外部施加场来偏转。作为最终形成的，上面的或感测层202、212、222、232可以使用具有磁化方向（由箭头表示）的单独的铁磁层来形成，该磁化方向沿着形成图案的形状202、212、222、232的长轴对准。

被钉扎和感测电极可以被形成为具有不同的磁特性。例如，被钉扎电极204、214、224、234可以由耦合到铁磁膜的抗铁磁膜交换层形成，以形成具有高矫顽力和偏移磁滞曲线的层，从而使得它们的磁化方向被钉扎到一个方向上，并且因此基本上不受外部施加的磁场的影响。铁磁膜可以是单个的磁层或SAF层，其中两个铁磁层通过耦合层抗铁磁地耦合。相反地，感测电极202、212、222、232使用软磁材料形成，以提供具有相对较低的各向异性和矫顽力的不同的磁化方向，从而使得感测电极的磁化方向可以通过外部施加的磁场容易地转变。在所选实施例中，钉扎场的强度比感测电极的各向异性场大约大两个数量级，尽管通过使用众所周知的技术调整这些电极的各自的磁特性可以使用不同的比例来改变它们的成分。

如图2所示，在MTJ传感器中的被钉扎层204、214、224、234被形成为具有在被钉扎层204、214、224、234平面上的第一示例性磁化方向（由指向图2的画面的顶部的向量箭头标识）。如本文中所描述的，可以使用被钉扎电极的形状各向异性来获得针对被钉扎层204、214、224、234的磁化方向，在该情况中，每个被钉扎层204、214、224、234的形状都可以在“向上”的向量箭头的方向上更长。特别地，针对被钉扎层204、214、224、234的磁化方向可以这样获得，通过在存在定向磁场的情况下实现加热成形的被钉扎层204、214、224、234，该定向磁场非正交地定向到针对成形的被钉扎层204、214、224、234的最长定向的轴，从而使得施加的定向域包括在针对成形的被钉扎层204、214、224、234的想要的钉住方向的方向上的场分量。参考层的磁化方向至少临时地在预定方向上对准。但是，通过适当地在该处理期间加热被钉扎层并在不减少加热的情况下去除定向场，参考层的磁化沿着针对成形的被钉扎层204、214、224、234的想要的定向的轴放松。一旦磁化放松，参考层可以被退火和/或冷却，从而使得被钉扎层的磁化方向被设置在针对成形的被钉扎层204、214、224、234的想要的方向上。真正的正交设置可以通过形成具有非正交轴的参考层来实现，其中，最终引入的磁化是真正正交的。通过该方法，针对被钉扎层204、214、224、234的磁化方向的形成可以容易地与用来形成具有不同的磁化方向（多个磁化方向）的其它钉扎电极的制造步骤一致。

图7是示出制造具有正交参考层的MTJ场传感器的示例性方法700的流程图，其使用整块晶片设置工序以形成成形的参考电极，该参考电极包括用于提供对零偏移的降低的补偿角的两个或多个被钉扎层。应当认识到，方法700可以包括任何数量的额外的或可替换的任务，在图7中示出的任务不需要以图示的顺序来执行，并且方法700可以被并入到更广泛的工序或处理中，该工序或处理具有未在本文中详细描述的额外功能。此外，在图7中示出的一个或多个任务可以从方法700的实施例中省略，只要期望的总的功能保持完整不变。在步骤701，使用已知的半导体处理技术来提供基板结构。正如应当认识到的，基板结构包括由基本绝缘体层覆盖的基板，其中，可以在基板上或中形成诸如数字或模拟集成电路的一个或多个有源电路元件。基板和有源电路（多个有源电路）可以作为前端半导体制造工艺的一部分来形成。

接下来在步骤702，通过使用多步骤制造工艺在基本绝缘体层之上沉积传感器层201、211、221、231来形成MTJ层。此时，传感器层可以作为后端磁制造工艺的一部分来形成，其发生在前端半导体制造工艺之后。在步骤702，通过在绝缘层之上沉积参考层来形成第一传感器层，其中，参考层包括在抗铁磁性钉扎层和铁磁性固定层之间形成的被钉扎层。被钉扎层包括在非晶铁磁层之上的晶体铁磁层，或者在两个晶体铁磁层之间形成的非晶铁磁层。尽管未示出，钉扎层可以与下面的导电接触层电接触地沉积。选择用来形成钉扎层和被钉扎层的材料应当使得作为结果得到的铁磁层将具有相对高的钉扎强度，并且如果被用于将被钉扎层的磁化方向钉扎在移动定向上，则应当足够耐火，从而经受退火温度（例如，200到350摄氏度）。此时，还可以使用众所周知的技术来沉积诸如隧道电介质层（多个层）203、213、223、233和感测电极层（多个层）202、212、222、232的额外传感器层。为了获得被钉扎磁化之间的真正的正交方向差，根据第一实施例，参考层204、214、224、234的固有各向异性（原子能级对排序）可以在沉积时被加工。对于所需的补充的低能级，通过在沉积期间施加的磁场来设置对排序各向异性的方向。引入比通过成形和固有更强的各向异性的方法包括：使用优选的晶体定向生长磁材料，以及通过某些各向异性膜生长方法（例如，通过生长集群或晶体的形状非对称）来引入。

在步骤703，沉积的参考层（多个参考层）还形成图案，并被选择性地蚀刻成为具有以不同定向绘制的长轴的细长形状。作为蚀刻的结果，每个成形的参考层具有在想要的被钉扎磁化方向的方向上的优选的成形的各向异性方向。但是，由于在退火期间的固有的各向异性、SAF耦合力和剩磁场，实际的钉扎方向可能与想要的不同。例如，图8示出具有与长轴806正交的想要的钉扎（方向804）的第一参考层802。但是，实际的钉扎（方向808）不同于想要的钉扎（方向804）。第二参考层812具有与长轴816正交的想要的钉扎（方向814）。但是，实际的钉扎（方向818）不同于想要的钉扎（方向814）。为了获得实际的被钉扎磁化的真正的正交角，可以根据与长轴有关的被钉扎磁化的经验性预获得结果作出确定，该确定允许将形成图案的细长形状放置在彼此相对的方向上，以提供真正的正交角。通过修改导致实际的钉扎（方向908、918）成为想要的正交（方向904、914）的长轴906、916之间的角度，在图9中示出的参考层902、912的图案形成（步骤703）可以被调整。

在步骤704，对于随着温度穿过其转变温度的而经历相变的诸如PtMn的材料，被蚀刻的参考层在存在定向场的情况下在钉扎转换温度下被加热或退火，该定向场被使用在针对不同的参考层的不同的想要的被钉扎磁化方向之间的方向进行施加。例如，如果形成两个正交地定向的被钉扎层，那么施加的定向场可能被定向在正交被钉扎层的想要的定向之间的中途。更一般地说，施加的定向场应当被定向为使得其包括针对参考层的每个想要的钉住方向的方向上的场分量。用来形成参考层的材料的特性将控制热如何被施加。加热步骤应当被控制为使得成形的参考层的磁化不跟随外部磁场。

在步骤705，定向场被去除，并且在步骤706，在钉扎转换温度或在钉扎转换温度之上的退火温度被保持预定的持续时间，例如，两个小时。在缺少施加的场的情况下，高纵横比的图案提供迫使在成形的参考层中施加的磁化沿着成形的参考层的各个各向异性轴放松。在退火期间，相变之后的诸如PtMn、PtPdMn的钉扎层提供与被钉扎层的交换耦合。对于诸如IrMn、RhMn的其它钉扎层（不需要用于交换耦合的相变），为了使成形的参考层钉扎在想要的方向上，退火温度必须高于钉扎层的阻隔温度。该施加的磁化的方向可以通过施加补偿场来微调（从而提供真正正交的磁化方向）。图10示出第一和第二参考层1002、1004，每个参考层都分别具有放松偏好（方向）1006、1008。补偿场1010的施加克服了由在实际的钉扎1012、1014中形成的固有各向异性和磁剩余场的组合造成的影响，该实际的钉扎1012、1014指向想要的方向并相互正交。

在步骤707，晶片在零场或补偿场中被冷却，从而使得在参考层中的形状引入磁化被钉扎，从而提供参考层的多个定向。在零场或小的补偿场中获得形状引入磁化后，通过在阻隔温度以下冷却参考层，参考层的磁化被钉扎，并且在其各个方向上至少对于典型的施加场强度将保持刚性钉扎。

使用在本文中公开的技术，通过形成具有第一钉扎方向的第一参考层106-109并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116-119，可以将第一和第二差分传感器（例如，在图1中示出的传感器101、111）一同制造在单片集成电路上。从图11开始，使用示例性处理流程的描述可以进一步演示这些技术，图11描述了多传感器结构的部分横截面图，其中，MTJ传感器层1160、1170、1180已经在基板1140和基本绝缘体层1150之上形成。当传感器要与半导体电路集成时，通过本领域技术人员已知的方法制造的穿过绝缘体层1150的导电通孔将这些传感器的导电部分与下面的基板1140中的电路连接。根据被制造的晶体管装置的类型，基板1140可以被实现为整块硅基板、单晶硅（掺杂或不掺杂）、或包括例如Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge、GaAs、InAs、InP以及其它III-IV族化合物半导体或其组合的任何半导体材料，并且可以可选地形成为整块处理的晶片。另外，基板1140可以被实现为绝缘体上的半导体（SOI）结构的上层半导体层。尽管未示出，可以在基板1140上或基板1140中形成一个或多个电路元件。另外，通过使用化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、物理气相沉积（PVD）、原子层沉积（ALD）、离子束沉积（IBD）、热氧化或上述方法的组合，在半导体基板1140之上沉积或生长电介质（例如，二氧化硅，氧氮化物，金属氧化物，氮化物等）。

在基本绝缘体层1150之上，通过沉积在蚀刻后充当导电线路的第一导电层（未示出），下面的铁磁层1160（在蚀刻后充当下面的参考铁磁层），一个或多个电介质层1170（在蚀刻后充当隧道势垒层），一个或多个电介质层1180（在蚀刻后充当上面的感测铁磁层），以及在蚀刻后充当导电线路的第二导电层（未示出），顺序地形成传感器层堆叠。每个层可以使用已知技术（诸如CVD、PECVD、PVD、ALD、IBD或其组合）席状沉积（blanketdeposited）为预定厚度。以这种方式，传感器层的堆叠覆盖整个晶片，从而使得该堆叠被形成在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，并且也形成在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。另外，传感器堆叠可以被形成在将形成具有任意想要的定向的传感器的“其它”区域。

图12示出在MTJ传感器层1160、1170、1180的堆叠已经被选择性地蚀刻，从而在每个传感器区域中的基板1140之上针对剩余传感器层定义预定形状后，在图11后，对传感器装置结构的处理。可以使用任何想要的图案和蚀刻工艺来形成有图案的传感器层，包括：在上面的铁磁层（多个铁磁层）1180之上沉积诸如硅氮化物（未示出）的硬质掩模，沉积光阻层（未示出）并使光阻层形成图案以对硬质掩模形成图案，然后使用光阻层（未示出）选择性地蚀刻（例如，使用反应离子蚀刻工艺）暴露的传感器层，以形成开口1184、1185。为了更清晰地看出选择性地蚀刻处理如何根据MTJ传感器层的堆叠生成不同的预定形状，参考图13，其提供在图12中描述的传感器装置结构的简化俯视图。如图12和图13所示，在传感器层1160、1170、1180中的开口1184、1185限定在第一传感器区域中的传感器层1162、1172、1182具有第一形状，该第一选择被定向为具有针对最终形成的参考层1162的想要的钉扎方向上的易轴。以类似的方式，开口1184、1185限定在第二传感器区域中的传感器层1163、1173、1183的形状，从而使得它们具有针对最终形成的参考层1163的想要的钉扎方向上的易轴。虽然开口1184、1185可以被用来限定正交定向的形状1162、1163，通过恰当地构图并控制蚀刻处理可以实现任何想要的定向。例如，在“其它”传感器区域中的传感器层1161、1171、1181可以被限定为具有针对最终形成的参考层1161的想要的钉扎方向上的易轴的另一种形状。除了被形成为长的和窄的形状，还可以提供其它造型，从而使得每个被钉扎参考层更像单磁畴那样执行。在图13中，在参考层1161、1162、1163中示出其它造型，其被形成为具有逐渐变细的尖端。针对各个成形的参考层1161、1162和1163的磁化方向（以问号示出）在定向场出现前是未知的。

一旦成形的参考层1161、1162和1163被形成，可以通过在存在被在参考层1161、1162和1163的定向之间定向的定向场的情况下首先加热或退火晶片，然后在保持高退火温度的同时去除该场来引入针对参考层的想要的钉扎方向。在图14中示出加热并定向参考层的结果，其示出当蚀刻的参考层1161、1162、1163在存在定向场的情况下被加热时，在图10之后，对传感器装置结构进行的处理。如图14所示，定向场在针对最终形成的参考层的想要的磁化方向之间的方向1190上被对准。但是，在该处理的这一阶段，当外部磁场1190足够高时，参考层1161、1162、1163（如磁化向量1164、1165、1166所分别示出的）的磁化跟随外部磁场1190。

图15示出在定向场1190被去除并且蚀刻的MTJ传感器层的堆叠被冷却后，在图14之后，在传感器结构中的参考层的磁化定向。通过在零场或小的补偿场中冷却晶片，参考层1161、1162、1163的各个形状提供形状各向异性，其使得每个参考层的磁化沿着想要的方向放松。这样，第一参考层1162的磁化1168跟随它的形状，从而其与成形的参考层1162的想要的维度（例如，在y轴方向上）对准，从而形成针对最终形成的参考层1162的想要的钉扎方向。以类似的方式，当第二参考层1163的磁化1169跟随它的形状各向异性（例如，在x轴方向上）时，针对最终形成的参考层1163的想要的钉扎方向被引入。当然，通过适当地成形参考层可以引入任何想要的钉扎方向，如通过参考层1161所示的，其中，磁化1167跟随参考层1161的形状各向异性（例如，与y轴成45度处）。

图16示出被钉扎及参考层1100的处理，其是这样形成的：通过蚀刻不平衡SAF堆叠1110、1120、1130，在定向于参考层的短轴定向之间的定向场存在的情况下以低温对层1100进行退火，然后去除定向场1190（如虚线场箭头所指示的），进一步在针对PtMn的高温进行退火以提供钉扎场，并冷却蚀刻的MTJ传感器的堆叠，从而使得蚀刻的参考层1110、1120、1130的磁化沿着它们各自的短轴被钉扎。如图所示，蚀刻的参考层1110、1120、1130的磁化定向被沿着蚀刻的参考层的短轴钉扎。这样，在不平衡SAF堆叠1110中，参考层磁化1111和被钉扎层磁化1112基本上彼此非并联，并且与蚀刻的参考层1110的长轴正交。类似地，在不平衡SAF堆叠1120中的参考层磁化1121和被钉扎层磁化1122基本上彼此非并联，并且与蚀刻的参考层1120的长轴正交，并且蚀刻的参考层1130也相同。就在图16中描绘的不平衡SAF堆叠实施例而言，为了提供在参考层1120和1130的正交方向之间的中间的最终参考方向，参考层1110的长轴被构图为与图13中示出的用于单个参考层1161的方向正交。

为了进一步示出在不同的、最终形成的参考层中作为结果形成的多个定向，现在参考图17，图17提供在图15中示出的蚀刻的MTJ传感器层的堆叠的横截面图。如图15和图17所示，在第一传感器区域中的蚀刻的传感器层堆叠1162、1172、1182具有被钉扎在第一钉扎方向（例如，“进入”图17的画面的平面）上的参考层，在第二传感器区域中的蚀刻的传感器层堆叠1163、1173、1183具有被钉扎在第二钉扎方向（例如，到图17的画面的平面的“右边”）上的参考层，并且，在其它传感器区域中的蚀刻的传感器层堆叠1161、1171、1181具有被钉扎在另一个钉扎方向（例如，从图17的画面的平面起的45度）上的参考层。

在该制造工艺的这一点处，每个上面的铁磁层1181、1182、1183（和隧道势垒层（多个隧道势垒层））将被选择性地蚀刻成与下面的参考层相同的形状。但是，在感测层的最终形状将小于下面的被钉扎层的地方，第二蚀刻序列可以被用来根据上面的铁磁层（多个铁磁层）1181、1182、1183的剩余部分来限定不同感测层的最终形状。通过使用构图掩模和蚀刻处理（例如，反应离子蚀刻），第二蚀刻序列限定针对感测层的高纵横比形状以去除掉所有未屏蔽层，且包括未屏蔽的上面的铁磁层（多个铁磁层），但保留下面的成形钉扎层不变。针对感测层限定的高纵横比形状被定向为使得每个感测层都具有形状各向异性轴。换句话说，针对每个感测层的长轴被绘制为生成想要的易轴磁化方向。

总的来说，在电子穿过磁/非磁/磁三层结构的第一磁层后，电流变成自旋极化，其中，通过本领域已知的许多方法中的任意一个来将第一磁层基本上固定。当自旋极化电子穿过绝缘体层时，电子穿过的可能性依赖于自由层与固定层的相对定向。当磁场被施加到图1和图2中示出的传感器的场敏感性轴时，自由层沿着磁场方向旋转，固定层和自由层的相对定向被关闭，因此MTJ磁阻改变。当这些传感器被偏置时，可以检测输出信号。

在MTJ阵列架构400的制造期间，每个连续层被沉积或者被顺序地形成，并且使用在半导体工业中已知的任何技术，每个MTJ装置400可以通过选择性地沉积、光刻法处理、蚀刻等来限定。通常，MTJ的层是通过薄膜沉积技术来形成的，诸如物理气相沉积，包括磁控溅射和离子束沉积或热蒸发。在沉积至少部分MTJ期间，磁场被提供以在材料中设置优选的各向异性（引入的固有各向异性）易轴。另外，在暴露于沿着优选各向异性易轴指向的磁场的同时，MTJ堆叠通常在高温进行退火，以在抗铁磁性钉扎层被使用时进一步设置固有的各向异性方向并设置钉扎方向。提供的磁场在铁磁材料中生成用于磁矩向量的优选各向异性易轴。除了固有的各向异性，构图为具有大于一的纵横比的形状的存储器元件将具有形状各向异性，并且该形状和固有各向异性的组合限定了优选地平行于存储器元件的长轴的易轴。

在本文中描述的这些示例性实施例可以使用如下的已知的平板处理来制造。集成电路、微电子装置、微机电装置、微流控装置和光子装置的制造涉及生成以某种方式交互的若干层材料。这些层中的一个或多个层可以形成图案，以使得层的不同区域具有不同的电或其它特征，其可以在该层内互连或与其它层互连以生成电子部件和电路。可以通过选择性地引入或去除各种材料来生成这些区域。限定这些区域的图案通常通过平板处理来生成。例如，光阻材料的层被施加到在晶片基板上的层上。通过诸如紫外线光、电子或x射线的辐射的形式，光罩（包含透明和半透明区域）被用于选择性地曝光该光阻材料。曝光在辐射下的光阻材料或没有曝光的光阻材料被通过施加显影剂来去除。然后对未由剩余光阻保护的层施加蚀刻，并且当光阻被去除时，在基板上的层形成图形。或者，还可以使用附加处理，例如，使用光阻作为模板来构建结构。

尽管在本文中公开的示例性实施例涉及各种传感器结构和用于制造其的方法，本发明不必受限于示出可应用于广泛的半导体工艺和/或装置的本发明的发明方面的示例性实施例。这样，得益于本文中的教导，对于本领域技术人员来说显而易见的是，由于本发明可以以不同当等价的方式进行修改和实践，因此上面公开的特定实施例仅是示例性的，并且不应当被认为对本发明构成限制。而且，感测层和钉扎层可以使用与公开的材料不同的材料来形成。此外，所述层的厚度可以与公开的厚度值偏离。因此，前述描述并不希望将本发明限制于所阐述的特定形式，相反地，希望囊括如附录权利要求所定义的本发明的精神和范围内所包括的那些替换、修改、等同物，从而使得本领域技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，他们可以对本发明进行最大限度的各种改变、替换和变更。

在上面已经参考特定实施例描述了对问题的益处、其它优点和解决方案。但是，对问题的益处、优点、解决方案，以及可以使益处、优点、解决方案发生或变得更明确的任何元素（多个元素）并不构成关键的、必须的或主要的所有权利要求中的任意一个的特征或元素。如本文中所使用的，术语“包括”、“包含”或其任何其它的形式都希望覆盖非排他性包括，从而使得包含元件列表的处理、方法、文章或设备不仅包括这些元件，而且可以包括没有明确列出或这些处理、方法、文章或设备原有的其它元件。

虽然在前述详细描述中已经呈现了一个示例性实施例，但是应当认识到有大量的变化存在。还应当认识到，示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是例子，并且并不希望以任何形式限制本发明的范围、可应用性或配置。更确切地，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本发明的示例性实施例的路线图，应当理解，在不脱离在附录权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以对示例性实施例中描述的元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (29)

1.一种磁阻薄膜磁场传感器，包括：

抗铁磁性钉扎层；

被钉扎层，包括：

在抗铁磁性钉扎层之上具有在2到15埃范围厚度的非晶铁磁层；以及

在非晶铁磁层之上的第一晶体铁磁层；

在被钉扎层之上的非磁性耦合层；

在非磁性耦合层之上的铁磁性固定层；

在铁磁性固定层之上的电介质隧道势垒层；以及

在电介质隧道势垒层之上的铁磁性感测层。

2.如权利要求1所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，被钉扎层还包括在非晶铁磁层与抗铁磁性钉扎层之间的第二晶体铁磁层。

3.如权利要求2所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第二晶体铁磁层包括CoFe，其中，Fe的原子重量为10.0-25.0％。

4.如权利要求2所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第二晶体铁磁层具有在2到10埃范围的厚度。

5.如权利要求1所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，非晶铁磁层包括CoFeB，其中，B的原子重量为15.0-30.0％。

6.如权利要求1所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第一晶体铁磁层包括CoFe，其中，Fe的原子重量为10.0-25.0％。

7.如权利要求1所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，被钉扎层和铁磁性固定层具有不同的磁矩。

8.如权利要求1所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，铁磁性感测层包括镍和铁。

9.如权利要求1所述的磁阻薄膜磁场传感器，还包括在铁磁性感测层之上的扩散势垒，该扩散势垒包括铝氧化物。

10.如权利要求1所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，被钉扎层包括在10到40埃范围的厚度。

11.一种磁阻薄膜磁场传感器，包括：

基板；

在基板之上的绝缘层；

在绝缘层之上的第一传感器层堆叠，该第一传感器层堆叠包括：

在绝缘层之上的第一钉扎层；

第一被钉扎层，包括：

在第一钉扎层之上具有在2到15埃范围厚度的第一非晶铁磁层；以及

在第一非晶铁磁层之上的第一晶体铁磁层；

在第一被钉扎层之上的第一非磁性耦合层；

在第一非磁性耦合层之上的第一铁磁性固定层；

在第一铁磁性固定层之上的第一电介质隧道势垒层；以及

在第一电介质隧道势垒层之上的第一铁磁性感测层；

在绝缘层之上的第二传感器层堆叠，包括：

在绝缘层之上的第二钉扎层；

第二被钉扎层，包括：

在第二钉扎层之上具有在2到15埃范围厚度的第二非晶铁磁层；以及

在第二非晶铁磁层之上的第二晶体铁磁层；

在第二被钉扎层之上的第二非磁性耦合层；

在第二非磁性耦合层之上的第二铁磁性固定层；

在第二铁磁性固定层之上的第二电介质隧道势垒层；以及

在第二电介质隧道势垒层之上的第二铁磁性感测层；

其中第一传感器层堆叠具有限定第一参考方向的第一形状各向异性，并且第二传感器层堆叠具有限定与第一参考方向不同的第二参考方向的第二形状各向异性。

12.如权利要求11所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第一被钉扎层还包括在第一非晶铁磁层与第一钉扎层之间的具有在2到10埃范围厚度的第三晶体铁磁层。

13.如权利要求12所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第二被钉扎层还包括在第二非晶铁磁层与第二钉扎层之间的具有在2到10埃范围厚度的第四晶体铁磁层。

14.如权利要求12所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第三晶体铁磁层包括CoFe，其中，Fe的原子重量为10.0-25.0％。

15.如权利要求11所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第一和第二非晶铁磁层包括CoFeB，其中，B的原子重量为15.0-30.0％。

16.如权利要求11所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第一和第二晶体铁磁层包括CoFe，其中，Fe的原子重量为10.0-25.0％。

17.如权利要求11所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第一和第二铁磁性固定层包括CoFeB，其中，Fe的原子重量为10.0-25.0％。

18.如权利要求11所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第一和第二铁磁性感测层包括NiFe。

19.如权利要求11所述的磁阻薄膜磁场传感器还包括：在第一铁磁性感测层之上的包含铝和氧的第一扩散势垒，以及在第二铁磁性感测层之上的包含铝和氧的第二扩散势垒。

20.如权利要求11所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第一被钉扎层和第一铁磁性固定层具有不同的磁矩，并且第二被钉扎层和第二铁磁性固定层具有不同的磁矩。

21.如权利要求20所述的磁阻薄膜磁场传感器，其中，第一和第二被钉扎层中的每一个都具有分别沿着第一和第二传感器层堆叠的短轴对准的磁化。

22.一种制造磁阻薄膜磁场传感器的方法，包括：

提供基板；

在基板之上形成绝缘层；

在绝缘层之上形成传感器层堆叠，该传感器层堆叠包括：

在绝缘层之上形成的钉扎层；

被钉扎层，包括：

在钉扎层之上形成的具有在2到15埃范围厚度的非晶铁磁层：以及

在非晶铁磁层之上形成的晶体铁磁层；

在被钉扎层之上形成的非磁性耦合层；

在非磁性耦合层之上形成的铁磁性固定层；

在铁磁性固定层之上形成的电介质隧道势垒层；以及

在电介质隧道势垒层之上形成的铁磁性感测层；

选择性地蚀刻传感器层堆叠以形成第一电极堆叠和第二电极堆叠，其中，第一电极堆叠具有第一形状各向异性以设置第一参考方向，并且第二电极堆叠具有第二形状各向异性以设置第二参考方向；

施加基本上平行于在第一和第二参考方向之间定向的基板的饱和场，直到第一和第二电极堆叠中的每一个参考层结构都具有基本上与饱和场对准的磁化；以及

去除饱和场，以允许第一形状各向异性来设置第一电极堆叠的参考层结构的磁化，并允许第二形状各向异性来设置第二电极堆叠的参考层结构的磁化。

23.如权利要求22所述的方法，还包括在铁磁性感测层之上形成包括铝和氧的第一扩散势垒。

24.如权利要求22所述的方法，其中，非晶铁磁层包括CoFeB，其中，B的原子重量为15.0-30.0％。

25.如权利要求22所述的方法，其中，晶体铁磁层包括CoFe，其中，Fe的原子重量为10.0-25.0％。

26.如权利要求22所述的方法，其中，晶体铁磁层具有在2到15埃范围的厚度。

27.如权利要求22所述的方法，其中，形成传感器层堆叠包括在非晶铁磁层与钉扎层之间形成第二晶体铁磁层。

28.如权利要求27所述的方法，其中，第二晶体铁磁层包括CoFe，其中，Fe的原子重量为10.0-25.0％。

29.如权利要求27所述的方法，其中，第二晶体铁磁层具有在2到10埃范围的厚度。