CN103901364A - 具有基本上正交的钉扎方向的双轴磁场传感器 - Google Patents

Abstract

一种制造处理和装置从两种差分传感器配置(502、512)提供了高性能的磁场传感器(200)，只需要由蚀刻成高纵横比形状的单个参考层形成的两个不同的钉扎轴，其长轴(506、516)关于不同的朝向延伸，使得所述高纵横比构图提供迫使每个构图形状的磁化沿其各自期望的轴松弛的形状各向异性。当加热和冷却时，铁磁膜通过以下中的一个被钉扎到不同的期望方向：1)在淀积步骤过程中修改参考层固有的各向异性，2)当蚀刻时，以与另一个构图形状的长轴的非正交角度形成一个构图形状的长轴，或者3)当钉扎参考层时施加补偿场。

Description

具有基本上正交的钉扎方向的双轴磁场传感器

本申请是于2010年4月16日提交的、PCT申请号为PCT/US2010/031378、2011年12月13日进入中国国家阶段的、国家申请号为201080026087.X、发明名称为“具有基本上正交的钉扎方向的双轴磁场传感器”的申请的分案申请。

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年4月30日提交的申请号12/433,679的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及磁电设备领域，并且，更具体地涉及用于感测磁场的、与CMOS兼容的磁电场传感器。

背景技术

传感器在现代系统中广泛地用于测量或者检测物理参数，例如位置、运动、力、加速度、温度、压力，等等。尽管存在多种不同的传感器类型来测量这些及其它参数，但是它们都受到了各种限制。例如，廉价的低磁场传感器，例如用在电子罗盘和其它类似磁感测应用中的那些传感器，通常包括基于各向异性磁致电阻(AMR)的设备。为了达到与CMOS良好配合所需的灵敏度和合理的电阻，这种传感器的感测单元的尺寸通常处于平方毫米的量级。对于移动应用，就其花费、电路面积与功耗而言，这种AMR传感器配置是昂贵的。

其它类型的传感器，例如磁性隧道结(MTJ)传感器和巨磁致电阻(GMR)传感器，已经用于提供较小尺寸的传感器，但是这种传感器有其自己的问题，例如灵敏度不足和受温度变化的影响。为了解决这些问题，MTJ传感器和GMR传感器已经在惠斯通电桥结构中采用，以便增加灵敏度并消除与温度相关的电阻变化。实际上，已经为电子罗盘应用开发出了双轴磁场传感器，通过对每个感测轴使用惠斯通电桥结构来检测地球的磁场方向。但是，对于每个感测轴，这种磁场传感器一般包括两个相对的钉扎方向，导致有四个不同的钉扎方向，对于利用磁体阵列的每个电路，这些方向必须用复杂和难以操作的磁化技术单独设置，或者采用厚NiFe屏蔽/通量集中层来引导中下部场的局部方向，这要求附加的处理复杂性。获得不同的参考层磁化方向的另一种方法是利用不同的阻碍温度(blocking temperature)淀积两个不同的反铁磁层并且应用复杂的设置过程和很难的处理流来设置两个不同的钉扎方向并使得与两个不同的传感器朝向接触。

因此，存在对利用基本正交的磁化方向形成参考层的改进的传感器设计与制造处理的需要。还存在对可以高效且廉价地作为移动应用中所使用的集成电路结构构造的双轴传感器的需要。还存在对克服本领域中例如以上所述问题的改进的磁场传感器和制造的需要。此外，从随后的具体描述和所附的权利要求，并且联系附图和该背景技术，本发明的其它期望特征和特点将变得显而易见。

附图说明

下文将联系以下附图描述本发明的实施方式，附图中相同的标号指示相同的元件，并且

图1示出了电子罗盘结构，该电子罗盘结构使用由具有未屏蔽MTJ传感器的两个电桥结构形成的差分传感器；

图2提供了示例场传感器的简化示意性透视图，其中该示例场传感器是通过连接惠斯通电桥电路中的四个MTJ传感器形成的；

图3绘出了用于形成钉扎参考层的不平衡SAF堆叠(stack)；

图4是根据第一种示例实施方式制造MTJ场传感器的方法的流程图；

图5是由不平衡的合成反铁磁体(SAF)形成的两个参考层及其实际与期望的磁化的顶部示意图；

图6是图5的两个参考层、根据示例实施方式旋转的顶部示意图；

图7是根据示例实施方式由不平衡的SAF形成的两个参考层及其施加了补偿场的实际磁化的顶部示意图；

图8是根据第二种示例实施方式制造MTJ场传感器的方法的流程图；

图9是集成电路的部分横截面视图，其中MTJ传感器层堆叠已经在衬底之上形成；

图10示出了在MTJ传感器层堆叠已经在衬底之上选择性地蚀刻成预定形状之后图9之后的处理；

图11示出了显示由选择性蚀刻处理形成的MTJ传感器层堆叠中参考层的预定形状的顶视图；

图12示出了在存在为了最终形成的参考层而在期望的磁化方向之间对准的定向场的情况下当蚀刻后的参考层被加热时图11之后的处理；

图13示出了在除去定向场而且蚀刻后的MTJ传感器堆叠冷却之后图12之后的处理，由此使得蚀刻后的参考层的磁化沿长轴钉扎；

图14示出了在除去定向场并且蚀刻后的MTJ传感器堆叠冷却之后利用不平衡的SAF堆叠形成的钉扎和参考层的处理，由此使得蚀刻后的参考层的磁化沿短轴钉扎；以及

图15是MTJ传感器层堆叠的部分横截面视图，示出了最终形成的参考层中的钉扎的磁化方向。

应当认识到，为了示出的简化与清晰，附图中所示出的要素不一定按比例绘制。例如，为了提升和改善清晰度与理解，有些要素的尺寸相对于其它要素夸大了。另外，在认为适当的地方，在附图之间标号重复，以表示对应或者类似的要素。

具体实施方式

以下具体描述从本质上讲仅仅是示例性的，而不是要限制本发明或者本发明的应用和使用。此外，不希望受前面背景技术或者以下具体描述中所给出的任何理论约束。

描述了用于在主体晶片上提供多轴钉扎的方法与装置，其中该主体晶片可以用于形成具有不同参考层的集成电路传感器，所述不同参考层具有利用单一钉扎材料淀积与主体晶片设置过程设置的基本正交的钉扎方向。作为预备步骤，将一层或多层铁磁和反铁磁材料的堆叠蚀刻成具有高纵横比的两维形状的成形参考层，其中该形状为用于每个参考层的期望磁化方向提供了区别。依赖于所使用的材料和技术，最终的磁化方向可以沿成形层的短轴或者长轴定向。例如，如果钉扎层是利用构图到微米级尺寸的稍不平衡的合成反铁磁体(SAF)形成的，那么磁化将沿短轴指向。如本领域技术人员将认识到的，SAF实施方式提供了与在磁电设备中钉扎的SAF参考层的使用相关的多个好处。在其它实施方式中，通过控制自由和固定层的厚度，最终的磁化可以沿长轴指向。利用形状各向异性，在存在用于参考层的期望磁化方向之间对准的定向场的情况下，通过加热而在参考层中感应出不同的磁化方向。在所选实施方式中，参考层被充分加热，以便减少各向异性的材料组分，并允许形状和外部场支配磁化方向。以这种方式，一旦除去了定向场，形状各向异性就把磁化引向期望的方向。在除去定向场后，参考层的磁化松弛，遵循参考层的形状，从而感应出沿成形参考层的期望轴对准的磁化，并且随后随着退火温度降低而被钉扎。例如，如果两个参考层成形为具有彼此垂直的较长尺寸，那么针对这两个参考层感应出的磁化将接近彼此垂直。

但是，除了形状各向异性，还有别的影响参考层磁化并由此确定最终钉扎方向的源。尽管钉扎步骤在高温下发生，由此降低了所淀积的铁磁层固有的各向异性，但是仍然存在具有明确方向的有限的各向异性，这与构图后的参考层的形状各向异性产生竞争。而且，由于随着时间场循环，钉扎退火中所使用的用于磁炉的支撑结构和/或极片可能被磁化，甚至在没有磁化电流的情况下施加小的残余场。这种残余场将与参考层磁化相互作用，而且可能归零或者被克服，产生具有在与这个残余场相反方向施加的场的小补偿场。此外，类似于在任何实际钉扎的铁磁层中所存在的钉扎强度的分布，在钉扎该铁磁层所需的温度中也存在局部分布。这允许在钉扎退火之前发生的高温步骤产生可能在钉扎退火过程中影响磁化方向的低水平局部钉扎点。因此，固有各向异性、形状各向异性、低水平早期钉扎与钉扎退火过程中存在的小残余场之间的竞争妨碍了所感应出的磁化的真正正交设置。由于如果还存在非正交性，那么对软铁效应的任何简单的校准都将失去准确性，因此为了最终设备中软铁效应的准确消除，期望真正的正交设置。这种真正的正交设置可以通过以下一步或者多步来实现：1)通过在淀积过程中施加场方向，修改参考层材料固有的各向异性，以便感应出与设置过程中所使用的不同的各向异性方向。与修改固有的各向异性类似的方法是在磁性层淀积的过程中施加交替的场，以便除去在铁磁层高能量淀积过程中在钉扎层中引入低水平磁性钉扎的可能性，这种低水平磁性钉扎将在磁场退火的过程中抵消期望的钉扎方向。第三种修改可能性是在磁性材料的淀积过程中产生旋转场，以便除去任何优选的各向异性方向。2)在磁性退火的钉扎部分过程中施加小的场，以便消除磁体中的残余场或者提供稍为负的净场，用于固有各向异性的正确补偿。3)形成具有非正交轴的参考层，其中最终产生的设置方向是真正正交的。

如果参考层还没有在高于反铁磁体的钉扎温度(这个温度是反铁磁阻碍温度或者反铁磁晶相形成温度中较低的一个)的温度退火，那么将施加单一退火处理，以设置针对两个参考层的感应出的磁化。利用这种方法，执行单个钉扎材料淀积步骤和单个退火步骤，以设置针对参考层的所有感应出的磁化，而不需要附加的磁性层，由此，与前面已知的利用两个不同反铁磁钉扎层或者磁性阵列来设置钉扎方向的方法相比，提供了简化并降低制造成本与复杂性的主体晶片设置过程。形成具有不同钉扎方向的参考层的简化处理允许在传感器管芯中以最小化的间隔形成独立的磁性传感器元件，并且因此，单个最小化面积管芯中不同的传感器配置可以具有不同的敏感轴。

现在将参考附图详细描述本发明的各种说明性实施方式。尽管在以下描述中阐述了各种细节，但是应当认识到，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践，并且，对于在此所述的本发明，可以做出多种特定于实现方式的决定，来实现设备设计者的具体目的，例如与加工技术或者设计相关的约束兼容，这些在不同的实现方式之间是不同的。尽管这种开发工作可能是复杂和耗时的，但这毋庸置疑是受益于本公开内容的本领域普通技术人员要承担的例行程序。此外，为了避免限制或者模糊本发明，所选的方面是参考简化的横截面视图绘出的，而没有包括每个设备特征或者几何形状。还应当指出，贯穿该具体描述，关于磁性传感器设计与操作的传统技术和特征，磁致电阻随机存取存储器(MRAM)设计、MRAM操作、半导体设备制造及集成电路设备的其它方面，在这里可能不具体描述。尽管作为现有MRAM制造处理的一部分，某些材料将被形成和除去，以便制造集成电路传感器，但是用于形成或者除去这种材料的具体过程以下不具体描述，因为这种细节是众所周知的而且被认为对于给本领域技术人员讲授如何制作或使用本发明不是必需的。此外，在此所包含的各个图中所示出的电路/部件布局与配置意图代表本发明的示例实施方式。应当指出，在实际实施方式中，可以存在许多另选的或者附加的电路/部件布局。

图1示出了利用第一和第二差分传感器101、111形成的磁场传感器100，其中第一和第二差分传感器101、111分别用于检测沿第一个轴120(例如，y轴方向)和第二个轴110(例如，x轴方向)所施加的场的分量方向。如所绘出的，每个传感器101、111都是利用在电桥配置中连接的无屏蔽的感测元件形成的。如此，第一传感器101是在对应的多个钉扎层106-109之上由电桥配置中的多个感测元件102-105的连接形成的，而钉扎层106-109中的每一个都在y轴方向磁化。以类似的方式，第二传感器111是在对应的多个钉扎层116-119之上由电桥配置中的多个感测元件112-115的连接形成的，而钉扎层116-119中的每一个都在与钉扎层106-109磁化方向垂直的x轴方向磁化。在所绘出的电桥配置101中，感测元件102、104形成为具有第一易磁化方向轴，而感测元件103、105形成为具有第二易磁化方向轴，其中所述第一和第二易磁化方向轴是关于彼此正交的，而且定向为与钉扎层106-109的磁化方向有相等的差别。至于第二个电桥配置111，感测元件112、114具有第一易磁化方向轴，该第一易磁化方向轴与针对感测元件113、115的第二易磁化方向轴正交，使得所述第一和第二易磁化方向轴定向为与钉扎层116-119的磁化方向有相等的差别。在所绘出的传感器101、111中，没有感测元件所需的屏蔽，也没有所需的任何特殊参考元件。在示例实施方式中，这是通过利用形状各向异性技术用另一个有效感测元件(例如，103、105)参考每个有效感测元件(例如，102、104)来建立要彼此偏移90度的被参考感测元件的易磁化轴获得的。图1中所示的配置不需要获得双轴钉扎技术的好处，而且它仅仅是作为例子给出的。例如，也可以使用薄屏蔽来抑制四个相同的传感器元件中的两个的传感器响应，以便获得差分响应。

通过把第一和第二传感器101、111设置成正交对准，在每个传感器中都具有相对于该传感器的钉扎方向相等偏离的感测元件朝向而且彼此正交，这些传感器可以检测沿第一和第二轴所施加的场的分量方向。

如从前面所述可以看到的，磁场传感器可以由差分传感器101、111形成，其中差分传感器101、111使用在各自钉扎层106、116之上的电桥配置中连接的未屏蔽感测元件102-105、112-115来检测所施加磁场的存在与方向。利用这种配置，磁场传感器提供了良好的灵敏度，而且还提供了电桥配置的温度补偿属性。

为了提供对示例实施方式的磁场传感器结构与形成的附加洞察，图2提供了通过在惠斯通电桥电路中连接四个MTJ感测元件201、211、221、231所形成的示例场传感器200的简化示意性透视图。该电桥电路可以作为现有MRAM或者薄膜传感器制造处理的一部分制造，只是为了控制各个传感器层的磁性朝向而有微小的调整。特别地，所绘出的MTJ传感器201、211、221、231是利用每个都在单个钉扎方向磁对准的钉扎参考层204、214、224、234并且利用对准成具有与钉扎层204、214、224、234的磁化方向不同的磁化方向的感测层202、212、222、232所形成的。如所形成的，每个MTJ传感器(例如，201)都包括利用一个或多个下部铁磁层形成的钉扎电极204、绝缘隧道介电层203和利用一个或多个上部铁磁层形成的感测电极202。所述钉扎与感测电极是其磁化方向可以对准的期望是磁性材料。合适的电极材料及材料在磁致电阻随机存取存储器(MRAM)设备和其它MTJ传感器设备的电极的常用结构中的布置在本领域中是众所周知的。例如，下部的层204、214、224、234可以利用一层或多层铁磁和反铁磁材料形成为10至范围内的组合厚度，并且在所选的实施方式中是在200至

的范围内。在一种示例实现方式中，钉扎层(例如，204、214、224、234)中的每一个都是利用单个铁磁层和底层的反铁磁钉扎层形成的。在另一种示例实现方式中，每个钉扎层(例如，204)都包括厚度为20至

的铁磁堆叠部件(例如，CFB(钴铁硼)、钌(Ru)和CFB的堆叠)，及厚度大约为

的底层反铁磁钉扎层。下部的反铁磁钉扎材料可以是可重新设置的材料，例如IrMn，但在合理的温度下可以使用不容易重新设置的其它材料，例如PtMn。如所形成的，当其磁化方向钉扎在一个在正常运行条件下不改变的方向时，钉扎参考层充当固定的或者钉扎的磁性层。如在此所公开的，用于钉扎参考层204、214、224、234的材料的加热质量会改变用于形成这些层的制造顺序。

钉扎参考层(例如，204、214、224、234)可以利用单个构图的铁磁层形成，该铁磁层具有(由箭头指示的)沿构图的参考层的长轴对准的磁化方向。但是，在其它实施方式中，所述钉扎参考层可以利用合成反铁磁(SAF)层实现，该SAF层用于沿构图的参考层的短轴对准钉扎参考层的磁化。如将认识到的，SAF层可以结合底层的反铁磁钉扎层实现，但是利用具有适当几何形状的SAF结构与提供足够强磁化的材料，可能不需要底层的反铁磁钉扎层，由此提供节约成本的更简单的制造处理。例如，图3绘出了由不平衡的合成反铁磁体(SAF)形成的钉扎参考层300，该SAF层具有由钌分隔层302隔开的两个不同的铁磁体层301、303，其中钌层302之上的铁磁体层301和其之下的铁磁体层303具有不同的磁矩。所述铁磁层中的任何一个或者两个都可以利用CFB(钴铁硼)或者任何期望的铁磁合金形成。例如，在一种示例实施方式中，CoFe可以用于下面的层，而CFB可以用于上面的层。在钌分隔层302的某个周期性厚度下，两个铁磁体层301、303将交换耦合，使得反平行状态是低能量状态。因此，净磁矩被最小化而且对外部场响应的抵抗性增强。不平衡的SAF堆叠300的一种示例实现方式和微磁模拟在图3中示出，其中不平衡的SAF300包括利用CFB形成的厚度为大约20埃的固定层301、利用钌形成的厚度为大约10埃的分隔层302和利用CFB形成的厚度为大约30埃的钉扎层303。利用这种示例SAF结构，产生将对外部所施加磁场H304有响应的净磁矩，如图3所示。对于利用具有微米级尺寸(例如，沿短轴大于大约2um)的SAF形成的参考层，磁化趋于沿短轴而不是沿长轴对准反平行，由此，短轴设置钉扎方向。这是由于对于两个层来说最低能量状态是沿构图的形状的短轴闭合其磁通量的事实。在剩磁中(例如，在除去设置场之后)，最大磁矩层(例如，在这个例子中是下钉扎层303)的磁矩对准成使得它在设置场角度上具有正投影的方向(在这个例子中是向右)是沿SAF的短轴。相反，较小磁矩层(例如，在这个例子中是上面的固定或者参考层301)的磁矩在与钉扎层303相反的方向对准，如图3所示。

再次参考图2，上面的或者感测层202、212、222、232可以利用一层或多层铁磁材料形成为10至范围内的厚度，并且在所选的实施方式中是在10至

的范围内。上面的铁磁材料可以是磁性软材料，例如NiFe、CoFe、Fe、CFB等。在每个MTJ传感器中，上面的铁磁层202、212、222、232都充当感测层或者自由磁性层，因为它们的磁化方向可能由于外部所施加的场(例如地球磁场)的存在而偏转。当最终形成时，上面的或者感测层202、212、222、232可以利用单个铁磁层形成，该单个铁磁层具有沿构图形状202、212、222、232的长轴对准的磁化方向(利用箭头所指示的)。

钉扎和感测电极可以形成为具有不同的磁属性。例如，钉扎电极204、214、224、234可以利用耦合到铁磁膜的反铁磁膜交换层形成，以便形成具有高矫顽力和偏移磁滞曲线的层，使得它们的磁化方向将在一个方向钉扎，并由此基本上不受外部所施加磁场的影响。相反，感测电极202、212、222、232可以利用软磁性材料形成，以便提供具有较低的各向异性和矫顽力的不同磁化方向，使得感测电极的磁化方向可以被外部所施加的磁场改变。在所选的实施方式中，钉扎场的强度比感测电极的各向异性场大大约两个数量级，但是可以利用众所周知的技术改变其成分来通过调整电极各自的磁属性而使用不同的比率。

如图2所示，MTJ传感器中的钉扎电极204、214、224、234形成为在钉扎电极层204、214、224、234的平面内具有第一示例磁化方向(由指向图2的图中顶部的向量箭头标识)。如在此所描述的，用于钉扎电极204、214、224、234的磁化方向可以利用所述钉扎电极的形状各向异性来获得，在这种情况下，钉扎电极204、214、224、234的形状每个都可以在“上”向量箭头的方向中更长。特别地，用于钉扎电极204、214、224、234的磁化方向可以通过首先在存在与成形的钉扎电极204、214、224、234的最长朝向轴非正交定向的定向磁场的情况下加热成形的参考层204、214、224、234使得所施加的定向场在参考层204、214、224、234的期望的钉扎方向的方向中包括场分量来获得。参考层的磁化方向至少暂时地在预定的方向对准。但是，通过在这种处理过程中适当地加热参考层并且在不降低热量的情况下除去定向场，参考层的磁化沿成形的钉扎电极204、214、224、234朝向的期望轴松弛。一旦磁化松弛，参考层就可以退火和/或冷却，使得钉扎电极层的磁场方向设置在成形的钉扎电极204、214、224、234的期望方向。根据本发明的示例实施方式，真正正交的设置可以通过以下至少一个来实现：1)在薄膜淀积和设置过程中通过施加不同的场方向以便引入不同的固有各向异性方向，修改参考层材料固有的各向异性，2)在磁性退火的钉扎部分过程中施加小的场，用于适当的补偿，及3)形成具有非正交的轴的参考层，其中最终感应出的磁化是真正正交的。利用这种方法，用于钉扎电极204、214、224、234的磁化方向的形成可以容易地与用于形成具有不同磁化方向的其它钉扎电极的制造步骤一致。

第一种示例实施方式是参考图4示出的，该图绘出了显示利用主体晶片设置过程从单个参考层形成成形的参考电极而制造MTJ场传感器的示例方法的流程图，其中该MTJ场传感器具有正交的参考层。在步骤401，利用已知的半导体处理技术提供了衬底结构。如将认识到的，该衬底结构包括被底部绝缘层覆盖的衬底，其中一个或多个有效电路元件，例如智能功率或者模拟集成电路，在该衬底上或者其中形成。所述衬底与有效电路可以作为前期半导体制造过程的一部分形成。

接下来，在步骤402，通过利用多步制造过程在基部绝缘层之上淀积传感器层201、211、221、231来形成MTJ磁芯结构。在这个时候，传感器层可以作为后期磁体制造过程的一部分形成，该过程发生在前期半导体制造过程之后。在步骤402，传感器层中的第一层是通过在衬底结构之上淀积至少第一反铁磁电极层(例如，铱锰(IrMn)，等等)和铁磁层或者合成反铁磁层(由例如钴铁、钴铁硼、钌、镍、镍铁等或者其任意组合形成的参考层204、214、224、234)形成的。尽管没有示出，但是所述第一铁磁电极层可以淀积成与底层的导电接触层电接触。为形成钉扎层和第一铁磁电极层所选的材料应当使得产生的铁磁层将具有相对高的钉扎强度，而且应当充分耐火，从而在用于将第一铁磁电极层的磁化方向钉扎到预定朝向的情况下，能耐受得住退火温度(例如，200至350摄氏度)。附加的传感器层，例如隧道介电层203、213、223、233及感测电极层202、212、222、232，也可以在这个时候利用众所周知的技术淀积。根据所述第一种实施方式，参考层204、214、224、234固有的各向异性(原子级对排序(pairordering))可以在淀积的过程中被修改，以便在钉扎的磁化之间获得真正正交的方向差。对于这里所需的低级补偿，对排序各向异性的方向是由淀积过程中所施加的磁场设置的。感应出比形状和固有各向异性更强的各向异性的方法包括生长具有优选的结晶朝向的磁性材料和通过某些各向异性膜生长方法来感应(例如，从生长簇或者微晶的形状不对称性)。

在步骤403，所淀积的第一铁磁电极层也被构图并且选择性地蚀刻成具有在不同朝向延伸的长轴的细长的形状。作为这种蚀刻的结果，每个成形的参考层都在期望的钉扎磁化方向的方向中具有优选的形状各向异性方向。但是，由于固有的各向异性，实际的钉扎可能与期望的不同。例如，图5示出了具有与长轴506正交的期望钉扎(方向504)的第一参考层502。但是，实际的钉扎(方向508)与期望的钉扎(方向504)不同。第二参考层512具有与长轴516正交的期望钉扎(方向514)。但是，实际的钉扎(方向518)与期望的钉扎(方向514)不同。为了获得实际钉扎的磁化的真正正交角度，可以从钉扎的磁化关于长轴的经验性预获得结果作出决定，从而允许把构图的细长的形状设置到提供彼此真正正交角度的方向中。图6中所示的参考层602、612的构图(步骤33)可以通过修改长轴606、616之间的角度来调整，这种修改导致实际的钉扎(方向608、618)象所期望的那样(方向604、614)正交。

在步骤404，对于例如PtMn等当温度跨过其转变温度时承受相变的材料，在存在以用于不同参考层的不同期望钉扎磁化方向之间的方向施加的定向场的情况下，蚀刻后的参考层在钉扎转变温度之下被加热或者退火。例如，如果形成两个正交定向的钉扎层，则所施加的定向场可以在正交钉扎层期望的朝向之间的一半定向。更一般地来说，所施加的定向场应当定向为使得其在用于参考层的每个期望钉扎方向的方向中包括场分量。用于形成参考层的材料的属性将控制热量如何施加。加热步骤应当被控制，使得成形的参考层的磁化不用遵循外部的磁场。

在步骤405，除去定向磁场，并且在步骤406，等于或高于钉扎转变温度的退火温度维持预定的持续时间(例如，两个小时)。在缺少所施加场的情况下，高纵横比构图提供了迫使在成形后的参考层中所施加的磁化沿该成形后的参考层相应的各向异性轴松弛的形状各向异性。这种所施加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7示出了第一和第二参考层702、704，每个层分别具有松弛偏好(方向)706、708。补偿场710的施加克服了由固有各向异性与磁体残余场的组合所提供的影响，这导致实际的钉扎712、714在期望的方向中指向并且彼此正交。

在步骤407，晶片然后在零(或者补偿)场中冷却，从而参考层中形状感应的磁化被钉扎，由此提供参考层的多朝向。在零或小补偿场中获得形状感应的磁化之后，通过在钉扎温度之下冷却参考层，参考层的磁化被钉扎，并且将在其相应的方向中保持严格地钉扎，至少对于一般施加的场强度是这样。

概括地说，在期望的正交方向中钉扎的磁化可以通过应用在淀积过程中修改固有的各向异性、在构图过程中关于彼此定位长轴和在钉扎退火过程中施加补偿场中的一个或多个来微调。

第二种示例实施方式在图8中示出。步骤801、802、803、805、806和807类似于图4的401、402、403、405、406和407。但是，步骤804描述了在存在在第一和第二朝向之间的方向中所施加的定向场的情况下在反铁磁层阻碍温度之上的退火。这个处理适用于没有相变的材料，例如IrMn，但是具有控制钉扎发生的阻碍温度。退火步骤806可以在阻碍温度之上实现。

利用在此所公开的技术，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116-119，第一和第二差分传感器(例如，图1中所示的传感器101、111)可以在单块集成电路上一起制造。这些技术可以进一步利用对一个示例处理流的描述来示出，这个处理流从图9开始，图9绘出了多传感器结构的部分横截面视图，其中MTJ传感器层堆叠960、970、980已经在衬底940和底部的绝缘层950之上形成。当传感器要与半导体电路系统集成时，由本领域技术人员已知的方法产生的、通过绝缘层950的导电通路将把传感器的导电部分连接到衬底940中的底层电路系统。依赖于所制造晶体管设备的类型，衬底940可以实现为体硅衬底、单晶硅(掺杂的或者未掺杂的)或者任何半导体材料，包括例如Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge、GaAs、InAs、InP，及其它III-IV族化合物半导体或者其任意组合，并且可以可选地作为主体处理晶片形成。此外，衬底940可以实现为绝缘体上半导体(SOI)结构的顶部半导体层。尽管没有示出，但是一个或多个电路元件可以在衬底940上或者其中形成。此外，底部绝缘层950是通过利用化学汽相淀积(CVD)、等离子增强化学汽相淀积(PECVD)、物理汽相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、离子束淀积(IBD)、热氧化或者以上所述技术的组合在半导体衬底940之上淀积或者生长电介质(例如，二氧化硅、氧氮化物、金属氧化物、氮化物，等等)形成的。

在底部的绝缘层950之上，通过淀积(未示出的)第一导电层(以在蚀刻之后充当导电线路)、一个或多个下部铁磁层960(以在蚀刻之后充当下部参考铁磁层)、一个或多个介电层970(以在蚀刻之后充当隧道屏障层)、一个或多个上部铁磁层980(以在蚀刻之后充当上部感测铁磁层)以及(未示出的)第二导电层(以在蚀刻之后充当导电线路)，顺序地形成传感器层堆叠。每个层都可以利用已知的技术，例如CVD、PECVD、PVD、ALD、IBD或者其组合，毯式淀积到预定的厚度。以这种途径，传感器层堆叠覆盖整个晶片，使得堆叠在将形成第一种类型的传感器(例如，x轴传感器)的“传感器1”的区域中形成，并且还在将形成第二种类型的传感器(例如，y轴传感器)的“传感器2”的区域中形成。此外，传感器堆叠可以在将形成具有任何期望朝向的传感器的“其它”区域中形成。

图10示出了在MTJ传感器层960、970、980的堆叠被有选择地蚀刻之后图9之后传感器设备结构的处理，由此定义了用于每个传感器区域中的衬底940之上的残余传感器层的预定形状。可以使用任何期望的构图与蚀刻处理来形成构图的传感器层，包括在上部的铁磁层980之上淀积硬掩膜层(例如氮化硅(未示出))、淀积并构图光致抗蚀剂层(未示出)以便构图所述硬掩膜层、然后利用光致抗蚀剂层(未示出)选择性地蚀刻(例如，利用反应离子蚀刻处理)暴露的传感器层以便形成开口984、985。为了更清晰地看到所述选择性蚀刻处理如何从MTJ传感器层堆叠产生不同的预定形状，参考图11，该图提供了图10中所绘出的传感器设备结构的简化顶视图。如图10和11中所绘出的，传感器层堆叠960、970、980中的开口984、985定义了第一传感器区域中的传感器层962、972、982具有第一形状，该第一形状定向为在针对最终形成的参考层962的期望的钉扎方向具有易轴。以类似的方式，开口984、985定义第二传感器区域中的传感器层963、973、983的形状，使得它们在针对最终形成的参考层963的期望的钉扎方向具有易轴。尽管开口984、985可以用于定义正交定向的形状962、963，但是任何期望的朝向都可以通过适当地构图与控制蚀刻处理来实现。例如，“其它”传感器区域中的传感器层961、971、981可以定义成具有另一种形状，该形状定向为在针对最终形成的参考层961的期望的钉扎方向具有易轴。除了形成又长又窄的形状，也可以提供别的形状，使得每个钉扎参考层都表现得更像单个磁畴。在图11中，在参考层961、962、963中示出了别的形状，它们成形为具有逐渐变细的尖端。

一旦形成了成形的参考层961、962、963，针对参考层的期望的钉扎方向就可以通过首先在存在在参考层961、962、963的朝向之间定向的定向场的情况下加热或者退火晶片，然后在维持高温的情况下除去该场来感应。加热与定向参考层的结果在图12中示出，该图示出了当蚀刻后的参考层961、962、963在存在定向场的情况下被加热时图11之后的传感器设备结构的处理。如图12中所示出的，定向场在针对最终形成的参考层的期望磁化方向之间的方向990中对准。但是，在所述处理的这个阶段，当被充分加热时，参考层961、962、963的磁化(如分别利用磁化向量964、965、966所示出的)遵循外部的磁场990。

图13示出了在除去定向场990并且蚀刻后的MTJ传感器层堆叠冷却之后图12之后的传感器设备结构中的参考层的磁化朝向。通过在零或者小补偿场中冷却晶片，参考层961、962、963的相应的形状提供了使每个参考层的磁化沿期望方向松弛的形状各向异性。如此，第一参考层962的磁化968遵循其形状，使得其与成形的参考层962的期望尺寸(例如，在y轴方向内)对准，由此为最终形成的参考层962形成期望的钉扎方向。以类似的方式，针对最终形成的参考层963的期望钉扎方向是在第二参考层963遵循其形状各向异性(例如，在x轴方向内)的时候感应出来的。当然，任何期望的钉扎方向都可以通过适当地成形参考层来感应，如利用参考层961所示出的，其中磁化967遵循参考层961的形状各向异性(例如，相对y轴成45度)。

图14示出了钉扎与参考层1400的处理，其中层1400是通过蚀刻不平衡的SAF堆叠1410、1420、1430、在存在在参考层的短轴朝向之间定向的定向场的情况下对层1400退火、然后除去该定向场1490(如利用虚线场箭头所指示的)并冷却蚀刻后的MTJ传感器堆叠形成的，由此使得蚀刻后的参考层1410、1420、1430的磁化沿其各自的短轴钉扎。如所示出的，蚀刻后的参考层1410、1420、1430的磁化朝向是沿蚀刻后的参考层的短轴钉扎的。如此，在不平衡的SAF堆叠1410中，参考层磁化1411和钉扎层磁化1412基本上是彼此反平行的并且与蚀刻后的参考层1410的长轴正交。类似地，不平衡SAF堆叠1420中的参考层磁化1421和钉扎层磁化1422基本上是彼此反平行的并且与蚀刻后的参考层1420的长轴正交，而且对于蚀刻后的参考层1430也是一样的。利用图14中所绘出的不平衡的SAF堆叠的实施方式，参考层1410的长轴构图成与用于图13中所示单个参考层961的方向正交，以便提供在参考层1420和1430的正交方向中间的最终参考方向。

为了进一步示出在不同的、最终形成的参考层中多个朝向的结果形成，现在参考图15，该图提供了图13中所绘出的蚀刻后MTJ传感器层堆叠的横截面视图。如图13和15中所绘出的，第一传感器区域中蚀刻后的传感器层堆叠962、972、982具有在第一钉扎方向(例如，“进入”图15的图的平面)钉扎的参考层，第二传感器区域中蚀刻后的传感器层堆叠963、973、983具有在第二钉扎方向(例如，朝向图15的图的平面的“右侧”)钉扎的参考层，并且其它传感器区域中蚀刻后的传感器层堆叠961、971、981具有在另一钉扎方向(例如，相对于图15的图的平面成45度角)钉扎的参考层。

在制造处理的这个时候，每个上部的铁磁层981、982、983(及隧道屏障层)已经选择性地蚀刻成与底层参考层相同的形状。但是，在感测层的最终形状将小于底层钉扎层的情况下，可以使用第二蚀刻序列来定义与上部铁磁层981、982、983的残余部分不同的感测层的最终形状。通过使用构图掩膜与蚀刻处理(例如，反应离子蚀刻)向下除去所有未遮蔽的层并且包括未遮蔽的上部铁磁层，但留下底层成形的钉扎层不变，该第二蚀刻序列定义了用于感测层的高纵横比。为感测层定义的高纵横比形状定向为使得每个感测层都具有形状各向异性轴。换句话说，用于每个感测层的长轴延伸，以便产生期望的易磁化方向轴。

将认识到，附加的处理步骤将用于制造MTJ传感器结构。作为例子，与传统的后端处理(未绘出)一起，可以利用众所周知的技术淀积、构图和蚀刻一个或多个介电、铁磁和/或导电层，一般包括用于以期望方式连接传感器结构以便实现期望的功能的多级互连的形成。如此，依赖于处理和/或设计需求，用于完成传感器结构制造的步骤的具体顺序可以变化。

所公开的制造处理可以用于从仅需要两个不同的钉扎轴的两种差分传感器配置形成磁场传感器，其中所述两个不同的钉扎轴是利用单种材料与退火步骤形成的，而且每个差分传感器都是由电桥结构形成的。所述不同的钉扎轴可以利用不同地成形的钉扎层的形状各向异性结合精心选择的用于在存在适当对准的定向场情况下加热参考层的处理获得。

到现在为止，应当认识到，已经提供了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制造其的方法。如所公开的，提供半导体衬底与第一绝缘层，并且在所述第一绝缘层上形成传感器层堆叠，其中所述传感器堆叠包括利用反铁磁材料(例如，IrMn或者PtMn)形成的可选的钉扎层、在所述钉扎层和第一绝缘层之上形成的参考层、在所述参考层上形成的非磁性中间层及在所述非磁性中间层上形成的第二铁磁层。为了确保钉扎的磁化是正交的，固有的各向异性可以可选地以预先确定的方式被修改。传感器堆叠被选择性地蚀刻，以形成第一和第二蚀刻电极堆叠，其中第一电极堆叠具有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设置第二参考方向的第二形状各向异性。为了确保钉扎的磁化是正交的，长轴可以在非正交的角度形成。在蚀刻电极堆叠之后，基本与衬底平行地施加定向场并且定向场在所述第一和第二参考方向之间定向，直到第一和第二电极堆叠的每个参考层都具有在预定方向对准的磁化。通过除去该定向场，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每个参考层的磁化方向都可以分别沿该第一和第二电极堆叠的较长(或者较短)轴的维度设置。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)正交的地方，定向场可以在相对于第一参考方向和第二参考方向都偏移45度的角度与衬底基本平行地施加。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)小于180度的其它实施方式中，定向场可以在相对于第一参考方向和第二参考方向都相等偏移的角度与衬底基本平行地施加。更一般地说，定向场可以在沿两个或更多个参考层方向中的每一个具有场分量的角度与衬底基本平行地施加。定向场的施加可以通过加热处理实现，由此第一和第二电极堆叠在升高的温度被加热。为了确保钉扎的磁化是正交的，在该退火过程中可选地施加补偿场。在除去所述定向场之后的冷却处理沿第一形状定义的轴设置第一电极堆叠中的参考层的磁化，并且沿第二形状定义的轴设置第二电极堆叠中的参考层的磁化。例如，在所选的实施方式中，通过在高于第一和第二电极堆叠中所形成的第一和第二反铁磁钉扎层的阻碍温度的升高的温度在定向场中分别加热第一和第二电极堆叠，可以实施加热步骤，在这种情况下，定向场的除去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。附加地或者另选地，第一和第二电极堆叠可以在除去所述定向场之后分别在等于或者高于第一和第二电极堆叠中所形成的第一和第二反铁磁层的反铁磁晶相形成温度被加热。通过随后冷却所述第一和第二电极堆叠，第一电极堆叠中的钉扎层的磁化沿第一形状定义的轴被钉扎，而第二电极堆叠中的钉扎层的磁化沿第二个不同形状定义的轴被钉扎。

在另一种形式中，提供了具有两个或者更多个参考方向的、基于铁磁薄膜的磁场传感器及制造其的方法。如所公开的，参考层结构是在衬底之上形成的并且与衬底绝缘，其中该参考层结构包括利用由分隔层隔开并且具有不同磁矩的第一和第二铁磁体层形成的不平衡的合成反铁磁体。为了确保钉扎的磁化是正交的，固有的各向异性可选地可以以预先确定的方式被修改。在所述不平衡的SAF下面还可以有利用反铁磁材料(例如，IrMn或者PtMn)形成的钉扎层。参考层结构被选择性地蚀刻，以形成第一和第二蚀刻电极堆叠，其中第一电极堆叠具有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设置第二参考方向的第二形状各向异性。为了确保钉扎的磁化是正交的，长轴可以非正交的角度形成。在蚀刻电极堆叠之后，定向场基本上与衬底平行地施加并且在第一和第二参考方向之间定向，直到第一和第二电极堆叠中的每一个(例如，每个堆叠中的SAF)都具有在预定方向对准的磁化。通过除去该定向场，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层的磁化。例如，第一和第二电极堆叠中的第一和第二铁磁层中每一层的磁化方向都可以分别沿第一和第二电极堆叠的较长(或者较短)轴的维度设置。为此，第一电极堆叠具有第一形状各向异性，其中第一较长(或者较短)轴维度与第一参考方向对准，并且第二电极堆叠具有第二形状各向异性，其中第二较长(或者较短)轴维度与第二参考方向对准。更一般地说，定向场可以在沿两个或者更多参考方向中的每一个具有场分量的角度基本上与衬底平行地施加。定向场的施加可以通过加热处理实现，由此第一和第二电极堆叠在升高的温度被加热，并且在除去该定向场之后施加冷却处理，以便沿第一形状定义的轴在第一电极堆叠中设置不平衡的合成铁磁体的磁化，并且沿第二个不同形状定义的轴在第二电极堆叠中设置不平衡的合成铁磁体的磁化。例如，在所选的实施方式中，通过在定向场中以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阻碍温度之上的升高的温度加热第一和第二电极堆叠，可以实施加热步骤，在这种情况下，定向场的除去允许第一形状各向异性设置第一电极堆叠中钉扎层的磁化，并且允许第二形状各向异性设置第二电极堆叠中钉扎层的磁化。附加地或者另选地，第一和第二电极堆叠可以在除去所述定向场之后分别在等于或者高于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反铁磁晶相形成温度的温度被加热。为了确保钉扎的磁化是正交的，在该退火过程中可选地施加补偿场。通过顺序地冷却第一和第二电极堆叠，第一电极堆叠中钉扎层的磁化沿第一形状定义的轴钉扎，而第二电极堆叠中钉扎层的磁化沿第二个不同形状定义的轴钉扎。

在又一种形式中，提供了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，及关联的制造方法。所如公开的，该传感器包括在衬底之上形成并与其绝缘的第一和第二传感器层堆叠。所述第一和第二传感器层堆叠每个都包括在第一绝缘层之上形成的参考层，并且每个还可以包括与相应的参考层相邻的反铁磁层。在所选的实施方式中，第一和第二参考层中的每一个都实现为利用由分隔层隔开的第一和第二铁磁体层形成的不平衡的合成反铁磁体，其中第一和第二铁磁体层具有不同的磁矩。此外，第一和第二铁磁体层每个都可以具有分别沿第一和第二参考层的短(或者长)轴对准的磁化。如所形成的，第一电极堆叠具有定义用于第一参考层的第一参考方向的第一形状各向异性，并且第二电极堆叠具有定义用于第二参考层的第二参考方向的第二形状各向异性，其中第二参考方向与第一参考方向不同。为了确保钉扎的磁化是正交的，至少一个固有的各向异性以预定的方式被修改，而且所述长轴是以非正交的角度形成的。

尽管在此所公开的所述示例实施方式针对各种传感器结构及用于制造其的方法，但本发明不一定限于所述示例实施方式，这些示例实施方式说明了本发明可以适用于很多种半导体处理和/或设备的创新性方面。如此，以上所公开的特定实施方式仅仅是说明性的，而不应当看作是对本发明的限制，因为本发明可以以对受益于本文教导的本领域技术人员来说显而易见的不同但等效的方式修改和实践。例如，传感器结构中的感测和钉扎层的相对位置可以颠倒，使得钉扎层在上面，而感测层在下面。而且，感测层和钉扎层可以利用与所公开的那些不同的材料形成。而且，所述层的厚度可以偏离所公开的厚度值。相应地，以上所述不是要把本发明限定到所阐述的特定形式，相反，是要覆盖可以包括在由所附权利要求定义的本发明主旨与范围内的这种替代、修改与等价物，因此，本领域技术人员应当理解，在不背离本发明最广义主旨与范围的情况下，他们可以进行各种改变、替换和变更。

以上已经关于具体实施方式描述了益处、其它优点及对问题的解决方案。但是，所述益处、优点、对问题的解决方案及可以使任何益处、优点或者解决方案出现或者变得更明确的任何要素都不应当看作任何或者全部权利要求的关键、必需或者根本特征或要素。如在此所使用的，术语“包括”、“包含”或者其任何变体都是要覆盖非排他性的包括，使得包括一列要素的处理、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或者这种处理、方法、物品或装置固有的其它要素。

尽管在前面的具体描述中给出了至少一种示例实施方式，但是应当认识到，存在大量的变体。还应当认识到，所述示例实施方式仅仅是例子，而不是要以任何途径限制本发明的范围、适用性或者配置。相反，以上的具体描述将为本领域技术人员提供实现本发明示例实施方式的方便的路标，应当理解，在不背离如所附权利要求所阐述本发明范围的情况下，可以对示例实施方式中所述要素的功能和布置进行各种变化。

Claims (4)

1.一种基于铁磁薄膜的磁场传感器，其中所述磁场传感器包括两个或更多个参考层磁化方向，所述磁场传感器包括：

衬底；

在所述衬底之上的第一绝缘层；

在所述第一绝缘层之上的第一传感器层堆叠，所述第一传感器层堆叠包括在所述第一绝缘层之上的第一参考层；以及

在所述第一绝缘层之上的第二传感器层堆叠，所述第二传感器层堆叠包括在所述第一绝缘层之上的第二参考层；

其中所述第一电极堆叠具有定义用于所述第一参考层的第一参考方向的第一形状各向异性，并且所述第二电极堆叠具有定义用于所述第二参考层的第二参考方向的第二形状各向异性，其中所述第二参考方向与所述第一参考方向不同，其中所述第一参考层和所述第二参考层分别具有第一长轴和第二长轴，所述第一长轴和所述第二长轴定位成确保所述第一参考方向和所述第二参考方向是彼此正交的；以及

以下中的至少一个：

所述第一参考层和所述第二参考层都具有被修改过的各向异性；及

所述第一长轴和所述第二长轴是以非正交的角度设置的。

2.如权利要求1所述的基于铁磁薄膜的磁场传感器，其中所述第一参考层和所述第二参考层每个都包括利用由分隔层隔开的第一铁磁体层和第二铁磁体层形成的不平衡的合成反铁磁体，其中第一铁磁层和第二铁磁层具有不同的磁矩。

3.如权利要求2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层每个都具有分别沿所述第一参考层和所述第二参考层的短轴对准的磁化。

4.如权利要求1所述的基于铁磁薄膜的磁场传感器，其中所述第一传感器层堆叠和所述第二传感器层堆叠每个都包括分别与所述第一参考层和所述第二参考层相邻的反铁磁层。

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