CN107003365B - 用于制造磁场传感装置的方法和设备以及相应的磁场传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于永久磁化施加在芯片基板(12)上的磁场传感装置(10)中的至少一个铁磁层的方法和装置。所述方法包括步骤：‑在芯片基板(12)上制造至少一个磁阻元件(14)；‑在所述芯片基板(12)上施加至少一个软磁结构元件(18)；‑将所述磁阻元件(14)加热到所述反铁磁层的材料的所述阻挡温度之上，并且施加预处理磁场(38)；‑将所述磁阻元件(14)冷却至低于所述阻挡温度；‑移除所述预处理磁场(38)。根据本发明，所述软磁结构元件(18)被布置成使得，所施加的预处理磁场(38)基本上垂直于芯片基板表面(36)穿透所述软磁结构元件(18)，并且在所述磁阻元件(14)的位置处产生平行于所述芯片基板表面延伸的磁场分量，所述磁场分量穿透所述磁阻元件(14)的所述铁磁层的至少一部分。

Description

用于制造磁场传感装置的方法和设备以及相应的磁场传感 装置
本发明涉及一种用于制造磁场传感装置的方法和设备，以及通过根据本发明的方法制造的磁场传感装置。特别地，本发明旨在永久磁化沉积于芯片基板的磁场传感装置中的至少一个铁磁层，特别是同时磁化在两个或更多个方向上的多个相邻的铁磁层，从而提供具有高灵敏度和改进质量的磁场传感装置。
背景技术
磁阻传感装置用于基于电阻测量磁场，并由此用于间接测量例如距离、角度或电流强度等其它物理量。这种传感装置基于通过施加外磁场而导致芯片结构的电阻变化的磁阻效应。基于巨磁阻效应(GMR效应)或隧道磁阻效应(TMR效应)的磁场传感装置近来被越来越多地使用。这些磁场传感装置包括非磁性和磁性材料的薄膜结构，其中磁耦合或自旋效应影响通过层的电阻。在基于GMR和TMR的磁阻层系统中分别可以实现电阻基于外磁场高达5％(GMR)或高达600％(TMR)的变化。为了制造TMR传感器，形成构成隧道势垒的至少两个铁磁体和一个绝缘层的层结构，使得电子能够穿过两个铁磁层之间的绝缘层。在TMR传感器的情况下，该绝缘层例如为Al2O3或MgO；在GMR传感器的情况下，常常使用例如Cu或Ru的薄导电层。隧道元件的电阻取决于两个铁磁层如何相对于彼此磁化。如果两个铁磁层彼此平行磁化，则电阻最小。如果两个铁磁层彼此反平行磁化，则电阻最大。在实践中，两个铁磁层之一的磁化方向通常是固定的(钉扎(gepinnt))，使得该层的磁化对外磁场不响应或仅作出弱响应。该层称为参考层，也称为钉扎层或永久磁化层。相反，另一层被形成为使得其磁化以限定的方式遵循外磁场。该层称为检测层或自由层。通过分成对外磁场进行不同响应的参考层和检测层，可以在改变外磁场时获得电阻的变化并实现感知装置。电阻依赖性与检测层(也称为“自由层”)的磁化方向和参考层(所谓的“固定层”)的磁化方向之间的角度相关。
薄膜技术被用于制造这种结构。在制造方法的框架内，参考层的磁化方向可以永久地设定，这通常被称为钉扎。为了钉扎铁磁层(也被称为参考层)，该铁磁层通常耦合到反铁磁性的相邻层。为了设定磁化方向，将电阻元件加热到所谓的阻挡温度(在该阻挡温度下，反铁磁层与铁磁层之间的交换耦合消失)以上的温度，并且该温度通常小于铁磁层的居里温度。在加热到高于阻挡温度并且低于居里温度之后，铁磁层受到外磁场的作用，该外磁场迫使铁磁层获得限定的磁化方向。当反铁磁层在施加磁场时冷却至低于阻挡温度时，该磁化方向得以保持。
非常希望能够在一个芯片基板上单独且彼此独立地设置不同的钉扎方向，从而可以指定多于一个的单一钉扎方向。惠斯通电桥尤其在传感技术方面非常有用。在这里，理想的是惠斯通电桥的四个分支形成相同并且仅在钉扎方向上不同。
从现有技术中已知用于制造提供磁阻传感器的钉扎结构的多种不同的解决方案。例如，DE 10 2012 208 882描述了形成平面于(planar zu)芯片基板表面的磁场，以使得能够在整个芯片基板上提供均匀的钉扎方向。以类似的方式，在DE 11 2009 001 140中，在介于200℃和350℃之间的温度下平行于芯片表面施加外磁场，以便预设铁磁层。例如，在US 6501 678 B1中，提出了一种能够在芯片基板内提供复杂(komplexe)磁场定向的磁印(magnetfeldstempel)。
存在一些作为这些的替代方案的制造方法，在这些制造方法中，电流导体被提供在芯片基板表面上或沉积在其上很短时间，以使得借助于电流能够产生各种局部磁场，由此能够实现铁磁层的磁化。例如，WO 96/38738描述了借助于电流导体来施加
Figure GDA0002169005380000021
钉扎(pinning)电流，以便实现单个层带的磁化。DE 195 20 206还提出了一种传导层以携带设定电流，以便能够预先设定钉扎方向。最后，US 5 561 368和DE 11 2010 003 705还提出了复杂的载流元件，以能够在芯片基板上施加不同的钉扎方向。在DE 195 20 206中还讨论了，借助于激光器的局部加热同时通过导体轨道施加磁化方向，以使得能够在磁场传感装置中提供复杂的钉扎图案。
一种用于钉扎基于GMR或TMR的电阻元件的方法，其中，首先将作为通量集中元件的软磁结构元件布置在电阻元件附近，并且平行于芯片表面耦合钉扎磁场，使得配备有软磁结构元件的所有电阻元件沿相同的磁场方向被钉扎。
从US 8 715 776 B2可以看到通用的钉扎方法，其中，由绝缘层隔开的电阻元件被硬磁性层覆盖或界定，以便在相反的极化中沿磁化方向实现交替钉扎。预处理磁场再次平行于芯片基板表面被耦合。
JP 2010 066 262A和并行专利DE 10 2008 041 859A涉及一种用于测量垂直于芯片基板表面的测量磁场分量的磁传感装置，其中，提供了一种通量集中元件，从而当垂直磁场分离彼此反平行地耦合时，在芯片基板表面中产生可由磁阻电阻元件检测的磁场分量。
在US 2006 0226 940中描述了用于GMR电阻元件的钉扎方法，其中，将芯片基板插入超导电流线圈的中心，同时其芯片基板表面平行于线圈的磁场轴线，以便限定平行于基底表面的电流线圈预处理磁场的钉扎轴线。
US 2011 0151 589A1公开了在两个正交方向上的电阻元件的钉扎方法，其中，具有预定长宽比的矩形电阻元件以正交行布置在芯片基板上，并且平行于芯片基板排列的预处理磁场以与正交轴成45°的钉扎角度耦合，以便在正交方向上钉扎正交电阻元件行。
从现有技术中已知的用于局部钉扎磁阻电阻结构的层带的上述方法具有的缺点是：当平行于芯片基板表面施加外部磁场时，所有电阻元件都以相同的方向被钉扎，或者，为了提供不同的方向，必须施加非常复杂的导体结构，以便通过钉扎设置电流实现磁化。如果提供钉扎导体结构，则在制造过程中必须有电气连接，使得必须进行额外的处理步骤并因此必须花费高成本来制造这种传感器。
因此，已知的制造方法具有以下事实：在大面积和单向上获得相对均匀的钉扎只能以很大的成本实现，因此所得传感器具有低的分辨率精度、高的制造成本和高的制造支出。
从上述现有技术出发，问题在于利用有效的成本制造高质量和微型化的磁阻传感元件。这可以实现，因为参考层具有易于制造的不同钉扎磁化方向。本发明的另一个目的在于提供一种精确和高度集成的传感元件，从而例如可以在单个芯片基板上测量2D或3D方向上的磁场。
该目的通过根据独立权利要求的制造方法和制造设备来实现。根据另一独立的主权利要求可以据此制造磁阻传感装置。随后的从属权利要求中描述了有利的发展。
发明内容
根据本发明，提出了一种用于制造磁阻传感装置的方法，其中执行以下步骤以便钉扎(即永久磁化)沉积在芯片基板上的磁场传感装置中的至少一个铁磁层：
-在芯片基板上制造至少一个磁阻元件，所述至少一个磁阻元件包括至少一个铁磁层和至少一个反铁磁层，其中，交换耦合在铁磁层和反铁磁层之间进行，所述交换耦合在达到阻挡温度时消失；
-在所述芯片基板上沉积至少一个软磁结构元件，所述至少一个软磁结构元件邻近或部分叠盖(überlappend)所述磁阻元件；
-将所述磁阻元件加热到所述反铁磁层的材料的所述阻挡温度之上，并且耦合预处理磁场；
-将所述磁阻元件冷却至低于所述阻挡温度；
-移除所述预处理磁场。
在第一步骤中，在芯片基板上沉积至少一个(特别是多个)具有自由层和参考层的磁阻元件(优选GMR磁阻元件或TMR磁阻元件)，其中，参考层由至少一个铁磁层组成，该至少一个铁磁层通过直接交换耦合耦合到相邻的反铁磁层。此外，在与磁阻元件相邻或部分叠盖的芯片基板表面上沉积至少一个软磁结构元件(例如石印构建的镍-铁合金)。这种沉积可以例如通过电沉积、溅射、气相沉积法或从芯片结构已知的类似措施在芯片基板上进行。为了排列铁磁层，应施加大于阻挡温度的温度，使得铁磁层和反铁磁层之间的相互交换作用消失。铁磁层下面将不再被相邻的反铁磁层钉扎，而以与自由层类似的方式起作用。之后是外部磁场的耦合，(其在下文中被称为预处理磁场)，其中，该预处理磁场的场线由软磁结构元件引导，使得它们可以在适当位置处出现在磁阻元件中，从而基于软磁结构元件的几何结构来影响铁磁层的可调磁化。
根据本发明，预处理磁场被耦合至垂直于芯片基板表面的软磁结构元件。与芯片基板表面的法线高达45°的角度也可以假定成预处理磁场的最大分量。之后通过将磁阻元件冷却到阻挡温度以下和移除预处理磁场，使得磁化固定，由此完成铁磁层的钉扎。
可选地，在钉扎操作完成之前，可以例如通过蚀刻、溅射或类似的选择性材料去除方法，从芯片基板去除软磁结构元件。然而，该软磁结构元件也可以仍然保留在芯片基板上，以便例如用作导体元件，通量引导元件或类似的元件。
根据软磁结构元件的边界的形状，可以通过软磁结构元件的杂散磁场来实现钉扎磁场的任何期望的排列，以使分立的铁磁层能够在各个方向上钉扎。这使得可以设置任意的钉扎方向。为了钉扎，传感元件作为整体可以受到尽可能均匀的外部磁场(＝预处理磁场)的作用，其中可以通过结构元件的极或边界边缘来设置单独的局部磁化方向。软磁结构元件可以在施加钉扎磁场之后去除，并且可以优选地由镍铁组成。可以在磁阻元件和软磁结构元件之间提供绝缘层，例如具有30nm至5μm的相对小的厚度的SiN。
由于石印制造方法，软磁结构元件可以具有任意延伸表面和任意结构的边界表面，钉扎杂散磁场从该边界表面出现。由此可以在单一的处理步骤中预设惠斯通测量桥结构的不同钉扎方向。因此，可以建立惠斯通电测量桥的磁阻元件(例如相互交叉(interdigital)和空间上相邻)，使得芯片结构上的材料的不均匀性由于测量结构的相应的磁阻元件在空间上的紧密布置而彼此补偿。事实上，这补偿了温度依赖的缺陷或材料缺陷，并提高了精度。单一软磁结构元件可以形成使得它可以同时钉扎两个或更多个TMR或GMR磁阻元件。
根据本发明，软磁结构元件被布置成使得预处理磁场在垂直于芯片基板表面的软磁结构元件中被耦合，并且在磁阻元件的位置处还产生平行于芯片基板表面的磁场分量，该磁场分量至少在一些区域中穿透磁阻元件的铁磁层。因此，预处理磁场可以是均匀磁场，该均匀磁场垂直于芯片基板表面产生，并且由于磁场引导特性和软磁结构元件的几何设计，还以平行于芯片基板表面的杂散磁场的形式出现在边界边缘处，并对相邻的磁阻元件实施钉扎。这使得能够在磁阻元件中提供任何期望的钉扎方向，从而使单一软磁结构元件可以同时钉扎多个磁阻元件。
在有利的发展中，两个或更多个磁阻元件可以与软磁结构元件相关联，以便在平行于芯片基板的相同方向上对磁阻元件的至少一个铁磁层进行磁化。或者，两个或更多个磁阻元件可以与软磁结构元件相关联，以便在平行于芯片底板基板表面的相反方向上对磁阻元件的至少一个铁磁层进行磁化。因此，两个或更多个磁阻元件可以同时与软磁结构元件相关联，其中通过形成软磁结构元件的磁极来实现沿相同方向或不同方向(特别是反平行方向)的钉扎。软磁结构元件的两个相反的极由此可以产生成180°出现的杂散磁场线，从而能够同时钉扎两个磁阻元件，这两个磁阻元件例如与惠斯通测量桥的下半桥或上半桥相关联。当反向被钉扎的磁阻元件在空间上相邻时，芯片基板中的温度漂移或材料缺陷会产生相同的电阻变化，使得它们在测量桥中彼此补偿，从而最小化桥接偏移。偏移最小化导致磁场传感测量桥的精度提高。特别地，在TMR磁阻元件的情况下，隧道势垒的均匀性是制造方法的弱点。因为隧道势垒的层厚是以指数方式包含在隧道元件的电阻中，所以在惠斯通电桥中，层厚的微小变化都会导致桥的相对较大的偏移值。因为空间接近度的原因，阻挡层厚度的变化会最小并且桥接支路会具有尽可能相似的结构特征，所以为了最小化该偏移问题，有利的是将两个桥接分支在空间上尽可能地靠近布置。
有利地，根据软磁结构元件的轮廓的形状和磁阻元件相对于软磁结构元件的空间位置，磁阻元件的铁磁层的设定磁化方向可以彼此平行或反平行。
在有利的实施例中，可以使用至少两个或更多个磁阻元件来形成惠斯通测量桥，优选地形成惠斯通测量桥的至少一个上桥臂或下桥臂。为此，特别地，可以方便地使用用于钉扎上桥臂的一个软磁结构元件和用于钉扎下桥臂的一个软磁结构元件，或者提供具有不同的成形极的共同软磁结构元件，以同时钉扎上桥臂和下桥臂的磁阻元件。优选地，形成上桥臂的磁阻元件和形成下桥臂的磁阻元件在空间上彼此靠近地布置在芯片基板上。
有利地，磁阻元件以这样的方式对准，使得它们形成GMR层系统。GMR层系统(巨磁阻层系统)是指由非磁金属层隔开的至少两个铁磁层构成的结构。间接交换系统(所谓的RKKY相互作用耦合)在两个铁磁层之间作用。GMR磁阻元件的电阻取决于铁磁层的磁化方向之间的角度。
或者，磁场传感装置还可以包括形成隧道电阻层系统(TMR层系统)的磁阻元件。TMR系统基于在两个铁磁层之间提供0.5至3nm的层厚的薄绝缘体，使得电子可以在铁磁层之间穿隧(tunnel)。因此，所提出的制造方法可以特别容易且成本有效地用于制造GMR或TMR磁场传感器。这使得能够制造用于罗盘应用或距离测量装置、角度测量装置或类似装置的磁场传感装置。
在有利的发展中，软磁结构元件的至少一个边界边缘可以大致平行或相切于磁阻元件的边界边缘，其中磁阻元件至少在一些区域被软磁结构元件叠盖或被其包围，并且叠盖的量值为5μm或更小。因此，建议提供软磁结构元件的至少一个边界边缘与磁阻元件的轮廓平行或相切，使得由软磁结构元件引导并在边界边缘处出现的磁场能够直接进入磁阻元件，并且因此可以对铁磁层产生高的钉扎效果。这使得能够提高来自软磁结构元件的钉扎磁场与磁阻元件的耦合，以及实现铁磁层的可靠排列。
在有利的发展中，预处理磁场可以基本垂直于芯片基板表面来穿透芯片基板，其中，在软磁结构元件的边界边缘区域中的杂散磁场基本上平行于芯片基板表面排列或具有足够强的平行于芯片基板表面的分量。因此，磁场线也可以与芯片基板表面成高达45°的角度排列。本发明提出了预处理磁场可以通过垂直于芯片基板的软磁结构元件排列，其中在边界边缘的区域中，杂散磁场平行于芯片基板散射，并且将磁性相反极布置在芯片基板的下面，使得杂散场仅具有局部有限效应，并且通过芯片基板被引导到磁场产生装置的相反极上。以这种方式，可以通过软磁结构元件产生许多不同的彼此紧密相邻的排列杂散场，以使得能够在芯片上高密度地提供不同的钉扎方向。
根据有利的发展，软磁结构元件可以以这样的方式形成，使得出现的杂散磁场的通量密度优选地由软磁结构元件中的凸极靴或通量引导切口引导和放大。本发明提出了沿着边界边缘以及在面向芯片基板表面的表面形成软磁结构元件，使得能够形成凸极靴或者提供诸如边缘、台阶或圆形的通量引导切口，以便特别引导和捆束软磁结构元件内的磁场，以使在所需边界边缘处能够出现高杂散场。这使得在边界边缘处可以产生相对高的钉扎磁场强度，实现高且稳定质量的可靠钉扎。
在有利的发展中，磁阻元件可以通过绝缘层(特别是通过厚度为30nm至5μm的SiN或Al2O3层)与软磁结构元件隔离。由于芯片基板(特别是磁阻元件)和软磁结构元件之间的中间绝缘层，软磁结构元件的沉积被简化，特别地，当完成钉扎时，软磁结构元件可以很容易地被移除，而不会损坏磁阻元件或芯片基板。这可以防止污染和损坏芯片基板。具有30nm至5μm的较小厚度(最大至10μm)的SiN层或Al2O3层可以很容易地被沉积，并且在沉积之前和期间以及在去除软磁结构元件时保护磁场传感芯片。
在有利的发展中，可以优选通过用于构造单独的软磁结构体的电镀(electrogalvanisches)或气相沉积法和石印构造法，通过在芯片基板上沉积或构建软磁材料层(特别地具有层厚1,000nm至20μm的NiFe)来制造软磁结构元件。在电镀技术(Galvanik)中，通常首先沉积在其上沉积有图片结构(Photostruktur)的种子层(Seedlayer)。之后，通过镀层沉积结构体，然后除去种子层。本发明提出了通过沉积(特别地通过石印构造法和电镀沉积或气相沉积)具有1000nm至20μm的层厚的NiFe来沉积软磁结构元件。此时，在大面积沉积之后，可以进行石印构造以形成单独的结构体，并且例如形成限定的极靴或类似物以及软磁结构元件的边界轮廓的所需形状。这使得能够使用成熟的技术来沉积软磁结构元件，这些成熟的技术可以很容易地并入已经存在的制造过程中，而无需更高的成本和较多的时间支出。
有利地，在钉扎过程完成时，软磁结构元件可以从芯片基板移除。之后，软磁结构元件仅用作制造和牺牲层，其可以在耦合钉扎磁场之后随后被去除，而不会留下残留物。因此，该传感结构没有限制，可以选择磁场传感结构的设计和形状，而不管耦合软磁结构元件的形状如何。软磁结构元件的形状由此可以最佳地被选择用于钉扎磁场的耦合过程，而不必折中软磁结构元件的进一步使用。
在协同方面，本发明涉及一种用于磁场预处理沉积在芯片基板上的磁场传感装置的磁阻元件的磁场预处理装置。该磁场预处理装置包括炉和磁场产生装置，该磁场产生装置具有位于炉内部的极面和极性相反的极面，其中至少一个软磁结构元件的至少一个芯片基板可以放置在极面和极性相反的极面之间，以便通过垂直于芯片基板表面对准的预处理磁场，来实现布置在芯片基板上的磁阻元件的磁场预处理(特别是钉扎)。优选地，多个芯片基板或晶片被同时钉扎。炉适用于设置高于阻挡温度但低于磁阻元件单独层带的居里温度的温度，以通过施加外部预处理磁场来实现钉扎。磁阻元件在芯片基板表面上的沉积后，接着在磁场预处理装置内进行加热和钉扎。该预处理磁场可以在整个加热和冷却过程中施加，或者可以在达到预定的温度时选择性地开启，并且在降到另外的预定温度时关闭。或者，可以从磁场装置去除要被钉扎的芯片基板或晶片，以便去除外部钉扎磁场。之后可以移除软磁结构元件，并且在进一步的处理步骤中完成磁传感装置。
在有利的发展中，磁场产生装置可以包括布置在炉中的永磁体，其中可以通过永磁体和极面与极性相反的极面之间的可调气隙来设定预处理磁场的强度，可调气隙可以通过气隙调节装置来调节。如果由永磁体提供预处理磁场，那么这种磁场产生装置可以在任意一个炉中使用，而不必提供额外的电源。在这种情况下，可以借助气隙调节装置，通过调节气隙来设定磁场强度。在加热和冷却过程中永久地施加磁场，该磁场的强度可以例如通过改变气隙来改变。将具有软磁结构元件的预制芯片基板放置在极面与极性相反的极面之间，其中将炉加热到高于反铁磁层的阻挡温度的温度，并保持该温度低于铁磁层的居里温度，使得可以实现磁场传感装置的可靠钉扎。
最后，在本发明的另一协同方面，提出了一种用于检测外部磁场的至少一个分量的磁场传感装置，该磁场传感装置包括至少一个磁阻元件。该磁场传感装置根据上述制造方法的可能实施例之一制造。
附图说明
从所述附图说明可以看出进一步的优势。本发明的示例性实施例在附图中示出。附图、说明书和权利要求组合包含许多特征。有利地，本领域技术人员还会单独考虑这些特征并将它们组合以形成有意义的进一步组合。
在图中：
图1a以立体图示出了根据本发明的制造方法的制造步骤的第一实施例；
图1b示出了根据本发明的方法的制造步骤的用于钉扎电阻结构的杂散磁场；
图2示出了用于在根据本发明的方法的实施例中使用的软磁结构元件的不同视图；
图3示出了具有用于制造根据本发明的测量装置的软磁结构元件的芯片结构；
图4示出了根据本发明的测量装置的实施例的电路原理图和芯片结构；
图5示出了有利于该方法的示例性层结构的示意图；
图6示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的磁场预处理装置的实施例；
图7以立体图示出了根据本发明的磁性预处理装置的实施例；
图8以侧视图示出了根据本发明的不同实施例的钉扎步骤；
图9示出了在根据本发明的方法的实施例的框架内，软磁结构元件沉积后的结构构造(Strukturierungsaufbaus)的截面图。
在图中，相同的元件用相同的附图标记。
图1中示出了钉扎磁场传感装置10的磁阻元件14的立体示意图。磁场传感装置10包括其上布置有磁阻元件14的芯片基板12。磁阻元件14由多个单一、薄的铁磁和反铁磁层组成，这些铁磁和反铁磁层彼此堆叠并且可以被连接以形成惠斯通测量桥。垂直于芯片基板12的芯片基板表面36布置(eingesetzt)的预处理磁场HZ 38用于磁阻元件14的铁磁层的磁场预取准(Vorausrichtung)(即所谓的钉扎)。预处理磁场HZ38由磁极(未示出)发送、穿透芯片基板12、并被布置在芯片基板12下方的极性相反的磁极面58再一次吸收。预处理磁场HZ 38垂直地穿透软磁结构元件18，该预处理磁场HZ 38与结构层表面44成直角排列。软磁结构元件18引导预处理磁场38，使得由于与芯片基板的距离和通过磁阻元件14磁导率的增加，该预处理磁场38能够出现在平行于芯片基板表面36的边界边缘20处并穿透磁阻元件14。特别地，因为设定温度高于磁阻元件的反铁磁层的阻挡温度，由此能够提高通过磁阻元件14的通量制导，所以可以提高磁阻元件14的穿透性。软磁结构元件18的边界边缘20与磁阻元件14的边界边缘22叠盖。
图1b示出了相应磁场的截面图，其中示出了受磁阻元件14影响的软磁结构元件18的边界边缘20处的磁通量散射和相应的杂散磁场46。可以清楚地看到，软磁结构元件18的边界边缘20与磁阻元件14的边界边缘22叠盖。因此，磁阻元件14的整个宽度被磁场穿透，由此该磁场在芯片平面中也具有分量。最后，磁场线通过芯片基板12被引导到极性相反的磁极面58，从而能够根据芯片基板12上的软磁结构元件18的边界边缘20的排列来设置不同的钉扎磁场方向。
图2a至2c立体示出了软磁结构元件18的可能的其它不同的实施例。这些软磁结构元件18可以为例如根据图2a的八边形层条、根据图2b的半圆形层条、或根据图2c的成角度的层条。软磁结构元件18可具有以多边形的形式相对于彼此成角度或弯曲的多个边界边缘20。预处理磁场Hz 38垂直于结构层表面44设置，此时与软磁结构元件18的边界表面20正交的杂散磁场46基本上平行于芯片基板表面出现。这使得能够设置用于制造磁场传感装置10的任何期望的钉扎方向。
图3和4示出了用于测量磁场传感装置10的两个正交磁场分量X和Y的两个复杂的惠斯通测量桥的制造。图3示出了磁场传感装置10的钉扎步骤，其中多个磁阻元件14(例如TMR磁阻元件)被布置在芯片基板12的芯片基板表面36上。软磁结构元件18部分叠盖(其边界边缘20至少部分地与磁阻元件14的边界边缘22叠盖)磁阻元件14的边界边缘22放置。通过施加垂直于芯片基板表面36排列的预处理磁场，产生软磁结构元件18的边界边缘杂散区域46(如小箭头所示)，将磁阻元件14钉扎。
图4a示出了根据图3的磁场传感装置的两个惠斯通测量桥之一的电路图。惠斯通测量桥24由四个单独的桥接电阻26组成，其中每个桥接电阻26由两个磁阻元件14组成，由此每个桥接电阻26在不同情况下由串联的桥接电阻元件26a和26b组成。电阻元件26a和26b沿相同方向被钉扎。可以通过电源引脚B1a和B1b 40将电流馈送到测量桥24。沿相反的方向钉扎两个桥臂的上测量桥30的桥接电阻26。同样沿相反的方向钉扎两个桥臂的下测量桥28的桥接电阻26。上测量桥30和下测量桥28的桥接电阻26同样也相对于彼此沿相反的方向被钉扎。通过施加外部磁场，上测量桥和下测量桥的桥接电阻的相应电阻值受到影响，使得在测量触头B2a，B2b 40处产生显着的电压差，由此桥接电阻的电阻变化能够推测外部磁场的大小和/或角度。如图3所示，连接到桥接电阻26的两组磁阻元件14布置在芯片基板12的一个平面上，其中，磁阻元件14被提供用于彼此成90度角度的两个测量桥24，以用于2D测量。
图4b示出了如图4a示意性所示的移除了软磁结构元件18之后的电路排布和各个磁阻元件14的电连接。可以通过均匀的预处理磁场沿X和Y方向钉扎的两个测量桥24x和24y布置在共用的芯片基板12上。为此，如如图3所示，提供多个软磁结构元件18，从而在每种情况下都能沿反方向钉扎两个相邻的电阻元件26a，26b，并且这些多个软磁结构元件18相对于彼此偏移90°，用于两个测量桥24x，24y。通过布置软磁结构元件并引入均匀的预处理磁场的常见钉扎过程使得能够非常容易地实现可靠的钉扎，其中测量桥26的相关联的磁阻元件14在空间上相邻，以使得芯片基板中的温度漂移或不均匀性能够彼此相互补偿。因此，可以提供高精度桥接电路，该高精度桥接电路在施加二维磁场时仅能够适应小漂移和高灵敏度的电阻变化。
所示用于2D磁场传感装置的两个惠斯通测量桥可用于角度传感器。通过将预处理磁场38离面(out-of-plane)(即，垂直于)芯片基板表面36耦合，可以预先设定复杂的钉扎方向。随着外部磁场在平面内的360°旋转，惠普斯通测量桥产生正弦输出信号。由于不同的钉扎方向，在两个测量桥24x和24y中会产生相移90°的正弦和余弦信号。如图2a-2c所示，软磁结构元件18可以具有任意的几何形状，并且不需要必须提供相对于彼此偏移90°或180°的钉扎方向。
图5中示出了磁阻元件14的层叠示例，其中磁阻元件14的层结构特别适用于根据本发明的设置所谓的简单自旋阀的参考层的磁化方向。仅由反铁磁层(AFM)86和耦合的铁磁层(FM)82(作为参考层92)构成的钉扎层沉积在起始层(种子层)88上，该起始层也可以用作电接触层。根据MR技术，位于该钉扎层上的是薄金属非磁性中间层(例如Cu(GMR)84)或薄绝缘层(例如MgO(TMR)76)。在该薄金属非磁性中间层(例如Cu(GMR)84)或薄绝缘层(例如MgO(TMR)76)上方布置有自由铁磁层(FN)82(作为检测层94)，其最后被保护层90(例如Ta)覆盖。
为了设定磁化方向，将磁阻元件14的层叠结构加热到阻挡温度(反铁磁层86与参考层92之间的交换耦合在该阻挡温度下消失)以上，并且使该层叠结构受到外部预处理磁场的作用。由于软磁结构元件18(这里未示出)，设定参考层92中所需磁化的磁场分量平行于层面产生。在将层叠结构体冷却到低于阻挡温度之后，参考层92与反铁磁层86的耦合恢复，并且即使在预处理磁场已被切断之后，在参考层92中仍保留稳定的磁化。钉扎用于设定参考层92的磁化。
图6示出了包括炉52和磁场产生装置66的磁场预处理装置50。炉52具有能够打开和关闭的门70，整个磁场产生装置66可以通过该门70移除。通过加热装置54(其可以例如电力操作)，炉的内部可以被加热到阻挡温度以上，优选200℃以上的温度。磁场产生装置66包括永磁体68，该永磁体68借助于磁轭，由导致极面56和极性相反的极面58的单独的铁磁部件组成。永磁体68的磁场被引导通过铁轭80并且穿过极面56和极性相反的极面58之间的气隙。为了调节预处理磁场38的强度，提供了气隙调节装置60，通过该气隙调节装置60，可以在铁轭80中设置可变气隙34，从而能够改变在极面56和极性相反的极面58之间建立的预处理磁场38的强度。极间距调节装置64提供用于提高芯片基板12上的磁场传感装置与磁阻元件14以及软磁结构元件18的磁接触，其中该极间距调节装置64用于可靠地在软磁结构元件18中引导预处理磁场38。
结合图7的炉52立体示出了图6中示意性所示的磁场预处理装置50的示例性实施例。图8a至8c的侧视图示意性示出了在磁场传感装置10的制造方法的框架内，钉扎磁场的耦合。磁场传感装置10包括芯片基板12，磁阻元件14作为具有多个薄铁磁层和反铁磁层的TMR堆叠结构沉积在该芯片基板12中。每个磁阻元件14包括用于馈送电流的接触层88、反铁磁层86和两个铁磁层82、与层86紧邻的参考层92、以及通过非磁层84与参考层92隔离的保护层94。预处理磁场38通过表面44垂直地穿透软磁结构元件18，其中软磁结构元件18引导磁通78，使得穿透磁阻元件14以及影响铁磁层82(特别是参考层92)的磁取向的杂散磁场46能够通过边界边缘20出现。表面44可以是平面的、弯曲的或者以其它方式形成。用于与电阻层电接触的下接触层和上接触层在该阶段可以已经被布置好。
如图8a所示，软磁结构元件18是U形的并且具有通量引导切口74，通过软磁结构元件18的这种结构，磁通78被偏转，从而以集中的方式被引导。通过这种方式，磁通78被更大程度地提供到边界边缘20，并且作为杂散磁通46出现。在图8的示意图中，为了说明基本要实现的操作原理，仅示意性地并以简化的形式示出了磁通78。所示尺寸和通量路径仅用于说明基本原理。
在图8b中，软磁结构元件18以这样的方式形成使得，即，形成专用极靴72，从而影响杂散磁场46到磁阻元件14的相邻附近的引导，并且使杂散磁场46的集中增大以便实现铁磁层82(特别是参考层92)的完全钉扎。
最后，软磁结构元件18以图8c中的复杂的方式构成。该软磁结构元件18具有通量引导切口74和叠盖的极靴边缘72，以便改进磁阻元件14内部的通量引导78的耦合。
根据本发明的制造方法的示例性实施例在图9中以截面图示出。软磁结构元件18布置在芯片基板12上，其中软磁结构元件18通过绝缘层76与磁阻元件14隔离。磁阻元件14由铁磁层82(用作参考层和检测层92,94)、非磁中间层84和连接至接触层88的反铁磁体86的层叠组成。在磁阻元件14上方的是绝缘层76，软磁结构元件18沉积在该绝缘层的顶部。软磁结构元件18具有通量引导切口74和极靴72，以便实现对磁阻元件14中产生的钉扎磁场的引导。通过施加垂直于芯片基板表面36排列(gerichteten)的磁场，杂散磁场线通过软磁结构元件18的极靴72被引入到磁阻元件14中，以便排列(auszurichten)铁磁层82(特别是参考层92)。在钉扎之后，软磁结构元件18可以例如通过蚀刻或通过另一种移除方法移除，并完成磁传感装置10的制造。
参考层位置处的有效钉扎磁场只能具有通常100mT或更小的低强度，然而这足以钉扎简单的自旋阀层结构。然而，参考层中这种复杂的反铁磁体通常需要相当高的磁场来钉扎，而不能被这种弱磁场钉扎。复杂的反铁磁体应理解为一层结构，在该层结构中的2个或更多个铁磁层被薄的非磁中间层隔离，其中用于调整铁磁层中的磁化的交换耦合在铁磁层之间作用。因此，复杂的反铁磁体包括一系列至少两个磁性和非磁性导电材料的薄层，(例如Co和Cu)，该复杂的反铁磁体的薄磁层以交替的方式被磁化，因此不产生外部磁场。然而，通过在参考层中使用不平衡的(即具有不同铁磁层厚度的)复杂反铁磁体，即使在高于阻挡温度的温度下以及具有这些低场强，也可以钉扎这种层结构。
软磁结构元件18可以通过镀制法沉积，其厚度通常在1μm至20μm之间。特别地，例如由NiFe 8020制成的NiFe结构用于此目的。要被钉扎的磁阻元件14紧邻软磁结构元件18的边界边缘20。可以钉扎约5μm的区域，其中要被钉扎的区域可以部分地被软磁结构元件18覆盖。反向钉扎的磁阻元件14彼此可以非常紧密地布置。在这种情况下，磁阻元件14具有相同的材料特性，例如阻挡电阻和TMR效应。这使得具有不同钉扎方向的平行的惠斯通电桥分支能够被构造成相同的，以便实现最佳的偏移值。绝缘层可以由SiN或Al2O3制成，例如，该绝缘层的厚度介于30nm至5000nm之间。在沉积种子层之后，可以通过电镀方法构建软磁结构元件18。软磁结构元件18可以通过构造法形成并受到垂直预处理磁场的作用，以便进行钉扎。在移除软磁结构元件18之后，可以选择性地敞开绝缘层76，以便能够与磁阻元件14进行电接触。与传统的钉扎装置(其中磁场平行于芯片面内表面)不同，通过所提出的磁场预处理装置50，可以通过垂直于芯片基板表面36对准的磁场38进行钉扎。预处理磁场的强度可以通过可调气隙34进行调节。
参考标志
10 磁场传感装置
12 芯片基板
14 磁阻元件
18 软磁结构元件
20 软磁边界边缘
22 磁阻元件的边界边缘
24 惠斯通测量桥
26 桥接电阻
28 下桥臂
30 上桥臂
34 可调气隙
36 芯片基板表面
38 预处理磁场
40 测量桥接触面
42 芯片基板底面
44 软磁结构层表面
46 边界边缘杂散场
50 磁场预处理装置
52 炉
54 加热装置
56 极面
58 极性相反的极面
60 气隙调节装置
62 芯片基板保持装置
64 极间距调节装置
66 磁场产生装置
68 永磁体
70 炉门
72 极靴
74 通量导向切口
76 绝缘层
78 被引导的磁通
80 铁轭
82 铁磁层
84 中间层
86 反铁磁层/反铁磁体
88 接触层
90 保护层/绝缘层
92 参考层
94 检测层

Claims (13)

1.一种用于永久磁化沉积在芯片基板(12)上的磁场传感装置(10)中的至少一个铁磁层的方法，所述方法包括以下步骤：
-在所述芯片基板(12)上制造至少一个磁阻元件(14)，所述至少一个磁阻元件(14)包括所述至少一个铁磁层和至少一个反铁磁层，其中，交换耦合在所述至少一个铁磁层和所述至少一个反铁磁层之间进行，所述交换耦合在达到阻挡温度时消失；
-在所述芯片基板(12)上沉积至少一个软磁结构元件(18)，所述至少一个软磁结构元件(18)邻近或部分叠盖所述磁阻元件(14)；
-将所述磁阻元件(14)加热到所述反铁磁层的材料的所述阻挡温度之上，并且耦合预处理磁场(38)；
-将所述磁阻元件(14)冷却至低于所述阻挡温度；
-移除所述预处理磁场(38)，
所述软磁结构元件(18)被布置成使得，经耦合的预处理磁场(38)基本上垂直于芯片基板表面(36)穿透所述软磁结构元件(18)，并且在所述磁阻元件(14)的位置处产生平行于所述芯片基板表面的磁场分量，所述磁场分量至少在一些区域中穿透所述磁阻元件(14)的所述至少一个铁磁层，
其特征在于，两个或更多个磁阻元件(14)与所述软磁结构元件(18)相关联，以在平行于所述芯片基板表面(36)的相同或不同方向上永久磁化所述磁阻元件(14)的所述至少一个铁磁层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁阻元件(14)的所述铁磁层的磁化方向彼此平行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁阻元件(14)的所述铁磁层的磁化方向彼此反向平行。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个磁阻元件(14)能够用于形成惠斯通测量桥(24)的至少一个上桥臂(30)或下桥臂(28)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁阻元件(14)包括GMR层系统和/或TMR层系统。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述软磁结构元件(18)的至少一个边界边缘(20)基本上平行于或相切于所述磁阻元件(14)的边界边缘(22)，其中，所述磁阻元件(14)在一些区域中由所述软磁结构元件(18)叠盖。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述软磁结构元件(18)形成使得，形成的杂散磁场(46)的通量密度由所述软磁结构元件中的凸极靴(72)或通量引导切口(74)引导和放大。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁阻元件(14)通过绝缘层(76)与所述软磁结构元件(18)隔离，所述绝缘层(76)是厚度为30nm至5μm的SiN或Al2O3层。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过用于构造单独的软磁结构元件(18)的电镀沉积法和石印构造法，通过在所述芯片基板(12)上构建具有层厚1,000nm至20μm的NiFe的软磁材料层，来制造所述软磁结构元件(18)。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在移除所述预处理磁场(38)之后，从所述芯片基板(12)移除所述软磁结构元件(18)。
11.一种磁场预处理装置(50)，所述磁场预处理装置(50)用在根据权利要求1所述的方法中，用于对沉积在芯片基板(12)上的磁场传感装置(10)的磁阻元件(14)施加磁场预处理的步骤，其特征在于，所述磁场预处理装置(50)包括炉(52)和磁场产生装置(66)，所述磁场产生装置(66)具有位于所述炉(52)的内部的极面(56)和极性相反的极面(58)，其中，具有至少一个软磁结构元件(18)的至少一个芯片基板(12)放置在所述极面(56)和所述极性相反的极面(58)之间，以通过垂直于芯片基板表面(36)布置的预处理磁场(38)实现对布置在所述芯片基板(12)上的磁阻元件(14)的磁场预处理。
12.根据权利要求11所述的磁场预处理装置(50)，其特征在于，所述磁场产生装置(66)包括布置在所述炉(52)中的永磁体(68)，其中，气隙调节装置(60)被配置成通过设定铁轭(80)中的可调气隙(34)来改变所述极面(56)和所述极性相反的极面(58)之间的所述预处理磁场(38)的强度，所述铁轭(80)将所述永磁体(68)与所述极面(56)和所述极性相反的极面(58)连接起来。
13.一种用于检测外部磁场的至少一个分量的磁场传感装置(10)，包括至少一个铁磁层，其特征在于，所述至少一个铁磁层的永久磁化是根据权利要求1所述的方法进行的。
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