CN107923956B - 磁阻传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁阻传感器。磁阻传感器包括磁性传感层、磁性参考层、以及位于磁性传感层与磁性参考层之间的隧道势垒层。磁阻传感器还包括具有反铁磁材料层的传感交换层。传感交换层与磁性传感层交换耦合。此外，磁阻传感器进一步包括具有反铁磁材料层的参考交换层。参考交换层与磁性参考层交换耦合。另外，磁阻传感器被配置为，在没有外部磁场的情况下，使得钉扎参考层的交换偏置沿着参考方向，钉扎传感层的交换偏置沿着与参考方向正交的第一方向，并且传感层的磁各向异性平行于第一方向。

Description

磁阻传感器
技术领域
本公开总体上涉及磁阻传感器中的自由层偏置，更具体地涉及具有堆叠偏置层的磁性隧道结传感器的制造，其沿着与传感层的磁各向异性相同的方向提供传感层的正交偏置。
背景技术
基于薄膜多层堆叠的磁阻传感器，其利用巨磁阻效应或隧道磁阻效应，并且具有取决于参考铁磁层(RL)和传感铁磁层(SL)的磁矩之间的相对取向的电阻。参考铁磁层的磁矩通常通过与诸如铱锰(IrMn)或铂锰(PtMn)的反铁磁材料的界面交换耦合来确定。这种耦合限定了一个优选的参考方向，沿着该方向强钉扎所述参考层。在没有外场的情况下，传感器的阻抗相对于沿参考磁性层施加的磁场线性地变化，传感层磁矩相对于参考方向成90度，即沿其正交方向。
发明内容
根据本公开的多个方面，提供了一种磁阻传感器。磁阻传感器包括磁性传感层、磁性参考层、以及位于磁性传感层与磁性参考层之间的隧道势垒层。磁阻传感器还包括传感交换层和参考交换层，其各自具有一层反铁磁材料。传感交换层与磁传感层交换耦合。类似地，参考交换层与磁参考层交换耦合。此外，磁阻传感器被配置为，在没有外部磁场的情况下，使得钉扎参考层的交换偏置沿着参考方向，钉扎传感层的交换偏置沿着与参考方向正交的第一方向，并且传感层的磁各向异性平行于第一方向。
在说明性的实施方式中，不依赖于磁阻传感器的几何形状，实现了在参考方向上钉扎参考层的交换偏置、在与参考方向正交的第一方向上钉扎传感层的交换偏置、以及平行于第一方向的传感层的磁各向异性。在这方面，提供了一种磁阻传感器，其显示出改善的线性。
根据本公开的另一方面，提供了一种制造磁阻传感器的方法。该方法包括通过下述方式形成磁阻堆叠：沉积具有反铁磁材料层的参考交换层；在参考交换层上沉积磁性参考层，使得参考交换层与磁性参考层交换耦合；在磁性参考层上沉积隧道势垒层；在隧道势垒层上沉积磁性传感层；以及在磁性传感层上沉积具有反铁磁材料的传感交换层，使得传感交换层与磁性传感层交换耦合。该方法还包括设置钉扎参考层的交换偏置，使其沿着参考方向。该方法还进一步包括设置钉扎传感层的交换偏置，使其沿着与参考方向正交的第一方向。该方法还包括设置传感层的磁各向异性，使其平行于第一方向。
在该方法中，设置传感层的磁各向异性以使其平行于第一方向，这可以包括将磁阻堆叠暴露于足以在沉积期间引起任何各向异性重置的温度下以进行第一退火工艺；以及在与第一退火工艺关联的冷却期间将磁阻堆叠暴露于处于第一方向的外部磁场。
在该方法中，设置钉扎参考层的交换偏置以使其沿着参考方向，这可以包括在第一退火工艺之后将磁阻堆叠暴露于虽不足以重置传感层的磁各向异性但足以重置钉扎参考层的交换偏置的温度以进行第二退火工艺，以及在与第二退火工艺关联的冷却期间将磁阻堆叠露于处于参考方向的外部磁场。
在该方法中，设置钉扎传感层的交换偏置以使其沿着与参考方向正交的第一方向，这可以包括在第二退火工艺之后将磁阻堆叠暴露于虽不足以重置钉扎参考层的交换偏置但足以重置钉扎传感层的交换偏置的温度以进行第三退火工艺，以及在与第三退火工艺关联的冷却期间将磁阻堆叠暴露于处于第一方向的外部磁场。
附图简要说明
图1是根据本公开的一个方面的磁阻传感器的图示；
图2是根据本公开的另一方面的磁阻传感器的图示；
图3是根据本公开的又一方面的磁阻传感器的图示；
图4是示出了根据本公开的一个方面的磁阻传感器的示例性实施方式中测得的施加磁场(横坐标)和阻抗(纵坐标)的图示；
图5是根据本公开的一个方面制造磁阻传感器的方法；
图6A是图5的方法中在第一退火工艺(包括随后的冷却)之后的磁场的图示；
图6B是图5的方法中在第二退火工艺(包括随后的冷却)之后的磁场的图示；以及
图6C是图5的方法中在第三退火工艺(包括随后的冷却)之后的磁场的图示。
在此示出的对各种实施例的以下描述是为了说明一般原理的目的，并不意味着对本文所要求保护的内容的限制。
具体实施方式
根据本公开的各个方面，提供了一种磁阻传感器，其显示出优于常规磁阻传感器的改进的线性。根据本文的一个方面，磁阻传感器是基于磁性隧道结堆叠，其结合了来自磁各向异性和传感层交换耦合的传感层堆叠内偏置，所述磁各向异性和传感层交换耦合这两者都沿着与参考方向正交的共同方向。在没有外部场的情况下，磁各向异性和传感层交换耦合的组合作用产生了一个明确的方向，自由层沿此方向放置。在沿着参考方向的磁场的影响下，传感层磁化旋转平稳、均匀，近似于单畴所期望的理想行为。因此，即使在没有形状各向异性的大面积传感器中以及在非常微弱的传感层交换耦合值的限制下，也可以实现高质量的线性响应，这是获得高灵敏度传感器所必须的。
现在参照附图，具体地参照图1，在此示出了根据本公开的一个方面的磁阻传感器100。磁阻传感器100由一系列夹层构成，从上到下以堆叠形式包括传感交换层102、磁性传感层104、隧道势垒层106、磁性参考层108和参考交换层110。
传感交换层102包括反铁磁材料层，并且被设置成与磁性传感层104交换耦合。类似地，参考交换层110也包括反铁磁材料层，并且被设置成与磁性参考层108交换耦合。对此，隧道势垒层106位于磁性传感层104与磁性参考层108之间。磁性传感层104位于传感交换层102和隧道势垒层106之间。类似地，磁性参考层108位于隧道势垒层106和参考交换层110之间。
在上述配置下，由于磁性参考层108和参考交换层110之间的交换耦合，交换偏置场强烈地钉扎磁性参考层108。该场在本文中被称为参考交换场，并且沿着参考方向112。参考磁场应当足够强以钉扎参考层，并且不允许参考层108的参考交换场在存在由传感器100测量的外部磁场的情况下发生改变。
由于磁性传感层104和传感交换层102之间的交换耦合，交换偏置场钉扎磁性传感层104。该场在本文中被称为传感交换场，并且沿着与参考方向112正交的第一方向114。此外，传感层104的磁各向异性处于与第一方向114平行的方向116，因此也与参考方向112正交。在没有外部磁场的情况下，传感交换场和磁各向异性的组合作用使得磁性传感层104的磁化矢量沿着与参考方向112正交的第一方向114。
在沿参考方向112施加的外部磁场下，通常沿着第一方向114对齐的磁性传感层的磁化矢量平稳且均匀地旋转，这提供了与外部磁场值对应的阻抗的线性变化，直到达到饱和。
参考图2，根据本公开的另一方面示出了磁阻传感器200。磁阻传感器200显示出与磁阻传感器100相同的一般特性。关于这方面，实现类似功能的结构可以在图1和图2之间以任何组合进行互换。相应地，在图2中采用了比图1的对应部分的参考数字大100的参考数字来示出实现类似功能的结构。而且，图1的磁阻传感器100的结构和特征的任何组合都可以采用图2的磁阻传感器200来实施。类似地，图2的磁阻传感器200中的结构和特征的任何组合都可以采用图1的磁阻传感器100来实施。
磁阻传感器200由一系列夹层构成，并包括顶盖201、传感交换层202、磁性传感层204、隧道势垒层206、磁性参考层208、参考交换层210和缓冲体211。
与图1的实例一样，传感交换层202包括反铁磁材料层，并被设置成与磁性传感层204交换耦合。类似地，参考交换层210也包括反铁磁材料层，并被设置成与磁性参考层208交换耦合。
此外，在图2的实例中，将磁性参考层208实施为合成的反铁磁体(SAF)。例如，如图所示，将磁性参考层208实施为与隧道势垒层206相邻的第一铁磁层218(SAF参考层)。非磁性间隔体220(SAF间隔体)与第一铁磁层218相邻，并且第二铁磁层222(SAF钉扎层)与非磁性间隔体220相邻。通过SAF间隔体220传导的第一铁磁层218和第二铁磁层222的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)耦合导致了第二铁磁层222的磁化，该磁化与沿着参考方向212的磁化反平行对齐。
更具体地，钉扎参考层208的交换偏置场使得磁性参考层218的磁化矢量沿着参考方向212，从而沿着参考方向212强烈地钉扎磁性参考层。参考交换场应当足够强以钉扎参考层208，并且不允许磁性参考层218的磁化矢量在存在由传感器200测量的外部磁场的情况下发生改变。
钉扎传感层204的交换偏置场使得传感层204的磁化矢量沿着与参考方向212正交的第一方向214。此外，传感层204的磁各向异性的方向216与第一方向214平行，因而也与参考方向212正交。在没有外部磁场的情况下，传感交换场和磁各向异性的组合作用使得磁性传感层204的磁化矢量沿着与参考方向212正交的第一方向214。
在沿参考方向212施加的外部磁场下，通常沿着第一方向214对齐的传感磁场平稳且均匀地旋转，这提供对应于外部磁场值的阻抗的线性变化，直到达到饱和。
而且，类似于图1的实例，隧道势垒层206位于磁性传感层204和磁性参考层208之间。磁性传感层204位于传感交换层202与隧道势垒层206之间。类似地，磁性参考层208位于隧道势垒层206和参考交换层210之间。顶盖201与传感交换层202相邻并且隔着传感交换层202与传感层204相对，顶盖201提供与外部电路(未示出)的电接触。类似地，缓冲体211与参考交换层210相邻并且隔着参考交换层210与参考层208相对，缓冲体211也提供与外部电路(未示出)的电接触。
综合观察：
参照图1和图2，隧道势垒层106、206通常形成介于传感层104、204和参考层108、208之间的间隔体，并且可以包含诸如氧化镁(MgO)之类的材料。
磁性传感层104、204与磁性参考层108、208单独或者两者都可以由单个铁磁层制成，诸如钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴铁(CoFe)、钴铁硼(CoFeB)、镍铁(NiFe)等。或者，磁性传感层104、204与磁性参考层108、208单独或两者都可以包含具有反铁磁耦合(诸如CoFe/钌(Ru)/CoFeB合成反铁磁三层)或铁磁耦合(诸如CoFeB/CoFe、CoFeB/NiFe、CoFeB/间隔体/NiFe、CoFeB/钽(Ta)/NiFe等)的多个铁磁层。
例如，在图2中，磁性传感层208可以由诸如CoFeB合金之类的单一磁性材料制成，或者由诸如通过被非磁性材料(例如CoFeB/TaNiFe)分开的铁磁耦合铁磁层的组合层制成。例如，在图2中，所示出的磁性参考层208的示例性配置是由(例如)CoFe合金制成的SAF钉扎层、(例如)Ru制成的SAF间隔体以及(例如)CoFeB合金制成的SAF参考层组成的三层合成反铁磁材料(SAF)层。另外，构成传感层104、204的铁磁层的单轴各向异性沿着与钉扎传感层104、204的交换场(参见交换场方向114、214)相同的方向116、216，即传感层104、204的单轴各向异性沿着参考方向112、212的正交方向。
传感交换层102、202与参考交换层110、210单独或两者都可以是诸如铱-锰(IrMn)或铂-锰(PtMn)合金之类的任何合适的反铁磁材料。无论如何，如在本文中更详细地指出的，采用参考交换层110、210沿着确定传感器的参考磁场的参考方向112、212交换钉扎参考层108、208的磁场。类似地，采用传感交换层102、202沿着与确定传感器的传感磁场的参考方向112、212正交的第一方向114、214交换钉扎传感层104、204的磁场。此外，正交方向处于平行于传感层104、204的方向，即在传感层104、204的平面内(而不是垂直)。
顶盖201与缓冲体211单独或两者都是提供从外部电路到磁阻传感器100、200的电耦合的任何合适的材料。例如，顶盖201和缓冲体211单独或两者都可以包括一个或多个的诸如Ru、Ta、铜-氮(CuN)等的材料层。
磁阻传感器堆叠实例
根据本公开的各个方面，参照图3，其示出了图2的磁阻传感器的示例性实施方式。图3中的示例堆叠符合本文所述的磁场取向的所有要求。因此，图3中的结构以比图2的对应部分的参考数字大100的参考数字示出。
如图所示，示例性的磁阻传感器300由一系列夹层构成，包括顶盖301、传感交换层302、磁性传感层304、隧道势垒层306、磁性参考层308、参考交换层310和缓冲体311。
顶盖301由三层构成，包括10纳米(nm)的Ru层、5nm的Ta层和2nm的Ru层。
传感交换层302由两层构成，包括6nm的IrMn层和0.2nm的Ru层。在替代实施方式中，传感交换层302可以包括PtMn合金。
磁性传感层304由三层构成，包括4nm的镍铁层(NiFe)、0.21nm的Ta层以及2nm的钴铁硼层(例如CoFe40B20)。
隧道势垒层306是氧化镁(MgO)。
磁性参考层308由形成合成反铁磁结构的三层构成。合成反铁磁结构由2.6nm的钴铁硼层(例如CoFe40B20)、0.85nm的Ru层和2nm的钴铁层(例如CoFe30)构成。
参考交换层310由20nm的IrMn层构成。
缓冲体层311由5nm的Ru层和5nm的Ta层构成。缓冲体层311还包括六个堆叠层，每个堆叠层包括25nm的硝酸铜层(CuN)和5nm的Ru层。
实际上，只要所得到的结构被配置为使得钉扎参考层的交换偏置沿着参考方向，钉扎传感层的交换偏置沿着与参考方向正交的第一方向，并且传感层的磁各向异性平行于第一方向，那么各材料的厚度和材料本身可以不同于上述实例。
参照图4，在一个示例性实施方式中，实施了采用微加工和退火以制造一系列面积为100×100μm2的磁性隧道结元件(如参考图3所述的磁阻传感器300)的工艺。图4的批传输曲线(bulk transfer curve)说明，在沿着参考方向施加的场下，上述结构中的传感器堆叠将变为线性的，其中矫顽磁力通常将<1Oe，并且偏移场通常将<10Oe。例如，如图4的图表400所示，所测量的磁场至少在-29Oe至20Oe的范围内显示为线性的。线性范围可以通过改变钉扎传感层的交换场的大小来进行调整，这又取决于磁性传感层和传感交换层的厚度和组成。然而，通过将线性范围保持在～50Oe(而不是1000Oe)的量级，可以使在传感层中起作用的两个场在同一直线上。因此，可以选择线性范围以避免两个场之间的竞争，否则这种竞争会在磁区域中破坏传感层。
磁阻传感器的制造方法
根据本公开的各个方面，参考图5，其示出了磁阻传感器的制造方法500。方法500包括502中的微加工磁阻结构。作为示例，方法500可以通过下述步骤在基材上形成502中的磁阻堆叠：即沉积具有反铁磁材料层的参考交换层；在参考交换层上沉积磁性参考层，使得参考交换层与磁性参考层交换耦合；在磁性参考层上沉积隧道势垒层；在隧道势垒层上沉积磁性传感层；以及在磁性传感层上沉积具有反铁磁材料层的传感交换层，使得传感交换层与磁性传感层交换耦合。实际上，缓冲体也可以沉积在(例如)基材上，并且在参考交换层的下方。同样地，可以在传感交换层上沉积顶盖。
例如，可以通过沉积工艺并使用参考图3所描述的材料和厚度来构建堆叠。在替代实施方式中，可以采用其他的配置，例如通过构建图1或图2中所描述的堆叠。
如同本文更详细地指出的那样，在没有外部磁场的情况下，钉扎参考层的交换偏置沿着参考方向，钉扎传感层的交换偏置沿着与参考方向正交的第一方向，并且传感层的磁各向异性平行于第一方向。
基于上述内容，方法500还包括(例如)通过以下方式从而将传感层的磁各向异性设置成平行于第一方向，即将磁阻堆叠暴露于足以在沉积期间引起任何各向异性重置的温度以进行第一退火工艺，以及在与第一退火工艺关联的冷却期间将磁阻堆叠暴露于处于第一方向的外部磁场。
例如，执行504中的第一退火工艺。第一退火工艺使在隧道磁阻操作的适当阶段中参与隧穿的隧道势垒层和相应的铁磁层(例如分别在图1、2和3中的磁性传感层104、204、304，隧道势垒层106、206、306和磁性参考层108、208、308)结晶。
此外，504中的第一退火工艺可以利用高于或接近反铁磁材料的阻挡温度的高退火温度将在沉积期间引起的任何各向异性重置。例如，高退火温度(T>320℃)足够高从而将在诸如IrMn或PtMn之类的反铁磁材料的沉积期间产生的任何各向异性重置。如此，504中的第一退火工艺可以用来设置每个反铁磁层(例如，分别在图1、2和3中的传感交换层102、202、302以及参考交换层110、210、310)的钉扎方向。
这种退火温度也可以用来设置CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道结堆叠中的(铁磁)传感层和参考层的单轴各向异性轴。
更具体地，方法500包括506中的在第一退火工艺期间加热之后的冷却操作期间在堆叠附近施加外部磁场。所施加的磁场沿着最终的正交方向(例如，参照图1和图2描述的方向112、212)施加。具体而言，方法500包括506中的通过冷却而将外部磁场施加到堆叠以设置(铁磁性)传感层(SL HK)的单轴各向异性轴。
除了设置(铁磁)传感层的单轴各向异性轴以外，所施加的磁场足够强以使堆叠的铁磁性参考层饱和。也就是说，对于如参照图1所描述的堆叠结构，所施加的外部磁场应当足够强以使参考层108饱和。对于如参照图2和图3所描述的堆叠结构，所施加的外部磁场应当足够强以使堆叠(例如，层218、220和222或者层318、320和322)的铁磁性参考层208、308的合成反铁磁结构饱和。对于参照图3更详细描述的示例堆叠配置，所施加的外部磁场优选大于等于1特斯拉。
简要参考图6A，图示600示出了第一退火工艺以及随后的冷却结束时磁阻传感器堆叠的交换场和磁各向异性的方向。值得注意的是，图6A示出了由传感层604(类似于上述的传感层104、204、304)、隧道势垒层606(类似于上述的隧道势垒层106、206、306)以及参考层608(类似于上述的参考层108、208、308)构成的堆叠。
所示出的磁阻传感器堆叠的交换场和磁各向异性全部沿着最终与磁阻传感器中的参考方向正交的方向。更具体地，外部磁场(Hann)被设置为方向632，该方向将限定磁阻传感器的最终堆叠配置中传感层的传感磁性层和磁各向异性的正交方向(图1的方向114、116，图2的方向214、216)。
结果，在初始退火之后，堆叠中的各个铁磁层的磁性单轴各向异性轴、以及与各个交换场相关联的单向各向异性都沿着与所施加的外部磁场相同的方向取向。
也就是说，响应于外部磁场(Hann)，(铁磁性)传感层(SL HK)的单轴各向异性轴的方向634、钉扎传感层(SL Hex)的交换偏置的方向636、传感磁场(SL Mag)的方向638、以及参考层磁场(RL Mag)的方向640全都在相同的方向上对齐。其结果是，传感层磁化的方向和参考层磁化的方向将沿着最终元件的正交方向(例如，图1的方向114、图2的方向214)。
图5的方法500还包括(例如)通过以下方式设置钉扎参考层的交换偏置从而使其沿着参考方向，即在第一退火工艺之后将磁阻堆叠暴露于虽不足以重置传感层的磁各向异性但足以重置钉扎参考层的交换偏置的温度以进行第二退火工艺，以及在与第二退火工艺关联的冷却期间将磁阻堆叠暴露于处于参考方向上的外部磁场。
例如，再次参考图5，方法500还包括508中实施的第二退火工艺。第二退火工艺期间的退火温度必须高于反铁磁层(例如，传感交换层和参考交换层)的阻挡温度但低于使传感层的单轴各向异性重新取向的温度。在说明性实施方式中，在第二退火工艺期间可以使用高达280摄氏度(T≤280℃)以上的温度。
在这方面，510中在第二退火工艺实施加热之后的冷却用于将参考层磁场(RLMag)的方向设置为最终的参考方向。例如，方法500进一步包括在第二退火工艺实施加热之后的冷却操作期间，在堆叠的附近施加外部磁场。更具体地，通过在冷却期间沿着参考方向施加外部磁场使两个反铁磁材料界面处的交换偏置旋转90度。
例如，外部磁场(Hann)应当足够强以使堆叠的铁磁性参考层饱和。对于如参照图2和图3所描述的堆叠结构，在第二退火工艺(图5的工艺510)的冷却期间所施加的外磁场应当足够强以使堆叠(例如，层218、220和222)的铁磁性参考层208中的合成反铁磁结构饱和。所施加的外部磁场优选大于等于1特斯拉。
简要参考图6B，图示600示出了第二退火工艺以及随后的冷却结束时磁阻传感器堆叠(包括传感层604、隧道势垒层606和参考层608)的交换场和磁各向异性的方向。
更具体地，将外部磁场(Hann)设置为方向642，该方向将限定磁阻传感器的最终堆叠配置中参考磁性层的参考方向(例如，图1的方向112、图2的方向212)。实际上，在图5的510中施加的外部磁场(Hann)可以与在图5的506中施加的外部磁场(Hann)相同或不同。
响应于处于方向642上的外部磁场，(铁磁性)传感层(SL HK)的单轴各向异性轴的方向634不发生变化。也就是说，图6B的方向634与图6A的方向634相同。然而，钉扎传感层(SL Hex)的交换偏置的方向646和参考层磁场(RL Mag)的方向650沿着与外部磁场Hann的方向642相同的方向对齐。
传感磁场(SL Mag)的方向648受到传感层的单轴各向异性的方向以及来自相应的传感交换偏置层的交换偏置的方向这两者的影响。然而，传感层的单轴各向异性与来自相应的传感交换偏置层的交换偏置正交。其结果是，传感层的磁场方向648将处于传感层的单轴各向异性的方向与来自相应的传感交换偏置层的交换偏置的方向之间的某个方向。因此，传感层磁化将沿着正交方向与参考方向之间的中间方向保留。确切的方向将取决于单向各向异性与偏置传感层的交换场之间的平衡。
此外，参考层磁化的方向650将沿着最终元件的参考方向(例如，图1的方向112，图2的方向212)。
然而，根据本文公开的另一方面，方法500还包括(例如)通过以下方式设置钉扎传感层的交换偏置以使其沿着与参考方向正交的第一方向，即在第二退火工艺之后将磁阻堆叠暴露于虽不足以重置钉扎参考层的交换偏置但足以重置钉扎传感层的交换偏置的温度以进行第三退火工艺，以及在与第三退火工艺关联的冷却期间将磁阻堆叠暴露于处于第一方向上的外部磁场。
再次参考图5，方法500还包括512中实施第三退火工艺。例如，可以将第三退火工艺的温度设置为低于钉扎参考层(例如，图1的参考交换层110，图2的参考交换层210)的参考交换层阻挡温度但高于钉扎传感层(例如，图1的传感交换层102，图2的传感交换层202)的传感交换层阻挡温度的值。例如，第三退火工艺中的温度可以设定为小于250摄氏度(T<250℃)。在另一个实例中，该温度设定为低于220摄氏度(T<220℃)。
514中在第三退火工艺的冷却阶段施加外部磁场。在第三退火工艺期间，将钉扎传感层的交换偏置旋转90度，从而沿着正交方向进行重新取向。传感层的磁各向异性将沿着正交方向保留而不受干扰。钉扎参考层的交换偏置将沿着参考方向保留而不受干扰。因此，参考层的磁化方向将不受影响。
简要参考图6C，图示600示出了第三退火工艺以及随后的冷却结束时磁阻传感器堆叠(包括传感层604、隧道势垒层606和参考层608)的交换场和磁各向异性的方向。更特别地，将外部磁场(Hann)设置为对应于正交方向的方向632(与参考图6A描述的外部磁场(Hann)的方向632相同)。
实际上，外部磁场(Hann)可以与在图5的第一退火工艺504的冷却期间施加的处于方向632上的外部磁场相同或不同。例如，在示例性实施方式中，冷却外部磁场(Hann)施加在方向632上(沿着正交方向)，并且必须足够大从而使传感层604饱和，例如，冷却场的值可以小于0.1特斯拉。
响应于处于方向632上的外部磁场(Hann)，(铁磁性)传感层(SL HK)的单轴各向异性轴的方向804也不发生变化(并因此保持在正交方向)。但是，钉扎传感层的交换偏置(SLHex)的方向636再次沿着与外部磁场Hann的方向632相同的方向对齐。
参考层磁场(RL Mag)的方向不受图5的514中所施加的外部磁场Hann的影响。因此，参考层磁场(RL Mag)保留在参考方向650上。
传感磁场(SL Mag)的方向受到传感层的单轴各向异性的方向以及来自相应的传感交换偏置层的交换偏置的方向这两者的影响。传感层的单轴各向异性和来自相应的传感交换偏置层的交换偏置这两者都在相同的方向(正交方向)上对齐。其结果是，传感磁场(SLMag)的方向再次沿着方向638，即正交方向。
再次参考图5，需要第三退火步骤512和冷却514，从而在正交位形中设置传感层交换和参考层交换。这可以通过在工艺500中省略第二退火508和冷却510并在步骤514中沿着与第一方向正交的方向施加冷却场来实现。在这样的工艺中，在传感层中起作用的两个内部场(磁各向异性和交换偏置)将不在同一直线上。这两个场之间的竞争会使传感层的磁矩自正交方向发生偏移，这还会降低响应于沿参考方向的场的传感器的线性。传感层将变成倾斜的(处于类似于图6C所示的位形)，并且传递曲线将显示出曲率，这对于具有高灵敏度(两个竞争场的数量级相似)的传感器具有特别重大的影响。
其它：
有许多应用需要磁阻器件相对于外部磁场具有线性阻抗变化。为了获得线性响应，在没有外部磁场的情况下，传感层磁矩应沿着与参考层正交的方向。
本公开的一些方面提供了一种基于具有隧道势垒层和铁磁层(例如CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道结中的MgO和CoFeB)的磁性隧道结堆叠的磁场传感器，其利用高的退火温度(例如T>280℃)以及多次退火工艺以提供良好的磁传输特性，这有助于在批传输曲线的至少一个区域上的线性操作。为了实现在此描述的位形，两个反铁磁层可以具有不同的阻挡温度，从而可以使用单独的磁性退火工艺来选择性地设置每个层的钉扎方向。
更具体地，如本文所述，在说明性实施方式中，取决于制造技术，与传感交换层(例如反铁磁材料)和磁性传感层之间界面处的交换偏置有关的阻挡温度可能不同于与参考交换层和磁性参考层之间界面处的交换有关的阻挡温度，例如图2所示的SAF钉扎层。另外，与磁性传感层204相关的磁各向异性一旦设定，则其必须在与传感交换层和磁性传感层之间界面处的交换偏置有关的阻挡温度下保持稳定，并且在与参考交换层和磁性参考层之间界面处的交换有关的阻挡温度下也保持稳定。
由于传感层的单向各向异性沿着参考方向，在没有磁场的情况下，反铁磁/传感层界面处(例如图1的传感交换层102和磁性传感层104之间的界面，图2的传感交换层202和磁性传感层204之间的界面)的自旋将在参考方向上受到阻断。也就是说，传感器将失去提供线性响应的磁性配置。然而，在本文公开的结构中，传感层磁矩沿着正交方向保持对齐，这有利于对传感器将要测量的外部磁场响应的线性性能。
在说明性实施方式中，通过实施考虑了传感层的单轴各向异性的线性化方法，从而提供具有良好线性响应和热稳定性的磁场传感器，例如，如本文中参照图5至图6C所描述的。
值得注意的是，本发明制造了在此所示的结构，其展现出与形状各向异性无关的线性和热稳定性。也就是说，在不需要大的纵横比和小的横向尺寸的情况下，钉扎参考层的交换偏置沿着参考方向，而钉扎传感层的交换偏置沿着与参考方向正交的第一方向，并且传感层的磁各向异性平行于第一方向(不存在外部磁场的状态下)。当然，即使具有不考虑纵横比的大的横向尺寸(例如100×10μm2至10x10μm2)以及具有不考虑纵横比的小的横向尺寸(例如100×2μm2至2x2μm2)，也能够实现上述磁场特性。因此，例如，磁性传感层可以具有这样的尺寸，可以由小至1:1的纵横比限定该尺寸。这种能力使得可以在小面积区域中制造具有小线性范围的高灵敏度线性传感器(例如2×2μm2方形传感器)，这是常规传感器所不能实现的。此外，本文的结构和方法可以使传感器保持线性而不依赖于其几何形状。因此，例如，本文中的传感器不限于小的横向尺寸并且可以大于5μm。另外，线性范围和传感器尺寸不是独立性参数。
如本文所述构造的传感器适用于需要具有相对大的面积和/或低纵横比的磁场传感器的应用，例如那些涉及在低频范围内检测非常弱的磁场的应用。
此外，如在此更详细地指出的，在没有外部磁场的情况下，钉扎参考层的交换偏置沿着参考方向，而钉扎传感层的交换偏置沿着与参考方向正交的第一方向，并且传感层的磁各向异性平行于第一方向。如此，不需要依赖来自不包括在本发明所述的磁阻传感器堆叠中的永磁体的磁场偏置。
例如，本文的结构避免了由在传感器附近所形成的硬磁层导致的传感层的偏置。使用诸如CoCrPt或CoZrNb之类的硬磁层所产生杂散磁场被用于在参考层正交的方向上对准传感层的磁矩，而不是钉扎它。由这种方案提供的偏置场在传感层上是不均匀的(因而在某些应用中不足以稳定它)。而且，当依赖于在传感器附近所形成的磁性层时，偏置场的强度很大程度上依赖于所使用的几何形状，并且传感器的热稳定性受到永磁体的热稳定性的限制。
类似地，不需要依靠来自钉扎传感层的引入磁性层的磁性偏置，或者依靠使用杂散磁场的堆叠内偏置，该杂散磁场产生自包括于堆叠内的铁磁层，而不是参考层中的铁磁层。
此外，这里的结构不需要依靠在正交方向上具有交换耦合的堆叠内偏置。相反地，如本文所述，钉扎传感层的交换偏置沿着与参考方向正交的第一方向，并且传感层的磁各向异性平行于第一方向。
此外，本文所提出的方法避免了传感层中的交换偏置与单向各向异性之间的竞争，因为这两个场在同一方向上对齐。这改善了线性和热性能。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而不意图限制本公开。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其组合。
出于说明和描述的目的呈现了本公开的描述，但是并不意图是穷尽的或者限制于所公开的形式的公开内容。在不脱离本公开的范围和主题的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。
如此详细描述了本申请的公开并且通过参考其实施方式，将显而易见的是，在不脱离所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以进行修改和变化。

Claims (12)

1.一种磁阻传感器，包括：
磁性传感层；
磁性参考层；
位于所述磁性传感层与所述磁性参考层之间的隧穿势垒层；
具有反铁磁材料层的传感交换层，所述传感交换层与所述磁性传感层交换耦合；以及
具有反铁磁材料层的参考交换层，所述参考交换层与所述磁性参考层交换耦合；
其中，在没有外部磁场的情况下：
钉扎所述磁性参考层的交换偏置沿着参考方向，
钉扎所述磁性传感层的交换偏置沿着与所述参考方向正交的第一方向；并且
所述磁性传感层的磁各向异性平行于所述第一方向。
2.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中：
所述磁性传感层具有以小至1:1的纵横比所限定的尺寸。
3.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中：
采用合成反铁磁材料实现所述磁性参考层。
4.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中：
所述磁性传感层由两种铁磁材料制成，这两种铁磁材料由厚度小于1nm的薄的非磁性材料分开。
5.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中：
厚度小于1nm的薄的非磁性层位于所述磁性传感层和所述传感交换层之间。
6.一种制造磁阻传感器的方法，包括：
通过下述方式形成磁阻堆叠：
沉积具有反铁磁材料层的参考交换层；
在所述参考交换层上沉积磁性参考层，使得所述参考交换层与所述磁性参考层交换耦合；
在所述磁性参考层上沉积隧道势垒层；
在所述隧道势垒层上沉积磁性传感层；以及
在所述磁性传感层上沉积具有反铁磁材料层的传感交换层，使得所述传感交换层与所述磁性传感层交换耦合；
设置钉扎所述磁性参考层的交换偏置，使其沿着参考方向；
设置钉扎所述磁性传感层的交换偏置，使其沿着与所述参考方向正交的第一方向；以及
设置所述磁性传感层的磁各向异性，使其平行于所述第一方向。
7.根据权利要求6所述的方法，其中：
设置所述磁性传感层的磁各向异性，使其平行于所述第一方向，包括：
通过将所述磁阻堆叠暴露于足以重置在沉积期间引起的任何各向异性的温度下进行第一退火工艺；以及
在与第一退火工艺关联的冷却期间将所述磁阻堆叠暴露于处于所述第一方向上的外部磁场。
8.根据权利要求7所述的方法，其中：
所述磁性传感层包括CoFeB，所述隧道势垒层包括MgO，以及所述磁性参考层包括CoFeB；
将所述磁阻堆叠暴露于足以重置在沉积期间引起的任何各向异性的温度进行第一退火工艺，包括：
将第一退火工艺中的温度设定为超过320摄氏度；以及
将所述磁阻堆叠暴露于外部磁场，包括：
以大于或等于1特斯拉的场值施加所述外部磁场。
9.根据权利要求7所述的方法，其中：
设置钉扎所述磁性参考层的交换偏置，使其沿着参考方向，包括：
在第一退火工艺之后，通过将所述磁阻堆叠暴露于虽不足以重置所述磁性传感层的所述磁各向异性但足以重置钉扎所述磁性参考层的交换偏置的温度进行第二退火工艺；以及
在与所述第二退火工艺关联的冷却期间将所述磁阻堆叠暴露于处于所述参考方向上的外部磁场。
10.根据权利要求9所述的方法，其中：
在第一退火工艺之后，通过将所述磁阻堆叠暴露于虽不足以重置所述磁性传感层的所述磁各向异性但足以重置钉扎所述磁性参考层的交换偏置的温度进行第二退火工艺，包括：
将所述第二退火工艺中的温度设定为280摄氏度以下；以及
将所述磁阻堆叠暴露于外部磁场，包括：
以大于或等于1特斯拉的场值来施加所述外部磁场。
11.根据权利要求8所述的方法，其中：
设置钉扎所述磁性传感层的交换偏置，使其沿着与所述参考方向正交的第一方向，包括：
在第二退火工艺之后，通过将所述磁阻堆叠暴露于虽不足以重置钉扎所述磁性参考层的交换偏置但足以重置钉扎所述磁性传感层的交换偏置的温度进行第三退火工艺；以及
在与所述第三退火工艺关联的冷却期间将所述磁阻堆叠暴露于处于所述第一方向上的外部磁场。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
在第二退火工艺之后，通过将所述磁阻堆叠暴露于虽不足以重置钉扎所述磁性参考层的交换偏置但足以重置钉扎所述磁性传感层的交换偏置的温度进行第三退火工艺，包括：
将第三退火工艺中的温度设定为低于250摄氏度。
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