CN109844552B - 三轴磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供并非以物理方式彼此分离并且由一个元件制成的三轴磁传感器。通过在磁化种子层与磁化自由层之间的界面结产生自旋轨道矩，由此可以在磁化种子层中以电流或电压的形式读取面内磁场的变化。此外，在所述磁化自由层上形成隧穿绝缘层和磁化钉扎层。所形成的结构诱发隧穿磁阻现象。由此读取在垂直方向上的磁场变化。

Description

三轴磁传感器

技术领域

本发明涉及磁传感器，更特别地涉及三轴磁传感器，其在单一芯片配置中通过自旋轨道和自旋矩现象同时检测垂直z轴磁各向异性和x-y面内磁各向异性。

背景技术

磁传感器是读取所施加的磁场的变化并且将磁场转化成电信号的器件。

霍尔传感器是可商购获得并且广泛使用的磁传感器。霍尔传感器是被构造成将穿过十字形半导体层的磁场的变化转化成电压差的器件，近来用于智能手机的照相机的防抖功能。

除了霍尔传感器，还存在利用磁阻的磁阻传感器。磁阻传感器利用磁阻效应，这是一种构成磁阻传感器的材料的电阻取决于存在或不存在磁场而变化的现象。磁阻传感器利用各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)或隧穿磁阻(TMR)。无论运行原理如何，磁阻传感器与现有的霍尔传感器相比具有至少十倍的灵敏度。

各向异性磁阻现象是一种在铁磁金属及其合金中出现的效应，已知是除了正常的磁阻效应额外的效应。这是由自旋轨道相互作用导致的，已知是取决于铁磁材料的易磁化轴和在外磁场与电流之间的夹角而出现的，并且具有比较低的灵敏度。

巨磁阻现象是一种在两个磁性层的磁方向彼此平行的情况与两个磁性层的磁方向彼此反平行的情况之间电阻明显不同的现象。这是通过多层结构实现的，其是在两个磁性薄膜之间形成导体膜的结构。在这两个磁性薄膜之中提供磁化方向固定的层，并且当磁性薄膜的磁化方向彼此相反时，出现最大电阻。

隧穿磁阻现象是一种自旋隧穿方法，并且具有高再现性灵敏度的优点。这是通过形成非磁性层作为电绝缘层而实现的，并且利用了电绝缘层的隧穿效应根据磁化钉扎层与磁化自由层的磁夹角而变化的现象。

第5765721号日本专利公开了一种利用隧穿磁阻的磁传感器。在上述专利中，TaN用于种子层，CoFeB用于磁性层，MgO用于氧化物层，其是电绝缘层，TaN用于覆盖层。其特征在于，磁性层由固定端和自由端组成，并且利用了垂直磁各向异性。

此外，在第2010-266247号日本专利申请中，MgO用于隧道绝缘层，CoFe用于磁化钉扎层，CoFe用于磁化自由层。然而，在上述专利中，使用了反铁磁层等，并且向传感器施加AC电流以改善读取灵敏度。

上述专利具有z轴读取结构。即，当在垂直于形成磁性层的平面的方向上向该平面施加磁场时，利用在平行于磁场的方向上读取电阻的变化的机理。为了实现包括x轴或y轴的读取结构，可以建议一种通过多重提供每个磁传感器而进行读取的方法。然而，这需要提供多个传感器，具有多个额外的用于驱动传感器或读取传感器的运行状态的电路是负担沉重的。

发明内容

技术问题

本发明涉及提供能够利用单一配置实施三轴读取操作的磁传感器。

技术方案

本发明的一个方面提供三轴磁传感器，其包括被构造成读取在水平方向上的磁场变化的磁化种子层、在磁化种子层上形成并且由铁磁材料制成的磁化自由层以及在所述磁化自由层上形成并且被构造成读取在垂直方向上的磁场变化的垂直读取部件。

本发明的另一个方面提供三轴磁传感器，其包括磁化种子层、磁化自由层和垂直读取部件，其中所述磁化种子层与垂直读取部件共用磁化自由层，磁化种子层和磁化自由层读取在水平方向上的磁场变化，并且垂直读取部件和磁化自由层读取在垂直方向上的磁场变化。

有利效果

根据上述的本发明，可以在一个磁传感器中同时利用自旋轨道矩现象和隧穿磁阻效应来实施磁读取操作。可以通过自旋轨道矩来读取在双x-y水平方向上施加的磁场的变化，还可以通过由自旋矩现象产生的隧穿磁阻效应来读取在垂直方向上施加的磁场的变化。因此，与多重提供每个磁传感器以实施三轴读取操作的相关领域相比，可以低的制造成本保持高灵敏度。

附图说明

图1是显示根据本发明的一个示例性实施方案的三轴磁传感器的透视图。

图2至5是显示根据本发明的一个示例性实施方案制造图1的三轴磁传感器的方法的透视图。

图6是显示根据本发明的一个示例性实施方案制造图1的三轴磁传感器的方法的另一个透视图。

具体实施方式

虽然本发明允许各种不同的修改和替代形式，其具体的实施方案示例性地在附图中加以显示，在此将会详细地加以描述。然而，此描述并非意欲将本公开限制到具体的示例性实施方案，而是应当理解，属于本公开的精神和技术范畴的所有的改变、等价物和替代物应当被包括在本公开中。在附图说明中，相似的附图标记可以用于相似的组件。

除非另有定义，所有在此使用的术语包括技术或科学术语具有与本领域技术人员的一般理解相同的含义。还应当进一步理解，诸如那些在常用词典中所定义的术语应当解释为具有与其在相关领域的范畴内的含义一致的含义，除非在此明确地定义，不应在理想化或过于正式的意义上加以解释。

下面依照附图更加全面地描述本公开的优选的实施方案。

实施例

图1是显示根据本发明的一个示例性实施方案的三轴磁传感器的透视图。

依照图1，提供磁化种子层100、磁化自由层200和垂直读取部件300。

磁化种子层100具有近似十字形的结构，其磁化根据反磁化机理通过自旋轨道矩(SOT)而变化，因此磁化种子层100的磁阻发生变化。磁化种子层100的磁阻的变化通过与磁化自由层200的界面结来实现。即，可以在存在于z轴方向上流过磁化自由层200和磁化种子层100的电流或向其施加的电压的情况下通过磁化种子层100的磁阻的变化来读取在水平方向上施加的磁场的变化。

磁化种子层100的磁阻由于自旋轨道矩而变化。对于磁化种子层100，可以选择作为非磁性材料的Ta、W、Hf、Mo、Nb、Ti、Pt或Pd，也可以选择其合金。

关于根据自旋轨道矩的反磁化，在提交日的学术界中建议了各种不同的模型。在此之中，主要介绍两种反磁化机理的模型。

第一种是通过Rashba效应的反磁化。

这是一种由Rashba在1960年提出的效应，是一种如下的理论，当向在一个表面或界面上形成的二维电磁场施加电势差时，其中不同的材料在垂直于所述表面或界面的方向上彼此粘结，甚至在非磁性材料中电子自旋态发生变化，因此可以诱发反磁化。

第二种是通过自旋霍尔效应的反磁化。

这是由Dyakonov和Perel在1971年预言的电荷输运现象以及当电流在具有强自旋轨道耦合的材料中流动时出现的现象，产生与经典霍尔效应相似的电动势。正常自旋注入是一种当电流流过铁磁材料和非磁性材料时出现的现象，而自旋轨道耦合是一种可以在非磁性材料中形成自旋电流的现象。

通过上述两种理论出现反磁化现象。即，在磁化种子层100中由于在磁化种子层100与磁化自由层200之间的界面结而出现反磁化。磁化自由层200可以具有垂直磁各向异性，并且特征在于，自旋矩可以通过向其施加磁场而变化。CoFeB可以用作磁化自由层200的铁磁材料。

需要读取在x轴和y轴上的磁场变化以读取在水平方向上的磁场变化。为此，磁化种子层100设置有x轴读取部件110和y轴读取部件120。

x轴读取部件110在y轴方向上延伸，并读取在x轴方向上施加的磁场的变化。此外，y轴读取部件120在x轴方向上延伸以读取在y轴方向上施加的磁场的变化。通过将x轴读取部件110与y轴读取部件120相结合，磁化种子层100具有近似十字形的形状。

当在x轴方向上施加的磁场变化时，在y轴方向上延伸的x轴读取部件110中由于自旋轨道矩现象产生电阻的变化，其可以作为电流或电压的变化加以读取。

此外，当在y轴方向上施加的磁场变化时，在x轴方向上延伸的y轴读取部件120中由于自旋轨道矩现象产生电阻的变化，其可以作为电流或电压的变化加以读取。

例如，可以在x轴方向上供应具有第一频率f1的电流，并且可以在与x轴垂直并且共面的y轴上供应具有第二频率f2的电流。第一频率f1和第二频率f2可以具有彼此不同的值。此外，在各自具有所述频率的电流中，可以设定这些频率以使相互干扰最小化。

当磁场在x轴方向上变化时，电压在y轴方向上变化。由此可以电流或电压的形式读取磁场的变化。此外，当磁场在y轴方向上变化时，电压在x轴方向上变化。

构成磁化种子层100的材料的厚度可以为3nm至10nm。当磁化种子层100的厚度小于3nm时，由于界面结而可能无法充分地获得Rashba效应，并且厚度控制可能相当困难。此外，当磁化种子层100的厚度大于10nm时，可能无法穿过在磁化种子层100上方形成并且具有隧穿磁阻结构的垂直读取部件300充分地供应电流，因此水平磁场的变化由于自旋轨道矩现象可能难以进行读取。

在磁化自由层200上提供垂直读取部件300。磁化种子层100、磁化自由层200及垂直读取部件300具有并非以物理方式彼此分离的集成结构。

此外，为了使磁化种子层100读取水平磁场的变化，应当在垂直读取部件300中实施偏置应用或电流供应。

垂直读取部件300具有隧穿磁阻结构。为此，垂直读取部件300包括隧穿绝缘层310和磁化钉扎层320。MgO可用于隧穿绝缘层310，具有面内磁各向异性的CoFeB可用于磁化钉扎层320。

隧穿磁阻结构由磁化自由层200、隧穿绝缘层310及磁化钉扎层320组成。因此，可以作为流过垂直读取部件300的电流的变化或电压的变化读取向z轴施加的磁场的变化。

因此，共用磁化自由层200以通过诱发自旋轨道矩来读取水平磁场及通过隧穿磁阻来读取在垂直方向上的磁场。

具有垂直磁各向异性的磁化自由层200与在其下方形成的磁化种子层100形成界面结，并且诱发自旋轨道矩现象以诱发在磁化种子层100中磁阻的变化。

此外，磁化自由层200、隧穿绝缘层310及磁化钉扎层320形成隧穿磁阻结构，并且读取在垂直方向上的磁场变化。即，磁化自由层200和磁化钉扎层320是两种铁磁材料，在它们之间设置有隧穿绝缘层310，其中所述两种铁磁材料包括具有面内磁各向异性的磁化钉扎层320，其中磁化方向即使在施加电流时也不改变，以及磁化方向发生变化的磁化自由层200。因为在垂直读取部件300中电流的方向是在z轴上，磁化钉扎层320具有面内磁各向异性。因此，在磁化钉扎层320中自旋在平行于平面表面的方向上对齐。此外，磁化自由层200具有垂直磁各向异性，从而在垂直于平面表面的方向上出现自旋。

通过由磁化自由层200和磁化钉扎层320形成的电流通路测定在z轴方向上流动的电流的量。即，当在磁化自由层200和磁化钉扎层320中的磁化方向相同时，流过隧穿绝缘层310的隧穿电流最大化，及当磁化方向彼此相反时，流过隧穿绝缘层310的隧穿电流最小化。因此，隧穿电阻根据外磁场而变化。具体而言，因为磁化自由层200具有垂直磁各向异性，其隧穿电阻可以根据在z轴上施加的磁场的变化而变化。

图2至5是显示根据本发明的一个示例性实施方案制造图1的三轴磁传感器的方法的透视图。

依照图2，依次相继地在衬底10上形成磁化种子层100、磁化自由层200、隧穿绝缘层310及磁化钉扎层320。

衬底10可以自由地选自在之后沉积待形成的材料时能够保持热稳定性的材料。例如SiO₂等可以用作衬底，没有特别的限制。

依照图3，在图2中形成的结构上形成第一光刻胶图案410。通过正常的光刻工艺形成第一光刻胶图案410。待形成的第一光刻胶图案410具有近似十字形的形状。由此可以形成十字形的磁化种子层100。

依照图4，使用图3的第一光刻胶图案410作为蚀刻掩模，实施蚀刻直至暴露出下层的衬底10。由此形成十字形结构。随后，通过等离子体灰化工艺等将剩余的光刻胶图案去除。

依照图5，在近似十字形的结构的中心形成第二光刻胶图案420。此外，使用所形成的第二光刻胶图案420作为蚀刻掩模，实施蚀刻直至暴露出下层的磁化种子层100。由此，依次相继地在十字形磁化种子层100上方形成磁化自由层200、隧穿绝缘层310及磁化钉扎层320，所制的三轴磁传感器与在图1中所示相同。

此外，在本实施方案中，可以通过另一种制造方法形成三轴磁传感器。

例如，可以将使用光刻胶图案的沉积及揭去用于所述形成。

图6是显示根据本发明的一个示例性实施方案制造图1的三轴磁传感器的方法的另一个透视图。

依照图6，在衬底10上形成具有近似十字形的开放区域的光刻胶图案，并且形成磁化种子层100以掩埋在所形成的光刻胶图案中的开放区域。随后，可以通过揭去光刻胶图案而获得近似十字形的磁化种子层100。

此外，可以通过在衬底10上形成磁化种子层，及在磁化种子层上形成十字形光刻胶图案，及使用十字形光刻胶图案作为蚀刻掩模来蚀刻磁化种子层，从而获得十字形磁化种子层100。

随后，在十字形磁化种子层100上形成光刻胶图案。通过所形成的光刻胶图案打开磁化种子层100的中心部分。随后，通过正常的沉积方法依次相继地形成磁化自由层200、隧穿绝缘层310及磁化钉扎层320。最终，可以通过揭去光刻胶图案来获得图1的三轴磁传感器。

在上述的本发明中，通过自旋轨道矩作用来读取水平磁场，同时通过隧穿磁阻效应来读取在垂直方向上的磁场。由此可以读取三轴磁场的变化。

Claims (12)

1.三轴磁传感器，其包括：

被构造成读取在水平方向上的磁场变化的磁化种子层；

在所述磁化种子层上形成并且由铁磁材料制成的磁化自由层，其具有垂直磁各向异性；及

在所述磁化自由层上形成并且被构造成读取在垂直方向上的磁场变化的垂直读取部件，

其中所述磁化种子层包括：

x轴读取部件，其在y轴方向上延伸，并且被构造成通过在y轴方向上供应的具有第二频率f2的电流来读取在x轴方向上施加的磁场的变化；及

与所述x轴读取部件共面的y轴读取部件，其在x轴方向上延伸，并且被构造成通过在x轴方向上供应的具有不同于第二频率f2的第一频率f1的电流来读取在y轴方向上施加的磁场的变化，

其中所述垂直读取部件包括：

在所述磁化自由层上形成的隧穿绝缘层；及

在所述隧穿绝缘层上形成并且具有面内磁各向异性的磁化钉扎层。

2.根据权利要求1所述的三轴磁传感器，其中所述磁化种子层具有十字形结构。

3.根据权利要求1所述的三轴磁传感器，其中所述磁化种子层包含Ta、W、Hf、Mo、Nb、Ti、Pt或Pd。

4.根据权利要求1所述的三轴磁传感器，其中所述磁化种子层与所述磁化自由层形成界面结，并且其磁阻通过自旋轨道矩而变化。

5.根据权利要求4所述的三轴磁传感器，其中所述磁化种子层具有在3nm至10nm的范围内的厚度。

6.根据权利要求1所述的三轴磁传感器，其中所述垂直读取部件连同所述磁化自由层通过隧穿磁阻效应来读取在垂直方向上的磁场。

7.三轴磁传感器，其包括：

磁化种子层；

磁化自由层，其具有垂直磁各向异性；及

垂直读取部件，其包括在所述磁化自由层上形成的隧穿绝缘层以及在所述隧穿绝缘层上形成并且具有面内磁各向异性的磁化钉扎层，

其中，所述磁化种子层与所述垂直读取部件共用所述磁化自由层，所述磁化种子层和所述磁化自由层读取在水平方向上的磁场变化，并且所述垂直读取部件和所述磁化自由层读取在垂直方向上的磁场变化。

8.根据权利要求7所述的三轴磁传感器，其中通过在所述磁化自由层与所述磁化种子层之间的界面结产生自旋轨道矩，并且在所述磁化种子层中磁阻发生变化。

9.根据权利要求7所述的三轴磁传感器，其中所述磁化种子层包含Ta、W、Hf、Mo、Nb、Ti、Pt或Pd。

10.根据权利要求7所述的三轴磁传感器，其中所述磁化自由层和所述垂直读取部件形成隧穿磁阻结构以读取在垂直方向上施加的磁场的变化。

11.根据权利要求10所述的三轴磁传感器，其中所述磁化种子层是十字形结构，并且包括：

x轴读取部件，其在y轴方向上延伸，并且被构造成通过在y轴方向上供应的具有第二频率f2的电流来读取在x轴方向上施加的磁场的变化；及

与所述x轴读取部件共面的y轴读取部件，其在x轴方向上延伸，并且被构造成通过在x轴方向上供应的具有不同于第二频率f2的第一频率f1的电流来读取在y轴方向上施加的磁场的变化。

12.根据权利要求10所述的三轴磁传感器，其中所述垂直读取部件包括在所述磁化自由层上形成的隧穿绝缘层以及在所述隧穿绝缘层上形成并且具有面内磁各向异性的磁化钉扎层。

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