CN110690343B - 具有减小的应力敏感度的磁阻传感器 - Google Patents

具有减小的应力敏感度的磁阻传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN110690343B
CN110690343B CN201910602979.2A CN201910602979A CN110690343B CN 110690343 B CN110690343 B CN 110690343B CN 201910602979 A CN201910602979 A CN 201910602979A CN 110690343 B CN110690343 B CN 110690343B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
magnetic
nonmagnetic
magnetic free
magnetoresistive sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910602979.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110690343A (zh
Inventor
J·齐默
K·普鲁格尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of CN110690343A publication Critical patent/CN110690343A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110690343B publication Critical patent/CN110690343B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0052—Manufacturing aspects; Manufacturing of single devices, i.e. of semiconductor magnetic sensor chips

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

本公开涉及具有减小的应力敏感度的磁阻传感器。例如，一种磁阻传感器，包括第一非磁性层、第二非磁性层和磁性自由双层。磁性自由双层设置在第一非磁性层和第二非磁性层之间，磁性自由双层包括耦合至第二磁性自由层的第二磁性自由层。第一磁性自由层耦合至第一非磁性层，并且第二磁性自由层耦合至第二非磁性层。第二非磁性层包括非磁性材料，其原子半径在第一磁性自由层和第二磁性自由层中的至少一个的原子半径的10％以内。

Description

具有减小的应力敏感度的磁阻传感器
技术领域
本公开总体上涉及磁阻传感器器件及其制造方法，并且更具体地，涉及具有减小的应力敏感度的磁阻传感器器件。
背景技术
磁阻效应基于多种不同的物理现象。所有这些现象的共同点在于可通过穿透电阻元件的磁场改变电阻元件的电阻。利用磁阻效应的技术有时被称为“xMR技术”，其中“x”表示这里可解决的多个效应，例如巨磁阻(GMR)效应、隧道磁阻(TMR)效应或各向异性磁阻(AMR)效应。xMR效应可应用于各种基于场的磁阻传感器中，例如用于测量旋转、角度等。
xMR传感器(尤其是xMR角度传感器)应该展示出能够理想地跟随外部旋转磁场的方向的传感器层(自由层)。然而，实际上，可能存在与外部磁场竞争的内部磁力(例如，磁各向异性)，导致自由层磁化和外部场方向之间的偏差。因此，由于由偏差引起的角度误差，xMR传感器会输出不正确的值。铁磁材料可展示出磁致伸缩效应，即，根据外部磁场，几何尺寸发生变化。其逆效应是所谓的磁弹性效应，即，几何尺寸的改变导致磁各向异性轴的生成。
此外，xMR传感器堆叠可展示出所谓的磁弹性行为，即在向传感器芯片施加机械应力/应变时，可引入附加的磁各向异性轴，导致附加的角度误差。可通过封装工艺、封装内的过温和/或随着器件的寿命而对传感器芯片发生机械应力/应变。因此，磁性传感器属性会随着温度和/或寿命的改变而变化，这是不期望的。
因此，期望减小xMR堆叠的磁弹性行为以改进传感器性能。
发明内容
实施例提供了一种具有减小的应力敏感度的磁阻传感器器件。
根据一个实施例，一种磁阻传感器包括第一非磁性层、第二非磁性层和磁性自由双层。磁性自由双层设置在第一非磁性层和第二非磁性层之间，磁性自由双层包括第一磁性自由层，该第一磁性自由层耦合至第二磁性自由层。第一磁性自由层耦合至第一非磁性层，并且第二磁性自由层耦合至第二非磁性层。第二非磁性层包括非磁性材料，其原子半径在第一磁性自由层和第二磁性自由层中的至少一个的原子半径的10％以内。
根据另一实施例，一种磁阻传感器包括晶种层、覆盖层以及设置在晶种层和覆盖层之间的磁性叠层。磁性叠层包括第一非磁性层、第二非磁性层以及设置在第一非磁性层和第二非磁性层之间的磁性自由双层。磁性自由双层包括第一磁性自由层，该第一磁性自由层耦合至第二磁性自由层，其中第一磁性自由层耦合至第一非磁性层，并且第二磁性自由层耦合至第二非磁性层。第二非磁性层设置在磁性自由双层与晶种层和覆盖层中的一个之间。此外，第二非磁性层包括非磁性材料，其原子半径在第二磁性自由层的原子半径与晶种层和覆盖层中的至少一个的原子半径之间。
附图说明
参照附图来描述实施例。
图1示出了根据一个或多个实施例的GMR堆叠的垂直截面；以及
图2示出了根据一个或多个实施例的另一GMR堆叠的垂直截面。
具体实施方式
以下将参照附图详细地描述各个实施例。这些实施例仅为了说明的目的而给出，并且不用于限制。例如，虽然实施例可以被描述为包括多个特征或元件，但在其他实施例中，这些特征或元件中的一些可以被省略，和/或可以被替代特征或元件所代替。在其他实施例中，可以提供除明确示出或描述之外的又一些特征或元件。此外，除非另有明确说明，否则下面描述的不同刚实施例的特征可以相互组合以形成又一些实施例。例如，参照一个实施例描述的变化或修改也可应用于其他实施例，除非另有相反说明。
因此，虽然又一些示例能够具有各种修改和替代形式，但其一些具体示例在附图中示出并且随后将详细描述。然而，这些详细描述不将又一些示例限于所描述的具体形式。又一些示例可覆盖落入本公开范围的所有修改、等效和替代。
此外，等效或相似的元件或者具有等效或相似功能的元件在以下描述中用等效或相似的参考标号来表示。由于相同或功能等效的元件在附图中给出相同的参考标号，所以可以省略具有相同参考标号的元件的重复描述。因此，为具有相同或相似参考标号的元件提供的描述相互之间可替换。
每当使用诸如“一个”和“该”的单数形式并且仅使用单个元件既不明确也不暗示地定义为强制性的，又一些示例还可以使用多个元件来实施相同的功能。类似地，当功能随后被描述为使用多个元件实施时，又一些示例可以使用单个元件或处理实体来实施相同的功能。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在使用时指定所提特征、整数、步骤、操作、处理、动作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、处理、动作、元件、部件和/或它们的任何组的存在。
应理解，当元件被称为“连接”或“耦合”至另一元件时，其可以直接连接或耦合至另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”至另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应该以类似方式来解释(例如，“在…之间”与“直接在…之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
在本文所述或图中所示的实施例中，任何直接的电连接或耦合(即，没有附加中间元件的任何连接或耦合)还可以通过间接的连接或耦合(即，具有一个或多个附加中间元件的连接或耦合)来实施，反之亦然，只要基本上保持连接或耦合的一般目的即可，例如传输特定种类的信号或者传输特定种类的信息。
附图被认为是示意性的表示，并且图中所示的元件不需要按比例绘制。相反，示出各种元件，使得它们的功能或一般目的对本领域技术人员来说变得明白。图中所示或本文所述的功能块、设备、部件或其他物理或功能单元之间的任何连接或耦合还可以通过间接的连接或耦合来实施。可以硬件、固件、软件或它们的组合来实施功能块。
实施例涉及传感器和传感器系统以及获取关于传感器和传感器系统的信息。传感器可以表示将被测量的物理量转换为电信号(例如，电流信号或电压信号)的部件。例如，物理量可以包括磁场、电场、压力、力、电流或电压，但是不限于此。如本文所描述的，传感器器件可以是角度传感器、线性位置传感器、速度传感器、运动传感器等。
例如，磁场传感器包括测量磁场的一个或多个特性(例如，磁场通量密度的量、场强度、场角度、场方向、场定向等)的一个或多个磁场传感器元件。磁场可以由磁体、电流承载导体(例如，电线)、地球或其他磁场源产生。每个磁场传感器元件都被配置为响应于撞击在传感器元件上的一个或多个磁场生成传感器信号(例如，电压信号)。由此，传感器信号代表撞击到传感器元件上的磁场的幅度和/或定向。
应理解，术语“传感器”和“感测元件”可以在本说明书中互换使用，并且术语“传感器信号”和“测量信号”可以在本说明书中互换使用。
如本文所提供的，磁性传感器可以是磁阻传感器。磁阻是材料在向其施加外部磁场时改变其电阻值的特性。磁阻效应的一些示例包括：巨磁阻(GMR)，其是在由交替的铁磁和非磁性导电层组成的薄膜结构中观察到的量子机械磁阻效应；隧道磁阻(TMR)，其是在作为由薄绝缘体分离的两个铁磁体组成的部件的磁性隧道结(MTJ)中发生的磁阻效应；或者各向异性磁阻(AMR)，其是观察到电阻对电流方向(即，感测轴)与磁化方向之间的角度的依赖性的材料特性。例如，在AMR传感器的情况下，用于AMR传感器元件的电阻根据投射到AMR传感器元件的感测轴上的磁场分量的角度的正弦的平方而改变。
多个不同的磁阻效应被统称为xMR，其中，“x”用作用于各种磁阻效应的占位符。xMR传感器可以通过用单片集成的磁阻传感器元件测量正弦和余弦角度分量来检测所施加磁场的定向。
这种xMR传感器的磁阻传感器元件通常包括多层，其中至少一层是具有参考磁化(即，在GMR或TMR技术的情况下的参考方向)的参考层。参考磁化是提供与xMR传感器的感测轴相对应的感测方向的磁化方向。因此，在用于GMR或TMR传感器元件的情况下，如果磁场分量(例如，自由层)精确地指向与参考方向相同的方向，则xMR传感器元件的电阻处于最小，而如果磁场分量精确地指向与参考方向相反的方向，则xMR传感器元件的电阻处于最大。例如，磁场分量可以是x磁场分量(Bx)、y磁场分量(By)或z磁场分量(Bz)，其中，Bx和By磁场分量与磁性传感器共面，而Bz与磁性传感器不共面。
虽然为自由层选择的材料可以是固有地(即，作为块体材料)无磁致伸缩，但由于超薄层，可以在自由层系统中诱发磁致伸缩/磁弹性行为。该效应取决于两层之间(即，邻居层和磁性自由层之间)的晶格失配而导致的磁性自由层的隔壁邻居层的材料和厚度。用于xMR传感器的磁性自由层可以由镍-铁(NiFe)合金或钴-铁(CoFe)合金或二者的组成来制成，其可用于使用两个磁性自由层的双层布置中。具体地，每个磁性自由层均可以由选自钴、镍、铁和它们的合金的材料制成。合金可包括非铁磁材料(例如，碳、硼、氮和/或氧)，其中铁磁材料组成相应层的材料组成的至少50％。如本文所使用的，“双层”是指组成层系统的两个相邻设置的层。
邻居层可以组成邻居层系统，其中，钌(Ru)/铜(Cu)双层隔壁邻居层系统设置为与一个磁性自由层相邻。通过改变Ru/Cu的厚度比，可以改变磁弹性行为。
对于传感器应用来说，非磁性但导电层的厚度应该尽可能的小，以防止太强的分流减小信号比dR/R。因此，用于调整磁弹性行为的Ru/Cu双层系统不利于传感器应用。
根据一个或多个实施例，被称为磁性叠层的xMR叠层可以包括设置在两个磁性层之间的磁性自由双层。与磁性自由双层相邻的两个非磁性层可以被称为邻居层。磁性自由双层包括两个相邻设置的磁性自由层。一个非磁性层可以设置在磁性自由双层与分别在底部旋转阀(BSV)或顶部旋转阀(TSV)布置中的覆盖层或晶种层之间。
覆盖层可以由具有200pm的原子半径的钽(Ta)或氮化钽(TaN)制成。晶种层可以由Ta或TaN层的双层和铬化镍(NiCr)层制成，其具有166pm的原子半径。
Co(Fe)和Ni(Fe)分别具有152pm和149pm的相似原子半径(晶格常数)。具有145pm的原子半径的铜(Cu)层可用作一个邻居层，从而不导致相对于磁性自由层的显著晶格失配。另一方面，位于自由层的另一侧上的具有200pm或166pm的原子半径的Ta(N)层或NiCr层导致相对于磁性自由层的显著晶格失配，因此导致磁弹性行为的潜在引入。由此，具有与磁性自由层更相似的原子半径的另一非磁性层被用作第二邻居层。该第二邻居层还可以被称为匹配层。
位于晶种/覆盖层与磁性自由双层之间的、具有与自由层相似的晶格常数的匹配层减小了潜在的晶格失配。作为一个示例，薄Cu(原子半径145pm)或镁Mg(原子半径145pm)层是合适的。通过该附加层，自由层与邻居层的晶格失配被最小化。因此，降低了应力/应变敏感度。
因此，磁性叠层可以包括第一非磁性层、第二非磁性层(即，匹配层)以及设置在第一非磁性层和第二非磁性层之间的磁性自由双层，磁性自由双层包括耦合至第二磁性自由层的第一磁性自由层。这里，第一磁性自由层耦合至第一非磁性层，并且第二磁性自由层耦合至第二非磁性层。
此外，为了使晶格失配最小化，第二非磁性层由原子半径在第一磁性自由层和第二磁性自由层中的至少一个的原子半径的10％内的非磁性材料制成。例如，如果第二磁性自由层是具有149pm的原子半径的NiFe，则第二非磁性层应该由原子半径与149pm相差14.9pm(即，134.1-163.9pm)的材料制成。因此，例如，第二非磁性层的非磁性材料可以选自铜、镁、铟、铋、锡和锌中的一个。此外，第二非磁性层的非磁性材料可以被选择为具有第一磁性自由层和第二磁性自由层中的至少一个的原子半径的5％内的原子半径，用于进一步减小晶格失配。
类似地，第一非磁性层的材料也可以被选择以使其与第一磁性自由层之间的晶格失配最小化。这里，第一非磁性层可以由原子半径在第一磁性自由层和第二磁性自由层中的至少一个的原子半径的10％内的非磁性材料制成。例如，如果第一磁性自由层由具有152pm的原子半径的CoFe制成，则第二非磁性层应该由具有与152pm相差15.2pm的原子半径(即，136.8-167.2pm)的材料制成。因此，例如可以从铜、镁、铟、铋、锡和锌中的一种中选择第一非磁性层的非磁性材料。此外，第一非磁性层的非磁性材料可以被选择为具有第一磁性自由层和第二磁性自由层中的至少一个的原子半径的5％内的原子半径，用于进一步减少晶格失配。
下面，描述GMR结构的一些示例实施方式。然而，类似的原理可应用于其他类型的xMR传感器，诸如TMR等。GMR结构通常在所谓的平面内电流(CIP)配置进行操作，即，所施加的电流与层结构或芯片顶面平行地流动。TMR结构的应用范围与GMR结构类似。然而，与GMR结构相比，TMR结构通常在所谓的电流垂直于平面(CPP)配置进行操作，即，所施加的电流垂直于层结构或芯片顶面流动。
图1示出了根据一个或多个实施例的GMT堆叠的垂直截面。具体地，图1中的GMR堆叠以底部旋转阀(RSV)配置来布置。
图1示出了根据一个示例的磁阻传感器的磁性叠层100的示例。例如，磁性叠层100可以布置在磁阻传感器的半导体衬底(未示出)上。如果在具有配对的垂直坐标轴x、y和z的笛卡尔坐标系中进行描述，则层均在由x和y轴扩展的平面中横向地延伸。横向尺寸(例如，横向距离、横向截面积、横向区域、横向延伸、横向位移等)是指xy平面中的尺寸。垂直尺寸是指垂直于xy平面的z方向上的尺寸。例如，层在z方向上的(垂直)延伸可以被描述为层厚度。
从下往上，磁性叠层100包括用于影响和/或优化堆叠生长的晶种层102。自然反铁磁(NAF)层104设置在晶种层102上，并且铁磁固定层106设置在NAF层104上。NAF层104可以由铂-镁(PtMn)、铱-镁(IrMn)、镍-镁(NiMn)等制成。NAF的膜厚度可以在5nm至50nm的范围内。固定层(PL)106可以由CoFe、钴-铁-硼(CoFeB)等制成。
NAF层104和固定层106之间的接触可以激起已知为交换偏置效应的效应，使固定层106的磁化在优选方向上(例如，如图所示，在x方向上)对齐。固定层106可以包括位于xy平面中的封闭通量磁化图案。固定层106的封闭通量磁化图案可以在磁化叠层100的制造期间生成，并且可以是永久的。备选地，固定层106可以包括位于xy平面中的线性磁化图案。
磁性叠层100还包括称为耦合层108的非磁性层(NML)。耦合层108可以是抗磁性的，并且例如包括钌、铱、铜和/或铜合金和类似材料。耦合层108在空间上将固定层106与磁性(例如，铁磁)参考层(RL)110分离。耦合层108可以提供反铁磁Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)耦合，以形成人工反铁磁体。由此，使用这种组成，磁性参考层110的磁化可以在与固定层106的磁化反平行的方向上(即，如图所示，在x方向上)对齐并保持。
例如，如果固定层106包括位于xy平面中的顺时针封闭通量磁化图案，则磁性参考层110可以包括位于xy平面中的逆时针封闭通量磁化图案(反之亦然)。以这种方式，磁性参考层110可以具有永久的封闭通量磁化图案。此外，在固定层106包括xy平面中特定方向上的线性磁化图案的情况下，参考层110可包括反平行方向上的线性磁化图案。由此，固定层106、耦合层108和磁性参考层110形成磁性参考系统111。用于固定层106和参考层110的膜厚度分别可以在1nm至100nm的范围内。
此外，磁性叠层100包括被称为邻居层的非磁性层112以及磁性自由双层113。非磁性层112可以由诸如铜、镁、铟、铋、锡或锌的非磁性材料组成，并且设置在磁性参考层110和磁性自由双层113之间。磁性自由双层113由两个磁性自由层114和116组成。磁性自由层114和116中的每一个均用作在施加外部平面中磁场时改变其磁化的传感器层。非磁性层112直接耦合至磁性自由层中一个(在这种情况下耦合至磁性自由层114)而在它们之间没有任何中间层。
磁性自由层114和116磁性地彼此耦合。在一个实施例中，该耦合可以是直接耦合而在自由层114和116之间没有任何中间层。在另一实施例中，耦合可以包括在自由层114和116之间具有非磁性层(即，耦合层)的RKKY耦合。磁性自由层的材料可以类似于固定层106和参考层110的铁磁材料的合金，诸如CoFe、CoFeB和/或NiFe。具体地，每个磁性自由层可以由选自钴、镍、铁和它们的合金的材料制成。合金可以包括非铁磁材料(例如，钴、硼、氮和/或氧)，其中铁磁材料组成相应层的材料组成的至少50％。在该示例中，磁性自由层114由CoFe制成，并且磁性自由层116由NiFe制成。
每个磁性自由层(FL)114和116可以包括线性磁化图案或封闭通量磁化图案(例如，涡流磁化图案)。此外，每个磁性自由层114和116的磁化都可以跟随外部施加的磁场。通过在双层布置中使用两个传感器层，可以增加/放大xMR传感器的信号幅度。
此外，磁性叠层100包括称为邻居层且进一步称为匹配层的非磁性层118。非磁性层118可以由诸如铜、镁、铟、铋或锌的非磁性材料制成。该非磁性层118设置在磁性自由双层113上，并且具体地设置在磁性自由层116上。由此，非磁性层118直接耦合至一个磁性自由层(在这种情况下为耦合至磁性自由层116)而在它们之间没有任何中间层。
由钽(Ta)或氮化钽(TaN)制成的覆盖层120设置在非磁性层118上，并且形成磁性叠层100的上层。
可以选择非磁性层118的材料，使其晶格常数(即，原子半径)与覆盖层120相比更加紧密地匹配于磁性自由层116的晶格常数。例如，匹配层118的非磁性材料的原子半径可以在磁性自由层116的原子半径与覆盖层120的原子半径之间。附加地或备选地，可以选择匹配层118的非磁性材料，使其具有的原子半径在磁性自由层116的原子半径的10％以内。更具体地，可以选择匹配层118的非磁性材料，使其具有的原子半径在磁性自由层116的原子半径的5％以内。匹配层118的非磁性材料的原子半径可以类似地相对于磁性资源层114在指定范围(例如，5％或10％)以内。
类似地，可以选择非磁性层112的材料，使其晶格常数(即，原子半径)紧密地匹配于磁性自由层114的晶格常数。例如，可以选择非磁性层112的非磁性材料，使其具有的原子半径在磁性自由层114的原子半径的10％以内。更具体地，可以选择非磁性层112的非磁性材料，使其具有的原子半径在磁性自由层114的原子半径的5％以内。非磁性材料112的非磁性材料的原子半径可以类似地相对于磁性自由层116在指定范围(例如，5％或10％)以内。
通过该布置，自由层114和116与邻居层112和118的晶格失配最小。因此，减小了应力/应变灵敏度。
根据一些实施例，非磁性层112可以是导电的(例如，包括铜、银、金、钨、铝和/或它们的合金)。在这种情况下，包括磁性叠层100的磁阻传感器可以是GMR传感器。备选地，非磁性层112可以是电绝缘隧道阻挡层(例如，由氧化铝(Al2O3)和/或氧化镁(MgO)制成)。包括磁性叠层100的磁阻传感器可以是TMR传感器。由此，本公开的xMR传感器的示例可以包括图1的磁性叠层100和/或类似的磁性叠层。磁阻传感器不限于GMR或TMR效应。本公开的其他示例可包括基于其他xMR效应的结构。磁性叠层100可以对应于由本公开的至少一些实施例采用的磁阻器。
如上所述，图1示出了第一可能的堆叠实施方式的垂直截面：所谓的“底部固定旋转阀”结构(BSV)，其在底(例如，衬底)侧包括NAF层104。
图2示出了磁阻传感器的磁性叠层200的不同构建，首先(在衬底上)沉积非磁性层118(即，匹配层)，此后沉积剩余的叠层。在这种情况下，该叠层被称为“顶部固定旋转阀”(TSV)，因为参考系统111在叠层的顶部上。NAF层104也在叠层的顶侧上(即，沉积在参考系统111的顶部上)。
磁性叠层200的层的顺序基本上与图1所示的磁性叠层100相反，除了晶种层102和覆盖层120在两种布置中均类似地设置。此外，图2的晶种层101包括两个晶种层的双层布置或者两个子晶种层102和103，其中，晶种层102由Ta或TaN制成，并且晶种层103由具有166pm的原子半径的镍-铬(NiCr)制成。
在针对晶种层102使用双层布置的情况下(对于TSV配置)，匹配层118设置在晶种层103上。匹配层118具有的原子半径可以在晶种层103的原子半径和磁性资源层116的原子半径之间，和/或可以在磁性自由层116的原子半径的预定范围以内(例如，5％或10％内)。
虽然已经描述了各种实施例，但本领域技术人员应理解，许多更多的实施例和实施可以包括在本公开的范围内。因此，除了所附权利要求及其等效物，本发明不被限制。关于由上述部件或结构(组件、器件、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有指定，否则用于描述这些部件的术语(包括“…的装置”)用于对应于执行所述部件的指定功能的任何部件或结构(即，功能等效)，即使结构上与执行本文所示发明的示例性实施的功能的公开结构不等效。
此外，以下权利要求结合到详细描述中，每项权利要求可以独立代表独立的示例实施例。虽然每项权利要求可以代表独立的示例实施例，但应该注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中表示与一项或多项其他权利要求的特定组合，但其他示例实施例还可以包括该从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。本文提出这些组合，除非其表明特定组合是不期望的。此外，一项权利要求的特征也包括至任何其他独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要写。
进一步注意，说明书和权利要求中公开的方法可以通过具有用于执行这些方法的每个对应动作的装置的设备来实施。
此外，应该理解，说明书或权利要求中公开的多个动作或功能的公开可以不解释为在特定顺序内。因此，多个动作或功能的公开将不使它们限于特定顺序，除非这些动作或功能由于技术原因而不能互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或者可以分为多个子动作。这些子动作可以被包括或作为该单个动作的公开部分，除非另有明确排除。
尽管已经公开了各种示例性实施例，但本领域技术人员将明白，可以进行各种改变和修改，将实现本文公开的概念的一些优势而不背离本发明的精神和范围。本领域技术人员将明白，执行相同功能的其他部件可以被适当地替换。将理解，可以利用其他实施例，并且可以进行结构或逻辑改变而不背离本发明的范围。应该提及，即使没有明确提到，参考特定附图解释的特征可以与其他附图的特征组合。对一般发明概念的这些修改被所附权利要求及其法律等效物所覆盖。

Claims (17)

1.一种磁阻传感器，包括：
晶种层；
覆盖层；以及
磁性叠层，设置在所述晶种层和所述覆盖层之间，所述磁性叠层包括：
第一非磁性层；
第二非磁性层；以及
磁性自由双层，设置在所述第一非磁性层和所述第二非磁性层之间，所述磁性自由双层包括第一磁性自由层，所述第一磁性自由层耦合至第二磁性自由层，其中所述第一磁性自由层耦合至所述第一非磁性层，并且所述第二磁性自由层耦合至所述第二非磁性层，
其中所述第二非磁性层设置在所述磁性自由双层与所述晶种层之间、并直接接触所述磁性自由双层以及所述晶种层，并且
其中所述第二非磁性层包括非磁性材料，该非磁性材料具有的原子半径在所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层中的至少一个的原子半径的10％以内。
2.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述非磁性材料选自铜、镁、铟、铋、锡和锌中的一种。
3.根据权利要求2所述的磁阻传感器，其中所述第一非磁性层包括选自铜、镁、铟、铋、锡和锌中的一种的非磁性材料。
4.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层均由选自钴、镍、铁和它们的合金的材料制成。
5.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述第一磁性自由层由钴-铁(CoFe)制成，并且所述第二磁性自由层由镍-铁(NiFe)制成。
6.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述磁性叠层还包括：
磁性参考系统，包括固定层和参考层，所述磁性参考系统耦合至所述第一非磁性层。
7.根据权利要求6所述的磁阻传感器，其中所述参考层耦合至所述第一非磁性层。
8.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中：
所述第一非磁性层包括非磁性材料，该非磁性材料具有的原子半径在所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层中的至少一个的原子半径的10％以内。
9.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中：
所述第二非磁性层包括非磁性材料，该非磁性材料具有的原子半径在所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层中的至少一个的原子半径的5％以内。
10.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中：
所述第一非磁性层包括非磁性材料，该非磁性材料具有的原子半径在所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层中的至少一个的原子半径的5％以内。
11.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中：
所述第二非磁性层的所述非磁性材料具有的原子半径在所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层的原子半径的10％以内。
12.根据权利要求11所述的磁阻传感器，其中所述第一非磁性层的非磁性材料具有的原子半径在所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层的原子半径的10％以内。
13.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述第一非磁性层具有的厚度不同于所述第二非磁性层的厚度。
14.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述第一磁性自由层和所述第二磁性自由层均被配置为基于撞击在其上的磁场来改变其磁化方向。
15.一种磁阻传感器，包括：
晶种层；
覆盖层；以及
磁性叠层，设置在所述晶种层和所述覆盖层之间，所述磁性叠层包括：
第一非磁性层；
第二非磁性层；和
磁性自由双层，设置在所述第一非磁性层和所述第二非磁性层之间，所述磁性自由双层包括第一磁性自由层，该第一磁性自由层耦合至第二磁性自由层，其中所述第一磁性自由层耦合至所述第一非磁性层，并且所述第二磁性自由层耦合至所述第二非磁性层，
其中所述第二非磁性层设置在所述磁性自由双层与所述晶种层之间、并直接接触所述磁性自由双层以及所述晶种层，并且
其中所述第二非磁性层包括非磁性材料，该非磁性材料具有的原子半径在所述第二磁性自由层的原子半径与所述晶种层和所述覆盖层中的至少一个的原子半径之间。
16.根据权利要求15所述的磁阻传感器，其中：
所述晶种层由两个子层组成，所述两个子层包括由镍-铬(NiCr)组成的第一子层和钽的第二子层，
所述覆盖层由钽组成，
所述第一磁性自由层由钴-铁(CoFe)制成，并且
所述第二磁性自由层由镍-铁(NiFe)制成。
17.根据权利要求15所述的磁阻传感器，其中：
所述第一非磁性层的非磁性材料选自铜、镁、铟、铋、锡和锌中的一种，并且
所述第二非磁性层包括选自铜、镁、铟、铋、锡和锌中的一种的非磁性材料。
CN201910602979.2A 2018-07-06 2019-07-05 具有减小的应力敏感度的磁阻传感器 Active CN110690343B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/028,738 2018-07-06
US16/028,738 US11346899B2 (en) 2018-07-06 2018-07-06 Magnetoresistive sensor with reduced stress sensitivity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110690343A CN110690343A (zh) 2020-01-14
CN110690343B true CN110690343B (zh) 2023-06-02

Family

ID=68943832

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910602979.2A Active CN110690343B (zh) 2018-07-06 2019-07-05 具有减小的应力敏感度的磁阻传感器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11346899B2 (zh)
CN (1) CN110690343B (zh)
DE (1) DE102019118167A1 (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3841623A1 (en) * 2018-08-23 2021-06-30 Everspin Technologies, Inc. Magnetoresistive stack device fabrication methods
US11374170B2 (en) * 2018-09-25 2022-06-28 Applied Materials, Inc. Methods to form top contact to a magnetic tunnel junction
US10797227B2 (en) 2018-12-06 2020-10-06 Sandisk Technologies Llc Spin-transfer torque MRAM with a negative magnetic anisotropy assist layer and methods of operating the same
US10811596B2 (en) 2018-12-06 2020-10-20 Sandisk Technologies Llc Spin transfer torque MRAM with a spin torque oscillator stack and methods of making the same
US10862022B2 (en) * 2018-12-06 2020-12-08 Sandisk Technologies Llc Spin-transfer torque MRAM with magnetically coupled assist layers and methods of operating the same
US11737368B2 (en) 2019-03-27 2023-08-22 Intel Corporation Magnetic memory devices and methods of fabrication
US10943950B2 (en) * 2019-03-27 2021-03-09 Intel Corporation Magnetic memory devices with enhanced tunnel magnetoresistance ratio (TMR) and methods of fabrication
FR3114883B1 (fr) * 2020-10-01 2023-02-10 Commissariat Energie Atomique Systeme et procede de suppression du bruit magnetique basse frequence de capteurs magneto-resistifs

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1655374A (zh) * 2004-02-10 2005-08-17 日立环球储存科技荷兰有限公司 电流垂直于平面磁阻传感器及其制造方法
CN102998634A (zh) * 2011-09-12 2013-03-27 英飞凌科技股份有限公司 磁阻自旋阀层系统
CN104078561A (zh) * 2013-03-26 2014-10-01 英飞凌科技股份有限公司 磁阻器件和用于制造磁阻器件的方法
CN105301529A (zh) * 2014-07-24 2016-02-03 英飞凌科技股份有限公司 Xmr传感器设备

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002198583A (ja) * 2000-12-26 2002-07-12 Hitachi Ltd 強磁性トンネル型磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッド
JP2006005277A (ja) * 2004-06-21 2006-01-05 Alps Electric Co Ltd 磁気検出素子
US20080008908A1 (en) * 2004-11-22 2008-01-10 Nec Corporation Ferromagnetic Film, Magneto-Resistance Element And Magnetic Random Access Memory
US8174800B2 (en) * 2007-05-07 2012-05-08 Canon Anelva Corporation Magnetoresistive element, method of manufacturing the same, and magnetic multilayered film manufacturing apparatus
US7855859B2 (en) * 2007-12-27 2010-12-21 Tdk Corporation Magnetoresistive element and magnetic head
US9146287B2 (en) 2010-11-15 2015-09-29 Infineon Technologies Ag XMR sensors with high shape anisotropy
KR101338360B1 (ko) * 2012-04-04 2013-12-06 광주과학기술원 선택 소자, 이를 포함하는 비휘발성 메모리 셀 및 이의 제조방법
US9281002B2 (en) * 2013-06-24 2016-03-08 Seagate Technology Llc Materials for near field transducers and near field transducers containing same
EP3059601B1 (en) * 2015-02-12 2017-09-13 Alps Electric Co., Ltd. Magnetometric sensor and current sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1655374A (zh) * 2004-02-10 2005-08-17 日立环球储存科技荷兰有限公司 电流垂直于平面磁阻传感器及其制造方法
CN102998634A (zh) * 2011-09-12 2013-03-27 英飞凌科技股份有限公司 磁阻自旋阀层系统
CN104078561A (zh) * 2013-03-26 2014-10-01 英飞凌科技股份有限公司 磁阻器件和用于制造磁阻器件的方法
CN105301529A (zh) * 2014-07-24 2016-02-03 英飞凌科技股份有限公司 Xmr传感器设备

Also Published As

Publication number Publication date
US20200011943A1 (en) 2020-01-09
US11346899B2 (en) 2022-05-31
DE102019118167A1 (de) 2020-01-09
CN110690343A (zh) 2020-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110690343B (zh) 具有减小的应力敏感度的磁阻传感器
EP3092505B1 (en) Magnetoresistance element with an improved seed layer to promote an improved response to magnetic fields
US11519977B2 (en) Stray field robust XMR sensor using perpendicular anisotropy
EP2284557B1 (en) Magnetic sensor
US7495434B2 (en) Magnetoresistive sensor element for sensing a magnetic field
US20110068786A1 (en) Magnetic sensor and manufacturing method thereof
US11047709B2 (en) Magnetic field sensor and magnetic field sensing method
KR102183263B1 (ko) 자기 센서 및 전류 센서
US11693068B2 (en) Exchange-coupled film and magnetoresistive element and magnetic sensing device including the same
CN113167845B (zh) 高灵敏度tmr磁性传感器
US7956609B2 (en) Magnetic sensor including a spin-valve GMR device
US8164331B2 (en) Magnetic field measurement method and magnetic sensor
US11467232B2 (en) Magnetoresistive sensor and fabrication method for a magnetoresistive sensor
US8164330B2 (en) Magnetic sensor and magnetic field strength measurement method saturating magnetization of magnetization-free layer
US11892526B2 (en) Magnetoresistive sensor and fabrication method for a magnetoresistive sensor
JP5869405B2 (ja) 磁気検出素子及びそれを用いた磁気センサ
CN113167847B (zh) 具有双tmr膜的磁传感器阵列
US20240329166A1 (en) Inducing mechanical stress in magnetoresistive sensing element to align magnetization axis of reference layer system in preferred direction for improved sensor performance
CN118625222A (zh) 具有氮化钽缓冲层以提高热稳定性的铱锰基隧道磁阻感测元件
CN117715505A (zh) 磁阻感测元件的自由层中的多个钴铁硼层
CN116893372A (zh) 磁性传感器装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant