CN110927637A

CN110927637A - 一种三轴mtj磁场传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN110927637A
Application number: CN201911207892.1A
Authority: CN
Inventors: 曹凯华; 赵巍胜; 李智; 冷群文
Original assignee: Qingdao Research Institute Of Beihang University
Current assignee: Qingdao Research Institute Of Beihang University
Priority date: 2019-11-30
Filing date: 2019-11-30
Publication date: 2020-03-27

Abstract

本发明公开一种三轴MTJ磁场传感器及其制备方法，通过对基底进行斜坡处理并在斜坡上设置对应的垂直型固定层/面内型自由层正交的TMR磁传感器元件，实现三轴磁场检测；由于自由层不需要确定的磁面内各向异性，因此不需要将器件制备成长条型、椭圆形等形状各向异性，结构设计简单巧妙、集成度高；对于基底结构可通过MEMS工艺、或斜坡刻蚀等工艺实现，在斜坡处理后的基底上，沉积TMR磁传感器元件膜堆，然后通过光刻刻蚀形成磁隧道结区、底电极区，用绝缘介质填充光刻刻蚀形成的接触孔，光刻刻蚀形成电极完成制备，工艺设计简单、制备方便，而且该方案的三轴MTJ磁场传感器能够精确测量三轴磁场大小，具有较好的实际应用及推广价值。

Description

一种三轴MTJ磁场传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于磁场传感器设计领域，具体涉及一种三轴MTJ磁场传感器及其制备方法。

背景技术

隧道结磁电阻传感器(MTJ)是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应(TMR)；主要表现在磁性多层膜材料中随着外磁场大小和方向的变化，磁性多层膜的电阻发生明显变化，相比于AMR(各向异性磁电阻)具有更大的电阻变化率，同时相对于霍尔效应材料具有更好的温度稳定性通常多轴磁场传感器具有比单轴传感器更高的集成度、更好的正交性，可以非常方便的应用于多轴或是矢量传感器场合。

而磁场本身就是一个矢量场，因而多轴磁场测量传感器具有非常广泛的应用，特别是在电子罗盘、地磁测量等领域都采用双轴或三轴磁场测量，因此，生产集成度高的、单一芯片多轴磁场传感器是一种非常现实的需求。而现有技术中，TMR磁场传感器件多是单轴的，实现三轴磁场传感多采用以下方式：

(1)采用三维封装，将多个单轴TMR磁场传感器器件，两两垂直封装，实现空间上x、y、z轴向的磁场检测；但是这种方式下z轴TMR传感器件为垂直放置，无法实现芯片的扁平化；此外，z轴的测试精度由三维封装的精度直接决定，常规的封装工艺无法达到三轴传感器的精度；

(2)将多种不同轴向器件膜层堆叠，将GMR(x、y两轴传感器)及TMR(z轴传感器)堆叠在一起，而多种TMR或GMR磁传感器膜堆堆叠后，由于不同种类膜堆的退火条件不同，不可避免导致膜堆性能下降；此外，不同磁传感器元件的器件结构和电路相互干扰，导致整体性能无法达到设计指标；

(3)将单轴传感器制备到倾斜平面上，通过检测轴与外磁场存在一定夹角，计算得到x、y、z轴向的磁场强度分量，如申请公布号为【CN 103116143 A】的发明专利所公开的一体式高精度三轴磁传感器；一般这种情况下采用的是GMR传感器或面内型TMR传感器，GMR需要复杂的桥式结构，面内型TMR磁传感器需要形状各向异性。

发明内容

本发明提出一种三轴MTJ磁场传感器及其制备方法，基于垂直型固定层/面内型自由层正交的TMR磁传感器圆柱型元件，通过将其制备在倾斜平台上，实现三轴磁场检测。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种三轴MTJ磁场传感器，包括晶圆片基底和在晶圆片基底上设置的TMR磁传感器，所述晶圆片基底上设置有若干个方形凹槽或方形凸台，所述方形凹槽或方形凸台的侧面为依次连接的四个倾斜的斜面，TMR磁传感器对应的设置在所述侧面上，且所述的TMR磁传感器的固定层和自由层的磁化方向正交，固定层垂直于薄膜平面，自由层平行于薄膜平面。

进一步的，所述的TMR磁传感器采用单个TMR元件、多个TMR元件的串联、并联或串并联组合，或者是采用多个TMR元件与电阻元件构成的电桥结构。

进一步的，设方形凹槽(11)或方形凸台(12)的四个侧面与晶圆片基底所在平面的夹角分别为α、β、γ、θ，则α、β、γ、θ四个角度相等，或相互不等。

本发明另外还提出一种三轴MTJ磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、在晶圆片基底上设置若干个方形凹槽或方形凸台，所述方形凹槽或方形凸台的侧面为依次连接的四个倾斜的斜面；

步骤S2、制备正交型TMR元件膜堆，TMR元件的固定层和自由层的磁化方向正交，固定层垂直于薄膜平面，自由层平行于薄膜平面；在步骤S1处理后的晶圆片基底上，沉积TMR元件膜堆；

步骤S3、形成MTJ三轴磁传感器。

进一步的，所述步骤S1中，四个斜面的倾斜角度彼此相同或者彼此不同。

进一步的，所述晶圆片基底的结构通过MEMS工艺、或斜坡刻蚀工艺手段实现。

进一步的，所述步骤S2中，TMR元件膜堆沉积结构从下至上依次包括底电极层、籽晶层、垂直磁各向异性钴基定扎层、垂直磁各向异性固定层、氧化镁势垒层、面内磁各向异性自由层和覆盖层。

进一步的，所述步骤S3中具体采用以下方式：

(1)基于光刻刻蚀磁隧道结区和底电极区；

(2)采用绝缘介质填充光刻刻蚀形成接触孔，然后光刻刻蚀形成电极，完成三轴磁传感器制备。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案通过对基底进行斜坡处理并在斜坡上设置对应的垂直型固定层/面内型自由层正交的TMR磁传感器元件，实现三轴磁场检测；由于自由层不需要确定的磁面内各向异性，因此不需要将器件制备成长条型、椭圆形等形状各向异性，结构设计简单巧妙，具有集成度高，工艺简单，能够精确测量三轴磁场大小等的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1中三轴MTJ磁场传感器的两种形式的侧视示意图；

图2为图1中一组TMR磁传感器的俯视示意图；

图3为本发明实施例1中TMR元件的电阻值随垂直外磁场H的变化曲线图；

图4为本发明实施例1晶圆片基底、TMR元件及检测磁场方向示意图；

图5为本发明实施例1斜面上的TMR元件的检测原理示意图；

图6为本发明实施2所述的制备流程示意图；

图7为本发明实施例2所形成的TMR元件膜堆沉积示意图；

图8为本发明实施2形成的形成磁隧道结区示意图，其中(a)为俯视示意图，(b)为侧视示意图；

图9为本发明实施例2所形成的底电极区示意图，其中(a)为俯视示意图，(b)为侧视示意图；

图10为本发明实施例2中绝缘介质填充及形成接触孔示意图，其中(a)为俯视示意图，(b)为侧视示意图；

图11为本发明实施例2所制备的三轴MTJ磁传感器侧视示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚的理解本发明的上述目的和优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细地描述：

实施例1，一种三轴MTJ磁场传感器，基于垂直型固定层/面内型自由层正交的TMR磁传感器圆柱型元件，通过将其制备在倾斜平台上，实现三轴磁场检测。具体的，如图1所示，所述三轴MTJ磁场传感器包括晶圆片基底1和在晶圆片基底1上设置的TMR磁传感器2，所述晶圆片基底1上设置有若干个方形凹槽11或方形凸台12，图1(a)为开设方形凹槽11示意图，图1(b)为设置方形凸台12示意图，方形凹槽11或方形凸台12的侧面为顺次连接的四个倾斜的斜面，TMR磁传感器2设置在所述斜面上；如图2所示，每个方形凸台或凹槽上对应的设置有四个TMR磁传感器，正好四个TMR磁传感器为一组，可以根据实际方形凸台或方形凹槽的数量设置多组；且所述的TMR磁传感器的固定层和自由层的磁化方向正交，固定层垂直于薄膜平面，自由层平行于薄膜平面；另外，本实施例中，所述的TMR磁传感器采用单个TMR元件、多个TMR元件的串联、并联或串并联组合，或者是采用多个TMR元件与电阻元件构成的电桥结构。

下面结合具体原理对本方案进行详细的介绍：

如图3所示，为TMR元件的电阻值随垂直外磁场H的变化曲线图，图3为一个正交型TMR磁传感器元件的理想输出曲线，阻值状态A和阻值状态E分别为自由层与固定层磁矩反平行和平行状态下元件阻值处于最大值和最小值，阻值状态B、D分别为自由层受到外磁场的影响，但并未达到饱和场(Hs)强度时，自由层磁矩与固定层磁矩成一定角度，元件电阻表现为随着外磁场强度变化而变化，阻值状态C为外磁场强度为零时，自由层磁矩出于面内方向，自由层磁矩与固定层夹角为90度。其中面内磁各向异性自由层为检测层，面内磁各向异性自由层磁矩在垂直平面方向的磁矩方向随垂直平面外磁场变化而缓慢变化，磁性隧道结电阻与自由层磁矩与固定层磁矩两个磁矩矢量的夹角余弦值成比例，因此该磁性隧道结结构可以检测z轴磁场的强度。

如图4所示，定义晶圆片的空间轴x、y、z轴，图4(a)为正交型TMR磁传感器元件生长在晶圆片基底平面上，基于图3中TMR元件检测原理，该元件只能检测外磁场(Hext)的z轴分量(Hz)；图4(b)中，晶圆片基底上设置了一系列方形凹槽或方形凸台，TMR元件制备在方形凹槽或方形凸台倾斜的侧平面上的，此时整个元件各功能层的磁矩方向由于倾斜的侧平面偏离晶圆片基底平面一定角度，定义此时的垂直于TMR元件平面的轴向为z’轴，定义平行于TMR元件平面的为x’轴，斜面长度、粗糙度等可以满足正交型TMR元件膜堆生长条件，该TMR元件检测的外磁场为外磁场(Hext)在z’轴的分量为Hz’，外磁场(Hext)在x’轴的分量为Hx’。

本实施例中，如图5所示，元件1和元件2被制备在倾斜平面上，图5(a)为一方形凹槽示例，图5(b)为方形凸台示例(所述元件1、元件2即为TMR磁传感器元件，以下简称元件)。定义元件1的平面与晶圆片基底x轴夹角为α、元件2的平面与晶圆片x轴夹角为β，元件3的平面与晶圆片基底x轴夹角为γ、元件4的平面与晶圆片x轴夹角为θ(四个斜面的角度α、β、γ、θ可以相同也可以不同，具体根据实际设计需求确定)。根据图4中的检测原理，元件1的检测轴为z1、元件2的检测轴为z2，因此有：

其中R₁和R₂分别是TMR元件1和元件2的实际检测电阻，R₁₀和R₂₀分别是TMR元件1和元件2的0磁场修正电阻值，a₁和a₂分别是TMR元件1和元件2的系数参数，δ表示待测磁场在x-z平面投影Hxz磁场与x轴的夹角，通过公式(1)即可得到在检测磁场Hxz的x轴分量(Hx)以及z轴分量(Hz)，对于元件3和元件4来说同理，元件1和元件2实现x、z轴分量检测；元件3和元件4实现y、z轴分量检测，进而实现了由4组TMR磁传感器元件组成的组合实现三轴检测。

本实施例中，由于自由层不需要确定的磁面内各向异性，因此不需要将器件制备成长条型、椭圆形等形状各向异性，结构设计简单巧妙，具有集成度高，工艺简单；此外由于TMR磁传感器元件通过微纳加工的方法放置四个斜面上，TMR元件性能在制备过程中影响较小，匹配度较高，能够精确测量三轴磁场大小等的优点。

实施例2、基于实施例1所提出的三轴MTJ磁传感器的制备方法，如图6所示，包括以下步骤；

(1)、在晶圆片基底上设置方形凹槽或方形凸台，所述方形凹槽或方形凸台具有依次连接的倾斜的侧面；

晶圆片基底的结构可以通过MEMS工艺、或斜坡刻蚀等手段实现，同时精确控制凹槽或凸台的倾斜侧面的角度，四个斜面的倾斜角度可以相同也可以不同，各斜面角度可以在器件制备结束后，通过在标准磁场环境条件下，采用公式(1)所述的方式逆算得出；

(2)、制备正交型TMR元件膜堆，TMR元件的固定层和自由层的磁化方向正交，固定层垂直于TMR元件平面(薄膜平面)，自由层平行于薄膜平面；在斜坡处理后的晶圆片基底上，沉积TMR磁传感器元件膜堆。

如图7所示，膜堆沉积结构包括：垂直磁各向异性固定层12、氧化镁势垒层13、面内磁各向异性自由层14，以及其他例如底电极层、籽晶层、垂直磁各向异性钴基定扎层、覆盖层等功能层；膜堆沉积的方式可采用磁控溅射、蒸发等工艺，在此对成膜工艺不做限制，而且薄膜处理时也可以采用氧化、磁场真空热退火方式；可以根据实际设计需求调整倾斜角及成膜工艺，以保证斜面上膜堆性能；由于采用正交结构，固定层为垂直各向异性层，不需要形状各向异性，因此可以大幅较少工艺步骤；

(3)、光刻刻蚀形成磁隧道结区3，光刻刻蚀形成底电极区4，如图8所示，为磁隧道结区3的俯视示意图和侧视示意图；如图9所示，为形成的底电极区4的俯视示意图和侧视示意图；

(4)、采用绝缘介质11填充光刻刻蚀形成接触孔5，如图10所示；然后光刻刻蚀形成电极，完成三轴磁传感器制备。如图11所示，其中第一电极6、第二电极7可以对第一TMR元件9(元件1)进行检测，第二电极7和第三电极8可以对第二TMR元件(元件2)10进行检测，对于元件3和元件4来说，具有同样的原理。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种三轴MTJ磁场传感器，包括晶圆片基底(1)和在晶圆片基底(1)上设置的TMR磁传感器(2)，其特征在于，所述晶圆片基底(1)上设置有若干个方形凹槽(11)或方形凸台(12)，所述方形凹槽(11)或方形凸台(12)的侧面为依次连接的四个倾斜的斜面，TMR磁传感器(2)对应的设置在所述侧面上，且所述的TMR磁传感器的固定层和自由层的磁化方向正交，固定层垂直于薄膜平面，自由层平行于薄膜平面。

2.根据权利要求1所述的三轴MTJ磁场传感器，其特征在于：所述的TMR磁传感器采用单个TMR元件、多个TMR元件的串联、并联或串并联组合，或者是采用多个TMR元件与电阻元件构成的电桥结构。

3.根据权利要求1所述的三轴MTJ磁场传感器，其特征在于：设方形凹槽(11)或方形凸台(12)的四个侧面与晶圆片基底所在平面的夹角分别为α、β、γ、θ，则α、β、γ、θ四个角度相等，或相互不等。

4.一种三轴MTJ磁场传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S3、形成MTJ三轴磁传感器。

5.根据权利要求5所述的三轴MTJ磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，四个斜面的倾斜角度彼此相同或者彼此不同。

6.根据权利要求5所述的三轴MTJ磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述晶圆片基底的结构通过MEMS工艺或斜坡刻蚀工艺手段实现。

7.根据权利要求5所述的三轴MTJ磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，TMR元件膜堆沉积结构从下至上依次包括底电极层、籽晶层、垂直磁各向异性钴基定扎层、垂直磁各向异性固定层(12)、氧化镁势垒层(13)、面内磁各向异性自由层(14)和覆盖层。

8.根据权利要求5所述的三轴MTJ磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中具体采用以下方式：

(1)基于光刻刻蚀磁隧道结区(3)和底电极区(4)；

(2)采用绝缘介质(11)填充光刻刻蚀形成接触孔(5)，然后光刻刻蚀形成电极，完成三轴磁传感器制备。