CN111426994A - 使用垂直各向异性的杂散场鲁棒xmr传感器 - Google Patents

使用垂直各向异性的杂散场鲁棒xmr传感器 Download PDF

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Abstract

本公开涉及使用垂直各向异性的杂散场鲁棒XMR传感器。磁阻传感器具有传感器平面，在该传感器平面中，磁阻传感器对磁场敏感。磁阻传感器包括：具有参考磁化的参考层，该参考磁化是固定的并且与传感器平面的平面内轴线对准；以及靠近参考层设置的磁性自由层，该磁性自由层具有沿着在传感器平面的平面外的平面外轴线对准的自由层磁化。自由层磁化被配置为在存在外部平面内磁场的情况下远离平面外轴线并且朝向传感器平面倾斜。

Description

使用垂直各向异性的杂散场鲁棒XMR传感器
技术领域
本公开总体上涉及一种磁阻传感器装置及其制造方法，并且更具体地涉及一种使用垂直各向异性的磁阻传感器装置。
背景技术
磁阻效应基于很多不同的物理现象。所有这些现象的共同点是，电阻性元件的电阻可以通过穿透电阻性元件的磁场来改变。利用磁阻效应的技术有时被称为“xMR技术”，其中“x”表示此处可以解决多种效应，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，仅举几个示例。xMR效应可以应用于各种基于磁场的磁阻传感器，例如，用于测量转数、角度等。
xMR传感器并且具体地是xMR角度传感器应当呈现出传感器层(自由层)，该传感器层能够理想地遵循外部旋转磁场的方向。由于其高信号和高准确性，并且有可能以模块化方式将xMR传感器集成到互补金属氧化物半导体(CMOS)和双极性CMOS(BiCMOS)技术上，因此它们通常是一种优于基于霍尔的角度传感器的选择。但是，这些xMR传感器有两个明显的缺点：由于各向异性效应的低磁场下的降低的准确性，并且容易受到干扰场的影响。
基于xMR的角度传感器通常包括至少两个完整的惠斯通桥的系统，在GMR和TMR的情况下，至少两个完整的惠斯通桥使用所施加的磁场来提供正弦或余弦信号。该场通常由永磁体提供，并且惠斯通桥的每个电阻器中的敏感层均以完全饱和模式操作。该敏感层的磁化与外部磁场“在平面内”完全对准。但是，如果外部磁场较小，则各种原点的各向异性会引起与完全对准的偏差，从而导致角度测量的不准确，即，在存在低外部电场的情况下导致角度误差增加。为了避免这种情况，可以将具有最小场强的编码器磁体与这些类型的传感器一起使用，这通常是成本增加的代名词。
具有以饱和模式操作的FL的这种传感器的输出信号不能测量外部磁场(即，B场)的场强。因此，输出信号仅取决于外部B场的旋转取向，而不取决于其场强。结果，以饱和模式操作的传感器无法确定是否由编码器磁体纯粹地生成外部磁场、或者是否存在叠加的外部干扰场。这再次导致角度测量不准确。为了克服这个问题，该系统要么必须屏蔽外部磁场，要么需要使用更坚固的磁体以减少干扰场的影响。
在另一示例中，使用基于线性xMR的传感器元件，该传感器元件能够借助于呈现出传感器层的封闭磁通磁化(例如，涡流状磁化)的结构来测量平面内磁场的强度。可以通过横向结构尺寸(即，在圆形结构的情况下为直径)和/或通过传感器层的厚度来调节测量范围。形状大小越小并且传感器层厚度越大，则磁场上限越高。通常，可以达到高达～100mT的所谓的毁灭场(其中封闭磁通磁化被毁灭的场)。从光刻和工艺的角度来看，结构大小具有下限。因此，几乎不可能进一步扩展。结果，基于封闭磁通磁化传感器层的角度传感器只能用于旋转<<100mT的B场，这低于当今的某些要求。
因此，需要一种能够以高准确性进行高达100mT的角度测量的场强感测元件的另一解决方案。
因此，可能需要一种在不损害xMR技术优势的情况下解决这些问题的改进装置。
发明内容
实施例提供了一种通过使用垂直各向异性而对杂散场具有鲁棒性的磁阻传感器装置。
根据一个实施例，一种磁阻传感器具有传感器平面，在该传感器平面中，磁阻传感器对磁场敏感。磁阻传感器包括：具有参考磁化的参考层，该参考磁化是固定的并且与传感器平面的平面内轴线对准；以及靠近参考层设置的磁性自由层，该磁性自由层具有沿着在传感器平面的平面外的平面外轴线对准的自由层磁化。自由层磁化被配置为在存在外部平面内磁场的情况下远离平面外轴线并且朝向传感器平面倾斜。
根据另一实施例，提供了一种具有传感器平面的磁阻传感器，在该传感器平面中，磁阻传感器对外部平面内磁场敏感。磁阻传感器包括第一传感器布置和第二传感器布置。第一传感器布置包括第一多个传感器元件，其中第一多个传感器元件中的每个包括：具有第一参考磁化的第一参考层，第一参考磁化是固定的并且与传感器平面的第一平面内轴线对准；以及靠近第一参考层设置的第一磁性自由层，第一磁性自由层具有沿着平面外轴线对准的第一自由层磁化。第二传感器布置包括第二多个传感器元件，其中第二多个传感器元件中的每个包括：具有第二参考磁化的第二参考层，第二参考磁化是固定的并且与传感器平面的第二平面内轴线对准，其中第二平面内轴线垂直于第一平面内轴线；以及靠近第二参考层设置的第二磁性自由层，第二磁性自由层具有沿着平面外轴线对准的第二自由层磁化。
附图说明
本文中参考附图描述实施例。
图1示出了根据一个或多个实施例的自旋阀GMR/TMR结构的横截面；
图2示出了平面内电流隧穿(CIPT)测量，其示出了关于具有平面内方向的外部磁场的xMRz传感器电阻；
图3示出了根据一个或多个实施例的GMR堆叠的竖直横截面；
图4示出了根据一个或多个实施例的另一GMR堆叠的竖直横截面；
图5A示出了根据一个或多个实施例的用于角度感测的、具有带有惠斯通全桥配置的垂直磁各向异性的自由层的GMR/TMR角度传感器的示意图；
图5B示出了根据一个或多个实施例的当暴露于外部旋转磁场时的图5A所示的传感器结构的示例输出信号的曲线图；以及
图6是根据一个或多个实施例的传感器布置的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述各种实施例。给出这些实施例仅出于说明性目的，而不应当被解释为是限制性的。例如，尽管可以将实施例描述为包括多个特征或元件，但是在其他实施例中，这些特征或元件中的一些可以被省略，和/或可以替换为替代特征或元件。在其他实施例中，可以提供除了明确示出或描述的特征或元件之外的其他特征或元件。另外，除非另外特别指出，否则下文中描述的不同实施例的特征可以彼此组合以形成另外的实施例。例如，关于实施例中的一个实施例描述的变化或修改也可以适用于其他实施例，除非相反地指出。
因此，尽管其他示例能够具有各种修改和替代形式，但是其一些特定示例在附图中示出并且随后将详细描述。然而，该详细描述不将其他示例限于所描述的特定形式。其他示例可以覆盖落入本公开的范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。
此外，在以下描述中用等效或相似的附图标记表示等效或相似的元素或者具有等效或相似的功能的元素。由于在附图中相同或功能等效的元素被赋予相同的附图标记，因此可以省略对具有相同附图标记的元素的重复描述。因此，为具有相同或相似附图标记的元素提供的描述可以相互交换。
每当使用诸如“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”等单数形式并且仅使用单个元素没有被明确地或隐式地定义为是强制性的时，其他示例也可以使用多个元素来实现相同的功能。同样，当随后将功能描述为使用多个元素来实现时，其他示例可以使用单个元素或处理实体来实现相同的功能。将进一步理解，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”在使用时指定所述特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元素和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元素、组件和/或其任何组的存在或增加。
应当理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，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”到另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式来解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
在本文中描述或附图中示出的实施例中，任何直接电连接或耦合(即，没有附加中间元件的任何连接或耦合)也可以通过间接连接或耦合(即，与一个或多个附加中间元件的连接或耦合)来实现，反之亦然，只要基本上保持例如用于传输某种信号或传输某种信息的连接或耦合的通用目的。
附图应当被视为是示意性表示，并且附图中示出的元件不必按比例示出。相反，表示各种元件，使得它们的功能和通用目的对于本领域技术人员而言是很清楚的。图中所示或本文中所述的功能块、设备、组件或其他物理或功能单元之间的任何连接或耦合也可以通过间接连接或耦合来实现。功能块可以用硬件、固件、软件或其组合来实现。
实施例涉及传感器和传感器系统，并且涉及获取关于传感器和传感器系统的信息。传感器可以是指将待测量的物理量转换为电信号(例如，电流信号或电压信号)的组件。物理量可以例如包括磁场、电场、压力、力、电流或电压，但不限于此。如本文中所述，传感器装置可以是角度传感器、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、场强、场角、场方向、场取向等)的一个或多个磁场传感器元件。磁场可以由磁体、载流导体(例如，导线)、地球或其他磁场源产生。每个磁场传感器元件被配置为响应于撞击在传感器元件上的一个或多个磁场来生成传感器信号(例如，电压信号)。因此，传感器信号指示撞击在传感器元件上的磁场的大小和/或取向。
应当理解，在整个说明书中，术语“传感器”和“感测元件”可以互换使用，并且在整个说明书中，术语“传感器信号”和“测量信号”也可以互换使用。
如本文中提供的磁传感器可以是磁阻传感器。磁阻是材料在被施加外部磁场时改变其电阻值的属性。磁阻效应的一些示例是巨磁阻(GMR)(它是在由交替的铁磁和非磁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)(它是一种在磁隧道结(MTJ)中发生的磁阻效应，MTJ是由通过薄绝缘体隔开的两个铁磁体组成的组件)、或各向异性磁阻(AMR)(它是其中电阻取决于观察到电流方向(即，感测轴)与磁化方向之间的角度的材料的属性)。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在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。
多个不同磁阻效应通常缩写为xMR，其中“x”用作各种磁阻效应的占位符。xMR传感器可以通过使用单片集成磁阻传感器元件测量正弦和余弦角度分量来检测所施加的磁场的取向。
这种xMR传感器的磁阻传感器元件通常包括多个层，其中至少一个层是具有参考磁化(即，在GMR或TMR技术的情况下为参考方向)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。参考层以及因此参考磁化定义传感器平面。例如，传感器平面可以由XY平面定义，其中Z轴垂直于传感器平面。因此，在该示例中，X和Y方向关于传感器平面称为“平面内”，Z方向关于传感器平面称为“平面外”。
因此，在GMR或TMR传感器元件的情况下，如果磁场分量(例如，自由层)恰好指向与参考方向相同的方向，则xMR传感器元件的电阻最小，而如果磁场分量恰好指向与参考方向相反的方向，则xMR传感器元件的电阻最大。磁场分量可以是例如x磁场分量(Bx)、y磁场分量(By)或z磁场分量(Bz)，其中Bx和By场分量在磁传感器的平面内，而Bz场分量在磁传感器的平面外。
用于xMR传感器的磁性自由层(MFL)可以由镍铁(NiFe)合金、钴铁(CoFe)合金、铽铁钴(TbFeCo)合金制成，或者在使用两个或更多个磁性自由层的双层或多层布置中，可以使用两个或更多个不同层的组合。如本文中使用的，“双层”是指构成层系统的两个相邻设置的层，并且“多层”是指构成层系统的两个或更多个相邻设置的层。在一个示例中，多层MFL可以由两层CoFeB组成，其中在两个CoFeB层(例如，CoFeB/Ta/CoFeB)之间插入有钽(Ta)层。
还可以使用其他双层系统，诸如铂(Pt)和钴(Co)层；钯(Pd)和钴(Co)层；钴(Co)和镍(Ni)层。具体地，每个磁性自由层可以由选自钴、镍、铁、铂、钽、钯、铽及其合金的材料制成。合金可以包括非铁磁材料(例如，碳、硼、氮和/或氧)，其中铁磁材料构成相应层的材料成分的至少50％。应当理解，虽然在本文中针对相应层或多层列出了某些材料，但是所列出的材料仅用作示例，而不应当被解释为是限制性的。
相邻层可以构成相邻层系统，其中双层下一相邻层系统邻近于磁性自由层中的一个磁性自由层设置。例如，下一相邻系统可以是由钌(Ru)和铜(Cu)层制成的双层。通过改变Ru/Cu的厚度比，可以改变磁弹性行为。邻近于磁性自由层的相邻层可能会影响磁性自由层的垂直各向异性程度。因此，将进一步认识到，可以使用除了Ru和Cu之外的其他适合的材料，使得可以实现磁性自由层中的垂直各向异性。
根据一个或多个实施例，被称为磁性层堆叠的xMR层堆叠可以包括邻近于至少一个非磁性层(NML)设置的磁性自由层(MFL)。邻近于磁性自由层的非磁性层可以被称为相邻层。磁性自由层可以是信号磁性自由层，或者可以是包括两个或更多个相邻设置的磁性自由层的磁性自由多层。非磁性层中的一个非磁性层可以分别以底部自旋阀(BSV)或顶部自旋阀(TSV)布置而被设置在磁性自由层与盖层或种子层之间，而另一层非磁性层可以设置在磁性自由层与参考层之间。使用双参考系统的堆叠系统也是可能的，其中包括其自己的参考层的参考系统设置在自由层或多层自由层的每一侧上。
MFL配置有垂直于传感器平面并且在传感器平面的平面外的垂直各向异性。换言之，MFL是垂直于传感器平面并且在传感器平面的平面外(即，正交于参考层)被磁化的层。在没有外部磁场的情况下，本征磁各向异性会影响MFL磁化以使其沿着垂直于传感器平面的轴线(例如，Z轴)对准。在向MFL施加外部平面内磁场或将MFL暴露于平面内磁场时，MFL磁化会倾斜到传感器平面中。
例如，MFL的磁化方向可以从垂直于传感器平面对准(即，在没有外部平面内磁场的情况下对准Z方向或负Z方向)的其默认方向改变为当向MFL施加平面内磁场时X方向分量增加的方向。其中MFL的磁化方向移动的倾斜方向可以取决于所施加的平面内磁场的旋转方向，使得顺时针旋转方向可以引起MFL的磁化方向在正的平面内方向(例如，+X方向)上改变，并且逆时针旋转方向可以引起MFL的磁化方向在负的平面内方向(例如，-X方向)上改变，反之亦然。
如果MFL包括多层，则该多层的每个层将配置有垂直各向异性，其磁化在相同的磁化方向上对准。
作为示例，盖层可以由钽(Ta)或氮化钽(TaN)制成，而种子层可以由Ta或TaN层和镍铬(NiCr)层的双层制成。
因此，磁性层堆叠可以包括第一非磁性层；第二非磁性层；以及设置在第一非磁性层与第二非磁性层之间的磁性自由层。
在下文中，描述GMR结构的一些示例实现。但是，类似的原理可以应用于其他类型的xMR传感器，诸如TMR等。GMR结构通常以所谓的平面内电流(CIP)配置进行操作，即，所施加的电流平行于层结构或芯片顶表面流动。用于TMR结构的应用范围类似于GMR结构。但是，与GMR结构相比，TMR结构通常以所谓的垂直于平面电流(CPP)配置进行操作，即，所施加的电流垂直于层结构或芯片顶表面流动。
图1示出了根据一个或多个实施例的自旋阀GMR/TMR结构10的横截面。具体地，自旋阀GMR/TMR结构10是部分自旋值结构，该结构包括参考层(RL)110、磁性自由层(FL)113和插入在参考层110与自由层113之间的非磁性层(NML)112，NML 112可以并入完整的GMR自旋阀结构或完整的TMR自旋值结构中。GMR/TMR结构10涉及具有垂直各向异性的GMR或TMR传感器、以及用作角度传感器的平面内参考系统，或者一般而言涉及能够测量旋转磁场的传感器，诸如旋转速度传感器。
在该示例中，磁性参考层110的磁化在传感器平面中、在+x方向上对准并且固定。自由层113呈现出垂直各向异性，其磁化在垂直于传感器平面并且在传感器平面的平面外的+z方向上对准。
图1示意性地示出了当将平面内旋转磁场施加到自旋阀GMR/TMR结构10时的FL磁化轨迹，其中FL呈现出垂直磁各向异性(PMA)。在没有外部磁场的情况下，本征磁各向异性会影响FL磁化以使其沿着垂直于传感器平面的轴线(例如，沿着z方向)对准。在平面内磁场作用下，FL磁化朝向传感器平面倾斜，其中FL磁化的倾斜方向取决于作用于自由层113上的一个或多个平面内磁场分量的方向，并且其中FL磁化的倾斜角度θ取决于作用于自由层113上的一个或多个平面内磁场分量的大小。换言之，FL磁化的矢量被配置为从垂直的平面外轴线枢转，并且随着其倾斜到传感器平面中而具有增加的传感器平面分量。
在施加沿着x轴具有磁场分量的平面内磁场的情况下，FL磁化矢量被配置为在XZ平面中从垂直的平面外轴线枢转，并且随着其倾斜到传感器平面中而具有增加的传感器平面分量。在纯Bx场中，FL磁化的矢量将从z轴朝向x轴枢转。
另一方面，在施加沿着y轴具有磁场分量的平面内磁场的情况下，FL磁化的矢量被配置为在YZ平面中从垂直的平面外轴线枢转，并且随着其倾斜到传感器平面中而具有增加的传感器平面分量。在纯By磁场中，FL磁化的矢量将从z轴朝向y轴枢转。
当平面内磁场同时具有Bx和Bx磁场分量(即，沿着x轴和y轴的分量)时，FL磁化的矢量被配置为从垂直的平面外轴线朝向传感器平面中x轴和y轴之间的某个方向枢转。因此，如图1所示，在旋转的平面内B场的情况下，随着磁场旋转，FL磁化在整个半空间内执行运动。换言之，FL磁化随着磁场的旋转而沿着圆锥体的圆周执行运动，其中矢量的一端固定在圆锥体的顶点，而另一端自由地围绕圆锥体的圆周旋转。圆锥体的半径随着磁场的大小而改变，结果，FL磁化的倾斜角θ相应地改变。总之，在存在旋转的平面内B场的情况下，FL磁化具有代表圆锥体的旋转轨迹。
外磁场越强，则FL磁化从垂直的平面外轴线(即，z轴)的倾斜越强，并且倾斜角θ越大。这在图1中进行了说明，图1示出了两个平面内旋转磁场B1和B2，其中磁场B2的场强大于磁场B1的场强(B2＞B1)。在这种情况下，在存在磁场B2时的FL磁化的矢量比在存在磁场B1时的FL磁化的矢量更强烈地远离垂直的平面外轴线而倾斜。从不同的角度来看，在存在磁场B2时的FL磁化的矢量比在存在磁场B1时的FL磁化的矢量朝向平面内轴线(例如，x轴)倾斜更大。在外部磁场足够强的情况下，FL磁化可以绕其枢轴点旋转足够多以平行于或反平行于平面内轴线对准。
由于自由层113具有垂直各向异性，因此平面内FL磁化分量以及因此由传感器元件生成的正弦输出信号的大小取决于外部旋转B场的场强。在线性范围内(例如，最高+/-150mT)，传感器输出的大小与磁化(即，外部旋转B场的场强)成正比。此外，通过使用这种自由层113，使自由层饱和地操作的概念被替换为场强测量。这使得能够在低场处进行准确测量并且标识干扰场的存在(例如，通过使用类似于梯度仪的概念)。在角度传感器模式下使用全角度传感器时，全角度传感器中也是如此。
图2示出了平面内电流隧穿(CIPT)测量，其示出了关于具有平面内方向的外部磁场的xMRz传感器电阻。如本文中使用的xMRz传感器是指自由层在这种情况下在z方向上具有垂直磁各向异性的xMR传感器。示出了FL厚度不同的三种不同的传感器设计。
根据图2，关于具有平面内方向的外部磁场绘制了xMR传感器的归一化电阻。如图所示，在厚度为1.2nm的自由层中，各向异性开始变得垂直。另一方面，自由层厚度为0.9nm的xMRz传感器产生的线性范围约为150mT。
用于该设计的垂直磁各向异性(PMA)源自3d-CoFe轨道与2p-O轨道的杂化。因此，可以使用具有CoFeB-MgO-CoFeB隧道结的传感器的材料，其分别对应于RL 1、NML 3和FL 2的材料。但是，自由层的厚度可能很重要，因为PMA仅出现在材料界面处。包括厚度在1.2nm以上的CoFe的自由层没有表现出PMA，因为各向异性主要由平面内体各向异性控制。因此，可以基于自由层2的材料来限制自由层2的厚度。例如，包括CoFe的自由层的厚度可以被限制为1.2nm或更小。还应当理解，将其他材料用于自由层可能导致不同的最佳厚度。因此，其中使用CoFe或CoFeB的示例不应当被视为是限制性的。
图3示出了根据一个或多个实施例的GMR堆叠的竖直横截面。具体地，图3中的GMR堆叠以底部自旋阀(BSV)配置进行布置。
图3示出了根据一个示例的磁阻传感器的磁性层堆叠100的示例。例如，磁性层堆叠100可以布置在磁阻传感器的半导体衬底(未示出)上。如果在具有成对的垂直坐标轴x、y和z的笛卡尔坐标系中描述，则每个层在由x和y轴跨越的平面中横向延伸。在上文中，横向尺寸(例如，横向距离、横向横截面面积、横向面积、横向延伸、横向位移等)是指xy平面中的尺寸。竖直尺寸是指垂直于xy平面的z方向中的尺寸。例如，可以将层在z方向上的(竖直)范围描述为层厚度。
从下至上，磁性层堆叠100包括用于影响和/或优化堆叠生长的种子层102。天然反铁磁(NAF)层104设置在种子层102上，并且铁磁钉扎层106设置在NAF层104上。NAF层104可以由铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、镍锰(NiMn)等制成。NAF的膜厚度可以在5nm至50nm的范围内。钉扎层(PL)106可以由CoFe、钴铁硼(CoFeB)等制成。
NAF层104和钉扎层106之间的接触可引起被称为交换偏置效应的效应，从而导致钉扎层106的磁化在优选方向(例如，如图所示的x方向)上对准。钉扎层106可以在xy平面中包括闭合的磁通磁化图案。钉扎层106的这种闭合的磁通磁化图案可以在磁性层堆叠100的制造期间生成，并且可以是永久的。备选地，钉扎层106可以在xy平面中包括线性磁化图案。
磁性层堆叠100还包括被称为耦合层108的非磁性层(NML)。耦合层108可以是反磁性的，并且包括例如钌、铱、铜和/或铜合金和类似材料。耦合层108在空间上将钉扎层106与磁性(例如，铁磁性)参考层(RL)110分开。耦合层108可以提供反铁磁性的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)耦合以形成人造反铁磁体。因此，使用这种组成，磁性参考层110的磁化可以对准并且被保持在与钉扎层106的磁化反平行的方向上(即，在-x方向上，如图所示)。
例如，如果钉扎层106在xy平面中包括顺时针闭合磁通量磁化图案，则磁性参考层110在xy平面中可以包括逆时针闭合磁通量磁化图案(反之亦然)。以这种方式，磁性参考层110可以具有永久闭合通量磁化图案。此外，在钉扎层106在xy平面中包括在某个方向上的线性磁化图案的情况下，参考层110可以包括在反平行方向上的线性磁化图案。因此，钉扎层106、耦合层108和磁性参考层110形成磁性参考系统111。用于钉扎层106和参考层110的膜厚度分别可以在1nm至100nm的范围内。
磁性层堆叠100附加地包括非磁性层112(称为相邻层)和具有垂直磁各向异性的磁性自由层113。因此，如图1所示，当不存在外部平面内磁场时，自由层113的磁化沿着垂直于传感器平面的平面外轴线对准。在该示例中，当没有外部平面内磁场时，FL磁化沿着z轴对准。在施加平面内磁场时，FL磁化朝向参考层110的磁化对准的平面内轴线(例如，x轴)倾斜到传感器平面中。
非磁性层112可以由诸如铜、银、镁、铟、铋、锡或锌等非磁性材料构成，并且设置在磁性参考层110与磁性自由层113之间。磁性自由层113用作根据外部平面内磁场改变其磁化的传感器层。非磁性层112直接耦合到磁性自由层，而在其间没有任何中间层。通常，对于GMR和TMR传感器，非磁性层112是生成传感器信号的地方。对于GMR传感器，典型的材料是导电的，诸如Cu和Ag，而对于TMR传感器，则使用绝缘隧道势垒，例如MgO、AlOx、MgAlOx、氧化铪(HfO)等。
磁性自由层113可以是由各自具有垂直磁各向异性的两个或更多个磁性自由层组成的多层。在这种情况下，磁性自由层彼此磁耦合。在一个实施例中，这种耦合可以是直接耦合，而在自由层之间没有任何中间层。在另一实施例中，耦合可以包括与自由层之间的非磁性层(即，耦合层)的RKKY耦合。一个或多个磁性自由层的材料可以类似于钉扎层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、铂、钽、钯、铽及其合金的材料或任何其他合适的材料制成。合金可以包含非铁磁材料(例如，碳、硼、氮和/或氧)，其中铁磁材料构成相应层的材料成分的至少50％。通过在多层布置中使用两个或更多个传感器层，可以增大/放大xMR传感器的信号大小。
磁性层堆叠100附加地可以可选地包括非磁性层118，称为相邻层。该相邻层可能对磁性自由层113的垂直各向异性具有最大影响。非磁性层118可以由非磁性材料组成，诸如铜、镁、铟、铋、锡、锌、钽、氧化镁(MgO)、钨(W)或任何其他合适的材料。该非磁性层118设置在磁性自由层113上。因此，非磁性层118直接耦合到磁性自由层，而在其间没有任何中间层。
由例如钽(Ta)、氮化钽(TaN)、Ru或Pt制成的盖层120设置在非磁性层118上并且形成磁性层堆叠100的上层。
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/或其合金)。在这种情况下，包括磁性层堆叠100的磁阻传感器可以是GMR传感器。备选地，非磁性层112可以是电绝缘的隧道势垒层(例如，由氧化铝(Al2O3)和/或氧化镁(MgO)制成)以及本文中提到的其他材料。包括磁性层堆叠100的磁阻传感器因此可以是TMR传感器。因此，本公开的xMR传感器的示例可以包括图3的磁性层堆叠100和/或类似的磁性层堆叠。磁阻传感器不限于GMR或TMR效应。本公开的其他示例可以包括基于其他xMR效应的结构。磁性层堆叠100可以对应于本公开的至少一些实施例所采用的磁阻。
如上所述，图3示出了第一可能的堆叠实现的竖直横截面：所谓的“底部钉扎自旋阀”结构(BSV)，其在底部(例如，衬底)侧包括NAF层104。
图4示出了磁阻传感器的磁性层堆叠200的不同构造，其中首先沉积非磁性层118(在衬底上)，然后沉积剩余的堆叠。在这种情况下，由于参考系统111位于堆叠的顶部，因此该堆叠被称为“顶部钉扎自旋阀”(TSV)。NAF层104也在堆叠的顶侧(即，沉积在参考系统111的顶部上)。
磁性层堆叠200的层的顺序基本上与图3所示的磁性层堆叠100相反，除了在两种布置中以相似的方式设置的种子层102和盖层120。另外，图4中的种子层101包括两个种子层或两个子种子层102和103的双层布置。
图5A示出了根据一个或多个实施例的用于角度感测的具有带有惠斯通全桥配置的PMA的自由层的GMR/TMR角度传感器500的示意图。传感器500能够测量外部磁场的场强，并且包括两个完整的惠斯通桥510-1和510-2。每个惠斯通桥包括四个电阻器(即，xMR元件)，并且每个电阻器包括呈现出垂直磁各向异性的传感器层(即，自由层)。惠斯通桥510-1和510-2基于用作以桥配置布置的电阻器的磁阻结构10。每个磁阻结构10包括具有垂直磁各向异性的磁性自由层113(图5A中未示出)。
另外，惠斯通桥510-1和510-2中的每个耦合在用于电源电压VDD的端子与用于接地电势的端子之间。惠斯通桥510-1被设计为响应于具有沿着第一方向的磁场分量的外部磁场，而惠斯通桥510-2被设计为对具有沿着垂直于第一方向的第二方向的磁场分量的外部磁场敏感。例如，第一方向可以是x方向，而垂直于第一方向的第二方向可以是y方向。
箭头指示自旋阀型GMR/TMR传感器堆叠的参考系统的参考层的平面内磁化。因此，桥510-1中的每个参考层的磁化与x方向对准(即，在正或负x方向上)，并且桥510-2中的每个参考层的磁化与y方向对准(即，在正或负y方向上)。因此，桥510-1中的每个电阻器对具有Bx分量的磁场敏感，而桥510-2中的每个电阻器对具有By分量的磁场敏感。
当不存在外部平面内磁场时，每个电阻器中的自由层磁化沿着垂直于传感器平面的平面外轴线对准。在该示例中，每个电阻器中的自由层磁化是在z方向上。此外，桥510-1和桥510-2的每个电阻器中的自由层磁化被配置为朝向传感器平面枢转或倾斜，如结合图1所述。因此，在存在相同的外部磁场的情况下，每个电阻器的FL磁化的矢量在相同的方向上以相同的倾斜角θ枢转。
在此，桥510-1和桥510-2的每个电阻器中的FL磁化以相同的方式表现，而由于在x方向和y方向上对准的不同参考磁化轴线，每个桥的电阻器中的感测场分量不同。因此，当FL磁化的矢量具有x方向分量时，桥510-1的电阻器的电阻从其默认电阻值改变。否则，当不存在Bx场时，电阻将恢复为其默认电阻值。类似地，当FL磁化的矢量具有y方向分量时，桥510-2的电阻器的电阻从其默认电阻值改变。否则，当不存在By场时，电阻将恢复为其默认电阻值。
每个惠斯通桥包括被配置为输出输出信号的传感器输出。具体地，惠斯通桥510-1被配置为生成代表正弦波的输出信号Vsin，并且惠斯通桥510-2被配置为生成代表余弦波的输出信号Vcos。由于惠斯通桥510-2中的传感器的参考层磁化的取向从惠斯通桥510-1中的传感器的参考层磁化的取向移位90°，因此输出信号Vcos从输出信号Vsin移相90°。也就是说，惠斯通桥510-2中的传感器的参考层磁化对准的y轴从惠斯通桥510-1中的传感器的参考层磁化对准的x轴移位90°。参考层磁化的这种移位产生相移的输出信号。
在向传感器500施加旋转磁场时，全桥生成具有90°相移的正弦差分输出信号，如图5B所示。输出信号的大小取决于旋转B场的强度。通过对Sin(正弦)信号和Cos(余弦)信号应用ARCTAN计算，可以确定外部B场的角度。
图5B示出了根据一个或多个实施例的当暴露于外部旋转磁场时的图5A所示的传感器结构的示例输出信号的曲线图。具体地，用虚线表示的输出信号(SIN和COS)表示暴露于具有一个场强的旋转B场的传感器结构的输出，而用实线表示的输出信号(SIN'和COS')表示暴露于场强增加的旋转B场'的传感器结构的输出。在此，由于撞击在传感器上的场强增加，因此输出信号(SIN'和COS')的大小大于输出信号(SIN和COS)。因此，传感器不仅被配置为测量外部旋转磁场的角度，而且还被配置为测量施加到传感器的B场的场强。
例如，输出信号(SIN'和COS')的极值大于输出信号(SIN和COS)的极值。但是，与相同角度的输出信号(SIN和COS)相比，针对其他角度的输出信号(SIN'和COS')的大小也更大。因此，传感器可以确定针对B场的每个角度的场强。
静态干扰磁场与恒定磁场强度的旋转磁场的结合可能导致正弦和余弦桥信号的矢量长度的调制。调制的信号摆幅和相位可以允许传感器确定静态干扰磁场的方向和/或强度。
在另一示例中，每个具有图1所示的传感器10的配置的两个GMR/TMR角度传感器被布置为与外部B场源在空间上分离。然后将传感器暴露于具有不同磁场大小(强度)的旋转B场。在梯度计操作模式下，可以使用这种技术消除静态/动态干扰场的影响。
具体地，图6是根据一个或多个实施例的传感器布置的示意图。如图6所示，磁体(例如，机械地连接到可旋转物体)可以绕轴线(例如，穿过磁体中心的轴线)旋转并且产生旋转磁场。如图所示，与测量磁体的旋转角度(θ)相关联的角度传感器60可以包括第一感测元件61和第二感测元件62，每个感测元件具有与图1所示的传感器10相似的配置。
如图所示，第一感测元件61可以基本上布置在距磁体的表面第一距离(d)的平面上，使得旋转磁场(B)的第一平面内分量存在于第一感测元件处。在一些实现中，第一感测元件61可以基本上在磁体的旋转轴线上居中。如进一步所示，扰动磁场(Bdist)的平面内分量也存在于第一感测元件61处。如图所示，第一感测元件61可以输出第一组输出信号，其大小取决于B的强度和Bdist的强度(即，第一感测元件61可以以非饱和模式操作)。
如进一步所示，第二感测元件62可以基本上布置在距磁体的表面第二距离(d+d')的平面上，使得旋转磁场(B')的第二平面内分量存在于第二感测元件62处。这里，由于距离d+d'大于距离d，因此B'的强度小于B的强度。在一些实现中，第二感测元件62可以基本上在磁体的旋转轴线上居中。如进一步所示，Bdist也存在于第二感测元件62处。如图所示，第二感测元件62可以输出第二组输出信号，其大小取决于B'的强度和Bdist的强度(即，第二感测元件可以以非饱和模式操作)。
如进一步所示，角度传感器60可以基于第一组输出信号和第二组输出信号来确定角度θ。例如，角度传感器60可以计算第一组输出信号与第二组输出信号中的对应输出信号之间的大小的差值，并且基于计算出的差值来确定角度θ。以这种方式确定角度θ可以抑制、消除和/或取消Bdist对角度测量的影响，从而提高角度传感器的准确性。
根据所描述的实施例中的任何一个的角度传感器结构可以被单片集成到集成电路技术中以使得能够进行信号调节和/或处理传感器信号。
尽管已经描述了各种实施例，但是对于本领域普通技术人员将很清楚的是，在本公开的范围内，更多的实施例和实现是可能的。因此，除了鉴于所附权利要求及其等同物之外，本发明不受限制。除非另有说明，否则关于由上述组件或结构(部件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语(包括对“装置”的引用)旨在相对应(除非另外指出)于执行所描述的组件的指定功能(即，在功能上等效)的任何组件或结构，即使在结构上不等同于本文中所示的本发明的示例性实现中执行该功能的所公开的结构。
此外，所附权利要求据此被并入详细描述中，其中每个权利要求可以作为单独的示例实施例而独立。尽管每个权利要求可以作为单独的示例实施例而独立，但是应当注意——尽管从属权利要求在权利要求中可以是指与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例实施例也可以包括从属权利要求与彼此的从属或独立权利要求的主题的组合。除非指出并非意在特定组合，否则本文中提出了这种组合。此外，意图是将权利要求的特征也包括到任何其他独立权利要求中，即使该权利要求没有直接依赖于该独立权利要求。
还应当注意，说明书或权利要求书中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的相应动作中的每个动作的装置的设备来实现。
此外，应当理解，说明书或权利要求书中公开的多个动作或功能的公开不应当被解释为在特定顺序内。因此，多个动作或功能的公开将不会将它们限于特定顺序，除非由于技术原因而导致这样的动作或功能不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或可以分成多个子动作。除非明确排除，否则这样的子动作可以被包括在内，并且是该单个动作的公开内容的一部分。
尽管已经公开了各种示例性实施例，但是对于本领域技术人员将很清楚的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改，这些改变和修改将实现本文中公开的概念的一些优点。对于本领域技术人员很清楚的是，执行相同功能的其他组件可以适当地替换。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以对其进行结构或逻辑上的改变。应当提到，即使在未明确提及的附图中，参考特定附图解释的特征也可以与其他附图的特征组合。对总的发明构思的这种修改意在由所附权利要求书及其合法等效物所覆盖。

Claims (20)

1.一种具有传感器平面的磁阻传感器，在所述传感器平面中，所述磁阻传感器对磁场敏感，所述磁阻传感器包括：
参考层，具有参考磁化，所述参考磁化是固定的并且与所述传感器平面的平面内轴线对准；以及
磁性自由层，被设置为靠近所述参考层，所述磁性自由层具有沿着在所述传感器平面的平面外的平面外轴线对准的自由层磁化，其中所述自由层磁化被配置为在存在外部平面内磁场的情况下远离所述平面外轴线并且朝向所述传感器平面倾斜。
2.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述磁性自由层呈现出垂直的磁各向异性。
3.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中在不存在施加到所述磁性自由层的任何外部磁场的情况下，所述自由层磁化沿着所述平面外轴线对准。
4.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述磁性自由层具有本征磁各向异性，所述本征磁各向异性在不存在施加到所述磁性自由层的任何外部磁场的情况下，使所述自由层磁化沿着所述平面外轴线对准。
5.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述平面外轴线垂直于所述传感器平面。
6.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述自由层磁化被配置为基于所述外部平面内磁场的场强在所述平面外轴线与所述传感器平面之间枢转。
7.根据权利要求6所述的磁阻传感器，其中所述平面外轴线垂直于所述平面内轴线。
8.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中随着所述外部平面内磁场的场强增加，所述平面外轴线与所述自由层磁化之间的角度增加。
9.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述外部平面内磁场是外部旋转磁场。
10.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述磁阻传感器被配置为基于所述外部平面内磁场的取向和所述外部平面内磁场的场强来生成传感器输出。
11.根据权利要求10所述的磁阻传感器，其中所述传感器输出的大小取决于所述外部平面内磁场的场强。
12.根据权利要求11所述的磁阻传感器，其中所述传感器输出的大小与所述外部平面内磁场的场强成正比。
13.根据权利要求10所述的磁阻传感器，其中所述传感器输出的大小取决于沿着所述平面内轴线作用的所述外部平面内磁场的磁场分量的场强。
14.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述外部平面内磁场具有沿着所述平面内轴线作用的平面内磁场分量。
15.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述磁性自由层具有的厚度为1.4nm或更小。
16.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中所述磁性自由层具有的厚度为0.9nm或更小。
17.一种具有传感器平面的磁阻传感器，在所述传感器平面中，所述磁阻传感器对外部平面内磁场敏感，所述磁阻传感器包括：
第一传感器布置，包括第一多个传感器元件，其中所述第一多个传感器元件中的每个传感器元件包括：
第一参考层，具有第一参考磁化，所述第一参考磁化是固定的并且与所述传感器平面的第一平面内轴线对准；以及
第一磁性自由层，被设置为靠近所述第一参考层，所述第一磁性自由层具有沿着平面外轴线对准的第一自由层磁化；以及第二传感器布置，包括第二多个传感器元件，其中所述第二多个传感器元件中的每个传感器元件包括：
第二参考层，具有第二参考磁化，所述第二参考磁化是固定的并且与所述传感器平面的第二平面内轴线对准，其中所述第二平面内轴线垂直于所述第一平面内轴线；以及
第二磁性自由层，被设置为靠近所述第二参考层设置，所述第二磁性自由层具有沿着所述平面外轴线对准的第二自由层磁化。
18.根据权利要求17所述的磁阻传感器，其中：
所述第一多个传感器元件中的每个传感器元件的所述第一自由层磁化和所述第二多个传感器元件中的每个传感器元件的所述第二自由层磁化被配置为：在存在具有沿着所述第一平面内轴线作用的第一磁场分量的所述外部平面内磁场的情况下，远离所述平面外轴线并且朝向所述第一平面内轴线倾斜，以及
所述第一多个传感器元件中的每个传感器元件的所述第一自由层磁化和所述第二多个传感器元件中的每个传感器元件的所述第二自由层磁化被配置为：在存在具有沿着所述第二平面内轴线作用的第二磁场分量的所述外部平面内磁场的情况下，远离所述平面外轴线并且朝向所述第二平面内轴线倾斜。
19.根据权利要求17所述的磁阻传感器，其中所述平面外轴线垂直于所述传感器平面。
20.根据权利要求17所述的磁阻传感器，其中：
所述第一传感器布置被配置为基于所述外部平面内磁场的取向和场强来生成第一传感器输出，以及
所述第二传感器布置被配置为基于所述外部平面内磁场的所述取向和所述场强来生成第二传感器输出。
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