CN112305468A

CN112305468A - 一种可用于巨磁阻传感器退火的方法与结构

Info

Publication number: CN112305468A
Application number: CN201910686333.7A
Authority: CN
Inventors: 宋玉哲; 韩根亮; 张彪; 高晓平
Original assignee: INSTITUTE OF SENSOR TECHNOLOGY GANSU ACADEMY OF SCIENCE
Current assignee: INSTITUTE OF SENSOR TECHNOLOGY GANSU ACADEMY OF SCIENCE
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2039-07-29
Also published as: CN112305468B

Abstract

本发明公开了一种可用于巨磁阻传感器退火的方法与结构，包括在基底上制备了由两层铁磁层和中间隔离层构成的MR结构。MR结构的其中一层铁磁层为被钉扎层，其磁化方向将在后续操作中被固定。在MR结构上沉积一层绝缘层之后，再在其上面沉积一层金属层。将金属层光刻为热电阻。在外磁场下，通过热电阻对MR结构进行退火处理。退火完成后，将绝缘层和热电阻移除。本发明克服了现有方法精度低，效率低的弊端，实现工业批量生产。

Description

一种可用于巨磁阻传感器退火的方法与结构

技术领域

本发明涉及磁电阻传感器，具体涉及具有集成式退火结构的巨磁电阻传感器和遂穿磁电阻传感器。

背景技术

磁阻(MR)传感器例如巨磁电阻(简称GMR，Giant MagnetoResistance)传感器和遂穿磁电阻(简称TMR，Tunneling MagnetoResistance)传感器应用广泛，是目前最具发展前景的磁电阻传感器。典型的磁电阻传感器核心结构包含一个由两个铁磁层中间夹着一个非铁磁层的“三明治”结构。如图1所示，GMR传感器(10)包含铁磁层(第一铁磁层12和第二铁磁层16)及中间的非铁磁层(14)。铁磁层的主要成分可以是NiFe、CoFe或其他合适的磁性材料。非铁磁层(14)主要由Cu、MgO、Al₂O₃或其他合适的非磁性材料构成。第二铁磁层(16)的磁化方向不随待测磁场变化，因此被称为“被钉扎层”。第一铁磁层(12)的磁化方向随待测磁场的改变发生变化，故通常被称为“自由层”。

MR结构具有CIP(电流平行于膜面)和CPP(电流垂直于膜面)两种形式。在CIP模式中，MR结构中的非磁性层(14)通常由Cu构成，通过MR结构的电流平行于多层膜的表面。在CPP模式中，电流则垂直于多层膜表面，其非磁性层通常由绝缘体构成，例如Al₂O₃或者MgO。

在传感器工作时，为了实现自由层和被钉扎层磁化方向相对角度的变化与待测磁场之间的线性关系，被钉扎层的本征磁化方向M_p与自由层的本征磁化方向M_f相互垂直。在图1所示的笛卡尔坐标系中，M_p沿Y轴方向，M_f沿X轴方向。

在MR传感器中通常可以使用惠斯通电桥结构以取得更好的性能。在不同的惠斯通电桥构型中，惠斯通全桥结构具有最好的线性和信号电平，如图2所示。图中四个电阻R1、R2、R3和R4组成一个惠斯通全桥结构。四个电阻都可以随外界信号的变化而独立变化，桥路输出电压信号Vo可以通过下面的公式1计算。

Vb是电压

R₁＝R₄＝R-ΔR

R₂＝R₃＝R+ΔR....公式1

其中，ΔR是由外界信号变化引起的磁阻变化值。

由MR磁电阻结构(例如图1中的GMR结构)组成的惠斯通电桥在不同应用时具有多种结构。无论是何种结构，惠斯通全桥电路中MR磁电阻结构具有相反的磁化方向，如图3所示。在图3中，MR传感器由R1、R2、R3和R4四个MR结构的电阻组成。这四个电阻都与惠斯通桥相连接。为了使惠斯通全桥实现可操作性，可通过改变外磁场来检测R1、R2、R3和R4四个MR电阻。而且，惠斯通全桥电路中相邻MR电阻的被钉扎层具有相反的磁化方向Mp。例如，R1、R2的被钉扎层Mp方向相反，R3和R4的被钉扎层Mp方向相反。R1和R3具有相同的Mp方向，R2和R4具有相同的Mp方向。

为了使相邻MR电阻(如R1和R2、R3和R4)的被钉扎层具有相反的磁化方向，目前采用局部激光退火的方法。MR传感器置于外加磁场H_b中，依据M_p的方向将GMR电阻分成两组，M_p方向相同的为一组，两组的M_p方向相反。选定其中一组(如R1和R3)，激光退火该组的GMR电阻，使其温度达到阻挡温度以上，从而使MR的M_p方向与外加磁场H_b的方向一致。依次对该组所有的MR电阻进行同样的操作。当调整完第一组MR电阻(如R1和R3)后，将MR传感器旋转180°，使其与外加磁场H_b反向。当然，也可以将外加磁场旋转180°而MR传感器固定不动。随后利用激光退火第二组GMR电阻(如R2和R4)，并且退火过程与第一组(如R1和R3)相同。

另一种能够形成MR全桥传感器的工艺是多步光刻法。在沉积了MR结构的多层膜后，具有相同Mp方向的第一组GMR电阻(如R1和R3)采用光刻法来完成。已完成的第一组MR电阻R1、R3用磁屏蔽材料进行保护。随后在外加磁场Hb反向的情况下再次沉积MR多层膜，光刻形成第二组MR电阻(R2和R4)。由于第一组MR电阻(如R1和R3)被磁屏蔽材料保护，所以制备第二组MR电阻(R2和R4)时所采用的反向磁场对其并没影响。

可以看到，无论是局部激光退火工艺或者多步光刻工艺都存在精度低，效率低的弊端，尤其是难以在工业量产方面实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于巨磁阻传感器退火的方法；

本发明的另一个目的是提供一种具有集成式退火结构的MR结构。

本发明技术方案如下：一种方法，组成步骤如下：

(1)形成一个MR结构，包括：

在基片上形成MR结构，MR结构由被钉扎层和自由层中间夹一层非磁性层构成，其中被钉扎层和自由层是铁磁层；

在MR结构上沉积绝缘覆盖层；

在绝缘层上方沉积热电阻，包括：

(2)在绝缘层上方沉积一层金属层；并且

将金属层光刻成热电阻；

调整被钉扎层的磁化方向，包括：

(3)外加一个磁场；

给热电阻通电流使MR结构温度升至或高于阻挡温度；

移除电流：并且

移除绝缘层和热电阻。

作为本发明的进一步改进，绝缘层是SiO_x、SiO₂或SiN。

MR结构是GMR结构，它由两层铁磁层夹一层金属铜构成。

或者MR结构是TMR结构，它由两层铁磁层夹一层氧化物构成。

氧化物是Al₂O₃或MgO。

另一种方法，形成第一组和第二组MR结构的方法，其中每个MR结构都包含一层被钉扎层，方法包括：

(1)形成第一组和第二组MR结构，包括：

沉积被钉扎层、非磁隔离层、和基底上的自由层，其中被钉扎层和自由层是铁磁层；

(2)沉积绝缘层；并且

将绝缘层光刻成第一组和第二组热电阻，其中第一组和第二组热电阻分别在第一组和第二组MR结构的绝缘层上；

(3)第一组和第二组MR结构的退火处理，包括：

沿着第一磁化方向施加一磁场；

通过给第一组热电阻通电流，使第一组MR结构被钉扎层的温度升至或高于阻挡温度；

移除第一组电阻上的电流，使其冷却；

重新调整磁场，使其方向沿着第二磁场方向

通过给第二组热电阻通电流，使第二组MR结构被钉扎层的温度升至或高于阻挡温度；并且移除第二组电阻上的电流，使其冷却；并且

移除绝缘层和第一组、第二组热电阻。

作为本发明的进一步改进，MR结构是GMR结构，它由两层铁磁层夹一层金属铜构成。

或者MR结构是TMR结构，它由两层铁磁层夹一层氧化物构成。

氧化物层是Al₂O₃或MgO。

绝缘层是SiO_x、SiO₂或SiN。

本发明一种具有集成式退火结构的MR结构，能够在一个MR传感器中实现具有不同磁化方向的MR电阻。克服了现有方法精度低，效率低的弊端，实现工业批量生产。

附图说明

图1是三明治结构的MR结构示意图；

图2是MR电阻构成的惠斯通全桥结构简图；

图3是惠斯通全桥结构的MR电阻器示意图；

图4是晶圆组成图；

图5是典型的退火过程中，MR结构及其顶部的加热结构的侧面图；

图6是毗邻的、被钉扎层具有不同的磁化方向的两个MR结构的侧面图；

图7是对MR电阻器进行退火的热电阻示意图；

图8是典型的退火过程流程图。

具体实施方式

本发明公开了一个使MR电阻器中MR电阻的被钉扎层具有不同磁化方向的退火方法与机制。尤其是，相邻MR电阻的被钉扎层具有完全相反的磁化方向。在一个实例中，经过退火处理的MR电阻可以被组装成惠斯通全桥。这种MR电阻结构可以在任何磁电阻中得到应用，例如GMR(巨磁电阻)和TMR(遂穿磁电阻)。

如上述参照图3的描述，MR惠斯通全桥传感器通常需要四个MR电阻结构，其中每个MR结构表现为一个磁电阻，例如GMR或者TMR。惠斯通全桥中的每一个MR磁电阻都能够随待测磁场而发生变化(这个磁场已被检测或测试)。相邻的磁电阻具有相反的M_p方向。很多时候，MR传感器被制备成晶圆上的晶粒，如图4所示，晶圆(20)由很多晶粒(如18)组成；每个晶粒就是一个GMR电阻构成的惠斯通全桥电阻器。上述讨论的包含有MR传感器的晶粒(18)或者晶粒(18)中的GMR传感器都是以图3为参考的。需要指出的是，GMR惠斯通全桥传感器晶粒中相邻的GMR结构具有相反的M_p方向。为了在一个GMR传感器中更加有效的实现具有相反磁化方向的MR结构，本专利提出了一种退火的方法和机制。

MR结构中磁化方向M_p的调整，通常是通过退火过程实现。GMR结构的温度升高至阻挡温度T_b以上，在外加磁场H_b下，将磁性被钉扎层的磁化方向M_p诱导至外磁场H_b的方向。在磁化方向校准后，冷却MR结构使其磁化方向被完全固定。

对于具有不同磁化方向M_p的传感器或者晶圆上的晶粒来说，其中的MR结构有不同的磁化方向，要将不同方向的磁场施加到彼此独立的MR结构上，是非常困难的。但在磁场H_b下，对MR进行温度为其阻挡温度T_b的热处理，MR的磁化方向将会被改变；而且，通过集成式加热结构，可以对部分MR电阻单独退火或分组退火。因此，将一个外加磁场施加到所有的MR结构上，对部分MR电阻单独地加热至阻挡温度以上实现磁化方向的调整，是一种切实可行的途径，可以实现使MR结构形成不同的磁化方向。

举例说明，为了获得具有不同磁化方向的被钉扎层，图5阐述了MR结构退火的一种方法和机制。如图5所示，MR结构(22)是自由层(第一铁磁层12)、被钉扎层(第二铁磁层16)中间夹有非磁性层(14)的三明治多层膜结构。绝缘层(24)沉积在MR结构的顶层，例如在自由层之上。将加热电阻(26)制备在绝缘层(24)上方。固定被钉扎层的磁化方向的方法为：加一偏置磁场Hb，将被钉扎层的温度提高到大于等于其阻挡温度T_b。这个过程可以通过给热电阻(26)施加电流I来实现。热电阻在通电流后会产生焦耳热，这种焦耳热可以将铁磁层(16)的温度提升至或者超过阻挡温度T_b。当被钉扎层的磁化方向固定以后，停止通电，铁磁层(16)便会冷却下来。然后将偏置磁场Hb去掉。获得MR传感器后可以将热电阻(26)移除，绝缘层(24)也必须去掉。值得注意的是热电阻层(26)和绝缘层(24)的去除方法与它们的材料和制备过程有关。例如，热电阻层(26)可以选用剥离的方法去除，也可以选用适合金属刻蚀的刻蚀法去除。绝缘层(24)可以选用适合刻蚀绝缘体材料的刻蚀法去除，例如使用气体刻蚀和HF刻蚀。

上述方法可应用于个别MR结构的退火，从而获得具有不同磁化方向的MR结构，图6是通过典型的退火过程，制备出被钉扎层具有不同(例如相反)磁化方向的MR结构。该图为毗邻的、被钉扎层具有不同的磁化方向的两个MR结构的侧面图。如图6所示，其中，(30)和(36)为相邻的两组MR结构。MR结构(30)具有被钉扎层(34)和热电阻层(32)。MR结构(36)具有被钉扎层(40)和热电阻层(38)。通过对热电阻层(32)和(38)的多步退火，可以使被钉扎层(34)层和被钉扎层(40)具有不同的磁化方：首次退火中，外加磁场Hb可以使MR结构(30)和(36)都具有向右方磁化的趋势(例如，MR结构(30)中的被钉扎层(34)沿同一方向)。在热电阻层(32)中通入电流I₁加热，使MR结构(30)的温度达到甚至高于其阻挡温度T_b。就如图6所描述，在偏置磁场H_b和升温的作用下，被钉扎层(34)的磁化方向将会转向H_b的方向。撤掉电流，MR结构(30)的温度降到阻挡温度T_b以下。为了使MR结构(36)中的被钉扎层(40)具有不同(例如相反的)的磁化方向(如图6所示朝左)，翻转偏置场H_b的方向(例如将偏置场旋转180度或者将MR结构(30)和(36)相对于偏置场H_b旋转180度)，给热电阻(38)加电流，使被钉扎层(40)的温度升至或者高于其阻挡温度T_b。在偏置场H_b下，随着温度的升高，被钉扎层(40)的磁化方向会翻转至图6所示H_b的方向。正因为如此，MR结构(30)和(36)中的被钉扎层(34)和被钉扎层(40)会具有不同(例如相反)的磁化方向。

退火过程可以在未裁切的晶圆上实施。为了便于给MR结构中不同晶粒加热，热电阻可以与多个晶粒连接。在另一个实例中，MR的热电阻可以通过字线和位线连接，如图7所示。

参考图7，多个热电阻(如R_ij)被连接到字线(如字线W_i,W_j和W_k)的一端；热电阻的另一端与位线(如位线B_i,B_j和B_k)相连。通过连接字线和位线，每个热电阻可以被单独处理。例如，热电阻R_ij可以被独立的定位为(字线W_i，位线B_i)，通过给字线W_i和位线B_i加电流可以使热电阻R_ij加热。需要指出的是，图7的目的仅用于演示，不应将其解释为一种限定。例如，许多热电阻层可以通过字线与位线连接并激活。再如，一组热电阻(通过相同字线和相同位线连接的热电阻)能够被同时处理和激活，可通过一个退火过程同时进行退火，使这组MR在整体上具有相同的磁化方向。利用不同方向的偏置场，在不同时间，通过不同过程对其他的MR进行处理和退火。

图8为本发明具体实施的流程图。第49步为MR(如图6的MR结构(30)和(36))的制作过程，该MR结构包含热电阻。热电阻用来进行MR的独立退火以便使不同的MR获得不同的磁化方向(第61步)，在74步时热电阻被去除。一个特殊案例，MR结构的制备过程(第49步)的第一步是准备一个基片(第50步)。MR多层膜被沉积到基片上(第52步)。这种MR多层膜可以是AMR多层膜、GMR多层膜、TMR多层膜或者其他磁电阻多层膜。例如，GMR多层膜可以是顶钉扎自旋阀或者底钉扎自旋阀。这两种结构已是众所周知，为简单起见，其原理不在此赘述。

在沉积MR多层膜之后，在其上面沉积一层绝缘层(第54步)并随后沉积一层金属层(第56步)。能在金属层和MR多层膜之间起到电绝缘作用的材料都可以作为绝缘层，例如SiOx、Al₂O₃。将MR多层膜和顶层的金属层刻成多层MR结构(第58步)。刻好的金属层在每个MR结构中充当热电阻层。通过热电阻层对MR结构进行退火处理(第61步)。磁热退火过程从62步开始。外加磁场与第一组MR的选定第一方向相同。在第一组MR的热电阻层中通入1号电流(第62步)。电流通过热电阻层产生焦耳热，使得第一组MR的温度升至或高于阻挡温度T_b，该组MR的被钉扎层的磁化方向得到固定，从而第一组MR的磁化方向固定为与外加磁场的方向一致。当1^stMR的磁化方向确定以后，停止通1^st电流(第66步)，1^stMR开始冷却至阻挡温度T_b以下。在完成第一组MR的退火后，从第68步开始对第二组MR进行退火。

在68步中，外界磁场的方向与选定的第二方向一致。这个可以通过旋转相对于第一方向的磁场或者旋转相对于磁场的MR方向来实现。在特定的例子中，选定的第二磁场的方向与第一磁场方向相差180°，MR旋转180°后依然与第一磁场的方向平行。给第二组MR结构的热电阻通2号电流使其温度升至或高于阻挡温度T_b，磁场作用下退火处理。第二组MR中被钉扎层的磁化方向得到固定(比如，与第一磁场方向相差180°)。退火完成后去掉2号电流(第72步)。磁场移不移除皆可。

在第一组MR和第二组MR，如有必要甚至更多组MR，退火结束后，绝缘层(例如图5中的24层)和热电阻层(例如图5中的26层)将被去掉。MR结构暴露出来进行退火，其中第一组MR结构的被钉扎层的磁化方向沿着第一方向，第二组MR结构的被钉扎层的磁化方向沿着第二方向。

本发明是一种能够使MR结构中的被钉扎层获得不同磁化方向的新型、有效的MR退火方法。然而考虑到许多可能的实例，应当意识到关于描述实例的示图说明都应被认为是说明性的而不是限制本声明的范围。但本领域技术人员能理解，所示实施例可以在排列和细节上进行修改而不脱离本发明的原则和精神。本文所述的装置和方法考虑了可能在以下权利要求及其等效物范围内的所有此类实施例。

Claims

1.一种方法，组成步骤如下：

(1)形成一个MR结构，包括：

在MR结构上沉积绝缘覆盖层；

在绝缘层上方沉积热电阻，包括：

(2)在绝缘层上方沉积一层金属层；并且

将金属层光刻成热电阻；

调整被钉扎层的磁化方向，包括：

(3)外加一个磁场；

给热电阻通电流使MR结构温度升至或高于阻挡温度；

移除电流：并且

移除绝缘层和热电阻。

2.根据权利要求1所述的方法，绝缘层是SiO_x、SiO₂或SiN。

3.一种结构，权利要求书1中的方法中的MR结构是GMR结构，它由两层铁磁层夹一层金属铜构成。

4.一种结构，权利要求书1中的方法中的MR结构是TMR结构，它由两层铁磁层夹一层氧化物构成。

5.根据权利要求3所述的结构，氧化物是Al₂O₃或MgO。

6.一种方法，形成第一组和第二组MR结构的方法，其中每个MR结构都包含一层被钉扎层，方法包括：

(1)形成第一组和第二组MR结构，包括：

(2)沉积绝缘层；并且

(3)第一组和第二组MR结构的退火处理，包括：

沿着第一磁化方向施加一磁场；

移除第一组电阻上的电流，使其冷却；

重新调整磁场，使其方向沿着第二磁场方向

通过给第二组热电阻通电流，使第二组MR结构被钉扎层的温度升至或高于阻挡温度；并且

移除第二组电阻上的电流，使其冷却；并且

移除绝缘层和第一组、第二组热电阻。

7.根据权利要求书6所述的方法，MR结构是GMR结构，它由两层铁磁层夹一层金属铜构成。

8.根据权利要求书6所述的方法，MR结构是TMR结构，它由两层铁磁层夹一层氧化物构成。

9.根据权利要求书8所述的方法，氧化物层是Al₂O₃或MgO。

10.根据权利要求书6所述的方法，绝缘层是SiO_x、SiO₂或SiN。