CN113196077A - 使用自由层交换钉扎的大场范围tmr传感器 - Google Patents

使用自由层交换钉扎的大场范围tmr传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种制造处于惠斯通配置的基于TMR的磁传感器的方法，该方法包括进行磁隧道结(MTJ)的第一退火以及进行MTJ的第二退火。MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在该第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在该钉扎层上方的反并联耦合层、在该反并联耦合层上方的参考层、在该参考层上方的势垒层、在该势垒层上方的自由层以及在该自由层上方的第二反铁磁钉扎层。MTJ的第一退火将第一AFM钉扎层、钉扎层、自由层和第二AFM钉扎层设置在第一磁化方向上。MTJ的第二退火将自由层和第二AFM钉扎层重置在第二磁化方向上。基于TMR的磁性传感器的操作场范围超过±100Oe。

Description

使用自由层交换钉扎的大场范围TMR传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月27日提交的美国申请16/729,080的优先权，该美国申请要求于2019年8月26日提交的美国临时专利申请序列号62/891,578的优先权和权益，该两个申请据此全文以引用方式并入。
背景技术
技术领域
本公开的实施方案整体涉及具有部分钉扎自由层的磁性隧道结(MTJ)的大场范围TMR传感器。
相关领域的描述
霍尔效应磁性传感器是廉价的，具有大的操作场范围，具有良好的线性度，但具有低灵敏度。另一方面，磁阻(MR)传感器具有大得多的灵敏度(＞100x)，但通常被设计用于小于80Oe的低场应用。对于一些应用，需要具有高于80Oe的工作范围的高灵敏度传感器。例如，该应用可适于检测传感器平面中的场(如MR传感器的情况)，而不是垂直于传感器平面的场(如霍尔传感器的典型情况)。
Zhengqi Lu等人，“Doubly exchange-biased FeMn/NiFe/Cu/NiFe/CrMnPt spinvalves”Doubly exchange-biased FeMn/NiFe/Cu/NiFe/CrMnPtspin valves，第36卷，第5期(2000年9月)公开了一种不具有势垒层的自旋阀，其中两个铁磁层通过不同的反铁磁层在相反方向上交换偏置。双交换偏置的自旋阀对于用于读取超过10Gbit/in2的高记录密度的低场强具有高灵敏度。然而，需要一种用于大场范围包括高场强的传感器。
发明内容
本公开的实施方案整体涉及具有部分钉扎自由层的MTJ的大场范围TMR传感器以及制造该TMR传感器的方法。
在一个实施方案中，一种制造惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器的方法包括进行磁性隧道结(MTJ)的第一退火以及进行MTJ的第二退火。MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在该第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在该钉扎层上方的反并联耦合层、在该反并联耦合层上方的参考层、在该参考层上方的势垒层、在该势垒层上方的自由层以及在该自由层上方的第二反铁磁钉扎层。MTJ的第一退火将第一AFM钉扎层、钉扎层、自由层和第二AFM钉扎层设置在第一磁化方向上。MTJ的第二退火将自由层和第二AFM钉扎层重置在第二磁化方向上。基于TMR的磁性传感器的操作场范围超过±100Oe。
在另一个实施方案中，一种制造惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器的方法包括在第一外部磁场强度、第一外部磁方向和第一温度处进行磁性隧道结(MTJ)的第一退火，以及在第二外部磁场强度、第二外部磁方向和第二温度处进行该MTJ的第二退火。第一退火的第一外部磁场强度大于第二退火的第二外部磁场强度。第一退火的第一外部磁方向不同于第二退火的第二外部磁方向。第一退火的第一温度大于第二退火的第二温度。MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在该第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在该钉扎层上方的反并联耦合层、在该反并联耦合层上方的参考层、在该参考层上方的势垒层、在该势垒层上方的自由层以及在该自由层上方的第二反铁磁钉扎层。
在一个实施方案中，惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器包括多个MTJ。该多个MTJ中的每一者包括在第一磁化方向上的参考层、自由层和反铁磁(AFM)钉扎层。AFM钉扎层在与参考层的第一磁化方向正交、成锐角或成钝角的第二磁化方向上部分地钉扎自由层。
附图说明
因此，通过参考实施方案，可以获得详细理解本公开的上述特征的方式、本公开的更具体描述、上述简要概述，所述实施方案中的一些在附图中示出。然而，应当注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施方案并且因此不应视为限制其范围，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方案。
图1是示出惠斯通配置中的基于隧道磁阻的磁性传感器的某些实施方案的电路图。
图2是示出图1的惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器的某些实施方案的布局的示意性平面图。
图3是示出单个MTJ的某些实施方案的示意性侧视图。
图4A至图4B是图3的MTJ的示意性顶视图，其示出了设置第二反铁磁钉扎层和第二反铁磁钉扎层的磁化方向的过程的某些实施方案。
图5是示出在第一退火之后和在第二退火之后图4B的单个MTJ的某些实施方案的示意性俯视图。
图6是示出在第一退火之后和在第二退火之后图4B的单个MTJ的实施方案的示意性俯视图，其中自由层与参考层成一角度部分地钉扎。
图7A示出了基于TMR的磁性传感器的一个支路的电阻信号，其中每个MTJ包括自由层，该自由层在第一退火之后具有与参考层的磁化方向反并联的磁化方向。
图7B示出了图7A的基于TMR的磁性传感器100的支路的电阻信号，其中每个MTJ包括自由层，该自由层在第二退火之后具有与参考层的磁化方向正交的磁化方向。
图8是基于TMR的磁性传感器的电桥接信号输出的模拟，其中每个MTJ包括在第二退火之后的自由层，该第二退火将自由层设置成与参考层正交，其中在自由层上具有不同的钉扎强度。
图9是基于TMR的磁性传感器的电桥接信号输出的模拟，其中每个MTJ包括在第二退火之后的自由层，该第二退火将自由层的磁化方向设置成与参考层的磁化方向正交或成一角度。
图10A至图10B是通过具有不同的钉扎结构在同一管芯上形成具有不同极性的两个不同MTJ的示意图。
为了有助于理解，在可能的情况下，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。可以设想是，在一个实施方案中公开的元件可以有利地用于其他实施方案而无需具体叙述。
具体实施方式
在下文中，参考本公开的实施方案。然而，应当理解的是，本公开不限于具体描述的实施方案。相反，思考以下特征和元件的任何组合(无论是否与不同实施方案相关)以实现和实践本公开。此外，尽管本公开的实施方案可以实现优于其他可能解决方案和/或优于现有技术的优点，但是否通过给定实施方案来实现特定优点不是对本公开的限制。因此，以下方面、特征、实施方案和优点仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。同样地，对“本公开”的引用不应当被解释为本文公开的任何发明主题的概括，并且不应当被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。
某些实施方案涉及磁阻元件，诸如磁性隧道结(MTJ)，其包括部分钉扎自由层。此类MTJ可耦合在一起以形成惠斯通配置中的基于隧道磁阻(TMR)的磁性传感器。基于TMR的磁性传感器可检测大的操作场范围，诸如在数百Oe范围内到数千Oe范围内的操作场。MTJ可具有低滞后响应。基于TMR的磁性传感器可对感测磁场的期望范围具有低滞后响应和高线性响应(即，低线性度比率)。
图1是示出惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器100的某些实施方案的电路图。基于TMR的磁性传感器100可包括布置在惠斯通配置中的第一磁阻支路102、第二磁阻支路104、第三磁阻支路106和第四磁阻支路108的四个可变电阻器支路。端子Vb和端子G用于提供从Vb到G的偏置电压/电流。端子V1和V2用于测量V1和V2之间的表示感测磁场的电压差的信号。端子V1和V2可耦合到任选的放大器以放大信号。基于TMR的磁性传感器100可任选地包括串联电阻器120，该串联电阻器可用于调节V1和V2的DC电平。
相邻磁阻支路被形成为相反极性。例如，第一磁阻支路102和第三磁阻支路106可具有对感测磁场的正响应，并且第二磁阻支路104和第四磁阻支路108可具有对感测磁场的负响应。在另一个示例中，第一磁阻支路102和第三磁阻支路106可具有对感测磁场的负响应，并且第二磁阻支路104和第四磁阻支路108可具有对感测磁场的正响应。
与具有单个磁阻支路的传感器相比，惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器100基于相同的感测偏置电流提供双倍的信号。与具有单个磁阻支路的传感器相比，惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器100对热漂移具有减小的影响。虽然图1的基于TMR的磁性传感器100被示为具有四个可变电阻器支路的全惠斯通配置，但在其他实施方案中，基于TMR的磁性传感器可包括具有一个可变电阻器支路和三个固定电阻器支路的四分之一惠斯通电桥配置或具有两个可变电阻器支路和两个固定电阻器支路的半惠斯通电桥配置。
图2是示出图1的惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器100的某些实施方案的布局的示意性平面图。为了便于描述，图2包括与图1中所使用的相同的标号。如图2所示，四个磁阻支路102、104、106、108中的每一者包括串联耦合的一串MTJ200。磁阻支路中的MTJ200通过多个顶部电极210和多个底部电极220耦合在一起。在某些实施方案中，每个磁阻支路102、104、106、108各自包括10至100个MTJ，诸如20至50个MTJ。在某些实施方案中，基于TMR的传感器100可被制成占据约0.1mm2至约50mm2的表面积。
在一个方面，对于相同的信号电平，与由单个MTJ构成的支路相比，串联连接的MTJ200降低感测磁场的总体噪声。例如，插图示出了在图案化之后形成的两个MTJ 200A、200B的某些实施方案的放大剖视图。两个MTJ 200A、200B串联耦合，从而共享具有不同底部电极220A、220B的相同顶部电极210，其中电子电流如虚线所示流动。
MTJ中的噪声可由电源(如MTJ势垒中的电荷俘获)或磁源(诸如热激活的局部磁化角度变化)引起。由于每个MTJ中的噪声基本上不相关，MTJ200的串联连接降低了总体噪声。在另一方面，与由单个MTJ构成的支路相比，串联连接的MTJ 200减小了每个单独MTJ 200上的电压降，从而提高了基于TMR的磁性传感器的可靠性。例如，MTJ的势垒层具有基于MTJ上的总电压的特定寿命。通过将电压降分散在多个MTJ 200上，来自该多个MTJ 200的单个MTJ上的电压降得以减小。每个MTJ上的电压降的减小增加了每个MTJ 200的寿命和可靠性，并且因此也增加了传感器100的寿命和可靠性。
基于TMR的传感器的其他布局是可能的，诸如串联和/或并联的MTJ的其他布局、电极的其他布局以及端子的其他布局。
图3是示出单个MTJ 200(诸如图2的MTJ 200中的一个)的某些实施方案的示意性侧视图。单个MTJ 200可用于串联连接的多个MTJ中，从而形成图2的基于TMR的磁性传感器100或其他合适的基于TMR的磁性传感器的磁阻支路。为了便于描述，图3包括与图2中所使用的相同的标号。MTJ 200包括自由层(FL)310、势垒层320、参考层(RL)330、反并联(AP)耦合层340、钉扎层(PL)350和第一反铁磁(AFM1)钉扎层360。MTJ 200还包括第二AFM钉扎层(AFM2)370以部分地钉扎FL 310。
如图3所示，PL 350、AP耦合层340和RL 330形成合成反铁磁(SAF)钉扎结构。在其他实施方案中，MTJ 200可包括简单的钉扎结构或可包括两个或更多个SAF钉扎结构。MTJ200可包括其他层，诸如晶种层(未示出)、封盖层(未示出)、接触层和其他钉扎结构。
FL 310可包含单层或多层的CoFe、NiFe、其他铁磁材料以及它们的组合。势垒层320可包含单层或多层的氧化镁、氧化铝、其他介电材料以及它们的组合。RL 330可包含单层或多层的CoFe、其他铁磁材料以及它们的组合。反并联(AP)耦合层340可包含单层或多层的Ru、Ru合金、其他非磁性材料以及它们的组合。PL 350可包含单层或多层的CoFe、CoB、CoFeB、其他铁磁材料以及它们的组合。AFM1钉扎层360和AFM2钉扎层370可各自独立地包含单层或多层的PtMn、NiMn、IrMn、IrMnCr、CrMnPt、FeMn、其他反铁磁材料以及它们的组合。
AFM1钉扎层360具有固定的磁化，该固定的磁化继而基本上固定PL 350的磁矩。RL330跨反并联耦合层340与PL 350反并联耦合。因此，RL 330的磁化被设置在与PL 350的磁化方向反并联的第二方向上。AFM2钉扎层370具有固定的磁化，该固定的磁化继而部分地钉扎FL 310。
MTJ 200的FL 310在存在感测磁场的情况下相对于RL 330旋转。FL 310相对于RL330的旋转改变MTJ 200的电阻。例如，具有处于反并联状态的FL 310和RL 330的MTJ 200的电阻可为处于并联状态的FL 310和RL 330的电阻的三倍。在某些操作磁场范围内，当RL330和PL 350的磁化方向基本上不被外部磁场旋转时，FL 310的磁化可旋转。
AFM2钉扎层370部分地钉扎FL 310以调节FL 310在外部场中的磁导率或磁化旋转速率。控制MTJ和相关联的TMR传感器的外部场操作范围的一个参数由来自AFM2钉扎层370的FL 310的钉扎量控制。
图4A至图4B是图3的MTJ 200的示意性俯视图，其示出了设置AFM1钉扎层360和AFM2钉扎层370的磁化方向的过程的某些实施方案。为了便于描述，图4A至图4B中省略了反并联耦合层340和势垒层320。图4A至图4B示出了形成为具有非形状各向异性的正方形的MTJ 200。在其他实施方案中，MTJ 200可形成为圆形、椭圆形或具有非形状各向异性的其他形状。
图4A示出了在执行第一退火之后的MTJ 200。MTJ 200的第一退火在磁性退火烘箱中在约3.5T或以上的大施加磁场下在约250℃或以上的高温处执行约1小时至约10小时的时间段。磁性退火烘箱的一个示例为得自Tokyo Electron Ltd.(Tokyo，Japan)的MRT系统。施加磁场的第一方向400设置AFM1钉扎层360和AFM2钉扎层360的磁化方向。在第一退火期间，首先将AFM1钉扎层360和AFM2钉扎层370的磁化方向设置在PL350的期望方向上。期望的PL方向平行于MTJ 200的最终场感测轴。施加磁场具有足够的强度来重置SAF耦合并使PL350/AP耦合层340/RL 330结构饱和。第一退火的温度为足以使势垒层320重结晶以实现高TMR比的温度。在第一退火之后FL 310的响应是滞后的和非线性的。
图4B示出了在执行第二退火之后的图4A的MTJ 200。执行第二退火以实现较低的滞后响应和线性更高的响应。利用在第二方向402上施加的磁场进行的第二退火通过旋转AFM2钉扎层370的磁化方向来旋转FL 310的钉扎轴。FL 310的钉扎轴可基本上正交于参考层330的磁化方向旋转(如图4B所示)，或者可与参考层330成一角度旋转。
与第一退火相比，第二退火在较低的施加磁场和较低的退火温度处执行，以避免或减少第一退火对PL 350的磁化方向的任何改变。第二退火在大于AFM2钉扎层370的阻挡温度的温度处执行。第二退火在足以使FL310饱和到其边缘的场强处或在FL的拓扑粗糙度的存在下执行。在某些实施方案中，第二退火在磁性退火烘箱中在约400Oe至约2,500Oe的低施加磁场下在约130℃至约230℃的温度处执行约0.5小时至约5小时的时间段。在某些实施方案中，MTJ 200包括与AFM2钉扎层具有不同材料组成的AFM1钉扎层360，其中AFM1钉扎层的阻挡温度高于AFM2钉扎层的阻挡温度。例如，反铁磁材料CrMnPt具有约320℃的阻挡温度；反铁磁材料IrMn具有约200℃的阻挡温度；并且反铁磁材料FeMn具有约140℃的阻挡温度。阻挡温度可根据AFM钉扎层的厚度而变化。
第二退火不会不利地影响MTJ 200的TMR比。第二退火可在TMR叠堆的图案化之前或之后执行以限定单独的MTJ 200。在某些实施方案中，在图案化之前对全膜TMR叠堆执行第二退火，以通过使用较低施加场来更容易地控制没有边缘的良好磁性对齐，与在图案化之后执行的第二退火相比，该较低施加场使AFM1 360上的任何应力最小化。
在一个方面，通过AFM2钉扎层370部分地钉扎FL 310控制FL 310的磁畴形成并控制包括MTJ 200的基于TMR的磁性传感器100的响应。通过AFM2钉扎层的较大FL钉扎影响基于TMR的磁性传感器100的磁场操作范围和响应的线性度。作用在FL 310上的钉扎场强以及因此FL 310的饱和场与FL 310的厚度成反比(即，1/tFL)。FL 310越薄，对应于越大的饱和场，并且AMF2钉扎层防止或减少边缘域形成所需的力越小。
通过AFM2钉扎层部分地钉扎FL 310，可省略外部硬偏置稳定性。外部硬偏置(HB)稳定性增加了传感器的材料成本和制造时间。形成HB稳定性的硬磁性材料在成本上相对昂贵。使用HB稳定性的另一个缺点是传感器在暴露于接近HB矫顽磁力的场时将劣化。例如，约3,000Oe的场可劣化或重置包含CoPt的HB稳定性的方向。具有由AFM2钉扎层370部分地钉扎的FL 310的MTJ 200可容忍大的干扰场，同时基于TMR的磁性传感器100的劣化低。
自由层310具有被选择用于优化TMR系数和各向异性的厚度。MTJ 200以及因此包括多个MTJ 200的基于TMR的磁性传感器可在大场范围(诸如在数百Oe范围至数千Oe范围)内操作。现有技术MTJ通常在小场范围(诸如±80Oe)内操作。在某些实施方案中，包括惠斯通配置中的多个MTJ 200的基于TMR的磁性传感器可在大的外部磁场范围内操作，诸如在±100Oe的磁场范围内、诸如在±150Oe、诸如±600Oe、诸如±1,000Oe或诸如±3,000Oe的磁场范围内操作。在某些实施方案中，包括惠斯通配置中的多个MTJ 200的基于TMR的磁性传感器可在添加到恒定DC场的大外部磁场范围内操作，诸如在恒定DC场上叠加±100Oe的磁场范围内操作，诸如在恒定DC场上叠加±150Oe、诸如在恒定DC场上叠加±600Oe、诸如在恒定DC场上叠加±1,000Oe、或诸如在恒定DC场上叠加±3,000Oe的磁场范围内操作。
相对厚的自由层可能不期望地形成多个磁畴，这将不期望地为MTJ提供滞后响应。通过AFM2钉扎层370部分地钉扎FL 310控制磁畴形成并提供较低的滞后响应。在某些实施方案中，具有FL 310的部分钉扎的MTJ 200还具有形状各向异性，以增强饱和场、控制磁畴形成和/或提供较低的滞后响应。
图5是示出在第一退火之后和在第二退火之后图4B的单个MTJ 200的某些实施方案的示意性俯视图，其中FL 310由AFM2钉扎层370正交于RL 330或与其成一角度部分地钉扎。为了便于描述，图5包括与图4B中所使用的相同的标号。为了便于描述，图5中省略了AFM1钉扎层360、PL350、反并联耦合层340和势垒层320。MTJ 200包括具有形状各向异性的部分钉扎FL 310。
形状各向异性由自由层310的纵横比(宽高比)提供，其中在待感测的磁场的方向500上具有窄高度(310H)(即，MTJ 200的短轴与感测场对齐)并且在与感测方向正交的方向上具有大宽度(310W)。例如，如图5所示，形成为矩形条带的自由层310提供形状各向异性。具有形状各向异性的自由层310可以是其他细长多边形，诸如其他细长梯形、其他细长四边形、细长椭圆形、其他细长规则形状和其他细长不规则形状。对于细长梯形，高宽高比是通过具有两个不同宽度的细长梯形的两个宽度的平均值来计算的，或者是通过具有两个不同高度的细长梯形的两个高度的平均值来计算的。
在某些实施方案中，自由层310以约4∶1或更大、诸如约7∶1至约25∶1的宽高比形成为宽度310W和高度310H。在某些实施方案中，自由层310的宽度310W可形成为约1μm至约10μm，并且自由层的高度310H可形成为约0.2μm至约2μm。宽高比为约4∶1或更大的自由层310具有在沿MTJ 200的自由层310的宽度310W的大致方向上初始对齐的基本上单个磁畴。大宽度310W有助于控制磁畴形成为沿宽度的长度。
对于具有高纵横比的自由层310，自由层的磁化将响应于外部磁场或旋转到外部磁场，直到由以下近似(1)给出的饱和场：
Figure BDA0003113351780000101
其中H是自由层的高度，tFL是自由层的厚度，MFL是自由层材料的饱和磁化强度(对于镍铁导磁合金，MFL为约780emu/cm3)，钉扎场强度
Figure BDA0003113351780000102
钉扎场Hpin对于较薄的FL通常较大，而第二项中的形状各向异性场对于较厚的FL较大。MTJ的动态范围以及因此传感器的动态范围取决于钉扎场强度和形状各向异性场的竞争项的相互作用，并且可通过FL的厚度来调节。磁饱和场(Hkeff)可通过绘制MTJ的从接近零的感测磁场到最大电阻响应的电阻响应来确定。
在某些方面，自由层310的形状各向异性可改善线性度。在某些方面，自由层310的形状各向异性可调节基于TMR的磁性传感器100的操作场范围。
图6是示出在第一退火之后和在第二退火之后图4B的单个MTJ 200的实施方案的示意性俯视图，其中FL 310由AFM2钉扎层370与RL 330成一角度部分地钉扎。为了便于描述，图6包括与图4B中所使用的相同的标号。为了便于描述，图6中省略了AFM1钉扎层360、反并联耦合层340、势垒层320和AFM2钉扎层370。图6示出了形成为具有非形状各向异性的正方形的MTJ 200。在其他实施方案中，MTJ 200可形成为圆形、椭圆形、具有非形状各向异性的另一种形状、矩形、细长矩形、细长椭圆形或另一种细长形状。
FL 310与RL 330成锐角部分地钉扎。与RL 330成锐角部分地钉扎的FL 310产生改变传感器的场中心和动态范围的两种效应。
1)钉扎场Hpin在沿感测轴的负方向上具有分量Hpin*sin(θ)。Hpin*sin(θ)分量使传感器的操作范围在正方向上偏移，因为外部场Hext＝Hpin*sin(θ)使FL磁化与参考层330正交。换句话讲，感测范围的中点偏移+Hpin*sin(θ)。
2)Hpin的纵向分量被减小到Hpin*cos(θ)，从而降低了饱和场。
图3至图5的MTJ 200可被制造成阵列，以形成图1至图2的磁阻支路102、104、106、108。制造相反极性的磁阻支路的一个例子是形成具有多个第一MTJ的正极支路以及形成具有多个第二MTJ的负极支路，其中第一MTJ和第二MTJ包括具有不同电阻面积乘积的两个不同膜叠堆。制造相反极性的磁阻支路的另一个示例是用具有由热重置控制的信号极性的单个膜叠堆的MTJ形成正极性支路和负极性支路。在任一种方法中，可在同一晶片衬底上制造相反极性的磁阻支路。换句话讲，可通过沉积相同的膜叠堆或通过沉积构成每个MTJ的不同膜叠堆来在同一晶片衬底上制造四个磁阻支路102、104、106、108。
图10A至图10B是通过具有任何合适的不同钉扎结构(简单钉扎、单合成反铁磁(SAF)钉扎结构、双SAF结构等)在同一管芯上形成具有不同极性的两个不同MTJ的示意图。例如，在图10A中，第一MTJ 200M包括利用合成反铁磁(SAF)钉扎结构的膜叠堆M，并且第二MTJ 200N包括利用非SAF钉扎结构的膜叠堆N。图10A示出了在执行第一退火(诸如参考图4A所述的第一退火)以将第一MTJ 200M的AFM1钉扎层360M和AFM2钉扎层370M以及第二MTJ200N的AFM1钉扎层360N和AFM2钉扎层370N的磁化方向设置在相同方向上之后的MTJ 200M、200N。
图10B示出了在执行第二退火(诸如参考图4AB所述的第二退火)之后的图10A的第一MTJ 200M和第二MTJ 200N。利用在与第一退火方向正交或成角度的第二方向上施加的磁场进行的第二退火通过旋转AFM2钉扎层370M、370N的磁化方向来旋转FL 310M、310N的钉扎轴。第一MTJ 200M和第二MTJ 200N的AFM2钉扎层370M、370N的磁化方向设置在相同的方向上。第一MTJ 200M和第二MTJ 200N具有相反的极性。例如，第一MTJ 200M和第二MTJ 200N感测外部磁场1000，第一MTJ 200M的电阻由于RL-FL角度变大而增加，而第二MTJ 200N的电阻由于RL-FL角度变小而减小。
图1至图2的惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器100包括图3至图5和图10的磁性传感器200，在期望的感测磁场处电桥的信号/电压输出可为零。例如，基于TMR的磁性传感器100可在零感测磁场处具有为零的电桥的信号/电压输出。在另一个示例中，基于TMR的磁性传感器100可在期望的非零感测磁场处(诸如在约300Oe至约500Oe的感测磁场处)具有为零的电桥的信号/电压输出。在期望的非零感测磁场处电桥的信号/电压输出为零的基于TMR的磁性传感器100可通过在电桥的选定支路中添加磁不敏感电阻器来制造。例如，对于在零感测磁场处电桥的信号/电压输出为零的基于TMR的磁性传感器100，在某些实施方案中，传感器的工作范围为约-600Oe至约+600Oe。在另一个示例中，对于在恒定DC场的约-450Oe感测磁场处电桥的信号/电压输出为零的基于TMR的磁性传感器100，在某些实施方案中，传感器的工作范围是在恒定DC场上叠加600Oe，换句话讲为约-1050Oe至约+150Oe。
在某些实施方案中，图1至图2的惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器100包括图3至图5和图10的MTJ 200，对于约200％或更小的TMR比，在从电桥信号/电压输出为零的±600Oe的磁场范围内，可具有约1％或更小的线性度比率。线性度是确定TMR传感器的性能的一个参数。线性度是电桥响应与纯线性响应的偏差的量度。如本文所用，线性度被定义为数据在期望场范围内与直线拟合的最大偏差除以期望场范围内的总信号范围的比率。较低的线性度比率对应于线性更高的传感器响应。
在某些实施方案中，图3至图5和图10的MTJ 200具有由自由层的高宽高比提供的形状各向异性。具有形状各向异性的MTJ各自以基本上单个磁畴操作，该单个磁畴在存在大的外部可变磁场(诸如零或非零DC场的顶部上的+600Oe的可变磁场)的情况下旋转。由于钉扎和形状各向异性，自由层的旋转以及因此包括MTJ的基于TMR的传感器的信号响应基本上没有滞后。包括图3至图5的MTJ 200的图1至2的基于TMR的磁性传感器100可被制造为感测恒定DC场的顶部上的可变磁场，诸如从恒定DC场偏移的工作范围。
图1至图2的基于TMR的磁性传感器100包括图3至图5和图10的MTJ 200中的至少一个，其中FL 310被部分地钉扎。例如，基于TMR的磁性传感器可包括多个MTJ，其中MTJ中的一个、少数、多数或全部具有FL 310的部分钉扎。
在一个实施方案中，包括具有FL 310的部分钉扎的图3至图5和图10的MTJ 200中的至少一个的图1至图2的TMR传感器100在作为单轴传感器操作的相机中使用。这种传感器的示例见于美国专利申请公布：2019/0020822 A1中，该专利申请公布以引用方式并入本文。然而，预期TMR传感器100可用作二维或甚至三维传感器。另外，预期TMR传感器100可集成并用于除了相机之外的惯性测量单元技术中，诸如可穿戴装置、罗盘和MEMS装置。此外，TMR传感器100可作为位置传感器、桥角传感器、磁开关、电流传感器或它们的组合来操作。TMR传感器100可用于通过使用TMR传感器作为位置和角度传感器来聚焦相机，诸如智能电话相机。另外，TMR传感器100在汽车工业中也可作为开关、电流和角度传感器来替代电流霍尔、各向异性磁电阻(AMR)和巨磁电阻(GMR)传感器。TMR传感器100也可在无人机和机器人工业中用作位置和角度传感器。医疗装置也可利用TMR传感器100来对输注系统进行流量控制，还可以使用内窥镜相机传感器等。因此，本文所讨论的TMR传感器100具有远远超出智能电话相机的应用，并且因此不应限于用作智能电话相机的传感器。此外，TMR传感器100的MTJ不需要布置成惠斯通电桥布置，而是能够以任何数量的方式布置。
在一个实施方案中，一种制造惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器的方法包括进行磁性隧道结(MTJ)的第一退火以及进行MTJ的第二退火。MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在该第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在该钉扎层上方的反并联耦合层、在该反并联耦合层上方的参考层、在该参考层上方的势垒层、在该势垒层上方的自由层以及在该自由层上方的第二反铁磁钉扎层。MTJ的第一退火将第一AFM钉扎层、钉扎层、自由层和第二AFM钉扎层设置在第一磁化方向上。MTJ的第二退火将自由层和第二AFM钉扎层重置在第二磁化方向上。基于TMR的磁性传感器的操作场范围超过±100Oe。
在另一个实施方案中，一种制造惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器的方法包括在第一外部磁场强度、第一外部磁方向和第一温度处进行磁性隧道结(MTJ)的第一退火，以及在第二外部磁场强度、第二外部磁方向和第二温度处进行该MTJ的第二退火。第一退火的第一外部磁场强度大于第二退火的第二外部磁场强度。第一退火的第一外部磁方向不同于第二退火的第二外部磁方向。第一退火的第一温度大于第二退火的第二温度。MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在该第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在该钉扎层上方的反并联耦合层、在该反并联耦合层上方的参考层、在该参考层上方的势垒层、在该势垒层上方的自由层以及在该自由层上方的第二反铁磁钉扎层。
在一个实施方案中，惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器包括多个MTJ。该多个MTJ中的每一者包括在第一磁化方向上的参考层、自由层和反铁磁(AFM)钉扎层。AFM钉扎层在与参考层的第一磁化方向正交、成锐角或成钝角的第二磁化方向上部分地钉扎自由层。
实施例
以下实施例示出了MTJ和包括多个MTJ的传感器的某些实施方案的数据。除非在权利要求中明确阐述，否则此类数据不应用于限制权利要求的范围。
实施例1
图7A示出了基于TMR的磁性传感器100的一个支路的电阻信号，其中每个MTJ 200包括FL 310，其磁化方向在第一退火之后与RL 330的磁化方向反并联，诸如在图4A的磁化取向上。基于TMR的磁性传感器100包括具有2.6um直径的五十四个圆形MTJ 200的阵列。传感器100确实提供了偏移至约+500Oe的Hpin的响应，但该响应是高度非线性和滞后的。
图7B示出了图7A的基于TMR的磁性传感器100的一个支路的电阻信号，其中每个MTJ 200包括FL 310，其磁化方向在第二退火之后与RL330的磁化方向正交，诸如图4B的磁化取向。电阻曲线具有高达约500Oe的良好线性度，对应于由AFM2提供的钉扎场。
实施例2
图8是基于TMR的磁性传感器100的桥信号输出的仿真，其中每个MTJ 200包括在第二退火之后的FL 310，该在第二退火之后将该FL 310设置成与RL 330正交，诸如在图4B的磁化取向上。在FL 310上的AFM2钉扎层370的各种钉扎强度上模拟电桥信号输出。如图8所示，AFM2钉扎层370的钉扎强度的量越大，对应于传感器100的线性更高的电桥信号输出，但在更大的操作磁场范围上具有更低的灵敏度。AFM2钉扎层370的钉扎强度的量越低，对应于传感器100的线性更低的电桥信号输出，但在更小的操作磁场范围内具有更大的灵敏度。
实施例3
图9是基于TMR的磁性传感器100的电桥接信号输出的模拟，其中每个MTJ 200包括在第二退火之后的FL 310，该第二退火设置该FL 310。电桥信号输出是具有部分钉扎为与RL 330的磁化方向正交或成锐角的磁化方向的FL 310的模拟，这对应于图6中的配置。与RL330的磁化方向成锐角部分地钉扎FL 310的磁化方向使操作范围由于Hpin*sin(θ)分量而偏移至正场方向，并且由于Hpin*cos(θ)分量而增加斜率。
虽然前述内容针对本公开的实施方案，但是可以在不脱离本公开的基本范围的情况下设想本公开的其他和另外的实施方案，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种制造处于惠斯通配置的基于隧道磁阻(TMR)的磁性传感器的方法，所述方法包括：
进行磁性隧道结(MTJ)的第一退火，所述MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在所述第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在所述钉扎层上方的反并联耦合层、在所述反并联耦合层上方的参考层、在所述参考层上方的势垒层、在所述势垒层上方的自由层以及在所述自由层上方的第二反铁磁钉扎层，其中所述MTJ的所述第一退火将所述第一AFM钉扎层、所述钉扎层、所述自由层和所述第二AFM钉扎层设置在第一磁化方向上；以及
进行所述MTJ的第二退火，其中所述第二退火将所述自由层和所述第二AFM钉扎层重置在第二磁化方向上，
其中所述基于TMR的磁性传感器的操作场范围超过±100Oe。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二磁化方向选自与所述参考层的第三磁化方向正交、成锐角和成钝角。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二磁化方向与所述参考层的第三磁化方向成锐角，以形成对正极性感测磁场具有增加的灵敏度的所述MTJ。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二磁化方向与所述参考层的第三磁化方向成钝角，以形成对负极性感测磁场具有增加的灵敏度的所述MTJ。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二退火基本上不改变所述第一AFM钉扎层和所述钉扎层的所述第一磁化方向。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述MTJ形成为细长多边形。
7.一种制造处于惠斯通配置的基于隧道磁阻(TMR)的磁性传感器的方法，所述方法包括：
在第一外部磁场强度、第一外部磁方向和第一温度处进行磁性隧道结(MTJ)的第一退火，所述MTJ包括第一反铁磁(AFM)钉扎层、在所述第一AFM钉扎层上方的钉扎层、在所述钉扎层上方的反并联耦合层、在所述反并联耦合层上方的参考层、在所述参考层上方的势垒层、在所述势垒层上方的自由层以及在所述自由层上方的第二反铁磁钉扎层，
在第二外部磁场强度、第二外部磁方向和第二温度处进行所述MTJ的第二退火，
其中所述第一外部磁场强度大于所述第二外部磁场强度，所述第一外部磁方向不同于所述第二外部磁方向，并且所述第一温度大于所述第二温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一外部磁场强度为约3.5T或以上，并且所述第二外部磁场强度为约400Oe至约2,500Oe。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二外部磁方向选自与所述参考层的磁化方向正交、成锐角和成钝角。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二外部磁方向与所述参考层的磁化方向成锐角，以形成对正极性感测磁场具有增加的灵敏度的所述MTJ。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二外部磁方向与所述参考层的磁化方向成钝角，以形成对负极性感测磁场具有增加的灵敏度的所述MTJ。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一温度为约250℃或以上，并且其中所述第二温度为约130℃至约230℃。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一退火进行比所述第二退火长的时间段。
14.一种处于惠斯通配置的基于隧道磁阻(TMR)的磁性传感器，所述磁性传感器包括：
多个磁性隧道结(MTJ)，所述多个MTJ中的每一者包括：
在第一磁化方向上的参考层；
自由层；以及
反铁磁钉扎层，所述反铁磁钉扎层在第二磁化方向上部分地钉扎所述自由层，所述第二磁化方向选自与所述参考层的所述第一磁化方向正交、成锐角和成钝角。
15.根据权利要求14所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述多个MTJ形成两个正极性磁阻支路和两个负极性磁阻支路。
16.根据权利要求15所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述两个正极性磁阻支路包括所述多个MTJ的第一部分，并且其中所述两个负极性磁阻支路包括所述多个MTJ的第二部分，其中所述第一部分具有不同于所述第二部分的所述自由层的所述第二磁化。
17.根据权利要求14所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述多个MTJ没有硬偏置稳定性。
18.根据权利要求14所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述多个MTJ中的每个MTJ被成形为细长多边形。
19.根据权利要求18所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述细长多边形具有宽高纵横比为约4∶1或更大的宽度和高度。
20.根据权利要求14所述的基于TMR的磁性传感器，其中部分地钉扎所述自由层的所述反铁磁钉扎层的钉扎强度为约400Oe或更大。
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