CN113196078A - 双自由层tmr磁场传感器 - Google Patents

双自由层tmr磁场传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN113196078A
CN113196078A CN202080007003.1A CN202080007003A CN113196078A CN 113196078 A CN113196078 A CN 113196078A CN 202080007003 A CN202080007003 A CN 202080007003A CN 113196078 A CN113196078 A CN 113196078A
Authority
CN
China
Prior art keywords
resistor
tmr
hard bias
dfl
bias
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.)
Granted
Application number
CN202080007003.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113196078B (zh
Inventor
胡志清
王勇鸿
郑元凯
钱震荣
毛明
D·毛里
姜明
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.)
Western Digital Technologies Inc
Original Assignee
Western Digital Technologies Inc
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 Western Digital Technologies Inc filed Critical Western Digital Technologies Inc
Publication of CN113196078A publication Critical patent/CN113196078A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113196078B publication Critical patent/CN113196078B/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
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0023—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration
    • 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
    • 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
    • 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
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • 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
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R17/00—Measuring arrangements involving comparison with a reference value, e.g. bridge
    • G01R17/10—AC or DC measuring bridges
    • G01R17/105—AC or DC measuring bridges for measuring impedance or resistance

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

本公开整体涉及惠斯通电桥，该惠斯通电桥包括多个电阻器，该多个电阻器包括双自由层(DFL)TMR结构。该DFL TMR结构包括位于DLF侧的一个或多个硬偏置结构。另外，DFL的一侧上也可存在一个或多个软偏置结构。两个电阻器将具有相同的硬偏置材料，而另外两个电阻器将具有彼此相同但与前两个电阻器相比不同的硬偏置材料。硬偏置材料将提供反向磁化，这将提供反向偏置场，从而形成DFL TMR的两种不同的磁阻响应。

Description

双自由层TMR磁场传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月30日提交的美国申请号16/730,777的优先权，该美国申请要求于2019年8月28日提交的美国临时专利申请序列号62/892,642的权益，该两个申请均以引用方式整体并入本文。
背景技术
技术领域
本公开的实施方案整体涉及惠斯通电桥及其制造方法。
相关领域的描述
惠斯通电桥是用于通过平衡电桥电路的两个支路来测量未知电阻的电路，其中一个支路包含未知部件。与简单的分压器相比，惠斯通电路提供了极其准确的测量结果。
惠斯通电桥包括多个电阻器，尤其是最近包括磁性材料诸如磁传感器。磁传感器可包括霍尔效应磁传感器、各向异性磁阻传感器(AMR)、巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁阻(TMR)传感器。与其他磁传感器相比，TMR传感器具有非常高的灵敏度。
典型的磁场传感器使用如上所讨论的TMR装置。为了使惠斯通电桥正常操作，惠斯通电桥中的电阻器需要设置成使磁电阻发生不同的变化。如果电阻器的磁阻变化相同，则惠斯通电桥将无法正常工作。换言之，惠斯通电桥将毫无用处。
因此，本领域需要使磁阻在不同电阻器处发生不同变化的惠斯通电桥。
发明内容
本公开整体涉及惠斯通电桥，该惠斯通电桥包括多个电阻器，该多个电阻器包括双自由层(DFL)TMR结构。该DFL TMR结构包括位于DLF侧的一个或多个硬偏置结构。另外，DFL的一侧上也可存在一个或多个软偏置结构。两个电阻器将具有相同的硬偏置材料，而另外两个电阻器将具有彼此相同但与前两个电阻器相比不同的硬偏置材料。硬偏置材料将提供反向磁化，这将提供反向偏置场，从而形成DFL TMR的两种不同的磁阻响应。
在一个实施方案中，TMR传感器装置包括：第一电阻器，该第一电阻器包括双自由层(DFL)TMR结构，该双自由层(DFL)TMR结构具有由第一硬偏置材料构成的至少一个第一硬偏置结构；和第二电阻器，该第二电阻器包括DFL TMR结构，该DFL TMR结构具有由第二硬偏置材料构成的至少一个第二硬偏置结构，该第二硬偏置材料不同于第一硬偏置材料。
在另一个实施方案中，TMR传感器装置包括：多个电阻器，每个电阻器包括DFL TMR结构、与该DFL TMR结构相邻的一个或多个硬偏置结构、和与该DFL TMR结构和该一个或多个硬偏置结构相邻的一个或多个软偏置结构，其中，该一个或多个硬偏置结构在该多个电阻器中的至少两个电阻器中是不同的硬偏置结构。
在另一个实施方案中，制造TMR传感器装置的方法包括：在基板上方形成底部引线；在该底部引线上方形成用于第一电阻器和第二电阻器的DFL TMR结构；形成与用于第一电阻器的DFL TMR结构相邻的至少一个硬偏置结构；形成与用于第二电阻器的DFL TMR结构相邻的至少一个硬偏置结构；对第一电阻器和第二电阻器施加第一磁场初始化；以及对第一电阻器和第二电阻器施加第二磁场初始化，其中,第二磁场不同于第一磁场。
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是惠斯通电桥设计的示意图。
图2A至图2C是DFL TMR电阻器单元的示意图，该DFL TMR电阻器单元在DFL的两侧上具有硬偏置结构。
图3A至图3C是DFL TMR电阻器单元的示意图，该DFL TMR电阻器单元仅在DFL的一侧上具有硬偏置结构。
图4A至图4C是DFL TMR电阻器单元的示意图，该DFL TMR电阻器单元在DFL的两侧上具有硬偏置结构。
图5A至图5C是DFL TMR电阻器单元的示意图，该DFL TMR电阻器单元仅在DFL的一侧上具有硬偏置结构。
图6A至图6F是根据本文所讨论的实施方案的DFL TMR对外部磁场的磁响应的示意图。
图7A至图7C是根据本文所讨论的实施方案的具有DFL TMR膜的惠斯通电桥的示意图。
图8是示出了根据一个实施方案的制造惠斯通电桥的方法的流程图。
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。
本公开整体涉及惠斯通电桥，该惠斯通电桥包括多个电阻器，该多个电阻器包括双自由层(DFL)TMR结构。该DFL TMR结构包括位于DLF侧的一个或多个硬偏置结构。另外，DFL的一侧上也可存在一个或多个软偏置结构。两个电阻器将具有相同的硬偏置材料，而另外两个电阻器将具有彼此相同但与前两个电阻器相比不同的硬偏置材料。硬偏置材料将提供反向磁化，这将提供反向偏置场，从而形成DFL TMR的两种不同的磁阻响应。
图1是惠斯通电桥100设计的示意图。阵列100包括偏置源102、第一电阻器104、第二电阻器106、第三电阻器108、第四电阻器110、第一输出焊盘112、第二输出焊盘114和接地连接件116。从偏置源102到接地连接件116在电桥上施加偏置电压。电桥输出是跨第一输出焊盘112和第二输出焊盘114的电势差。由于差分输出的性质，由于电阻器104、106、108、110的温度变化而引起的电阻的任何变化都被抵消。
如本文所讨论，电阻器104、106、108、110各自由TMR膜制成。在一个实施方案中，TMR电阻器各自是独特且不同的，使得电阻器104、106、108、110具有不同电阻。在另一个实施方案中，TMR电阻器为相同电阻器，但电阻器104、106、108、110为不同电阻器。在又一个实施方案中，电阻器104、110彼此相同(因为制成电阻器104、110的TMR膜彼此相同)，并且电阻器106、108彼此相同(因为制成电阻器106、108的TMR膜彼此相同)但与电阻器104、110不同。
典型的磁场传感器在惠斯通电桥电路中使用TMR电阻器。TMR电阻器必须对磁场具有不同的响应以便生成差分输出电压。如本文所讨论的，一种制造磁场传感器的新方法是使用相同的DFL TMR膜来制造两个不同的TMR电阻器，但侧面采用两种不同的硬偏置材料。硬偏置材料将提供反向磁化，这将提供反向偏置场，从而形成DFL TMR的两种不同的磁阻响应。这样，可制造用于磁场传感器的完美惠斯通电桥设计。
图2A至图2C是DFL TMR电阻器单元200的示意图，该DFL TMR电阻器单元在DFL的两侧上具有硬偏置结构。图2A是传感器单元200的顶视图，而图2B是沿线A-A截取的横截面，并且图2C是沿线B-B截取的横截面。传感器单元200包括DLF TMR 202、第一硬偏置结构204、第二硬偏置结构206、第一软偏置结构208、第二软偏置结构210和绝缘材料212。
如图2B所示，DFL TMR 202设置在基板214上。用于基板214的合适材料包括半导体材料，诸如Si。此外，虽然基板214被示出为单层，但应当理解，基板214可包括多个层，诸如存在CMOS结构中的多个层。
底部引线216形成在基板214上。用于底部引线216的合适材料包括导电材料，诸如铜、钨、钽、铝及其合金。底部引线216的厚度可介于约20nm与约500nm之间。
DFL TMR 202形成在底部引线216上。DFL TMR 202包括设置在底部引线216上的晶种层218。晶种层218包括导电材料诸如钌，并且具有介于约10埃至约100埃之间的厚度，并且通过熟知的沉积方法(诸如电镀、化学镀或溅射)进行沉积。另外，应当理解，虽然钌已被例示为晶种层218材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于用于晶种层218的钌。
第一自由层220形成在晶种层218上。用于第一自由层220的合适材料包括CoFe/CoFeB/Ta/NiFe多层叠堆。CoFe层可具有介于约3埃至约10埃之间的厚度。CoFeB层可具有介于约10埃至约20埃之间的厚度。Ta层可具有介于约0.5埃至约2埃之间的厚度。NiFe层可具有介于约3埃至约300埃之间，诸如介于约3埃和约10埃之间或介于约10埃和约300埃之间的厚度。第一自由层220可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。另外，应当理解，虽然CoFe/CoFeB/Ta/NiFe已被例示为第一自由层220材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于用于第一自由层220的CoFe/CoFeB/Ta/NiFe。
阻挡层222形成在第一自由层220上。用于阻挡层222的合适材料包括厚度介于约10埃至约20埃之间的MgO。应当理解，虽然MgO被例示为阻挡层222，但也设想其他绝缘材料。
第二自由层224形成在阻挡层222上。用于第二自由层224的合适材料包括CoFe/CoFeB/Ta/NiFe多层叠堆。CoFe层可具有介于约3埃至约10埃之间的厚度。CoFeB层可具有介于约10埃至约20埃之间的厚度。Ta层可具有介于约0.5埃至约2埃之间的厚度。NiFe层可具有介于约3埃至约300埃之间，诸如介于约3埃和约10埃之间或介于约10埃和约300埃之间的厚度。第二自由层224可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。另外，应当理解，虽然CoFe/CoFeB/Ta/NiFe已被例示为第二自由层224材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于用于第二自由层224的CoFe/CoFeB/Ta/NiFe。
封盖层226形成在第二自由层224上。用于封盖层226的合适材料包括钽、钌、钛和其他非磁性导电材料。封盖层226可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。封盖层226可具有介于约10埃至约100埃之间的厚度。
第一硬偏置结构204包括第一硬偏置材料228。用于硬偏置材料的合适材料包括CoPt、CoCrPt、FePt或其他铁磁体合金，或TbFeCo、DyFeCo、GdFeCo、NdFeB、SmCo或其他含有稀土元素的铁磁体合金。硬偏置材料228可通过熟知的沉积工艺(诸如溅射)形成。硬偏置材料228可具有介于约40埃至约700埃之间的厚度。
封盖层230设置在硬偏置材料228上。用于封盖层230的合适材料包括钽、钌、钛和其他非磁性导电材料。封盖层230可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。封盖层230可具有介于约10埃至约100埃之间的厚度。
第二硬偏置结构206包括第一硬偏置材料232。用于硬偏置材料的合适材料包括CoPt、CoCrPt、FePt或其他铁磁体合金，或TbFeCo、DyFeCo、GdFeCo、NdFeB、SmCo或其他含有稀土元素的铁磁体合金。硬偏置材料232可通过熟知的沉积工艺(诸如溅射)形成。硬偏置材料232可具有介于约40埃至约700埃之间的厚度。
封盖层234设置在硬偏置材料232上。用于封盖层234的合适材料包括钽、钌、钛和其他非磁性导电材料。封盖层234可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。封盖层234可具有介于约10埃至约100埃之间的厚度。
第一软偏置结构208包括多层结构，该多层结构包括第一软偏置层236、隔层238、第二软偏置层240和封盖层242。用于第一软偏置层236的合适材料包括NiFe、CoFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB和Co。第一软偏置层236可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。第一软偏置层236可具有介于约15埃至约340埃之间的厚度。
隔层238形成于第一软偏置层236上。用于隔层238的合适材料包括厚度介于约4埃至约10埃之间的钌。
第二软偏置层240形成在隔层238上。用于第二软偏置层240的合适材料包括NiFe、CoFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB和Co。第二软偏置层240可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。第二软偏置层240可具有介于约15埃至约340埃之间的厚度。
封盖层242设置在第二软偏置材料240上。用于封盖层242的合适材料包括钽、钌、钛和其他非磁性导电材料。封盖层242可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。封盖层242可具有介于约10埃至约100埃之间的厚度。
第二软偏置结构210包括多层结构，该多层结构包括第一软偏置层244、隔层246、第二软偏置层248和封盖层250。用于第一软偏置层244的合适材料包括NiFe、CoFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB和Co。第一软偏置层244可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。第一软偏置层244可具有介于约15埃至约340埃之间的厚度。
隔层246形成于第一软偏置层244上。用于隔层246的合适材料包括厚度介于约4埃至约10埃之间的钌。
第二软偏置层248形成在隔层246上。用于第二软偏置层248的合适材料包括NiFe、CoFe、CoNi、CoFeNi、CoFeB和Co。第二软偏置层248可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。第二软偏置层248可具有介于约15埃至约340埃之间的厚度。
封盖层250设置在第二软偏置材料248上。用于封盖层250的合适材料包括钽、钌、钛和其他非磁性导电材料。封盖层250可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。封盖层250可具有介于约10埃至约100埃之间的厚度。
绝缘层212形成在底部引线上并且围绕DFL TMR 202，以避免DFL TMR 202与软偏置208、210之间或DFL TMR 202与硬偏置204、206之间形成电短路。用于绝缘层212的合适材料包括介电材料，诸如氧化铝、氧化硅和氮化硅。绝缘层212可通过熟知的沉积方法(诸如原子层沉积(ALD)或溅射)形成。绝缘层212可具有介于约10埃至约700埃之间的厚度。
在一个实施方案中，在给定的电阻器单元200内，硬偏置材料228、232将为相同的硬偏置材料。另外，第一软偏置层236、244将为相同的软偏置层。此外，第二软偏置层240、248将为相同的软偏置层。另外，隔层238、246将为相同的隔层。封盖层242、250也将为相同的封盖层，并且封盖层230、234将为相同的封盖层。此外，在一个实施方案中，封盖层230、234、242、250可为相同的封盖层。在另一个实施方案中，封盖层230、234、242、250中的一个或多个封盖层为任选的封盖层。
图3A至图3C是DFL TMR电阻器单元300的示意图，该DFL TMR电阻器单元仅在DFL的一侧上具有硬偏置结构。图3A是传感器单元300的顶视图，而图3B是沿线C-C截取的横截面，并且图3C是沿线D-D截取的横截面。传感器单元300包括DLF TMR 202、第一硬偏置结构204、第一软偏置结构208、第二软偏置结构210和绝缘材料212。DFL TMR电阻器单元300中不存在第二硬偏置结构206，但在其他方面与DFL TMR电阻器单元200相同。
图4A至图4C是DFL TMR电阻器单元400的示意图，该DFL TMR电阻器单元在DFL的两侧上具有硬偏置结构。图4A是传感器单元400的顶视图，而图4B是沿线E-E截取的横截面，并且图4C是沿线F-F截取的横截面。传感器单元400包括DLF TMR 202、第一硬偏置结构204、第二硬偏置结构206和绝缘材料212。DFL TMR电阻器单元400中不存在软偏置结构208、210，但电阻器单元400在其他方面与DFL TMR电阻器单元200相同。
图5A至图5C是DFL TMR电阻器单元500的示意图，该DFL TMR电阻器单元仅在DFL的一侧上具有硬偏置结构。图5A是传感器单元500的顶视图，而图5B是沿线G-G截取的横截面，并且图5C是沿线H-H截取的横截面。传感器单元500包括DLF TMR 202、第一硬偏置结构204和绝缘材料212。DFL TMR电阻器单元500中不存在软偏置结构208、210或第二硬偏置结构206，但电阻器单元500在其他方面与DFL TMR电阻器单元200相同。
对于包括软偏置结构208、210的电阻器单元，软偏置结构208、210为合成的反铁磁膜叠堆。自由层220、224具有因软偏置结构208、210耦接而趋于彼此反平行的磁矩。然而，硬偏置杂散场使自由层220、224的磁矩倾斜，并且关闭磁矩以形成剪刀状态，如图6A至图6D所示。可通过改变硬偏压204、206磁矩来调整剪刀角(即，第一自由层220磁化和第二自由层224磁化之间的角度)。可对硬偏置进行优化，以使剪刀在初始状态下成约90度。当施加所有外部磁场时，该角度将在90度至0度或90度至180度之间变化。该变化的角度允许传感器200、300、400、500在全磁阻范围内工作，如图6E至图6F所示。图6E至图6F是根据本文所讨论的实施方案的DFL TMR对外部磁场的磁响应的示意图。剪刀指向方向由硬偏置磁化方向确定。剪刀指向方向如DFL TMR 202中的箭头所示。
如本文所讨论的，惠斯通电桥中使用具有不同矫顽力的两种不同硬偏置材料的电阻器用于产生彼此相反的硬偏置磁化方向。图7A至图7C是根据本文所讨论的实施方案的具有DFL TMR电阻器的惠斯通电桥700的示意图。在电桥700中，电阻器R1和电阻器R4彼此相同。类似地，电阻器R2和电阻器R3彼此相同。然而，虽然电阻器R1和电阻器R4彼此相同，但电阻器R1和电阻器R4不同于电阻器R2和电阻器R3。可按多种方式布置电阻器R1至电阻器R4以实现所需标准。
在一个实施方案中，电阻器R1至电阻器R4全部包括一个或多个电阻器单元200。电阻器R1和电阻器R4的电阻器单元200为相同的电阻器单元。电阻器R2和电阻器R3的电阻器单元200为相同的电阻器单元。然而，R1和R4的电阻器单元200不同于电阻器R2和电阻器R3的电阻器单元。具体地，硬偏置材料228、232为不同的硬偏置材料。更具体地，电阻器R1和电阻器R4的硬偏置材料228、232是相同的硬偏置材料，电阻器R2和电阻器R3的硬偏置材料228、232是相同的硬偏置材料，但电阻器R1和电阻器R4的硬偏置材料228、232不同于电阻器R3和电阻器R4的硬偏置材料228、232。由于硬偏置材料228、232不同，因此电阻器R1和电阻器R4的硬偏置磁化方向可设置为不同于电阻器R2和电阻器R3的硬偏置磁化方向。
在另一个实施方案中，电阻器R1至电阻器R4全部包括一个或多个电阻器单元300。电阻器R1和电阻器R4的传感器单元300为相同的传感器单元。电阻器R2和电阻器R3的传感器单元300为相同的传感器单元。然而，R1和R4的传感器单元300不同于电阻器R2和电阻器R3的传感器单元。具体地，硬偏置材料228为不同的硬偏置材料。更具体地，电阻器R1和电阻器R4的硬偏置材料228为相同的硬偏置材料，电阻器R2和电阻器R3的硬偏置材料228为相同的硬偏置材料，但电阻器R1和电阻器R4的硬偏置材料228不同于电阻器R3和电阻器R4的硬偏置材料228。由于硬偏置材料228不同，因此电阻器R1和电阻器R4的硬偏置磁化方向可设置为不同于电阻器R2和电阻器R3的硬偏置磁化方向。
在另一个实施方案中，电阻器R1至电阻器R4全部包括一个或多个电阻器单元400。电阻器R1和电阻器R4的电阻器单元400为相同的电阻器单元。电阻器R2和电阻器R3的电阻器单元400为相同的电阻器单元。然而，R1和R4的电阻器单元400不同于电阻器R2和电阻器R3的电阻器单元。具体地，硬偏置材料228、232为不同的硬偏置材料。更具体地，电阻器R1和电阻器R4的硬偏置材料228、232是相同的硬偏置材料，电阻器R2和电阻器R3的硬偏置材料228、232是相同的硬偏置材料，但电阻器R1和电阻器R4的硬偏置材料228、232不同于电阻器R3和电阻器R4的硬偏置材料228、232。由于硬偏置材料228、232不同，因此电阻器R1和电阻器R4的硬偏置磁化方向可设置为不同于电阻器R2和电阻器R3的硬偏置磁化方向。
在另一个实施方案中，电阻器R1至电阻器R4全部包括一个或多个电阻器单元500。电阻器R1和电阻器R4的电阻器单元500为相同的电阻器单元。电阻器R2和电阻器R3的电阻器单元500为相同的电阻器单元。然而，R1和R4的电阻器单元500不同于电阻器R2和电阻器R3的电阻器单元。具体地，硬偏置材料228为不同的硬偏置材料。更具体地，电阻器R1和电阻器R4的硬偏置材料228为相同的硬偏置材料，电阻器R2和电阻器R3的硬偏置材料228为相同的硬偏置材料，但电阻器R1和电阻器R4的硬偏置材料228不同于电阻器R3和电阻器R4的硬偏置材料228。由于硬偏置材料228不同，因此电阻器R1和电阻器R4的硬偏置磁化方向可设置为不同于电阻器R2和电阻器R3的硬偏置磁化方向。
在其他实施方案中，电阻器R1和电阻器R4彼此相同并且包括一个或多个电阻器单元200、300、400、500；电阻器R2和电阻器R3彼此相同并且包括一个或多个电阻器单元200、300、400、500；电阻器R1和电阻器R4的电阻器单元200、电阻器单元300、电阻器单元400、电阻器单元500不同于电阻器R2和电阻器R3的电阻器单元200、电阻器单元300、电阻器单元400、电阻器单元500。例如，如果电阻器R1和电阻器R4包括电阻器单元200，则电阻器R2和电阻器R3将包括电阻器单元300、电阻器单元400或电阻器单元500。类似地，如果电阻器R1和电阻器R4包括电阻器单元300，则电阻器R2和电阻器R3将包括电阻器单元200、电阻器单元400或电阻器单元500。另外，如果电阻器R1和电阻器R4包括电阻器单元400，则电阻器R2和电阻器R3将包括电阻器单元200、电阻器单元300或电阻器单元500。最后，如果电阻器R1和电阻器R4包括电阻器单元500，则电阻器R2和电阻器R3将包括电阻器单元200、电阻器单元300或电阻器单元400。
图8是示出了根据一个实施方案的制造惠斯通电桥的方法800的流程图。该工艺以首先在步骤802中形成底部引线开始。此后，在步骤804中形成DFL TMR结构。在步骤806中，形成软偏置结构。步骤806是制造读取器的标准工艺，其涉及光印刷、磁隧道结铣削、原子层沉积(ALD)绝缘体沉积、再填充软偏置材料、侧壁铣削打开光刻胶、光剥离和化学机械抛光(CMP)。在步骤808和步骤810中，形成硬偏置结构。硬偏置结构的形成类似于步骤806，但不是使用软偏置材料进行再填充，而是使用硬磁材料进行再填充。更具体地，光印刷、ALD绝缘体沉积、再填充硬磁材料、侧壁铣削打开光刻胶、光剥离和CMP。由于电阻器R1和电阻器R4的硬偏置材料和矫顽力不同于电阻器R2和电阻器R3的硬偏置材料和矫顽力，因此在步骤812中，通过施加大于电阻器R1至电阻器R4的硬偏置材料的矫顽力的第一磁场，将电阻器R1至电阻器R4的硬偏置材料的磁化方向初始地设置在相同方向上。此后，在步骤814中，施加小于第一磁场的第二磁场。第二磁场小于电阻器R1和电阻器R4(或电阻器R2和电阻器R3)的硬偏置材料的磁矫顽力，但大于电阻器R2和电阻器R3(或电阻器R1和电阻器R4)的硬偏置材料的磁矫顽力。第二磁场施加在与第一磁场相反的方向上。第二场不会影响电阻器R1和电阻器R4(或电阻器R2和电阻器R3)的磁化方向，但会反转电阻器R2和电阻器R3(或电阻器R1和电阻器R4)的磁化方向。此后，在步骤816中，形成顶部引线和焊盘。从而形成惠斯通电桥，其中，电阻器R1和电阻器R4为相同的电阻器，电阻器R2和电阻器R3为相同的电阻器但不同于电阻器R1和电阻器R4，并且电阻器R1和电阻器R4的磁化方向与电阻器R2和电阻器R3的磁化方向相反。
在一个实施方案中，TMR传感器装置包括：第一电阻器，该第一电阻器包括双自由层(DFL)隧道磁阻(TMR)结构，该双自由层(DFL)隧道磁阻(TMR)结构具有由第一硬偏置材料构成的至少一个第一硬偏置结构；和第二电阻器，该第二电阻器包括DFL TMR结构，该DFLTMR结构具有由第二硬偏置材料构成的至少一个第二硬偏置结构，该第二硬偏置材料不同于第一硬偏置材料。第一电阻器的至少一个第一硬偏置结构包括两个第一硬偏置结构。第二电阻器的至少一个第二硬偏置结构包括两个第二硬偏置结构。第一电阻器的DFL TMR结构包括一个或多个第一软偏置结构。第二电阻器的DFL TMR结构包括一个或多个第二软偏置结构。该一个或多个第一软偏置结构包括两个第一软偏置结构。该一个或多个第二软偏置结构包括两个第二软偏置结构。第一硬偏置材料和第二硬偏置材料包含具有不同元素比值的相同化合物。第一硬偏置材料和第二硬偏置材料包含不同的化合物。DFL TMR结构包括晶种层、第一自由层、阻挡层、第二自由层和封盖层。
在另一个实施方案中，TMR传感器装置包括：多个电阻器，每个电阻器包括DFL TMR结构、与该DFL TMR结构相邻的一个或多个硬偏置结构、和与该DFL TMR结构和该一个或多个硬偏置结构相邻的一个或多个软偏置结构，其中，该一个或多个硬偏置结构在该多个电阻器中的至少两个电阻器中是不同的硬偏置结构。该一个或多个软偏置结构包括第一软偏置层、隔层、第二软偏置层和封盖层。TMR传感器布置还包括设置在一个或多个软偏置结构和DFL TMR之间的绝缘层。TMR传感器布置还包括设置在一个或多个硬偏置结构和DFL TMR之间的绝缘层。绝缘层设置在一个或多个硬偏置结构和一个或多个软偏置结构之间。绝缘层设置在一个或多个软偏置结构与DFL TMR之间。DFL TMR设置在底部引线上。一个或多个软偏置结构和一个或多个硬偏置结构通过介电材料与底部引线间隔开。
在另一个实施方案中，制造TMR传感器装置的方法包括：在基板上方形成底部引线；在该底部引线上方形成用于第一电阻器和第二电阻器的DFL TMR结构；形成与用于第一电阻器的DFL TMR结构相邻的至少一个硬偏置结构；形成与用于第二电阻器的DFL TMR结构相邻的至少一个硬偏置结构；对第一电阻器和第二电阻器施加第一磁场初始化；以及对第一电阻器和第二电阻器施加第二磁场初始化，其中,第二磁场不同于第一磁场。第二磁场小于第一磁场。
在一个实施方案中，TMR传感器用于作为单轴传感器操作的相机中。这种传感器的示例见于美国专利申请公布：2019/0020822A1中，该专利申请公布以引用方式并入本文。然而，预期TMR传感器可用作二维或甚至三维传感器。另外，预期TMR传感器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。
通过在DFL TMR结构中使用硬偏置结构，可使惠斯通电桥中的电阻器的磁阻发生不同的变化。
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)

1.一种隧道磁阻(TMR)传感器装置，包括：
第一电阻器，所述第一电阻器包括双自由层(DFL)TMR结构，所述双自由层(DFL)TMR结构具有由第一硬偏置材料构成的至少一个第一硬偏置结构；和
第二电阻器，所述第二电阻器包括DFL TMR结构，所述DFL TMR结构具有由第二硬偏置材料构成的至少一个第二硬偏置结构，所述第二硬偏置材料不同于所述第一硬偏置材料。
2.根据权利要求1所述的TMR传感器装置，其中，所述第一电阻器的所述至少一个第一硬偏置结构包括两个第一硬偏置结构。
3.根据权利要求2所述的TMR传感器装置，其中，所述第二电阻器的所述至少一个第二硬偏置结构包括两个第二硬偏置结构。
4.根据权利要求3所述的TMR传感器装置，其中，所述第一电阻器的所述DFL TMR结构包括一个或多个第一软偏置结构。
5.根据权利要求4所述的TMR传感器装置，其中，所述第二电阻器的所述DFL TMR结构包括一个或多个第二软偏置结构。
6.根据权利要求5所述的TMR传感器装置，其中，所述一个或多个第一软偏置结构包括两个第一软偏置结构。
7.根据权利要求6所述的TMR传感器装置，其中，所述一个或多个第二软偏置结构包括两个第二软偏置结构。
8.根据权利要求3所述的TMR传感器装置，其中，所述第一硬偏置材料和所述第二硬偏置材料包含具有不同元素比值的相同化合物。
9.根据权利要求3所述的TMR传感器装置，其中，所述第一硬偏置材料和所述第二硬偏置材料包含不同的化合物。
10.根据权利要求1所述的TMR传感器装置，其中，所述DFL TMR结构包括晶种层、第一自由层、阻挡层、第二自由层和封盖层。
11.一种TMR传感器装置，包括：
多个电阻器，每个所述电阻器包括DFL TMR结构、与所述DFL TMR结构相邻的一个或多个硬偏置结构、和与所述DFL TMR结构和所述一个或多个硬偏置结构相邻的一个或多个软偏置结构，其中，所述一个或多个硬偏置结构在所述多个电阻器中的至少两个电阻器中是不同的硬偏置结构。
12.根据权利要求11所述的TMR传感器装置，其中，所述一个或多个软偏置结构包括第一软偏置层、隔层、第二软偏置层和封盖层。
13.根据权利要求12所述的TMR传感器装置，还包括隔层，所述隔层设置在所述一个或多个软偏置结构和所述DFL TMR之间。
14.根据权利要求11所述的TMR传感器装置，还包括绝缘层，所述绝缘层设置在所述一个或多个硬偏置结构和所述DFL TMR之间。
15.根据权利要求14所述的TMR传感器装置，其中，所述绝缘层设置在所述一个或多个硬偏置结构和所述一个或多个软偏置结构之间。
16.根据权利要求15所述的TMR传感器装置，其中，所述绝缘层设置在所述一个或多个软偏置结构和所述DFL TMR之间。
17.根据权利要求11所述的TMR传感器装置，其中，所述DFL TMR设置在底部引线上。
18.根据权利要求17所述的TMR传感器装置，其中，所述一个或多个软偏置结构和所述一个或多个硬偏置结构通过介电材料与所述底部引线间隔开。
19.一种制造TMR传感器装置的方法，包括：
在基板上方形成底部引线；
在所述底部引线上方形成用于第一电阻器和第二电阻器的DFL TMR结构；
形成与用于所述第一电阻器的所述DFL TMR结构相邻的至少一个硬偏置结构；
形成与用于所述第二电阻器的所述DFL TMR结构相邻的至少一个硬偏置结构；
对所述第一电阻器和所述第二电阻器施加第一磁场初始化；以及
对所述第一电阻器和所述第二电阻器施加第二磁场初始化，其中，所述第二磁场不同于所述第一磁场。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二磁场小于所述第一磁场。
CN202080007003.1A 2019-08-28 2020-03-20 双自由层tmr磁场传感器 Active CN113196078B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962892642P 2019-08-28 2019-08-28
US62/892,642 2019-08-28
US16/730,777 US11169227B2 (en) 2019-08-28 2019-12-30 Dual free layer TMR magnetic field sensor
US16/730,777 2019-12-30
PCT/US2020/023983 WO2021040796A1 (en) 2019-08-28 2020-03-20 Dual free layer tmr magnetic field sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113196078A true CN113196078A (zh) 2021-07-30
CN113196078B CN113196078B (zh) 2024-06-21

Family

ID=74679622

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080007003.1A Active CN113196078B (zh) 2019-08-28 2020-03-20 双自由层tmr磁场传感器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11169227B2 (zh)
EP (1) EP4022333A4 (zh)
CN (1) CN113196078B (zh)
WO (1) WO2021040796A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11415645B2 (en) * 2019-08-23 2022-08-16 Western Digital Technologies, Inc. Magnetic sensor array with one TMR stack having two free layers
US11791083B2 (en) * 2021-05-26 2023-10-17 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Tunnel magneto-resistive (TMR) sensor with perpendicular magnetic tunneling junction (p-MTJ) structures
WO2024135038A1 (ja) * 2022-12-21 2024-06-27 国立研究開発法人物質・材料研究機構 磁気センサ、リニアエンコーダ用磁気センサ及び磁気式ロータリーエンコーダ

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6801411B1 (en) * 1999-02-10 2004-10-05 Western Digital (Fremont), Inc. Dual stripe spin valve sensor without antiferromagnetic pinning layer
CN1826672A (zh) * 2003-06-11 2006-08-30 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有磁性层结构的器件的制造方法
US20090207534A1 (en) * 2008-02-19 2009-08-20 Tdk Corporation Magneto-resistance effect element including stack with dual free layer and magnetized shield electrode layers
CN101807406A (zh) * 2009-01-21 2010-08-18 Tdk株式会社 具备两个自由层的cpp型磁阻效应元件的检查方法
CN102288927A (zh) * 2011-06-28 2011-12-21 钱正洪 巨磁阻自旋阀磁敏传感器及其制造方法
CN103854668A (zh) * 2012-11-30 2014-06-11 西部数据（弗里蒙特）公司 磁性存储系统读磁头的磁阻传感器及其制造方法
CN105489229A (zh) * 2014-10-07 2016-04-13 西部数据（弗里蒙特）公司 具有在双铁磁自由层层压之间的正耦合的传感器
CN105575407A (zh) * 2014-09-08 2016-05-11 Hgst荷兰公司 具有与偏置材料分离的侧面屏蔽的剪式读头
US20160291097A1 (en) * 2015-03-30 2016-10-06 Industrial Technology Research Institute Tunneling magneto-resistor device for sensing a magnetic field
US20180335484A1 (en) * 2017-05-19 2018-11-22 Allegro Microsystems, Llc Magnetoresistance element with increased operational range
CN109471051A (zh) * 2018-12-24 2019-03-15 珠海多创科技有限公司 一种tmr全桥磁传感器及其制备方法
WO2019142635A1 (ja) * 2018-01-17 2019-07-25 アルプスアルパイン株式会社 磁気検出装置およびその製造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7751156B2 (en) * 2006-09-29 2010-07-06 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands, B.V. Dual-layer free layer in a tunneling magnetoresistance (TMR) element
US7635974B2 (en) 2007-05-02 2009-12-22 Magic Technologies, Inc. Magnetic tunnel junction (MTJ) based magnetic field angle sensor
US20090168271A1 (en) * 2007-12-27 2009-07-02 Daniele Mauri Dual-layer free layer in a tunneling magnetoresistance (tmr) element having different magnetic thicknesses
US8390283B2 (en) 2009-09-25 2013-03-05 Everspin Technologies, Inc. Three axis magnetic field sensor
US9591221B2 (en) 2014-01-08 2017-03-07 Apple Inc. Magnetic camera component mounting in cameras
US9684184B2 (en) 2014-09-08 2017-06-20 Apple Inc. Upright mounted camera actuator component with trapezoidal magnet for optical image stabilization
US9449621B1 (en) 2015-03-26 2016-09-20 Western Digital (Fremont), Llc Dual free layer magnetic reader having a rear bias structure having a high aspect ratio
US10830840B2 (en) * 2015-12-28 2020-11-10 Konica Minolta, Inc. Magnetic sensor, sensor unit, magnetic detection device, and magnetic measurement device
US10863094B2 (en) 2017-07-17 2020-12-08 Apple Inc. Camera with image sensor shifting
WO2019131391A1 (ja) * 2017-12-26 2019-07-04 アルプスアルパイン株式会社 磁界印加バイアス膜ならびにこれを用いた磁気検出素子および磁気検出装置
KR102117393B1 (ko) * 2019-11-05 2020-06-01 한양대학교 산학협력단 멀티 비트 수직 자기 터널링 접합에 기반한 메모리 소자

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6801411B1 (en) * 1999-02-10 2004-10-05 Western Digital (Fremont), Inc. Dual stripe spin valve sensor without antiferromagnetic pinning layer
CN1826672A (zh) * 2003-06-11 2006-08-30 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有磁性层结构的器件的制造方法
US20090207534A1 (en) * 2008-02-19 2009-08-20 Tdk Corporation Magneto-resistance effect element including stack with dual free layer and magnetized shield electrode layers
CN101807406A (zh) * 2009-01-21 2010-08-18 Tdk株式会社 具备两个自由层的cpp型磁阻效应元件的检查方法
CN102288927A (zh) * 2011-06-28 2011-12-21 钱正洪 巨磁阻自旋阀磁敏传感器及其制造方法
CN103854668A (zh) * 2012-11-30 2014-06-11 西部数据（弗里蒙特）公司 磁性存储系统读磁头的磁阻传感器及其制造方法
CN105575407A (zh) * 2014-09-08 2016-05-11 Hgst荷兰公司 具有与偏置材料分离的侧面屏蔽的剪式读头
CN105489229A (zh) * 2014-10-07 2016-04-13 西部数据（弗里蒙特）公司 具有在双铁磁自由层层压之间的正耦合的传感器
US20160291097A1 (en) * 2015-03-30 2016-10-06 Industrial Technology Research Institute Tunneling magneto-resistor device for sensing a magnetic field
US20180335484A1 (en) * 2017-05-19 2018-11-22 Allegro Microsystems, Llc Magnetoresistance element with increased operational range
WO2019142635A1 (ja) * 2018-01-17 2019-07-25 アルプスアルパイン株式会社 磁気検出装置およびその製造方法
CN109471051A (zh) * 2018-12-24 2019-03-15 珠海多创科技有限公司 一种tmr全桥磁传感器及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
N. WONGPANIT等: "Etching behaviors of tunneling magnetoresistive (TMR) materials by ion beam etching system", 《SCIENCEDIRECT 》, vol. 5, pages 15186 *
高俊 等: "基于隧道磁阻传感器的车辆探测器研究", 《仪器仪表学报》, vol. 38, no. 8, pages 2039 - 2046 *

Also Published As

Publication number Publication date
US11169227B2 (en) 2021-11-09
EP4022333A1 (en) 2022-07-06
CN113196078B (zh) 2024-06-21
WO2021040796A1 (en) 2021-03-04
EP4022333A4 (en) 2022-10-19
US20210063508A1 (en) 2021-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113196078B (zh) 双自由层tmr磁场传感器
US11598828B2 (en) Magnetic sensor array with different RA TMR film
US11169228B2 (en) Magnetic sensor with serial resistor for asymmetric sensing field range
US11428758B2 (en) High sensitivity TMR magnetic sensor
US11493573B2 (en) Magnetic sensor with dual TMR films and the method of making the same
CN113167843A (zh) 磁性传感器偏置点调整方法
US11495252B2 (en) Magnetic sensor array with single TMR film plus laser annealing and characterization
CN113167847B (zh) 具有双tmr膜的磁传感器阵列
US11275130B2 (en) Magnetic sensor bridge using dual free layer
US11415645B2 (en) Magnetic sensor array with one TMR stack having two free layers
US11201280B2 (en) Bottom leads chemical mechanical planarization for TMR magnetic sensors

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