CN113227814B - 磁性隧道结包括具有固有各向异性的自由层的tmr传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施方案整体涉及磁性隧道结(MTJ)的大场范围TMR传感器，这些MTJ包括具有固有各向异性的自由层。在一个实施方案中，惠斯通配置中的基于隧道磁阻(TMR)的磁性传感器包括至少一个MTJ。该MTJ包括具有固有各向异性的自由层，该固有各向异性通过与法线成高倾斜角度沉积而产生。该自由层内的磁畴形成还可由与该自由层的该固有各向异性成一定角度倾斜的钉扎层、由硬偏置元件、由形状各向异性或它们的组合来控制。

Description

磁性隧道结包括具有固有各向异性的自由层的TMR传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年12月27日提交的美国专利申请16/728,514的优先权，该美国专利申请要求2019年8月27日提交的美国临时专利申请序列号62/892,235的权益，这两个申请据此全文以引用方式并入本文。
背景技术
技术领域
本公开的实施方案整体涉及磁性隧道结(MTJ)的大场范围TMR传感器，这些MTJ包括具有固有各向异性的自由层。
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)。
转让给Western Digital Technologies，Inc.的授予Freitag等人的美国专利9,349,391 B2涉及形成具有磁性层的磁头，通过倾斜角沉积来沉积该磁性层以控制该磁性层的各向异性。Freitag等人公开了通过倾斜角沉积形成的自由层，其固有各向异性随着该自由层的厚度增加而减小。然而，需要在自由层的大厚度下具有大的固有各向异性的自由层。
发明内容
本公开的实施方案整体涉及磁性隧道结(MTJ)的大场范围TMR传感器，这些MTJ包括具有固有各向异性的自由层。
在一个实施方案中，惠斯通配置中的基于隧道磁阻(TMR)的磁性传感器包括至少一个MTJ。该MTJ包括具有固有各向异性的自由层，该固有各向异性通过与法线成高倾斜角度沉积而产生。
在另一个实施方案中，惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器包括至少一个MTJ。该MTJ包括具有固有各向异性的自由层，该固有各向异性通过与法线成高倾斜角度沉积而产生。该MTJ包括钉扎层，该钉扎层具有与自由层的固有各向异性正交的磁化方向。该MTJ具有靠近自由层定位的硬偏置元件。
在又一个实施方案中，惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器包括至少一个MTJ。该MTJ包括钉扎层。势垒层位于钉扎层上方。自由层位于势垒层上方。自由层具有约200Oe至约1600Oe的固有各向异性。
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4是通过斜角沉积形成具有固有各向异性的自由层的某些实施方案的示意图。
图5A至图5B是沉积多个子层以形成具有固有各向异性的膜的方法的某些实施方案的示意图。
图6是示出单个MTJ的某些实施方案的示意性顶视图，其中钉扎层的磁化方向相对于自由层的固有各向异性以一定角度倾斜。
图7A是示出具有固有各向异性并且具有硬偏置(HB)元件的单个MTJ的某些实施方案的示意性顶视图，该HB元件包括第一HB子元件和第二HB子元件。
图7B是示出具有固有各向异性并且具有同心地围绕自由层形成的硬偏置(HB)元件的单个MTJ的某些实施方案的示意性顶视图。
图8是示出具有补充有形状各向异性的固有各向异性的单个MTJ的某些实施方案的示意性顶视图。
图9示出了具有0至1,000Oe的各种固有各向异性的圆形MTJ膜叠堆的完全微磁模拟。
图10示出了使用简化的均匀旋转模型的惠斯通传感器电桥的输出，该惠斯通传感器电桥使用具有固有各向异性为300Oe、600Oe或900Oe的自由层的MTJ。
图11示出了没有任何硬偏置元件的MTJ和对应的传输曲线的微磁模拟。
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。
本公开的实施方案整体涉及磁性隧道结(MTJ)的大场范围TMR传感器，这些MTJ包括具有固有各向异性的自由层。该MTJ的自由层通过倾斜角度沉积形成为具有固有各向异性。自由层可具有约80Oe或更高的高固有各向异性。自由层内的磁畴形成还可由与自由层的固有各向异性成一定角度倾斜的钉扎层、由硬偏置元件、由形状各向异性或它们的组合来控制。自由层具有高固有各向异性的MTJ可形成惠斯通配置中的TMR传感器，该TMR传感器响应于所感测的磁场具有高灵敏度、低滞后和良好线性度。
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MTJ 200。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，MTJ 200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MTJ200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310、势垒层320、参考层330、反并联(AP)耦合层340、钉扎层350和反铁磁(AFM)钉扎层360。MTJ 200在AFM钉扎层360靠近底部电极220并且自由层靠近顶部电极210的情况下进行底部钉扎。
如图3所示，钉扎层350、AP耦合层340和参考层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。MTJ 200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。
自由层310通过倾斜角度沉积形成为具有固有各向异性。自由层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。参考层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。钉扎层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。反铁磁(AFM)钉扎层360可包含单层或多层的PtMn、NiMn、IrMn、IrMnCr、其他反铁磁材料以及它们的组合。
AFM钉扎层360具有固定的磁化，该固定的磁化继而基本上固定钉扎层350的磁矩。参考层330跨反并联耦合层340与钉扎层350反并联耦合。因此，参考层330的磁化被取向成在与钉扎层350的磁化方向反并联的第二方向上。在某些实施方案中，参考层330被形成为与自由层310成约90°。
在存在感测磁场的情况下，MTJ 200的自由层310从其易磁化轴旋转到其难磁化轴。自由层310相对于参考层330的旋转改变MTJ 200的电阻。例如，具有处于反并联状态的自由层310和参考层330的MTJ200的电阻可为处于并联状态的自由层310和参考层330的电阻的三倍。在某些操作磁场范围内，当参考层330和钉扎层350的磁化方向基本上不被外部磁场旋转时，自由层310的磁化可旋转。
图4是通过斜角沉积形成具有固有各向异性的自由层310的某些实施方案的示意图。以倾斜角度400沉积自由层310引起沉积材料的固有各向异性。术语“固有各向异性”(本文中缩写为“HK”)是指存在于未图案化膜中的平面内各向异性。在使膜图案化之后，可存在或可不存在另外的形状各向异性，具体取决于图案化膜的形状。
在某些实施方案中，在势垒层320上方沉积自由层310的倾斜角400与法线成约55°至约85°的高倾斜角400，诸如与法线成约60°至约80°。在某些实施方案中，采用高倾斜角400的沉积产生约80Oe或以上，诸如约300Oe或以上，诸如约600Oe或以上，或诸如约900Oe或以上的高固有各向异性。例如，在某些实施方案中，自由层具有从约80Oe至约1600Oe的固有各向异性。在某些实施方案中，采用高倾斜角400的沉积产生基本上垂直于沉积入射平面410取向的高固有各向异性。高角度沉积形成具有微脊或微粗糙度的沉积材料。微脊基本上垂直于入射平面410取向。采用与法线成约0°至约45°的低角度进行沉积不期望地产生低固有各向异性，诸如约20Oe或更小，平面内固有各向异性，即基本上沿膜生长期间的磁化方向取向。20Oe或更小的固有各向异性不足以用于大场惠斯通传感器应用中的MTJ。
倾斜角度沉积可通过物理气相沉积(PVD)，诸如通过溅射、蒸发和离子束溅射来进行。能够以倾斜角度沉积的PVD工具包括得自日本川崎(Kawasaki，Japan)的Canon AnelvaCorporation的受控入射溅射(CIS)PVD工具，并且包括得自美国纽约州普莱恩维尤(Plainview，New York)的Veeco Instruments Inc.的线性扫描(LS)PVD工具。也可利用其他定向沉积技术。
MTJ 200的其他层(图3)，诸如势垒层320、钉扎层350和AFM钉扎层360可在标准条件下沉积，诸如法线角或接近法线角沉积并利用旋转的晶圆基板。利用旋转的晶圆基板进行法线角或接近法线角的沉积提供高质量而且平滑的层。采用与法线成高角度400来沉积自由层310导致自由层310具有高表面粗糙度。因此，MTJ 200在AFM钉扎层360靠近底部电极220的情况下进行底部钉扎。顶部电极210可沉积在自由层310的高表面粗糙度上方，而不显著影响MTJ 200的性能。
图5A至图5B是通过倾斜角沉积来沉积多个子层以形成具有固有各向异性的膜的方法的某些实施方案的示意图。如图5A所示，诸如通过PVD将第一子层310A以与法线成高倾斜角400沉积在势垒层320上方。晶圆基板在沉积期间在第一位置静止(即，不旋转)。自由层310的在靠近沉积源的晶圆基板边缘处的第一子层310A可形成为更大的厚度。如图5B所示，将晶圆基板旋转任何角度，诸如旋转约180°，从图5A中的第一位置到达第二位置。然后，诸如通过PVD将第二子层310B以与法线成高倾斜角度400沉积在自由层310的第一子层310A上方。晶圆基板在沉积期间是静态的。利用对在不同旋转位置处的晶圆基板进行静态物理气相沉积，通过以与法线成高倾斜角400的角度沉积两个或更多个子层310A、310B来形成自由层310，可增加自由层310的总体厚度均匀性。子层310A、310B中的每一者可为相同的材料或可为不同的材料，其中至少一个子层包括铁磁材料。子层310A、310B中的每一者可为相同或不同的倾斜角400。
在某些实施方案中，子层310A、310B中的每一者包括以与法线成相同或不同的高倾斜角400沉积在晶圆基板上的相同或不同的铁磁材料。当晶圆基板在沉积期间静止时，发生与法线成高倾斜角400的沉积。在各次沉积之间，晶圆基板旋转约180°，使得子层310A的高固有各向异性和子层310B的高固有各向异性两者基本上以相同方向对准。
参考图3，自由层310具有被选择用于优化TMR系数和各向异性的厚度310T。MTJ200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±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±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。
磁畴可在接近难磁化轴饱和之后在具有高固有各向异性的自由层中形成。当外部场从饱和减小时，自由层的磁化将试图旋转到最近的易磁化轴。由于局部去磁场或易磁化轴的角分散，最近的易磁化轴可跨MTJ在不同位置之间变化。多域状态下的磁化导致滞后和非线性行为。
图6是示出单个MTJ(诸如MTJ 200)沿着图3的平面A-A的某些实施方案的示意性顶视图，其中钉扎层350的磁化方向相对于自由层310的固有各向异性以角度600倾斜。为了便于描述，图6包括与图3中所使用的相同的标号。可通过以高倾斜角沉积自由层310来提供固有各向异性。将钉扎层350相对于自由层310的固有各向异性倾斜有助于控制自由层的磁畴以实现低滞后或无滞后响应。在自由层310的固有各向异性在z轴上取向的情况下，MTJ可检测x轴方向上的场。
倾斜的钉扎层350向自由层310施加小的偏置场，这有助于磁化在饱和之后相干地返回到易磁化轴。在某些实施方案中，钉扎层350相对于自由层310的固有各向异性以约40°至约50°的角度600倾斜。在某些实施方案中，倾斜的钉扎层在自由层310上产生约10Oe至约30Oe的杂散场。如图6所示，在某些实施方案中，MTJ 200不具有任何硬偏置元件。
参见图3，在某些实施方案中，作为具有倾斜一定角度的钉扎层的另外一种选择或除此之外，MTJ 200具有硬偏置(HB)元件302以提供低滞后响应或无滞后响应。HB元件302向自由层310施加偏置场，这有助于磁化在饱和之后相干地返回到易磁化轴。HB元件302的偏置场可通过HB元件的厚度302T和/或其与自由层310的间距进行调整。在某些实施方案中，HB元件302在自由层上产生约20Oe或更大的偏置场，诸如在自由层上产生约30Oe或更大的偏置场。HB元件302的磁化的角度可通过大场中的磁初始化来设置。
HB元件302包含单层或多层的钴、钴合金(诸如Copt或CoptCr)、其他硬磁性材料或它们的组合。在某些实施方案中，MTJ200还具有在HB元件302和自由层310之间形成的绝缘层380。绝缘层380包含氧化铝、氧化镁和其他非导电材料。绝缘层380防止或减少通过HB元件302、304而不是通过势垒层320的偏置电流的电分流。
图7A是示出单个MTJ(诸如MTJ 200)沿着图3的平面A-A的某些实施方案的示意性顶视图，该MTJ具有固有各向异性并且具有HB元件302，该HB元件包括第一HB子元件302A和第二HB子元件302B。为了便于描述，图7A包括与图3中所使用的相同的标号。可通过以高倾斜角沉积自由层310来提供固有各向异性。可将第一HB子元件302A和第二HB子元件302B的磁化方向设置成与自由层310的固有各向异性成角度700。可将钉扎层350设置成正交于自由层310的固有各向异性，以便增加感测磁场的操作范围。在自由层310的固有各向异性在y轴上取向的情况下，MTJ可检测x轴方向上的场。
图7B是示出单个MTJ(诸如图3的MTJ 200)的某些实施方案的示意性顶视图，该MTJ具有固有各向异性并且具有以自对准工艺围绕自由层310形成的HB元件302。为了便于描述，图7B包括与图3中所使用的相同的标号。可通过以高倾斜角沉积自由层310来提供固有各向异性。可利用用于限定MTJ形状的相同掩模(即，硬掩模、光致抗蚀剂以及它们的组合)在自对准工艺中形成HB元件302。例如，掩模可通过离子铣削来限定圆形MTJ200。可通过利用限定MTJ 200的相同掩模的离子铣削来将绝缘层380沉积在所移除的区域上方。可利用限定MTJ200的相同掩模来将HB元件302沉积在绝缘层380上方。可将HB元件302的磁化方向设置成与自由层310的固有各向异性成角度700。可将钉扎层350设置成正交于自由层310的固有各向异性，以便增加感测磁场的操作范围。在自由层310的固有各向异性在y轴上取向的情况下，MTJ可检测x轴方向上的场。
图8是示出单个MTJ(诸如MTJ 200)沿着图3的平面A-A的某些实施方案的示意性顶视图，该MTJ具有补充有形状各向异性的固有各向异性。为了便于描述，图8包括与图3中所使用的相同的标号。可通过以高倾斜角沉积自由层310来提供固有各向异性。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8所示，形成为矩形条的自由层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MTJ200的自由层310的宽度310W的大致方向上对准的固有各向异性和形状各向异性。大宽度310W有助于控制磁畴形成为沿宽度的长度。
相对厚的自由层310的形状各向异性还由在自由层310的条的端部的HB元件302A-B提供。靠近自由层310的条的端部形成的HB元件302A-B可减少或防止在沿着高度310H的方向上在自由层310的条的端部处不期望的磁畴形成，并且可减少或防止其他不期望的磁畴形成。HB元件302A-B被定位成靠近自由层310的条的边缘或端部，以稳定自由层310的磁矩。在自由层310的边缘处，由于相对较厚的自由层310，存在大量的去磁能量。HB元件302A-B可有助于通过在自由层310的边缘处提供连续磁化能量来提供以单个磁畴操作的自由层310。
在某些实施方案中，将HB元件302A-B的磁矩设置成与自由层310的宽度310W的方向成一定角度。可通过在图案化之前或之后沉积具有设定角度的磁矩的单个硬偏置层以形成磁阻支路的每个MTJ中的HB元件302A-B，来形成每个MTJ中的成角度HB元件302A-B。
本公开的实施方案整体涉及磁性隧道结(MTJ)的大场范围TMR传感器，这些MTJ包括具有高固有各向异性的自由层。该MTJ的自由层通过沉积为高倾斜角而形成为具有高固有各向异性。自由层可具有约80Oe或更高的高固有各向异性。自由层内的磁畴形成还可由与自由层的固有各向异性成一定角度倾斜的钉扎层、由硬偏置元件、由形状各向异性或它们的组合来控制。自由层具有高固有各向异性的MTJ可形成惠斯通配置中的TMR传感器，该TMR传感器响应于所感测的磁场具有高灵敏度、低滞后和良好线性度。
图1至图2的基于TMR的磁性传感器100包括具有图4、图5A至图5B、图6、图7A至图7B或图8的自由层310的MTJ中的至少一个MTJ，这些自由层具有固有各向异性。例如，基于TMR的磁性传感器可包括多个MTJ，其中这些MTJ中的一个、少数、多数或全部包括具有固有各向异性的自由层。
在一个实施方案中，包括具有图4、图5A至图5B、图6、图7A至图7B或图8的自由层310的MTJ中的至少一个MJT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，其中该自由层具有固有各向异性。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，惠斯通配置中的基于隧道磁阻(TMR)的磁性传感器包括至少一个MTJ。该MTJ包括具有固有各向异性的自由层，该固有各向异性通过与法线成高倾斜角度沉积而产生。
在另一个实施方案中，惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器包括至少一个MTJ。该MTJ包括具有固有各向异性的自由层，该固有各向异性通过与法线成高倾斜角度沉积而产生。该MTJ包括钉扎层，该钉扎层具有与自由层的固有各向异性正交的磁化方向。该MTJ具有靠近自由层定位的硬偏置元件。
在又一个实施方案中，惠斯通配置中的基于TMR的磁性传感器包括至少一个MTJ。该MTJ包括钉扎层。势垒层位于钉扎层上方。自由层位于势垒层上方。自由层具有约200Oe至约1600Oe的固有各向异性。
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9示出了圆形MTJ膜叠堆的完全微磁性模拟，该圆形MTJ膜叠堆具有2um的直径和7nm厚的自由层，该自由层具有0至1,000Oe的各种固有各向异性。钉扎层是简单的(非SAF钉扎)结构并且厚度为4nm。MTJ在横向(y轴)上具有易磁化轴，并且适于检测纵向(x轴)方向上的磁场。图9中的曲线图示出了响应于x轴的场的自由层磁化x分量与各种固有各向异性(Hk)的关系的传输曲线。如图9所示，磁化曲线的线性度增加，固有各向异性越高。
实施例2
图10示出了使用简化的均匀旋转模型的惠斯通传感器电桥的输出，该惠斯通传感器电桥使用具有固有各向异性为300Oe、600Oe或900Oe的自由层的MTJ。图10示出了高达饱和场的高线性响应，该饱和场等于固有各向异性值。
相比之下，对于仅使用形状各向异性而不使用固有各向异性的MTJ，传感器响应在远低于饱和(70％-80％)的场处变为非线性的，从而限制了其对于相同饱和场的可用场范围。
实施例3
采用与法线成角度的沉积来沉积了各种铁磁材料。测量了固有各向异性(HK)和对应的易磁化轴矫顽磁力(HCE)，并在表1中示出。在实施例A、C、G、H中，利用CIS PVD工具或LSPVD工具，通过以与法线成特定倾斜角度进行物理气相沉积来将单个膜沉积成指定厚度。在实施例B、E、F中，利用两种不同的材料，通过以与法线成特定倾斜角度进行物理气相沉积来将双层膜沉积成指定厚度。在实施例E中，以与法线成70°的角度沉积NiTa，然后以与法线成零度的角度沉积NiFe19(即，具有0°角的常规物理气相沉积)。在实施例D中，沉积十个厚的NiFe19层，总厚度为/>数据显示传感器可由自由层制成，该自由层由以一定角度沉积的材料形成，其中该自由层具有操作场范围为±1500Oe的固有各向异性。
表1
实施例4
图11示出了没有任何硬偏置元件的MTJ和对应的传输曲线的微磁模拟。该MTJ的直径为2um。该MTJ包括厚度为7nm而且固有各向异性为100Oe的自由层。比较性MTJ 1100包括垂直于自由层易磁化轴钉扎的简单钉扎层(非SAF)。比较性MTJ 1100对感测磁场具有大的滞后响应并且形成多个域。第二MTJ 1200包括与自由层易磁化轴成45°角钉扎的简单钉扎层(非SAF)。由于由钉扎层生成的自由层上的小的成角度偏置场，第二MTJ 1200对感测磁场具有低滞后响应和受控的域形成。
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)

1.一种惠斯通配置中的基于隧道磁阻的磁性传感器即基于TMR的磁性传感器，所述磁性传感器包括：
至少一个磁性隧道结即至少一个MTJ，所述至少一个MTJ包括：
自由层，所述自由层以与法线成高倾斜角度沉积，所述自由层具有固有各向异性；
钉扎层，所述钉扎层的磁化方向与所述自由层的所述固有各向异性成40°至50°的角度。
2.根据权利要求1所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述高倾斜角度为55°至85°。
3.根据权利要求1所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述自由层包括第一子层和第二子层。
4.根据权利要求3所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述第一子层通过在处于第一位置的基板上方进行静态沉积来形成，并且其中所述第二子层通过在处于从所述第一位置旋转的第二位置的所述基板上方进行静态沉积来形成。
5.根据权利要求1所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述固有各向异性为80Oe至1600Oe。
6.根据权利要求1所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述固有各向异性的磁化方向基本上正交于处于所述高倾斜角度的沉积入射平面。
7.根据权利要求1所述的基于TMR的磁性传感器，其中至少一个MTJ还包括反并联耦合层和反铁磁钉扎层。
8.一种惠斯通配置中的基于隧道磁阻的磁性传感器即基于TMR的磁性传感器，所述磁性传感器包括：
至少一个磁性隧道结即至少一个MTJ，所述至少一个MTJ包括：
自由层，所述自由层以与法线成高角度沉积，所述自由层具有固有各向异性；和
钉扎层，所述钉扎层具有与所述自由层的所述固有各向异性正交的磁化方向；
其中所述至少一个MTJ具有靠近所述自由层定位的硬偏置元件。
9.根据权利要求8所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述硬偏置元件的磁矩参考所述自由层的所述固有各向异性旋转。
10.根据权利要求9所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述硬偏置元件围绕所述自由层形成。
11.根据权利要求9所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述硬偏置元件包括第一硬偏置子元件和第二硬偏置子元件。
12.根据权利要求8所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述自由层还具有形状各向异性，其中所述钉扎层的所述磁化方向正交于所述自由层的所述固有各向异性和所述形状各向异性。
13.根据权利要求12所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述自由层被成形为细长多边形，所述细长多边形具有宽高纵横比为4:1或更大的宽度和高度。
14.一种惠斯通配置中的基于隧道磁阻的磁性传感器即基于TMR的磁性传感器，所述磁性传感器包括：
至少一个磁性隧道结即至少一个MTJ，所述至少一个MTJ包括：
钉扎层；
位于所述钉扎层上方的势垒层；和
位于所述势垒层上方的自由层；所述自由层具有200Oe至1600Oe的固有各向异性；
其中所述钉扎层的磁化方向正交于所述自由层的所述固有各向异性。
15.根据权利要求14所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述自由层在所述固有各向异性的方向上具有微脊。
16.根据权利要求14所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述至少一个MTJ还包括设置在所述钉扎层上的反铁磁钉扎层。
17.根据权利要求14所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述至少一个MTJ具有靠近所述自由层定位的硬偏置元件。
18.根据权利要求17所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述硬偏置元件的磁矩参考所述自由层的所述固有各向异性旋转。
19.根据权利要求14所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述自由层还具有形状各向异性，其中所述钉扎层的磁化方向正交于所述自由层的所述固有各向异性和所述形状各向异性。
20.根据权利要求19所述的基于TMR的磁性传感器，其中所述自由层被成形为细长多边形，所述细长多边形具有宽高纵横比为4:1或更大的宽度和高度。
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