CN116106801A - 磁阻传感器、磁传感装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁阻传感器、磁传感装置及其制备方法，该磁阻传感器包括至少一个磁阻传感器元件；各磁阻传感器元件串联连接或并联连接；该磁阻传感器元件包括具有闭合涡旋磁化图案的感测层，该感测层用于响应于外部磁场产生输出信号，该包括第一磁堆叠层以及包围该第一磁堆叠层侧壁的氧化层。本发明通过对磁阻传感器中各感测层的结构进行调整，用于磁性测量可扩大了磁阻传感器的线性范围、减小测量误差，同时还降低了加工难度，有利于提高磁阻传感器的制备效率，可实现大规模生产。

Description

磁阻传感器、磁传感装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种磁阻传感器、磁传感装置及其制备方法。

背景技术

磁阻传感器中，材料具有响应于外部施加的磁场而改变其电阻值的趋势，因此，被广泛应用于测量磁场实现速度和方向感测、旋转角度感测、接近感测等。

TMR（Tunnel Magneto Resistance，隧道磁阻）传感技术是新型磁传感技术的典型代表，具有高灵敏度、低功耗、宽频带、微型化等诸多优势。由于CoFeB材料剩磁较高，使得磁阻传感器容易存在磁滞影响其测量准确度，在通过调理芯片进行调理后，其仍存在线性响应范围窄、测量误差大的问题。

随着对磁拓扑研究的发展，涡旋畴的独特性质引起人们的关注。磁阻传感器中感测层可以在零场附近形成涡旋状的闭合磁结构，该结构下的磁畴具有能量的可逆性，即不存在能量相同的两个不同的磁化状态，从理论上完全消除了磁滞，实验上也观察到了中心区域极小的磁滞，以及良好的抗强场干扰的稳定性。

然而，在该类型传感器制备过程中常常容易出现边缘缺陷、表面粗糙度等问题，影响了该传感器在磁场下的线性响应范围。另外，由于该类型传感器对感测层的横截面面积大小及厚度的限制较多，不容易实现大规模生产。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有较宽磁场线性响应范围的磁阻传感器、磁传感装置及其制备方法，旨在解决现有磁阻传感器用于磁性测量线性响应范围窄、测量误差大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种磁阻传感器，所述磁阻传感器包括：

至少一个磁阻传感器元件，各所述磁阻传感器元件串联连接或并联连接；

所述磁阻传感器元件包括具有闭合涡旋磁化图案的感测层，所述感测层用于响应于外部磁场产生输出信号，所述感测层包括第一磁堆叠层以及包围所述第一磁堆叠层侧壁的氧化层。

可选地，所述磁阻传感器元件包括依次设置的底电极层、参考层、绝缘层、所述感测层以及顶电极层；

各所述磁阻传感器元件中所述参考层的磁化方向及所述感测层的灵敏方向均平行于所述感测层的膜面。

可选地，所述感测层为磁堆叠层经侧壁热氧化处理后得到；

所述磁堆叠层呈圆柱体或椭圆柱体，经热氧化处理后形成的所述第一磁堆叠层呈圆柱体或椭圆柱体，经热氧化处理后形成的所述氧化层呈管状形成于所述第一磁堆叠层的侧壁。

可选地，所述磁堆叠层包括铁磁层和软磁层，所述铁磁层位于所述感测层中远离顶电极层的一侧，所述软磁层位于所述感测层中靠近顶电极层的一侧。

可选地，所述铁磁层为铁磁性材料，所述软磁层为坡莫合金、非晶合金或微晶合金中的一种。

可选地，所述感测层的横截面的长轴与短轴的比值为1~5；

和/或，所述感测层的厚度为20~500nm；

和/或，所述感测层中第一磁堆叠层的横截面的直径或长轴长度为0.05~5μm；

和/或，所述感测层中氧化层自所述第一磁堆叠层的侧壁延横截面直径方向向外延伸0.2~3μm。

可选地，所述磁阻传感器元件为TMR元件或GMR元件，各所述磁阻传感器元件连接成惠斯通半桥或全桥结构。

本发明还提供一种磁阻传感器的制备方法，所述磁阻传感器为如上所述的磁阻传感器；

所述制备方法包括：

提供基底；

在所述基底上依次沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜、感测层薄膜以及顶电极层薄膜，形成第二磁堆叠层；

对所述第二磁堆叠层进行磁场退火，以固定所述参考层薄膜的磁化方向；

对所述第二磁堆叠层进行流片，得多个磁阻传感器元件，其中，所述磁阻传感器元件包括具有闭合涡旋磁化图案的感测层，所述感测层包括第一磁堆叠层以及包围所述第一磁堆叠层侧壁的氧化层；

对所述磁阻传感器元件进行封装，得磁阻传感器。

可选地，所述对所述第二磁堆叠层进行流片，得多个磁阻传感器元件，包括：

对所述第二磁堆叠层进行第一流片工序，在所述绝缘层薄膜上方形成多个第三磁堆叠层；

对所述第三磁堆叠层中感测层薄膜的侧壁进行热氧化处理，得所述磁阻传感器元件的感测层；

对所述第三磁堆叠层进行第二流片工序，在所述感测层的下方形成所述磁阻传感元件的绝缘层、参考层和/或底电极层；

对所述第三磁堆叠层进行第三流片工序，在所述感测层的上方形成所述磁阻传感元件的顶电极层，得多个磁阻传感器元件。

可选地，所述底电极层薄膜与所述参考层薄膜之间还包括反铁磁层薄膜；

可选地，所述对所述第二磁堆叠层进行磁场退火的步骤包括：

在320~400℃下对所述第二磁堆叠层进行第一次磁场退火40~80min；

在200~270℃下对所述第二磁堆叠层进行第二次磁场退火40~80min；

在150~200℃下对所述第二磁堆叠层进行第三次磁场退火15~40min。

本发明还提供一种磁传感装置，所述磁传感装置包括磁阻传感器；

所述磁阻传感器为如上所述的磁阻传感器，或采用上所述磁阻传感器的制备方法所制得。

可选地，所述磁传感装置可应用于电流感测、速度感测、方向感测、旋转角度或接近感测中的至少一种。

可选地，所述磁传感装置还可应用于与电流、速度、方向、旋转角度、接近中任一参数相关的物理参数的感测。

可选地，所述磁传感装置应用于电量或电压的感测。

本发明提供了一种磁阻传感器，所述磁阻传感器包括至少一个磁阻传感器元件，各所述磁阻传感器元件串联连接或并联连接；所述磁阻传感器元件包括具有闭合涡旋磁化图案的感测层，所述感测层用于响应于外部磁场产生输出信号，所述感测层包括第一磁堆叠层以及包围所述第一磁堆叠层侧壁的氧化层。这样，对于感测层的横截面面积的要求较小，故而对感测层的加工工艺的要求较低，通过现有的常规工艺即可加工出横截面面积较大的感测层，进而通过氧化的方式在感测层外周形成氧化层，消除横截面面积较大的感测层外周一定区域范围的磁学活性，从而使得最终制备的感测层中具有磁学活性的有效区域的缩小，扩大了磁阻传感器的线性范围。本发明不需要刻蚀过小面积的感测层，也可以实现减小实质具有感测作用的第一磁堆叠层的横截面直径或横截面长轴长度的目的，用于磁性测量可扩大磁阻传感器的线性范围、减小测量误差，同时还降低了加工难度，有利于提高磁阻传感器的制备效率，可实现大规模生产。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1为本发明一实施例中磁阻传感器元件的结构示意图；

图2为本发明一实施例中磁阻传感器元件的感测层的俯视示意图；

图3为本发明一实施例中磁阻传感器元件的感测层的截面示意图；

图4为本发明一实施例中磁阻传感器的制备方法的流程示意图；

图5为本发明又一实施例中磁阻传感器元件的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

磁阻传感器中，材料具有响应于外部施加的磁场而改变其电阻值的趋势，因此，被广泛应用于测量磁场实现速度和方向感测、旋转角度感测、接近感测等。

TMR（Tunnel Magneto Resistance，隧道磁阻）传感技术是新型磁传感技术的典型代表，具有高灵敏度、低功耗、宽频带、微型化等诸多优势。由于CoFeB材料剩磁较高，使得其应用于磁阻传感器容易存在磁滞影响其测量准确度，在通过调理芯片进行调理后，其仍存在线性响应范围窄、测量误差大的问题。

随着对磁拓扑研究的发展，涡旋畴的独特性质引起人们的关注。磁阻传感器中感测层可以在零场附近形成涡旋状的闭合磁结构，该结构下的磁畴具有能量的可逆性，即不存在能量相同的两个不同的磁化状态，从理论上完全消除了磁滞，实验上也观察到了中心区域极小的磁滞，以及良好的抗强场干扰的稳定性。

然而，在该类型传感器制备过程中常常容易出现边缘缺陷、表面粗糙度等问题，影响了该传感器在磁场下的线性响应范围。另外，由于该类型传感器对感测层的横截面面积大小及厚度的限制较多，不容易实现大规模生产。

为此，本发明实施例提供一种磁阻传感器，该磁阻传感器包括至少一个磁阻传感器元件，各磁阻传感器元件串联连接或并联连接；该磁阻传感器元件包括具有闭合涡旋磁化图案的感测层，该感测层用于响应于外部磁场产生输出信号，该感测层包括第一磁堆叠层以及包围该第一磁堆叠层侧壁的氧化层。

在本实施例中，该磁阻传感器包括至少一个磁阻传感器元件，各磁阻传感器元件串联连接或并联连接，形成磁阻传感器元件阵列，其中，该磁阻传感器元件的数量通常大于等于2，可根据实际情况进行调整，本实施例对此不加以限制。

需要说明的是，该磁阻传感器元件的数量一般为偶数个，以形成偶数个磁阻传感器元件阵列。

在一些实施例中，该磁阻传感器包括2个磁阻传感器元件阵列，其中第一磁阻传感器阵列由磁阻传感器元件中的一半经串联连接形成，其各磁阻传感器元件中参考层的磁化方向相同；第二磁阻传感器阵列由磁阻传感器元件中的另一半经串联连接形成，其各磁阻传感器元件中参考层的磁化方向相同，与第一磁阻传感器阵列中磁阻传感器元件的参考层的磁化方向相反。同时该第一磁阻传感器阵列中各参考层的磁化方向与该第二磁阻传感器阵列中各参考层的磁化方向相反。该第一磁阻传感器阵列与该第二磁阻传感器阵列可经串联连接形成惠斯通半桥结构。

在一些实施例中，该磁阻传感器元件的数量还可以为4的倍数。该磁阻传感器包括4个磁阻传感器阵列，其中磁阻传感器阵列一和磁阻传感器阵列三分别由磁阻传感器元件中的1/4经串联连接形成，其各磁阻传感器元件中参考层的磁化方向相同；磁阻传感器阵列二和磁阻传感器阵列四也分别由磁阻传感器元件中的1/4经串联连接形成，其各磁阻传感器元件中参考层的磁化方向相同，同时与磁阻传感器阵列一以及磁阻传感器阵列三中磁阻传感器元件的参考层的磁化方向相反。该磁阻传感器阵列一、磁阻传感器阵列二、磁阻传感器阵列三以及磁阻传感器阵列四可经串联和/或并联连接形成惠斯通全桥结构。

在本实施例中，该磁阻传感器元件可为TMR元件或GMR（Giant MagnetoResistance，巨磁阻）元件，各磁阻传感器元件连接成惠斯通半桥或全桥结构。

需要说明的是，TMR元件是新型磁传感技术的典型代表，具有高灵敏度、低功耗、宽频带、微型化等诸多优势，但由于其依赖于CoFeB等铁磁性材料，而CoFeB等铁磁性材料在磁场下剩磁较高，因而磁阻传感器的线性化以及减小磁滞是一大难点问题。采用形状各向异性、弱钉扎等方法使得感测层与参考层易轴方向相互垂直可以改善这一问题，但仍不彻底。

随着对磁拓扑研究的发展，涡旋畴的独特性质引起人们的关注。近年来，具有限制几何形状的涡旋畴磁阻传感器的研究逐步开展，其采用一定径高比的圆形感测层结区，会在零场附近形成涡旋状的闭合磁结构，该结构下的磁畴具有能量的可逆性，及不存在能量相同的两个不同的磁化状态，从理论上完全消除了磁滞，实验上也观察到了中心区域极小的磁滞，以及良好的抗强场干扰的稳定性。

但是，感测层的几何尺寸必须受到严格限制才能形成涡旋磁化状态，通常其厚度为几十到几百纳米，直径为几十纳米到几微米，若其直径过大则会失去拓扑结构形成多畴态从而失去相应的特性，且其线性范围及涡旋成核的稳定性在一定范围内随径高比的减小而增加。因而涡旋畴磁阻传感器的制备，特别是宽量程（数百Oe）涡旋畴磁阻传感器的制备在工艺上并不容易实现，尤其是在边缘缺陷、表面粗糙度均会影响器件性能的情况下。因此目前涡旋畴磁阻传感器仍在实验室阶段，通常采用电子束光刻工艺进行，该工艺速度慢、成本高，并不适用于大规模生产。高精度的光刻设备如DUV（deep ultra violet，深紫外光光刻机）或EUV（Extreme ultraviolet，极紫外光刻机）可提高制备速度，但同样意味着高昂的成本。

本实施例中，感测层外周为一层不具有磁学活性的氧化层，可以通过现有的成本较低的常规工艺即可加工出横截面面积较大的感测层，进而通过氧化的方式在感测层外周形成氧化层，消除横截面面积较大的感测层外周一定区域范围的磁学活性，从而使得最终制备的感测层中具有磁学活性的有效区域的缩小，获得了低成本、大线性范围、抑制磁滞效果较好的TMR磁阻传感器或GMR磁阻传感器。

其中，需要说明的是，为了便于说明，本发明实施例中的横截面是指的平行于衬底方向的平面，厚度是指在垂直于衬底方向上的长度。

在本实施例中，该磁阻传感器元件包括具有闭合涡旋磁化图案的感测层，该感测层可以为圆形或椭圆形，以使得该感测层具有涡旋态磁畴，从而实现消除磁滞的目的，该感测层用于响应于外部磁场产生输出信号，该磁阻传感器还可以包括处理电路，该处理电路的电耦连接各磁阻传感器元件，该处理电路被配置成基于各输出信号之间的差产生差分输出信号。

本发明的一些实施例中，参照图1，该磁阻传感器元件包括依次设置的底电极层2、参考层3、绝缘层4、该感测层1以及顶电极层5。

在本实施例中，该磁阻传感器元件包括依次层叠设置的底电极层2、参考层3、绝缘层4、感测层1以及顶电极层5，其中，磁阻传感器元件通过该顶电极层和底电极层与其他磁阻传感器元件电连接。

在本实施例中，该底电极层2的材质可为Ta、TaN（氮化钽）、Cu（铜）、W（钨）、Co（钴）和Ru（钌）中的至少一种。具体地，该底电极层按照与衬底之间的距离从近到远可依次为厚5nm的Ta和厚15nm的Ru。

在本实施例中，该参考层的材质可以包括CoFeB等铁磁性材料。具体地，该参考层可为厚2.6nm的CoFeB。

在本实施例中，该绝缘层的材质可以包括MgO（氧化镁）、Al₂O₃（三氧化二铝）等中的一种，具体地，该绝缘层可以为厚1.4nm的MgO。

在本实施例中，该感测层的材质包括铁磁性材料和软磁材料，其中该软磁材料为坡莫合金、非晶合金或微晶合金等中的至少一种。优选地，该软磁材料为CoFe、NiFe、NiFeAl或CoFeSiB中的至少一种。具体地，该感测层，按照与衬底之间的距离从近到远可依次为厚3nm的CoFeB、厚0.6nm的Ta以及厚50nm的NiFe。

在本实施例中，该顶电极层的材质可以为Ta或Ru。

在本实施例中，该磁阻传感器元件的参考层具有固定的磁化方向，该感测层具有固定的灵敏方向。该参考层的磁化方向以及感测层的灵敏方向均平行于该感测层的膜面，即感测层的横截面。具体的，该参考层的磁化方向可垂直于该感测层的灵敏方向。

在一些实施例中，磁阻传感器元件的感测层的俯视示意图及截面示意图图分别如图2、图3所示。

在本实施例中，感测层为底面为圆形的圆柱，但并不构成对该感测层形状的限定，该感测层也可以为底面为椭圆形的椭圆柱、球形、橄榄型或不规则形状等，本实施例对此不加以限制。

在本实施例中，该感测层1包括第一磁堆叠层12以及包围该第一磁堆叠层12侧壁的氧化层11，该第一堆叠层12具有磁学活性，而氧化层11至少部分不再具有磁学活性，也即，涡旋态磁畴实质上仅形成于该感测层中内层的第一次堆叠层中，可以有效减小实质具有感测作用的第一次堆叠层横截面的直径或长轴长度，相较于较大直径或较大长轴长度的感测层的形成多畴态的情形，可以极大降低各向异性能影响，极大程度地抑制磁滞，有效扩大线性响应范围。

在一些实施例中，该感测层可为磁堆叠层经侧壁热氧化处理后得到。

该磁堆叠层可呈圆柱体或椭圆柱体，经热氧化处理后形成的该第一磁堆叠层可呈圆柱体或椭圆柱体，经热氧化处理后形成的该氧化层可呈管状形成于该第一磁堆叠层的侧壁。

在一些实施例中，该感测层可先加工成磁堆叠层，进而经侧壁热氧化处理后，在磁堆叠层的外周形成氧化层；该氧化层失去磁学活性，不再具有感测作用，而中心未被氧化的第一磁堆叠层仍具有磁学活性，具有感测作用。

需要说明的是，在该第一磁堆叠层呈圆柱体或椭圆柱体的情况下，涡旋成核的稳定性更高，磁阻传感器的感测性能更好。

在磁堆叠层呈圆柱体或椭圆柱体的情况下，对该磁堆叠层进行侧壁热氧化处理时，磁堆叠层外周各个位置可以以相同的氧化速度向中心进行扩散，从而形成边缘更加均匀、形状更加规则的第一磁堆叠层，此时形成的第一磁堆叠层可呈圆柱体或椭圆柱体，氧化层呈管状形成于该第一磁堆叠层的侧壁。

在一些实施例中，该磁堆叠层包括铁磁层和软磁层，该铁磁层位于该感测层中远离顶电极层的一侧，该软磁层位于该感测层中靠近顶电极层的一侧；该铁磁层为铁磁性材料，该软磁层为坡莫合金、非晶合金或微晶合金中的一种。

在本实施例中，该磁堆叠层包括铁磁层和软磁层，该铁磁层位于该感测层中远离顶电极层的一侧，该铁磁层为铁磁性材料；该软磁层位于该感测层中靠近顶电极层的一侧，该软磁层可由坡莫合金、非晶合金或微晶合金中的至少一种，可由Co、Fe、Ni、Al、Ga、Si、B中的多种元素组成，不限于CoFeSiB、CoFeAl、NiFeSi以及CoFeCuMo。

需要说明的是，本实施例采用铁磁层/软磁层的复合感测层结构，对CoFeB结晶的影响极小，不仅不会衰减TMR比值导致灵敏度降低，同时还可以进一步提高线性范围。

在一些实施例中，该第一铁磁层与该第一软磁层之间还可设置有一缓冲层，该缓冲层的材质为Ru或Ta。

在一些实施例中，该感测层的横截面的长轴与短轴的比值可为1~5；该感测层的厚度可为20~500nm； 该感测层中第一磁堆叠层的横截面的直径或长轴长度可为0.05~5μm，该感测层中氧化层可自该第一磁堆叠层的侧壁延横截面直径方向向外延伸0.2~3μm。

需要说明的是，在本实施例中，该感测层的横截面为圆形或椭圆形，该感测层横截面的长轴与短轴的比值为1~5，例如长轴长度：短轴长度=1、长轴长度：短轴长度=2、长轴长度：短轴长度=5等；该感测层的厚度可以为20~500nm，例如20nm、100nm、200nm、400nm、500nm等；在该感测层的第一磁堆叠层的横截面为圆形的情况下，该感测层中第一磁堆叠层的横截面的直径为0.05~5μm，例如0.05μm、0.5μm、1μm、3μm、5μm等，在该感测层的第一磁堆叠层的横截面为椭圆形的情况下，该感测层中第一磁堆叠层的横截面的长轴长度为0.05~5μm，例如0.05μm、0.5μm、1μm、3μm、5μm等；该感测层中氧化层自该第一磁堆叠层的侧壁延横截面直径方向向外延伸0.2~3μm，也即，该氧化层横截面的外径与内径之差为0.2~3μm，例如0.2μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm等。在长轴长度：短轴长度＞1时，该感测层的横截面为椭圆形，该第一磁堆叠层的横截面也为椭圆形，并采用较低的长短轴比，适当减小结区轴长，同时增加感测层厚度，可以使得第一磁堆叠层的感测层形成闭合涡旋磁化图案，进而实现更高的灵敏度。

本发明实施例提供了一种磁阻传感器，该磁阻传感器包括：至少一个磁阻传感器元件，各磁阻传感器元件串联连接或并联连接；该磁阻传感器元件包括具有闭合涡旋磁化图案的感测层，该感测层用于响应于外部磁场产生输出信号，该感测层包括第一磁堆叠层以及包围该第一磁堆叠层侧壁的氧化层。这样，对于感测层的横截面面积的要求较小，故而对感测层的加工工艺的要求较低，通过现有的常规工艺即可加工出横截面面积较大的感测层，进而通过氧化的方式在感测层外周形成氧化层，消除横截面面积较大的感测层外周一定区域范围的磁学活性，从而使得最终制备的感测层中具有磁学活性的有效区域的缩小，扩大了磁阻传感器的线性范围。也即，本发明不需要刻蚀过小面积的感测层，也可以实现减小实质具有感测作用的第一磁堆叠层的横截面直径或横截面长轴长度的目的，不仅扩大了磁阻传感器的线性范围，还降低了加工难度，有利于提高制备效率，可实现大规模生产。

进一步地，本发明实施例还提供了一种磁阻传感器的制备方法，该磁阻传感器为如上所述的磁阻传感器，参照图4，该磁阻传感器的制备方法包括以下步骤：

步骤S10，提供基底；

步骤S20，在该基底上依次沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜、感测层薄膜以及顶电极层薄膜，形成第二磁堆叠层；

需要说明的是，该基底的材质可以为硅、二氧化硅、碳化硅、玻璃等中的一种；该底电极层薄膜的材质可以为Ta、TaN（氮化钽）、Cu（铜）、W（钨）、Co（钴）和Ru（钌）中的至少一种，具体地，该底电极层薄膜按照与衬底之间的距离从近到远可依次为厚5nm的Ta和厚15nm的Ru；该参考层薄膜的材质可以包括CoFeB等，具体地，该参考层可以为厚2.6nm的CoFeB；该绝缘层薄膜的材质可以包括MgO（氧化镁）、Al₂O₃（三氧化二铝）等中的一种，具体地，该绝缘层薄膜可为厚1.4nm的MgO；该感测层的材质可以包括铁磁性材料以及坡莫合金、非晶合金或微晶合金等中的至少一种，可以包括CoFeB以及CoFe、NiFe、NiFeAl或CoFeSiB中的一种；具体地，该感测层，按照与衬底之间的距离从近到远可依次为厚3nm的CoFeB、厚0.6nm的Ta以及厚50~500nm的CoFe；该顶电极层薄膜的材质可以为Ta和/或Ru。

在一些实施例中，该步骤S10~S20包括：提供基底，通过高真空磁控溅射的方式或其他沉积方式，在该基底上依次沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜、感测层薄膜以及顶电极层薄膜，形成第二磁堆叠层。

步骤S30，对该第二磁堆叠层进行磁场退火，以固定该参考层薄膜的磁化方向；

在一些实施例中，该步骤S30包括：对该第二磁堆叠层进行磁退火，以固定该参考层薄膜的磁化方向。

需要说明的是，本实施例中该底电极层薄膜与该参考层薄膜之间还包括反铁磁层薄膜，用于对参考层薄膜进行钉扎；

该对该第二磁堆叠层进行磁场退火的步骤具体包括：

步骤S31，在320~400℃下对该第二磁堆叠层进行第一次磁场退火40~80min；

步骤S32，在200~270℃下对该第二磁堆叠层进行第二次磁场退火40~80min；

步骤S33，在150~200℃下对该第二磁堆叠层进行第三次磁场退火15~40min。

需要说明的是，通过本步骤可调控参考层与感测层的磁化方向垂直，进而有效改善传感器的线性度。调控参考层与感测层的磁化方向垂直的方式可以为：通过大长宽比的设计利用形状各向异性旋转感测层磁化方向；在感测层上耦合反铁磁层，利用弱钉扎效应固定感测层磁化方向等。

本实施例，通过在底电极层薄膜与该参考层薄膜之间设置反铁磁层薄膜来钉扎感测层磁化方向，其中，该反铁磁层薄膜可以为IrMn（铱锰合金）材质。

需要说明的是，本实施例需进行三次磁场退火，第一次退火使用的温度，通常为高于CoFeB的结晶温度（320~400℃），例如：330℃；第一次退火使用的磁场可为1T；第一次退火的时间在40~80min。第二次退火使用的温度，通常为低于CoFeB结晶温度且高于反铁磁层的奈尔温度（200~270℃），例如：260℃，第二次退火使用的磁场可为1T，第二次退火的时间在40~80min。第三次退火使用的温度，通常为较低温度（150~200℃），例如：180℃，第三次退火使用的磁场，通常采用较小磁场，例如：200 Oe，第三次退火的时间在15~40min。本发明不对以上磁场、温度、加热时间等参数不做具体的限定。

具体地，在本发明一实施例中，可采用三次磁场退火工艺，首次磁场退火以高于CoFeB的结晶温度（330℃）沿垂直于灵敏轴方向（磁场1T）退火1h，第二次磁场退火采用低于CoFeB结晶温度，高于反铁磁层奈尔温度（260℃），沿灵敏轴方向（磁场1T）退火1h，翻转反铁磁层磁矩，第三次磁场退火采用较低温度（180℃）与较小磁场（200 Oe）沿垂直于灵敏轴方向退火0.5h，稳定自由层磁矩。相较于二次磁场退火工艺，本实施例使用的三次退火工艺可提升线性度，低频下的噪声得以改善，从而可以获得更高的信噪比。

步骤S40，对该第二磁堆叠层进行流片，得多个磁阻传感器元件，其中，该磁阻传感器元件包括具有闭合涡旋磁化图案的感测层，该感测层包括第一磁堆叠层以及包围该第一磁堆叠层侧壁的氧化层；

在一些实施例中，该步骤S40包括：通过流片，在该第二磁堆叠层上刻蚀出至少一个横截面为圆形或椭圆形的第三磁堆叠层，该第三磁堆叠层由底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜、感测层薄膜以及顶电极层薄膜层叠而成，对各第三磁堆叠层中的感测层薄膜的侧壁进行氧化，得多个磁阻传感器元件，其中，该磁阻传感器元件包括具有闭合涡旋磁化图案的感测层，该感测层包括第一磁堆叠层以及包围该第一磁堆叠层侧壁的氧化层。

在一些实施例中，该对该第二磁堆叠层进行流片，得多个磁阻传感器元件，可具体包括：

步骤S41，对该第二磁堆叠层进行第一流片工序，在该绝缘层薄膜上方形成多个第三磁堆叠层；

在本实施例中，该第三磁堆叠层中感测层薄膜的横截面呈圆形或椭圆形，其直径或长轴长度控制在0.05~5μm，长轴与短轴的比值控制在1~5。

步骤S42，对该第三磁堆叠层中感测层薄膜的侧壁进行热氧化处理，得该磁阻传感器元件的感测层；

在本实施例中，完成了感测层中氧化层的形成，通过加热时间控制第三磁堆叠层中氧化层的厚度，在0.2~3μm范围内。

步骤S43，对该第三磁堆叠层进行第二流片工序，在该感测层的下方形成该磁阻传感元件的绝缘层、参考层和/或底电极层；

在本实施例中，通过第二流片工序，主要完成了绝缘层、参考层、底电极层的形成，其中需要对绝缘层、参考层以及底电极层的尺寸等参数进行控制。

步骤S44，对该第三磁堆叠层进行第三流片工序，在该感测层的上方形成该磁阻传感元件的顶电极层，得多个磁阻传感器元件。

在本实施例中，通过第三流片工序，主要完成了顶电极层以及电引出结构的形成。

在本实施例中，该步骤S41~S44包括：对该第二磁堆叠层进行第一流片工序，在该绝缘层薄膜上方形成多个第三磁堆叠层；进而，对各第三磁堆叠层中感测层薄膜的侧壁进行热氧化处理，形成各磁阻传感器元件的感测层，在热氧化处理过程中，可以通过覆盖硬掩膜层的方式对感测层薄膜顶部进行保护，避免感测层薄膜顶部被氧化，而感测层下方层薄膜可以采用抗高温氧化材料，在热氧化处理时可以形成致密的氧化膜阻止氧原子进一步扩散，因而氧化主要沿刻蚀出的感测层的侧壁向内扩散。且，由于各个膜层直径远大于单层厚度，不同膜层的氧化区将按照基本相同的速度向中心轴扩散，氧化层将不再具备磁学活性，从而最终形成具有一定厚度的“管”状氧化死区壳，等效为感测层有效直径的减小，可以提升传感器的线性范围；进而，对各第三磁堆叠层进行第二流片工序，在各感测层的下方形成该磁阻传感元件的绝缘层、参考层和/或底电极层；进而，对各第三磁堆叠层进行第三流片工序，在该感测层的上方形成该磁阻传感元件的顶电极层，得多个磁阻传感器元件。

在一些实施例中，对该第二磁堆叠层进行第一流片工序，在该绝缘层薄膜上方形成多个第三磁堆叠层的步骤可具体包括：

S411在该第二磁堆叠层顶部生长硬掩膜层，其中，该硬掩膜层的材质可以为二氧化硅、氮化钛、氮化硅等；

S412匀胶，使用常规光刻机（例如，可见光/长波紫外光等光刻机）进行光刻机所能达到的尽量小直径的圆形结区形状的曝光；

S413显影，使得图形区域即结区圆形部分留胶。

需要说明的是，常规光刻机的常规极限直径通常在1 μm左右，考虑到顶电极接触孔的对准要求，结区极限直径通常在2 μm以上；根据硬掩膜种类选用较高刻蚀选择比的刻蚀方式去除图形区域外的硬掩膜，在充分去除硬掩膜的同时尽量保证功能层的低损伤，例如，对于二氧化硅掩膜通常可选择反应离子刻蚀（RIE，Reactive ion etching）；去胶；采用离子束刻蚀（IBE）等方法对结区进行刻蚀，应保证刻蚀深度控制在刚好刻蚀到MgO层与将底电极刻蚀完全之间，即保证刻蚀深度超过感测层，且留有足够的底电极厚度供结区进行良好的电学连通。

在一些实施例中，参照图5，在经过步骤S40之后，磁阻传感器元件可包括基底9、由底电极层、参考层和绝缘层构成的底部复合层100、感测层1、顶电极层5、硬掩膜层6以及顶电极连接层8组成，该顶电极连接层8可经硬掩膜层6中顶电极接触孔7与顶电极层4电连接，该顶电极连接层的材质可以为Al和/或Ti。

需要说明的是，该硬掩膜层以及顶电极连接层仅仅在磁阻传感器的磁阻传感器阵列中配置。该磁阻传感器阵列包括多个磁阻传感器元件，仅仅在该多个磁阻传感器元件中需要与其他设备，如电引出、其他磁阻传感器阵列，时才进一步电连接时才配置。在一个磁阻传感器阵列中一般仅设置2个顶电极连接层，且一般设置于其端部，作为输入或输出的端口。

步骤S50，对该磁阻传感器元件进行封装，得磁阻传感器。

在本实施例中，需要说明的是，所需制备的磁阻传感器可以包括多个磁阻传感器元件阵列，各磁阻传感器元件阵列的结构相同，每个磁阻传感器元件阵列中的每个磁阻传感器元件均具有底电极层、参考层、绝缘层、感测层以及顶电极层，各组磁阻传感器元件阵列可以桥式连接形成惠斯通半桥结构或全桥结构等。

在本实施例中，所需制备的磁阻传感器除了包括磁阻传感器元件阵列之外，还可以包括静电保护单元、电极引脚等其他结构，磁阻传感器中其他结构的加工过程与现有技术相近，在此不过多赘述。

在所需制备的磁阻传感器包括多组磁阻传感器元件阵列的情况下，可以同时制备其中的部分或全部磁阻传感器元件。

在一些实施例中，对于全桥式的磁阻传感器，可以在同一个衬底上，采用相同的方式制备具有相同磁化方向的多个磁阻传感器元件，进而，将一个或多个磁阻传感器元件作为一个晶粒进行切割分离，然后调整晶粒的位置和方向，将两个反向平行的晶粒连接成全桥结构，还可以进一步连接静电保护单元，得磁阻传感器。

在一些实施例中，该步骤S50具体包括：将各磁阻传感器元件串联连接或并联连接，进而，利用标准工艺进行封装，得磁阻传感器。

本发明实施例制得的磁阻传感器，解决了现有技术存在磁滞或线性响应范围窄，测量误差大的技术问题。与现有技术相比，本发明实施例提供的磁阻传感器的制备方法的有益效果与上述实施例提供的磁阻传感器的有益效果相同，且该磁阻传感器中的其他技术特征与上述实施例方法公开的特征相同，在此不做赘述。

进一步地，本发明实施例还提供了一种磁传感装置，该磁传感装置包括磁阻传感器；该磁阻传感器为如上所述的磁阻传感器，或采用如上所述磁阻传感器的制备方法所制得。

该磁阻传感器可应用于电流感测、速度感测、方向感测、旋转角度或接近感测中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，该磁传感装置还可应用于与电流、速度、方向、旋转角度、接近中任一参数相关的物理参数的感测。

在本发明的一些实施例中，该磁传感装置还可应用于电量或电压的感测。

本发明实施例提供的磁阻传感器的感测层，解决了现有磁阻传感器因存在磁滞导致线性响应范围窄或测量误差大的技术问题。与现有技术相比，本发明实施例提供的磁阻传感器的感测层的有益效果与上述实施例提供的磁阻传感器的有益效果相同，且该磁阻传感器的感测层中的其他技术特征与上述实施例方法公开的特征相同，在此不做赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利处理范围内。

Claims (10)

1.一种磁阻传感器，其特征在于，包括：

至少一个磁阻传感器元件，各所述磁阻传感器元件串联连接或并联连接；

所述磁阻传感器元件包括具有闭合涡旋磁化图案的感测层，所述感测层用于响应于外部磁场产生输出信号，所述感测层包括第一磁堆叠层以及包围所述第一磁堆叠层侧壁的氧化层。

2.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，

所述磁阻传感器元件包括依次设置的底电极层、参考层、绝缘层、所述感测层以及顶电极层；

各所述磁阻传感器元件中所述参考层的磁化方向及所述感测层的灵敏方向均平行于所述感测层的膜面。

3.根据权利要求1或2所述的磁阻传感器，其特征在于，

所述感测层为磁堆叠层经侧壁热氧化处理后得到；

所述磁堆叠层呈圆柱体或椭圆柱体，经热氧化处理后形成的所述第一磁堆叠层呈圆柱体或椭圆柱体，经热氧化处理后形成的所述氧化层呈管状形成于所述第一磁堆叠层的侧壁。

4.根据权利要求3所述的磁阻传感器，其特征在于，

所述磁堆叠层包括铁磁层和软磁层，所述铁磁层位于所述感测层中远离顶电极层的一侧，所述软磁层位于所述感测层中靠近顶电极层的一侧；

所述铁磁层为铁磁性材料，所述软磁层为坡莫合金、非晶合金或微晶合金中的一种。

5.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，

所述感测层的横截面的长轴与短轴的比值为1~5；

和/或，所述感测层的厚度为20~500nm；

和/或，所述感测层中第一磁堆叠层的横截面的直径或长轴长度为0.05~5μm；

和/或，所述感测层中氧化层自所述第一磁堆叠层的侧壁延横截面直径方向向外延伸0.2~3μm。

6.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，

所述磁阻传感器元件为TMR元件或GMR元件，各所述磁阻传感器元件连接成惠斯通半桥或全桥结构。

7.一种磁阻传感器的制备方法，其特征在于，所述磁阻传感器为权利要求1-6中任一项所述的磁阻传感器；

所述制备方法包括：

提供基底；

在所述基底上依次沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜、感测层薄膜以及顶电极层薄膜，形成第二磁堆叠层；

对所述第二磁堆叠层进行磁场退火，以固定所述参考层薄膜的磁化方向；

对所述第二磁堆叠层进行流片，得多个磁阻传感器元件，其中，所述磁阻传感器元件包括具有闭合涡旋磁化图案的感测层，所述感测层包括第一磁堆叠层以及包围所述第一磁堆叠层侧壁的氧化层；

对所述磁阻传感器元件进行封装，得磁阻传感器。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述对所述第二磁堆叠层进行流片，得多个磁阻传感器元件，包括：

对所述第二磁堆叠层进行第一流片工序，在所述绝缘层薄膜上方形成多个第三磁堆叠层；

对所述第三磁堆叠层中感测层薄膜的侧壁进行热氧化处理，得所述磁阻传感器元件的感测层；

对所述第三磁堆叠层进行第二流片工序，在所述感测层的下方形成所述磁阻传感元件的绝缘层、参考层和/或底电极层；

对所述第三磁堆叠层进行第三流片工序，在所述感测层的上方形成所述磁阻传感元件的顶电极层，得多个磁阻传感器元件。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述底电极层薄膜与所述参考层薄膜之间还包括反铁磁层薄膜；

所述对所述第二磁堆叠层进行磁场退火的步骤包括：

在320~400℃下对所述第二磁堆叠层进行第一次磁场退火40~80min；

在200~270℃下对所述第二磁堆叠层进行第二次磁场退火40~80min；

在150~200℃下对所述第二磁堆叠层进行第三次磁场退火15~40min。

10.一种磁传感装置，其特征在于，所述磁传感装置包括磁阻传感器；

所述磁阻传感器为权利要求1-6中任一项所述的磁阻传感器，或采用权利要求7-9中任一项所述磁阻传感器的制备方法所制得。

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