CN116930833B - 磁传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种磁传感器及其制备方法。磁传感器包括多个磁阻元件。每个磁阻元件包括依次层叠设置的反铁磁层、钉扎层、参考层、势垒层和自由层，自由层为涡旋磁结构。自由层沿预设方向进行磁退火处理，以使自由层中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，使得探测磁场X分量、Y分量的涡旋磁结构分别对磁场的X轴、Y轴磁场分量产生磁场电阻响应曲线相同，因此可以平衡探测磁场X轴分量与磁场Y轴分量的性能，从而更容易解耦出磁场的大小和方向。
Description
技术领域
本申请涉及磁传感器技术领域，特别涉及一种磁传感器及其制备方法。
背景技术
磁传感器是一种可以探测磁场的强度和方向的传感器，在许多领域已得到了广泛应用。TMR(Tunnel Magnetoresistance，隧道磁电阻)型传感器是磁传感器的一种，由于具有偏移低，灵敏度高和温度性能好的优点，近年来逐步在工业领域得到应用。TMR传感器的磁电阻会随外加磁场的大小、方向的变化而变化，其灵敏度优于霍尔效应传感器、AMR型传感器以及GMR型传感器，而且具备更好的温度稳定性和更低的功耗，加上TMR传感器的加工工艺可以很方便地和现有半导体工艺结合，因此具有更多的应用前景。
MTJ(magnetic tunnel junction，磁隧道结)单元是TMR传感器的主要结构单元，MTJ单元会随着外加磁场变化而发生巨大的电阻变化效应，是TMR传感器的核心工作单元。对于双轴磁传感器最好使其在X轴磁场与Y轴磁场作用下的转移特性曲线（R-H曲线）具有平衡的性能，这样便于解耦磁场的大小和方向。而在具有Vortex结构的双轴磁传感器的MTJ单元中的自由层，其在沉积态时磁各向异性方向不固定，磁各向异性方向由材料缺陷、应力、形状、界面条件等各种条件造成的能量最低态决定，因此磁各向异性方向不易控制。这就使得，MTJ单元在零场时的磁状态不易控制，如果MTJ单元形成X/Y双轴磁传感器时，就会导致存在X方向、Y方向的磁场探测存在不平衡的性能，且在外场使Vortex结构磁化饱和后再降低外场至零场时，Vortex成核旋转方向不固定，成核旋转方向与材料缺陷、应力、形状、界面条件等各种条件造成的能量最低态决定，这导致这种Vortex结构构成的MTJ单元还是存在较大磁滞。因此当前基于Vortex结构的磁传感器具有解耦不便，还是存在较大磁滞的缺点。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种磁传感器及其制备方法，本申请的磁传感器中自由层沿预设方向进行磁退火处理，以使自由层涡旋结构获得沿磁退火方向的磁各向异性，其自由层磁化状态在施加X轴磁场与Y轴磁场时存在较为平衡的性能，平衡条件下方便后续对X轴磁场分量，Y轴磁场分量以及磁场方向角度进行解耦，且可通过降低形成涡旋核结构的随机性从而降低MTJ单元自由层从零场到饱和再到零场扫场时的磁滞以及降低磁通聚集器的磁滞，另外在磁通聚集器周围通过桥式电路串联和/或并联连接多个MTJ单元探测磁场Z分量可降低探测Z轴磁场时的Offset。
本申请提供的技术方案如下：
一种磁传感器，包括多个磁阻元件；
每个磁阻元件包括依次层叠设置的反铁磁层、钉扎层、参考层、势垒层和自由层；所述自由层为涡旋磁结构；
所述自由层沿预设方向进行磁退火处理，以使所述自由层中的涡旋磁结构获得与所述参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能。
在一个实施例中，所述磁传感器包括：
多个用于探测X轴方向磁场的第一类磁阻元件，所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为X轴方向；和，
多个用于探测Y轴方向磁场的第二类磁阻元件，所述第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为Y轴方向；
所述第一类磁阻元件和所述第二类磁阻元件进行磁退火处理以使所述第一类磁阻元件和所述第二磁阻元件获得相应的参考层钉扎方向；
当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°时，则所述第一类磁阻元件、所述第二类磁阻元件的自由层磁各向异性方向为45°或225°；
当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°时；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°时，则所述第一类磁阻元件、所述第二类磁阻元件的自由层磁各向异性方向为-45°或135°。
在一个实施例中，所述磁传感器还包括磁通聚集器，以及，分布在所述磁通聚集器周围的第三类磁阻元件；
所述第三类磁阻元件用于探测Z轴方向磁场；
当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°时；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°时，则所述第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为135°或-45°；
当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°时；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°时，则所述第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为45°或-135°。
在一个实施例中，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为90°时；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为270°时；则，所述磁通聚集器的长轴方向为45°方向；
当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为270°时；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为90°时；则，所述磁通聚集器的长轴方向为135°方向。
在一个实施例中，所述第一类磁阻元件为串联和/或并联连接的桥式电路，和/或，所述第二类磁阻元件为串联和/或并联连接的桥式电路，和/或，所述第三类磁阻元件为串联和/或并联连接的桥式电路。
在一个实施例中，所述自由层为增强磁各向异性的多层层叠涡旋磁结构，所述自由层中的磁矩转动具有强相干性。
在一个实施例中，所述多层层叠涡旋磁结构包括：多层铁磁层，所述铁磁层采用的铁磁材料为Co基合金、和/或、Fe基合金、和/或Ni基合金。
在一个实施例中，所述多层层叠涡旋磁结构还包括：非磁性金属层，所述多层铁磁层之间间隔至少一层非磁性金属层。
在一个实施例中，所述铁磁层的材料为CoFe基合金层、NiFe基合金层或CoFeB基合金层；
所述非磁性金属层的材料为Ta、Ti、W、Ru、Ir、Pt或Pd。
在一个实施例中，所述磁阻元件的形状为圆柱形、椭圆柱形或多边形，圆柱形的所述磁阻元件的直径、椭圆柱形的所述磁阻元件的长轴、或多边形的所述磁阻元件的长边为1nm-10μm。
本申请还提供一种磁传感器的制备方法，包括：
提供晶圆，在所述晶圆上沉积形成多层膜，所述多层膜包括磁性薄膜和非磁性薄膜；
对沉积有所述多层膜的所述晶圆进行第一次退火工艺；
对所述多层膜实施半导体图案化工艺，以使所述多层膜形成图案化结构，并得到多个通过桥式电路连接的磁阻元件，其中，多个通过桥式电路连接的所述磁阻元件中包括第一类磁阻元件、第二类磁阻元件和第三类磁阻元件；
针对所述图案化结构的不同区域进行第二次退火工艺，所述第二次退火为区域性磁退火；
其中，所述针对所述图案化结构的不同区域进行第二次退火工艺的步骤包括：
针对所述第一类磁阻元件进行0°和/或180°的区域性磁退火；
针对所述第二类磁阻元件进行90°和/或270°的区域性磁退火；
以及，
针对所述第三类磁阻元件进行45°和/或225°的区域性磁退火，或者，针对所述第三类磁阻元件进行135°和/或315°的区域性磁退火；其中，针对所述磁阻元件进行的区域性磁退火的0°、180°、90°、270°、45°、225°、135°或315°的角度，分别为以X轴正方向为起点沿逆时针旋转0°、180°、90°、270°、45°、225°、135°或315°所得到的角度；
在所述图案化结构上生长磁通聚集器，其中所述磁通聚集器的长轴方向为45°或135°方向；其中，45°或135°为以X轴正方向为起点沿逆时针旋转45°或135°所得到的角度。
在一个实施例中，还包括：对包括所述图案化结构以及所述磁通聚集器的所述晶圆进行第三次退火工艺，所述第三次退火为磁退火，所述第三次退火的退火磁场方向为45°或225°，以使所述第三类磁阻元件中自由层中的所述涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为90°的磁各向异性，使所述第一类磁阻元件和所述第二类磁阻元件中自由层中的所述涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能；其中，45°的退火方向为以X轴正方向为起点逆时针旋转45°所在的方向，225°的退火方向为以X轴正方向为起点逆时针旋转225°所在的方向；
或者，所述第三次退火的退火方向为135°或315°，以使所述第三类磁阻元件中自由层中的所述涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为90°的磁各向异性，使所述第一类磁阻元件和所述第二类磁阻元件中自由层中的所述涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能；其中，135°的退火方向为以X轴正方向为起点逆时针旋转135°所在的方向，315°的退火方向为以X轴正方向为起点逆时针旋转315°所在的方向。
本申请提供一种磁传感器及其制备方法。磁传感器包括多个磁阻元件。每个磁阻元件包括依次层叠设置的反铁磁层、钉扎层、参考层、势垒层和自由层，自由层为涡旋磁结构。自由层沿预设方向进行磁退火处理，以使自由层中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，使得探测磁场X分量、Y分量的涡旋磁结构分别在X轴磁场分量与Y轴磁场分量作用下的转移特性曲线（R-H曲线）一致，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能，这样便于解耦磁场的大小和方向。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请一个实施例提供的磁阻元件的层叠结构示意图；
图2为本申请一个实施例提供的自由层涡旋磁结构磁矩分布示意图；
图3为本申请一个实施例提供的探测X轴磁场用的MTJ单元自由层与参考层磁化方向的俯视图；
图4为本申请一个实施例提供的探测Y轴磁场用的MTJ单元自由层与参考层磁化方向的俯视图；
图5A和图5B分别为本申请一个实施例提供的磁通聚集器与磁阻元件配置的侧视图和俯视图；
图6为本申请一个实施例提供的探测Z轴磁场用的MTJ单元自由层与参考层磁化方向的俯视图；
图7为本申请一个实施例提供的自由层的层叠结构示意图；
图8为本申请另一个实施例提供的自由层的层叠结构示意图。
附图标记：
磁阻元件10：反铁磁层11，钉扎层12，参考层13，势垒层14，自由层15；
涡旋核151；磁通聚集器110；铁磁层152；非磁性金属层153。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
现有技术中对于探测X/Y轴方向磁场的双轴磁传感器的Vortex结构，其探测X轴方向磁场的MTJ单元的参考层钉扎方向为X轴方向，而探测Y轴方向磁场的MTJ单元的参考层钉扎方向为Y轴方向，对于双轴磁传感器最好使其在X轴磁场与Y轴磁场作用下的转移特性曲线（R-H曲线）具有平衡的性能，这样便于解耦磁场的大小和方向。而在具有Vortex结构的双轴磁传感器的MTJ单元中的自由层，其在沉积态时磁各向异性方向不固定，磁各向异性方向由材料缺陷、应力、形状、界面条件等各种条件造成的能量最低态决定，因此磁各向异性方向不易控制。也就是说，实际上这类X、Y轴双轴磁传感器对磁场X方向分量与Y方向分量响应并不平衡，导致后续解耦磁场大小方向较为复杂。
因此，针对上述磁传感器存在的自由层磁各向异性不容易控制的缺陷，提出了本申请的技术方案。下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。
本申请提供一种磁传感器，包括多个磁阻元件10。请参阅图1，每个磁阻元件10包括依次层叠设置的反铁磁层11、钉扎层12、参考层13、势垒层14和自由层15。自由层15在零磁场时为平衡的涡旋磁结构（Vortex结构），具有涡旋核151。涡旋磁结构在零磁场时磁矩分布如图2所示，其磁矩方向在平面内逐渐改变，在自由层15外围磁矩围着自由层15中心最终构成首尾相连排列，这种排列会使自由层15侧面边界不能产生净磁荷从而降低退磁能使自由层15的磁化状态稳定性提高。当靠近自由层15中心时，为了降低交换能，靠近自由层15中心附近的磁矩逐渐偏离面内而转向面外方向且越靠近中心磁矩的面外分量越大，直到自由层15中心，磁矩完全垂直于膜面。
自由层15沿预设方向进行磁退火处理（磁退火处理即磁性材料在磁场作用下的退火处理），以使自由层15中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能。磁传感器包括多个不同类型的磁阻元件。磁传感器在形成过程中会进行不止一次的退火，上述对于自由层15进行的磁退火处理中涉及到的预设方向，与磁传感器中第一类磁阻元件和第二类磁阻元件的参考层钉扎方向有关。具体可参照下述，对于磁传感器的制备方法中的描述。
本实施例中，自由层15可以沿45°或225°方向进行磁退火，或者自由层15也可以沿135°或315°方向进行磁退火，以使自由层中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能。其中，45°、225°、135°或315°的磁退火的角度，分别为以X轴正方向为起点沿逆时针旋转45°、225°、135°或315°所得到的角度。涡旋磁结构的磁各向异性方向位于X轴、Y轴平衡位置，平衡了磁传感器感测X方向磁场与Y方向磁场时的性能，使得探测磁场X分量、Y分量的涡旋磁结构分别对磁场的X轴、Y轴磁场分量产生磁场电阻响应曲线相同，因此更容易解耦X/Y方向的磁场。采用本实施例中涉及的一系列退火处理后的磁电阻元件与磁通聚集元件，作为X/Y双轴线性磁传感器或X/Y/Z三轴线性磁传感器，可以使得X/Y双轴线性磁传感器或X/Y/Z三轴线性磁传感器有更好的性能。比如，可以增大线性传感器的磁场测量范围、提高线性传感器的热稳定性以扩大实际应用范围；可作为三轴传感器探测X/Y/Z轴方向的磁场，在感测X轴方向磁场与Y轴方向磁场时具有较为平衡的性能，方便后续对磁场方向角度进行解耦，且可通过降低形成涡旋核结构的随机性从而降低MTJ单元自由层从零场到饱和再到零场扫场时的磁滞以及降低磁通聚集器的磁滞；探测Z轴方向磁场时具有较小零场偏移量（offset）。
本申请中，定义一个空间直角坐标系O-XYZ，磁阻元件10的层叠方向为Z轴正方向，钉扎层12所在的平面（或者参考层13所在的平面、或者势垒层14所在的平面、或者自由层15所在的平面）为X-Y平面。X-Y平面内任意两条相互垂直的直线分别定义为X轴和Y轴，其中在X-Y平面内，沿着X轴正方向逆时针旋转90°得到Y轴正方向。沿着Y轴正方向逆时针旋转90°为Z轴正方向，Z轴不在X-Y平面内，并且Z轴垂直X-Y平面。X轴、Y轴和Z轴交叉点为O点（原点）。如图3所示探测X轴磁场MTJ参考层钉扎方向为X轴正方向。如图4所示探测Y轴磁场MTJ参考层钉扎方向为Y轴正方向。以O点（原点）为顶点，向X轴正方向延伸的射线为0°或360°方向。以O点（原点）为顶点，向Y轴正方向延伸的射线为90°方向。以O点（原点）为顶点，向X轴负方向延伸的射线为180°方向。以O点（原点）为顶点，向Y轴负方向延伸的射线为270°方向。比如：本申请中120°表示以X轴正方向为起点，逆时针旋转120°所在的方向，-45°表示以X轴正方向为起点顺时针旋转45°所在的方向。同理，后文中所指的参考层钉扎方向为180°，表示参考层钉扎方向为以X轴正方向为起点，逆时针旋转180°所在的方向。后文中所指的自由层磁各向异性方向为135°，表示自由层磁各向异性方向为以X轴正方向为起点，逆时针旋转135°所在的方向。
在一个实施例中，磁传感器包括多个用于探测X轴方向磁场的第一类磁阻元件和多个用于探测Y轴方向磁场的第二类磁阻元件。第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为X轴方向。第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为Y轴方向。
第一类磁阻元件和第二类磁阻元件进行磁退火处理，以使第一类磁阻元件和第二磁阻元件获得相应的参考层钉扎方向。
当针对第一类磁阻元件进行0°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行90°的区域性磁退火时；和/或，当针对第一类磁阻元件进行180°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行270°的区域性磁退火时，则所述第一类磁阻元件、所述第二类磁阻元件的自由层磁各向异性方向为45°或225°。第一类磁阻元件和第二类磁阻元件的自由层15中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能。
当针对第一类磁阻元件进行0°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行270°的区域性磁退火时；和/或，当针对第一类磁阻元件进行180°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行90°的区域性磁退火时，则所述第一类磁阻元件、所述第二类磁阻元件的自由层磁各向异性方向为-45°或135°。第一类磁阻元件和第二类磁阻元件的自由层15中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能。
更具体的，第一类磁阻元件或第二类磁阻元件或第三类磁阻元件中的磁阻元件可构成惠斯通电桥，惠斯通电桥中相邻的桥臂上的磁阻元件的参考层钉扎方向相反。仅为了方便后续说明，假定惠斯通电桥从电源输入端逆时针开始依次为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂，假定第一类磁阻元件构成的惠斯通电桥与第二类磁阻元件构成的惠斯通电桥在对应桥臂上的磁阻元件为磁阻对。或者假定第一类磁阻元件构成的惠斯通电桥与第二类磁阻元件构成的惠斯通电桥与第三类磁阻元件构成的惠斯通电桥在对应桥臂上的磁阻元件为磁阻对。
（1）当第一类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为90°时，则通过磁退火使第一桥臂上的磁阻对的自由层磁各向异性方向为45°，以使第一桥臂上的磁阻对的自由层中的涡旋磁结构的磁各向异性方向与参考层钉扎方向的夹角为45°。
（2）当第一类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为90°时，则通过磁退火使第一桥臂上的磁阻对的自由层磁各向异性方向为225°，以使第一桥臂上的磁阻对的自由层中的涡旋磁结构的磁各向异性方向与参考层钉扎方向的夹角为135°；
（3）当第一类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为270°时，则通过磁退火使第一桥臂上的磁阻对的自由层磁各向异性方向为45°，以使第一桥臂上的磁阻对的自由层中的涡旋磁结构的磁各向异性方向与参考层钉扎方向的夹角为135°；
（4）当第一类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件的惠斯通电桥构成的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为270°时，则通过磁退火使第一桥臂上的磁阻对的自由层磁各向异性方向为225°，以使第一桥臂上的磁阻对的自由层中的涡旋磁结构的磁各向异性方向与参考层钉扎方向的夹角为45°；
（5）当第一类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为270°时，则通过磁退火使第一桥臂上的磁阻对的自由层磁各向异性方向为-45°，以使第一桥臂上的磁阻对的自由层中的涡旋磁结构的磁各向异性方向与参考层钉扎方向的夹角为45°；
（6）当第一类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为270°时，则通过磁退火使第一桥臂上的磁阻对的自由层磁各向异性方向为135°，以使第一桥臂上的磁阻对的自由层中的涡旋磁结构的磁各向异性方向与参考层钉扎方向的夹角为135°；
（7）当第一类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为90°时，则通过磁退火使第一桥臂上的磁阻对的自由层磁各向异性方向为-45°，以使第一桥臂上的磁阻对的自由层中的涡旋磁结构的磁各向异性方向与参考层钉扎方向的夹角为135°；
（8）当第一类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件构成的惠斯通电桥的第一桥臂的磁阻元件的参考层钉扎方向为90°时，则通过磁退火使第一桥臂上的磁阻对的自由层磁各向异性方向为135°，以使第一桥臂上的磁阻对的自由层中的涡旋磁结构的磁各向异性方向与参考层钉扎方向的夹角为45°。
以上8种情况可以发生在磁传感器的不同桥臂的磁阻对上。即，第一桥臂可以为惠斯通电桥的四个桥臂中任一桥臂所处的位置。换句话说，第一桥臂可以为不同的第一类磁阻元件或第二类磁阻元件（磁传感器包括多个第一类磁阻元件和多个第二类磁阻元件）的惠斯通电桥的四个桥臂中任一桥臂所处的位置。
具体请参阅图3和图4，图3示意了探测X轴磁场用的MTJ单元（第一类磁阻元件）自由层磁各向异性方向与参考层被钉扎方向的俯视图。图4示意了探测Y轴磁场用的MTJ单元（第二类磁阻元件）自由层与参考层磁化方向的俯视图。
如图3和图4所示涡旋磁结构自由层的磁各向异性方向与参考层方向夹角α和β均为45°，这使得传感器在探测X轴与Y轴方向磁场时具有平衡的性能，从而使得磁传感器能作为双轴线性磁传感器方便的探测磁场的X轴分量与Y轴分量。这里双轴线性磁传感器指可以探测X/Y平面内任意方向磁场。由于探测X轴磁场的磁阻元件只对X轴方向磁场敏感对Y轴磁场不敏感，探测Y轴磁场的磁阻元件只对Y轴方向磁场敏感对X轴磁场不敏感，因此经两个区域磁阻元件探测后可以得到XY平面内任意方向磁场的X分量和Y分量，根据X分量和Y分量可以得到磁场方向角度与磁场的大小。
采用本申请中涉及的退火方法对自由层15的涡旋磁结构进行磁退火处理，一方面能使处于随机状态的Vortex结构获得沿退火方向的磁各向异性从而平衡探测X轴与Y轴磁场的性能，另一方面能使Vortex结构成核旋转方向固定从而降低Vortex结构的磁滞。
在一个实施例中，磁传感器包括磁通聚集器、多个第一类磁阻元件、多个第二类磁阻元件和多个第三类磁阻元件。第一类磁阻元件可以包括通过桥式电路连接的磁阻元件，用于探测磁场的X分量。第二类磁阻元件也可以包括通过桥式电路连接的磁阻元件，用于探测磁场Y分量。第三类磁阻元件分布在磁通聚集器周围通过桥式电路（包括串联和/或并联）连接探测磁场Z分量，可降低探测Z轴磁场时的Offset。其中第一类磁阻元件、第二类磁阻元件、第三类磁阻元件的参考层被钉扎方向不同。因此，磁通聚集器周围的应为第三类磁阻元件。第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为135°或315°（以X轴正方向为起点逆时针旋转135°或315°之后所在的方向）。或者，第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为45°或225°（以X轴正方向为起点逆时针旋转45°或225°之后所在的方向）。换句话说，第三类磁阻元件的参考层钉扎方向与X轴正方向的夹角为135°或-45°。或者，第三类磁阻元件的参考层钉扎方向与X轴正方向的夹角为45°或-135°。
请参阅图5A、图5B和图6，第三类磁阻元件包括分布在磁通聚集器110两侧的桥式电路结构。在不同的实施例中，磁通聚集器110的摆放角度不同（磁通聚集器的长轴所在方向不同），磁通聚集器110的长轴所在方向可以为45°或135°。桥式电路结构包括串联和/或并联的多个磁隧道结单元（MTJ单元）。图5A和图5B分别示意了磁通聚集器与磁阻元件配置的侧视图和俯视图。
本实施例中，增加用于检测Z轴的磁传感单元（包括磁通聚集器110和桥式电路结构），使磁传感器能作为三轴磁传感器。使用具有45°或225°方向磁各向异性的磁通聚集器110改变Z轴方向的磁场至XY平面并垂直磁阻单元10的自由层15的易轴方向，从而使磁传感器能够感测Z轴方向磁场。在磁通聚集器110两侧通过串并联形式放置多列磁阻元件列，然后构成桥式电路结构可以降低感测Z轴方向磁场的零场偏移量（offset）。
图6示意了探测Z轴磁场用的MTJ单元（第三类磁阻元件）自由层与参考层磁化方向的俯视图。如图6所示，用于检测Z轴的第三类磁阻元件的自由层15与用于探测X轴/Y轴的第一类磁阻元件或第二类磁阻元件的自由层15一起进行45°或225°方向的磁退火，以使用于检测Z轴的第三类磁阻元件的自由层15磁各向异性方向为45°或225°方向。如图6所示，第三类磁阻元件中涡旋磁结构自由层的磁各向异性方向与参考层钉扎方向的夹角θ为90°。如图5B所示，使用具有45°或225°方向磁各向异性的磁通聚集器110改变Z轴方向的磁场至XY平面并垂直磁阻单元10的自由层易磁化轴方向从而使磁传感器能够感测Z轴方向磁场。如图5B所示在磁通聚集器110两侧通过串联和/或并联形式放置多列上述磁阻单元列并使两侧磁阻单元10形成桥式电路结构可降低感测Z轴方向磁场时的零场偏移量（offset）。
如图5B所示，磁通聚集器110的长轴方向为45°，经第三次退火工艺（磁退火）后，探测Z轴磁场的MTJ单元（第三类磁阻元件）与磁通聚集器110都获得第三次退火工艺中退火方向的磁各向异性，使Z轴零磁场状态下磁通聚集器110两侧的第三类磁阻元件的状态处于Z轴磁场正向最大与Z轴磁场负向最大的中间状态，这样在Z轴零场时磁电阻输出状态到Z轴正向最大磁电阻输出状态与Z轴零场时磁电阻输出状态到Z轴负向最小磁电阻输出状态的过程将会较为一致，而Z轴零场时磁电阻输出状态将为Z轴正向最大磁电阻输出状态与Z轴负向最小磁电阻输出状态之间的中点处。
在一个实施例中，当第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°时；和/或，当第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°时；则第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为135°或-45°。
本实施例中，可以理解为（1）磁传感器中，存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°，第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为135°或-45°的磁阻对。（2）磁传感器中，存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°，第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为135°或-45°的磁阻对。（3）磁传感器中，既存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°，第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为135°或-45°的磁阻对，也存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°；第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为135°或-45°的磁阻对。
在一个实施例中，当第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°时；和/或，当第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°时；则第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为45°或-135°。
本实施例中，可以理解为（1）磁传感器中，存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°，第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为45°或-135°的磁阻对。（2）磁传感器中，存在当第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°，第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为45°或-135°的磁阻对。（3）磁传感器中，既存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°，第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为45°或-135°的磁阻对，也存在当第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°，第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为45°或-135°的磁阻对。
在一个实施例中，当第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为90°时；和/或，当第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为270°时；则，磁通聚集器的长轴方向为45°方向。
本实施例中，可以理解为（1）磁传感器中，存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为90°的磁阻对时，磁通聚集器的长轴方向为45°方向。（2）磁传感器中，存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为270°的磁阻对时，磁通聚集器的长轴方向为45°方向。（3）磁传感器中，存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为90°的磁阻对；同时存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为270°的磁阻对时，磁通聚集器的长轴方向为45°方向。
当第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为270°时；和/或，当第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为90°时；则，磁通聚集器的长轴方向为135°方向。
本实施例中，可以理解为（1）磁传感器中，存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为270°的磁阻对时，磁通聚集器的长轴方向为135°方向。（2）磁传感器中，存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为90°的磁阻对时，磁通聚集器的长轴方向为135°方向。（3）磁传感器中，存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为270°的磁阻对；同时存在第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为90°的磁阻对时，磁通聚集器的长轴方向为135°方向。
在一个实施例中，第一类磁阻元件、第二类磁阻元件和第三类磁阻元件分别可以为包括多个通过桥式电路连接的多个磁隧道结单元（MTJ单元）。桥式电路可以包括多个串联、并联或串并联连接的多个磁隧道结单元（MTJ单元）。第一类磁阻元件、第二类磁阻元件和第三类磁阻元件分别用于测量磁场的X轴方向分量、Y轴方向分量、Z轴方向分量，以使得磁传感器在测量磁场的X轴方向分量、Y轴方向分量、Z轴方向分量时表现的响应性能更加平衡。
在一个实施例中，自由层15为增强磁各向异性的多层层叠涡旋磁结构，自由层15中的磁矩转动具有强相干性。
如图7和图8示意的自由层15为具有增强面内磁各向异性的层叠自由层15的截面图。自由层15为多层层叠涡旋磁结构。本实施例通过使用具有层叠结构的铁磁性多层膜组成的自由层15，代替传统的单一自由层来增强自由层的磁各向异性从而使自由层的涡旋磁结构（Vortex结构）磁矩转动具有强相干性，达到增加磁阻单元10动态范围与提高热稳定性的目的。
请参阅图7，在一个实施例中，自由层15的多层层叠涡旋磁结构包括：多层铁磁层152。铁磁层152的铁磁材料可以设置为Co、Fe或Ni基合金。优选地，铁磁层152可以设置为CoFe基合金层、NiFe基合金层或CoFeB基合金层。比如，多层层叠涡旋磁结构可以包括5-8层铁磁层152，可以为2层CoFe基合金层、3层NiFe基合金层和2层CoFeB基合金层，相同材料的铁磁层152可以相邻，也可以间隔设置。
请参阅图8，在一个实施例中，自由层15的多层层叠涡旋磁结构为铁磁层152与非磁性金属层153交替生长得到的多层结构（理解为人工反铁磁自由层，SAF自由层）。非磁性金属层153的材料可以设置为Ta、Ti、W、Ru、Ir、Pt或Pd。非磁性金属层153可以使自由层15的铁磁层152相互反铁磁耦合，从而增加自由层15磁各向异性达到优化动态范围与热稳定性的目的。本实施例中，通过调节铁磁层152与非磁金属层153的厚度，以及以铁磁层152和非磁性金属层153为周期的层叠结构的周期数，使多层层叠涡旋磁结构中两邻近铁磁层152通过非磁性金属层153获得强的反铁磁耦合从而表现出类似反铁磁材料的高热稳定性与大饱和场等性质。本实施例中，铁磁层152与非磁性金属层153交替生长得到的多层结构可增强磁各向异性并且可提高磁传感器的动态范围与热稳定性。
在一个实施例中，磁阻元件10的形状并不限定，比如可以设置为圆柱形或者方形等。一个具体的实施例中，磁阻元件10的形状为圆柱形、椭圆柱形或多边形，圆柱形的磁阻元件10的直径、椭圆柱形的磁阻元件10的长轴、或多边形的磁阻元件10的长边为1nm-10μm。多边形可以是四边形，更具体的可以是矩形。
在一个实施例中，本申请还提供一种磁传感器的制备方法，包括：
S10，提供晶圆，在晶圆上沉积一系列多层膜（包括磁性薄膜和非磁性薄膜）。多层膜包括依次层叠设置的反铁磁层、钉扎层、参考层、势垒层和自由层。
S20，对沉积有多层膜的整片晶圆进行第一次退火工艺。第一次退火工艺可以为常规退火（也可以为磁退火），可以减小薄膜应力，使多层膜获得目标晶格结构（改善薄膜晶格结构）从而获得高TMR值。第一次退火可以不加磁场进行，也可以适当的加磁场退火处理。第一次退火的磁场方向可以为0°到360°内的任意方向，一般可以选择为0°、45°、90°、130°、180°、270°或360°。第一次退火可以理解为热处理，用于释放应力和能量。第一次退火的温度可以设置为第一温度，第一温度并不限定，不同膜系结构的磁阻元件获得最大TMR值的退火参数可能不一致，因此第一温度，可根据不同膜系结构的磁阻元件而自行设置。
在实际生产过程中，第一次退火也可以使自由层获得第一次退火方向的磁各向异性，但该磁各向异性可能会被第二次退火破坏，因此，需要第三次磁退火，以使第一类磁阻元件和第二类磁阻元件中自由层中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°，并且使得第三类磁阻元件中自由层中的所述涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为90°的磁各向异性。
S30，对多层膜实施半导体图案化工艺，以使多层膜形成图案化结构，并得到多个通过桥式电路连接的磁阻元件。其中，多个通过桥式电路连接的磁阻元件中包括第一类磁阻元件、第二类磁阻元件和第三类磁阻元件。
S40，图案化之后对不同的区域进行第二次退火工艺，第二次退火为区域性磁退火，第二次退火的退火温度为第二温度。区域性磁退火以使参考层获得不同的钉扎方向（探测磁场X、Y、Z分量的磁阻元件参考层钉扎方向不同）。
其中，S40中，针对图案化结构的不同区域进行第二次退火工艺的步骤包括：
S410，针对第一类磁阻元件进行0°和/或180°的区域性磁退火。S410中，针对第一类磁阻元件进行第二次退火工艺可以理解为针对第一类磁阻元件进行区域性磁退火，区域性磁退火的磁场角度为0°和/或180°。在不同的实施例中本步骤可以按照不同的方式实现，比如，对于第一类磁阻元件为单电阻元件时，可以对第一类磁阻元件只进行0°的区域性磁退火，也可以对第一类磁阻元件只进行180°的区域性磁退火。对于第一类磁阻元件为半桥或全桥元件时，可以对第一类磁阻元件进行0°和180°的区域性磁退火。具体的，对于第一类磁阻元件为半桥元件时，对不同桥臂上的退火方向相反，既一个桥臂上的元件进行0°的区域性磁退火，另一个桥臂上的元件进行180°的区域性磁退火。对于第一类磁阻元件为全桥元件时，对相邻桥臂上退火方向相反，假设四个桥臂按照逆时针的方向进行命名，分别为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，则第一桥臂上的元件进行0°的区域性磁退火，第二桥臂上的元件进行180°的区域性磁退火，第三桥臂上的元件进行0°的区域性磁退火，第四桥臂上的元件进行180°的区域性磁退火。另外也可以设置为，第一桥臂上的元件进行180°的区域性磁退火，第二桥臂上的元件进行0°的区域性磁退火，第三桥臂上的元件进行180°的区域性磁退火，第四桥臂上的元件进行0°的区域性磁退火。
S420，针对第二类磁阻元件进行90°和/或270°的区域性磁退火。S420中，针对第二类磁阻元件进行第二次退火工艺可以理解为针对第二类磁阻元件进行区域性磁退火，区域性磁退火的磁场角度为90°和/或270°。在不同的实施例中本步骤可以按照不同的方式实现，比如，对于第二类磁阻元件为单电阻元件时，可以对第二类磁阻元件只进行90°的区域性磁退火，也可以对第二类磁阻元件只进行270°的区域性磁退火。对于第二类磁阻元件为半桥或全桥元件时，可以对第二类磁阻元件进行90°和270°的区域性磁退火。具体的，对于第二类磁阻元件为半桥元件时，对不同桥臂上的退火方向相反，既一个桥臂上的元件进行90°的区域性磁退火，另一个桥臂上的元件进行270°的区域性磁退火。对于第二类磁阻元件为全桥元件时，对相邻桥臂上退火方向相反，假设四个桥臂按照逆时针的方向进行命名，分别为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，则第一桥臂上的元件进行90°的区域性磁退火，第二桥臂上的元件进行270°的区域性磁退火，第三桥臂上的元件进行90°的区域性磁退火，第四桥臂上的元件进行270°的区域性磁退火。另外也可以设置为，第一桥臂上的元件进行270°的区域性磁退火，第二桥臂上的元件进行90°的区域性磁退火，第三桥臂上的元件进行270°的区域性磁退火，第四桥臂上的元件进行90°的区域性磁退火。
S430，针对第三类磁阻元件进行45°和/或225°的区域性磁退火，或者，针对第三类磁阻元件进行135°和/或315°的区域性磁退火。S430中，针对第三类磁阻元件进行第二次退火工艺可以理解为针对第三类磁阻元件进行区域性磁退火，区域性磁退火的磁场角度为45°和/或225°。或者，针对第三类磁阻元件进行区域性磁退火，区域性磁退火的磁场角度为135°和/或315°。在不同的实施例中本步骤可以按照不同的方式实现，比如，对于第三类磁阻元件为单电阻元件时，可以对第三类磁阻元件只进行45°的区域性磁退火，也可以只对第三类磁阻元件只进行225°的区域性磁退火。对于第三类磁阻元件为半桥或全桥元件时，可以对第三类磁阻元件进行45°和/或225°的区域性磁退火。具体的，对于第三类磁阻元件为半桥元件时，对不同桥臂上的退火方向相反，既一个桥臂上的元件进行45°的区域性磁退火，另一个桥臂上的元件进行225°的区域性磁退火。对于第三类磁阻元件为全桥元件时，对相邻桥臂上退火方向相反，假设四个桥臂按照逆时针的方向进行命名，分别为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，则第一桥臂上的元件进行45°的区域性磁退火，第二桥臂上的元件进行225°的区域性磁退火，第三桥臂上的元件进行45°的区域性磁退火，第四桥臂上的元件进行225°的区域性磁退火。另外也可以设置为，第一桥臂上的元件进行225°的区域性磁退火，第二桥臂上的元件进行45°的区域性磁退火，第三桥臂上的元件进行225°的区域性磁退火，第四桥臂上的元件进行45°的区域性磁退火。
再比如，对于第三类磁阻元件为单电阻元件时，可以对第三类磁阻元件只进行135°的区域性磁退火，也可以对第三类磁阻元件只进行315°的区域性磁退火。对于第三类磁阻元件为半桥或全桥元件时，可以对第三类磁阻元件进行135°和315°的区域性磁退火。具体的，对于第三类磁阻元件为半桥元件时，对不同桥臂上的退火方向相反，既一个桥臂上的元件进行135°的区域性磁退火，另一个桥臂上的元件进行315°的区域性磁退火。对于第三类磁阻元件为全桥元件时，对相邻桥臂上退火方向相反，假设四个桥臂按照顺时针的方向进行命名，分别为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，则第一桥臂上的元件进行135°的区域性磁退火，第二桥臂上的元件进行315°的区域性磁退火，第三桥臂上的元件进行135°的区域性磁退火，第四桥臂上的元件进行315°的区域性磁退火。另外也可以设置为，第一桥臂上的元件进行315°的区域性磁退火，第二桥臂上的元件进行135°的区域性磁退火，第三桥臂上的元件进行315°的区域性磁退火，第四桥臂上的元件进行135°的区域性磁退火。在一些实施例中，第三类磁阻元件中的全桥/半桥电路的四个桥臂上的钉扎层方向可以是一致的。
S50，在图案化结构上生长磁通聚集器，其中磁通聚集器的长轴方向为45°或135°。磁通聚集器两侧的MTJ单元的灵敏方向与扭曲后的磁场方向平行、与磁通聚集器摆放方向垂直。
S60，对包括图案化结构以及磁通聚集器的晶圆进行第三次退火工艺。第三次退火为磁退火，第三次退火的退火温度为第三温度。第三次退火的退火方向为45°或225°，以使探测磁场Z轴分量的第三类磁阻元件中自由层中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为90°磁各向异性，探测磁场X轴分量的第一类磁阻元件或探测磁场Y轴分量的第二类磁阻元件中自由层中的所述涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能。或者，第三次退火的退火方向为135°和/或315°，以使探测磁场Z轴分量的第三类磁阻元件中自由层中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为90°磁各向异性，探测磁场X轴分量的第一类磁阻元件或探测磁场Y轴分量的第二类磁阻元件中自由层中的所述涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能。
在上述实施例中，当针对第一类磁阻元件进行0°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行90°的区域性磁退火时；和/或，当针对第一类磁阻元件进行180°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行270°的区域性磁退火时；则磁通聚集器的长轴方向为45°。
当针对第一类磁阻元件进行0°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行270°的区域性磁退火时；和/或，当针对第一类磁阻元件进行180°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行90°的区域性磁退火时；则磁通聚集器的长轴方向为135°。
因此，当磁通聚集器的长轴所在方向为45°，经第三次退火工艺（磁退火）后，探测Z轴磁场的MTJ单元（第三类磁阻元件）与磁通聚集器110都获得第三次退火工艺中退火方向（45°和/或225°）的磁各向异性，可以使Z轴零磁场状态下磁通聚集器两侧磁阻元件的状态处于Z轴磁场正向最大与Z轴磁场负向最大的中间状态，这样在Z轴零场时磁电阻输出状态到Z轴正向最大磁电阻输出状态与Z轴零场时磁电阻输出状态到Z轴负向最小磁电阻输出状态的过程将会较为一致，而Z轴零场时磁电阻输出状态将为Z轴正向最大磁电阻输出状态与Z轴负向最小磁电阻输出状态之间的中点处。磁通聚集器通过第三次退火工艺获得长轴方向的磁各向异性会使磁通聚集器磁场转化磁滞降低，从而优化探测Z轴磁场的磁滞。
同理，当磁通聚集器的长轴所在方向为135°，经第三次退火工艺（磁退火）后，探测Z轴磁场的MTJ单元（第三类磁阻元件）与磁通聚集器110都获得第三次退火工艺中退火方向（135°和/或315°）的磁各向异性，可以使Z轴零磁场状态下磁通聚集器两侧磁阻元件的状态处于Z轴磁场正向最大与Z轴磁场负向最大的中间状态，这样在Z轴零场时磁电阻输出状态到Z轴正向最大磁电阻输出状态与Z轴零场时磁电阻输出状态到Z轴负向最小磁电阻输出状态的过程将会较为一致，而Z轴零场时磁电阻输出状态将为Z轴正向最大磁电阻输出状态与Z轴负向最小磁电阻输出状态之间的中点处。磁通聚集器通过第三次退火工艺获得长轴方向的磁各向异性会使磁通聚集器磁场转化磁滞降低，从而优化探测Z轴磁场的磁滞。
本实施例中，采用上述包括三次退火处理的磁传感器的制备方法，降低了自由层探测X、Y、Z轴磁场时磁滞，平衡了探测X、Y轴磁场的性能。具体的，采用上述包括三次退火处理的磁传感器的制备方法，使自由层Vortex结构获得退火方向的磁各向异性，因而，一方面可以降低形成Vortex的随机性从而降低MTJ单元从零场到饱和再到零场扫场时的磁滞；另一方面，可以使第一类磁阻元件和第二类磁阻元件中自由层中涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，使第三类磁阻元件中自由层中涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为90°的磁各向异性，从而使得探测磁场X轴方向、Y轴方向分量的涡旋磁结构分别对磁场的X轴、Y轴方向磁场分量的磁场-电阻响应曲线相同从而平衡探测磁场X轴分量与磁场Y轴分量的性能，因此更容易解耦X方向和Y方向的磁场。另外，在生长磁通聚集器之后，进行第三次退火，释放了磁通聚集器的应力，加强了磁通聚集器朝第三次退火方向的磁各向异性，对磁通聚集器降低探测Z轴磁场的磁滞。
在一个实施例中，当针对第一类磁阻元件进行0°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行90°的区域性磁退火时；或者，当针对第一类磁阻元件进行180°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行270°的区域性磁退火时；则，针对第三类磁阻元件进行135°和/或315°的区域性磁退火。
在一个实施例中，当针对第一类磁阻元件进行0°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行270°的区域性磁退火时；或者，当针对第一类磁阻元件进行180°的区域性磁退火，且针对第二类磁阻元件进行90°的区域性磁退火时；则，针对第三类磁阻元件进行45°和/或225°的区域性磁退火。
在第一个具体的实施例中，磁传感器的制备方法包括：
S1，提供晶圆，在晶圆上沉积形成多层膜，多层膜包括磁性薄膜和非磁性薄膜；
S12，对沉积有多层膜的晶圆进行第一次退火工艺，本实施例中第一次退火工艺为磁退火；第一次退火的磁场方向为0°、180°或360°；
S13，对多层膜实施半导体图案化工艺，以使多层膜形成图案化结构，并得到多个通过桥式电路连接的磁阻元件，其中，多个通过桥式电路连接的磁阻元件中包括第一类磁阻元件、第二类磁阻元件和第三类磁阻元件；
S14，针对图案化结构的不同区域进行第二次退火工艺，第二次退火为区域性磁退火，第二次退火的退火温度为第二温度；
其中，针对图案化结构的不同区域进行第二次退火工艺的步骤包括：
S141，针对第一类磁阻元件进行0°的区域性磁退火；
S142，针对第二类磁阻元件进行90°的区域性磁退火；以及，
S143，针对第三类磁阻元件进行45°和/或225°的区域性磁退火；
S15，在图案化结构上生长磁通聚集器，其中磁通聚集器的长轴所在方向为45°；
S15，针对图案化结构的不同区域以及磁通聚集器进行第三次退火工艺，第三次退火为磁退火，第三次退火的退火温度为第三温度，第三次退火的退火方向为45°和/或225°，以使第三类磁阻元件中自由层中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为90°的磁各向异性，第一类磁阻元件和第二类磁阻元件中自由层中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能。
在第二个具体的实施例中，磁传感器的制备方法包括：
S2，提供晶圆，在晶圆上沉积形成多层膜，多层膜包括磁性薄膜和非磁性薄膜；
S21，对沉积有多层膜的晶圆进行第一次退火工艺，本实施例中第一次退火工艺为常规退火工艺；
S22，对多层膜实施半导体图案化工艺，以使多层膜形成图案化结构，并得到通过桥式电路连接的磁阻元件，其中，通过桥式电路连接的磁阻元件包括第一类磁阻元件、第二类磁阻元件和第三类磁阻元件；
S23，针对图案化结构的不同区域进行第二次退火工艺，第二次退火为区域性磁退火，第二次退火的退火温度为第二温度；
其中，针对图案化结构的不同区域进行第二次退火工艺的步骤包括：
S231，针对第一类磁阻元件进行180°的区域性磁退火；
S232，针对第二类磁阻元件进行90°的区域性磁退火；以及，
S233，针对第三类磁阻元件进行135°和/或315°的区域性磁退火；
S24，在图案化结构上生长磁通聚集器，其中磁通聚集器的长轴所在方向为135°；
S25，针对图案化结构的不同区域以及磁通聚集器进行第三次退火工艺，第三次退火为磁退火，第三次退火的退火温度为第三温度，第三次退火的退火方向为135°和/或315°，以使第三类磁阻元件中自由层中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为90°的磁各向异性，第一类磁阻元件和第二类磁阻元件中自由层中的涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种磁传感器，其特征在于，包括多个磁阻元件；
每个磁阻元件包括依次层叠设置的反铁磁层、钉扎层、参考层、势垒层和自由层；所述自由层为涡旋磁结构；所述参考层被设置具有固定钉扎方向；
所述自由层沿预设方向进行磁退火处理，以使所述自由层中的涡旋磁结构获得与所述参考层的钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能；所述磁传感器包括：
多个用于探测X轴方向磁场的第一类磁阻元件，所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为X轴方向；和，
多个用于探测Y轴方向磁场的第二类磁阻元件，所述第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为Y轴方向；
所述第一类磁阻元件和所述第二类磁阻元件进行磁退火处理以使所述第一类磁阻元件和所述第二类磁阻元件获得相应的参考层钉扎方向；
当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°时，则所述第一类磁阻元件、所述第二类磁阻元件的自由层磁各向异性方向为45°或225°；
当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°时；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°时，则所述第一类磁阻元件、所述第二类磁阻元件的自由层磁各向异性方向为-45°或135°。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述磁传感器还包括磁通聚集器，以及，分布在所述磁通聚集器周围的第三类磁阻元件；
所述第三类磁阻元件用于探测Z轴方向磁场；
当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°时；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°时，则所述第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为135°或-45°；
当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为270°时；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件参考层钉扎方向为90°时，则所述第三类磁阻元件的参考层钉扎方向为45°或-135°。
3.根据权利要求2所述的磁传感器，其特征在于，
当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为90°时；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为270°时；则，所述磁通聚集器的长轴方向为45°方向；
当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为0°，且所述第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为270°时；和/或，当所述第一类磁阻元件的参考层钉扎方向为180°，且所述第二类磁阻元件的参考层钉扎方向为90°时；则，所述磁通聚集器的长轴方向为135°方向。
4.根据权利要求3所述的磁传感器，其特征在于，所述第一类磁阻元件为串联和/或并联连接的桥式电路，和/或，所述第二类磁阻元件为串联和/或并联连接的桥式电路，和/或，所述第三类磁阻元件为串联和/或并联连接的桥式电路。
5.根据权利要求4所述的磁传感器，其特征在于，所述自由层为增强磁各向异性的多层层叠涡旋磁结构，所述自由层中的磁矩转动具有强相干性。
6.根据权利要求5所述的磁传感器，其特征在于，所述多层层叠涡旋磁结构包括：多层铁磁层，所述铁磁层采用的铁磁材料为Co基合金、和/或、Fe基合金、和/或Ni基合金。
7.根据权利要求6所述的磁传感器，其特征在于，所述多层层叠涡旋磁结构还包括：非磁性金属层，所述多层铁磁层之间间隔至少一层非磁性金属层。
8.根据权利要求7所述的磁传感器，其特征在于，所述铁磁层的材料为CoFe基合金层、NiFe基合金层或CoFeB基合金层；
所述非磁性金属层的材料为Ta、Ti、W、Ru、Ir、Pt或Pd。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的磁传感器，其特征在于，所述磁阻元件的形状为圆柱形、椭圆柱形或多边形，圆柱形的所述磁阻元件的直径、椭圆柱形的所述磁阻元件的长轴、或多边形的所述磁阻元件的长边为1nm-10μm。
10.一种实现权利要求1-9中任一项所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供晶圆，在所述晶圆上沉积形成多层膜，所述多层膜包括磁性薄膜和非磁性薄膜；
对沉积有所述多层膜的所述晶圆进行第一次退火工艺；
对所述多层膜实施半导体图案化工艺，以使所述多层膜形成图案化结构，并得到多个通过桥式电路连接的磁阻元件，其中，多个通过桥式电路连接的所述磁阻元件中包括第一类磁阻元件、第二类磁阻元件和第三类磁阻元件；
针对所述图案化结构的不同区域进行第二次退火工艺，所述第二次退火为区域性磁退火；
其中，所述针对所述图案化结构的不同区域进行第二次退火工艺的步骤包括：
针对所述第一类磁阻元件进行0°和/或180°的区域性磁退火；
针对所述第二类磁阻元件进行90°和/或270°的区域性磁退火；
以及，
针对所述第三类磁阻元件进行45°和/或225°的区域性磁退火，或者，针对所述第三类磁阻元件进行135°和/或315°的区域性磁退火；其中，针对所述磁阻元件进行的区域性磁退火的0°、180°、90°、270°、45°、225°、135°或315°的角度，分别为以X轴正方向为起点沿逆时针旋转0°、180°、90°、270°、45°、225°、135°或315°所得到的角度；
在所述图案化结构上生长磁通聚集器，其中所述磁通聚集器的长轴方向为45°或135°方向；其中，45°或135°为以X轴正方向为起点沿逆时针旋转45°或135°所得到的角度；
所述的磁传感器的制备方法还包括：
对包括所述图案化结构以及所述磁通聚集器的所述晶圆进行第三次退火工艺，所述第三次退火为磁退火，所述第三次退火的退火方向为45°或225°，以使所述第三类磁阻元件中自由层中的所述涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为90°的磁各向异性，使所述第一类磁阻元件和所述第二类磁阻元件中自由层中的所述涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能；其中，45°的退火方向为以X轴正方向为起点逆时针旋转45°所在的方向，225°的退火方向为以X轴正方向为起点逆时针旋转225°所在的方向；
或者，所述第三次退火的退火方向为135°或315°，以使所述第三类磁阻元件中自由层中的所述涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为90°的磁各向异性，使所述第一类磁阻元件和所述第二类磁阻元件中自由层中的所述涡旋磁结构获得与参考层钉扎方向的夹角为45°或135°的磁各向异性，从而平衡探测X轴、Y轴磁场的性能；其中，135°的退火方向为以X轴正方向为起点逆时针旋转135°所在的方向，315°的退火方向为以X轴正方向为起点逆时针旋转315°所在的方向。
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