CN117295387B - 一种桥式磁阻传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁阻传感器技术领域，提供了一种桥式磁阻传感器的制备方法。通过将若干磁电阻单元通过导电介质连接成半桥或全桥形式的感测单元，磁电阻单元结构相同，至少包括：第一电极、第二电极，以及依次设置在所述第一电极、所述第二电极之间的自由层、参考层、钉扎层以及交换偏置层；SAF层包括参考层和钉扎层。根据SAF层的净磁矩与交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，相比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用，判断是否对感测单元施加外部磁场，同时对感测单元通入外加电流，实现参考层的磁化方向的转换，以制备桥式磁阻传感器，解决了现有技术制备桥式电路时工艺复杂且效率低下的技术问题。

Description

一种桥式磁阻传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其是涉及一种桥式磁阻传感器的制备方法。

背景技术

现有的磁阻传感器中通常设置半桥或者全桥电路来检测外部磁场，对于半桥或者全桥的制备主要有以下几种方法。

第一种是将制备完成的单个隧道结器件按照相反的磁钉扎方向排列，通过外部绑线的方式连接成全桥式结构，这样机械组装式的方法会引入较大的对准误差，且显然不适用于大规模生产，不利于同片晶圆上实现全桥式传感器结构制备。

第二种是通过局部退火的方式改变电桥中两个桥臂上磁隧道结的钉扎方向，具体做法是，先将整个晶圆加热至接近但小于反铁磁钉扎层的阻挡温度，之后在需要改变方向的桥臂上通入脉冲电流，同时施加与原退火方向相反的外磁场，在脉冲电流的作用下局部温度将上升至阻挡温度之上，磁钉扎方向被改变，未通电流的另外两个桥臂则不受影响，然而，达到阻挡温度所需要的电流较大，容易造成隧道结的击穿。类似地，也可用激光辐射实现局部加热进行退火，这种方法比较低效，不适用于大规模生产。

第三种方法是在同片晶圆上，先通过光刻定义出不同的区域，再分两次沉积不同结构的薄膜，例如，可以在常用的合成反铁磁结构CoFe/Ru/CoFe中额外添加一层，形成CoFe/Ru/CoFe/Ru/CoFeB的结构，经过退火处理后，由于反铁磁耦合作用的存在，两种结构的薄膜将会形成相反的参考层方向，从而在同一晶圆上按照既定区域直接加工成惠斯通全桥式器件，这种方法虽然简化了器件加工步骤，但是却使薄膜沉积工艺变得极其复杂，同时沉积两种薄膜结构需要精确设计，保证其具有大致相同的磁阻率、电阻面积乘积(RA)等参数，以避免桥式传感器的输出偏置。

因此，现在需要一种简单高效的在同片晶圆上进行桥式电路结构制备的工艺方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桥式磁阻传感器的制备方法，以解决了现有技术中存在的制备桥式电路工艺复杂且效率底下的技术问题。

本发明实施例提供了一种桥式磁阻传感器的制备方法，包括：将若干磁电阻单元通过导电介质连接成半桥或全桥形式的感测单元；所述磁电阻单元结构相同，至少包括：第一电极、第二电极，以及依次设置在所述第一电极、所述第二电极之间的自由层、参考层、钉扎层以及交换偏置层；SAF层包括所述参考层和所述钉扎层。

具体的，当所述SAF层的净磁矩与所述交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，比所述SAF层中各层的自旋磁矩相互作用强时；向所述感测单元通入外加电流，电流方向包括由磁电阻单元的所述第一电极流向所述第二电极的第一方向、以及由磁电阻单元的所述第二电极流向所述第一电极的第二方向，所述第一方向与所述第二方向相反；当所述感测单元的磁电阻单元构成半桥时，所述外加电流以第一方向流过其中一个桥臂中的磁电阻单元，以第二方向流过另一个桥臂中的磁电阻单元，使得其中一个桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向与另一个桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反；断开所述外加电流，完成桥式磁阻传感器的制备。

具体的，当所述SAF层的净磁矩与所述交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，比所述SAF层中各层的自旋磁矩相互作用弱时，对所述感测单元施加外部磁场，使所述自由层的磁化方向与所述交换偏置层的磁化方向相同；向所述感测单元通入外加电流，电流方向包括由磁电阻单元的所述第一电极流向所述第二电极的第一方向、以及由磁电阻单元的所述第二电极流向所述第一电极的第二方向，所述第一方向与所述第二方向相反；当所述感测单元的磁电阻单元构成半桥时，所述外加电流以第一方向流过其中一个桥臂中的磁电阻单元，以第二方向流过另一个桥臂中的磁电阻单元，使得其中一个桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向与另一个桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反；断开所述外加电流，撤去所述施加外部磁场，完成桥式磁阻传感器的制备。

进一步的，当所述感测单元的磁电阻单元构成全桥时，所述全桥包括依次连接的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，所述外加电流流过所述第一桥臂中的磁电阻单元、所述第三桥臂中的磁电阻单元的所述电流方向相同，流过所述第二桥臂中的磁电阻单元、所述第四桥臂中的磁电阻单元的所述电流方向相同，但流过所述第一桥臂中的磁电阻单元、所述第二桥臂中的磁电阻单元的所述电流方向相反；所述第一桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向与所述第三桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相同，所述第二桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向与所述四桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相同，所述第一桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向与所述第二桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反。

进一步的，所述制备方法还包括：将每一个所述感测单元对应地制备在一块晶圆预先划分的区域中，根据所述SAF层的净磁矩与所述交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，相比所述SAF层中各层的自旋磁矩相互作用，判断是否将所述晶圆整体放置在所述外部磁场中，同时对所述晶圆上的多个所述感测单元通入所述外加电流以制备桥式磁阻传感器。

进一步的，所述磁电阻单元还包括：第一势垒层，所述第一势垒层设置于所述自由层与所述参考层之间。

进一步的，当所述SAF层的翻转场达到预设范围时，所述交换偏置层包括：自旋间隔层，所述自旋间隔层设置于所述钉扎层与所述第二电极之间；第二钉扎层，所述第二钉扎层设置于所述自旋间隔层与所述第二电极之间。

进一步的，当所述SAF层的翻转场未达到预设范围时，所述交换偏置层还包括：偏置作用层，所述偏置作用层设置于所述第二钉扎层与所述第二电极之间，所述偏置作用层使得所述第二钉扎层获得偏置。

进一步的，所述偏置作用层包括反铁磁层；或者永磁层；或者非磁导电层及永磁层，所述非磁导电层设置于所述永磁层与所述第二钉扎层之间。

进一步的，所述磁电阻单元还包括：非磁金属层，所述非磁金属层设置在所述第二电极中。

进一步的，所述磁电阻单元还包括侧面永磁层，所述侧面永磁层围绕设置于所述自由层、所述第一势垒层、所述参考层、所述钉扎层、所述交换偏置层的侧面。

进一步的，当所述自由层包括软磁材料，所述参考层包括永磁材料或者硬磁材料时，对所述感测单元不施加所述外部磁场；所述磁电阻单元还包括耦合作用层及第二参考层，所述耦合作用层与所述第二参考层依次设置于所述参考层与所述钉扎层之间；所述交换偏置层包括反铁磁层材料。

本发明实施例至少具有以下技术效果：

本发明实施例提供的一种桥式磁阻传感器的制备方法，通过将若干磁电阻单元通过导电介质连接成半桥或全桥形式的感测单元，磁电阻单元结构相同，至少包括：第一电极、第二电极，以及依次设置在所述第一电极、所述第二电极之间的自由层、参考层、钉扎层以及交换偏置层；SAF层包括参考层和钉扎层。根据SAF层的净磁矩与交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，相比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用，判断是否对感测单元施加外部磁场，同时对感测单元通入外加电流，实现参考层的磁化方向的转换，以制备桥式磁阻传感器。本发明实施例提供的制备方法无需退火、工艺简单，可以在同一个Die中进行设置、适合量产，解决了制备桥式电路时工艺复杂且效率底下的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明实施例提供的第一种磁电阻单元的结构示意图；

图2a为本发明实施例提供的第一种半桥结构连接示意图；

图2b为本发明实施例提供的第二种半桥结构连接示意图；

图3a为本发明实施例提供的桥臂中第一种磁电阻单元连接示意图；

图3b为本发明实施例提供的桥臂中第二种磁电阻单元连接示意图；

图4a为本发明实施例提供的参考层磁化强度方向与自由层磁化强度方向相反时通过极化电流转换参考层磁化强度方向示意图；

图4b为本发明实施例提供的参考层磁化强度方向与自由层磁化强度方向相同时通过极化电流转换参考层磁化强度方向示意图；

图5a为本发明实施例提供的第一种全桥结构连接示意图；

图5b为本发明实施例提供的第二种全桥结构连接示意图；

图6a为本发明实施例提供的第一种偏置作用层结构示意图；

图6b为本发明实施例提供的第二种偏置作用层结构示意图；

图6c为本发明实施例提供的第三种偏置作用层结构示意图；

图7为本发明实施例提供的第二种磁电阻单元的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的第三种磁电阻单元的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的第四种磁电阻单元的结构示意图。

图标：11-第一电极；12-第二电极；13-自由层；14-参考层；15-钉扎层；16-交换偏置层；17-第一势垒层；18-非磁金属层；19-侧面永磁层；161-第二钉扎层；162-自旋间隔层；163-偏置作用层；201-耦合作用层；202-第二参考层；1631-反铁磁层；1632-永磁层；1633-非磁导电层。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

请参阅图1、图2a及图2b，本发明实施例提供了一种桥式磁阻传感器的制备方法，包括：将若干磁电阻单元通过导电介质连接成半桥形式的感测单元；磁电阻单元结构相同，如图1所示，至少包括：第一电极11、第二电极12，以及依次设置在第一电极11、第二电极12之间的自由层13、参考层14、钉扎层15以及交换偏置层16，其中第一电极11在实际生产中可以是磁电阻单元的顶电极或者底电极，当第一电极11是顶电极时，则第二电极12是底电极，当第一电极11是底电极时，则第二电极12是顶电极；SAF层包括参考层14和钉扎层15。

具体的，当SAF层的净磁矩与交换偏置层16的净磁矩自旋磁矩相互作用，比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用强时，此时不需要施加外部磁场，只需要向感测单元通入外加电流，电流方向包括由磁电阻单元的第一电极11流向第二电极12的第一方向、以及由磁电阻单元的第二电极12流向第一电极11的第二方向，第一方向与第二方向相反。不同方向的外加电流会使电子流在钉扎层15处具有不同的自旋极化方向，具有不同自旋极化方向的电子流对钉扎层15磁化方向有着不同方向的自旋转移力矩，从而不同方向的外加电流将使得钉扎层15磁化方向不同，而参考层14与钉扎层15由于反铁磁耦合磁化方向趋向于保持相反，因此参考层14的磁化方向可以通过外加电流的方向来改变。

当感测单元的磁电阻单元构成半桥时，以图2a为例，Bias处加正电压，GND处接地，一个桥臂ARM1的第一电极11外接Bias，ARM1的第二电极12接另一个桥臂ARM2的第二电极12，ARM2的第一电极11外接GND，则外加电流以第一方向流过桥臂ARM1中的磁电阻单元，以第二方向流过桥臂ARM2中的磁电阻单元。就能使得一个桥臂ARM1中的磁电阻单元的参考层磁化方向与另一个桥臂ARM2中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反；断开外加电流，完成桥式磁阻传感器的制备。

当然，容易想到的是，在图2a的基础上稍作变化，也可以是桥臂ARM1的第一电极11外接GND，ARM1的第二电极12接桥臂ARM2的第二电极12，ARM2的第一电极11外接Bias，则外加电流以第二方向流过桥臂ARM1中的磁电阻单元，以第一方向流过桥臂ARM2中的磁电阻单元；或者桥臂ARM1的第二电极12外接Bias，ARM1的第一电极11接桥臂ARM2的第一电极11，ARM2的第二电极12外接GND；或者桥臂ARM1的第二电极12外接GND，ARM1的第一电极11接桥臂ARM2的第一电极11，ARM2的第二电极12外接Bias，都能使得一个桥臂ARM1中的磁电阻单元的参考层磁化方向与另一个桥臂ARM2中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反。

当感测单元的磁电阻单元构成半桥时，也可以图2b为例，Bias处加正电压，GND处接地，一个桥臂ARM1的第一电极11外接GND，ARM1的第二电极12连接另一个桥臂ARM2的第一电极11且同时外接Bias，ARM2的第一电极11外接GND，则外加电流以第二方向流过桥臂ARM1中的磁电阻单元，以第一方向流过桥臂ARM2中的磁电阻单元。就能使得一个桥臂ARM1中的磁电阻单元的参考层磁化方向与另一个桥臂ARM2中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反；断开外加电流，完成桥式磁阻传感器的制备。

容易想到的是，在图2b的基础上稍作变化，桥臂ARM1的第一电极11外接Bias，ARM1的第二电极12连接桥臂ARM2的第一电极11且同时外接GND，ARM2的第一电极11外接Bias，都能使得桥臂ARM1中的磁电阻单元的参考层磁化方向与桥臂ARM2中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反。

每个桥臂中都可以有多个磁电阻单元，请参考图3a及图3b，这些磁电阻单元可以串联或并联或串并联，图3a及图3b中只展示了一个桥臂中包括两个磁电阻单元的连接方式，如果有三个乃至更多的磁电阻单元，也可以按此方式连接。

具体的，当SAF层的净磁矩与交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用弱时，对感测单元施加外部磁场，固定自由层13的磁化方向与交换偏置层16的净磁化方向相同；向感测单元通入外加电流，电流方向包括由磁电阻单元的第一电极11流向第二电极12的第一方向、以及由磁电阻单元的第二电极12流向第一电极11的第二方向，第一方向与第二方向相反。

当感测单元的磁电阻单元构成半桥时，此处请继续参考图2a及图2b,与前述不加外部磁场时的电路结构相同，外加电流以第一方向流过其中一个桥臂中的磁电阻单元，以第二方向流过另一个桥臂中的磁电阻单元，则一个桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向与另一个桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反；断开外加电流，撤去施加外部磁场，完成桥式磁阻传感器的制备。

具体的，请参考图4a，当施加外部磁场使得两个桥臂中参考层14的磁化强度方向与自由层13的磁化强度方向相反时（如图4a的A），此时需要将其中一个桥臂中的参考层14的磁化强度方向通过外加电流的方式进行转换，使得其中一个桥臂中参考层14的磁化强度方向与自由层13的磁化强度方向相同（如图4a的B）。使其中一个桥臂外加电流方向为第二方向，即电流方向由磁电阻单元的第二电极12流向第一电极11，则在磁电阻单元中电子首先被自旋极化获得与自由层13磁化方向相同的自旋角动量，该自旋极化电子进入参考层14时，与参考层14的磁化相互作用，导致自旋极化电子的横向分量被转移，由于角动量守恒，被转移的横向分量将以自旋转移力矩的形式作用于参考层14的磁化，迫使参考层14的磁化方向与自由层13接近。

当自旋极化电子输运至交换偏置层16，与交换偏置层16中距钉扎层15最邻近磁性层磁化方向自旋角动量相同的电子存在较小散射，而与交换偏置层16中距钉扎层15最邻近磁性层磁化方向自旋角动量相反的电子存在较大的散射，当某一自旋极化方向的自旋电子散射数量达到一临界值时，则可以利用散射电子的自旋转移力矩使钉扎层15的磁化方向发生翻转，从而迫使参考层14的磁化方向发生翻转。然后再撤销施加的磁场，如此参考层14的磁化方向完成切换。

请参考图4b，当施加外部磁场使得两个桥臂中参考层14的磁化强度方向与自由层13的磁化强度方向相同时（如图4b的A），此时需要将其中一个桥臂中的参考层14的磁化强度方向通过外加电流的方式进行转换，使得其中一个桥臂中参考层14的磁化强度方向与自由层13的磁化强度方向相反（如图4b的B）。使其中一个桥臂外加电流方向为第一方向，即电流方向由磁电阻单元的第一电极11流向第二电极12，则电子首先被自旋极化获得与交换偏置层16中距钉扎层15最邻近磁性层磁化方向相同的自旋角动量，该自旋极化电子进入钉扎层15时，与钉扎层15的磁化相互作用，导致自旋极化电子的横向分量被转移，由于角动量守恒，被转移的横向分量将以自旋转移力矩的形式作用于钉扎层15磁化，迫使钉扎层15的磁化方向与交换偏置层16层接近。

当自旋极化电子输运至自由层13，与自由层13磁化方向自旋角动量相同的电子存在较小散射，而与自由层13磁化方向自旋角动量相反的电子存在较大的散射，当散射的自旋电子数量达到一临界值，则可以利用自旋转移力矩使参考层14的磁化方向发生翻转。然后再撤销施加的磁场，如此参考层14的磁化方向完成切换。

需要注意的是，此处的图4a及图4b均是为了方便理解，所以将各膜层的磁化方向演示为平行于膜层平面的方向，在实际中，各膜层的磁化方向不一定平行于膜层平面的方向，甚至还可以是垂直于膜层平面的方向。

可选的，当感测单元的磁电阻单元构成全桥时，即将若干磁电阻单元通过导电介质连接成全桥形式的感测单元。全桥包括依次连接的第一桥臂arm1、第二桥臂arm2、第三桥臂arm3和第四桥臂arm4，如图5a所示，第一桥臂arm1的第一电极11与第四桥臂arm4的第二电极12外接Bias，第二桥臂arm2的第一电极11与第三桥臂arm3的第二电极12外接GND，当Bias接正压，GND接地/负压时，外加电流流过第一桥臂arm1中的磁电阻单元、第三桥臂arm3中的磁电阻单元的电流方向相同，均为第一方向，流过第二桥臂arm2中的磁电阻单元、第四桥臂arm4中的磁电阻单元的电流方向相同，均为第二方向，但流过第一桥臂arm1中的磁电阻单元、第二桥臂arm2中的磁电阻单元的电流方向相反；第一桥臂arm1中的磁电阻单元的参考层磁化方向与第三桥臂arm3中的磁电阻单元的参考层磁化方向相同，第二桥臂arm2中的磁电阻单元的参考层磁化方向与第四桥臂arm4中的磁电阻单元的参考层磁化方向相同，第一桥臂arm1中的磁电阻单元的参考层磁化方向与第二桥臂arm2中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反。

容易想到的是，在图5a的基础上Bias与GND可以互换，仍能保证相邻的桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反。

或者如图5b所示，第一桥臂arm1的第一电极11与第四桥臂arm4的第二电极12外接GND，第一桥臂arm1的第二电极12与第二桥臂arm2的第一电极11外接Bias，第二桥臂arm2的第二电极12与第三桥臂arm3的第一电极11外接GND，第三桥臂arm3的第二电极12与第四桥臂arm4的第一电极11外接Bias，当Bias接正压，GND接地/负压时，外加电流流过第一桥臂arm1中的磁电阻单元、第三桥臂arm3中的磁电阻单元的电流方向相同，均为第二方向，流过第二桥臂arm2中的磁电阻单元、第四桥臂arm4中的磁电阻单元的电流方向相同，均为第一方向，但流过第一桥臂arm1中的磁电阻单元、第二桥臂arm2中的磁电阻单元的电流方向相反；第一桥臂arm1中的磁电阻单元的参考层磁化方向与第三桥臂arm3中的磁电阻单元的参考层磁化方向相同，第二桥臂arm2中的磁电阻单元的参考层磁化方向与第四桥臂arm4中的磁电阻单元的参考层磁化方向相同，第一桥臂arm1中的磁电阻单元的参考层磁化方向与第二桥臂arm2中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反。

容易想到的是，在图5b的基础上Bias与GND可以互换，仍能保证相邻的桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反。

无论四个桥臂之间如何相连，只要改变加压的方式，能使流过相邻桥臂中的磁电阻单元的电流方向相反即可，这样就能保证相邻的桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反，在撤去电流后，一个全桥电路结构制备完成。

根据图2a、图2b、图5a及图5b容易想到的是，各外接端口的作用灵活，比如Vout端在一些情况下可以用作偏压加压的端口，比如Bias端、GND端既可作为极化电流的输入端，也可作为晶圆CP测试的输入端或输出端，因此利用该方法设置磁电阻单元参考层磁化方向从而形成半桥或者全桥结构，不仅可以在晶圆制造过程完成后的测试过程中无需退火的情况下，对整片晶圆的所有单Die灵活设置每个桥臂的参考层磁化方向，也可以与CP测试过程融合兼容，比如图2a及图5a这种连接方式，在设置参考层磁化方向的同时通过Vout来确定单die性能，节省工艺步骤。且这种方法对PTMR同样适用，具有无需退火、工艺简单、可以在同一个Die中进行设置、适合量产的优点。

可选的，制备方法还包括：将每一个感测单元对应地制备在一块晶圆预先划分的区域中，根据所述SAF层的净磁矩与所述交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，相比所述SAF层中各层的自旋磁矩相互作用，判断是否将晶圆整体放置在外部磁场中，同时对晶圆上的多个感测单元通入外加电流以制备桥式磁阻传感器。本实施例中，当SAF层的净磁矩与交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用弱时，才需要对整片晶圆施加外部磁场，然后对整片晶圆通入电流，否则直接对整片晶圆通入电流即可，实现简单高效的在同片晶圆上进行桥式电路结构制备。

可选的，请继续参考图1，磁电阻单元还包括：第一势垒层17，第一势垒层17设置于自由层13与参考层14之间。本实施例中，第一势垒层17的材料包括MgO或Al₂O₃等，即磁电阻单元可以是TMR，或者非磁金属，比如铜，即磁电阻单元也可以是GMR。

可选的，当SAF层的翻转场达到预设范围时，请参考图1，交换偏置层16包括：自旋间隔层162，自旋间隔层162设置于钉扎层15与第二电极12之间；第二钉扎层161，第二钉扎层161设置于自旋间隔层162与第二电极12之间。

本实施例中，在实际生产中会通过仪器设备来检测SAF层的矫顽场（Hc）与饱和场（Hs）来量化SAF层的稳定性，Hc与Hs越高稳定性越大。即当SAF层的翻转场达到实际生产需求的预设范围时，在钉扎层15与第二钉扎层161之间设置自旋间隔层162，自旋间隔层162是非磁导电层（如Cu、Ru），具有很大的自旋扩散深度，可以通过控制自旋间隔层162的厚度以优化钉扎层15与第二钉扎层161的静磁耦合与Neel耦合来调节SAF层的稳定性。优选的，自旋间隔层162还可以选用高应力膜层，利用SAF层的磁致伸缩效应通过高应力的自旋间隔层162以调整SAF层的磁稳定性。设置第二钉扎层161与自旋间隔层162后具体的翻转原理如下所述。

当SAF层的净磁矩与交换偏置层16的净磁矩自旋磁矩相互作用，比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用强时，此时不需要施加外部磁场，只需要向感测单元通入外加电流，当电流方向为第一方向时，电流首先在第二钉扎层161被自旋极化获得与第二钉扎层161磁化方向相同的自旋角动量，该自旋极化电流进入SAF层时，首先与钉扎层15的磁化相互作用，导致自旋极化电流的横向分量被转移，由于角动量守恒，被转移的横向分量将以自旋转移力矩的形式作用于钉扎层15磁化，迫使钉扎层15磁化方向与第二钉扎层161接近，而由于SAF层的净磁矩与交换偏置层16的净磁矩自旋磁矩相互作用，比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用强，因此该自旋力矩足以克服SAF层的反铁磁耦合使钉扎层15的磁化方向发生翻转，参考层14和钉扎层15的磁化方向由于反铁磁耦合始终保持相反，因此参考层14的磁化方向将与第二钉扎层161相反。

当电流方向为第二方向时，电流与第二钉扎层161磁化方向自旋角动量相同的电子在该界面处存在较小散射容易进入第二钉扎层161，而与第二钉扎层161磁化方向自旋角动量相反的电子存在较大的散射将被散射回到PL层，这些散射的电子将对钉扎层15产生自旋转移矩，而由于SAF层的净磁矩与交换偏置层16的净磁矩自旋磁矩相互作用，比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用强，因此当散射的自旋电子数量达到一临界值，该自旋力矩足以克服SAF层的反铁磁耦合使钉扎层15的磁化方向发生翻转至第二钉扎层161磁化相反方向,而参考层14和钉扎层15由于反铁磁耦合，它们彼此的磁化方向始终保持相反，参考层14的磁化方向将与第二钉扎层161相同。因此参考层14的磁化方向可以通过外加电流的方式来改变。

当SAF层的净磁矩与交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用弱时，对感测单元施加外部磁场，如图4b，如此时自由层13磁化强度方向与参考层14磁化强度方向相同，则向第一电极11至第二电极12方向通入电流，即电流方向为第一方向时(电子流为反方向)，电子流经第二钉扎层161时被自旋极化成为自旋极化电子流，自旋极化电子流流经钉扎层15产生自旋转移矩，但由于SAF层的净磁矩与交换偏置层16的净磁矩自旋相互作用比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用弱，该自旋转移矩不足以克服SAF层间的反铁磁耦合使钉扎层15磁化强度发生翻转，电子流到参考层14-自由层13界面时，电子流中与此时自由层13固定的磁化方向自旋角动量相同的电子在该界面处存在较小散射容易进入自由层13，而与自由层13磁化方向自旋角动量相反的电子存在较大的散射将被散射回到参考层14，散射的电子将对参考层14有自旋转移矩。因此当SAF层的净磁矩与交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用弱时，可以分别利用自由层13散射电子在参考层14的自旋转移矩与第二钉扎层161极化电子在钉扎层15的自旋转移矩的双重作用使SAF层各层的磁化强度方向发生翻转。当电流方向为第二方向时，如此时自由层13磁化强度方向与参考层14磁化强度方向相同，由以上自旋转移矩原理可知此时磁电阻单元各层磁化强度方向不发生变化。

如图4a，如此时自由层13磁化强度方向与参考层14磁化强度方向相反，则向第二电极12到第一电极11方向通入电流，即电流方向为第二方向时(电子流为反方向)，电子流经自由层13时被自旋极化成为自旋极化电子流，自旋极化电子流流经参考层14产生自旋转移矩。电子流到自旋间隔层162-第二钉扎层161界面时，电子流中与此时第二钉扎层161固定的磁化方向自旋角动量相同的电子在该界面处存在较小散射容易进入161层，而与第二钉扎层161磁化方向自旋角动量相反的电子存在较大的散射将被散射回到钉扎层15，散射的电子将对钉扎层15有自旋转移矩，但由于SAF层的净磁矩与交换偏置层的净磁矩自旋相互作用比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用弱，该自旋转移矩不足以克服SAF层间的反铁磁耦合使钉扎层15磁化强度发生翻转。因此当SAF层的净磁矩与交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，比SAF层中各层的自旋磁矩相互作用弱时，可以分别利用自由层13极化电子在参考层14的自旋转移矩与第二钉扎层161散射电子在钉扎层15的自旋转移矩的双重作用使SAF层各层的磁化强度方向发生翻转。当电流方向为第一方向时，如此时自由层13磁化强度方向与参考层14磁化强度方向相反，由以上自旋转移矩原理可知此时磁电阻单元各层磁化强度方向不发生变化。

可选的，请参考图1，当SAF层的翻转场未达到预设范围时，交换偏置层16还包括：偏置作用层163，偏置作用层163设置于第二钉扎层161与第二电极12之间，偏置作用层163使得第二钉扎层161获得偏置。本实施例中，当SAF层的翻转场未达到实际生产中的预设范围时，还可以再设置偏置作用层163，使第二钉扎层161获得偏置，从而保证SAF层的磁稳定性。同时，自旋间隔层162可以隔开钉扎层15与第二钉扎层161的磁耦合从而调节自旋间隔层162厚度来调节SAF层的磁化稳定性从而调节SAF层磁化翻转临界电流电流。

可选的，偏置作用层163包括图6a所示的反铁磁层1631；或者图6b所示的永磁层1632；或者图6c所示的非磁导电层1633及永磁层1632，非磁导电层1633设置于永磁层1632与第二钉扎层161之间。本实施例中，偏置作用层163既可以是反铁磁材料，也可以是永磁材料，或者在永磁层1632与第二钉扎层161之间还可以再设置一层非磁导电层1633，反铁磁层1631与第二钉扎层161的交换偏置效应使第二钉扎层161获得偏置，永磁层1632与第二钉扎层161间的静磁耦合作用使第二钉扎层161获得偏置，均可以达到相应的效果。

可选的，请参阅图7，磁电阻单元还包括：非磁金属层18，非磁金属层18设置在第二电极12中。本实施例中，在制造磁电阻单元时，可利用形状各向异性使SAF层获得长轴方向的磁各向异性从而调整SAF层的磁化稳定性，也可选用磁致伸缩系数负向越大的SAF层，在第二电极12中引入较高应力的非磁金属层18，这样在磁致伸缩效应下SAF层的磁各向异性朝应力方向就会越大，从而也可调整SAF层的磁化稳定性。

可选的，请参阅图8，磁电阻单元还包括侧面永磁层19，侧面永磁层19围绕设置于自由层13、第一势垒层17、参考层14、钉扎层15、交换偏置层16的侧面。本实施例中，引入的侧面永磁层19，可以减小磁电阻单元的磁性层中的边缘不稳定磁畴带来的噪声。在需要施加外部磁场时，也可以强化外部磁场的实施效果。

可选的，请参阅图9，当自由层13包括软磁材料，参考层14包括永磁材料或者硬磁材料时，对感测单元不施加外部磁场；磁电阻单元还包括耦合作用层201及第二参考层202，耦合作用层201与第二参考层202依次设置于参考层14与钉扎层15之间。本实施例中，参考层14通过耦合作用层201与第二参考层202耦合较弱，耦合作用层201的材料包括MgO，此时参考层14稳定性没有那么强，参考层14的磁化方向可以较为容易的被第二参考层202产生或者反射的极化电流翻转。第二参考层202起提供极化电流的作用，且第二参考层202配合钉扎层15反铁磁耦合构成SAF层有高稳定性，交换偏置层包括反铁磁层材料。

具体的，当电流从第二电极12流向第一电极11时，参考层14的磁化方向被第二参考层202反射的自旋极化电子作用使参考层14磁化方向与第二参考层202磁化方向相反；当电流从第一电极11流向第二电极12时，参考层14的磁化方向与被第二参考层202自旋极化的电子相互作用使参考层14的磁化方向与第二参考层202的磁化方向相同，这样我们也能通过不同的电流流向来设置参考层14的磁化方向。需要说明的是参考层14需要具有矩形M-H曲线、大矫顽力，且参考层14、耦合作用层201、第二参考层202的层间需要小的RA值，使得参考层14的磁化方向改变前后，参考层14/耦合作用层201/第二参考层202的磁阻变化对整个磁电阻单元输出曲线的影响最小。

本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体状况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种桥式磁阻传感器的制备方法，其特征在于，包括：

将若干磁电阻单元通过导电介质连接成半桥或全桥形式的感测单元；

所述磁电阻单元结构相同，至少包括：第一电极、第二电极，以及依次设置在所述第一电极、所述第二电极之间的自由层、参考层、钉扎层以及交换偏置层；

SAF层包括所述参考层和所述钉扎层；

当所述SAF层的净磁矩与所述交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，比所述SAF层中各层的自旋磁矩相互作用强时；

向所述感测单元通入外加电流，电流方向包括由磁电阻单元的所述第一电极流向所述第二电极的第一方向、以及由磁电阻单元的所述第二电极流向所述第一电极的第二方向，所述第一方向与所述第二方向相反；

当所述感测单元的磁电阻单元构成半桥时，所述外加电流以第一方向流过其中一个桥臂中的磁电阻单元，以第二方向流过另一个桥臂中的磁电阻单元，使得其中一个桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向与另一个桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反；

断开所述外加电流，完成桥式磁阻传感器的制备；

当所述SAF层的净磁矩与所述交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，比所述SAF层中各层的自旋磁矩相互作用弱时，对所述感测单元施加外部磁场，使所述自由层的磁化方向与所述交换偏置层的磁化方向相同；

向所述感测单元通入外加电流，电流方向包括由磁电阻单元的所述第一电极流向所述第二电极的第一方向、以及由磁电阻单元的所述第二电极流向所述第一电极的第二方向，所述第一方向与所述第二方向相反；

当所述感测单元的磁电阻单元构成半桥时，所述外加电流以第一方向流过其中一个桥臂中的磁电阻单元，以第二方向流过另一个桥臂中的磁电阻单元，使得其中一个桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向与另一个桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反；

断开所述外加电流，撤去所述施加外部磁场，完成桥式磁阻传感器的制备。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，当所述感测单元的磁电阻单元构成全桥时，所述全桥包括依次连接的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，所述外加电流流过所述第一桥臂中的磁电阻单元、所述第三桥臂中的磁电阻单元的所述电流方向相同，流过所述第二桥臂中的磁电阻单元、所述第四桥臂中的磁电阻单元的所述电流方向相同，但流过所述第一桥臂中的磁电阻单元、所述第二桥臂中的磁电阻单元的所述电流方向相反；

所述第一桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向与所述第三桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相同，所述第二桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向与所述四桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相同，所述第一桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向与所述第二桥臂中的磁电阻单元的参考层磁化方向相反。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：将每一个所述感测单元对应地制备在一块晶圆预先划分的区域中，根据所述SAF层的净磁矩与所述交换偏置层的净磁矩自旋相互作用，相比所述SAF层中各层的自旋磁矩相互作用，判断是否将所述晶圆整体放置在所述外部磁场中，同时对所述晶圆上的多个所述感测单元通入所述外加电流以制备桥式磁阻传感器。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磁电阻单元还包括：

第一势垒层，所述第一势垒层设置于所述自由层与所述参考层之间。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，当所述SAF层的翻转场达到预设范围时，所述交换偏置层包括：

自旋间隔层，所述自旋间隔层设置于所述钉扎层与所述第二电极之间；

第二钉扎层，所述第二钉扎层设置于所述自旋间隔层与所述第二电极之间。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，当所述SAF层的翻转场未达到预设范围时，所述交换偏置层还包括：

偏置作用层，所述偏置作用层设置于所述第二钉扎层与所述第二电极之间，所述偏置作用层使得所述第二钉扎层获得偏置。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述偏置作用层包括反铁磁层；或者永磁层；或者非磁导电层及永磁层，所述非磁导电层设置于所述永磁层与所述第二钉扎层之间。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述磁电阻单元还包括：

非磁金属层，所述非磁金属层设置在所述第二电极中。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述磁电阻单元还包括侧面永磁层，所述侧面永磁层围绕设置于所述自由层、所述第一势垒层、所述参考层、所述钉扎层、所述交换偏置层的侧面。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，当所述自由层包括软磁材料，所述参考层包括永磁材料或者硬磁材料时，对所述感测单元不施加所述外部磁场；

所述磁电阻单元还包括耦合作用层及第二参考层，所述耦合作用层与所述第二参考层依次设置于所述参考层与所述钉扎层之间；

所述交换偏置层包括反铁磁层材料。