CN117872232A - 磁敏传感器及其制备方法、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁敏传感器及其制备方法、电子设备。根据一实施例，一种磁敏传感器可包括：磁性多层膜结构，包括依次形成在衬底上的自由磁层、中间层和参考磁层，所述自由磁层在第一面内方向上具有比所述参考磁层更大的长度；绝缘层，形成在所述衬底上，并且覆盖所述磁性多层膜结构的侧壁以及所述自由磁层的未被所述参考磁层覆盖的部分的上表面；以及磁通聚集层，形成在所述绝缘层上，并且通过所述绝缘层与所述磁性多层膜结构间隔开。
Description
技术领域
本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种集成有磁通聚集功能的磁敏传感器，其能够改善传感器的灵敏度，并且还涉及这样的磁敏传感器的制备方法，以及包括这样的磁敏传感器的电子设备。
背景技术
磁敏传感器在数据存储、机械定位、速度检测、生物信号探测等领域都有广泛且重要的应用前景。早期的磁敏传感器主要包括基于霍尔效应的传感器和基于各向异性磁电阻(AMR)效应的传感器，然而这两类磁敏传感器的灵敏度都比较低。随着自旋电子学的发展，基于巨磁电阻(GMR)效应和隧穿磁电阻(TMR)效应的磁敏传感器得到了广泛的研究和应用，其主要原因是由于这两类磁敏传感器的磁场灵敏度较高，并且其生产工艺能和常规的半导体工艺相兼容，因此适于工业制造。
TMR传感器的主要性能指标包括灵敏度、噪声和线性度，在保证TMR传感器对外磁场响应的线性度的条件下，增强传感器探测能力主要通过增强传感器灵敏度以及降低传感器噪声这两种方式实现。TMR传感器中的噪声主要包括1/f噪声，理论上1/f噪声反比于磁敏传感器中的探测磁层的体积，因此可以通过增大探测磁层的体积来降低1/f噪声。然而，在通常的TMR传感器设计中，探测磁层位于中间势垒层上方，即磁性隧道结中的探测磁层位于纳米柱内，在增大其体积的同时会伴随着磁性隧道结电阻下降以及纳米柱内中间势垒层缺陷增多等问题。而且，通常TMR传感器的线性度是通过探测磁层的形状各向异性来实现，在磁体体积增大时形状各向异性降低，这会导致传感器线性度的损失。
发明内容
本发明提供一种磁敏传感器，其通过集成有磁通聚集功能而能够改善传感器的灵敏度。磁通聚集功能由二级磁通聚集器实现，其中磁性隧道结中的探测磁层(也称为自由磁层)被加工成磁通聚集器形状，用作第一级磁通聚集器，以增强探测磁层的磁矩对外磁场响应的灵敏度。此外，第二级磁通聚集器形成为磁性薄膜，其与探测磁层在平面内彼此交叠，但是在垂直方向上通过绝缘材料彼此间隔开。第二级磁通聚集器可以汇聚外磁场，并且将汇聚的外磁场引导至探测磁层，从而进一步增强探测磁层的磁矩对外磁场响应的灵敏度。本发明还提供一种制备该磁敏传感器的方法。
根据一示例性实施例，一种磁敏传感器可包括：磁性多层膜结构，包括依次形成在衬底上的自由磁层、中间层和参考磁层，所述自由磁层在第一面内方向上具有比所述参考磁层更大的长度；绝缘层，形成在所述衬底上，并且覆盖所述磁性多层膜结构的侧壁以及所述自由磁层的未被所述参考磁层覆盖的部分的上表面；以及磁通聚集层，形成在所述绝缘层上，并且通过所述绝缘层与所述磁性多层膜结构间隔开。
在一示例中，在所述第一面内方向上，所述磁通聚集层延伸得与所述自由磁层彼此交叠，并且与所述参考磁层间隔开；在与层平面垂直的方向上，所述磁通聚集层通过所述绝缘层与所述自由磁层间隔开。
在一示例中，所述绝缘层的被所述磁通聚集层覆盖的部分与未被所述磁通聚集层覆盖的部分相比，具有更低的上表面高度，以使得所述磁通聚集层更靠近所述自由磁层。
在一示例中，所述自由磁层包括：与所述参考磁层对应的中心部分；以及在所述第一面内方向上位于所述中心部分两侧的扩展部分，在与层平面垂直的方向上所述扩展部分未被所述参考磁层覆盖。
在一示例中，在与所述第一面内方向垂直的第二面内方向上，所述自由磁层的扩展部分具有比中心部分更大的宽度。
在一示例中，在所述第二面内方向上，所述磁通聚集层的宽度大于或等于所述自由磁层的扩展部分的宽度。
在一示例中，所述磁通聚集层的远离所述磁性多层膜结构的部分具有比靠近所述磁性多层膜结构的部分更大的宽度。
在一示例中，所述绝缘层具有暴露所述磁性多层膜结构的顶表面的至少一部分的开口，所述磁敏传感器还包括通过所述开口连接到所述磁性多层膜结构的顶电极层。所述第一面内方向是所述磁敏传感器的测量方向，所述参考磁层的磁矩方向设置为平行或反平行于所述第一面内方向，所述自由磁层的初始磁矩方向设置为垂直于所述第一面内方向。
根据另一示例性实施例，一种磁敏传感器的制备方法可包括：在衬底上依次形成自由磁层、中间层和参考磁层，获得磁性多层膜结构；利用第一掩模图案蚀刻所述参考磁层、所述中间层和所述自由磁层；利用第二掩模图案蚀刻所述参考磁层，使得所述自由磁层在第一面内方向上具有比所述参考磁层更大的长度；形成绝缘层以覆盖所述衬底、所述磁性多层膜结构的侧壁以及所述自由磁层的未被所述参考磁层覆盖的部分的上表面；以及在所述绝缘层上形成磁通聚集层，所述磁通聚集层通过所述绝缘层与所述磁性多层膜结构间隔开。
在一示例中，在所述第一面内方向上，所述磁通聚集层延伸得与所述自由磁层彼此交叠，并且与所述参考磁层间隔开；在与层平面垂直的方向上，所述磁通聚集层通过所述绝缘层与所述自由磁层间隔开。
在一示例中，所述方法还包括：利用第三掩模图案蚀刻所述绝缘层，以在所述绝缘层中形成暴露所述磁性多层膜结构的至少一部分顶表面的开口；在所述绝缘层上形成第四掩模图案，所述第四掩模图案定义顶电极层的形状并且暴露所述绝缘层中的开口；沉积顶电极层；以及去除所述第四掩模图案以及所述顶电极层的位于所述第四掩模图案上的部分，留下所述顶电极层的位于所述绝缘层上并且通过所述绝缘层中的开口连接到所述磁性多层膜结构的顶表面的部分。
在一示例中，在所述绝缘层上形成所述磁通聚集层包括：形成第五掩模图案以覆盖所述顶电极层，在所述第一面内方向上所述第五掩模图案的边缘位于所述自由磁层的边缘与所述参考磁层的边缘之间；沉积所述磁通聚集层；去除所述第五掩模图案以及所述磁通聚集层的位于所述第五掩模图案上的部分，留下所述磁通聚集层的位于所述绝缘层上的部分，从而所形成的磁通聚集层在所述第一面内方向上与所述自由磁层交叠，与所述参考磁层间隔开。
在一示例中，所述方法还包括：在沉积所述磁通聚集层之前，利用所述第五掩模图案蚀刻所述绝缘层，使得所述绝缘层的被蚀刻部分的上表面更接近所述自由磁层。
在一示例中，所述第一掩模图案定义所述自由磁层的形状，使得所述自由磁层包括中心部分以及在所述第一面内方向上位于所述中心部分两侧的扩展部分。所述第二掩模图案定义所述参考磁层的形状，使得所述参考磁层对应于所述自由磁层的中心部分，而不覆盖所述自由磁层的扩展部分。
在一示例中，在与所述第一面内方向垂直的第二面内方向上，所述自由磁层的扩展部分具有比中心部分更大的宽度。
在一示例中，所述第五掩模图案定义所述磁通聚集层的形状，使得在所述第二面内方向上，所述磁通聚集层的宽度大于或等于所述自由磁层的扩展部分的宽度。
在一示例中，所述磁通聚集层的远离所述磁性多层膜结构的部分具有比靠近所述磁性多层膜结构的部分更大的宽度。
本发明还提供一种包括上述磁敏传感器的电子设备。
本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明一示例性实施例的磁敏传感器的结构示意图。
图2A-2E是根据本发明一些示例性实施例的自由磁层的平面形状示意图。
图3A和3B是根据本发明一些示例性实施例的磁敏传感器的示意性俯视图。
图4A-4C是根据本发明一些示例性实施例的磁敏传感器中使用的磁性隧道结的层结构示意图。
图5A-5I是根据本发明一示例性实施例的磁敏传感器的制备方法的示意图。
图6A-6C是根据本发明另一示例性实施例的磁敏传感器的制备方法的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的示例性实施例。注意，附图可以不是按比例绘制的。
图1示出根据本发明一示例性实施例的磁敏传感器的结构示意图。如图1所示，磁敏传感器包括依次形成在衬底101上的种子层102、自由磁层104、中间层106、参考磁层108、覆盖层110和顶电极层114。
衬底101可以是任意合适的衬底，其示例包括但不限于例如Si衬底、SiC衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、玻璃衬底、石英衬底、蓝宝石衬底、聚合物衬底等。衬底101可以具有适当的厚度，例如0.2-2mm。
种子层102也可称为缓冲层，其为上面的自由磁层104提供良好的界面，以提高形成的自由磁层104的薄膜质量。因此，可以根据自由磁层104的材料来选择合适的材料用于形成种子层102。一般而言，可以使用非磁金属(包括合金)材料形成种子层102，其示例包括但不限于例如Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Pd、Cu、CuN等。种子层102可形成为单层，也可以形成为多层，例如可形成为非磁金属和磁性金属材料的复合多层结构。种子层102的厚度一般可以在例如2-200nm的范围。
虽然未示出，但是衬底101和种子层102之间还可以形成有底电极层，或者种子层102本身可以用作底电极。当种子层102用作底电极时，其可以具有较大的厚度，例如可达到微米级的厚度。
自由磁层104和参考磁层108都可以由铁磁材料形成，其中参考磁层108的磁矩被固定，自由磁层104的磁矩可以随外磁场而旋转。因为传感器电阻与自由磁层104和参考磁层108的磁矩方向夹角的余弦值成比例，所以可以通过检测传感器的电阻来测量特定方向上的外磁场大小。可以通过各种方式来固定参考磁层108的磁矩，例如可以采用直接钉扎结构或者间接钉扎结构。直接钉扎是指反铁磁材料(AFM)形成的钉扎层直接和被钉扎的铁磁层(FM)接触，简写为AFM/FM，间接钉扎是指在反铁磁材料层AFM和铁磁层FM之间还插入一层薄的非磁金属层(NM)，可简写为AFM/NM/FM，或者在二者之间插入复合层NM/FM，简写为AFM/FM1/NM/FM2。通过在AFM层和FM层之间加入插入NM层或者NM/FM复合层，并且还可以调节插入层的厚度，可以有效调控AFM钉扎层对FM层的钉扎效果。此外，参考磁层108也可以采用自钉扎结构来固定其磁矩方向，例如可以使用具有较高矫顽力的铁磁材料来形成参考磁层108，或者将参考磁层108形成为人工反铁磁(SAF)结构，SAF结构包括FM1/NM/FM2，其中两个铁磁层FM1和FM2通过非磁耦合层NM而彼此反铁磁(即反平行)耦合，由此可以减小外磁场对SAF结构的磁矩的影响，达到固定其磁矩方向的效果。SAF还具有小的净磁矩，减小了其磁矩对附近的自由磁层104的影响，改善了传感器灵敏度，因此是优选的。
基于磁敏传感器的原理可以理解，参考磁层108的磁矩方向定义磁敏传感器的磁场检测方向(平行或反平行)。在一些实施例中，自由磁层104的初始磁矩方向可以垂直于磁场检测方向，也就是垂直于参考磁层108的磁矩方向，这有助于提高外磁场作用在自由磁层104的磁矩上的转矩，从而提高自由磁层104对外磁场响应的灵敏度。自由磁层104也称为探测磁层，可以通过多种方法来设置其初始磁化方向，例如可利用形状各向异性、磁场退火处理、或钉扎结构(直接钉扎或间接钉扎)，这些都是现有技术中已知的，这里不再详细描述。
用于形成自由磁层104和参考磁层108的铁磁材料的示例包括但不限于：自旋极化率较高的铁磁金属材料，例如Co、Fe、Ni或者它们的合金，例如CoFe、CoFeB、NiFeCr、NiFe、CoFeBSi、CoFeBTa等；稀磁半导体材料，例如GaMnAs、GaMnN等；半金属材料，例如CoMnSi、CoFeAl、CoFeSi、CoMnAl、CoFeAlSi、CoMnGe、CoMnGa、CoMnGeGa、La1-xSrxMnO3、La1-xCaxMnO3，其中0＜X＜1。应理解，可用于形成自由磁层104和参考磁层108的铁磁材料不限于上面描述的示例，而是可包括现有技术中使用的或者未来开发的可用于形成巨磁致电阻(GMR)自旋阀结构或者磁性隧道结(MTJ)中的铁磁层的任何铁磁材料。此外，可以根据所使用的材料来选择自由磁层104和参考磁层108的厚度，一般在0.5nm至20nm的范围内，并且参考磁层108可以具有比自由磁层104更大的厚度。
中间层106可以是非磁金属层或非磁绝缘势垒层。当中间层106为非磁金属层时，所形成的磁性多层膜结构是用于GMR器件的多层膜结构，该非磁金属层可包括Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或它们的合金，厚度可以为1-5nm；当中间层106为非磁绝缘势垒层时，所形成的磁性多层膜结构是用于TMR器件的多层膜结构，该非磁绝缘势垒层可包括Al2O3、MgO、MgAl2O4、ZnAl2O4、SiAl2O4、SiZn2O4、MgZnO、AlN、Alq3、Ta2O5、ZnO、HfO2、TiO2、LB有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs等，优选MgO、Al2O3、MgAl2O4、MgZnO、AlN、Alq3、LB有机复合薄膜，厚度可以为0.5-5nm。
覆盖层110为具有良好的导电性并且不易被氧化的金属层，以保护下方的磁性多层膜结构不被氧化和腐蚀。覆盖层110可包括单层或者多层复合金属薄膜，其材料示例包括但不限于Ta、Cu、Al、Ru、Au、Ag、Pt等，厚度可以为2-50nm。
顶电极层114为具有良好的导电性的金属层，例如Cu、Al、Ag等。可以理解，顶电极层114同样可以保护下方的磁性多层膜结构不被氧化和腐蚀，因此在一些实施例中覆盖层110可以被省略。
如图1所示，至少在外磁场检测方向上，图1中为左右方向，自由磁层104具有比参考磁层108更大的尺寸，从而自由磁层104可以形成为第一级磁通聚集器，并且和第二级磁通聚集器相交叠，这将在后面详细描述。虽然图1示出了中间层106的尺寸和参考磁层108相同，但是在另一些实施例中，中间层106的尺寸可以和自由磁层104相同，即大于参考磁层108的尺寸。
绝缘层112可以形成在磁敏传感器的磁性多层膜结构的两侧，并且覆盖磁性多层膜结构的侧壁。绝缘层112可以由非磁绝缘材料例如SiO2形成，其厚度可以大于种子层102和自由磁层104的厚度之和，从而绝缘层112可以覆盖自由磁层104的比参考磁层108更大的部分的上表面。绝缘层112可以具有更大的尺寸，例如其上表面可以与覆盖层110平齐或者比覆盖层110更高。
磁通聚集层116形成在绝缘层112上，位于磁性多层膜结构的两侧，并且通过绝缘层112与磁性多层膜结构分隔开。磁通聚集层116可以由铁磁材料形成，例如用于形成自由磁层104的那些铁磁材料，优选具有较低矫顽力的软铁磁材料，并且可以具有1-200nm的厚度，或者也可以具有更大的厚度。在外磁场检测方向上(图1所示的左右方向)，磁通聚集层116可以和自由磁层104彼此交叠，和参考磁层108间隔开。应注意，附图不是按比例绘制的，磁通聚集层116和参考磁层108之间的间隔距离可以达到微米甚至上百微米的量级，从而磁通聚集层116汇聚的磁通基本全部作用在自由磁层104上，而对参考磁层108的影响很小。在与层平面垂直的方向上，磁通聚集层116通过绝缘层112与自由磁层104分隔开，从而避免对磁性多层膜结构中流过的感测电流产生影响。磁通聚集层116用作前述第二级磁通聚集器，其将外磁场汇聚到磁敏传感器的磁性多层膜结构附近，自由磁层104用作第一级磁通聚集器，其聚集来自磁通聚集层116的磁场，并且检测磁场的大小。在图1所示的结构中，由于采用了自由磁层104和磁通聚集层116形成的二级磁通聚集结构，并且自由磁层104和磁通聚集层116在外磁场检测方向上彼此交叠，所以可以充分聚集外磁场，提高磁敏传感器的灵敏度。
图2A-2E示出了根据本发明一些示例性实施例的自由磁层104的平面形状示意图，其中图示的左右方向为外磁场检测方向。如图2A所示，自由磁层104可包括中心部分10和位于中心部分10两侧的扩展部分12。中心部分10可以基本上对应于参考磁层108，扩展部分12可以具有比中心部分更大的宽度，以便于汇聚外磁场，并且其宽度逐渐线性缩小到中心部分10的宽度，从而将外磁场汇聚到其中心部分10处，由此提高了中心部分10处的磁场强度。图2B和图2C所示的结构与图2A类似，区别之处在于，图2B所示的扩展部分12具有内凹曲线形状的宽度缩小部分，图2C所示的扩展部分12具有外凸曲线形状的宽度缩小部分，不同于图2A所示的宽度线性缩小部分。在图2D中，扩展部分12的宽度可以直接减小到中心部分10的宽度；在图2E中，中心部分10和扩展部分12可以具有相同的宽度。应理解，图2A-2E所示的仅是示例，自由磁层104也可以具有其他磁通汇聚形状。
图3A和3B是根据本发明一些示例性实施例的磁敏传感器的示意性俯视图，其中示出了自由磁层104和磁通聚集层116之间的交叠结构。先参照图3A可以看出，参考磁层108位于自由磁层104的中心部分处，磁通聚集层116可具有矩形形状，在自由磁层104的两侧与自由磁层104的扩展部分交叠，但是在垂直方向上二者分隔开(见图1)。图3B与图3A的区别之处在于，磁通聚集层116可具有喇叭形状，其远离自由磁层104的一端可具有更大的宽度，从而聚集更多外磁场。图3A和3B以及图1都没有示出底电极，但是应理解，底电极可以在磁性多层膜结构的底部沿任意方向延伸，从而可以利用底电极和顶电极114施加垂直流过磁性多层膜结构的检测电流。
基于上述结构的磁敏传感器的磁噪声反比于探测磁层(也就是自由磁层)的磁体体积，增大探测磁层体积可以有效减小传感器磁噪声。可以理解，如果将探测磁层设置在中间层上方，参考磁层设置在中间层下方，那么在中间层的薄膜质量、传感器整体电阻值、以及器件体积等诸多因素的限制下，磁性多层膜结构的体积(尤其是面内尺寸)不能随意增大，因此难以通过增加探测磁层体积的方式来减小传感器磁噪声。但是基于图1以及图3A-3B所示的传感器设计，探测磁层位于参考磁层下方的传感器底部，其体积相对于位于参考磁层上方的纳米柱中时可以增加2-4个数量级，从而起到抑制传感器噪声的效果。
还可以理解，磁传感器的灵敏度很大程度上取决于探测磁层的磁矩随外磁场旋转的灵敏度，为了实现更高的灵敏度，上述磁敏传感器设计采用了外加磁通聚集器的办法，使探测磁层附近的等效磁场增大，增大的倍数称为磁通聚集器的增益。当探测磁层位于磁性多层膜结构的纳米柱中时，受纳米柱限制，磁通聚集器位于纳米柱两侧，不可避免地在聚集磁通方向上与探测磁层之间存在间隙，间隙中磁通量的损失限制了磁通聚集器的增益。而在本发明的磁敏传感器设计中，探测磁层位于传感器底部，从而在磁敏方向上探测磁层与磁通聚集器可以无间隙地连接，以实现更大增益，从而提高了传感器灵敏度。
应理解，本发明的磁敏传感器的多层膜结构不限于图1所示的结构，而是可以灵活地采用其他结构，一些可用于磁敏传感器的磁性多层膜结构示例示于图4A-4C中。首先参照图4A，其与图1的区别之处在于，还包括用于钉扎自由磁层104的磁矩的第一钉扎层103，其位于种子层102和自由磁层104之间，以及用于钉扎参考磁层108的磁矩的第二钉扎层109，其位于参考磁层108与覆盖层110之间。第一钉扎层103和第二钉扎层109可以由反铁磁金属(包括合金)材料形成，例如PtMn、IrMn、FeMn和NiMn等，其厚度可以为2-40nm。优选地，自由磁层104和第一钉扎层103之间的交换偏置强度低于参考磁层108和第二钉扎层109之间的交换偏置强度，使得当在外磁场作用下自由磁层104的磁矩旋转时，参考磁层108的磁矩稳定在检测方向上，从而有利于获得线性输出特性。在一实施例中，第一钉扎层103可以被省略，仅使用第二钉扎层109来钉扎参考磁层108的磁矩。当自由磁层104和参考磁层108均采用钉扎结构时，第一钉扎层103的布洛赫温度优选不同于第二钉扎层109的布洛赫温度，从而可以通过不同温度的磁场退火工艺来设置反铁磁层的磁矩钉扎方向。
图4B所示的结构与图4A基本相同，除了在第一钉扎层103和自由磁层104之间还插入了非磁金属层111之外。非磁金属层111由非磁金属(包括合金)材料形成，例如Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或它们的合金，其厚度可以为0.1-5nm。非磁金属层111可以减小自由磁层104和第一钉扎层103之间的交换偏置强度，使得当没有外磁场时，自由磁层104的磁矩被偏置在与外磁场检测方向垂直的方向上，当存在外磁场时，自由磁层104的磁矩可以随外磁场而自由旋转。如图4B所示，在参考磁层108和第二钉扎层109之间可以没有非磁金属层，从而参考磁层108和第二钉扎层109之间的交换偏置强度大于自由磁层104和第一钉扎层103之间的交换偏置强度。
图4C所示的结构与图4A相比，主要区别点在于自由磁层104和参考磁层108每个都采用了人工反铁磁SAF结构。具体而言，自由磁层104包括依次形成的第一铁磁层104a、第一耦合层104b和第二铁磁层104c，其中第一耦合层104b诱导第一铁磁层104a和第二铁磁层104c反铁磁耦合。参考磁层108包括依次形成的第三铁磁层108a、第二耦合层108b和第四铁磁层108c，其中第二耦合层108b诱导第三铁磁层108a和第四铁磁层108c反铁磁耦合。SAF结构以及其用作自由磁层和参考磁层都是本领域已知的，这里不再详细描述。
图5A-5I示出根据本发明一示例性实施例的磁敏传感器的制备方法的示意图。首先参照图5A，在衬底101上依次形成种子层102、自由磁层104、中间层106、参考磁层108和覆盖层110，例如可以通过磁控溅射、物理气相沉积、脉冲激光沉积等工艺形成各个层。然后，可以在磁性多层膜上形成第一掩模图案202，例如可以通过旋涂光刻胶、烘干、曝光、显影等工艺实现。第一掩模图案202可以定义磁敏传感器的探测磁层(即自由磁层)的形状。
利用图5A所示的第一掩模图案202对下面的磁性多层膜结构进行蚀刻，例如可以采用诸如反应离子蚀刻、等离子体蚀刻等干法工艺进行，直到自由磁层104和种子层102都被蚀刻。当种子层102下方还有底电极层时，可以采用额外的步骤来蚀刻底电极层；当种子层102本身还用作底电极层时，可以利用第一掩模图案202只蚀刻到自由磁层104，而采用额外的步骤来蚀刻种子层102以获得底电极形状。
然后，去除第一掩模图案202，在蚀刻获得的结构上形成第二掩模图案204，如图5B所示。第二掩模图案204可定义磁敏传感器中的参考磁层108的形状。利用第二掩模图案204执行蚀刻步骤，蚀刻覆盖层110、参考磁层108和中间层106，获得图5C所示的结构。在一些实施例中，可以只蚀刻到参考磁层108，而中间层106可以保持为与自由磁层104相同的形状。
然后去除第二掩模图案204，在所得结构上沉积绝缘层112以覆盖衬底101和其上的磁性多层膜结构。可以采用毯式沉积工艺来形成绝缘层112，并且执行平坦化步骤以获得平坦的上表面。然后，可以在绝缘层112上形成第三掩模图案206，得到图5D所示的结构。第三掩模图案206具有对准磁性多层膜结构的纳米柱(或者说对准覆盖层110、参考磁层108和中间层106)的开口。
利用第三掩模图案206对绝缘层112进行蚀刻，形成暴露覆盖层110的上表面的开口。然后，去除第三掩模图案206，在绝缘层112上形成第四掩模图案208，得到图5E所示的结构。第四掩模图案208具有暴露绝缘层112中的开口并且比其更大的开口。
在图5E所示的结构上采用定向沉积工艺形成顶电极层114，如图5F所示。由于采用了定向沉积工艺，并且第四掩模图案208具有较大的厚度，所以在第四掩模图案208的开口侧壁处，顶电极层114断开(不连续)，暴露了一部分开口侧壁。
然后，可以去除第四掩模图案208以及其上的顶电极层114，这也称为浮脱(liftoff)工艺，留下掩模开口中的顶电极层114。在所得结构上形成第五掩模图案210，其完全覆盖顶电极层114的顶表面及相对两侧，如图5G所示。
继续参照图5H，可以采用定向沉积工艺在所得结构上沉积磁通聚集层116，得到图5H所示的结构。可以理解，在外磁场检测方向上(图中为左右方向)，自由磁层104具有比纳米柱(或者说参考磁层108)更大的尺寸，并且具有比第五掩模图案210更大的尺寸，所以位于绝缘层112上的磁通聚集层116可以和自由磁层104彼此交叠，而在垂直方向上它们被绝缘层112隔离开。
然后，去除第五掩模图案210以及位于其上的磁通聚集层116，留下位于绝缘层112上的磁通聚集层116，获得图5I所示的结构。
上面简要描述了制备过程中的主要步骤，可以理解，还可以包括额外的步骤或细节，例如当自由磁层104和参考磁层108都包括反铁磁钉扎结构时，还可以执行不同温度下的磁场热退火工艺来设置钉扎方向。这里不追求对所有的步骤和细节做出穷尽性的详细描述。
图6A-6C示出根据本发明另一示例性实施例的磁敏传感器的制备方法的示意图，其可以接续图5G所示的结构来执行。首先参照图6A，利用第五掩模图案210执行对绝缘层112的蚀刻，以降低绝缘层112的厚度，使其上表面低于覆盖层110或者参考磁层108的上表面，但是仍高于自由磁层104的上表面。
然后，参照图6B，在所得结构上采用定向沉积工艺沉积磁通聚集层116。由于第五掩模图案210与绝缘层112之间的高度差，位于绝缘层112上的磁通聚集层116与位于第五掩模图案210上的磁通聚集层116彼此断开(不连续)。然后，去除第五掩模图案210以及位于其上的磁通聚集层116，留下位于绝缘层112上的磁通聚集层116，获得图6C所示的结构。
与图5I相比，在图6C所示的磁敏传感器结构中，磁通聚集层116更加靠近自由磁层104，因此能够进一步减小二者之间的磁通损失，提高磁通聚集器增益，从而改善磁敏传感器的灵敏度。
本发明的示例性实施例还提供包括上述磁敏传感器的电子设备，例如智能手机、平板计算机、穿戴式电子设备、车载电子设备等。
除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包含”、“包含了”、“包括”、“包括了”等应以包含性的含义来解释，而不是排他性的或穷举的意味。也就是说，意义为“包括但不限于”。本文通常使用的“连接”一词指的是可直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或多个元件。如本文通常所使用的，词语“连接”是指可直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。此外，当在本申请中使用时，词语“本文”、“上方”，“下方”和类似含义的词语应当指的是本申请的整体而不是指本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，词语“或”是指两个或多个项目的列表，该词语涵盖了该词语的以下所有解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中的项目的任意组合。
此外，除非另有具体说明或者在所使用的上下文中以其他方式理解，否则本文使用的条件语言，例如“能够”、“可以”、“可能”、“可”、“例如”、“举例来说”、“诸如”等等通常旨在表达某些实施例包括，而其他实施例不包括某些特征、元件和/或状态。因此，这种条件语言通常不旨在暗示一个或多个实施例以任何方式需要特征、元件和/或状态，或者一个或多个实施例必须包括用于在具有或不具有作者输入或提示的情况下作出决定的逻辑，该逻辑决定这些特征、元件和/或状态包括在任何特定实施例中或将在任何特定实施例中执行。
虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅以示例的方式呈现，并且不旨在限制本公开的范围。实际上，本文描述的新颖设施、方法和系统可以以各种其他形式体现；此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文描述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。例如，虽然以给定布置呈现块，但是替代实施例可以执行与不同部件和/或电路拓扑类似的功能，并且可删除、移动、添加、细分、组合和/或修改一些块。这些块中的每一个可以以各种不同的方式实现。可组合上述各种实施例的元件和动作的任何合适组合以提供进一步的实施例。所附权利要求及它们的等同物旨在覆盖落入本公开的范围和精神内的这些形式或修改。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (18)
1.一种磁敏传感器，包括：
磁性多层膜结构，包括依次形成在衬底上的自由磁层、中间层和参考磁层，所述自由磁层在第一面内方向上具有比所述参考磁层更大的长度；
绝缘层，形成在所述衬底上，并且覆盖所述磁性多层膜结构的侧壁以及所述自由磁层的未被所述参考磁层覆盖的部分的上表面；以及
磁通聚集层，形成在所述绝缘层上，并且通过所述绝缘层与所述磁性多层膜结构间隔开。
2.如权利要求1所述的磁敏传感器，其中，在所述第一面内方向上，所述磁通聚集层延伸得与所述自由磁层彼此交叠，并且与所述参考磁层间隔开，
在与层平面垂直的方向上，所述磁通聚集层通过所述绝缘层与所述自由磁层间隔开。
3.如权利要求1所述的磁敏传感器，其中，所述绝缘层的被所述磁通聚集层覆盖的部分与未被所述磁通聚集层覆盖的部分相比，具有更低的上表面高度，以使得所述磁通聚集层更靠近所述自由磁层。
4.如权利要求1所述的磁敏传感器，其中，所述自由磁层包括：
与所述参考磁层对应的中心部分；以及
在所述第一面内方向上位于所述中心部分两侧的扩展部分，在与层平面垂直的方向上所述扩展部分未被所述参考磁层覆盖。
5.如权利要求4所述的磁敏传感器，其中，在与所述第一面内方向垂直的第二面内方向上，所述自由磁层的扩展部分具有比中心部分更大的宽度。
6.如权利要求4所述的磁敏传感器，其中，在所述第二面内方向上，所述磁通聚集层的宽度大于或等于所述自由磁层的扩展部分的宽度。
7.如权利要求6所述的磁敏传感器，其中，所述磁通聚集层的远离所述磁性多层膜结构的部分具有比靠近所述磁性多层膜结构的部分更大的宽度。
8.如权利要求1-7中的任一项所述的磁敏传感器，其中，所述绝缘层具有暴露所述磁性多层膜结构的顶表面的至少一部分的开口，所述磁敏传感器还包括通过所述开口连接到所述磁性多层膜结构的顶电极层，
所述第一面内方向是所述磁敏传感器的测量方向，所述参考磁层的磁矩方向设置为平行或反平行于所述第一面内方向，所述自由磁层的初始磁矩方向设置为垂直于所述第一面内方向。
9.一种磁敏传感器的制备方法，包括：
在衬底上依次形成自由磁层、中间层和参考磁层，获得磁性多层膜结构；
利用第一掩模图案蚀刻所述参考磁层、所述中间层和所述自由磁层；
利用第二掩模图案蚀刻所述参考磁层，使得所述自由磁层在第一面内方向上具有比所述参考磁层更大的长度；
形成绝缘层以覆盖所述衬底、所述磁性多层膜结构的侧壁以及所述自由磁层的未被所述参考磁层覆盖的部分的上表面；以及
在所述绝缘层上形成磁通聚集层，所述磁通聚集层通过所述绝缘层与所述磁性多层膜结构间隔开。
10.如权利要求9所述的方法，其中，在所述第一面内方向上，所述磁通聚集层延伸得与所述自由磁层彼此交叠，并且与所述参考磁层间隔开，
在与层平面垂直的方向上，所述磁通聚集层通过所述绝缘层与所述自由磁层间隔开。
11.如权利要求9所述的方法，还包括：
利用第三掩模图案蚀刻所述绝缘层，以在所述绝缘层中形成暴露所述磁性多层膜结构的至少一部分顶表面的开口；
在所述绝缘层上形成第四掩模图案，所述第四掩模图案定义顶电极层的形状并且暴露所述绝缘层中的开口；
沉积顶电极层；以及
去除所述第四掩模图案以及所述顶电极层的位于所述第四掩模图案上的部分，留下所述顶电极层的位于所述绝缘层上并且通过所述绝缘层中的开口连接到所述磁性多层膜结构的顶表面的部分。
12.如权利要求11所述的方法，其中，在所述绝缘层上形成所述磁通聚集层包括：
形成第五掩模图案以覆盖所述顶电极层，在所述第一面内方向上所述第五掩模图案的边缘位于所述自由磁层的边缘与所述参考磁层的边缘之间；
沉积所述磁通聚集层；
去除所述第五掩模图案以及所述磁通聚集层的位于所述第五掩模图案上的部分，留下所述磁通聚集层的位于所述绝缘层上的部分，从而所形成的磁通聚集层在所述第一面内方向上与所述自由磁层交叠，与所述参考磁层间隔开。
13.如权利要求11所述的方法，还包括：
在沉积所述磁通聚集层之前，利用所述第五掩模图案蚀刻所述绝缘层，使得所述绝缘层的被蚀刻部分的上表面更接近所述自由磁层。
14.如权利要求9所述的方法，其中，所述第一掩模图案定义所述自由磁层的形状，使得所述自由磁层包括中心部分以及在所述第一面内方向上位于所述中心部分两侧的扩展部分，
所述第二掩模图案定义所述参考磁层的形状，使得所述参考磁层对应于所述自由磁层的中心部分，而不覆盖所述自由磁层的扩展部分。
15.如权利要求14所述的方法，其中，在与所述第一面内方向垂直的第二面内方向上，所述自由磁层的扩展部分具有比中心部分更大的宽度。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述第五掩模图案定义所述磁通聚集层的形状，使得在所述第二面内方向上，所述磁通聚集层的宽度大于或等于所述自由磁层的扩展部分的宽度。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述磁通聚集层的远离所述磁性多层膜结构的部分具有比靠近所述磁性多层膜结构的部分更大的宽度。
18.一种电子设备，包括权利要求1-8中的任一项所述的磁敏传感器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410051691.1A CN117872232A (zh) | 2024-01-12 | 2024-01-12 | 磁敏传感器及其制备方法、电子设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410051691.1A CN117872232A (zh) | 2024-01-12 | 2024-01-12 | 磁敏传感器及其制备方法、电子设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117872232A true CN117872232A (zh) | 2024-04-12 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410051691.1A Pending CN117872232A (zh) | 2024-01-12 | 2024-01-12 | 磁敏传感器及其制备方法、电子设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117872232A (zh) |
-
2024
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