TW202324801A - 磁阻式感測器及其製造方法 - Google Patents

磁阻式感測器及其製造方法 Download PDF

Info

Publication number
TW202324801A
TW202324801A TW110145567A TW110145567A TW202324801A TW 202324801 A TW202324801 A TW 202324801A TW 110145567 A TW110145567 A TW 110145567A TW 110145567 A TW110145567 A TW 110145567A TW 202324801 A TW202324801 A TW 202324801A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
magnetoresistive
layer
magneto
layers
reference layer
Prior art date
Application number
TW110145567A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI815237B (zh
Inventor
賴志煌
李佳璋
顏俞申
Original Assignee
國立清華大學
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國立清華大學 filed Critical 國立清華大學
Priority to TW110145567A priority Critical patent/TWI815237B/zh
Priority to US17/580,645 priority patent/US20230176149A1/en
Publication of TW202324801A publication Critical patent/TW202324801A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI815237B publication Critical patent/TWI815237B/zh

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0005—Geometrical arrangement of magnetic sensor elements; Apparatus combining different magnetic sensor types
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/30—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE]
    • H01F41/302—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F41/303—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices with exchange coupling adjustment of magnetic film pairs, e.g. interface modifications by reduction, oxidation
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N59/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one galvanomagnetic or Hall-effect element covered by groups H10N50/00 - H10N52/00

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Magnetic Heads (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Abstract

本發明提供一種磁阻式感測器及其製造方法。所述方法包括：形成環形的初始參考層，其中初始參考層包括反鐵磁層與鐵磁層；對初始參考層進行熱處理，其中在熱處理的升溫期間鐵磁層產生沿渦形路徑定向的磁化方向，且其中在熱處理的降溫期間反鐵磁層與鐵磁層的介面處產生沿渦形路徑定向的交換偏壓；將初始參考層圖案化為彼此分離的多個參考層，其中多個參考層分別為扇環狀，且多個參考層沿著所述渦形路徑排列；形成多個間隔層以及多個自由層，以形成多個磁阻元件；以及對多個磁阻元件進行繞線。

Description

磁阻式感測器及其製造方法
本發明是有關於一種磁性感測器及其製造方法，且特別是有關於一種磁阻式感測器及其製造方法。
隨著物聯網（Internet of Things，IoT）與工業4.0的發展，對於各種感測器的需求不斷地提高。由於磁阻式感測器具有低功耗、低成本以及不易受到外在環境影響的特性，其廣泛地取代光學感測器。舉例而言，磁阻式感測器可包括運用異向性磁阻（anisotropic magnetoresistance，AMR）元件的磁阻式感測器、運用巨磁阻（giant magnetoresistance，GMR）元件的磁阻式感測器或是運用穿遂式磁阻（tunneling magnetoresistance，TMR）元件的磁阻式感測器。
然而，對於運用不同相位差的磁阻元件之組合的磁阻式感測器而言，難以透過簡單的製程來進行大量生產。詳而言之，GMR元件與TMR元件之參考方向為參考層之磁化方向，而此磁化方向是由製造期間的場冷卻（field cooling）步驟中所施加的磁場之方向所決定。因此，在單一製程期間僅能製作具有相同磁化方向的GMR元件或TMR元件。若要製造參考方向彼此不同的GMR元件或TMR元件，則需要額外的製程步驟，而可能大幅增加製程複雜度。
本發明的一態樣提供一種磁阻式感測器的製造方法，包括：形成環形的初始參考層，其中所述初始參考層包括彼此接觸的反鐵磁層與鐵磁層；對所述初始參考層進行熱處理，其中在所述熱處理的升溫過程期間所述鐵磁層產生沿渦形路徑定向的磁化方向，且其中在所述熱處理的降溫過程期間所述反鐵磁層與所述鐵磁層的介面處產生沿所述渦形路徑定向的交換偏壓；將所述初始參考層圖案化為彼此分離的多個參考層，其中所述多個參考層分別為扇環狀，且所述多個參考層沿著所述渦形路徑排列；形成多個間隔層以及多個自由層，以形成多個磁阻元件，其中所述多個磁阻元件分別包括由所述多個間隔層的一者分隔開的所述多個參考層的一者以及所述多個自由層的一者；以及對所述多個磁阻元件進行繞線。
在一些實施例中，所述初始參考層經形成為閉環結構。
在一些實施例中，所述初始參考層經形成為開環結構。
在一些實施例中，所述初始參考層經形成為圓環結構或多邊形環結構。
在一些實施例中，在所述熱處理的所述降溫過程期間不對所述初始參考層施加外加磁場。
在一些實施例中，在所述熱處理的所述降溫過程期間對所述初始參考層施加外加磁場。
在一些實施例中，所述多個參考層的彼此不同的多個交換偏壓沿著所述渦形路徑排列。
在一些實施例中，所述多個間隔層與所述多個自由層形成於所述多個參考層之後。
在一些實施例中，所述多個間隔層與所述多個自由層形成於所述初始參考層之前。
本發明的另一態樣提供一種磁阻式感測器，包括：第一磁阻元件與第二磁阻元件，具有沿第一方向定向的交換耦合偏壓；以及第三磁阻元件與第四磁阻元件，具有沿第二方向定向的交換耦合偏壓，其中所述第一磁阻元件與所述第三磁阻元件串聯連接，所述第二磁阻元件與所述第四磁阻元件串聯連接，彼此串聯的所述第一磁阻元件與所述第三磁阻元件並聯連接於彼此串聯的所述第二磁阻元件與所述第四磁阻元件，且所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件中的每一者形成為扇環狀。
在一些實施例中，所述第一磁阻元件與所述第二磁阻元件具有相對於外在磁場的第一相位，且所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件具有相對於所述外在磁場的第二相位。
在一些實施例中，所述第一相位與所述第二相位相差約180度。
在一些實施例中，所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件分別包括參考層、自由層與位於所述參考層與所述自由層之間的間隔層。
在一些實施例中，所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件分別為巨磁阻自旋閥，且所述間隔層由非磁性導體材料構成。
在一些實施例中，所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件分別為穿遂式磁阻自旋閥，且所述間隔層由絕緣材料構成。
在一些實施例中，所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件分別具有圓弧形輪廓。
本文所述的磁阻式感測器包括具有不同相位的磁阻元件之組合。作為實例，本文所述的磁阻式感測器可包括至少一惠斯通電橋（wheatstone bridge）。在惠斯通電橋中，彼此連接且具有不同相位的磁阻元件可回應於外在磁場而改變電阻，進而影響惠斯通電橋的輸出電壓。
圖1A是根據本發明一些實施例的磁阻式感測器100的示意圖。
請參照圖1A，磁阻式感測器100包括惠斯通電橋102以及惠斯通電橋104。如以下將詳細說明，惠斯通電橋102與惠斯通電橋104分別包括具有相位差的多個磁阻元件MR，且惠斯通電橋102的多個磁阻元件MR相對於惠斯通電橋104的多個磁阻元件MR而具有相位差。需說明的是，各磁阻元件MR的相位來自於其電阻變化與外在磁場變化的關係，而此關係取決於其參考層的磁化方向（如圖1A的各磁阻元件MR中的箭號所示）。換言之，各磁阻元件MR的相位與其參考層的磁化方向有關。在本文中，兩磁阻元件MR具有相位差意指此兩磁阻元件MR的參考層的磁化方向彼此不同。
在一些實施例中，惠斯通電橋102為全電橋（full bridge）。在此些實施例中，惠斯通電橋102具有隨外在磁場改變電阻的四個磁阻元件MR，包括磁阻元件MR1、磁阻元件MR2、磁阻元件MR3以及磁阻元件MR4。磁阻元件MR1與磁阻元件MR2彼此串聯連接，且具有約180º的相位差（亦即磁阻元件MR1、MR2的參考層的磁化方向相差約180º）。相似地，磁阻元件MR3與磁阻元件MR4彼此亦串聯連接，且亦具有約180º的相位差（亦即磁阻元件MR3、MR4的參考層的磁化方向相差約180º）。如此一來，磁阻元件MR1-MR4可兩兩具有實質上相同的相位。舉例而言，磁阻元件MR1與磁阻元件MR3具有第一相位，而磁阻元件MR2與磁阻元件MR4具有與第一相位相差約180º的第二相位。
此外，彼此串聯的磁阻元件MR1、MR2以及彼此串聯的磁阻元件MR3、MR4並聯連接於輸入端V IN與參考電壓端V R之間。再者，惠斯通電橋102的輸出端V OUT1連接於彼此串聯的磁阻元件MR1、MR2之間以及彼此串聯的磁阻元件MR3、MR4之間。在一些實施例中，具有約180º的相位差的磁阻元件MR1與磁阻元件MR4連接於輸入端V IN與輸出端V OUT1之間，且具有約180º的相位差的磁阻元件MR2與磁阻元件MR3連接於參考電壓端V R與輸出端V OUT1之間。
相似地，在一些實施例中，惠斯通電橋104亦為全電橋。在此些實施例中，惠斯通電橋104具有隨外在磁場改變電阻的四個磁阻元件MR，包括磁阻元件MR5、磁阻元件MR6、磁阻元件MR7以及磁阻元件MR8。磁阻元件MR5與磁阻元件MR6彼此串聯連接，且具有約180º的相位差（亦即磁阻元件MR5、MR6的參考層的磁化方向相差約180º）。相似地，磁阻元件MR7與磁阻元件MR8彼此亦串聯連接，且亦具有約180º的相位差（亦即磁阻元件MR7、MR8的參考層的磁化方向相差約180º）。如此一來，磁阻元件MR5-MR8可兩兩具有實質上相同的相位。再者，如上所述，惠斯通電橋104的磁阻元件MR5-MR8相較於惠斯通電橋102的磁阻元件MR1-MR4而具有相位差，例如是約90º的相位差。舉例而言，惠斯通電橋104的磁阻元件MR5、MR7具有第三相位，且此第三相位與惠斯通電橋102的磁阻元件MR1、MR3的第一相位以及磁阻元件MR2、MR4的第二相位相差約90º。另外，惠斯通電橋104的磁阻元件MR6、MR8具有與第三相位相差約180º的第四相位，且此第四相位與惠斯通電橋102的磁阻元件MR1、MR3的第一相位以及磁阻元件MR2、MR4的第二相位相差約90º。
在一些實施例中，惠斯通電橋102與惠斯通電橋104可並聯連接於輸入端V IN與參考電壓端V R之間。在此些實施例中，彼此串聯的磁阻元件MR5、MR6以及彼此串聯的磁阻元件MR7、MR8可並聯連接於與惠斯通電橋102共用的輸入端V IN與參考電壓端V R之間。另外，惠斯通電橋104的輸出端V OUT2連接於彼此串聯的磁阻元件MR5、MR6之間以及彼此串聯的磁阻元件MR7、MR8之間。在一些實施例中，具有約180º的相位差的磁阻元件MR5與磁阻元件MR8連接於輸入端V IN與輸出端V OUT2之間，且具有約180º的相位差的磁阻元件MR6與磁阻元件MR7連接於參考電壓端V R與輸出端V OUT2之間。
圖1B為圖1A的磁阻式感測器100中各磁阻元件MR的基本結構的剖視示意圖。
請參照圖1B，各磁阻元件MR可為自旋閥（spin valve），而包括由間隔層106間隔開的參考層108與自由層110。參考層108與自由層110均包括鐵磁材料。相較於自由層108，參考層108可經配置以具有較大的矯頑力（coercivity），使得參考層108的磁化方向可較不易隨磁場的變化而改變（如圖1B中的單向箭號所示）。另一方面，自由層108則具有相對較小的矯頑力，而使得自由層108的磁化方向取決於外在磁場的方向（如圖1B中的雙向箭號所示）。參考層108的磁化方向與自由層110的磁化方向（亦即外在磁場的方向）之間的夾角決定磁阻元件MR兩端的電阻。舉例而言，參考層108的磁化方向與自由層110的磁化方向相同時，磁阻元件MR可稱為處於平行態（parallel state），而具有低電阻。另一方面，參考層108的磁化方向與自由層110的磁化方向相反時，磁阻元件MR可稱為處於反平行態（anti-parallel state），而具有高電阻。磁阻元件MR的對應外在磁場而改變電阻的特性，使得各惠斯通電橋102/104回應於外在磁場的改變（強度、角度等）而輸出不同的電壓。
在一些實施例中，磁阻元件MR為巨磁阻（giant magnetoresistance，GMR）自旋閥。在此些實施例中，間隔層106可由非鐵磁性導體材料構成。舉例而言，所述非磁性導體材料可包括銅、銀、鉻等非鐵磁性金屬或者此些非鐵磁金屬的合金所構成。在替代實施例中，磁阻元件MR為穿遂式磁阻（tunneling magnetoresistance，TMR）自旋閥。在此些替代實施例中，間隔層106可由絕緣材料構成。舉例而言，所述絕緣材料可包括氧化鎂、氧化鋁等氧化物絕緣材料或此些氧化物絕緣材料的組合。
參考層108、間隔層106與自由層110可沿垂直方向堆疊，而形成堆疊結構。在一些實施例中，如圖1B所示，參考層108位於間隔層106下方，且自由層110位於間隔層106上方。然而，在替代實施例中，參考層108可位於間隔層106上方，且自由層110可位於間隔層106下方。
圖1C為根據本發明一些實施例的參考層108的細部結構的剖視示意圖。
請參照圖1C，在一些實施例中，參考層108為多層結構，包括鐵磁層108a與反鐵磁層108b。基於鐵磁層108a與反鐵磁層108b之間的介面處所發生的交換偏耦合（exchange bias coupling）效應，鐵磁層108a的磁滯曲線偏移，而具有較大的矯頑力。如此一來，鐵磁層108a內的自旋方向（如圖1C的鐵磁層108a內的多個箭號）可描述為被「釘扎」於特定方向，或稱為交換偏耦合方向EB。此交換偏耦合方向EB即決定參考層108的磁化方向，也就是決定了磁阻元件MR的相位。另一方面，如圖1C的反鐵磁層108b內的多個箭號所示，反鐵磁層108b的最靠近鐵磁層108a的區域的自旋方向可沿著交換偏耦合方向EB定向，且可沿著遠離鐵磁層108a的方向而具有交替排列的相反自旋方向，以維持反鐵磁特性。在一些實施例中，構成鐵磁層108a的鐵磁材料包括鎳鐵合金、鈷鐵硼合金、鈷鐵合金、鈷等鐵磁性金屬、金屬合金或化合物，而構成反鐵磁層108b的反鐵磁材料包括銥錳合金、鉑錳合金等。
圖1D為根據本發明一些實施例的具有不同相位的磁阻元件MR的平面示意圖。
請參照圖1D，各磁阻元件MR可經形成為扇環（annular sector）形狀。具有不同相位的多個磁阻元件MR的參考層108可為源自於單一環形初始參考層的多個分離的扇環部分。此環形初始參考層可具有渦形（vortex）或迴路形交換偏耦合方向。如此一來，將此環形初始參考層分離成多個扇環狀部分之後，此些扇環狀的參考層108具有沿著原本渦形/迴路形交換偏耦合方向排列的多個不同的交換偏耦合方向。因此，所形成的多個磁阻元件MR可具有不同的相位。
舉例而言，具有第一相位的磁阻元件MR1、具有第二相位的磁阻元件MR2、具有第三相位的磁阻元件MR5以及具有第四相位的磁阻元件MR6的參考層可為源自於單一環形初始參考層的四個分離的扇環部分，且沿著渦形/迴路形路徑排列。磁阻元件MR1的第一相位由第一交換偏耦合方向EB1標示；磁阻元件MR2的第二相位由第二交換偏耦合方向EB2標示；磁阻元件MR5的第三相位由第三交換偏耦合方向EB3標示；且磁阻元件MR6的第四相位由第四交換偏耦合方向EB4標示。在一些實施例中，如圖1D所示，第一交換偏耦合方向EB1、第三交換偏耦合方向EB3、第二交換偏耦合方向EB2以及第四交換偏耦合方向EB4沿著順時針方向排列。在替代實施例中，第一至第四交換偏耦合方向EB1-EB4可沿著逆時針方向排列。
相似地，儘管未繪示，具有第一相位的磁阻元件MR3、具有第二相位的磁阻元件MR4、具有第三相位的磁阻元件MR7以及具有第四相位的磁阻元件MR8的參考層亦可為源自於單一環形初始參考層的多個分離的扇環部分，且亦沿著渦形/迴路形路徑排列。此外，此些磁阻元件MR的交換偏耦合方向可沿順時針方向排列。作為替代地，此些磁阻元件MR的交換偏耦合方向也可沿逆時針方向排列。
圖2為根據本發明一些實施例的用於形成多個具有不同相位的磁阻元件MR的方法的流程圖。圖3A至圖3F是圖2所示的製造流程期間各階段的中間結構的平面示意圖。圖4A至圖4F是圖2的製造流程期間各階段的中間結構的剖視示意圖。
請參照圖2、圖3A與圖4A，進行步驟S200，以在基底300上形成包括反鐵磁材料層302、鐵磁材料層304以及遮罩層306的堆疊結構。基底300可為半導體基底（例如是矽基底）。然而，本發明並不以基底300的材料為限。此外，在形成上述堆疊結構之前，也可在基底300上預先形成其他例如是線路層的材料層。另一方面，反鐵磁材料層302將在後續步驟中被圖案化而形成參照圖1C所說明的反鐵磁層108b，且鐵磁材料層304將在後續步驟中被圖案化而形成參照圖1C所說明的鐵磁層108a。在一些實施例中，形成反鐵磁材料層302的方法以及形成鐵磁材料層304的方法分別包括沈積製程，例如是物理氣相沈積（physical vapor deposition，PVD）製程。再者，遮罩層306可為光阻層。在一些實施例中，反鐵磁材料層302、鐵磁材料層304與遮罩層306依序形成於基底300上。
請參照圖2，圖3B與圖4B，進行步驟S202，以將遮罩層306圖案化為遮罩圖案308。在後續用於圖案化反鐵磁材料層302與鐵磁材料層304的蝕刻製程中，遮罩圖案308將作為蝕刻遮罩。在一些實施例中，遮罩圖案308形成為封閉的環形。在遮罩層306為光阻層的實施例中，用於圖案化遮罩層306而形成遮罩圖案308的方法可包括曝光製程與顯影製程。
請參照圖2、圖3C與圖4C，進行步驟S204，以將反鐵磁材料層302與鐵磁材料層304分別圖案化為初始反鐵磁層310與初始鐵磁層312。包括初始反鐵磁層310與初始鐵磁層312的堆疊結構可稱為初始參考層314。在一些實施例中，藉由蝕刻製程來進行上述的圖案化步驟。在此蝕刻製程期間，圖3B與圖4B所示的遮罩圖案308可作為遮罩，以定義出初始參考層314的輪廓。換言之，在遮罩圖案308形成為封閉環形的實施例中，初始參考層314亦形成為封閉環形。在完成此圖案化步驟之後，可藉由例如是剝離（stripping）或灰化（ashing）的方法移除遮罩圖案308。
在上述的實例中，由減成（subtractive）微影製程來圖案化反鐵磁材料層302與鐵磁材料層304以形成初始參考層314。然而，在替代實施例中，也可透過加成（additive）微影製程來進行上述的圖案化步驟。舉例而言，加成微影製程可為掀離（lift-off）微影製程。在此些替代實施例中，遮罩圖案可形成於反鐵磁材料層302與鐵磁材料層304之前。在形成反鐵磁材料層302與鐵磁材料層304之後，將遮罩圖案連同反鐵磁材料層302與鐵磁材料層304的欲移除部分一併自基底300掀離。反鐵磁材料層302與鐵磁材料層304的保留部分即形成初始反鐵磁層310與初始鐵磁層312。
請參照圖2、圖3D與圖4D，進行步驟S206，以對初始參考層314進行熱處理。在熱處理的升溫過程中，初始參考層314整體被加熱至超過阻隔溫度（blocking temperature）。此時，初始反鐵磁層310與初始鐵磁層312之間的交換偏耦合減低或失效。基於具有環形形狀，初始鐵磁層312為了克服去磁能（demagnetizing energy），會形成沿著渦形/迴路形路徑定向的磁化方向。隨後，在熱處理的降溫過程中，初始參考層314的溫度降至低於阻隔溫度。此時，初始反鐵磁層310的最靠近初始鐵磁層312的部分的自旋方向沿著初始鐵磁層312的渦形/迴路形磁化方向定向。如此一來，形成沿著渦形/迴路形初始交換偏耦合方向EB’定向的交換偏壓（exchange bias）。在一些實施例中，如圖3D所示，初始交換偏耦合方向EB’為順時針方向。在替代實施例中，初始交換偏耦合方向EB’為逆時針方向。此外，在一些實施例中，於熱處理的降溫期間可對初始參考層314施加外在磁場，以確保每次所形成的交換偏壓固定具有順時針的初始交換偏耦合方向EB’或逆時針的初始交換偏耦合方向EB’。在替代實施例中，於熱處理的降溫期間可不對初始參考層314施加外在磁場。再者，在一些實施例中，初始鐵磁層312的厚度需大於約15 nm的臨界厚度，以確保產生沿渦形/迴路形路徑定向的交換偏壓。然而，上述臨界厚度可因初始參考層314的尺寸（例如是寬度）以及材料而異，本發明並不以此為限。
請參照圖2、圖3E與圖4E，進行步驟S208，以將初始參考層314圖案化為彼此分離的多個扇環形參考層108。在此步驟中，初始參考層314中的初始反鐵磁層310被圖案化為多個扇環形的反鐵磁層108b，而初始參考層314中的初始鐵磁層312被圖案化為多個扇環形的鐵磁層108a。反鐵磁層108b的厚度與初始反鐵磁層310的厚度實質上相同，且多個反鐵磁層108b沿著初始反鐵磁層310的環形輪廓排列。相似地，鐵磁層108a的厚度與初始鐵磁層312的厚度實質上相同，且多個鐵磁層108a沿著初始鐵磁層312的環形輪廓排列。彼此接觸的一對反鐵磁層108b與鐵磁層108a構成一參考層108。多個參考層108具有沿著渦形/迴路形路徑（亦即沿初始交換偏耦合方向EB’的路徑）排列的多個交換偏耦合方向EB。舉例而言，在所述圖案化步驟中形成彼此分離的四個參考層108，分別具有第一交換偏耦合方向EB1、第二交換偏耦合方向EB2、第三交換偏耦合方向EB3以及第四交換偏耦合方向EB4。在初始交換偏耦合方向EB’順時針地沿渦形/迴路形路徑定向的實施例中，第一至第四交換偏耦合方向EB1-EB4可順時針地沿此渦形/迴路形路徑排列。在初始交換偏耦合方向EB’逆時針地沿渦形/迴路形路徑定向的實施例中，第一至第四交換偏耦合方向EB1-EB4可逆時針地沿此渦形/迴路形路徑排列。另外，在一些實施例中，用於圖案化初始參考層314以形成多個扇環形的參考層108的方法包括微影製程與蝕刻製程。
請參照圖2、圖3F與圖4F，進行步驟S210，以在各參考層108上形成間隔層106與自由層110。間隔層106與自由層110可經形成為具有下方參考層108的形狀（亦即扇環形），且可實質上對齊於下方的參考層108。如此一來，可形成分別包括參考層108、間隔層106與自由層110的多個扇環形磁阻元件MR。此些磁阻元件MR因參考層108具有不同的交換偏耦合方向EB，而具有不同的相位。在一些實施例中，形成間隔層106與自由層110的方法包括形成全面披覆的材料層，接著透過微影製程與蝕刻製程將此些材料層圖案化而形成多個間隔層106與多個自由層110。
至此，已在基底300上形成多個磁阻元件MR。此些磁阻元件MR沿著單一環形輪廓排列，且具有不同相位。舉例而言，具有不同相位的四個磁阻元件MR沿著單一環形輪廓排列。然而，儘管未繪示，可同時在基底300上形成沿著多個環形輪廓排列的多個磁阻元件MR。如此一來，可對所形成的多個磁阻元件MR進行繞線，而使得此些磁阻元件能夠經連接為例如是圖1A所示的包括兩個惠斯通電橋102、104的磁阻式感測器100。
再者，在自由層110位於間隔層106下方且參考層108位於間隔層106上方的替代實施例中，可在參照圖3A與圖4A所說明的步驟S200之前預先在基底300上形成全面披覆的初始間隔層與初始自由層，且在參照圖3C與圖4C所說明的步驟S204中一併將初始間隔層與初始自由層分別圖案化為分離的多個間隔層與分離的多個自由層。除此之外，可省略參照圖3F與圖4F所描述的步驟S210。
如上所述，藉由僅包含單次熱處理的簡單製造流程可形成多個具有不同相位的磁阻元件MR。因此，可大幅簡化具有多個不同相位的磁阻元件MR的磁阻式感測器（例如是磁阻式感測器100）的製造方法。
接下來，藉由測試結構來進行驗證。圖5A是形成於基底300上的測試結構500的平面示意圖。圖5B是沿著圖5A的A-A’線的剖視示意圖。圖5C與圖5D是以磁力顯微鏡（magnetic force microscopy，MFM）對測試結構500進行量測所得的影像。
請參照圖5A與圖5B，為了驗證經熱處理的初始參考層314（參照圖3D、圖4D所說明）的初始交換偏耦合方向，以另一初始參考層所形成的測試結構500進行量測。測試結構500在結構（堆疊、厚度等）上相同於參照圖3D、圖4D所示的初始參考層314，但形成為開環狀而非閉環狀。舉例而言，如圖5A所示，包括初始反鐵磁層310以及初始鐵磁層312的測試結構500可形成為C形環狀。假如測試結構500經形成為閉環狀，則可能不具有外漏場（stray field），而可能難以透過磁力顯微鏡來觀察測試結構500的交換偏耦合方向。換言之，將測試結構500形成為開環狀可使其具有外漏場，以使得能夠用磁力顯微鏡來觀察測試結構500的交換偏耦合方向，藉以驗證圖3D、圖4D所示的初始參考層314的初始交換偏耦合方向。
對測試結構500施加一第一外加磁場以使測試結構500磁飽和，之後移除所述第一外加磁場並以磁力顯微鏡觀察測試結構500，而得到如圖5C所示的結果。請參照圖5C，測試結構500的兩末端EP1、EP2分別具有亮區BR1及暗區DR1。此外，測試結構500的兩末端EP1、EP2之間的連接部CN1上並無明顯的亮區及暗區。此結果顯示出測試結構500的鐵磁層（初始鐵磁層312）的由第一外加磁場所造成的磁化方向是由末端EP1沿著連接部CN1而指向末端EP2。由此可知，測試結構500的回應於第一外加磁場的磁化方向是沿著渦形/迴路形路徑定向。
此外，對測試結構500施加與所述第一外加磁場反向的第二外加磁場以使測試結構500磁飽和，之後移除所述第二外加磁場並以磁力顯微鏡觀察測試結構500，而得到如圖5D所示的結果。請參照圖5D，測試結構500的兩末端EP1、EP2分別具有亮區BR2及暗區DR2，且兩末端EP1、EP2之間的連接部CN1上並無明顯的亮區及暗區。與圖5C的結果相反，圖5D的末端EP1對應到亮區BR2，而末端EP2對應到暗區DR2。基於磁力顯微鏡的探針隨著測試結構500而被彼此方向相反的所述第一與第二外加磁場磁化，圖5C與圖5D的相反結果（如圖5C與圖5D的沿連接部CN1的箭號所示）顯示出鐵磁層的磁化方向維持不變，此證明了交換偏壓的建立。此外，此交換偏壓的方向（亦即本文所述的交換偏耦合方向）是沿著連接部CN1的渦形/迴路形路徑定向。
更進一步地，圖案化測試結構500以形成扇環形測試結構，且以磁力顯微鏡對此扇環形測試結構進行量測。圖6A是位於基底300上的扇環形測試結構600的平面示意圖。圖6B與圖6C是以磁力顯微鏡對扇環形測試結構600進行量測所得的影像。
請參照圖6A，扇環形測試結構600是圖案化圖5A、圖5B所示的測試結構500所得到的結構。如此一來，扇環形測試結構600仍沿著渦形/迴路形路徑延伸，且扇環形測試結構600的圓心角應小於開環狀測試結構500的圓心角。
對測試結構600施加一第一外加磁場以使測試結構600磁飽和，之後移除所述第一外加磁場並以磁力顯微鏡觀察測試結構600，而得到如圖6B所示的結果。此外，對測試結構600施加與所述第一外加磁場反向的第二外加磁場以使測試結構600磁飽和，之後移除所述第二外加磁場並以磁力顯微鏡觀察測試結構600，而得到如圖6C所示的結果。如圖6B與圖6C所示，扇環形測試結構600具有兩末端EP3、EP4。在圖6B中，末端EP3處具有亮區BR3，而末端EP4具有暗區DR3。相較而言，在圖6C中，末端EP3處具有暗區DR4，而末端EP4具有亮區BR4。基於磁力顯微鏡的探針隨著測試結構600而被彼此方向相反的所述第一與第二外加磁場磁化，圖6B與圖6C的相反結果（如圖6B與圖6C的沿末端EP3、EP4之間的連接部CN2延伸的箭號所示）顯示出鐵磁層的磁化方向維持不變，此證明了交換偏壓仍然存在。此外，此交換偏壓的方向（亦即本文所述的交換偏耦合方向）仍沿著渦形/迴路形路徑定向。
基於此結果，可驗證出參照圖3E、圖4E所描述的自初始參考層314分離出來的多個參考層108的多個交換偏耦合方向EB仍可維持沿著初始參考層314的輪廓而排列。換言之，證明了只要先製造出具有沿渦形/迴路形路徑定向的初始交換偏耦合方向的初始參考層並將此初始參考層圖案化為多個分離的部分，即可簡單地製造出具有不同交換偏耦合方向的多個參考層。如此一來，可以此些參考層來製作具有不同相位的磁阻元件。
除此之外，從上述的驗證結果也可瞭解初始參考層的形狀並不限於閉環狀。在替代實施例中，可由開環狀的初始參考層來圖案化以形成多個扇環狀參考層，且以此些參考層來製作具有不同相位的多個磁阻元件。在一些實施例中，開環狀的初始參考層的圓心角大於特定值，以便於分離出具有不同交換耦合偏壓方向的多個參考層。舉例而言，上述開環狀的初始參考層的圓心角可大於約180度。
除此之外，從更多驗證結果得知其他形狀的開環狀或閉環狀的初始參考層亦能夠具有沿著渦形/迴路形路徑定向的交換偏耦合方向，且可經圖案化而形成個分離且具有不同交換偏耦合方向的多個參考層。基於此些參考層，可製作出具有不同相位的磁阻元件，可應用於需要具有不同相位的多個磁阻元件的磁阻式感測器。舉例而言，其他形狀的開環狀或閉環狀的初始參考層的形狀可包括三角形環、方形環、多邊形環、橢圓環等等。如此一來，由此些初始參考層圖案化所形成的參考層可具有圓弧狀輪廓，或者可為具有一或多個轉角的扇環結構。
綜上所述，本發明提供了一種用於形成具有不同相位的磁阻元件的製造方法。所述方法包括形成開環狀或閉環狀的初始參考層。藉由熱處理步驟，可使初始參考層具有沿著渦形/迴路形路徑定向的交換偏壓。在隨後的步驟中，將初始參考層圖案化為分離的多個參考層。此些參考層的交換偏耦合方向沿著上述渦形/迴路形路徑排列，且彼此相異。基於此些參考層，可製作出具有不同相位的磁阻元件。相較於其他使用多次局部熱處理或多重加場沈積（field deposition）技術的方法，本發明所提供的用於製造具有不同相位的磁阻元件的方法僅需單一次的全局熱處理步驟，故能大幅降低製程複雜度。
100:磁阻式感測器 102、104:惠斯通電橋 106:間隔層 108:參考層 108a:鐵磁層 108b:反鐵磁層 110:自由層 300:基底 302:反鐵磁材料層 304:鐵磁材料層 306:遮罩層 308:遮罩圖案 310:初始反鐵磁層 312:初始鐵磁層 314:初始參考層 500、600:測試結構 BR1、BR2、BR3、BR4:亮區 DR1、DR2、DR3、DR4:暗區 EB、EB1、EB2、EB3、EB4:交換偏耦合方向 EB’:初始交換偏耦合方向 EP1、EP2、EP3、EP4:末端 CN1、CN2:連接部 MR、MR1、MR2、MR3、MR4、MR5、MR6、MR7、MR8:磁阻 S200、S202、S204、S206、S208、S210:步驟 V IN:輸入端 V R:參考電壓端 V OUT1、V OUT2:輸出端
圖1A是根據本發明一些實施例的磁阻式感測器的示意圖。 圖1B為圖1A的磁阻式感測器中各磁阻元件的基本結構的剖視示意圖。 圖1C為根據本發明一些實施例的參考層的細部結構的剖視示意圖。 圖1D為根據本發明一些實施例的具有不同相位的磁阻元件的平面示意圖。 圖2為根據本發明一些實施例的用於形成多個具有不同相位的磁阻元件的方法的流程圖。 圖3A至圖3F是圖2所示的製造流程期間各階段的中間結構的平面示意圖。 圖4A至圖4F是圖2的製造流程期間各階段的中間結構的剖視示意圖。 圖5A是形成於基底上的測試結構的平面示意圖。 圖5B是沿著圖5A的A-A’線的剖視示意圖。 圖5C與圖5D是以磁力顯微鏡（magnetic force microscopy，MFM）對圖5A的測試結構進行量測所得的影像。 圖6A是位於基底上的扇環形測試結構的平面示意圖。 圖6B與圖6C是以磁力顯微鏡對扇環形測試結構進行量測所得的影像。
S200、S202、S204、S206、S208、S210:步驟

Claims (16)

  1. 一種磁阻式感測器的製造方法，包括： 形成環形的初始參考層，其中所述初始參考層包括彼此接觸的反鐵磁層與鐵磁層； 對所述初始參考層進行熱處理，其中在所述熱處理的升溫過程期間所述鐵磁層產生沿渦形路徑定向的磁化方向，且其中在所述熱處理的降溫過程期間所述反鐵磁層與所述鐵磁層的介面處產生沿所述渦形路徑定向的交換偏壓； 將所述初始參考層圖案化為彼此分離的多個參考層，其中所述多個參考層分別為扇環狀，且所述多個參考層沿著所述渦形路徑排列； 形成多個間隔層以及多個自由層，以形成多個磁阻元件，其中所述多個磁阻元件分別包括由所述多個間隔層的一者分隔開的所述多個參考層的一者以及所述多個自由層的一者；以及 對所述多個磁阻元件進行繞線。
  2. 如請求項1所述的磁阻式感測器的製造方法，其中所述初始參考層經形成為閉環結構。
  3. 如請求項1所述的磁阻式感測器的製造方法，其中所述初始參考層經形成為開環結構。
  4. 如請求項1所述的磁阻式感測器的製造方法，其中所述初始參考層經形成為圓環結構或多邊形環結構。
  5. 如請求項1所述的磁阻式感測器的製造方法，其中在所述熱處理的所述降溫過程期間不對所述初始參考層施加外加磁場。
  6. 如請求項1所述的磁阻式感測器的製造方法，其中在所述熱處理的所述降溫過程期間對所述初始參考層施加外加磁場。
  7. 如請求項1所述的磁阻式感測器的製造方法，其中所述多個參考層的彼此不同的多個交換偏壓沿著所述渦形路徑排列。
  8. 如請求項1所述的磁阻式感測器的製造方法，其中所述多個間隔層與所述多個自由層形成於所述多個參考層之後。
  9. 如請求項1所述的磁阻式感測器的製造方法，其中所述多個間隔層與所述多個自由層形成於所述初始參考層之前。
  10. 一種磁阻式感測器，包括： 第一磁阻元件與第二磁阻元件，具有沿第一方向定向的交換耦合偏壓；以及 第三磁阻元件與第四磁阻元件，具有沿第二方向定向的交換耦合偏壓，其中所述第一磁阻元件與所述第三磁阻元件串聯連接，所述第二磁阻元件與所述第四磁阻元件串聯連接，彼此串聯的所述第一磁阻元件與所述第三磁阻元件並聯連接於彼此串聯的所述第二磁阻元件與所述第四磁阻元件，且所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件中的每一者形成為扇環狀。
  11. 如請求項10所述的磁阻式感測器，其中所述第一磁阻元件與所述第二磁阻元件具有相對於外在磁場的第一相位，且所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件具有相對於所述外在磁場的第二相位。
  12. 如請求項11所述的磁阻式感測器，其中所述第一相位與所述第二相位相差約180度。
  13. 如請求項10所述的磁阻式感測器，其中所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件分別包括參考層、自由層與位於所述參考層與所述自由層之間的間隔層。
  14. 如請求項13所述的磁阻式感測器，其中所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件分別為巨磁阻自旋閥，且所述間隔層由非磁性導體材料構成。
  15. 如請求項13所述的磁阻式感測器，其中所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件分別為穿遂式磁阻自旋閥，且所述間隔層由絕緣材料構成。
  16. 如請求項10所述的磁阻式感測器，其中所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件與所述第四磁阻元件分別具有圓弧形輪廓。
TW110145567A 2021-12-07 2021-12-07 磁阻式感測器及其製造方法 TWI815237B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW110145567A TWI815237B (zh) 2021-12-07 2021-12-07 磁阻式感測器及其製造方法
US17/580,645 US20230176149A1 (en) 2021-12-07 2022-01-21 Magnetoresistive sensor and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW110145567A TWI815237B (zh) 2021-12-07 2021-12-07 磁阻式感測器及其製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202324801A true TW202324801A (zh) 2023-06-16
TWI815237B TWI815237B (zh) 2023-09-11

Family

ID=86608484

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110145567A TWI815237B (zh) 2021-12-07 2021-12-07 磁阻式感測器及其製造方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20230176149A1 (zh)
TW (1) TWI815237B (zh)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6875621B2 (en) * 1999-10-13 2005-04-05 Nve Corporation Magnetizable bead detector

Also Published As

Publication number Publication date
US20230176149A1 (en) 2023-06-08
TWI815237B (zh) 2023-09-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI616007B (zh) 對磁場具有改良響應的自旋閥磁阻元件
JP4630544B2 (ja) ブリッジ構造を構成する複数の磁気素子のうち選択された磁気素子の磁性層の磁化方向を他の磁気素子の磁性層の磁化方向と反対方向に配向する方法
JP6530757B2 (ja) 磁界に対する応答が改善された磁気抵抗素子
US9640753B2 (en) Magnetic field sensor
EP3540802B1 (en) Double pinned magnetoresistance element with temporary ferromagnetic layer to improve annealing
US20210382123A1 (en) Magneto-resistive element and magnetic sensor
JP2018517225A (ja) 磁気抵抗センサ
JP2011523506A (ja) 複数のピニング方向を有する２軸磁場センサおよび該センサの製造方法
JP2014516406A (ja) 単一チップブリッジ型磁界センサおよびその製造方法
JP2014515470A (ja) シングルチップ２軸ブリッジ型磁界センサ
WO2012090631A1 (ja) 磁気比例式電流センサ
WO2021040799A1 (en) High sensitivity tmr magnetic sensor
US9207293B2 (en) Method for manufacturing a magnetic sensor
JP2012119613A (ja) 磁気検出素子及びそれを用いた磁気センサ
JP7207671B2 (ja) 異常ホール効果を利用する磁気センサ、ホールセンサおよびホールセンサの製造方法
Qejvanaj et al. Thick double-biased IrMn/NiFe/IrMn planar hall effect bridge sensors
TWI815237B (zh) 磁阻式感測器及其製造方法
CN111965571B (zh) 一种gmr磁场传感器的制备方法
CN116243225A (zh) 磁阻式传感器及其制造方法
KR101965510B1 (ko) 거대자기저항 센서
TWI449065B (zh) 堆疊式自旋閥磁阻感測器及其製造方法
US10825984B1 (en) Sensors including dummy elements arranged about a sensing element
Milyaev et al. Use of a Spin-Flop State for the Creation of Spin-Valve Elements for a Full Wheatstone Bridge
KR100479445B1 (ko) 풀 브리지 특성을 갖는 교환 바이어스형 스핀밸브를이용한 자기센서 제조방법
KR20040020663A (ko) 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법