單片雙軸橋式磁場傳感器的製作方法
2023-06-09 16:42:26
專利名稱：單片雙軸橋式磁場傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及橋式傳感器的設計和製備，特別的是一種單一晶片雙軸橋式磁場傳感
O
背景技術：
磁性傳感器廣泛用於現代系統中以測量或感應磁場強度、電流、位置、運動、方向等物理參數。在現有技術中，有許多不同類型的傳感器用於測量磁場和其他參數。但是，他們都受到了現有技術中的各種眾所周知的限制，例如，尺寸過大，靈敏度低，動態範圍窄，成本高，可靠性低以及其他因素。因此，持續地改進磁傳感器，特別是改進易與半導體器件或集成電路整合的傳感器及其製造方法是有必要的。隧道結磁電阻傳感器(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)具有高靈敏度，尺寸小， 成本低以及功耗低等優點。儘管MTJ傳感器與半導體標準製造工藝相兼容，但是高靈敏度的MTJ傳感器並沒有實現低成本大規模生產。特別是傳感器的成品率取決於MTJ元件磁阻輸出的偏移值，組成電橋的MTJ的磁阻很難達到高的匹配度，同時正交磁場傳感器在同一半導體基片上集成的製造工藝非常複雜。
發明內容
本發明提供了一種採用標準半導體製造工藝、用於規模生產的雙軸線性磁電阻傳感器晶片的製備方法。雙軸傳感器採用隧道結磁電阻元件或巨磁電阻(GMR)元件在同一半導體基片上製備兩個不同的橋式磁傳感器以感應正交磁場分量。雙軸磁傳感器能夠感應正交磁場分量依賴於傳感元件的幾何形狀。橋式傳感器通過設置永磁偏置層後能更穩定，永磁層在晶圓級別或在封裝之後通過同一工序在強磁場中初始化。因為橋式傳感器的永磁偏置層和參考層沿同一方向初始化，沒有通過特殊處理，局部加熱，或者在不同的工序中沉積不同的磁性材料。本發明提供了一種單片雙軸橋式磁場傳感器，它包括一沿「Y」軸方向敏感的參考橋式傳感器和一沿「X」軸方向敏感的推挽橋式傳感器，所述參考橋式傳感器包括參考元件和傳感元件，所述推挽橋式傳感器包括傳感元件，其中「X」軸和「Y」軸相正交。優選地，所述參考橋式傳感器為參考全橋傳感器，該參考全橋傳感器包括參考元件和傳感元件，所述推挽橋式傳感器為推挽全橋傳感器，。優選地，它還包括一用於偏置的永磁體以設置所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽全橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。優選地，所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置它們之間的靈敏度差，推挽全橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置其自由層磁化方向。優選地，所述參考橋式傳感器為參考半橋傳感器，所述推挽橋式傳感器為推挽半橋傳感器。
優選地，它還包括一用於偏置的永磁體以設置所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽半橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。優選地，所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置它們之間的靈敏度差，所述推挽半橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置其自由層磁化方向。優選地，所述參考橋式傳感器包括參考臂和感應臂。優選地，所述參考橋式傳感器包括一用於包覆住構成參考臂的磁電阻元件的屏蔽層以降低參考臂的靈敏度，所述屏蔽層為高磁導率的鐵磁材料。優選地，所述參考橋式傳感器的傳感元件周邊設置有高磁導率的鐵磁材料以增加傳感元件的靈敏度。。本發明採用以上結構，能夠實現低成本大規模的在同一半導體基片上集成製作。
圖1是隧道結磁電阻的示意圖。圖2是參考層磁化方向為難軸的自旋閥磁電阻元件的輸出示意圖。圖3是將多個磁隧道結元件合併為一個等效磁電阻元件的連接示意圖。圖4是線性參考全橋磁電阻傳感器的原理圖。圖5是一種採用永磁偏置產生交叉偏置場的參考全橋傳感器的布局圖。圖6是參考全橋傳感器在外加磁場沿靈敏度方向的分量作用下的響應圖。圖7是參考全橋傳感器在外加磁場垂直於靈敏方向的分量作用下的響應圖。圖8是參考全橋磁電阻傳感器的輸出曲線的模擬結果。圖9為線性推挽全橋磁電阻傳感器的原理圖。圖10利用形狀各項異性能和永磁體偏置的一種推挽全橋傳感器的概念圖。永磁體結構用於產生偏置磁場，旋轉的自由層磁化方向用於產生推輓輸出曲線。圖11是自由層磁化方向旋轉的推挽全橋磁電阻傳感器在外場沿靈敏度方向的分量作用下的響應圖。圖12是是自由層磁化方向旋轉的推挽全橋磁電阻傳感器在外場垂直於靈敏度方向的分量作用下的響應圖。圖13是推挽全橋磁電阻傳感器的輸出圖。圖14是通過設置永磁體產生磁偏置的第一效果圖。圖15是通過設置永磁體產生磁偏置的第二效果圖。圖16是採用推挽全橋和參考全橋設計的單片雙軸橋式磁場傳感器的布局概念圖。
具體實施例方式磁性隧道結概述
圖1是一個MTJ多層膜元件的功能概念簡圖。一個MTJ元件1 一般包括上層的鐵磁層和反鐵磁層10 (Synthetic Ant!ferromagnetic, SAF)，以及下層的鐵磁層和SAF層11，兩
4個磁性層之間的隧道勢壘層12。在這種結構中，上層的鐵磁層和SAF層10組成了磁性自由層，其磁化方向隨外部磁場的改變而變化。下層的磁性層和SAF層11是一個固定的磁性層，因為其磁化方向是釘扎在一個方向，在一般條件下是不會改變的。釘扎層通常是在反鐵磁性層13的上方或下方沉積鐵磁層或SAF層。MTJ結構通常是沉積在導電的種子層14的上方，同時MTJ結構的上方為電極層15。MTJ的種子層14和保護層15之間的測量電阻值 16是代表自由層10和釘扎層11的相對磁化方向。當上層的鐵磁層和SAF層10的磁化方向與下層的鐵磁層11的磁化方向平行時，整個元件的電阻16在低阻態。當上層的鐵磁層 10的磁化方向與下層的磁性層12的磁化方向反平行時，整個元件的電阻16在高阻態。通過已知的技術，MTJ元件1的電阻可隨著外加磁場在高阻態和低阻態間線性變化。圖2是適用於線性磁場測量的GMR或MTJ磁電阻元件的輸出曲線示意圖。輸出曲線在低阻態21和高阻態22的阻值時飽和，分別代表低阻態和高阻態的阻值。在阻值為&時，釘扎層和自由層磁化方向平行(28)；在阻值為&時，釘扎層和自由層磁化方向反平行(29)。在達到飽和之前，輸出曲線是線性依賴於外加磁場H。輸出曲線通常不與H=O 的點對稱。H0 (25)是飽和場沈、27之間的典型偏移，&的飽和區域更接近H=O的點。H0 (25)的值通常被稱為「桔子皮效應(Orange Peel)」或「奈爾耦合(Neel Coupling)」，其典型值通常在1到25 Oe之間，與GMR或MTJ元件中鐵磁性薄膜的結構和平整度有關，依賴於材料和製造工藝。在不飽和區域，輸出曲線方程可以近似為
權利要求
1.一種單片雙軸橋式磁場傳感器，其特徵在於它包括一沿「Y」軸方向敏感的參考橋式傳感器和一沿「X」軸方向敏感的推挽橋式傳感器，所述參考橋式傳感器包括參考元件和傳感元件，所述推挽橋式傳感器包括傳感元件，其中「X」軸和「Y」軸相正交。
2.根據權利要求1所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特徵在於所述參考橋式傳感器為參考全橋傳感器，所述推挽橋式傳感器為推挽全橋傳感器。
3.根據權利要求2所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特徵在於它還包括一用於偏置的永磁體以設置所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽全橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。
4.根據權利要求2所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特徵在於所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置它們之間的靈敏度差，所述推挽全橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置其自由層磁化方向。
5.根據權利要求2所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特徵在於它還包括一用於偏置的永磁體，所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件以及所述推挽全橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀，永磁體產生的磁偏置場和磁各向異性的形狀的磁各向異性能的結合以設置所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽全橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。
6.根據權利要求1所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特徵在於所述參考橋式傳感器為參考半橋傳感器，所述推挽橋式傳感器為推挽半橋傳感器。
7.根據權利要求6所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特徵在於它還包括一用於偏置的永磁體以設置所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽半橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。
8.根據權利要求6所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特徵在於所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置它們之間的靈敏度差，所述推挽半橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置其自由層磁化方向。
9.根據權利要求6所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特徵在於它還包括一用於偏置的永磁體，所述參考半橋的參考元件和傳感元件以及所述推挽半橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀，永磁體產生的磁偏置場和磁各向異性的形狀的磁各向異性能的結合以設置所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽半橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。
10.根據權利要求1所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特徵在於所述參考橋式傳感器包括一用於包覆住參考元件的屏蔽層以降低參考元件的靈敏度，所述屏蔽層為高磁導率的鐵磁材料。
11.根據權利要求1所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特徵在於所述參考橋式傳感器的傳感元件周邊設置有高磁導率的鐵磁材料以增加傳感元件的靈敏度。
全文摘要
本發明公開了一種單片雙軸橋式磁場傳感器，該雙軸橋式磁場傳感器採用隧道結磁電阻元件在同一半導體基片上製備兩種全橋磁場傳感器以感應正交磁場分量。該傳感器通過設置傳感元件的形狀和永磁偏置場以感應正交磁場分量。正交橋式傳感器的偏置永磁體和參考層在在同一個磁場方向下初始化，不需要特殊的工藝，局部加熱或在不同的工序中沉積其他磁性材料以實現雙軸磁場傳感器。
文檔編號G01R33/09GK102435963SQ20111031591
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月18日 優先權日2011年4月6日
發明者沈衛鋒, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西, 雷嘯鋒 申請人:江蘇多維科技有限公司