磁傳感器及其製造方法

2023-12-09 17:10:51 2

專利名稱：磁傳感器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及利用包含釘扎層(pinned layer)和自由層的磁阻效應(磁力效應)元件的磁傳感器，特別是涉及具有在一個基片上形成兩個或更多磁阻效應元件的磁傳感器及其製造方法，磁阻效應元件的釘扎層的磁化方向彼此相交。
背景技術：
至今，已知有大型的磁阻效應元件(GMR元件)、磁隧道效應元件(TMR元件、隧道GMR元件)等其它元件可作為磁傳感器的元件使用。這些磁阻效應元件有釘扎層和自由層，釘扎層的磁化方向被釘扎(pinned)(或固定fixed)在預定的方向上，自由層的磁化方向隨外磁場變化，從而顯示了符合釘扎層的磁化方向和自由層的磁化方向之間的相對關係的電阻值。
然而，在單個小基片上形成兩個或更多個磁阻效應元件、磁阻效應元件的釘扎層的磁化方向彼此相交是困難的。由於這種單個基片還沒有研製出來，因此存在一個問題，即由於釘扎層磁化方向的限制，利用磁阻效應單個基片製成的磁傳感器不會有更廣泛的應用範圍。

發明內容
本發明的特徵在於磁傳感器包含磁阻效應元件，磁阻效應元件包含釘扎層和自由層。所述磁阻效應元件具有變化的電阻值，該電阻值隨釘扎層的磁化方向和自由層的磁化方向(之間)形成的相對夾角(relative angle)變化而變化。所述磁傳感器以下列方式形成即將多個所述磁阻效應元件設置在單個基片(一個和相同的襯底)上。所述多個磁阻效應元件中的至少兩個的釘扎層具有彼此相交的磁化方向。
這就是說，由於其中釘扎層磁化方向彼此相交的磁阻效應元件形成在一個和相同的襯底上，磁傳感器可以實現體積小和廣泛應用範圍。
本發明的另一個特徵在於包含磁阻效應元件的磁傳感器的製造方法，磁阻效應元件包含釘扎層和自由層。所述磁阻效應元件具有變化的電阻值，該電阻值隨釘扎層的磁化方向和自由層的磁化方向形成的夾角變化而變化。所述方法包含步驟1、 在襯底上按預定結構形成包含磁層的層，所述磁層將成為所述釘扎層(例如，反鐵磁層antiferromagnetic和鐵磁層ferromagnetic)；2、 形成磁場施加磁層，用於給包含將成為所述的釘扎層磁層的層施加磁場；3、 磁化所述磁場施加磁層；4、 用所述磁場施加磁層的剩磁，磁化(pinning)將成為所述釘扎層的磁層的磁化方向。
根據上述方法，通過諸如鍍覆一類的方式形成磁場施加磁層，該磁場施加磁層用於給將成為釘扎層的磁層施加磁場，此後磁化這些磁場施加磁層。然後由上述磁場施加磁層的剩磁產生的磁場，釘扎(pin)將成為所述釘扎層的磁層的磁化方向。在這種情況下，形成所述磁場施加磁層的步驟有利於形成所述磁場施加磁層，使其在一個平面中夾持包含將成為所述釘扎層的磁層層，所述磁場施加磁層的磁化方向與由所述剩磁磁化產生的磁場的方向不同。
由上述磁場施加磁層的剩磁磁化產生的磁場的方向依賴於磁場施加磁層的端面形狀。因此通過製作適當形狀的端面，或通過相對於端面適當地放置包含將成為釘扎層的磁層的層，可以給予包含將成為釘扎層的磁層的層任意方向的磁化。這樣就能在一個和相同的襯底上容易地製造兩個或更多個磁阻效應元件，這些元件具有彼此不同方向的釘扎磁化(pin)。
本發明的再一個特徵在於包含磁阻效應元件的磁傳感器的製造方法，磁阻效應元件包含釘扎層和自由層。所述磁阻效應元件具有變化的電阻值，該電阻值隨釘扎層的磁化方向和自由層的磁化方向形成的夾角變化而變化。所述方法包括步驟1、 準備以下列方式構成的磁鐵陣列，使得在正方形格的格點處設置多個永久磁鐵，每個永久磁鐵的磁極的極性和與其相鄰並距離最短的其它磁鐵磁極的極性不同；2、 在所述磁鐵陣列上，設置薄片，在此薄片中已經形成了包含至少將成為所述釘扎層的磁層；3、 利用在一個所述磁極和與其相鄰的並且距離最短的另一個所述磁極之間形成的磁場，釘扎將成為所述釘扎層的磁層的磁化方向。
以這樣的方式構成上述磁鐵陣列，即將多個永久磁鐵放置在正方形格的格點處，每個永久磁鐵的磁極的極性與和其相鄰並且距離最短的其它磁極的極性不同。因此，在磁鐵陣列的平面圖中，在磁鐵陣列上，向右方向形成從N極向位於其右側S極的磁場、向上方向形成從N極向位於其上側S極的磁場、向左方向形成從N極下側向位於其左側S極的磁場和向下方向上從N極向位於其下側S極的磁場(參見圖56和57)。同樣地，對於一個S極，向左方向上形成從位於其右側N極向S極的磁場、向下方向上形成從位於其上側N極向S極的磁場、向右方向形成從位於其左側N極向S極的磁場和向上方向形成從位於其下側N極向S極的磁場。
上述方法利用這些磁場釘扎將成為釘扎層的層的磁化方向，從而可以在單個基片上容易地製造其中釘扎層的磁化方向彼此相交(在這種情況下，彼此垂直)的磁傳感器。


下面結合附圖對本發明進行詳細描述，本發明的目的、特徵和優點將變得更加顯而易見。
圖1是說明根據本發明實施例1和實施例2磁傳感器的設計平面圖；圖2是圖1所示的磁隧道效應元件(組)的放大圖；圖3是圖2所示的磁隧道元件(組)沿1-1線剖面圖；圖4是圖3所示的磁隧道元件(組)的平面示意圖，說明元件的反鐵磁膜和鐵磁膜(釘扎層)；圖5是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖6是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖7是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖8是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖9是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖10是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖11是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖12是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖13是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖14是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖15是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖16是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖17是在製造過程中的一個步驟，實施例1的磁傳感器的剖面示意圖；圖18是表示當在元件的長度方向(X軸方向)給元件施加強度變化的外磁場時，圖1所示的一個磁隧道效應元件(組)的MR率的變化曲線圖；
圖19是表示當在與元件的長度方向垂直的方向(Y軸方向)上給元件施加強度變化的外磁場時，圖1所示的一個磁隧道效應元件(組)的MR率的變化曲線圖；圖20是表示在與元件的長度方向垂直的方向上(X軸方向)當給元件施加強度變化的外磁場時，圖1所示的另一個磁隧道效應元件(組)的MR率的變化曲線圖；圖21是表示在元件的長度方向(Y軸方向)上當給元件施加強度變化的外磁場時，圖1所示的另一個磁隧道效應元件(組)的MR率的變化曲線圖；圖22是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖23是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖24是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖25是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖26是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖27是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖28是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖29是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖30是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖31是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖32是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖33是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖34是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖35是在製造過程中的一個步驟，實施例2的磁傳感器的剖面示意圖；圖36是表示當在元件的長度方向(圖1中的X軸方向)給元件施加強度變化的外磁場時，根據實施例2的一個磁隧道效應元件(組)的MR率的變化曲線圖；圖37是表示當在與元件的長度方向垂直的方向(圖1中的Y軸方向)上給元件施加強度變化的外磁場時，根據實施例2的一個磁隧道效應元件(組)的MR率的變化曲線圖；圖38是表示當在與元件的長度方向垂直的方向上(圖1中的X軸方向)給元件施加強度變化的外磁場時，根據實施例2的另一個磁隧道效應元件(組)的MR率的變化曲線圖；圖39是表示當在元件的長度方向(圖1中的Y軸方向)上給元件施加強度變化的外磁場時，根據實施例2的另一個磁隧道效應元件(組)的MR率的變化曲線圖；圖40是表示當給根據實施例1和2的磁隧道元件組施加在與釘扎層的磁化方向垂直的方向上強度變化的外磁場時，釘扎層和自由層的磁化曲線圖；圖41時根據本發明的另一個襯底的平面圖，具有形成在其上的結構不同鍍覆膜；圖42是根據本發明實施例的磁傳感器的平面示意圖；圖43是圖42所示的第一X軸GMR元件的平面放大示意圖；圖44是圖43所示的第一X軸GMR元件沿圖43的2-2線剖面示意圖；圖45是說明圖43所示的第一X軸GMR元件的自旋閥結構的圖；圖46是表示圖43所示的第一X軸GMR元件的電阻值(實線)相對於在X軸方向變化的磁場的變化曲線圖，以及元件的電阻值(虛線)相對於在Y軸方向變化的磁場的變化曲線圖；圖47是包含在圖42所示的磁傳感器中的X軸磁傳感器的等效電路圖；
圖48是表示圖47所示的X軸磁傳感器的輸出電壓(實線)相對於在X軸方向變化的磁場的變化曲線圖，以及傳感器的輸出電壓(虛線)相對於在Y軸方向變化的磁場的變化曲線圖；圖49是表示包含在圖42所示的磁傳感器中的Y軸磁傳感器的輸出電壓(實線)相對於在X軸方向變化的磁場的變化曲線圖，以及傳感器的輸出電壓(虛線)相對於在Y軸方向變化的磁場的變化曲線圖；圖50是在圖42所示的磁傳感器的製造過程中的一個步驟，其上已經形成了自旋閥膜的石英玻璃的平面圖；圖51是用於製備磁鐵陣列的金屬板的平面圖，此磁鐵陣列將用於圖42所示的磁傳感器的製造；圖52是圖51所示的金屬板和永久條形磁鐵沿圖51的3-3線剖面圖；圖53是用於形成將用在圖42所示的磁傳感器的製造中的磁鐵陣列的板的平面圖；圖54是將用在圖42所示的磁傳感器的製造中的磁鐵陣列的剖面圖；圖55是表示圖42所示的磁傳感器的製造中的步驟的剖面圖；圖56是說明從圖54中的磁鐵陣列選取的一些磁鐵的透視圖；圖57是說明圖42所示的磁傳感器的每個GMR元件的釘扎層的磁化方向的釘扎方法的原理圖；圖58是說明圖42所示的磁傳感器和方位角之間關係的圖；和圖59是表示圖42所示的磁傳感器的輸出電壓與方位角之間的曲線圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖描述根據本發明的磁傳感器的實施例。
如圖1所示，根據第一實施例的磁傳感器包含通常的正方形襯底10、兩個磁隧道效應元件(組)11、21、磁場偏轉線圈30和多個電極焊盤40a至40f，其中矩形襯底10例如可以由SiO2/Si、玻璃或石英製成。磁隧道效應元件(組)11、21和磁場偏轉線圈30分別與電極焊盤40a、40b、40c、40d、40e和40f連接。由於磁隧道效應元件(組)11和磁隧道效應元件(組)21在結構上是相同的，因此下文將作為代表例描述磁隧道效應元件(組)11，省略了磁隧道效應元件(組)21的描述。
如放大的平面圖2所示，磁隧道效應元件(組)11由多個(在本例中是20個)串連連接的磁隧道效應元件構成。每個磁隧道效應元件包含多個下電極(lower electrode)12，下電極12在襯底10上的平面圖中呈矩形，圖3顯示了沿圖2的1-1面的剖面圖。將下電極12排成列，彼此在橫向上隔開預定的距離。下電極12由導電的非磁性金屬材料Ta(可以是Cr或Ti)製成，並且厚大約30nm。在每個下電極12上分別層疊由PtMn製成的、厚大約30nm的反鐵磁膜13，並且將反鐵磁膜13形成為與下電極12一樣的平面形狀。
在每個反鐵磁膜13上，以一定間隔層疊由NiFe製成的、厚大約20nm的鐵磁膜對14、14。在平面圖中，這些鐵磁膜對14、14具有矩形形狀，並且排列為其長邊彼此平行相對。鐵磁膜14、14構成釘扎層，其中磁化方向被反鐵磁膜13釘扎。在圖4的局部放大圖的箭頭方向上(即在向右的方向上)將鐵磁膜14、14磁化。這裡，反鐵磁膜13和鐵磁膜(釘扎層)14、14構成固定的磁化層，其中鐵磁膜14、14磁化方向基本固定(即具有固定的磁化軸axis)。
在每個鐵磁膜14上形成絕緣層15，絕緣層15具有與鐵磁膜14一樣的平面形狀。此絕緣層15由絕緣材料Al2O3(Al-O)製成，厚度大約為1nm。
在絕緣層15上形成鐵磁膜16，鐵磁膜16具有與絕緣層15一樣的平面形狀，並且由厚80nm的NiFe製成。此鐵磁膜16構成自由層(自由磁化層)，其磁化方向隨著外磁場的方向而變化，並且此鐵磁膜16與由前述鐵磁膜14製成的釘扎層和前述絕緣層15一起構成磁隧道結結構。換句話說，反鐵磁膜13、鐵磁膜14、絕緣層15和鐵磁膜16構成一個磁隧道效應元件(除了電極和其它)。
在每個鐵磁膜16上分別形成虛設膜17，虛設膜17具有與每個鐵磁膜16相同的平面形狀。用由Ta膜製成的、厚大約40nm的導電非磁性金屬材料構成此虛設膜17。
在覆蓋襯底10、下電極12、反鐵磁膜13、鐵磁膜14、絕緣層15、鐵磁膜16和虛設膜17的區域中形成層間絕緣層18，用於絕緣隔離多個下電極12和反鐵磁膜13，並且用於絕緣隔離設置在每個反鐵磁膜13上的各個鐵磁膜對14、絕緣膜對15、鐵磁膜對16和虛設膜對17。層間絕緣層18由SiO2製成並且厚大約250nm。
穿過此層間絕緣層18，在每個虛設膜17上分別形成接觸孔18a。分別形成如用鋁(Al)製成的、厚大約300nm的上電極19、19，以便填充到接觸孔18a中，並且電連接設置在不同下電極12(和反鐵磁膜13)上的虛設膜對17、17中的每一個。這樣，通過將相鄰的磁隧道結結構對的鐵磁膜16、16中的每一個(虛設膜17、17中的每一個)和反鐵磁膜13、13中的每一個與下電極12、反鐵磁膜13和上電極19交替依次連接，形成了磁隧道效應元件(組)11，在磁隧道效應元件(組)11中，其釘扎層具有相同的磁化方向的多個磁隧道結結構串連連接。這裡，在上電極19、19上形成了由SiO和SiN製成的保護膜(說明省略)。
線圈30用於給上述磁隧道效應元件(組)11、21提供交流偏轉磁場，並且線圈30埋置在襯底10的上部中，以便位於磁隧道效應元件(組)11、21的下面並在與磁隧道效應元件(組)11、21的釘扎層的磁化方向平行的方向上延伸。
下面，將參考圖5至17描述上述磁隧道效應元件的製造方法。
在圖5至12和圖14至17中，為了說明，示出了由串連連接的四個磁隧道效應元件製成的磁隧道效應元件組。不過，在這些圖中，省略了線圈30的描述。
首先，如圖5所示，通過在襯底10(在此步驟，它是一塊襯底，通過以後的劃片dicing工藝，將由此襯底得到多個磁傳感器)上濺射形成構成下電極12的、由Ta製成的膜，膜厚為大約30nm。然後，通過濺射分別形成由PtMn製成的膜和由NiFe製成的膜，用於構成固定磁化層的反鐵磁膜13和鐵磁膜(釘扎層)14，膜厚分別為30nm和20nm。在此描述中，下電極12、將作為反鐵磁膜13的PtMn膜和將作為鐵磁膜14的FeNi膜被稱為下磁層SJ。
此後，層疊僅1nm的鋁，並且用氧氣氧化鋁，形成Al2O3(Al-O)膜作為絕緣層15。接著，例如通過濺射形成由NiFe構成的膜，用此膜構成自由層的鐵磁膜16，厚度為80nm，在其上形成由Ta製成的膜，用來構成虛設膜17，厚度為40nm。這裡，鐵磁膜16和虛設膜17被稱為上磁層UJ。然後，利用離子銑刀等，加工分隔上磁層UJ，如圖6所示。加工分隔下磁層SJ，如圖7所示，最終，形成一個預定結構層。
然後，如圖8所示，通過濺射形成構成層間絕緣層18的、由SiO2構成的膜，使得在元件上其厚度將為250nm，通過濺射在其上形成由Cr製成的膜和由NiFe製成的膜，厚度分別為100nm和50nm，作為鍍覆的底層膜。然後，塗覆抗蝕劑51，如圖9所示。將抗蝕劑51布圖為預定的形狀，以便不覆蓋後面將進行鍍覆的部分。
然後，如圖10所示，用NiCo鍍覆薄片，作為磁場施加磁層。例如將NiCo的厚度設為10μm。然後，如圖11所示，除去抗蝕劑之後，對整個表面進行銑削，(Ar銑削)以除去作為鍍覆底層膜形成的NiFe，如圖12所示。
圖13是在此狀態的薄片的平面圖。在圖13中，為了方便，用參考標號10代表通過後面的劃片工序將彼此分離的每個襯底。參考圖13，通過前面對抗蝕劑的布圖，形成每個磁場施加磁層(NiCo)，該磁場施加磁層(NiCo)具有通常的正方形形狀，其中心位於後面將彼此分離的四個相鄰襯底10的中心，並且設置磁場施加磁層(NiCo)，使得在縱向上和橫向上排除剛好位於磁隧道效應元件(組)11、21上的部分(portion)(即，使得夾持將作為磁隧道效應元件(組)11、21的層，該層具有預定結構，在平面圖中，在該處形成了包含將作為釘扎層磁層的下磁層SJ)。在此狀態下，在與每個磁場施加磁層形成的正方形的對角線平行的方向上施加強度大約為1000(oe)的磁場，使得磁場施加磁層在圖13中箭頭A所示的方向上磁化。
然後，除去上述磁場。此時，磁場施加磁層的剩磁磁化在從每個磁場施加磁層的上邊到相鄰的磁場施加磁層的的下邊的方向上產生磁場，並且在從每個磁場施加磁層的右側到相鄰的磁場施加磁層的左側的方向上產生磁場，如圖13中的箭頭B所示。為此，在將成為此隧道效應元件(組)11、21的部分施加了平行於該部分的長度方向的磁場。然後，為了將由PtMn製成的反鐵磁膜13形成為有序合金，並且提供交換耦合磁場Hex，將薄片放到高溫環境中進行高溫退火工序。結果，形成在一個並且相同的襯底10上的磁隧道效應元件(組)11將具有釘扎層，此釘扎層在彼此不同的方向上被磁化(釘扎)(在這種情況下，是在彼此垂直的方向上)。換句話說，每個磁隧道效應元件(組)11、21將在圖1中的箭頭所示的方向上具有固定的磁化軸。
接著，如圖14所示，利用酸除去鍍覆膜NiCo和濺射的NiFe，利用銑削除去Cr，如圖15所示。此後，如圖16所示，穿過層間絕緣膜18形成接觸孔18a；如圖17所示，通過濺射形成厚300nm的Al膜；將Al膜加工為布線圖形，以形成上電極19。
然後，在襯底10上形成圖1所示的電極焊盤40a至40f，將電極焊盤40a至40f分別連接到磁隧道效應元件(組)11、21和線圈30。最後，通過CVD形成由SiO製成的、厚150nm的膜(未示出)和由SiN製成的、厚1000nm的膜(未示出)，作為保護膜(鈍化膜)。此後，通過銑削、反應離子蝕刻或利用抗蝕劑掩模的蝕刻打開部分保護膜，以便露出電極焊盤40a至40f。接著，對襯底進行回磨(通過研磨減薄)；通過劃片將襯底分為各個磁傳感器；最後，進行封裝。
這樣製造了磁隧道效應元件(組)11並示於圖1，施加外磁場，該外磁場沿著圖1所示的X軸方向和垂直於X軸的Y軸方向的各個軸改變強度，以便測量施加磁場時的電阻變化率MR(MR率)。結果示於圖18和19，從圖18和19將可以看出，磁隧道效應元件(組)11的MR率隨外磁場在X軸方向變化而變化的幅度比隨外磁場在Y軸方向的變化而變化的幅度更大。這就證實了在磁隧道效應元件(組)11中，其釘扎層的磁化方向平行於X軸。
同樣，對於圖1所示的磁隧道效應元件(組)21，施加外磁場，該外磁場沿著圖1所示的X軸方向和垂直於X軸的Y軸方向的各個軸改變強度，以便測量施加磁場時的電阻變化率MR(MR率)。結果示於圖20和21，從圖20和21將可以看出，磁隧道效應元件(組)21的MR率隨外磁場在Y軸方向變化而變化的幅度比隨外磁場在X軸方向的變化而變化的幅度更大。這就證實了在磁隧道效應元件(組)21中，其釘扎層的磁化方向平行於Y軸。換句話說，已經證實在一個並且相同的襯底10上，此磁傳感器具有兩個具有釘扎層的磁隧道效應元件(磁阻效應元件)，其中釘扎層被釘扎，使得其磁化方向彼此不同(即，使得其磁化方向彼此相交)。
下面將描述根據第二實施例的磁傳感器。
第二實施例與第一實施例的區別僅在於第一實施例的固定磁化層用PtMn和NiFe構成，而第二實施例的磁化層由厚30nm的MnRh膜和厚40nm的NiFe膜(釘扎層)構成。另一方面，由於這種固定磁化層的材料不同，製造第二實施例的方法與第一實施例稍有不同，下面將具體描述。
即，在第二實施例中，如圖22所示，通過濺射在襯底10上形成厚30nm的Ta膜、厚30nm的MnRh膜和厚40nm的NiFe膜，以便形成下磁層SJ，接著，形成1nm的Al膜，並氧化該Al膜，以形成絕緣層15，在其上形成厚40nm的NiFe膜和厚40nm的Ta膜，以便形成上磁層UJ。
接著，如圖23所示，加工分隔上磁層UJ，加工分隔下磁層SJ，如圖24所示。然後，如圖25所示，濺射SiO2形成厚250nm的膜，以形成層間絕緣層18，然後穿過層間絕緣層18形成接觸孔18a，如圖26所示。接著，如圖27所示，濺射Al形成厚300nm的膜，並加工成布線圖形，以形成上電極19。然後，如圖28所示，通過CVD形成由SiO和SiN製成的保護膜20。
然後，如圖29所示，通過濺射形成由Cr製成的膜和由NiFe製成的膜，它們分別厚100nm和50nm，作為鍍覆的底層，接著，塗覆抗蝕劑51，如圖30所示，將抗蝕劑51布置為預定的形狀，使其不覆蓋後面將進行鍍覆的部分。
然後，如圖31所示，用NiCo鍍覆薄片作為施加磁場層。例如，將NiCo的厚度設定為10μm。然後，如圖32所示，除去抗蝕劑之後，對整個表面進行銑削(Ar銑削)，以除去形成為鍍覆底層膜的NiFe，如圖33所示。在此步驟，薄片處於圖13所示的狀態。在這種狀態下，在與每個磁場施加磁層形成的正方形的的對角線平行的方向上施加大約1000(oe)強度的磁場，以便在圖13中的箭頭A所示的方向上使磁場施加磁層磁化。此後，除去磁場。
此時，對於後面將成為磁隧道效應元件(組)11』、21』的部分，通過NiCo的剩磁磁化施加磁場，該磁場平行於上述部分的長度方向。然後，將薄片放入高溫環境中進行高溫退火工序。結果，形成在一個並且是相同的襯底10』上的磁隧道效應元件(組)11』、21』將具有在彼此不同的方向上磁化(釘扎)的釘扎層(在這種情況下，在彼此垂直的的方向上)。完成高溫退火工序之後，用酸除去鍍覆膜NiCo和鍍覆的底層膜NiFe，如圖34所示，通過銑削除去鍍覆的底層膜Cr，如圖35所示。此後，進行與第一實施例一樣的工序。
對於如此製造並示於圖1的磁隧道效應元件(組)(圖1所示的11』)，施加外磁場，該外磁場沿著X軸方向和垂直於X軸的Y軸方向的各個軸改變強度，以便測量施加磁場時的電阻變化率MR(MR率)。結果示於圖36和37，從圖36和37將可以看出，磁隧道效應元件(組)11』的MR率隨外磁場在X軸方向變化而變化的幅度比隨外磁場在Y軸方向的變化而變化的幅度更大。這就證實了在磁隧道效應元件(組)11』中，其釘扎層的磁化方向平行於X軸。
同樣，對於圖1所示的磁隧道效應元件(組)21』，施加外磁場，該外磁場沿著X軸方向和垂直於X軸的Y軸方向的各個軸改變強度，以便測量施加磁場時的電阻變化率MR(MR率)。結果示於圖38和39，從圖38和39將可以看出，磁隧道效應元件(組)21』的MR率隨外磁場在Y軸方向變化而變化的幅度比隨外磁場在X軸方向的變化而變化的幅度更大。這就證實了在磁隧道效應元件(組)21』中，其釘扎層的磁化方向平行於Y軸。換句話說，已經證實在一個並且相同的襯底10』上，根據第二實施例的磁傳感器具有兩個具有釘扎層的磁隧道效應元件(磁阻效應元件)，其中釘扎層被釘扎，使得其磁化方向彼此相交(即，彼此不同)。
如上所述，根據第一和第二實施例的磁傳感器在一個並且是相同的襯底上(在一個基片上)具有磁隧道效應元件，在磁隧道效應元件中，釘扎層的磁化方向彼此相交(即，至少兩個釘扎層的磁化方向形成的角度不是0°和180°)。為此，可以將這些磁傳感器用作弱磁傳感器(例如，用作地磁傳感器等)，這種磁傳感器需要在不同的方向檢測磁場。而且，根據上述實施例的方法，這些傳感器很容易製造。
這裡，在第一實施例中，既然PtMn用在固定磁化層中，磁層中釘扎層的磁化方向必須在將薄片剛放入高溫的同時釘扎釘扎層，因此，在為了形成保護膜通過CVD等進行高溫處理之前的步驟，對薄片進行高溫退火工序。相反，在第二實施例中，用MnRh作為固定磁化層。如果在高溫退火工序之後進行另外的高溫處理，將降低MnRh的質量。因此，在第二實施例中，在為了形成保護膜通過CVD等進行高溫處理之後，進行高溫退火工序。
此外，根據上述第一和第二實施例的製造方法，一個可以得到一種磁隧道效應元件(組)，該磁隧道效應元件(組)對要檢測的外磁場呈現平滑的函數性能。換句話說，當給磁隧道效應元件組11、21、11』、21』施加在垂直於釘扎層的磁化方向的方向上強度變化的磁場時，釘扎層的磁化平滑變化，如圖40的線LP所示。另一方面，由於形狀的各向異性，這些元件的自由層對上述外磁場的方向敏感反應，並且將外磁場接近於「0」附近時，自由層的磁化呈階式變化，如圖40所示。結果，當外磁場為「0」時，在釘扎層的磁化方向和自由層的磁化方向之間形成的相關角度達到最大值，(大約90°)，隨著外磁層強度(絕對值)的增加，相關角度減小。這可以通過圖19、20、37和38得到證實。
此外，從圖13也可以清楚地看出，當在圖13中的箭頭A所示的預定方向上磁化鍍覆膜(NiCo)時，所述鍍覆膜(NiCo)構成每個磁場施加磁層時，在通過鍍覆膜的剩磁磁化在鍍覆膜之間產生的磁場方向將與鍍覆膜的磁化方向不同，而將在與鍍覆膜M的端表面垂直的方向上，如圖13中的箭頭B所示。因此，如圖41所示，如果設計鍍覆膜M的端面形狀，並在箭頭C所示的方向上磁化此鍍覆膜，可以在薄片上的適當位置處局部產生所需要的方向的磁場(由箭頭D所示的方向)。因此，通過利用這種方式，可以在一個襯底上製造具有固定磁化軸的磁隧道效應元件TMR1、TMR2(在一個基片上的磁隧道效應元件TMR1、TMR2，其中釘扎層的磁化方向彼此相交)。
下面將描述根據本發明第三實施例的磁傳感器。當用TMR元件構成上述第一和第二實施例的磁傳感器時，第三實施例的磁傳感器由GMR元件構成。此外，此磁傳感器配置有用於檢測X軸方向的磁場的X軸傳感器和用於檢測Y軸方向的磁場的Y軸磁傳感器，其中Y軸垂至於X軸。
更具體地說，此磁傳感器60具有矩形(通常是正方形)形狀，具有在如圖42所示的平面圖中彼此垂直的、沿著X軸和Y軸的側邊，並且磁傳感器60包含由石英玻璃製成的單個基片(相同的襯底)60a，該基片60a在垂直於X軸和Y軸的Z軸方向上厚度很小；形成在基片60a上的八個GMR元件61-64、71-74；形成在基片60a上的八個焊盤65-68、75-78；和連接焊盤和元件的連接線。
在X軸的負方向上的基片60a的端部附近和總的來說在Y軸方向的基片60a的中央部分稍下一點的位置形成第一X軸GMR元件61，釘扎層的釘扎磁化方向在X軸的負方向上，如圖42中的箭頭所示。在X軸的負方向的基片60a的端部附近和總的來說在Y軸方向的基片60a的中央部分稍上一點的位置形成第二X軸GMR元件62，釘扎層的釘扎磁化方向在X軸的負方向上，如圖42中的箭頭所示。在X軸的正方向的基片60a的端部附近和總的來說在Y軸方向的基片60a的中央部分稍上一點的位置形成第三X軸GMR元件63，釘扎層的釘扎磁化方向在X軸的正方向上，如圖42中的箭頭所示。在X軸的正方向上的基片60a的端部附近和總的來說在Y軸方向的基片60a的中央部分稍下一點的位置形成第四X軸GMR元件64，釘扎層的釘扎磁化方向在X軸的正方向上，如圖42中的箭頭所示。
在Y軸的正方向上的基片60a的端部附近和總的來說在X軸方向上的基片60a的中央部分稍左的位置形成第一Y軸GMR元件71，釘扎層的釘扎磁化方向在Y軸的正方向上，如圖42中的箭頭所示。在Y軸的正方向上的基片60a的端部附近和總的來說在X軸方向上的基片60a的中央部分稍右的位置形成第二Y軸GMR元件72，釘扎層的釘扎磁化方向在Y軸的正方向上，如圖42中的箭頭所示。在Y軸的負方向上的基片60a的端部附近和總的來說在X軸方向上的基片60a的中央部分稍右的位置形成第三Y軸GMR元件73，釘扎層的釘扎磁化方向在Y軸的負方向上，如圖42中的箭頭所示。在Y軸的負方向上的基片60a的端部附近和總的來說在X軸方向上的基片60a的中央部分稍左的位置形成第四Y軸GMR元件74，釘扎層的釘扎磁化方向在Y軸的負方向上，如圖42中的箭頭所示。
GMR元件61-64、71-74具有基本上彼此相同的結構，除了它們在基片60a上的位置和相對於基片60a釘扎層的的釘扎磁化方向不同。因此下文將第一X軸GMR元件61作為代表例來描述它們的結構。
如第一X軸GMR元件61的平面圖43和沿圖43的2-2線的剖面示意圖44所示，第一X軸GMR元件61包含由自旋閥膜(spin valve)膜SV製成並且用Y軸方向作為其縱向的多個窄帶形部分61a......61a和由如CoCrPt硬鐵磁材料製成的偏磁膜(硬鐵磁薄膜層)61b...61b，偏磁膜61b......61b形成在Y軸方向上的每個窄帶形部分61a的兩個端部下面。每個窄帶形部分61a...61a在每個偏磁膜61b的上表面上在X軸方向延伸，並且與相鄰的窄帶形部分61a連接。
如圖45中的膜結構所示，第一X軸GMR元件61的自旋閥膜SV由自由層(自由磁化層)F、由Cu製成的厚2.4nm(24)的導電隔層S、釘扎固定磁化層P和頂層C構成，然後層疊到構成襯底的基片60a上，所示頂層C由鈦(Ti)或鉭(Ta)製成，並且厚2.5nm(25)的厚度。
自由層F是其磁化方向隨外磁場方向變化的層，並且由形成在基片60a上面的CoZrNb非晶磁層61-1、形成在CoZrNb非晶磁層61-1上面的NiFe磁層61-2和形成在NiFe磁層61-2上面的CoFe層61-3構成，CoZrNb非晶磁層61-1的厚度為8nm(80)，NiFe磁層61-2的厚度為3.3nm(33)，CoFe層61-3的厚度為大約1-3nm(10-30)。CoZrNb非晶磁層61-1和NiFe磁層61-2構成軟磁薄膜層。CoFe層61-3用於防止NiFe層61-2中的Ni和隔層S61-4中的Cu的擴散。這裡，上述偏磁膜61b...61b在Y軸方向(圖43中的箭頭所示的右和左方向)給自由層F施加偏磁場，用於保持自由層F的同軸各向異性。
固定磁化層P是厚2.2nm(22)的CoFe磁層61-5和厚24nm(240)的反鐵磁膜61-6的層，反鐵磁膜61-6由包含45-55摩爾％Pt的PtMn合金形成。以交換耦合的方式順著CoFe磁層61-5襯以磁化的反鐵磁膜61-6，以便構成其磁化方向釘扎(固定)在X軸負方向上的釘扎層。
如此構成的第一X軸GMR元件61具有與外電場成正比變化的電阻值，該外磁場沿著X軸在-Hc到+Hc的範圍內變化，並且具有隨沿Y軸變化的外磁場恆定的電阻值，如圖46中的虛線所示。
通過第一至第四X軸GMR元件61-64的全橋連接構成X軸磁傳感器，如圖47中的等效電路所示。這裡，在圖47中箭頭表示GMR元件61-64的釘扎層的釘扎磁化方向。在這種結構中，焊盤67和焊盤68分別與恆定的電源(未示出)的正極和負極連接，以便給出電壓Vxin+(在本例中是5V)和電壓Vxin-(在本例中是0V)。然後取出焊盤65和焊盤66的電壓，作為電壓Vxout+和Vxout-，取出它們(Vxout+-Vxout-)的電壓差，作為傳感器的輸出Vxout。結果，X軸磁傳感器顯示了通常與外電場成正比變化的輸出電壓Vxout，此外磁場沿著X軸在-Hc到+Hc的範圍內變化，如圖48中的實線所示，並且X軸磁傳感器還顯示了隨沿Y軸變化的外磁場的「0」輸出電壓，如圖48中的虛線所示。
以與X軸磁傳感器一樣的方式，通過第一至第四Y軸GMR元件的完全橋連構成Y軸磁傳感器。此外，焊盤77和焊盤78分別與恆定電源(未示出)的正極和負極連接，以便給出電壓Vyin+(在本例中是5V)和電壓Vyin-(在本例中是0V)。然後，取焊盤75和焊盤76之間的電壓差，作為傳感器的輸出電壓Vyout。結果，Y軸磁傳感器顯示了與沿著Y軸在-Hc至+Hc範圍內變化的外磁場成比例的輸出電壓Vyout，如圖49中的虛線所示，並且顯示了總的來說隨沿X軸變化的外磁場的「0」輸出電壓，如圖49中的實線所示。
下面將描述以上述方式構成的磁傳感器60的製造方法。首先，如平面圖50所示，在矩形石英玻璃60a1上以島狀方式形成由上述自旋閥膜SV製成的多個膜M和將構成GMR元件的上述偏磁膜61b。利用超級高真空裝置通過順序層疊將膜M形成到精確的厚度。形成這些膜M，使得當通過後面進行的切割工藝沿著圖50的虛線切割石英玻璃60a1，將其分為圖42所示的各個基片60a時，膜M將位於圖42所示的GMR元件61-64、71-74的位置。此外，在石英玻璃60a1的四個角形成除了十字形狀以外具有矩形形狀的對準(定位)掩膜60b。
然後，如平面圖51和沿圖51的3-3線切得的剖面圖52所示，準備矩形金屬板81，其中以正方形點陣結構形成了多個正方形通孔(即，彼此等間距地沿著X軸和Y軸形成正方形通孔，此正方形通孔具有平行於X軸和Y軸的邊)。然後，將平行六面體形並且具有幾乎與通孔一樣的正方形截面的永久條形磁鐵82...82插入金屬板81的通孔中，使得形成磁極處永久條形磁鐵82...82的端面平行於金屬板81。此時，排列永久條形磁鐵82...82，使得每個條形磁鐵82的磁極的極性與和其相鄰並間隔最短距離的其它永久條形磁鐵82的磁極的極性不同。這裡，採用的永久條形磁鐵82...82具有相同大小的磁荷。
然後，如平面圖53所示，準備厚大約0.5nm、由透明的石英玻璃製成的板83，此板83具有與上述金屬板81幾乎一樣的矩形性長，讓此板83在四個角上具有用於定位的、與上述石英玻璃60a1的對準掩模相匹配的形狀的對準(定位)掩模83a。此外，在中央部分，在與插入上述金屬板81的永久條形磁鐵82...82的外形相對應的位置形成對準掩模83b。接著，如圖54所示，利用粘合劑將永久條形磁鐵82...82的上表面粘接到板83的下表面。此時，通過對準掩模83b確定永久條形磁鐵82相對於板83的相對位置。然後，從下側除去金屬板81。在此步驟，永久條形磁鐵82...82和板83形成以下列方式構成的瓷陣列即在正方形陣列的格點處設置了多個具有構成磁極的正方形端面的永久磁鐵，每個永久磁鐵的磁極的極性與和其相鄰並間隔最短距離的其它永久條形磁鐵82的磁極的極性不同。
然後，如圖55所示，定位石英玻璃60a1，使得其上形成了將成為GMR元件的膜的表面與板83的上表面接觸，在石英玻璃60a1中，形成了將成為GMR元件的膜(包含將成為釘扎層的磁層的層，即，該層包含成為固定磁化層的磁層)。通過使對準掩模83a的十字形與各個與上述對準掩模60b的已經去除了十字形的部分相吻合來精確地確定石英玻璃60a1相對於板83的相對位置。
圖56是說明其中已經選取四個上述永久條形磁鐵82...82的狀態的透視圖。從此圖可以清楚地看出，在永久條形磁鐵82...82的上表面上，形成的磁場從一個N極指向與N極相鄰的距離最短的四個S極，即，在彼此相差90°的四個方向。因此，如圖57的模型圖所示，在將石英玻璃60a1放置在圖55所示的板83的上表面上的狀態下，在Y軸的正方向、X軸的正方向、Y軸的負方向和X軸的負方向的磁場施加給與N極的正方形端面的每個邊平行並且將成為GMR元件的膜。
在本實施例中，利用這樣的磁場，進行熱處理以固定固定磁化層P的磁化方向(固定磁化層P的固定層)。即，在圖55的狀態下，通過夾持器CL將板83和石英玻璃60a1彼此固定，在真空中加熱到250℃至280℃，並且使其保持這種狀態大約4小時。
此後，取出石英玻璃60a1；形成圖42所示的焊盤65-68、75-78；形成連接這些焊盤的布線；最後沿著圖50所示虛線切割石英玻璃60a1。上述工藝完成了圖42所示的磁傳感器60的製造。
下面將描述利用上述磁傳感器對磁性的測量結果。在此測量中，當磁傳感器60的Y軸的正方向指向南時，方位角θ(測量角)限定為0°，如圖58所示。測量結果示於圖59。從圖59可以清楚地看出，實線所示的X軸磁傳感器輸出Sx的變化像正弦曲線，虛線所示的Y軸磁傳感器輸出Sy的變化像餘弦曲線。圖48和49所示的特性正是所預期的結果。
在這種情況下，可以通過下列方式來確定方位角(1)當X軸磁傳感器輸出Sx和Y軸磁傳感器輸出Sy都是正值時，θ＝arctan(Sx/Sy)；(2)當Y軸磁傳感器輸出Sy為負值時，θ＝180°+arctan(Sx/Sy)；(3)當X軸磁傳感器輸出Sx為負值，Y軸磁傳感器輸出Sy為正值時，θ＝360°+arctan(Sx/Sy)。因此，例如可以將磁傳感器60用作磁性(方位角)傳感器，它可以安裝到如手提電話的可攜式電子設備上。這裡，如果當方位角在從270至360的範圍內時，允許從90°至0°範圍內的顯示，那麼當輸出所Sy為正值時，可以通過θ＝arctan(Sx/Sy)來確定方位角，當輸出Sy為負值時，可以通過θ＝180°+arctan(Sx/Sy)來確定方位角。
如上所述，根據第三實施例，準備以下列方式構成的磁鐵陣列，使得多個永久磁鐵設置在正方形格的格點處，每個永久磁鐵的磁極的極性與和其相鄰並間隔最短距離的其它永久磁鐵的磁極的極性不同，利用由磁鐵陣列形成的磁場，將成為上述釘扎層的磁層的磁化方向被釘扎。因此，在單個基片上，可以容易地形成GMR元件，其中釘扎層地釘扎磁化方向彼此不同(彼此垂直)。此外，通過此方法，可以一次大量製造單個基片，每個基片具有其中釘扎層的釘扎磁化方向彼此不同的GMR元件，從而減少單個基片的製造費用。
這裡，本發明並不限於上述實施例，在本發明的範圍內可以作出各種修改。例如，儘管在上述第一和第二實施例中採用具有大的剩磁磁化的NiCo作為鍍覆層，但也可以用具有大的剩磁磁化的其它材料(例如Co)來代替NiCo。另外，可以將第一和第二實施例中的固定磁化層的固定磁化方向的方法應用於其它如第三實施例中的具有釘扎層(具有固定磁化軸的層)的磁阻效應元件。此外，儘管在上述三個實施例的固定磁化層中可釘扎層(pinning layer)使用PtMn，但也可以用FeMn、IrMn等來代替PtMn。
權利要求
1.一種磁傳感器，包括包含釘扎層和自由層的磁阻效應元件，所述磁阻效應元件具有隨由釘扎層的磁化方向和自由層的磁化方向形成的相對角度變化的電阻值，以這樣的方式形成所述磁傳感器，即將多個所述磁阻效應元件設置在單個基片上，所述多個磁阻效應元件中的至少兩個的釘扎層具有彼此相交的磁化方向。
2.一種磁傳感器的製造方法，所述磁傳感器包括包含釘扎層和自由層的磁阻效應元件，所述磁阻效應元件具有隨由釘扎層的磁化方向和自由層的磁化方向形成的相對角度變化的電阻值，所述方法包括步驟在襯底上的預定結構中形成包含將成為所述釘扎層的磁層的層；形成磁場施加磁層，用於給包含將成為所述釘扎層的磁層的層施加磁場；磁化所述磁場施加磁層；和用所述磁場施加磁層的剩磁磁化釘扎(pin)將成為所述釘扎層的磁層的磁化方向。
3.根據權利要求2的磁傳感器的製造方法，其特徵在於，形成所述磁場施加磁層的步驟是這樣的步驟形成所述磁場施加磁層以便夾持在平面圖中包含將成為所述釘扎層的層。
4.根據權利要求3的磁傳感器的製造方法，其特徵在於，所述磁場施加磁層的磁化方向與由所述剩磁磁化產生的磁場的方向不同。
5.一種磁傳感器的製造方法，所述磁傳感器包括包含釘扎層和自由層的磁阻效應元件，所述磁阻效應元件具有隨由釘扎層的磁化方向和自由層的磁化方向形成的相對角度變化的電阻值，所述方法包括步驟準備以下列方式構成的磁鐵陣列，即在正方形格的格點處設置多個永久磁鐵，每個永久磁鐵的磁極的極性與和其相鄰並距離最短的其它磁鐵磁極的極性不同；在所述磁鐵陣列上，設置薄片，在此薄片中已經形成了包含至少將成為所述釘扎層的磁層；利用在一個所述磁極和與其相鄰的並且距離最短的另一個所述磁極之間形成的磁場，釘扎將成為所述釘扎層的磁層的磁化方向。
全文摘要
本發明涉及一種磁傳感器及其製造方法,在單個基片上形成多個配置有釘扎層的磁阻效應元件,釘扎層具有彼此相交的方向的固定磁化軸。在襯底10上形成了將成為兩個磁隧道效應元件11、21的磁層,作為磁阻效應元件。形成由NiCo製成的磁場施加磁層,使其在平面圖中夾持磁層。給磁場施加磁層施加磁場。磁場施加磁層在箭頭A所示的方向上磁化之後,除去磁場。結果,通過磁場施加磁層的剩磁磁化,給將成為磁隧道效應元件11、21的磁層施加箭頭B所示的方向的磁場,從而在箭頭B所示的方向上釘扎了將成為磁隧道效應元件11、21的磁層的釘扎層的磁化。
文檔編號H01F41/30GK1367481SQ0210270
公開日2002年9月4日 申請日期2002年1月23日 優先權日2001年1月24日
發明者佐藤秀樹, 大橋俊幸, 湧井幸夫, 吉田晉, 相曾功吉 申請人:山葉株式會社