专利名称：巨磁阻自旋阀磁敏传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种巨磁阻自旋阀磁敏传感器及其制造方法，属于测量装置技术领域。
背景技术：
巨磁阻(GMR)自旋阀磁敏传感器，可广泛应用于位移测量、速度测量、精密机械精确定位、石油勘探系统、电力控制、汽车ABS系统、速度控制和导航中的自动传感、导弹导航、医疗器械等技术领域。相对于传统磁敏传感器如霍耳器件、AMR器件等，GMR自旋阀磁敏传感器在尺寸、灵敏度、能耗和稳定性等方面都有诸多优势。现有技术中通常采用惠斯通电桥结构实现GMR自旋阀磁敏传感器的设计。如图1 所示，惠斯通电桥结构由四个等同的GMR磁敏电阻连接组成。惠斯通电桥式GMR磁敏传感器实现信号输出的方法有两种第一种方法是将四个等同的磁敏电阻连接成惠斯通电桥， 通过将其中的两个磁敏电阻进行磁场屏蔽，在外场下使电桥失去平衡而得到电桥输出。该种方法已在美国专利US 5569544与US 7639005中得到应用。如图2所示，可通过现代集成器件工艺将四个GMR磁敏电阻连接成惠斯通电桥，并用磁屏蔽层(图中阴影部分)屏蔽其中两个磁敏电阻0 2、R4)。这样在外磁场作用下，有磁屏蔽的两个电阻不受影响，没有磁屏蔽的两个电阻(RpR3)的阻值发生变化，使电桥输出发生改变。整个电桥的输出即反映外磁场的大小。该磁屏蔽层不仅可屏蔽外磁场对&及R4的影响，同时还可以将外磁场放大。 这种设计的优点是器件的温度稳定性好、灵敏度高。第二种方法是在集成传感器上集成导线如图3所示，在导线中通过的电流产生磁场；作用在礼、R3和R2、R4两对电阻上的磁场方向相反，这样使礼、R3和R2、R4的被钉扎层磁矩方向相反，从而使两对电阻对外场具有不同的响应特性，形成推拉结构。在正外场下电阻R” R3的电阻变大，而R2> R4电阻变小；在负外场下，R1、R3的电阻变小，而R2> R4电阻变大。该方法已在美国专利US2003/0157368 Al、US 5561368和美国Honeywell公司的专利 US 7016163 B2 中描述。然而，采用第二种方法形成具推拉结构的GMR自旋阀传感器，在工艺上和商业化生产方面都极为困难。首先需在传感器上集成导线，再通过集成导线中的电流产生磁场，该磁场方向在RpR3上与I 2、R4上的方向相反。还需要在升温达到TB(Blocking Temperature) 并在导线产生的磁场下降温，才可使R1和R3的钉扎方向与&、R4相反，从而形成电桥推拉结构，使R1和R3的电阻随外场的变化与R2、R4相反。由于该方案增加了工艺的复杂度，不利于硅片层次上器件的大规模制作，从而大大降低了商业化的可行性，该方案并没有得到实际应用。

发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有技术的缺陷，提供一种既不需要添加磁屏蔽层，也不需要通过通电流和加热方法改变钉扎层磁矩方向，工艺简单、易于实现、尺寸小、灵敏度高、线性度好的磁敏传感器及其制造方法。为此，本发明采用如下技术方案。巨磁阻自旋阀磁敏传感器，包括由四个磁敏电阻组成的惠斯通电桥，其特征在于组成惠斯通电桥的四个磁敏电阻由两种不同的自旋阀材料制成，其中两个磁敏电阻由普通的自旋阀材料制成，而另外两个磁敏电阻由具有合成反铁磁被钉扎层的自旋阀材料制成， 这两对磁敏电阻组成的惠斯通电桥的差分输出信号在外场下形成推-拉输出。这样的结构可以使输出信号大最大化。对于上述技术方案的完善和补充，可以增加如下技术特征或其组合。所述的磁敏电阻由顶钉扎自旋阀材料、SAF顶钉扎自旋阀材料、底钉扎自旋阀材料、合成反铁磁底钉扎自旋阀材料制成。所述的组成推拉结构的惠斯通电桥的两对磁敏电阻为一对磁敏电阻由顶钉扎自旋阀材料制成而另外一对由合成反铁磁顶钉扎自旋阀材料制成或者一对磁敏电阻由底钉扎自旋材料制成，而另外一对由合成反铁磁底钉扎自旋阀材料制成。所述的顶钉扎自旋阀材料由种子层、自由层、间隔层、被钉扎层、反铁磁钉扎层及保护层组成；种子层材料为Ta、NiCr或者Nii^eCr材料；自由层材料为NiFe、Nii^eCo、CoFe、 Co、CoFeB及其复合层材料；间隔层由非磁性导电材料组成，成份为CU、AU、Ag、Cr及其合金； 被钉扎层由铁磁材料组成，成份为NiFe、NiFeCo, CoFe, Co及其复合层材料；反铁磁钉扎层由反铁磁性材料组成，成份为i^eMn、NiMn, IrMn, PtMn, PtPdMn或CrPtMn合金材料；保护层成份为Ta、NiCr或者Nii^eCr。所述的合成反铁磁顶钉扎自旋阀材料的种子层、自由层、间隔层、反铁磁钉扎层及保护层与顶钉扎自旋阀材料相同，被钉扎层为合成反铁磁材料，合成反铁磁材料的为铁磁层/非磁性层/铁磁层结构，铁磁层成份为NiFe、NiFeCo, CoFe, Co及其复合层材料，非磁性层成份Ru。所述的底钉扎自旋阀材料由种子层、反铁磁钉扎层、被钉扎层、间隔层、自由层及保护层组成，种子层材料可选用Ta、NiCr或者NWeCr ；钉扎层由反铁磁性材料组成，成份为 FeMn, NiMn, IrMn, PtMn, PtPdMn或CrPtMn合金材料或NiO作为钉扎层；被钉扎层由铁磁材料组成，成份为NiFe、Nii^eCo、CoFe、Co及其复合层材料；间隔层由非磁性导电材料组成，成份为Cu、Au、Ag、Cr及其合金；自由层材料为NiFe、NiFeCo, CoFe, Co、CoFeB及其复合层材料；保护层为Ta、NiCr或者Nii^eCr。所述的合成反铁磁底钉扎自旋阀材料的种子层、反铁磁钉扎层、间隔层、自由层及保护层组成与底钉扎自旋阀材料相同，被钉扎层用合成反铁磁材料，合成反铁磁材料为铁磁层/非磁性层/铁磁层结构，铁磁层成份是NWe、NiFeCo, CoFe, Co及其复合层材料，非磁性层成份为Ru。所述的惠斯通电桥中的两对磁敏电阻是采用巨磁阻自旋阀材料的两次沉积方法， 并通过光刻、刻蚀而制成。所述的自旋阀材料的两次沉积方法为通过第一次沉积顶钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第一对磁敏电阻，沉积一层绝缘材料后再第二次沉积SAF顶钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第二对磁敏电阻或通过第一次沉积底钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第一对磁敏电阻，沉积一层绝缘材料后再第二次沉积SAF底钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第二对磁敏电阻。
所述的巨磁阻自旋阀磁敏传感器通过沉积、刻蚀、开孔、钝化工艺完成，其中器件衬底采用的是沉积了一层绝缘层材料的单晶硅，该绝缘层材料成份是Sih或Si3N4，巨磁阻自旋阀材料的两次沉积并刻蚀得到组成惠斯通电桥的四个电阻，然后沉积一层绝缘材料， 开连接窗口，沉积金属层，光刻形成连线，最后再沉积一层厚的绝缘隔离材料，并开连接孔形成对外输出焊接盘。本发明采用该发明制成的GMR自旋阀磁敏传感器由两对响应特性相反的四个自旋阀磁敏电阻组成推拉结构的惠斯通电桥。两次沉积的自旋阀材料的结构不同，可通过刻蚀得到两对对外场响应特性不同的磁敏电阻。该GMR自旋阀传感器通过两次自旋阀材料的沉积方法而实现。两次沉积的自旋阀材料的结构不同，可通过刻蚀得到两对对外场响应特性不同的磁敏电阻。这两对磁敏电阻组成的惠斯通电桥的差分输出信号在外场下形成推-拉输出，使输出信号大最大化。该方法不需要集成导线，适用于硅片层次的工艺实现。 惠斯通电桥由两对自旋阀材料结构不同的磁敏电阻组成，组成每对磁敏电阻的自旋阀材料结构相同，工艺简单、易于实现、尺寸小、灵敏度高、线性度好，是实现工业化生产的理想方案。


图1为现有技术中惠斯通电桥结构示意图。图2为现有技术中桥式GMR磁敏器件示意图(a)器件平面示意图，(b)电路电桥等效图。图3为现有技术中集成有导线的自旋阀传感器原理图。图4为本发明顶钉扎自旋阀传感器结构示意图。图5为本发明顶钉扎自旋阀材料结构示意图(a)截面结构示意图，(b)电路图。图6为本发明合成反铁磁层(SAF)顶钉扎自旋阀材料的结构示意图。图7为本发明合成反铁磁层(SAF)结构及其磁化状态示意图。图8为本发明底钉扎自旋阀传感器的结构示意图(a)截面结构示意图，(b)电路图。图9为本发明底钉扎自旋阀材料结构示意图。图10为本发明SAF底钉扎自旋阀材料的结构示意图。图11为本发明蛇形磁敏电阻的结构示意图。图12 (a)为本发明普通自旋阀的结构示意图。图12 (b)为本发明普通自旋阀电阻随外加磁场的变化图。图13 (a)为本发明SAF自旋阀的结构示意图。图13 (b)为本发明SAF自旋阀电阻随外加磁场的变化图。图14为本发明自旋阀电桥输出随外加磁场的变化图。图15为本发明GMR自旋阀传感器的工艺截面结构示意图。
具体实施例方式下面结合说明书附图和具体实施方式
对发明的实质性特点作进一步的说明。图1-3已在背景技术部分进行描述，在此不再赘述。
如图4所示，顶钉扎自旋阀传感器结构示意图中，本发明的GMR自旋阀材料的磁敏传感器是采用GMR自旋阀磁敏传感器由两对响应特性相反的四个自旋阀磁敏电阻组成推拉结构的惠斯通电桥。该方法不需要集成导线，适用于硅片层次的工艺实现。惠斯通电桥由两对自旋阀材料结构不同的磁敏电阻组成，组成每对磁敏电阻的自旋阀材料结构相同。第一对磁敏电阻RpR3可由简单的顶钉扎自旋阀材料制成，第二对磁敏电阻I 2、R4可由SAF顶钉扎自旋阀材料所制成。如图5所示的本发明的顶钉扎自旋阀材料结构，由种子层、自由层、间隔层、被钉扎层、反铁磁钉扎层及保护层组成。种子层材料可选用Ta、NiCr或者NWeCr ；自由层材料可选用NiFe、NiFeCo, CoFe, Co、CoFeB及其复合层材料；间隔层由非磁性导电材料组成，可以是Cu、Au、Ag、Cr及其合金；被钉扎层由铁磁材料组成，可以是Nii^、NiFeCo、CoFe, Co及其复合层材料；钉扎层由反铁磁性材料组成，通常为i^eMn、NiMn, IrMn, PtMn, PtPdMn, CrPtMn 合金材料；保护层通常采用Ta、NiCr或者Nii^eCr。如图6所示的合成反铁磁(SAF)顶钉扎自旋阀材料结构示意图，其结构与图5所示的顶钉扎自旋阀材料结构类似。SAF顶钉扎自旋阀材料的种子层、自由层、间隔层、反铁磁钉扎层及保护层与顶钉扎自旋阀材料相同，所不同的是被钉扎层用SAF所取代。如图7所示的合成反铁磁层(SAF)结构及其磁化状态示意图中，合成反铁磁层 (SAF)由铁磁层/非磁性层/铁磁层组成，铁磁层可以是Nii^e、NiFeCo, CoFe, Co及其复合层材料，非磁性层一般采用Ru。通常采用的典型的材料结构为CoFe/Ru/CoFe。如图8底钉扎自旋阀传感器结构示意图所示，本发明组成惠斯通电桥的两对电阻也可以由底钉扎自旋阀材料制成，第一对磁敏电阻礼、R3可由简单的底钉扎自旋阀材料制成，而第二对磁敏电阻&、R4可由SAF底钉扎自旋阀材料所制成。如图9所示，本发明的底钉扎自旋阀材料结构由种子层、反铁磁钉扎层、被钉扎层、间隔层、自由层及保护层组成。种子层材料可选用Ta、NiCr或者Nii^eCr ；钉扎层由反铁磁性材料组成，通常为i^eMruNiMn、IrMn、PtMn、PtPdMn、CrPtMn合金材料，也可采用NiO作为钉扎层；被钉扎层由铁磁材料组成，可以是Nii^、NiFeC0、Cc^e、C0及其复合层材料；间隔层由非磁性导电材料组成，可以是Cu、Au、Ag、Cr及其合金；自由层材料可选用Nii^e、NiFeCo、 CoFe, Co、CoFeB及其复合层材料；保护层通常采用Ta、NiCr或者Nii^eCr。如图10所示，SAF底钉扎自旋阀材料的结构与图9所示的底钉扎自旋阀材料结构类似。SAF底钉扎自旋阀材料中的种子层、反铁磁钉扎层、间隔层、自由层及保护层与底钉扎自旋阀材料中的对应层相同，所不同的是被钉扎层用SAF所取代。SAF材料结构如图7所示，由铁磁层/非磁性层/铁磁层组成，与SAF顶钉扎自旋阀材料中所用的SAF层相同。在本专利所述的GMR自旋阀磁敏传感器中，组成惠斯通电桥的两对磁敏电阻均工作在线性模式下，其对外加磁场的响应特征不同一对磁敏电阻随外场的增加而增加，而另一对磁敏电阻随外场的增加而减小。如图11所示，典型的GMR磁敏电阻通常设计成蛇形形状。如图12所示，采用普通被钉扎层的自旋阀材料的工作原理。如图13所示，采用SAF作为被钉扎层的自旋阀材料的工作原理。其中被钉扎层的磁化方向通过与反铁磁钉扎层的交换耦合作用被固定在Y轴方向上，而自由层的磁化方向没有被固定，可随磁场信号的变化而转动。巨磁阻的磁阻变化」R随自由层磁化方向改变而改变，并正比于自由层磁化方向与X轴夹角(θ )的正弦值。 根据能量平衡关系可以推出，如果采用普通被钉扎层的一对磁敏电阻，^ R正比于外加磁场强度；则采用SAF被钉扎层的另一对磁敏电阻，Z R反比于外加磁场强度。反之亦然。如图14所示，由普通自旋阀材料制成的磁敏电阻RpR3和由SAF自旋阀材料制成的磁敏电阻I 2、R4两对磁敏电阻组成的惠斯通电桥形成推拉结构，推拉结构使GMR磁敏传感器的输出信号最大化。在外场的作用下，电桥失去平衡输出信号，其输出信号强度与外场成比例。如果礼、R2, R3, R4四个电阻阻值相等，均为5000欧姆，且具有相同的巨磁阻效应， 比如7%。假设四个磁敏电阻的灵敏度相同，比如均为0. 2%/V/Oe，则所形成的电桥输出信号将如图15所示。电桥的工作区间为_350e +350e，电桥输出约为2mV/V/0e。本发明专利所述的GMR自旋阀磁敏传感器的制作需要利用现代器件加工工艺。器件工艺简单，可在原始硅片上经过沉积、刻蚀、开孔、钝化等一系列加工工艺完成。如图15所示的GMR自旋阀磁敏传感器的工艺截面图。器件所采用的衬底通常是沉积了一层绝缘层材料的单晶硅，该绝缘层材料可以是SiA或Si3N4。首先在衬底上沉积一层 GMR自旋阀材料1，通过光刻工艺并刻蚀得到第一对自旋阀磁敏电阻队和民。然后，在其上沉积一层绝缘材料。该绝缘层可以是Al2O3，也可以是Si3N4。随后在绝缘层材料上面沉积与 GMR自旋阀材料1结构不同的GMR自旋阀材料2，再通过光刻工艺并刻蚀得到第二对自旋阀磁敏电阻&、礼。接下来，通过一系列工艺流程如沉积一层绝缘材料，开连接窗口，沉积金属层，光刻形成连线，最后再沉积一层厚的绝缘隔离材料，并开连接孔形成对外输出焊接盘。以上附图4-15所示的巨磁阻自旋阀磁敏传感器及其制造方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明突出的实质性特点和显著的进步，可根据实际的使用需要，对GMR 磁敏电阻及惠斯通电桥的电路、规格、材质以及排列方式等方面进行修改，在此不多赘述。
权利要求
1.巨磁阻自旋阀磁敏传感器，包括由四个磁敏电阻组成的惠斯通电桥，其特征在于组成惠斯通电桥的四个磁敏电阻由两种不同的自旋阀材料制成，其中两个磁敏电阻由普通的自旋阀材料制成，而另外两个磁敏电阻由具有合成反铁磁被钉扎层的自旋阀材料制成，这两对磁敏电阻组成的惠斯通电桥的差分输出信号在外场下形成推-拉输出。
2.根据权利要求1所述的巨磁阻自旋阀磁敏传感器，其特征在于所述的磁敏电阻由顶钉扎自旋阀材料、SAF顶钉扎自旋阀材料、底钉扎自旋阀材料、合成反铁磁底钉扎自旋阀材料制成。
3.根据权利要求1所述的巨磁阻自旋阀磁敏传感器，其特征在于所述的组成推拉结构的惠斯通电桥的两对磁敏电阻为一对磁敏电阻由顶钉扎自旋阀材料制成而另外一对由合成反铁磁顶钉扎自旋阀材料制成或者一对磁敏电阻由底钉扎自旋材料制成，而另外一对由合成反铁磁底钉扎自旋阀材料制成。
4.根据1-3任一权利要求所述的巨磁阻自旋阀磁敏传感器，其特征在于所述的顶钉扎自旋阀材料由种子层、自由层、间隔层、被钉扎层、反铁磁钉扎层及保护层组成；种子层材料为Ta、NiCr或者Nii^eCr材料；自由层材料为NiFe、NiFeCo, CoFe, Co、CoFeB及其复合层材料；间隔层由非磁性导电材料组成，成份为Cu、Au、Ag、Cr及其合金；被钉扎层由铁磁材料组成，成份为NiFe、Nii^eCo、CoFe、Co及其复合层材料；反铁磁钉扎层由反铁磁性材料组成， 成份为i^eMn、NiMn, IrMn, PtMn, PtPdMn或CrPtMn合金材料；保护层成份为Ta、NiCr或者 NiFeCr0
5.根据1-3任一权利要求中所述的巨磁阻自旋阀磁敏传感器，其特征在于所述的合成反铁磁顶钉扎自旋阀材料的种子层、自由层、间隔层、反铁磁钉扎层及保护层与顶钉扎自旋阀材料相同，被钉扎层为合成反铁磁材料，合成反铁磁材料的为铁磁层/非磁性层/铁磁层结构，铁磁层成份为NiFe、Nii^eCo、CoFe、Co及其复合层材料，非磁性层成份Ru。
6.根据1-3任一权利要求所述的巨磁阻自旋阀磁敏传感器，其特征在于所述的底钉扎自旋阀材料由种子层、反铁磁钉扎层、被钉扎层、间隔层、自由层及保护层组成，种子层材料可选用Ta、NiCr或者Nii^eCr ；钉扎层由反铁磁性材料组成，成份为i^eMn、NiMn、IrMn、PtMn、 PtPdMn或CrPtMn合金材料或NiO作为钉扎层；被钉扎层由铁磁材料组成，成份为NiFe、 NiFeCo, CoFe, Co及其复合层材料；间隔层由非磁性导电材料组成，成份为Cu、Au、Ag、Cr及其合金；自由层材料为NiFe、NiFeCo, CoFe, Co、CoFeB及其复合层材料；保护层为Ta、NiCr 或者 Nii^eCr。
7.根据1-3任一权利要求所述的巨磁阻自旋阀磁敏传感器，其特征在于所述的合成反铁磁底钉扎自旋阀材料的种子层、反铁磁钉扎层、间隔层、自由层及保护层组成与底钉扎自旋阀材料相同，被钉扎层用合成反铁磁材料，合成反铁磁材料为铁磁层/非磁性层/铁磁层结构，铁磁层成份是Nii^e、NiFeCo, CoFe, Co及其复合层材料，非磁性层成份为Ru。
8.根据1-3任一权利要求所述的巨磁阻自旋阀磁敏传感器的制造方法，其特征在于所述的惠斯通电桥中的两对磁敏电阻是采用巨磁阻自旋阀材料的两次沉积方法，并通过光刻、刻蚀而制成。
9.根据权利要求8所述的巨磁阻磁敏传感器的制造方法，其特征在于所述的自旋阀材料的两次沉积方法为通过第一次沉积顶钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第一对磁敏电阻，沉积一层绝缘材料后再第二次沉积SAF顶钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第二对磁敏电阻或通过第一次沉积底钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第一对磁敏电阻，沉积一层绝缘材料后再第二次沉积SAF底钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第二对磁敏电阻。
10.根据权利要求9所述的巨磁阻自旋阀磁敏传感器的制造方法，其特征在于所述的巨磁阻自旋阀磁敏传感器通过沉积、刻蚀、开孔、钝化工艺完成，其中器件衬底采用的是沉积了一层绝缘层材料的单晶硅，该绝缘层材料成份是SiO2或Si3N4，巨磁阻自旋阀材料的两次沉积并刻蚀得到组成惠斯通电桥的四个电阻，然后沉积一层绝缘材料，开连接窗口，沉积金属层，光刻形成连线，最后再沉积一层厚的绝缘隔离材料，并开连接孔形成对外输出焊接
全文摘要
本发明涉及巨磁阻自旋阀磁敏传感器及其制造方法。现有技术工艺上和商业化生产方面都极为困难。本发明包括由四个磁敏电阻组成的惠斯通电桥，其特征在于组成惠斯通电桥的四个磁敏电阻由两种不同的自旋阀材料制成，其中两个磁敏电阻由普通的自旋阀材料制成，而另外两个磁敏电阻由具有合成反铁磁被钉扎层的自旋阀材料制成，这两对磁敏电阻组成的惠斯通电桥的差分输出信号在外场下形成推-拉输出。该GMR自旋阀传感器通过两次自旋阀材料的沉积方法而实现。其优点在于使输出信号大最大化，而且工艺简单、易于实现、尺寸小、灵敏度高、线性度好，是实现工业化生产的理想方案。
文档编号G01R33/09GK102288927SQ20111017768
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者钱正洪 申请人:钱正洪