[發(fā)明專利]用于制造磁場(chǎng)傳感裝置的方法和設(shè)備以及相應(yīng)的磁場(chǎng)傳感裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201580062487.9
• 申請(qǐng)日: 2015-09-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107003365B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-05-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 約亨·施密特;約翰尼斯·保羅;羅納德·林多爾夫;尤爾根·瓦爾森;克勞迪婭·格蘭斯柯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 森斯泰克有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): G01R33/09
• 分類號(hào): G01R33/09;H01L43/12
• 代理公司: 北京匯思誠(chéng)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11444
• 代理人: 王剛;龔敏

本發(fā)明涉及一種用于永久磁化施加在芯片基板(12)上的磁場(chǎng)傳感裝置(10)中的至少一個(gè)鐵磁層的方法和裝置。所述方法包括步驟：?在芯片基板(12)上制造至少一個(gè)磁阻元件(14)；?在所述芯片基板(12)上施加至少一個(gè)軟磁結(jié)構(gòu)元件(18)；?將所述磁阻元件(14)加熱到所述反鐵磁層的材料的所述阻擋溫度之上，并且施加預(yù)處理磁場(chǎng)(38)；?將所述磁阻元件(14)冷卻至低于所述阻擋溫度；?移除所述預(yù)處理磁場(chǎng)(38)。根據(jù)本發(fā)明，所述軟磁結(jié)構(gòu)元件(18)被布置成使得，所施加的預(yù)處理磁場(chǎng)(38)基本上垂直于芯片基板表面(36)穿透所述軟磁結(jié)構(gòu)元件(18)，并且在所述磁阻元件(14)的位置處產(chǎn)生平行于所述芯片基板表面延伸的磁場(chǎng)分量，所述磁場(chǎng)分量穿透所述磁阻元件(14)的所述鐵磁層的至少一部分。

本發(fā)明涉及一種用于制造磁場(chǎng)傳感裝置的方法和設(shè)備，以及通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法制造的磁場(chǎng)傳感裝置。特別地，本發(fā)明旨在永久磁化沉積于芯片基板的磁場(chǎng)傳感裝置中的至少一個(gè)鐵磁層，特別是同時(shí)磁化在兩個(gè)或更多個(gè)方向上的多個(gè)相鄰的鐵磁層，從而提供具有高靈敏度和改進(jìn)質(zhì)量的磁場(chǎng)傳感裝置。

背景技術(shù)

磁阻傳感裝置用于基于電阻測(cè)量磁場(chǎng)，并由此用于間接測(cè)量例如距離、角度或電流強(qiáng)度等其它物理量。這種傳感裝置基于通過(guò)施加外磁場(chǎng)而導(dǎo)致芯片結(jié)構(gòu)的電阻變化的磁阻效應(yīng)。基于巨磁阻效應(yīng)(GMR效應(yīng))或隧道磁阻效應(yīng)(TMR效應(yīng))的磁場(chǎng)傳感裝置近來(lái)被越來(lái)越多地使用。這些磁場(chǎng)傳感裝置包括非磁性和磁性材料的薄膜結(jié)構(gòu)，其中磁耦合或自旋效應(yīng)影響通過(guò)層的電阻。在基于GMR和TMR的磁阻層系統(tǒng)中分別可以實(shí)現(xiàn)電阻基于外磁場(chǎng)高達(dá)5％(GMR)或高達(dá)600％(TMR)的變化。為了制造TMR傳感器，形成構(gòu)成隧道勢(shì)壘的至少兩個(gè)鐵磁體和一個(gè)絕緣層的層結(jié)構(gòu)，使得電子能夠穿過(guò)兩個(gè)鐵磁層之間的絕緣層。在TMR傳感器的情況下，該絕緣層例如為Al₂O₃或MgO；在GMR傳感器的情況下，常常使用例如Cu或Ru的薄導(dǎo)電層。隧道元件的電阻取決于兩個(gè)鐵磁層如何相對(duì)于彼此磁化。如果兩個(gè)鐵磁層彼此平行磁化，則電阻最小。如果兩個(gè)鐵磁層彼此反平行磁化，則電阻最大。在實(shí)踐中，兩個(gè)鐵磁層之一的磁化方向通常是固定的(釘扎(gepinnt))，使得該層的磁化對(duì)外磁場(chǎng)不響應(yīng)或僅作出弱響應(yīng)。該層稱為參考層，也稱為釘扎層或永久磁化層。相反，另一層被形成為使得其磁化以限定的方式遵循外磁場(chǎng)。該層稱為檢測(cè)層或自由層。通過(guò)分成對(duì)外磁場(chǎng)進(jìn)行不同響應(yīng)的參考層和檢測(cè)層，可以在改變外磁場(chǎng)時(shí)獲得電阻的變化并實(shí)現(xiàn)感知裝置。電阻依賴性與檢測(cè)層(也稱為“自由層”)的磁化方向和參考層(所謂的“固定層”)的磁化方向之間的角度相關(guān)。

薄膜技術(shù)被用于制造這種結(jié)構(gòu)。在制造方法的框架內(nèi)，參考層的磁化方向可以永久地設(shè)定，這通常被稱為釘扎。為了釘扎鐵磁層(也被稱為參考層)，該鐵磁層通常耦合到反鐵磁性的相鄰層。為了設(shè)定磁化方向，將電阻元件加熱到所謂的阻擋溫度(在該阻擋溫度下，反鐵磁層與鐵磁層之間的交換耦合消失)以上的溫度，并且該溫度通常小于鐵磁層的居里溫度。在加熱到高于阻擋溫度并且低于居里溫度之后，鐵磁層受到外磁場(chǎng)的作用，該外磁場(chǎng)迫使鐵磁層獲得限定的磁化方向。當(dāng)反鐵磁層在施加磁場(chǎng)時(shí)冷卻至低于阻擋溫度時(shí)，該磁化方向得以保持。

非常希望能夠在一個(gè)芯片基板上單獨(dú)且彼此獨(dú)立地設(shè)置不同的釘扎方向，從而可以指定多于一個(gè)的單一釘扎方向。惠斯通電橋尤其在傳感技術(shù)方面非常有用。在這里，理想的是惠斯通電橋的四個(gè)分支形成相同并且僅在釘扎方向上不同。

從現(xiàn)有技術(shù)中已知用于制造提供磁阻傳感器的釘扎結(jié)構(gòu)的多種不同的解決方案。例如，DE 10 2012 208 882描述了形成平面于(planar zu)芯片基板表面的磁場(chǎng)，以使得能夠在整個(gè)芯片基板上提供均勻的釘扎方向。以類似的方式，在DE 11 2009 001 140中，在介于200℃和350℃之間的溫度下平行于芯片表面施加外磁場(chǎng)，以便預(yù)設(shè)鐵磁層。例如，在US 6501 678 B1中，提出了一種能夠在芯片基板內(nèi)提供復(fù)雜(komplexe)磁場(chǎng)定向的磁印(magnetfeldstempel)。