專利名稱：對于零偏移具有降低的補(bǔ)償角的二軸磁場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電磁裝置的領(lǐng)域，更具體地涉及用來感測磁場的CMOS兼容電磁場傳感器。
背景技術(shù)：
傳感器被被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代系統(tǒng)中，以測量或檢測物理參數(shù)，諸如位置、運(yùn)動、力、加速度、溫度、壓力等。雖然存在用于測量這些參數(shù)和其它參數(shù)的各種不同的傳感器類型，但是它們都有各種局限性。例如，諸如在電子指南針或其它類似的磁感測應(yīng)用中使用的廉價的低場(low field)傳感器通常由基于各向異性磁阻(AMR)的裝置構(gòu)成。為了達(dá)到與CMOS良好地哨合(mesh with)的所需的靈敏度和合理的抗性(resistance),這樣的傳感器的感測單元的大小通常以平方毫米計。對于移動應(yīng)用，這樣的AMR傳感器配置在費用、電路面積和能耗方面都是昂貴的。諸如磁隧道結(jié)(MTJ)傳感器和巨磁阻(GMR)傳感器的其它類型的傳感器已經(jīng)被用于提供更小外形的傳感器，但是這樣的傳感器具有它們自身的問題，諸如不足的靈敏度和會受到溫度變化的影響。為了解決這些問題，MTJ傳感器和GMR傳感器已經(jīng)被應(yīng)用于Wheatstone橋接結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)靈敏度并消除受溫度影響的阻抗改變。確切的說，已經(jīng)針對電子指南針應(yīng)用開發(fā)了二軸磁場傳感器，以通過使用Wheatstone橋接結(jié)構(gòu)針對每個感測軸來檢測地球的場方向。但是，這樣的場傳感器通常包括針對每個感測軸的兩個相對的釘扎(pinning)方向，導(dǎo)致四個不同的釘扎方向，這四個不同的釘扎方向必須利用磁體陣列使用復(fù)雜和笨重的磁化技術(shù)分別針對每個電路來設(shè)置，或者采用厚的NiFe屏蔽/流(flux)集中層，以引導(dǎo)需要額外的處理復(fù)雜性的下部中間場的局部方向。美國專利申請公開2009/0279212描述了用于在整塊晶片(bulk wafer)中生成多個釘扎方向的處理，以及具有針對每個感測軸的單個釘扎方向的Wheatstone橋接結(jié)構(gòu)。不同的釘扎方向通常在退火處理期間設(shè)置，但是在整個晶片上和在各個裝置上可以存在變化，這導(dǎo)致具有不希望的偏移的橋接輸出?？梢酝ㄟ^要求圖案的裝置的定向(例如3.5度)的補(bǔ)償角以實現(xiàn)零偏移(offset)來校正平均偏移。但是，偏移變化仍然是一個問題，并且會隨著補(bǔ)償角而增加；因此，對于最小化偏移的標(biāo)準(zhǔn)偏差(deviation)，最小化用于零偏移的補(bǔ)償角是重要的。因此，存在改進(jìn)傳感器設(shè)計和制造工藝的需要，用于以小補(bǔ)償角形成具有基本上正交的磁化方向的參考層，具有零偏移。還存在對雙軸傳感器的需要，其可以被有效地并廉價地構(gòu)建為用于移動應(yīng)用中的集成電路結(jié)構(gòu)。還存在對改進(jìn)的磁場傳感器和制造的需要，以克服在本領(lǐng)域中的問題，諸如上文中指出的。此外，結(jié)合附圖和前述技術(shù)領(lǐng)域以及背景，根據(jù)后續(xù)的詳細(xì)描述和附錄的權(quán)利要求，示例性實施例的其它想要的特征和特性將變得顯而易見。

發(fā)明內(nèi)容
提供用于形成參考層的傳感器和制造工藝，這些參考層具有零平均偏移的基本上正交的磁化方向、小的傳感器與傳感器的偏移變化、以及具有在裝置的定向上的小補(bǔ)償角的貫穿晶片的小偏移變化。一個示例性實施例包括包含抗鐵磁性釘扎層的磁阻薄膜磁場傳感器；被釘扎層，包括在釘扎層之上具有2到15埃范圍中的厚度的非晶鐵磁層和在非晶鐵磁層之上的第一晶體鐵磁層；在被釘扎層之上的非磁性耦合層；在非磁性耦合層之上的鐵磁性固定層；在固定層之上的電介質(zhì)隧道勢壘層；以及，在電介質(zhì)隧道勢壘層之上的鐵磁性感測層。在另一個示例性實施例中，上面剛剛描述的結(jié)構(gòu)包括在抗鐵磁性釘扎層與非晶鐵磁層之間形成的第二晶體鐵磁層。在另一個示例性實施例中，包含兩個或更多參考層磁化方向的磁阻薄膜磁場傳感器包括基板；在基板之上的絕緣層；在絕緣層之上的第一傳感器層堆疊，該第一傳感器層堆疊包括在絕緣層之上的第一釘扎層；第一被釘扎層，包括在第一釘扎層之上具有2到15埃范圍中的厚度的第一非晶鐵磁層，以及在非晶鐵磁層之上的第一晶體鐵磁層；在第一第一晶體鐵磁被釘扎層之上的第一非磁性耦合層；在第一非磁性耦合層之上的第一鐵磁性固定層；在第一鐵磁性固定層之上的第一電介質(zhì)隧道勢壘層；以及，在第一電介質(zhì)隧道勢壘層之上的第一鐵磁性感測層。在絕緣層之上的第二傳感器層堆疊，包括在第二絕緣層之上的第二釘扎層；第二被釘扎層包括在第二釘扎層之上具有2到15埃范圍中的厚度的第二非晶鐵磁層和在第二非晶鐵磁層之上的第二晶體鐵磁層；在第二被釘扎層之上的第二非磁性耦合層；在第二非磁性耦合層之上的第二鐵磁性固定層；在第二鐵磁性固定層之上的第二電介質(zhì)隧道勢壘層；以及，在第二電介質(zhì)隧道勢壘層之上的第二鐵磁性感測層；其中，第一傳感器層堆疊具有限定第一參考方向的第一形狀各向異性，并且，其中，第二傳感器層堆疊具有限定不同于第一參考方向的第二參考方向的第二形狀各向異性。在另一個示例性實施例中，用于制造具有兩個或多個參考層方向的基于磁阻薄膜的磁場傳感器的方法，包括提供基板；在基板之上形成絕緣層；在絕緣層之上形成傳感器層堆疊，該傳感器層堆疊包括在絕緣層之上形成的釘扎層；被釘扎層，包括在釘扎層之上形成的具有2到15埃范圍中的厚度的非晶鐵磁層和在非晶鐵磁層之上形成的晶體鐵磁層；在被釘扎層之上形成的非磁性耦合層；在非磁性耦合層之上形成的鐵磁性固定層；在鐵磁性固定層之上形成的電介質(zhì)隧道勢壘層；以及，在電介質(zhì)隧道勢壘層之上形成的鐵磁性感測層；選擇性地蝕刻傳感器層堆疊以形成第一電極堆疊和第二電極堆疊，其中，第一電極堆疊具有第一形狀各向異性以設(shè)置第一參考方向，并且第二電極堆疊具有第二形狀各向異性以設(shè)置第二參考方向；采用基本上平行于在第一和第二參考方向間定向的基板的飽和場，直到第一和第二電極堆疊的每一個參考層結(jié)構(gòu)都具有基本上與飽和場對準(zhǔn)的磁化；以及去除飽和場，以允許第一形狀各向異性來設(shè)置第一電極堆疊的參考層結(jié)構(gòu)的磁化，并允許第二形狀各向異性來設(shè)置第二電極堆疊的參考層結(jié)構(gòu)的磁化。


將在下文中結(jié)合下面的附圖描述本發(fā)明，其中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元素，并且圖1是電子指南針結(jié)構(gòu)，其使用由兩個具有未屏蔽MTJ傳感器的橋接結(jié)構(gòu)形成的差分傳感器；圖2是通過以Wheatstone橋接電路連接的四個MTJ傳感器形成的示例性場傳感器的簡化的示意性透視圖；圖3是根據(jù)示例性實施例的傳感器層堆疊疊的橫截面；圖4是根據(jù)另一個示例性實施例的傳感器層堆疊疊的橫截面；圖5是具有不同厚度的CoFeB和CoFe的預(yù)退火M-H環(huán)的曲線圖；圖6描繪用于形成被釘扎參考層的不平衡SAF堆疊疊；圖7是制造基于鐵磁薄膜的磁場傳感器的示例性方法的流程圖；圖8是由不平衡合成抗鐵磁(SAF)形成的兩個參考層及其實際的和希望的磁化的示意性頂視圖；圖9是圖5的兩個參考層的示意性頂視圖，但根據(jù)示例性實施例進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)；圖10是根據(jù)示例性實施例施加了補(bǔ)償場的由不平衡合成抗鐵磁(SAF)形成的兩個參考層及其實際磁化的示意性頂視圖；圖11是其中已經(jīng)在基板之上形成了 MTJ傳感器層的堆疊疊的集成電路的部分橫截面圖；圖12示出在基板之上MTJ傳感器層的堆疊已經(jīng)被選擇性地蝕刻為預(yù)定形狀后，在圖11之后的處理。圖13圖示示出通過選擇性蝕刻處理形成的在MTJ傳感器層的堆疊中的參考層的預(yù)定形狀的頂視圖；圖14圖示為了最終形成參考層，在希望的磁化方向之間對準(zhǔn)的定向場存在的情況下加熱蝕刻參考層時，在圖13之后的處理。圖15圖示了在定向場被去除并且MTJ傳感器的蝕刻堆疊被冷卻，從而使得蝕刻參考層的磁化被沿著長軸釘扎后，在圖14之后的處理。圖16示出在定向場被去除并且MTJ傳感器的蝕刻堆疊被冷卻，從而使得蝕刻參考層的磁化被沿著短軸釘扎后，使用不平衡SAF堆疊形成被釘扎和參考層的處理；并且圖17是在最終形成的參考層中示出被釘扎磁化方向的MTJ傳感器層的堆疊的部分橫截面圖。
具體實施例方式下面的詳細(xì)描述實際上僅僅是示意性的，并且并不希望限制主題的實施例或這些實施例的應(yīng)用和使用。本文中作為示例描述的任何實現(xiàn)都不是必須地被構(gòu)建為比其它實現(xiàn)優(yōu)選或有利。此外，不希望受到在之前的技術(shù)領(lǐng)域、背景、摘要或下面的詳細(xì)描述中出現(xiàn)的任何明確的或暗含的理論的束縛。在本描述進(jìn)行期間，根據(jù)圖示各種實施例的不同示圖，相同的數(shù)字被用來識別相同的元素。描述用于提供在整塊晶片上的多軸釘扎的方法和結(jié)構(gòu)，該整塊晶片可以被用來形成使用單個釘扎材料沉積和整塊晶片設(shè)置工序設(shè)置的具有基本上正交的釘扎方向的不同的參考層的集成電路傳感器，并且由具有兩個或多個特定材料的層的被釘扎層制造，以導(dǎo)致針對零偏移的降低的補(bǔ)償角和降低的偏移偏差。參考層通過隧道勢壘與感測元件(或自由層)分開，參考層包括合成抗鐵磁(SAF)結(jié)構(gòu)，其中，靠近釘扎層的被釘扎層通過耦合層與靠近隧道勢壘的固定層分開。在一個示例性實施例中，被釘扎層包括鄰近耦合層的鈷和鐵(CoFe)材料的層和鄰近釘扎層的鈷、鐵和硼(CoFeB)材料的層。在另一個示例性實施例中，被釘扎層包括由CoFeB材料的層分開的兩個CoFe材料的層。兩個實施例都提供具有改進(jìn)的軟磁特性的被釘扎層，例如，小的矯頑力()He、更佳的磁滯環(huán)的方形、在硬軸磁滯環(huán)處的更小的開口、以及低的固有各向異性場。由于設(shè)置多個釘扎方向的工序是在期間不施加磁場的退火處理，因此被釘扎層具有的軟磁特性越大，釘扎方向所具有的偏差越小。釘扎方向偏差是造成偏移偏差的資源之一。作為初步的制造步驟，鐵磁和抗鐵磁性材料的一個或多個層的堆疊被蝕刻為具有高縱橫比的二維形狀的成形的參考層，其中，該形狀為針對每個參考層的想要的磁化方向提供區(qū)別。依賴于使用的材料和技術(shù)，最終的磁化方向可以沿著成形的層的短軸或長軸來定向。例如，如果被釘扎的SAF層通過輕微的不平衡和以微米尺度的圖像形成，那么磁化將沿著短軸指向。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到的，SAF實施例提供與在電磁裝置中使用被釘扎SAF參考層有關(guān)的大量優(yōu)點。在另一個實施例中，通過控制被釘扎SAF層的厚度和形狀，最終的磁化可以沿著長軸指向。使用形狀各向異性，不同的磁化方向被包括在具有不同形狀定向的參考層中。在選擇的實施例中，形成圖形的參考層首先在定向場存在的情況下被設(shè)置，該定向場在針對參考層的想要的磁化方向之間被對準(zhǔn)。該定向場在樣品被加熱前被去除。加熱溫度必須足夠高以生成來自靠近被釘扎層的釘扎層的足夠高的釘扎場。加熱降低了各向異性的材料成分并允許形狀各向異性來主導(dǎo)磁化方向。以這種方式，一旦定向場被去除，形狀各向異性將磁化指向想要的方向。在去除定向場時，參考層的磁化緩和(relax)以跟隨參考層的形狀，從而引入沿著成形的參考層的想要的軸被對準(zhǔn)并且稍后在釘扎層在退火處理期間提供足夠的釘扎場時被釘扎的磁化。例如，如果兩個參考層(被釘扎SAF)被成形為彼此垂直的更長的尺度，那么針對兩個參考層引入的磁化將接近于彼此垂直。但是，存在超出影響參考層的磁化的形狀各向異性的額外的資源，并因此確定最終的釘扎方向。雖然釘扎步驟發(fā)生在高溫，因此降低了沉積的鐵磁層的固有的各向異性，但是仍然會出現(xiàn)具有定義方向的有限的各向異性，其與形成圖案的參考層的形狀各向異性進(jìn)行對抗。此外，由于隨著時間的場循環(huán)，即使在沒有磁化電流的情況下應(yīng)用小的剩余場，也可以使得在釘扎退火中采用的用于磁爐的支撐結(jié)構(gòu)和/或磁極片被磁化。該剩余場將與參考層磁化相互作用，并且可以被歸零或被克服，以創(chuàng)建具有在與該殘余場相對的方向上施加的場的小的補(bǔ)償場。另外，類似于在任何真實的被釘扎鐵磁層中出現(xiàn)的釘扎強(qiáng)度的分布，在釘扎鐵磁層所需的溫度中存在局部分布。這允許在釘扎退火之前發(fā)生的高溫步驟產(chǎn)生低水平的局部釘扎位點，這些釘扎位點會影響釘扎退火期間的磁化方向。因此，在釘扎退火期間出現(xiàn)的固有各向異性、形狀各向異性、早期釘扎的低水平和小的殘余場之間的對抗阻止了引入的磁化的真正的正交設(shè)置。為了精確地去除在最終裝置中的軟Fe效應(yīng)，由于如果也出現(xiàn)非正交則針對軟Fe效應(yīng)的任何簡單校準(zhǔn)將失去精確性，因此希望真正的正交設(shè)置。該真正的正交設(shè)置可以由下面的一個或多個來實現(xiàn)1)通過在沉積期間應(yīng)用場方向以引入不同于在設(shè)置工序期間使用的各向異性方向，來調(diào)整(tailor)參考層材料的固有各向異性。為了去除在鐵磁層的高能量沉積期間在被釘扎層中弓I入將在磁場退火期間抵消想要的釘扎方向的低水平的磁釘扎的可能性，與加工固有各向異性類似的方法是在磁層沉積期間應(yīng)用交替場。第三種加工可能性是在沉積磁材料期間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)場以去除任何優(yōu)選的各向異性方向。另外，具有低固有各向異性場的磁材料可以被用作用于改進(jìn)真實的正交設(shè)置的被釘扎層。2)在磁退火的釘扎部分期間施加小場，以消除剩余場或提供微小的負(fù)凈場以補(bǔ)償固有的各向異性。3)形成具有非正交軸的參考層，其中，最終得到的設(shè)置方向是真正正交的。當(dāng)使用具有非正交對準(zhǔn)的參考層時，信號與磁場方向的響應(yīng)曲線的偏移會減小，但是，整個晶片上的偏移的標(biāo)準(zhǔn)偏差較高。因此，存在改進(jìn)整個晶片上的偏移的標(biāo)準(zhǔn)偏差的需要。如果參考層還沒有在抗鐵磁的釘扎溫度(該溫度是抗鐵磁的阻隔溫度(blockingtemperature)或抗鐵磁晶體相位形成溫度中較低的溫度)之上被退火，那么施加單獨的退火處理以為兩個參考層設(shè)置引入的磁化。通過該方法，執(zhí)行單個的釘扎材料沉積步驟和單個的退火步驟，以在不需要額外磁層的情況下針對參考層設(shè)置所有的引入磁化，從而提供，與之前已知的使用兩個不同的抗鐵磁性釘扎層或磁陣列來設(shè)置釘扎方向的方法相比，簡化并降低制造成本和復(fù)雜度的整塊晶片設(shè)置工序。用于形成具有不同的被釘扎方向的參考層的簡化處理允許在傳感器管芯內(nèi)以最小的間隔形成獨立的磁傳感器元件，并且，作為結(jié)果，在最小面積的單個管芯內(nèi)的不同的傳感器配置可以具有不同的感測軸。現(xiàn)在將參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實施例。雖然在下面的描述中闡述了各種細(xì)節(jié)，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下被實踐，并且可以對在本文中描述的方面進(jìn)行許多針對實現(xiàn)的決定，以達(dá)成裝置設(shè)計者的特定目標(biāo)，例如與各個實現(xiàn)均不同的處理技術(shù)或與設(shè)計有關(guān)的約束相一致。雖然這樣的開發(fā)努力(effort)可能是復(fù)雜和耗時的，但對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員其還是具有本公開的優(yōu)點的采取的常規(guī)方法。另外，為了避免限制或妨礙本發(fā)明，參考不包括每個裝置特征或幾何結(jié)構(gòu)的簡化的橫截面圖來描述選擇的方面。還應(yīng)當(dāng)注意，貫穿本詳細(xì)描述，與磁傳感器設(shè)計和操作、磁阻隨機(jī)訪問存儲器(MRAM)設(shè)計、MRAM操作、半導(dǎo)體裝置制造和集成電路裝置的其它方面有關(guān)的傳統(tǒng)技術(shù)和特征不會在本文中進(jìn)行詳細(xì)描述。雖然作為現(xiàn)有MRAM制造工藝的一部分某些材料將被形成或去除以制造集成電路傳感器，但是用于形成或去除這樣的材料的特定工序不在下面詳細(xì)描述，這是由于這樣的細(xì)節(jié)是眾所周知的并且不被認(rèn)為是教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員怎樣實現(xiàn)或使用本發(fā)明所必需的。此外，希望在本文中包含的各個附圖中示出的電路/部件布局和配置表示本發(fā)明的示例性實施例。應(yīng)當(dāng)注意，許多可替換或額外電路/部件布局可以出現(xiàn)在實際的實施例中。圖1示出由第一和第二差分傳感器101和111形成的磁場傳感器200，用于分別檢測沿著第一軸120 (例如，y軸方向)和第二軸110 (例如，X軸方向)施加的場的分量(component)方向。如圖所示,每個傳感器101、111都由以橋接配置連接的未屏蔽感測元件形成。這樣，第一傳感器101是通過在對應(yīng)的多個被釘扎層106-109之上以橋接配置連接多個感測元件102-105來形成的，其中，每個被釘扎層106-109在y軸方向上被磁化。以類似的方式，第二傳感器111是通過在對應(yīng)的多個被釘扎層116-119之上以橋接配置連接多個感測元件112-115來形成的，其中，每個被釘扎層116-119在與被釘扎層106-109的磁化方向垂直的X軸方向上被磁化。在上述的橋接配置101中，感測元件102、104被形成為具有第一易軸磁化方向，并且感測兀件103、105被形成為具有第二易軸磁化方向,其中,第一和第二易軸磁化方向彼此正交，并且第一和第二易軸磁化方向被定向為與被釘扎層106-109的磁化方向相等地不同。對于第二橋接配置111，感測元件112、114具有與針對感測元件113、115的第二易軸磁化方向正交的第一易軸磁化方向，從而使得第一和第二易軸磁化方向被定向為與被釘扎層116-119的磁化方向相等地不同。在上述的傳感器101、111中，不需要對感測元件進(jìn)行屏蔽，也不需要任何特殊的參考元件。在示例性實施例中，這是通過使用形狀各向異性技術(shù)參考每個有源感測元件(例如，102、104)與另一個有源感測元件(例如，103,105),以建立以90度從彼此偏轉(zhuǎn)的所參考的感測元件的易磁軸來實現(xiàn)的。在圖1中示出配置并不需要獲得雙軸釘扎技術(shù)的益處，并且僅作為例子給出。例如，薄屏蔽也可以被用于抑制四個相同傳感器元件中的兩個的傳感器響應(yīng)，以實現(xiàn)差分響應(yīng)。通過將第一和第二傳感器101、111放置為正交對齊，在每個傳感器中，每個都使得感測元件定向從傳感器的釘扎方向相等地偏轉(zhuǎn)并且彼此正交，這些傳感器可以檢測沿著第一和第二軸施加的場的分量方向。從前述可以看到，磁場傳感器可以由差分傳感器101、111形成，差分傳感器101、111使用在各個被釘扎層106-109、116-119上以橋接配置連接的未屏蔽感測元件102-105、112-115，以檢測施加的磁場的存在和方向。使用該配置，磁場傳感器提供良好的靈敏度，并且還提供橋接配置的溫度補(bǔ)償特性。為了提供對示例性實施例的磁場傳感器的結(jié)構(gòu)和形成的額外的說明，圖2提供通過以Wheatstone橋接電路連接的四個MTJ感測元件201、211、221、231形成的示例性場傳感器200的簡化的示意性透視圖。橋接電路可以被制造為現(xiàn)有MRAM的一部分或者僅對薄膜傳感器制造工藝進(jìn)行少許的調(diào)整以控制各個傳感器層的磁定向。特別地，上述MTJ傳感器201、211、221、231是使用被釘扎層204、214、224、234以及傳感器層202、212、222、232形成的，每個被釘扎層204、214、224、234都在單個被釘扎方向上磁對準(zhǔn)，而傳感器層202、212、222,232被對準(zhǔn)為具有與被釘扎層204、214、224、234的磁化方向不同的磁化方向。正如所形成的，每個MTJ傳感器(例如，201)包括在圖3、圖4中示出并在隨后更詳細(xì)地描述的在參考層內(nèi)形成的被釘扎電極204、絕緣隧道電介質(zhì)層203和以一個或多個上鐵磁層形成的感測電極202。被釘扎和感測電極是其磁化方向可以被對準(zhǔn)的理想的磁材料。適合的電極材料和將這些材料布置在通常用于磁阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM)裝置和其它MTJ傳感器裝置的電極的結(jié)構(gòu)中在本領(lǐng)域中是眾所周知的。例如，被釘扎層204、214、224、234使用CoFe層來形成。在下面的實施例中，這些被釘扎層可以使用CoFe層和CoFeB層(圖3)，或者使用由CoFeB層分開的兩個CoFe層(圖4)來形成為在10到100人的范圍中的組合厚度，并且在所選實施例中范圍為10到40 40人。在示例性實現(xiàn)(圖3)中，每個被釘扎層(例如，204、214、224和234)由兩個鐵磁層形成在抗鐵磁性釘扎層之上的諸如CoFeB的非晶鐵磁層和諸如CoFe的晶體鐵磁層。在另一個示例性實現(xiàn)(圖4)中，每個被釘扎層(例如，204、214、224、234)包括20到80人厚的鐵
磁堆疊部件(例如，CoFe、CoFeB和CoFe的堆疊)。下面的抗鐵磁性釘扎層大約200人厚。下面的抗鐵磁釘扎材料可以是PtMn,不過也可以使用其它材料,諸如PtPdMn、IrMn和RhMn。正如所形成的，當(dāng)被釘扎層的磁化方向被釘扎于在普通操作情況期間不會改變的一個方向上時，被釘扎層充當(dāng)固定或釘扎磁層。如本文中所公開的，用于釘扎被釘扎層204、214、224、234的材料的熱量可以改變用來形成這些層的制造序列。更具體地并通過舉例的方法，參考圖3，結(jié)構(gòu)300包括被釘扎層304，被釘扎層304形成在包含PtMn的釘扎層302與包含釕(Ru)的耦合層306之間。固定層308在耦合層306之上形成，并且包含AlOx的隧道勢壘310在固定層308與包含NiFe的自由層312之間形成。覆蓋層314可以在自由層312之上形成?？蛇x地，在形成覆蓋層314之前，可以在自由層312之上形成包含AlOx的擴(kuò)散勢壘(未示出)。被釘扎層304包括非晶鐵磁層316 (優(yōu)選地為CoFeB，其中B為原子重量15. 0到30. 0%的)，該非晶鐵磁層316形成在CoFe晶體鐵磁層318 (其中包含原子重量10. 0-25. 0的Fe)與釘扎層302之間。CoFeB的非晶鐵磁層
316具有2到15 A的厚度。通常，CoFeB合金具有與CoFe合金相比更軟的磁特性，因此CoFeB/CoFe被釘扎層提供更優(yōu)的軟磁特性。軟磁CoFeB/CoFe被釘扎層導(dǎo)致對于真實的正交釘扎方向和零偏移的更少非正交對準(zhǔn)的參考層，以及整個晶片的更顯著地降低的偏移偏差，其顯著地影響這些磁傳感器的可制造性。通過另一個例子的方法并參考圖4，結(jié)構(gòu)400包括與圖3的結(jié)構(gòu)300相似的釘扎層302、耦合層306、固定層308、隧道勢壘310、自由層312和覆蓋層314。但是，在圖4中的釘扎層302與耦合層306之間形成的被釘扎層404包括在第一晶體鐵磁層420 (例如，CoFe)與第二晶體鐵磁層418 (例如，CoFe)之間形成的非晶鐵磁層416 (優(yōu)選地為CoFeB，其中B的原子重量為15. 0到30. 0%)，其中，層418、420的Fe的原子重量為10. 0-25. O。非晶鐵磁
層416具有2到15 I的范圍中的厚度，而晶體鐵磁層420具有2到10人的范圍中的厚度。類似于圖3中示出的被釘扎層，插入到CoFe層中的由CoFeB層形成的磁層提供更軟的磁被釘扎層。此外，該磁被釘扎結(jié)構(gòu)還具有與諸如PtMn的釘扎層的強(qiáng)交換耦合，因此形成高釘扎場。該軟磁被釘扎結(jié)構(gòu)導(dǎo)致整個晶片的偏移偏差降低40%。圖5示出具有不同CoFeB厚度的CoFeB/CoFe被釘扎層結(jié)構(gòu)的預(yù)退火M-H環(huán)。樣品501具有22.7 A的CoFe厚度，而樣品502和503分別具有10/14. 4和15/10. 8的CoFeB/
CoFe厚度(以羞計)。隨著CoFeB厚度增加到15 A, CoFeB/CoFe層的矯頑場顯著地降低，
顯示了改進(jìn)的軟磁特性。此外，隨著厚CoFeB層切換(switching)的寬度也降低,顯示了磁化方向的更少的分散。磁滯環(huán)的方形也隨著CoFeB層而改善。在圖4中示出的被釘扎結(jié)構(gòu)具有類似于圖5中示出的軟磁特性，即，降低的矯頑場和切換寬度。另外，隨著如圖3和圖4所示的被釘扎層結(jié)構(gòu)的CoFeB層厚度的增加，硬軸M-H環(huán)示出小的矯頑力和小的各向異性場。被釘扎參考層(例如，204、214、224、234)可以被形成為具有沿著形成圖案的參考層(多個)的長軸對準(zhǔn)的磁化方向(由箭頭指示)。但是，在其它實施例中，被釘扎參考層可以被實現(xiàn)為合成抗鐵磁(SAF)層，該合成抗鐵磁(SAF)層被用于沿著形成圖案的參考層(多個)的短軸對準(zhǔn)被釘扎參考層的磁化。正如應(yīng)當(dāng)被認(rèn)識到的，SAF層可以與下面的抗鐵磁性釘扎層結(jié)合在一起來實現(xiàn)，然而使用具有適當(dāng)?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)和提供足夠強(qiáng)的磁化的材料的SAF結(jié)構(gòu)，可以不需要下面的抗鐵磁性釘扎層，從而提供節(jié)約成本的更簡單的制造工藝。例如，圖6描述由不平衡合成抗鐵磁(SAF)形成的被釘扎參考層600形成，該不平衡合成抗鐵磁(SAF)具有由釕間隔層602分開的兩個不同鐵磁層601、603，其中，在釕間隔層602上的鐵磁層601和在釕間隔層602下的鐵磁層601具有不同的磁矩(magnetic moment)。!鐵磁層中的任意一個或兩者可以使用CoFe (鈷鐵)或任何理想的鐵磁合金形成。例如，在一個示例性實施例中，CoFe可以被用于下面的層，CoFeB可以被用于上面的層。在釕間隔層602的一定的周期性厚度處，兩個鐵磁層601、603將交換耦合，從而使得反并聯(lián)狀態(tài)成為低能態(tài)。結(jié)果，凈磁矩被最小化，并且對外部場的響應(yīng)的抵抗力被加強(qiáng)。在圖6中示出不平衡SAF堆疊600的示例性實施和微磁模擬，其中，不平衡SAF堆疊600包括:使用CoFeB形成的厚度大約20埃的固定層601、使用釕形成的厚度大約10埃的間隔層602、以及使用CoFeB形成的厚度大約30埃的被釘扎層603。使用該示例性SAF結(jié)構(gòu)，如圖6所示，生成將響應(yīng)于在外部施加的磁場H604的凈磁矩。對于使用具有微米尺度(例如，沿著短軸大約大約2 ii m)的SAF形成的參考層，磁化傾向于將反并聯(lián)沿著短軸對準(zhǔn)而不是沿著長軸對準(zhǔn)，因此短軸設(shè)置釘住方向。這是從最低能態(tài)被用于兩個層沿著形成圖案的形狀的短軸關(guān)閉它們的磁通量的事實來得出的。在剩磁(例如，在設(shè)置場被去除后)中，最長磁矩層(例如，本例中的下面的被釘扎層603)的磁矩對準(zhǔn)，從而使得其沿著SAF的短軸在具有設(shè)置場角度上具有正投影的方向上(在本例中為向右)。相反地，如圖6所示，更小的磁矩層(在本例中的上面的固定或參考層601)的磁矩在與被釘扎層603相反的方向上對準(zhǔn)。再次參考圖2，上面的或感測層202、212、222、232可以使用厚度在10到5000 A
范圍中的一個或多個鐵磁材料的層形成，在所選實施例中，厚度在10到60 A的范圍中。上面的鐵磁材料可以是軟磁材料，諸如NiFe、CoFeB、NiFeX, CoFeX (X是非磁元素)等。在每個MTJ傳感器中，上面的鐵磁層202、212、222、232充當(dāng)感測層或自由磁層，這是由于它們的磁化的方向可以由出現(xiàn)的諸如地球磁場的外部施加場來偏轉(zhuǎn)。作為最終形成的，上面的或感測層202、212、222、232可以使用具有磁化方向(由箭頭表示)的單獨的鐵磁層來形成，該磁化方向沿著形成圖案的形狀202、212、222、232的長軸對準(zhǔn)。

被釘扎和感測電極可以被形成為具有不同的磁特性。例如，被釘扎電極204、214、224、234可以由耦合到鐵磁膜的抗鐵磁膜交換層形成，以形成具有高矯頑力和偏移磁滯曲線的層，從而使得它們的磁化方向被釘扎到一個方向上，并且因此基本上不受外部施加的磁場的影響。鐵磁膜可以是單個的磁層或SAF層，其中兩個鐵磁層通過耦合層抗鐵磁地耦合。相反地，感測電極202、212、222、232使用軟磁材料形成，以提供具有相對較低的各向異性和矯頑力的不同的磁化方向，從而使得感測電極的磁化方向可以通過外部施加的磁場容易地轉(zhuǎn)變。在所選實施例中，釘扎場的強(qiáng)度比感測電極的各向異性場大約大兩個數(shù)量級，盡管通過使用眾所周知的技術(shù)調(diào)整這些電極的各自的磁特性可以使用不同的比例來改變它們的成分。如圖2所示，在MTJ傳感器中的被釘扎層204、214、224、234被形成為具有在被釘扎層204、214、224、234平面上的第一示例性磁化方向(由指向圖2的畫面的頂部的向量箭頭標(biāo)識)。如本文中所描述的，可以使用被釘扎電極的形狀各向異性來獲得針對被釘扎層204、214、224、234的磁化方向，在該情況中，每個被釘扎層204、214、224、234的形狀都可以在“向上”的向量箭頭的方向上更長。特別地，針對被釘扎層204、214、224、234的磁化方向可以這樣獲得，通過在存在定向磁場的情況下實現(xiàn)加熱成形的被釘扎層204、214、224、234，該定向磁場非正交地定向到針對成形的被釘扎層204、214、224、234的最長定向的軸，從而使得施加的定向域包括在針對成形的被釘扎層204、214、224、234的想要的釘住方向的方向上的場分量。參考層的磁化方向至少臨時地在預(yù)定方向上對準(zhǔn)。但是，通過適當(dāng)?shù)卦谠撎幚砥陂g加熱被釘扎層并在不減少加熱的情況下去除定向場，參考層的磁化沿著針對成形的被釘扎層204、214、224、234的想要的定向的軸放松。一旦磁化放松，參考層可以被退火和/或冷卻，從而使得被釘扎層的磁化方向被設(shè)置在針對成形的被釘扎層204、214、224、234的想要的方向上。真正的正交設(shè)置可以通過形成具有非正交軸的參考層來實現(xiàn)，其中，最終引入的磁化是真正正交的。通過該方法,針對被釘扎層204、214、224、234的磁化方向的形成可以容易地與用來形成具有不同的磁化方向(多個磁化方向)的其它釘扎電極的制造步驟—致。圖7是示出制造具有正交參考層的MTJ場傳感器的示例性方法700的流程圖，其使用整塊晶片設(shè)置工序以形成成形的參考電極，該參考電極包括用于提供對零偏移的降低的補(bǔ)償角的兩個或多個被釘扎層。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，方法700可以包括任何數(shù)量的額外的或可替換的任務(wù)，在圖7中示出的任務(wù)不需要以圖示的順序來執(zhí)行，并且方法700可以被并入到更廣泛的工序或處理中，該工序或處理具有未在本文中詳細(xì)描述的額外功能。此外，在圖7中示出的一個或多個任務(wù)可以從方法700的實施例中省略，只要期望的總的功能保持完整不變。在步驟701，使用已知的半導(dǎo)體處理技術(shù)來提供基板結(jié)構(gòu)。正如應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的，基板結(jié)構(gòu)包括由基本絕緣體層覆蓋的基板，其中，可以在基板上或中形成諸如數(shù)字或模擬集成電路的一個或多個有源電路元件?；搴陀性措娐?多個有源電路)可以作為前端半導(dǎo)體制造工藝的一部分來形成。接下來在步驟702，通過使用多步驟制造工藝在基本絕緣體層之上沉積傳感器層201、211、221、231來形成MTJ層。此時，傳感器層可以作為后端磁制造工藝的一部分來形成，其發(fā)生在前端半導(dǎo)體制造工藝之后。在步驟702，通過在絕緣層之上沉積參考層來形成第一傳感器層，其中，參考層包括在抗鐵磁性釘扎層和鐵磁性固定層之間形成的被釘扎層。被釘扎層包括在非晶鐵磁層之上的晶體鐵磁層，或者在兩個晶體鐵磁層之間形成的非晶鐵磁層。盡管未示出，釘扎層可以與下面的導(dǎo)電接觸層電接觸地沉積。選擇用來形成釘扎層和被釘扎層的材料應(yīng)當(dāng)使得作為結(jié)果得到的鐵磁層將具有相對高的釘扎強(qiáng)度，并且如果被用于將被釘扎層的磁化方向釘扎在移動定向上，則應(yīng)當(dāng)足夠耐火，從而經(jīng)受退火溫度(例如，200到350攝氏度)。此時，還可以使用眾所周知的技術(shù)來沉積諸如隧道電介質(zhì)層(多個層)203、213、223、233和感測電極層(多個層)202、212、222、232的額外傳感器層。為了獲得被釘扎磁化之間的真正的正交方向差，根據(jù)第一實施例，參考層204、214、224、234的固有各向異性(原子能級對排序)可以在沉積時被加工。對于所需的補(bǔ)充的低能級，通過在沉積期間施加的磁場來設(shè)置對排序各向異性的方向。引入比通過成形和固有更強(qiáng)的各向異性的方法包括使用優(yōu)選的晶體定向生長磁材料，以及通過某些各向異性膜生長方法(例如，通過生長集群或晶體的形狀非對稱)來引入。在步驟703，沉積的參考層(多個參考層)還形成圖案，并被選擇性地蝕刻成為具有以不同定向繪制的長軸的細(xì)長形狀。作為蝕刻的結(jié)果，每個成形的參考層具有在想要的被釘扎磁化方向的方向上的優(yōu)選的成形的各向異性方向。但是，由于在退火期間的固有的各向異性、SAF耦合力和剩磁場，實際的釘扎方向可能與想要的不同。例如，圖8示出具有與長軸806正交的想要的釘扎(方向804)的第一參考層802。但是，實際的釘扎(方向808)不同于想要的釘扎(方向804)。第二參考層812具有與長軸816正交的想要的釘扎(方向814)。但是，實際的釘扎(方向818)不同于想要的釘扎(方向814)。為了獲得實際的被釘扎磁化的真正的正交角，可以根據(jù)與長軸有關(guān)的被釘扎磁化的經(jīng)驗性預(yù)獲得結(jié)果作出確定，該確定允許將形成圖案的細(xì)長形狀放置在彼此相對的方向上，以提供真正的正交角。通過修改導(dǎo)致實際的釘扎(方向908、918)成為想要的正交(方向904、914)的長軸906、916之間的角度，在圖9中示出的參考層902、912的圖案形成(步驟703)可以被調(diào)整。在步驟704，對于隨著溫度穿過其轉(zhuǎn)變溫度的而經(jīng)歷相變的諸如PtMn的材料，被蝕刻的參考層在存在定向場的情況下在釘扎轉(zhuǎn)換溫度下被加熱或退火，該定向場被使用在針對不同的參考層的不同的想要的被釘扎磁化方向之間的方向進(jìn)行施加。例如，如果形成兩個正交地定向的被釘扎層，那么施加的定向場可能被定向在正交被釘扎層的想要的定向之間的中途。更一般地說，施加的定向場應(yīng)當(dāng)被定向為使得其包括針對參考層的每個想要的釘住方向的方向上的場分量。用來形成參考層的材料的特性將控制熱如何被施加。加熱步驟應(yīng)當(dāng)被控制為使得成形的參考層的磁化不跟隨外部磁場。在步驟705，定向場被去除，并且在步驟706，在釘扎轉(zhuǎn)換溫度或在釘扎轉(zhuǎn)換溫度之上的退火溫度被保持預(yù)定的持續(xù)時間，例如，兩個小時。在缺少施加的場的情況下，高縱橫比的圖案提供迫使在成形的參考層中施加的磁化沿著成形的參考層的各個各向異性軸放松。在退火期間，相變之后的諸如PtMn、PtPdMn的釘扎層提供與被釘扎層的交換耦合。對于諸如IrMn、RhMn的其它釘扎層(不需要用于交換耦合的相變)，為了使成形的參考層釘扎在想要的方向上，退火溫度必須高于釘扎層的阻隔溫度。該施加的磁化的方向可以通過施加補(bǔ)償場來微調(diào)(從而提供真正正交的磁化方向)。圖10示出第一和第二參考層1002、1004，每個參考層都分別具有放松偏好(方向)1006、1008。補(bǔ)償場1010的施加克服了由在實際的釘扎1012、1014中形成的固有各向異性和磁剩余場的組合造成的影響，該實際的釘扎1012、1014指向想要的方向并相互正交。在步驟707，晶片在零場或補(bǔ)償場中被冷卻，從而使得在參考層中的形狀引入磁化被釘扎，從而提供參考層的多個定向。在零場或小的補(bǔ)償場中獲得形狀弓I入磁化后，通過在阻隔溫度以下冷卻參考層，參考層的磁化被釘扎，并且在其各個方向上至少對于典型的施加場強(qiáng)度將保持剛性釘扎。使用在本文中公開的技術(shù)，通過形成具有第一釘扎方向的第一參考層106-109并同時形成具有與第一釘扎方向正交的第二釘扎方向的第二參考層116-119，可以將第一和第二差分傳感器(例如，在圖1中示出的傳感器101、111) 一同制造在單片集成電路上。從圖11開始，使用示例性處理流程的描述可以進(jìn)一步演示這些技術(shù)，圖11描述了多傳感器結(jié)構(gòu)的部分橫截面圖，其中，MTJ傳感器層1160、1170、1180已經(jīng)在基板1140和基本絕緣體層1150之上形成。當(dāng)傳感器要與半導(dǎo)體電路集成時，通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法制造的穿過絕緣體層1150的導(dǎo)電通孔將這些傳感器的導(dǎo)電部分與下面的基板1140中的電路連接。根據(jù)被制造的晶體管裝置的類型，基板1140可以被實現(xiàn)為整塊硅基板、單晶硅(摻雜或不摻雜)、或包括例如S1、SiC、SiGe、SiGeC、Ge、GaAs、InAs, InP以及其它II1-1V族化合物半導(dǎo)體或其組合的任何半導(dǎo)體材料，并且可以可選地形成為整塊處理的晶片。另外，基板1140可以被實現(xiàn)為絕緣體上的半導(dǎo)體(SOI)結(jié)構(gòu)的上層半導(dǎo)體層。盡管未示出，可以在基板1140上或基板1140中形成一個或多個電路元件。另外，通過使用化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、離子束沉積(IBD)、熱氧化或上述方法的組合，在半導(dǎo)體基板1140之上沉積或生長電介質(zhì)(例如，二氧化硅，氧氮化物，金屬氧化物，氮化物等)。在基本絕緣體層1150之上，通過沉積在蝕刻后充當(dāng)導(dǎo)電線路的第一導(dǎo)電層(未示出)，下面的鐵磁層1160 (在蝕刻后充當(dāng)下面的參考鐵磁層)，一個或多個電介質(zhì)層1170 (在蝕刻后充當(dāng)隧道勢壘層)，一個或多個電介質(zhì)層1180 (在蝕刻后充當(dāng)上面的感測鐵磁層)，以及在蝕刻后充當(dāng)導(dǎo)電線路的第二導(dǎo)電層(未示出)，順序地形成傳感器層堆疊。每個層可以使用已知技術(shù)(諸如CVD、PECVD, PVD、ALD、IBD或其組合)席狀沉積(blanket deposited)為預(yù)定厚度。以這種方式，傳感器層的堆疊覆蓋整個晶片，從而使得該堆疊被形成在將形成第一類型的傳感器(例如，X軸傳感器)的“傳感器I”區(qū)域，并且也形成在將形成第二類型的傳感器(例如，y軸傳感器)的“傳感器2”區(qū)域。另外，傳感器堆疊可以被形成在將形成具有任意想要的定向的傳感器的“其它”區(qū)域。圖12示出在MTJ傳感器層1160、1170、1180的堆疊已經(jīng)被選擇性地蝕刻，從而在每個傳感器區(qū)域中的基板1140之上針對剩余傳感器層定義預(yù)定形狀后，在圖11后，對傳感器裝置結(jié)構(gòu)的處理。可以使用任何想要的圖案和蝕刻工藝來形成有圖案的傳感器層，包括在上面的鐵磁層(多個鐵磁層)1180之上沉積諸如硅氮化物(未示出)的硬質(zhì)掩模，沉積光阻層(未示出)并使光阻層形成圖案以對硬質(zhì)掩模形成圖案，然后使用光阻層(未示出)選擇性地蝕刻(例如，使用反應(yīng)離子蝕刻工藝)暴露的傳感器層，以形成開口 1184、1185。為了更清晰地看出選擇性地蝕刻處理如何根據(jù)MTJ傳感器層的堆疊生成不同的預(yù)定形狀，參考圖13，其提供在圖12中描述的傳感器裝置結(jié)構(gòu)的簡化俯視圖。如圖12和圖13所示，在傳感器層1160、1170、1180中的開口 1184、1185限定在第一傳感器區(qū)域中的傳感器層1162、1172、1182具有第一形狀，該第一選擇被定向為具有針對最終形成的參考層1162的想要的釘扎方向上的易軸。以類似的方式，開口 1184、1185限定在第二傳感器區(qū)域中的傳感器層1163、1173、1183的形狀，從而使得它們具有針對最終形成的參考層1163的想要的釘扎方向上的易軸。雖然開口 1184、1185可以被用來限定正交定向的形狀1162、1163，通過恰當(dāng)?shù)貥?gòu)圖并控制蝕刻處理可以實現(xiàn)任何想要的定向。例如，在“其它”傳感器區(qū)域中的傳感器層1161、1171、1181可以被限定為具有針對最終形成的參考層1161的想要的釘扎方向上的易軸的另一種形狀。除了被形成為長的和窄的形狀，還可以提供其它造型，從而使得每個被釘扎參考層更像單磁疇那樣執(zhí)行。在圖13中，在參考層1161、1162、1163中示出其它造型，其被形成為具有逐漸變細(xì)的尖端。針對各個成形的參考層1161、1162和1163的磁化方向(以問號示出)在定向場出現(xiàn)前是未知的。一旦成形的參考層1161、1162和1163被形成，可以通過在存在被在參考層1161、1162和1163的定向之間定向的定向場的情況下首先加熱或退火晶片，然后在保持高退火溫度的同時去除該場來引入針對參考層的想要的釘扎方向。在圖14中示出加熱并定向參考層的結(jié)果，其示出當(dāng)蝕刻的參考層1161、1162、1163在存在定向場的情況下被加熱時，在圖10之后，對傳感器裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行的處理。如圖14所示，定向場在針對最終形成的參考層的想要的磁化方向之間的方向1190上被對準(zhǔn)。但是，在該處理的這一階段，當(dāng)外部磁場1190足夠高時，參考層1161、1162、1163 (如磁化向量1164、1165、1166所分別示出的)的磁化跟隨外部磁場1190。圖15示出在定向場1190被去除并且蝕刻的MTJ傳感器層的堆疊被冷卻后，在圖14之后，在傳感器結(jié)構(gòu)中的參考層的磁化定向。通過在零場或小的補(bǔ)償場中冷卻晶片，參考層1161、1162、1163的各個形狀提供形狀各向異性，其使得每個參考層的磁化沿著想要的方向放松。這樣，第一參考層1162的磁化1168跟隨它的形狀,從而其與成形的參考層1162的想要的維度(例如，在y軸方向上)對準(zhǔn)，從而形成針對最終形成的參考層1162的想要的釘扎方向。以類似的方式，當(dāng)?shù)诙⒖紝?163的磁化1169跟隨它的形狀各向異性(例如，在X軸方向上)時，針對最終形成的參考層1163的想要的釘扎方向被引入。當(dāng)然，通過適當(dāng)?shù)爻尚螀⒖紝涌梢砸肴魏蜗胍尼斣较颍缤ㄟ^參考層1161所示的，其中，磁化1167跟隨參考層1161的形狀各向異性(例如，與y軸成45度處)。圖16示出被釘扎及參考層1100的處理，其是這樣形成的通過蝕刻不平衡SAF堆疊1110、1120、1130，在定向于參考層的短軸定向之間的定向場存在的情況下以低溫對層1100進(jìn)行退火,然后去除定向場1190 (如虛線場箭頭所指示的),進(jìn)一步在針對PtMn的高溫進(jìn)行退火以提供釘扎場，并冷卻蝕刻的MTJ傳感器的堆疊，從而使得蝕刻的參考層1110、1120、1130的磁化沿著它們各自的短軸被釘扎。如圖所示，蝕刻的參考層1110、1120、1130的磁化定向被沿著蝕刻的參考層的短軸釘扎。這樣，在不平衡SAF堆疊1110中，參考層磁化1111和被釘扎層磁化1112基本上彼此非并聯(lián)，并且與蝕刻的參考層1110的長軸正交。類似地，在不平衡SAF堆疊1120中的參考層磁化1121和被釘扎層磁化1122基本上彼此非并聯(lián)，并且與蝕刻的參考層1120的長軸正交，并且蝕刻的參考層1130也相同。就在圖16中描繪的不平衡SAF堆疊實施例而言，為了提供在參考層1120和1130的正交方向之間的中間的最終參考方向，參考層1110的長軸被構(gòu)圖為與圖13中示出的用于單個參考層1161的方向正交。為了進(jìn)一步示出在不同的、最終形成的參考層中作為結(jié)果形成的多個定向，現(xiàn)在參考圖17，圖17提供在圖15中示出的蝕刻的MTJ傳感器層的堆疊的橫截面圖。如圖15和圖17所示，在第一傳感器區(qū)域中的蝕刻的傳感器層堆疊1162、1172、1182具有被釘扎在第一釘扎方向(例如，“進(jìn)入”圖17的畫面的平面)上的參考層，在第二傳感器區(qū)域中的蝕刻的傳感器層堆疊1163、1173、1183具有被釘扎在第二釘扎方向(例如，到圖17的畫面的平面的“右邊”)上的參考層，并且，在其它傳感器區(qū)域中的蝕刻的傳感器層堆疊1161、1171、1181具有被釘扎在另一個釘扎方向(例如，從圖17的畫面的平面起的45度)上的參考層。在該制造工藝的這一點處，每個上面的鐵磁層1181、1182、1183(和隧道勢壘層(多個隧道勢壘層))將被選擇性地蝕刻成與下面的參考層相同的形狀。但是，在感測層的最終形狀將小于下面的被釘扎層的地方，第二蝕刻序列可以被用來根據(jù)上面的鐵磁層(多個鐵磁層)1181、1182、1183的剩余部分來限定不同感測層的最終形狀。通過使用構(gòu)圖掩模和蝕刻處理(例如，反應(yīng)離子蝕刻)，第二蝕刻序列限定針對感測層的高縱橫比形狀以去除掉所有未屏蔽層，且包括未屏蔽的上面的鐵磁層(多個鐵磁層)，但保留下面的成形釘扎層不變。針對感測層限定的高縱橫比形狀被定向為使得每個感測層都具有形狀各向異性軸。換句話說，針對每個感測層的長軸被繪制為生成想要的易軸磁化方向?？偟膩碚f，在電子穿過磁/非磁/磁三層結(jié)構(gòu)的第一磁層后，電流變成自旋極化，其中，通過本領(lǐng)域已知的許多方法中的任意一個來將第一磁層基本上固定。當(dāng)自旋極化電子穿過絕緣體層時，電子穿過的可能性依賴于自由層與固定層的相對定向。當(dāng)磁場被施加到圖1和圖2中示出的傳感器的場敏感性軸時，自由層沿著磁場方向旋轉(zhuǎn)，固定層和自由層的相對定向被關(guān)閉，因此MTJ磁阻改變。當(dāng)這些傳感器被偏置時，可以檢測輸出信號。在MTJ陣列架構(gòu)400的制造期間，每個連續(xù)層被沉積或者被順序地形成，并且使用在半導(dǎo)體工業(yè)中已知的任何技術(shù)，每個MTJ裝置400可以通過選擇性地沉積、光刻法處理、蝕刻等來限定。通常，MTJ的層是通過薄膜沉積技術(shù)來形成的，諸如物理氣相沉積，包括磁控濺射和離子束沉積或熱蒸發(fā)。在沉積至少部分MTJ期間，磁場被提供以在材料中設(shè)置優(yōu)選的各向異性(引入的固有各向異性)易軸。另外，在暴露于沿著優(yōu)選各向異性易軸指向的磁場的同時，MTJ堆疊通常在高溫進(jìn)行退火，以在抗鐵磁性釘扎層被使用時進(jìn)一步設(shè)置固有的各向異性方向并設(shè)置釘扎方向。提供的磁場在鐵磁材料中生成用于磁矩向量的優(yōu)選各向異性易軸。除了固有的各向異性，構(gòu)圖為具有大于一的縱橫比的形狀的存儲器元件將具有形狀各向異性，并且該形狀和固有各向異性的組合限定了優(yōu)選地平行于存儲器元件的長軸的易軸。在本文中描述的這些示例性實施例可以使用如下的已知的平板處理來制造。集成電路、微電子裝置、微機(jī)電裝置、微流控裝置和光子裝置的制造涉及生成以某種方式交互的若干層材料。這些層中的一個或多個層可以形成圖案，以使得層的不同區(qū)域具有不同的電或其它特征，其可以在該層內(nèi)互連或與其它層互連以生成電子部件和電路?？梢酝ㄟ^選擇性地引入或去除各種材料來生成這些區(qū)域。限定這些區(qū)域的圖案通常通過平板處理來生成。例如，光阻材料的層被施加到在晶片基板上的層上。通過諸如紫外線光、電子或X射線的輻射的形式，光罩(包含透明和半透明區(qū)域)被用于選擇性地曝光該光阻材料。曝光在輻射下的光阻材料或沒有曝光的光阻材料被通過施加顯影劑來去除。然后對未由剩余光阻保護(hù)的層施加蝕刻，并且當(dāng)光阻被去除時，在基板上的層形成圖形?；蛘撸€可以使用附加處理，例如，使用光阻作為模板來構(gòu)建結(jié)構(gòu)。盡管在本文中公開的示例性實施例涉及各種傳感器結(jié)構(gòu)和用于制造其的方法，本發(fā)明不必受限于示出可應(yīng)用于廣泛的半導(dǎo)體工藝和/或裝置的本發(fā)明的發(fā)明方面的示例性實施例。這樣，得益于本文中的教導(dǎo)，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，由于本發(fā)明可以以不同當(dāng)?shù)葍r的方式進(jìn)行修改和實踐，因此上面公開的特定實施例僅是示例性的，并且不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為對本發(fā)明構(gòu)成限制。而且，感測層和釘扎層可以使用與公開的材料不同的材料來形成。此外，所述層的厚度可以與公開的厚度值偏離。因此，前述描述并不希望將本發(fā)明限制于所闡述的特定形式，相反地，希望囊括如附錄權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)所包括的那些替換、修改、等同物，從而使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，他們可以對本發(fā)明進(jìn)行最大限度的各種改變、替換和變更。在上面已經(jīng)參考特定實施例描述了對問題的益處、其它優(yōu)點和解決方案。但是，對問題的益處、優(yōu)點、解決方案，以及可以使益處、優(yōu)點、解決方案發(fā)生或變得更明確的任何元素(多個元素)并不構(gòu)成關(guān)鍵的、必須的或主要的所有權(quán)利要求中的任意一個的特征或元素。如本文中所使用的，術(shù)語“包括”、“包含”或其任何其它的形式都希望覆蓋非排他性包括，從而使得包含元件列表的處理、方法、文章或設(shè)備不僅包括這些元件，而且可以包括沒有明確列出或這些處理、方法、文章或設(shè)備原有的其它元件。雖然在前述詳細(xì)描述中已經(jīng)呈現(xiàn)了一個示例性實施例，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到有大量的變化存在。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，示例性實施例或多個示例性實施例僅僅是例子，并且并不希望以任何形式限制本發(fā)明的范圍、可應(yīng)用性或配置。更確切地，前述詳細(xì)描述將為本領(lǐng)域技術(shù)人員提供用于實現(xiàn)本發(fā)明的示例性實施例的路線圖，應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離在附錄權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對示例性實施例中描述的元件的功能和布置進(jìn)行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種磁阻薄膜磁場傳感器，包括: 抗鐵磁性釘扎層； 被釘扎層，包括: 在釘扎層之上具有在2到15埃范圍厚度的非晶鐵磁層；以及 在非晶鐵磁層之上的第一晶體鐵磁層； 在被釘扎層之上的非磁性耦合層； 在非磁性耦合層之上的鐵磁性固定層； 在鐵磁性固定層之上的電介質(zhì)隧道勢壘層；以及 在電介質(zhì)隧道勢壘層之上的鐵磁性感測層。
2.如權(quán)利要求1所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，被釘扎層還包括在非晶鐵磁層與釘扎層之間的第二晶體鐵磁層。
3.如權(quán)利要求2所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第二晶體鐵磁層包括CoFe，其中，F(xiàn)e的原子重量為10.0-25.0。
4.如權(quán)利要求2所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第二晶體鐵磁層具有在2到10埃范圍的厚度。
5.如權(quán)利要求1所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，非晶鐵磁層包括CoFeB，其中，B的原子重量為15.0-30.0%。
6.如權(quán)利要求1所述的 磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第一晶體鐵磁層包括CoFe，其中，F(xiàn)e的原子重量為10.0-25.0。
7.如權(quán)利要求1所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，被釘扎層和鐵磁性固定層具有不同的磁矩。
8.如權(quán)利要求1所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，鐵磁性感測層包括鎳和鐵。
9.如權(quán)利要求1所述的磁阻薄膜磁場傳感器，還包括在鐵磁性感測層之上的擴(kuò)散勢壘，該擴(kuò)散勢壘包括鋁氧化物。
10.如權(quán)利要求1所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，被釘扎層包括在10到40埃范圍的厚度。
11.一種磁阻薄膜磁場傳感器,包括: 基板； 在基板之上的絕緣層； 在絕緣層之上的第一傳感器層堆疊，該第一傳感器層堆疊包括: 在絕緣層之上的第一釘扎層； 第一被釘扎層，包括: 在第一釘扎層之上具有在2到15埃范圍厚度的第一非晶鐵磁層；以及 在第一非晶鐵磁層之上的第一晶體鐵磁層； 在第一被釘扎層之上的第一非磁性耦合層； 在第一非磁性耦合層之上的第一鐵磁性固定層； 在第一鐵磁性固定層之上的第一電介質(zhì)隧道勢壘層；以及 在第一電介質(zhì)隧道勢壘層之上的第一鐵磁性感測層；在絕緣層之上的第二傳感器層堆疊，包括:在絕緣層之上的第二釘扎層； 第二被釘扎層，包括: 在第二釘扎層之上具有在2到15埃范圍厚度的第二非晶鐵磁層；以及 在第二非晶鐵磁層之上的第二晶體鐵磁層； 在第二被釘扎層之上的第二非磁性耦合層； 在第二非磁性耦合層之上的第二鐵磁性固定層； 在第二鐵磁性固定層之上的第二電介質(zhì)隧道勢壘層；以及 在第二隧道勢壘層之上的第二鐵磁性感測層； 其中第一傳感器層堆疊具有限定第一參考方向的第一形狀各向異性，并且第二傳感器堆疊具有限定與第一參考方向不同的第二參考方向的第二形狀各向異性。
12.如權(quán)利要求11所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第一被釘扎層還包括在第一非晶鐵磁層與第一釘扎層之間的具有在2到10埃范圍厚度的第三晶體鐵磁層。
13.如權(quán)利要求12所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第二被釘扎層還包括在第二非晶鐵磁層與第二釘扎層之間的具有在2到10埃范圍厚度的第四晶體鐵磁層。
14.如權(quán)利要求12所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第三晶體鐵磁層包括CoFe，其中，F(xiàn)e的原子重量為10.0-25.0。
15.如權(quán)利要求11所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第一和第二非晶鐵磁層包括CoFeB，其中，B的原子重量為15.0-30.0%。
16.如權(quán)利要求 11所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第一和第二晶體鐵磁層包括CoFe，其中，F(xiàn)e的原子重量為10.0-25.0。
17.如權(quán)利要求11所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第一和第二鐵磁性固定層包括CoFeB，其中，B的原子重量為10.0-25.0。
18.如權(quán)利要求11所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第一和第二鐵磁性感測層包括NiFe。
19.如權(quán)利要求11所述的磁阻薄膜磁場傳感器還包括:在第一鐵磁性感測層之上的包含鋁和氧的第一擴(kuò)散勢壘，以及在第二鐵磁性感測層之上的包含鋁和氧的第二擴(kuò)散勢壘。
20.如權(quán)利要求11所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第一被釘扎層和第一鐵磁性固定層具有不同的磁矩，并且第二被釘扎層和第二鐵磁性固定層具有不同的磁矩。
21.如權(quán)利要求20所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第一和第二鐵磁被釘扎層中的每一個都具有分別沿著第一和第二傳感器層堆疊的短軸對準(zhǔn)的磁化。
22.一種制造磁阻薄膜磁場傳感器的方法，包括: 提供基板； 在基板之上形成絕緣層； 在絕緣層之上形成傳感器層堆疊，該傳感器層堆疊包括: 在絕緣層之上形成的釘扎層； 被釘扎層，包括: 在釘扎層之上形成的具有在2到15埃范圍厚度的非晶鐵磁層；以及 在非晶鐵磁層之上形成的晶體鐵磁層； 在被釘扎層之上形成的非磁性耦合層；在非磁性耦合層之上形成的鐵磁性固定層； 在鐵磁性固定層之上形成的電介質(zhì)隧道勢壘層；以及 在電介質(zhì)隧道勢壘層之上形成的鐵磁性感測層； 選擇性地蝕刻傳感器層堆疊以形成第一電極堆疊和第二電極堆疊，其中，第一電極堆疊具有第一形狀各向異性以設(shè)置第一參考方向，并且第二電極堆疊具有第二形狀各向異性以設(shè)置第二參考方向； 施加基本上平行于在第一和第二參考方向之間定向的基板的飽和場，直到第一和第二電極堆疊中的每一個參考層結(jié)構(gòu)都具有基本上與飽和場對準(zhǔn)的磁化；以及 去除飽和場，以允許第一形狀各向異性來設(shè)置第一電極堆疊的參考層結(jié)構(gòu)的磁化，并允許第二形狀各向異性來設(shè)置第二電極堆疊的參考層結(jié)構(gòu)的磁化。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括在鐵磁性感測層之上形成包括鋁和氧的第一擴(kuò)散勢壘。
24.如權(quán)利要求22所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，非晶鐵磁層包括CoFeB，其中，B的原子重量為15.0-30.0%。
25.如權(quán)利要求22所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第一晶體鐵磁層包括CoFe，其中，F(xiàn)e的原子重量為10.0-25.0。
26.如權(quán)利要求22所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第一晶體鐵磁層具有在2到15埃范圍的厚度。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，形成傳感器層堆疊包括在非晶鐵磁層與釘扎層之間形成第二晶體鐵磁層。
28.如權(quán)利要求27所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第二晶體鐵磁層包括CoFe，其中，F(xiàn)e的原子重量為10.0-25.0。
29.如權(quán)利要求27所述的磁阻薄膜磁場傳感器，其中，第二晶體鐵磁層具有在2到10埃范圍的厚度。
全文摘要
提供用于形成參考層的傳感器和制造工藝，該參考層具有基本上正交的磁化方向，該磁化方向具有小補(bǔ)償角的零偏移。一個示例性實施例包括基于磁阻薄膜的磁場傳感器的傳感器層堆疊，該傳感器層堆疊包括釘扎層；被釘扎層包括在釘扎層之上的非晶材料的層，以及在非晶材料的層之上的晶體材料的第一層；在被釘扎層之上的非磁性耦合層；在非磁性耦合層之上的第一層；在固定層之上的隧道勢壘；以及，在非磁中間層之上的感測層。另一個實施例包括傳感器層堆疊，其中，被釘扎層包括由非晶層分開的兩個晶體層。
文檔編號G11B5/33GK103081008SQ201180042042
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者孫吉軍, P·馬瑟, S·皮塔姆巴拉姆, J·斯勞特, R·韋格, N·里佐 申請人:艾沃思賓技術(shù)公司