CN112578323B

CN112578323B - 磁阻传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN112578323B
Application number: CN202011050382.0A
Authority: CN
Inventors: C·米伦霍夫; W·拉贝格; D·休斯
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2024-06-07
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: DE102019126320B4; US11467232B2; DE102019126320A1; CN112578323A; US20210096195A1

Abstract

在此公开了磁阻传感器及其制造方法。实施例涉及磁阻传感器以及磁阻传感器的相应制造方法。一个示例涉及一种具有层堆叠的磁阻传感器。层堆叠包括具有参考磁化的参考层，该参考磁化是固定的并且具有第一磁取向。层堆叠包括磁性自由层。磁性自由层具有磁性自由磁化。可以在存在外部磁场的情况下改变磁性自由磁化。在基态下，磁性自由磁化具有第二磁取向。第一或第二磁取向之一在面内定向，另一个在面外定向。层堆叠包括金属多层膜。金属多层膜或者相邻于磁性自由层布置，或者金属多层膜形成磁性自由层。

Description

磁阻传感器及其制造方法

技术领域

实施例涉及磁阻传感器以及磁阻传感器的相应制造方法。

背景技术

基于磁阻效应的磁场传感器、即所谓的磁阻传感器经常被使用。由于这种传感器具有高信号电平和高精度，并且能够将它们模块化地集成到BICMOS或CMOS技术中，因此与基于霍尔的磁场传感器相比，磁阻传感器通常是首选的。磁阻传感器组包括AMR、GMR或TMR传感器。通常将大量不同的磁阻效应缩写为xMR，其中“x”充当不同磁阻效应的占位符。xMR传感器可以利用单片集成磁阻传感器元件测量正弦和余弦角分量来检测被施加的磁场的定向。首字母缩写词分别表示用于测量相应磁场的磁阻效应。因此，GMR例如代表巨磁阻(GMR，Giant Magneto-Resistance)，这是一种在由交替的铁磁和非磁导电层组成的薄膜结构中观察到的量子机械磁阻效应。TMR代表隧道磁阻(TMR，Tunnelmagnetowiderstand)，这是一种在磁隧道结(MTJ，英文Magnetic Tunnel Junction)中发生的磁阻效应，其中过渡发生在将两个铁磁体彼此分开的薄绝缘体处。首字母缩写词AMR代表各向异性磁阻，它是一种材料的特性，在该材料中观察到电阻对电流方向(即扫描轴)与磁化方向之间夹角的依赖性。

但是，这些xMR传感器在很多情况下都有两个局限性。一方面，它们在低线性磁场中大多具有相对较小的工作范围。此外，在大多数变体中，它们不是用于在z方向上检测磁场的霍尔传感器的替代方案。尽管十字几何形(kreuzgeometrisch)xMR传感器具有z敏感度，但其时尚的设计通常无法提供所期望的信号输出，同时无法保高线性场范围。

在此需要克服这些局限性而不牺牲xMR技术的优点。

发明内容

一个示例涉及具有层堆叠的磁阻传感器。层堆叠包括具有参考磁化的参考层，该参考磁化是固定的并且具有第一磁取向。层堆叠包括磁性自由层。磁性自由层具有磁性自由磁化。磁性自由磁化可在存在外部磁场的情况下改变。在基态下，磁性自由磁化具有第二磁取向。第一或第二磁取向中的一个在面内定向，并且另一个在面外定向。层堆叠包括金属多层膜。金属多层膜或者相邻于磁性自由层布置，或者金属多层膜形成磁性自由层。

另一个示例涉及磁阻传感器的制造过程。该方法包括通过形成具有参考磁化的参考层来制造磁阻传感器的层堆叠，该参考磁化是固定的并且具有第一磁取向。形成层堆叠包括形成磁性自由层。在基态下，磁性自由磁化具有第二磁取向。第一和第二磁取向中的一个在面内定向，并且另一个在面外定向。形成层堆叠包括形成金属多层膜。金属多层膜或者相邻于磁性自由层布置，或者金属多层膜形成磁性自由层。

附图说明

下面将参考附图通过仅示例性地详细描述装置和/或方法的一些示例，附图中：

图1a和1b示出了xMR传感器的层堆叠的示意图；

图2a和2b示出了在两种不同配置中电阻与外部磁场之间的依赖性的图；

图2c示出了面外场中的十字几何形xMR传感器的传递曲线图；

图3a至图3c示出了用于实现面外磁化的各种可能性的示意图；

图4a示出了TMR磁场传感器的层堆叠的示意图；

图4b示出了对于磁性自由层的不同层厚度，在外部磁场的影响下的TMR比的图；

图5a和5b示出了具有层堆叠的磁阻传感器的实施例的示意图；

图6a至图6c示出了用于磁性自由层的不同设计的示意图；

图7a至图7d示出了层堆叠的实施例的示意图；

图8示出了具有面外参考层的层堆叠的示意图；

图9示出了具有面内参考层的层堆叠的示意图；

图10a至图10e示出了实施例的评估的图；

图11a和11b示出了对于金属多层膜的各种实施方式，在外部磁场的影响下的GMR比的图；和

图12示出了用于磁阻传感器的制造方法的实施例的流程图。

具体实施方式

现在将参照示出了一些示例的附图更全面地描述各种示例。另外示例可以包覆落在本公开范围内的所有修改、等价和备选。在附图中，为了清楚可以放大线、层和/或区域的厚度。在附图的总体说明中，相似的参考标号在附图的描述中表示相似或类似的元件，当相互比较时可以以相同的或以修改的形式实施，同时提供相同或类似的功能。

应当理解，当一个元件被称作“连接”或“耦合”至另一个元件时，这些元件可以直接连接或耦合或者经由一个或多个中间元件连接或耦合。如果使用“或者”组合两个元素A和B，则理解为公开了所有可能的组合，即仅A、仅B以及A和B，除非另有明示或暗示定义。相同组合的备选措辞是“A和B中的至少一个”。这同样适用于两个以上元素的组合。

除非另有定义，否则所有术语(包括技术和科学术语)在本文中以其在该示例所属领域的普通含义使用。

基于xMR的传感器的磁阻层通常设计为面内几何形状，这意味着参考层(RL，英文Reference Layer)和磁性自由层(FL，英文Free Layer)的磁取向平行或彼此反平行，其中两个取向都在面内且在同一方向，即在x方向或y方向上。图1a示出了xMR传感器的层堆叠100的示意图，其中参考层和磁性自由层均在面内设计。层堆叠100 包括衬底110、籽晶层120、钉扎层130(固定层)、参考层140、非磁性层150、磁性自由层160和覆盖层(英文cappinglayer)170。磁性自由层160和参考层140均具有面内各向异性。如果xMR传感器是GMR传感器，则非磁性层可以是例如金属层(例如铜层)，或者如果xMR传感器是TMR传感器，则非磁性层可以是绝缘层(例如氧化镁层MgO)。图1b示出了电阻与磁场之间的依赖性图。如果磁性自由层的各向异性和参考层的各向异性相互平行定向(参见参考标号180)，则可实现较低电阻；如果磁性自由层的各向异性和参考层的各向异性彼此反平行定向(参见参考标号190)，则可以实现较高电阻。

面内(字面上为“在层面内”)是指该层的磁取向沿该层堆的这些层(例如参考层)的最大(横向)范围延伸。换句话说，沿着层堆叠的各个层的最大范围展开一个层面(英文plane)。如果该层的磁化沿着该层面延伸，则该层具有“面内磁化”，或者换句话说，具有面内各向异性或该层面内的各向异性。相反的是面外磁化(字面上为“从层面向外”)。如果该层的磁化垂直于(英文perpendicular)平面延伸，则该层具有“面外磁化”，或者换句话说，具有面外各向异性或垂直于层面的各向异性。层面定义了x方向分量和y方向分量。z方向分量垂直于层面延伸。以下相对于层面也定义了横向方向或范围以及垂直方向或范围。横向方向平行于x/y方向分量延伸，并且垂直方向平行于z方向分量延伸。由于两个磁取向都在该层面中延伸，因此上述设计在z方向上不提供任何灵敏度。

一种在z方向上实现灵敏度的方法是在参考层和磁性自由层中使用十字几何形各向异性。如果两层中的一层具有面内各向异性，而另一层具有面外各向异性，则在这两层之间存在十字几何形各向异性。可以想到两种不同的方法-在第一种方法中，基态中(即在没有外部磁场影响磁性自由层时)的磁性自由层的各向异性可以在面外定向，而参考层的各向异性在面内定向。这种方法如图2a所示。图2a示出了在这种方法中电阻R(y轴)与磁场(x轴)之间的依赖性图，其中参考标号210表示取决于外部磁场的磁性自由层的磁化，参考标号220表示参考层的磁化。在第二种方法中，基态中的磁性自由层的各向异性可以在面内(也就是说，在没有外部磁场影响磁性自由层时)定向，并且参考层的各向异性可以在面外定向。这种方法如图2b所示。在此，参考标号230示出了磁性自由层的磁化，参考标号240示出了参考层的磁化。在这两种情况下，当磁化强度彼此平行定向时，电阻较低；在磁化强度彼此反向平行定向时，电阻较高。

图2c示出了面外场中的十字几何形xMR传感器的传递曲线图。在图2c的示例中，针对p-SAF饱和场优化了z方向上的磁性自由层的饱和度。在此示出5个状态250；260；270；280；和290。在基态(状态270)下，磁性自由层的磁化在面内定向。参考层的磁化在面外定向。外部磁场H_ext的强度再次绘制在x轴上，电阻R绘制在y轴上。在状态250和290中已达到p-SAF的饱和范围。在其他状态260至280中，xMR传感器处于工作范围内，其中状态260中的磁性自由层的磁化与参考层的磁化平行地定向，在状态270中与参考层的磁化正交地定向，在状态280中与参考层的磁化反平行地定向，使得状态260与280之间的电阻增加。

利用磁阻效应的一种技术是磁阻随机存取存储器(MRAM)。在此，参考层和磁性自由层均具有面外磁各向异性，也称为垂直磁各向异性(PMA，英文Perpendicular MagneticAnisotropy)，其通常由薄CoFeB/MgO/CoFeB层形成。PMA主要是由CoFeB与MgO之间的界面效应引起的，并且如果是这种情况，则PMA仅以足够薄的层为主导。从技术上讲，这可以实现z方向的灵敏度。但是，这种结构的目的与磁传感器显著不同，因为MRAM专注于写入和存储一定的磁取向，因此避免了大线性区域。此外，这两种技术中的非磁性层均由相对简单的材料组合组成，通常只有带有附加的非磁性覆盖层的CoFeB层或CoFeB/CoFe层。

具有高线性范围和z灵敏度的基于xMR的传感器的另一种方法是使用参考层和磁性自由层的十字几何形各向异性。在此，参考层由例如垂直的合成反铁磁体(p-SAF)组成，该磁体使用金属多层膜(例如Co/Pd或Co/Pt)，该金属多层膜自身与激励MRAM的CoFeB/MgO系统相连，以实现必要的PMA。术语“金属多层膜”是指包括两个或更多个(垂直)相邻布置的金属层(或由其组成)的层系统。然后，磁性自由层被设计为具有面内各向异性，通常具有确保层面内各向异性的厚度的CoFeB。这种类型的传感器的操作与参考层平行，即在z方向上，这意味着磁性自由层沿其磁难轴运行。在某些配置中，这导致数百毫特斯拉的高磁场范围。

图3a至3c示出了用于实现面外磁化的不同可能性。图3a示出了借助于金属多层膜系统实现面外各向异性的可能性。金属多层膜系统310的层可以由例如Co/Pt或Co/Pd制成。参考标号320标出示出在面外磁场μ₀H_OOP的影响下的这种金属多层膜系统310的归一化磁化(y轴)图。实线示出具有[Co(0.25)/Pt(0.2)]₉ 的金属多层膜系统的值，并且虚线示出具有[Co(0.35)/Pt(0.2)]₇/>的金属多层膜系统的值。在本公开中，选择用于金属多层膜的以下注释：[a(d_a)/b(d_b)]_N，其中a和b分别是化学元素和化合物，d_a表示a层的厚度，d_b表示b层的厚度，分别以纳米(nm)为单位，并且N表示a层的数量和b层的数量，a层和b层交替布置。

图3b示出了借助于合成反铁磁体(SAF)实现面外各向异性的可能性。层堆叠330包括衬底331、籽晶层332、第一面外参考层333、用作Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)耦合的间隔保持物334、第二面外参考层335(层333至335形成合成反铁磁体SAF)和覆盖层336。参考标号340标出示出在面外磁场μ₀H_OOP的影响下的这种叠层330的归一化磁化(y轴)图。

图3c示出了借助于CoFeB/MgO轨道杂化在界面处实现面外各向异性的可能性。层堆叠350包括CoFe(B)层351和MgO层352。参考标号360标出示出在面外磁场μ₀H_OOP影响下的这种层堆叠350的归一化磁化(y轴)的图。

层面中的磁性自由层的面外磁场饱和度通常在Tesla范围内，这会降低线性范围内的xMR效应。为了减小饱和场，针对TMR传感器可以减小磁性自由层的CoFeB厚度，以及针对GMR传感器(如果这里自由层由Co和随后的Pt覆盖层构成)可以减小磁性自由层的Co厚度。这提高了MgO/CoFeB界面或Co/Pt界面的垂直各向异性的影响，因此在较低磁场下在z方向上会发生磁饱和。尽管这最终提高了传感器的灵敏度，但厚度的变化也显著提高了非线性(NL)并减小了线性范围(请参见图4b)。

图4a示出了具有面外参考层和面内磁性自由层的十字几何形TMR传感器的层堆叠400的示意图。层堆叠400从下向上包括衬底401(由Si/SiO₂制成)、钽层402(5nm)、钌层403(10nm)、铂层404(2nm)、[Co/Pt]₉多层膜405(0.35nm/0.2nm)、钌层406(0.4nm)、[Co/Pt]₉/Co多层膜407(0.35nm/0.2nm)、钽层408(0.3nm)、Co₄₀Fe₄₀B₂₀参考层409(1nm)、MgO隧道势垒层410、Co₄₀Fe₄₀B₂₀非磁性层411(1.8nm、2.4nm、3.0nm，请参见图4b)、钽层412(10nm)和钌层413(5nm)。来自T.Nakano等人，期刊Appl.Phys.Lett.110，012401(2017)；https://doi.org/ 10.1063/1.4973462的图4b示出：磁性自由层411厚度不同(参考编号420：1.8nm，参考编号430：2.4nm，参考编号440：3nm)时，在使用这种交叉几何层堆叠400的磁场H(以kOe为单位)影响下的TMR比(以％表示)。随着磁性自由层的层厚度减小，p-SAF饱和场之间的TMR比可以增加，但也会导致非线性增加(对于1.8nm为3.1％，对于2.4nm为1.5％，对于3nm为1.4％)。在这个设计中，磁性自由层的饱和场过高。减小CoFeB磁性自由层的厚度会减小饱和场(PMA界面效应)。这也将非线性(NL)从1.4％FS(满量程，此处为200kOe或200mT)提高到3.1％FS。合成反铁磁体从反铁磁耦合中跳出。现在，3.1％FS表示：在满量程测量(+/-200mT)的情况下，显示所测量输出与拟合输出的偏差为3.1％。还已知CoFeB的厚度对TMR效果有影响，因此减小厚度可能不是有益的。另外，该设计可能不适用于GMR传感器(因为未提供MgO层)，除非在磁性自由层中使用Co/Pt代替更常用的CoFe。因此，可能需要一种与厚度无关的方式来改变饱和场。

本公开的实施例提出了一种新的方法来减小磁性自由层的饱和场，该方法适用于TMR和GMR传感器，并且能够实现与饱和度无关地优化磁性自由层的厚度。本公开提供了用于十字几何形xMR传感器的磁性自由层的层系统的新设计，其可以使磁性自由层在类似场中实现与参考层一样的饱和度。这个设计有可能使十字几何形xMR传感器的可用xMR效果增加三倍(例如，参见图11b，左侧，其中显示了从1.2％到3.75％GHR升程的三倍)，从而将该技术展示为有前途的z敏感型磁传感器。在图2c中示出了这种z敏感型磁传感器的说明性传递曲线。

图5a和5b示出了具有层堆叠500a，500b的磁阻传感器的实施例的示意图。层堆叠包括具有参考磁化的参考层20，该参考磁化是固定的并且具有第一磁取向。层堆叠还包括磁性自由层3。在基态下，磁性自由层具有第二磁取向。第一和第二磁取向中的一个在面内定向并且另一个在面外定向。层堆叠包括金属多层膜30；40。在图5a中，金属多层膜40相邻于磁性自由层布置。在图5b中，金属多层膜30形成磁性自由层。

图1a和1b的层堆叠500a；500b还包括布置在参考层20和磁性自由层30之间的另一层25。如果磁阻传感器基于隧道磁阻效应(TMR)，则该另一层25例如可以是隧道势垒层。如果磁阻传感器基于巨磁阻效应(GMR)，则该另一层25可以是非磁性层。在这两种情况下，参考层20和磁性自由层30都可以直接相邻于该另一层布置。在所有情况下，都假定层堆叠的各层彼此垂直布置或垂直相邻。

本公开的实施例涉及磁阻传感器和用于磁阻传感器的层堆叠。磁阻传感器是磁场传感器，其功能基于：电阻因磁场而改变。现在可以借助传感器电路来确定该电阻(例如基于电阻处的电压降)，并将其用于说明磁场。在至少一些实施例中，磁阻传感器因此可以包括传感器电路50。例如，磁场传感器包括一个或多个传感器元件，可以将该传感器元件设计为测量磁场的一个或多个属性(例如，磁场通量密度、场强、场角、场方向、场取向等构成的组中的一个或多个元素)。换句话说，传感器电路50可以包括一个或多个传感器元件，其可以被数据为测量磁场的一个或多个属性。磁场可以由磁体、带电导体(例如电线)、地球或其他磁场源产生。例如，每个传感器元件可以被设计为响应于影响传感器元件的一个或多个磁场来生成传感器信号(例如，电压信号)。因此，传感器信号是影响传感器元件的磁场的大小和/或方向的指示物。

一个或多个传感器元件可以被设计成检测在层堆叠之上的外部磁场的一个或多个方向分量，以生成对应于外部磁场的一个或多个方向分量的一个或多个电压。磁阻传感器可以具有例如第一和第二传感器层面，在该层面中磁阻传感器对外部磁场敏感，例如面内传感器层面和面外传感器层面，或者沿着x/y方向分量的第一传感器层面和沿z方向分量的第二传感器层面。例如，第一传感器层面可以平行于参考层的最大横向范围定向。第二传感器层面可以垂直于参考层的最大横向范围定向。类似地，一个或多个定向分量中的第一定向分量可以平行于第一磁取向定向，并且一个或多个定向分量中的第二定向分量可以平行于第二磁取向定向。如果第一磁取向例如在面内定向，则第一方向分量可以是x或y方向分量；如果该第一磁取向在面外定向，则第一方向分量可以是z方向分量。类似地适用于第二方向分量：如果第二磁取向例如在面内定向，则第二方向分量可以是x或y方向分量；如果第二磁取向在面外定向，则第二方向分量可以是z方向分量。磁阻传感器可以例如包括多个层堆叠，以便经由多个传感器元件(经由多个层堆叠)检测多个方向分量。

层堆叠包括具有参考磁化的参考层20，该参考磁化是固定的并且具有第一磁取向。例如，第一磁取向可以在面外定向。这例如可以由此实现，即在参考层的参考系统中使用合成反铁磁体(SAF)(其中SAF由具有PMA的元素(例如金属多层和/或CoFe(B)/MgO)形成)，金属多层膜同样用作参考层(例如Co/Pt或Co/Pd)，或者在MgO和CoFe(B)之间的界面处使用自旋轨道相互作用和/或轨道杂化(在CoFe(B)足够薄时)，例如参见图3a至3c。可替代地，例如在使用“单一的(einfachen)”参考层时，第一磁取向也可以在面内定向。参考层可以是例如钴层(Co)、钴铁层(CoFe)或钴铁硼层(CoFeB)。

层堆叠还包括磁性自由层30。磁性自由磁化在基态下具有第二磁取向。基态是一种其中不存在外部磁场对磁性自由层的影响或该影响小到可忽略的状态。磁性自由层的许多特性取决于金属多层膜(英文metal multilayer)，这是因为金属多层膜与磁性自由层相邻布置，或者因为金属多层膜构成磁性自由层。替代单个的层、例如CoFeB或CoFe，金属多层膜系统或者耦合到磁性自由层，或者金属多层膜形成磁性自由层。因此，在一个设计(设计1)中，金属多层膜可以与磁性自由层分开实施，并且可以直接与磁性自由层相邻地或也可以耦合地布置。在图5a，6b，7a，7c，图8中以参考标号820并且在图9中以参考标号920中示出了该设计。可以将磁性自由层30布置在金属多层膜40和参考层20之间。如果磁性自由层30与金属多层膜相邻或耦合地实施，则磁性自由层也可以是钴层(Co)、钴铁层(CoFe)或钴铁硼层(CoFeB)。在第二设计中，金属多层膜30可以形成磁性自由层30。换句话说，金属多层膜30可以是磁性自由层。在图5b，6c，7b，7d，图8中以参考标号830并且在图9中以参考标号930示出了该设计。在这两个设计中，磁性自由层在层面中从金属多层膜系统获得(较小的)垂直各向异性(PMA)。PMA源于自旋轨道相互作用和轨道杂化。

金属多层膜的基本特征在于，其包括多个金属层，即由金属或金属合金制成的多层。金属多层膜可以包括例如至少两层，例如两层、四层、六层、八层或二的其它倍数。多个金属层可以包括例如两个(或两个以上)不同类型的金属层。换句话说，金属多层膜体30；40包括第一金属或第一金属合金的第一多层和第二金属的第二多层。现在，不同的层现在可以例如在层之间的界面处产生上述的界面效果，这或者确保金属多层膜的磁取向是面外的，或者确保至少在净面内磁取向中增加了面外分量。现在可以将不同的层交替地布置在金属多层膜中。换句话说，第一和第二多层可以在金属多层膜中交替布置。第二多层可以等距地布置在金属多层膜中，即第一多层中的所有层可以具有第一厚度，并且第二多层中的所有层可以具有第二厚度(均在制造公差的范围内)。

原则上，对于金属多层膜可以考虑多种材料组合。对于金属多层膜例如可以使用Co/Pt、Co/Pd、Co/Au、Co/Ni、Co/Cu、Fe/Pt、Fe/Pd、Fe/Au、Fe/Cu或Fe/Ag的材料组合。换句话说，第一多层可以包括钴(Co)，第二多层可以包括铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、镍(Ni)和铜(Cu)之一。可替代地，第一多层可以包括铁(Fe)，第二多层可以包括铂、钯、金、铜和银之一。可以对于第一多层可以使用金属合金，例如钴铁合金(CoFe)或钴铁硼合金(CoFeB)。例如，如果金属多层膜形成磁性自由层，则第一多层可以由钴铁合金或钴铁硼合金制成。通过选择层厚度，可以影响金属多层膜的各向异性进而磁性自由层的各向异性-如果为第一多层选择较大的层厚度，则净各向异性趋向于净面内定向方向，如果为第二多层选择较低的层厚度，则净各向异性趋向于净面外定向方向。

如前所述，第一磁取向和第二磁取向彼此垂直定向，因为其中一个取向在面内定向而另一个在面外定向。可以考虑两个组合：在第一组合中，第一磁取向在面外定向，而第二磁取向在面内定向。在第二组合中，第一磁取向在面内定向，并且第二磁取向在面外定向。

图6a至图6c示出了磁性自由层的实施方式之间的差异。图6a示出了单一的磁性自由层600，其并不与金属多层膜耦合或并不由金属多层膜构成。在图6b中示出了由磁性自由层30和单独的金属多层膜40组成的系统。在图6c中，金属多层膜30形成磁性自由层。这可以通过在十字几何形xMR传感器中使用金属多层膜设计来调整磁化饱和度。通过使用图6b的设计，可以通过向耦合的层添加面外各向异性来调整饱和磁化。由于在图6c中将磁性自由层构造为金属多层膜，因此可以使用诸如厚度和多层重复的构造参数来调整饱和磁化。

下面使用实施例来解释操作模式，在实施例中，磁性自由层具有净面内磁化。然而，也可以考虑其中磁性自由层具有面外磁化的实施例。

在耦合的磁性自由层(设计1)中，常用的面各向异性磁性自由层(例如CoFe(B))可以溅射在TMR传感器中的隧道势垒(TB，例如MgO)上或GMR传感器中的非磁性金属(NM，例如铜)上，然后通过与面外金属多层膜、例如[Co(Fe)/Pt]_N或[Co(Fe)/Pd]_N的交换相互作用来与磁性自由层耦合。单一的磁性自由层30可以具有主要的面内各向异性，经过耦合通过金属多层膜40向其中添加小PMA。这种设计的磁性自由层的示例是CoFe(3nm)/[Co(0.45nm)/Pt(0.3nm)]₃，其中CoFe(3nm)形成磁性自由层，而[Co(0.45nm)/Pt(0.3nm)]₃形成金属多层膜。

在由金属多层膜组成的磁性自由层中，磁性自由层的磁阻材料(例如CoFe)可以等距离地被薄金属中间层(例如Pt)掺杂。但是由于金属中间层具有较低的垂直各向异性，通过选择足够厚的磁阻层，可以设计出面内的净各向异性。这种设计的磁性自由层的示例是[CoFe(0.8nm)/Pt(0.25nm)]₃。

在这两个设计中，都保留了净面内各向异性，因此xMR传感器的操作仍沿磁性自由层的难轴，这会导致高线性磁场区域。但是，在磁性自由层中添加的PMA可以实现较低的饱和场，可以关于层厚度和多层重复数来设置该饱和场。理想地，磁性自由层在z方向上在p-SAF饱和场处饱和，因此使用了参考层和磁性自由层的整个平行和反平行定向谱，这产生了较高的场灵敏度。也可以通过相应不同地选择层厚度来实现用于金属多层膜或与金属多层膜耦合的磁性自由层的净面外磁化。

在图7a至7c中示出了相应层堆叠系统的图示示例。在7a至7d 的层堆叠系统中，参考层具有面外各向异性，并且磁性自由层具有面内各向异性。在图7a和7c的层堆叠700a和700c中，金属多层膜40耦合到磁性自由层30上。在图7b和7d的层堆叠700b和700c中，金属多层膜30形成磁性自由层30。在图7a至7d中的所有实例中，层701至707是公共的。因此，层堆叠至少(从下向上)包括衬底701(Si/SiO₂)、钽层702、钌层703、铂层704、[Co/Pt]_N/CO金属多层膜705、钌层706和另一个[Co/Pt]_N/CO金属多层膜707。

层堆叠700a和700b例如是TMR磁场传感器的层堆叠。换句话说，磁阻传感器可以基于隧道磁阻TMR效应。在TMR磁阻传感器的情况下，另一层25是磁阻传感器的隧道势垒层。换句话说，在这种情况下，层堆叠包括隧道势垒层25；25a，势垒层可以例如由氧化镁制成，并且布置在磁性自由层和参考层之间。因此，层堆叠700a在另外的[Co/Pt]_N金属多层膜707之后还包括钽层710、CoFeB层20(参考层)、MgO层25a(隧道势垒层)、CoFeB层30(磁性自由层)，与CoFeB层30耦合的[Co/Pt]_N金属多层膜40、TaN层711和钌层712。代替CoFeB层30和耦合的[Co/Pt]_N金属多层膜40，层堆叠700b包括形成磁性自由层的[CoFe/Pt]_N金属多层膜30。

层堆叠700c和700d例如是GMR磁场传感器的层堆叠。换句话说，磁阻传感器可以基于巨磁阻GMR效应。在TMR磁阻传感器的情况下，另一层25是TMR磁阻传感器的非磁性层25b。换句话说，在这种情况下，层堆叠包括非磁性层25b，该非磁性层25b可以由例如铜制成并且布置在磁性自由层和参考层之间。因此，层堆叠700c在另外的[Co/Pt]_N金属多层膜707之后还包括CoFe层20(参考层)、铜层25b(非磁性层)、CoFe层30(磁性自由层)、与CoFe层30耦合的[Co/Pt]_N金属多层膜40、铂层721、钽层722和钌层723。例如，可以在另外的[Co/Pt]_N金属多层膜707和CoFe层20(参考层)之间插入确保反铁电耦合的钌层。代替CoFe层30和耦合的[Co/Pt]_N金属多层膜40，层堆叠700d包括形成磁性自由层的[CoFe/Pt]_N金属多层膜30。

图8示出了该设计在具有面外参考层的十字几何形xMR传感器中的使用(例如，也参见图2b)。在图8中，参考标号810示出了具有单一的磁性自由层807的层堆叠，参考标号820示出了具有与金属多层膜40耦合的磁性自由层30的层堆叠，参考标号830示出了具有形成金属多层膜30的磁性自由层30的层堆叠。这三个层堆叠810、820和830具有共同的(从下向上)衬底层801、籽晶层802、具有垂直各向异性的参考层803、间隔层804、具有垂直各向异性的另一参考层805、非磁性层806；25和覆盖层808。层803、804和805形成合成反铁磁体(SAF)。磁性自由层807；30(和金属多层膜40)布置在非磁性层806；25和覆盖层808之间。

在层堆叠820中，金属多层膜40被设计为使得其具有净面外各向异性，但是与具有面内各向异性的更主要的磁性自由层30耦合，从而使得各向异性一起仍在面内。在层堆叠830中，金属多层膜被设计，使得其具有净面内各向异性。这主要是通过选择合适的层厚度来实现的。在这两种情况下，磁化饱和发生在比层堆叠810更低的磁场处。

图9示出了该设计在具有面内参考层的十字几何形xMR传感器中的使用(例如，也参见图2a)。在图9中，参考标号910示出具有单一的磁性自由层906的层堆叠，参考标号920示出具有与金属多层膜40耦合的磁性自由层30的层堆叠，参考标号930示出具有形成金属多层膜30的磁性自由层30的层堆叠。这三个层堆叠910、920和930具有共同的(从下向上)衬底层901、籽晶层902、(IP)钉扎(固定)层903、IP参考层904/40、非磁性层905；25和覆盖层907。磁性自由层906；30(和金属多层膜40)布置在非磁性层905；25和覆盖层907之间。

尽管具有MgO/CoFeB层的TMR磁场传感器可以在没有金属多层膜的情况下实现垂直各向异性，但是金属多层膜的使用可以在调整自由层时实现更高的自由度。可以选择较厚的CoFeB厚度，而同时在其与金属多层膜耦合时保持垂直各向异性。

本公开的至少一些实施例的核心是在磁性自由层中使用金属多层膜，以便在z敏感的十字几何形xMR传感器中获得优化的饱和场。

这些设计的初始测量已通过GMR传感器成功完成。图10a至10c示出了不同的磁化测量。分别在x轴上绘制外部磁场μ₀H_OOP的强度，在(左)y轴上绘制归一化的磁化强度。图10b示出了对具有3个十字几何形GMR传感器的SQUID(超导量子干涉器件)结构的磁化测量，其中曲线图1010示出了具有单一的磁性自由层的GMR系统，曲线图1020示出了具有被耦合至金属多层膜的磁性自由层的GMR系统(设计1)，并且曲线图1030示出了具有由金属多层膜制成的磁性自由层的GMR系统(设计2)。自由层的饱和度取决于为磁性自由层选择的设计。较小的图以倾斜/斜率((A/m)/mT)表示曲线的导数。在所有三个传感器中，p-SAF参考系统的饱和度均低于0.8T。取决于自由层的设计，磁性自由层的饱和度约为2.5T(常规磁性自由层1010)或大约为1.5T(1020和1030)。对于该测量，与金属多层膜耦合的磁性自由层在约1.6T时饱和，而由金属多层膜制成的磁性自由层在约1.4T时饱和，即磁性自由层在比传统的磁性自由层明显更低的磁场的情况下饱和。利用由金属多层膜制成的磁性自由层来电测量GMR效应甚至产生在大约1.2T时的饱和(见图10e)，并且同时显示出非常线性的传递曲线。进一步的改进将使磁性自由层的饱和度更接近500mT线性范围，请参见图11。将这些设计与高灵敏度的TMR传感器配合使用可以显著提高信号输出。

图10c显示了一个图，其中一方面显示了根据SQUID测量的具有单一磁性自由层(1040)的设计、根据设计1(1050)和根据设计2(1060)的归一化磁化(曲线图1042、1052和1062)，以及GMR效应的归一化磁化(曲线图1044、1054和1064)(相对于外部磁场强度μ₀H_OOP)。从图10c中可以看出，与在线性区域中具有单一磁性自由层的设计相比，线性区域(LB)中可用的GMR效果可以翻倍(设计1：+96％，设计2：+108％)或增长三倍(见图11b，左侧)。

在此可以实现约500mT的高范围和z方向上的灵敏度。TMR比也可能超过50％。这样，如图10d所示，可以避免线性的损失。在图10d中相对于外部磁场强度μ₀H_OOP绘制了GMR效应(以％表示)。在此曲线图1070表示对于满量程的测量，而曲线图1080表示对于小磁滞回线(Minor Loop)的测量。

图10e示出了具有由金属多层膜制成的磁性自由层的GMR传感器的GMR传输曲线。p-SAF饱和发生在大约500mT时。自由层的饱和度可以降低到1.2T。期望进一步的改进，请参见图11。

图11a和11b示出了对于金属多层膜的各种实施方式，在外部面外磁场影响下的GMR比的图。图11a和11b示出操纵磁性自由层(FL)的饱和度对GMR效应的影响，图11a针对第一个设计(磁性自由层+金属多层膜)并且图11b针对第二个设计(金属多层膜形成非磁性层)。图11a的曲线图1110示出了厚度为3nm的单一磁性自由层的GMR比，曲线图1120示出了具有耦合的金属多层膜的磁性自由层的GMR比，金属多层膜的值为Co(3)/Pt(0.25)/[Co(0.35)/Pt(0.25)]₃(值以nm为单位)。在图11b中，曲线图1130示出了厚度为3nm的单一磁性自由层的GMR比，曲线图1140针对具有值[Co(1.0)/Pt(0.25)]₃的金属多层膜，曲线图1150针对具有值[Co(1.5)/Pt(0.25)]₃的金属多层膜和图1160针对具有值[Co(2.5)/Pt(0.25)]₃的金属多层膜。

本公开的实施例提供了一种可以普遍应用于所有磁场检测任务(例如，接近检测、角度测量、电流测量)的方法。

在实施例中，传感器电路50可以对应于任何控制器或处理器或可编程硬件组件。可以使用任何处理器，例如数字信号处理器(DSP)。实施例不限于特定类型的处理器。

图12示出了用于磁阻传感器的制造方法的流程图，该制造方法例如用于图5a至9的磁阻传感器、例如用于磁阻传感器的层堆叠。相应的磁阻传感器或层堆叠的特征同样可以形成该方法的特征。该方法包括制造1200磁阻传感器的层堆叠。制造层堆叠包括形成1210具有参考磁化的参考层，参考磁化是固定的并且具有第一磁取向。制造层堆叠包括形成1220磁性自由层。磁性自由层具有磁性自由磁化，该磁性自由磁化可以在存在外部磁场的情况下改变。在基态下，磁性自由层具有第二磁取向。第一和第二磁取向中的一个在面内定向，另一个在面外定向。制造层堆叠包括形成1230金属多层膜。金属多层膜相邻于磁性自由层布置，或者金属多层膜形成磁性自由层。因此，在第二种情况下，形成1230金属多层膜可以对应于形成1220磁性自由层。

在至少一些实施例中，制造层堆叠可以包括形成一个或多个另外的层，例如隧道势垒层、非磁性层25b、籽晶层、钉扎层和/或一个覆盖层。层堆叠可以例如形成在衬底上，例如形成在Si衬底或SiO₂衬底上。该顺序可以取决于层堆叠中的层顺序。例如，籽晶层可以首先形成在衬底上，而相邻的层可以逐渐地建立在籽晶层上，例如，在图7a-d、8和/或9中被示出。各个层可以通过沉积形成。

因此，上述的堆叠系统可以集成到现有的晶片处理方案中。在第一步中，可以沉积(并由此制造)层堆叠，然后将其分成单独的结。结组(节点)可以形成一个电阻，该电阻可以检测在z方向上的外部磁场。(至传感器电路50的)电连接例如通过从顶部和底部或从侧面(在GMR可能时)的接触进行。另一个实施例是惠斯通电桥构造，例如用于识别场差。在一些实施例中，制造方法可以进一步包括制造传感器电路50。

结合先前(例如，图1a至11b，特别是图5a至9)已经描述的设计或示例来列举该方法的更多细节和方面。该方法可以包括一个或多个另外的可选特征，其与所提出的设计或示例的如之前或之后所述的一个或多个方面相对应。

与一个或多个之前详细描述的示例和附图一起说明的方面和特征也可以与一个或多个其他示例组合，以便代替其他示例的类似特征或者将该特征附加地引入其他示例。

说明书和附图仅示出了本公开的原理。此外，此处列出的所有示例仅旨在明确地用于说明目的，以帮助读者理解本公开的原理以及发明人对进一步发展技术做出贡献的构思。这里关于本公开的原理、方面和示例的所有陈述以及其具体示例包括其等同形式。

可以理解，例如出于技术原因，说明书和权利要求中公开的多个步骤、过程、操作或功能的公开可以不以特定顺序构建，除非另有明示或暗示。因此，多个步骤或功能的公开并不将它们限于特定顺序，除非这些步骤或功能由于技术原因而不可互换。另外，在一些示例中，单个步骤、功能、过程或操作可以分别包括或者可以分为多个子步骤、子功能、子过程或子操作。这些子步骤可以被包括在该单个步骤的公开中或是其一部分，除非明确排除。

另外，权利要求在此被并入到详细描述中，其中每个权利要求自身可以作为独立示例。虽然每个权利要求自身可以作为独立示例，但应当注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中引用与一个或多个其他权利要求的特定组合，但其他示例还可以包括该从属权利要求与每个其他从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。本文明确提出这种组合，除非该特定组合是不想要的。另外，还应将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。

Claims

1.一种具有层堆叠(500a；500b；700a；700b；700c；700d；820；830；920；930)的磁阻传感器，所述层堆叠包括：

具有参考磁化的参考层(20)，所述参考磁化是固定的并且具有第一磁取向；

磁性自由层(30)，其中所述磁性自由层具有磁性自由磁化，所述磁性自由磁化能够在存在外部磁场的情况下改变，并且所述磁性自由磁化在基态下具有第二磁取向，其中，所述第一磁取向或所述第二磁取向中的一个磁取向在面内定向并且另一个磁取向在面外定向；

金属多层膜(30；40)，其中所述金属多层膜(40)相邻于所述磁性自由层布置，或者其中所述金属多层膜(30)形成所述磁性自由层，和

传感器电路(50)，其中所述传感器电路包括一个或多个传感器元件，其中所述一个或多个传感器元件被配置成检测在所述层堆叠之上的外部磁场的一个或多个方向分量，以生成对应于所述外部磁场的所述一个或多个方向分量的一个或多个电压，其中，所述一个或多个方向分量中的第一方向分量平行于所述第一磁取向定向，并且其中所述一个或多个方向分量中的第二方向分量平行于所述第二磁取向定向。

2.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其中，所述金属多层膜(40)相邻于所述磁性自由层布置，其中所述磁性自由层(30)布置在所述金属多层膜(40)与所述参考层(20)之间。

3.根据权利要求1或2所述的磁阻传感器，其中，所述金属多层膜(30；40)包括多个金属层。

4.根据权利要求1或2所述的磁阻传感器，其中，所述第一磁取向在面外定向，并且其中所述第二磁取向在面内定向。

5.根据权利要求1或2所述的磁阻传感器，其中，所述第一磁取向在面内定向，并且所述第二磁取向在面外定向。

6.根据权利要求1或2所述的磁阻传感器，其中，所述金属多层膜(30；40)包括第一金属或第一金属合金的第一多层和第二金属的第二多层，其中所述第一多层和所述第二多层在所述金属多层膜中交替布置。

7.根据权利要求6所述的磁阻传感器，其中，所述第一多层包括钴，并且所述第二多层包括铂、钯、金、镍和铜之一。

8.根据权利要求6所述的磁阻传感器，其中，所述第一多层包括铁，并且所述第二多层包括铂、钯、金、铜和银之一。

9.根据权利要求6所述的磁阻传感器，其中，所述金属多层膜(30)形成所述磁性自由层(30)，并且其中所述第一多层由钴铁合金或钴铁硼合金制成。

10.根据权利要求1或2所述的磁阻传感器，其中，所述参考层(20)是钴层、钴铁层或钴铁硼层。

11.根据权利要求1或2所述的磁阻传感器，其中，所述磁阻传感器具有第一传感器层面和第二传感器层面，在所述第一传感器层面和所述第二传感器层面中所述磁阻传感器对外部磁场敏感，其中所述第一传感器层面平行于所述参考层的最大横向范围定向，并且其中所述第二传感器层面垂直于所述参考层的最大横向范围定向。

12.根据权利要求1或2所述的磁阻传感器，还包括隧道势垒层(25；25a)，所述隧道势垒层布置在所述磁性自由层与所述参考层之间，其中所述磁阻传感器基于隧道磁阻TMR效应。

13.根据权利要求1或2所述的磁阻传感器，还包括非磁性层(25；25b)，所述非磁性层布置在所述磁性自由层与所述参考层之间，其中所述磁阻传感器基于巨磁阻GMR效应。

14.一种磁阻传感器的制造方法，所述制造方法包括：

通过以下各项制造(1200)所述磁阻传感器的层堆叠(500a；500b；700a；700b；700c；500d；820；830；920；930)：

形成(1210)具有参考磁化的参考层(20)，所述参考磁化是固定的并且具有第一磁取向；

形成(1220)磁性自由层(30)，其中所述磁性自由层具有磁性自由磁化，所述磁性自由磁化能够在存在外部磁场的情况下改变并且在基态下具有第二磁取向，其中，所述第一磁取向或所述第二磁取向中的一个磁取向在面内定向并且另一个磁取向在面外定向；

形成(1230)金属多层膜(30；40)，其中所述金属多层膜相邻于所述磁性自由层(30)布置，或者其中所述金属多层膜形成所述磁性自由层(30)；和

形成传感器电路(50)，其中所述传感器电路包括一个或多个传感器元件，其中所述一个或多个传感器元件被配置成检测在所述层堆叠之上的外部磁场的一个或多个方向分量，以生成对应于所述外部磁场的所述一个或多个方向分量的一个或多个电压，其中，所述一个或多个方向分量中的第一方向分量平行于所述第一磁取向定向，并且其中所述一个或多个方向分量中的第二方向分量平行于所述第二磁取向定向。