CN100504427C - 磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁传感器，在单个基片上形成多个配置有钉扎层的磁阻效应元件，钉扎层具有彼此相交的方向的固定磁化轴。在衬底(10)上形成了将成为两个磁隧道效应元件(11)、(21)的磁层，作为磁阻效应元件。形成由NiCo制成的磁场施加磁层，使其在平面图中夹持磁层。给磁场施加磁层施加磁场。磁场施加磁层在箭头A所示的方向上磁化之后，除去磁场。结果，通过磁场施加磁层的剩磁磁化，给将成为磁隧道效应元件(11)、(21)的磁层施加箭头B所示的方向的磁场，从而在箭头B所示的方向上钉扎了将成为磁隧道效应元件(11)、(21)的磁层的钉扎层的磁化。

Description

磁传感器
技术领域
本发明涉及利用包含钉扎层(pinned layer)和自由层的磁阻效应(磁力效应)元件的磁传感器，特别是涉及具有在一个基片上形成两个或更多磁阻效应元件的磁传感器及其制造方法，磁阻效应元件的钉扎层的磁化方向彼此相交。
背景技术
至今，已知有大型的磁阻效应元件(GMR元件)、磁隧道效应元件(TMR元件、隧道GMR元件)等其它元件可作为磁传感器的元件使用。这些磁阻效应元件有钉扎层和自由层，钉扎层的磁化方向被钉扎(pinned)(或固定fixed)在预定的方向上，自由层的磁化方向随外磁场变化，从而显示了符合钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向之间的相对关系的电阻值。
然而，在单个小基片上形成两个或更多个磁阻效应元件、磁阻效应元件的钉扎层的磁化方向彼此相交是困难的。由于这种单个基片还没有研制出来，因此存在一个问题，即由于钉扎层磁化方向的限制，利用磁阻效应单个基片制成的磁传感器不会有更广泛的应用范围。
发明内容
本发明的特征在于磁传感器包含磁阻效应元件，磁阻效应元件包含钉扎层和自由层。所述磁阻效应元件具有变化的电阻值，该电阻值随钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向(之间)形成的相对夹角(relative angle)变化而变化。所述磁传感器包括多个所述磁隧道效应元件以及单个具有正方形形状的基片，所述磁传感器以下列方式形成：即将多个所述磁阻效应元件设置在单个基片(一个和相同的衬底)上。所述多个磁阻效应元件中的至少两个的钉扎层具有钉扎在彼此垂直的方向上的磁化方向，每个钉扎后的磁化方向分别平行于所述单个基片的每个边。
这就是说，由于其中钉扎层磁化方向彼此相交的磁阻效应元件形成在一个和相同的衬底上，磁传感器可以实现体积小和广泛应用范围。
本发明的另一个特征在于包含磁阻效应元件的磁传感器的制造方法，磁阻效应元件包含钉扎层和自由层。所述磁阻效应元件具有变化的电阻值，该电阻值随钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向形成的夹角变化而变化。所述方法包含步骤：
1、在衬底上按预定结构形成包含磁层的层，所述磁层将成为所述钉扎层(例如，反铁磁层antiferromagnetic和铁磁层ferromagnetic)；
2、形成磁场施加磁层，用于给包含将成为所述的钉扎层的磁层的层施加磁场；
3、通过施加磁场并随后除去该磁场，磁化所述磁场施加磁层；
4、用所述磁场施加磁层的剩磁，钉扎(pinning)将成为所述钉扎层的磁层的磁化方向；和
5、除去所述磁场施加磁层。
根据上述方法，通过诸如镀覆一类的方式形成磁场施加磁层，该磁场施加磁层用于给将成为钉扎层的磁层施加磁场，此后磁化这些磁场施加磁层。然后由上述磁场施加磁层的剩磁产生的磁场，钉扎(pin)将成为所述钉扎层的磁层的磁化方向。在这种情况下，形成所述磁场施加磁层的步骤有利于形成所述磁场施加磁层，使得所述磁场施加磁层被设置为排除其刚好位于所述包含将成为所述钉扎层的磁层的层上的部分，以在一个平面中夹持所述包含将成为所述钉扎层的磁层的层，所述磁场施加磁层的磁化方向与由所述剩磁磁化产生的磁场的方向不同。
由上述磁场施加磁层的剩磁磁化产生的磁场的方向依赖于磁场施加磁层的端面形状。因此通过制作适当形状的端面，或通过相对于端面适当地放置包含将成为钉扎层的磁层的层，可以给予包含将成为钉扎层的磁层的层任意方向的磁化。这样就能在一个和相同的衬底上容易地制造具有多个钉扎层的两个或更多个磁阻效应元件，该多个钉扎层的磁化被钉扎在互不相同的方向。
本发明的再一个特征在于包含磁阻效应元件的磁传感器的制造方法，磁阻效应元件包含钉扎层和自由层。所述磁阻效应元件具有变化的电阻值，该电阻值随钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向形成的夹角变化而变化。所述方法包括步骤：
1、准备以下列方式构成的磁铁阵列，使得在正方形格的格点处设置多个永久磁铁，每个永久磁铁的磁极的极性和与其相邻并距离最短的其它磁铁磁极的极性不同；
2、在所述磁铁阵列上设置薄片，在此薄片中，包含磁层的层已经形成，所述磁层至少将成为所述钉扎层；
3、利用在一个所述磁极和与其相邻的并且距离最短的另一个所述磁极之间形成的磁场，钉扎将成为所述钉扎层的磁层的磁化方向。
以这样的方式构成上述磁铁阵列，即将多个永久磁铁放置在正方形格的格点处，每个永久磁铁的磁极的极性与和其相邻并且距离最短的其它磁极的极性不同。因此，在磁铁阵列的平面图中，在磁铁阵列上，向右方向形成从N极向位于其右侧S极的磁场、向上方向形成从N极向位于其上侧S极的磁场、向左方向形成从N极下侧向位于其左侧S极的磁场和向下方向上从N极向位于其下侧S极的磁场(参见图56和57)。同样地，对于一个S极，向左方向上形成从位于其右侧N极向S极的磁场、向下方向上形成从位于其上侧N极向S极的磁场、向右方向形成从位于其左侧N极向S极的磁场和向上方向形成从位于其下侧N极向S极的磁场。
上述方法利用这些磁场钉扎将成为钉扎层的层的磁化方向，从而可以在单个基片上容易地制造其中钉扎层的磁化方向彼此相交(在这种情况下，彼此垂直)的磁传感器。
附图说明
下面结合附图对本发明进行详细描述，本发明的目的、特征和优点将变得更加显而易见。
图1是说明根据本发明实施例1和实施例2磁传感器的设计平面图；
图2是图1所示的磁隧道效应元件(组)的放大图；
图3是图2所示的磁隧道元件(组)沿1-1线剖面图；
图4是图3所示的磁隧道元件(组)的平面示意图，说明元件的反铁磁膜和铁磁膜(钉扎层)；
图5是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图6是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图7是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图8是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图9是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图10是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图11是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图12是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图13是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图14是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图15是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图16是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图17是在制造过程中的一个步骤，实施例1的磁传感器的剖面示意图；
图18是表示当在元件的长度方向(X轴方向)给元件施加强度变化的外磁场时，图1所示的一个磁隧道效应元件(组)的MR率的变化曲线图；
图19是表示当在与元件的长度方向垂直的方向(Y轴方向)上给元件施加强度变化的外磁场时，图1所示的一个磁隧道效应元件(组)的MR率的变化曲线图；
图20是表示在与元件的长度方向垂直的方向上(X轴方向)当给元件施加强度变化的外磁场时，图1所示的另一个磁隧道效应元件(组)的MR率的变化曲线图；
图21是表示在元件的长度方向(Y轴方向)上当给元件施加强度变化的外磁场时，图1所示的另一个磁隧道效应元件(组)的MR率的变化曲线图；
图22是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图23是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图24是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图25是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图26是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图27是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图28是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图29是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图30是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图31是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图32是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图33是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图34是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图35是在制造过程中的一个步骤，实施例2的磁传感器的剖面示意图；
图36是表示当在元件的长度方向(图1中的X轴方向)给元件施加强度变化的外磁场时，根据实施例2的一个磁隧道效应元件(组)的MR率的变化曲线图；
图37是表示当在与元件的长度方向垂直的方向(图1中的Y轴方向)上给元件施加强度变化的外磁场时，根据实施例2的一个磁隧道效应元件(组)的MR率的变化曲线图；
图38是表示当在与元件的长度方向垂直的方向上(图1中的X轴方向)给元件施加强度变化的外磁场时，根据实施例2的另一个磁隧道效应元件(组)的MR率的变化曲线图；
图39是表示当在元件的长度方向(图1中的Y轴方向)上给元件施加强度变化的外磁场时，根据实施例2的另一个磁隧道效应元件(组)的MR率的变化曲线图；
图40是表示当给根据实施例1和2的磁隧道元件组施加在与钉扎层的磁化方向垂直的方向上强度变化的外磁场时，钉扎层和自由层的磁化曲线图；
图41时根据本发明的另一个衬底的平面图，具有形成在其上的结构不同镀覆膜；
图42是根据本发明实施例3的磁传感器的平面示意图；
图43是图42所示的第一X轴GMR元件的平面放大示意图；
图44是图43所示的第一X轴GMR元件沿图43的2-2线剖面示意图；
图45是说明图43所示的第一X轴GMR元件的自旋阀结构的图；
图46是表示图43所示的第一X轴GMR元件的电阻值(实线)相对于在X轴方向变化的磁场的变化曲线图，以及元件的电阻值(虚线)相对于在Y轴方向变化的磁场的变化曲线图；
图47是包含在图42所示的磁传感器中的X轴磁传感器的等效电路图；
图48是表示图47所示的X轴磁传感器的输出电压(实线)相对于在X轴方向变化的磁场的变化曲线图，以及传感器的输出电压(虚线)相对于在Y轴方向变化的磁场的变化曲线图；
图49是表示包含在图42所示的磁传感器中的Y轴磁传感器的输出电压(实线)相对于在X轴方向变化的磁场的变化曲线图，以及传感器的输出电压(虚线)相对于在Y轴方向变化的磁场的变化曲线图；
图50是在图42所示的磁传感器的制造过程中的一个步骤，其上已经形成了自旋阀膜的石英玻璃的平面图；
图51是用于制备磁铁阵列的金属板的平面图，此磁铁阵列将用于图42所示的磁传感器的制造；
图52是图51所示的金属板和永久条形磁铁沿图51的3-3线剖面图；
图53是用于形成将用在图42所示的磁传感器的制造中的磁铁阵列的板的平面图；
图54是将用在图42所示的磁传感器的制造中的磁铁阵列的剖面图；
图55是表示图42所示的磁传感器的制造中的步骤的剖面图；
图56是说明从图54中的磁铁阵列选取的一些磁铁的透视图；
图57是说明图42所示的磁传感器的每个GMR元件的钉扎层的磁化方向的钉扎方法的原理图；
图58是说明图42所示的磁传感器和方位角之间关系的图；和
图59是表示图42所示的磁传感器的输出电压与方位角之间的曲线图。
具体实施方式
下面将参考附图描述根据本发明的磁传感器的实施例。
如图1所示，根据第一实施例的磁传感器包含通常的正方形衬底10、两个磁隧道效应元件(组)11、21、磁场偏转线圈30和多个电极焊盘40a至40f，其中矩形衬底10例如可以由SiO2/Si、玻璃或石英制成。磁隧道效应元件(组)11、21和磁场偏转线圈30分别与电极焊盘40a、40b、40c、40d、40e和40f连接。由于磁隧道效应元件(组)11和磁隧道效应元件(组)21在结构上是相同的，因此下文将作为代表例描述磁隧道效应元件(组)11，省略了磁隧道效应元件(组)21的描述。
如放大的平面图2所示，磁隧道效应元件(组)11由多个(在本例中是20个)串连连接的磁隧道效应元件构成。每个磁隧道效应元件包含多个下电极(lower electrode)12，下电极12在衬底10上的平面图中呈矩形，图3显示了沿图2的1-1面的剖面图。将下电极12排成列，彼此在横向上隔开预定的距离。下电极12由导电的非磁性金属材料Ta(可以是Cr或Ti)制成，并且厚大约30nm。在每个下电极12上分别层叠由PtMn制成的、厚大约30nm的反铁磁膜13，并且将反铁磁膜13形成为与下电极12一样的平面形状。
在每个反铁磁膜13上，以一定间隔层叠由NiFe制成的、厚大约20nm的铁磁膜对14、14。在平面图中，这些铁磁膜对14、14具有矩形形状，并且排列为其长边彼此平行相对。铁磁膜14、14构成钉扎层，其中磁化方向被反铁磁膜13钉扎。在图4的局部放大图的箭头方向上(即在向右的方向上)将铁磁膜14、14磁化。这里，反铁磁膜13和铁磁膜(钉扎层)14、14构成磁化方向基本固定(即具有固定的磁化轴axis)的固定磁化层。
在每个铁磁膜14上形成绝缘层15，绝缘层15具有与铁磁膜14一样的平面形状。此绝缘层15由绝缘材料Al2O3(Al-O)制成，厚度大约为1nm。
在绝缘层15上形成铁磁膜16，铁磁膜16具有与绝缘层15一样的平面形状，并且由厚80nm的NiFe制成。此铁磁膜16构成自由层(自由磁化层)，其磁化方向随着外磁场的方向而变化，并且此铁磁膜16与由前述铁磁膜14制成的钉扎层和前述绝缘层15一起构成磁隧道结结构。换句话说，反铁磁膜13、铁磁膜14、绝缘层15和铁磁膜16构成一个磁隧道效应元件(除了电极和其它)。
在每个铁磁膜16上分别形成虚设膜17，虚设膜17具有与每个铁磁膜16相同的平面形状。用由Ta膜制成的、厚大约40nm的导电非磁性金属材料构成此虚设膜17。
在覆盖衬底10、下电极12、反铁磁膜13、铁磁膜14、绝缘层15、铁磁膜16和虚设膜17的区域中形成层间绝缘层18，用于绝缘隔离多个下电极12和反铁磁膜13，并且用于绝缘隔离设置在每个反铁磁膜13上的各个铁磁膜对14、绝缘膜对15、铁磁膜对16和虚设膜对17。层间绝缘层18由SiO2制成并且厚大约250nm。
穿过此层间绝缘层18，在每个虚设膜17上分别形成接触孔18a。分别形成如用铝(Al)制成的、厚大约300nm的上电极19、19，以便填充到接触孔18a中，并且电连接设置在不同下电极12(和反铁磁膜13)上的虚设膜对17、17中的每一个。这样，通过将相邻的磁隧道结结构对的铁磁膜16、16中的每一个(虚设膜17、17中的每一个)和反铁磁膜13、13中的每一个与下电极12、反铁磁膜13和上电极19交替依次连接，形成了磁隧道效应元件(组)11，在磁隧道效应元件(组)11中，其钉扎层具有相同的磁化方向的多个磁隧道结结构串连连接。这里，在上电极19、19上形成了由SiO和SiN制成的保护膜(说明省略)。
线圈30用于给上述磁隧道效应元件(组)11、21提供交流偏转磁场，并且线圈30埋置在衬底10的上部中，以便位于磁隧道效应元件(组)11、21的下面并在与磁隧道效应元件(组)11、21的钉扎层的磁化方向平行的方向上延伸。
下面，将参考图5至17描述上述磁隧道效应元件的制造方法。
在图5至12和图14至17中，为了说明，示出了由串连连接的四个磁隧道效应元件制成的磁隧道效应元件组。不过，在这些图中，省略了线圈30的描述。
首先，如图5所示，通过在衬底10(在此步骤，它是一块衬底，通过以后的划片dicing工艺，将由此衬底得到多个磁传感器)上溅射形成构成下电极12的、由Ta制成的膜，膜厚为大约30nm。然后，通过溅射分别形成由PtMn制成的膜和由NiFe制成的膜，用于构成固定磁化层的反铁磁膜13和铁磁膜(钉扎层)14，膜厚分别为30nm和20nm。在此描述中，下电极12、将作为反铁磁膜13的PtMn膜和将作为铁磁膜14的FeNi膜被称为下磁层SJ。
此后，层叠仅1nm的铝，并且用氧气氧化铝，形成Al2O3(Al-O)膜作为绝缘层15。接着，例如通过溅射形成由NiFe构成的膜，用此膜构成自由层的铁磁膜16，厚度为80nm，在其上形成由Ta制成的膜，用来构成虚设膜17，厚度为40nm。这里，铁磁膜16和虚设膜17被称为上磁层UJ。然后，利用离子铣刀等，加工分隔上磁层UJ，如图6所示。加工分隔下磁层SJ，如图7所示，最终，形成一个预定结构层。
然后，如图8所示，通过溅射形成构成层间绝缘层18的、由SiO2构成的膜，使得在元件上其厚度将为250nm，通过溅射在其上形成由Cr制成的膜和由NiFe制成的膜，厚度分别为100nm和50nm，作为镀覆的底层膜。然后，涂覆抗蚀剂51，如图9所示。将抗蚀剂51布图为预定的形状，以便不覆盖后面将进行镀覆的部分。
然后，如图10所示，用NiCo镀覆薄片，作为磁场施加磁层。例如将NiCo的厚度设为10μm。然后，如图11所示，除去抗蚀剂之后，对整个表面进行铣削，(Ar铣削)以除去作为镀覆底层膜形成的NiFe，如图12所示。
图13是在此状态的薄片的平面图。在图13中，为了方便，用参考标号10代表通过后面的划片工序将彼此分离的每个衬底。参考图13，通过前面对抗蚀剂的布图，形成每个磁场施加磁层(NiCo)，该磁场施加磁层(NiCo)具有通常的正方形形状，其中心位于后面将彼此分离的四个相邻衬底10的中心，并且设置磁场施加磁层(NiCo)，使得在纵向上和横向上排除刚好位于磁隧道效应元件(组)11、21上的部分(portion)(即，使得夹持将作为磁隧道效应元件(组)11、21的层，该层具有预定结构，在平面图中，在该处形成了包含将作为钉扎层的磁层的下磁层SJ)。在此状态下，在与每个磁场施加磁层形成的正方形的对角线平行的方向上施加强度大约为1000(oe)的磁场，使得磁场施加磁层在图13中箭头A所示的方向上磁化。
然后，除去上述磁场。此时，磁场施加磁层的剩磁磁化在从每个磁场施加磁层的上边到相邻的磁场施加磁层的下边的方向上产生磁场，并且在从每个磁场施加磁层的右侧到相邻的磁场施加磁层的左侧的方向上产生磁场，如图13中的箭头B所示。为此，在将成为此隧道效应元件(组)11、21的部分施加了平行于该部分的长度方向的磁场。然后，为了将由PtMn制成的反铁磁膜13形成为有序合金，并且提供交换耦合磁场Hex，将薄片放到高温环境中进行高温退火工序。结果，形成在一个相同的衬底10上的磁隧道效应元件(组)11将具有钉扎层，此钉扎层在彼此不同的方向上被磁化(钉扎)(在这种情况下，是在彼此垂直的方向上)。换句话说，每个磁隧道效应元件(组)11、21将在图1中的箭头所示的方向上具有固定的磁化轴。
接着，如图14所示，利用酸除去镀覆膜NiCo和溅射的NiFe，利用铣削除去Cr，如图15所示。此后，如图16所示，穿过层间绝缘膜18形成接触孔18a；如图17所示，通过溅射形成厚300nm的Al膜；将Al膜加工为布线图形，以形成上电极19。
然后，在衬底10上形成图1所示的电极焊盘40a至40f，将电极焊盘40a至40f分别连接到磁隧道效应元件(组)11、21和线圈30。最后，通过CVD形成由SiO制成的、厚150nm的膜(未示出)和由SiN制成的、厚1000nm的膜(未示出)，作为保护膜(钝化膜)。此后，通过铣削、反应离子蚀刻或利用抗蚀剂掩模的蚀刻打开部分保护膜，以便露出电极焊盘40a至40f。接着，对衬底进行回磨(通过研磨减薄)；通过划片将衬底分为各个磁传感器；最后，进行封装。
这样制造了磁隧道效应元件(组)11并示于图1，施加外磁场，该外磁场沿着图1所示的X轴方向和垂直于X轴的Y轴方向的各个轴改变强度，以便测量施加磁场时的电阻变化率MR(MR率)。结果示于图18和19，从图18和19将可以看出，磁隧道效应元件(组)11的MR率随外磁场在X轴方向变化而变化的幅度比随外磁场在Y轴方向的变化而变化的幅度更大。这就证实了在磁隧道效应元件(组)11中，其钉扎层的磁化方向平行于X轴。
同样，对于图1所示的磁隧道效应元件(组)21，施加外磁场，该外磁场沿着图1所示的X轴方向和垂直于X轴的Y轴方向的各个轴改变强度，以便测量施加磁场时的电阻变化率MR(MR率)。结果示于图20和21，从图20和21将可以看出，磁隧道效应元件(组)21的MR率随外磁场在Y轴方向变化而变化的幅度比随外磁场在X轴方向的变化而变化的幅度更大。这就证实了在磁隧道效应元件(组)21中，其钉扎层的磁化方向平行于Y轴。换句话说，已经证实在一个并且相同的衬底10上，此磁传感器具有两个具有钉扎层的磁隧道效应元件(磁阻效应元件)，其中钉扎层被钉扎，使得其磁化方向彼此不同(即，使得其磁化方向彼此相交)。
下面将描述根据第二实施例的磁传感器。
第二实施例与第一实施例的区别仅在于：第一实施例的固定磁化层用PtMn和NiFe构成，而第二实施例的磁化层由厚30nm的MnRh膜和厚40nm的NiFe膜(钉扎层)构成。另一方面，由于这种固定磁化层的材料不同，制造第二实施例的方法与第一实施例稍有不同，下面将具体描述。
即，在第二实施例中，如图22所示，通过溅射在衬底10上形成厚30nm的Ta膜、厚30nm的MnRh膜和厚40nm的NiFe膜，以便形成下磁层SJ，接着，形成1nm的Al膜，并氧化该Al膜，以形成绝缘层15，在其上形成厚40nm的NiFe膜和厚40nm的Ta膜，以便形成上磁层UJ。
接着，如图23所示，加工分隔上磁层UJ，加工分隔下磁层SJ，如图24所示。然后，如图25所示，溅射SiO2形成厚250nm的膜，以形成层间绝缘层18，然后穿过层间绝缘层18形成接触孔18a，如图26所示。接着，如图27所示，溅射Al形成厚300nm的膜，并加工成布线图形，以形成上电极19。然后，如图28所示，通过CVD形成由SiO和SiN制成的保护膜20。
然后，如图29所示，通过溅射形成由Cr制成的膜和由NiFe制成的膜，它们分别厚100nm和50nm，作为镀覆的底层，接着，涂覆抗蚀剂51，如图30所示，将抗蚀剂51布置为预定的形状，使其不覆盖后面将进行镀覆的部分。
然后，如图31所示，用NiCo镀覆薄片作为施加磁场层。例如，将NiCo的厚度设定为10μm。然后，如图32所示，除去抗蚀剂之后，对整个表面进行铣削(Ar铣削)，以除去形成为镀覆底层膜的NiFe，如图33所示。在此步骤，薄片处于图13所示的状态。在这种状态下，在与每个磁场施加磁层形成的正方形的的对角线平行的方向上施加大约1000(oe)强度的磁场，以便在图13中的箭头A所示的方向上使磁场施加磁层磁化。此后，除去磁场。
此时，对于后面将成为磁隧道效应元件(组)11’、21’的部分，通过NiCo的剩磁磁化施加磁场，该磁场平行于上述部分的长度方向。然后，将薄片放入高温环境中进行高温退火工序。结果，形成在一个并且是相同的衬底10’上的磁隧道效应元件(组)11’、21’将具有在彼此不同的方向上磁化(钉扎)的钉扎层(在这种情况下，在彼此垂直的的方向上)。完成高温退火工序之后，用酸除去镀覆膜NiCo和镀覆的底层膜NiFe，如图34所示，通过铣削除去镀覆的底层膜Cr，如图35所示。此后，进行与第一实施例一样的工序。
对于如此制造并示于图1的磁隧道效应元件(组)(图1所示的11’)，施加外磁场，该外磁场沿着X轴方向和垂直于X轴的Y轴方向的各个轴改变强度，以便测量施加磁场时的电阻变化率MR(MR率)。结果示于图36和37，从图36和37将可以看出，磁隧道效应元件(组)11’的MR率随外磁场在X轴方向变化而变化的幅度比随外磁场在Y轴方向的变化而变化的幅度更大。这就证实了在磁隧道效应元件(组)11’中，其钉扎层的磁化方向平行于X轴。
同样，对于图1所示的磁隧道效应元件(组)21’，施加外磁场，该外磁场沿着X轴方向和垂直于X轴的Y轴方向的各个轴改变强度，以便测量施加磁场时的电阻变化率MR(MR率)。结果示于图38和39，从图38和39将可以看出，磁隧道效应元件(组)21’的MR率随外磁场在Y轴方向变化而变化的幅度比随外磁场在X轴方向的变化而变化的幅度更大。这就证实了在磁隧道效应元件(组)21’中，其钉扎层的磁化方向平行于Y轴。换句话说，已经证实在一个并且相同的衬底10’上，根据第二实施例的磁传感器具有两个具有钉扎层的磁隧道效应元件(磁阻效应元件)，其中钉扎层被钉扎，使得其磁化方向彼此相交(即，彼此不同)。
如上所述，根据第一和第二实施例的磁传感器在一个并且是相同的衬底上(在一个基片上)具有磁隧道效应元件，在磁隧道效应元件中，钉扎层的磁化方向彼此相交(即，至少两个钉扎层的磁化方向形成的角度不是0°和180°)。为此，可以将这些磁传感器用作弱磁传感器(例如，用作地磁传感器等)，这种磁传感器需要在不同的方向检测磁场。而且，根据上述实施例的方法，这些传感器很容易制造。
这里，在第一实施例中，既然PtMn用在固定磁化层中，磁层中钉扎层的磁化方向必须在将薄片刚放入高温的同时钉扎钉扎层，因此，在为了形成保护膜通过CVD等进行高温处理之前的步骤，对薄片进行高温退火工序。相反，在第二实施例中，用MnRh作为固定磁化层。如果在高温退火工序之后进行另外的高温处理，将降低MnRh的质量。因此，在第二实施例中，在为了形成保护膜通过CVD等进行高温处理之后，进行高温退火工序。
此外，根据上述第一和第二实施例的制造方法，一个可以得到一种磁隧道效应元件(组)，该磁隧道效应元件(组)对要检测的外磁场呈现平滑的函数性能。换句话说，当给磁隧道效应元件组11、21、11’、21’施加在垂直于钉扎层的磁化方向的方向上强度变化的磁场时，钉扎层的磁化平滑变化，如图40的线LP所示。另一方面，由于形状的各向异性，这些元件的自由层对上述外磁场的方向敏感反应，并且将外磁场接近于“0”附近时，自由层的磁化呈阶式变化，如图40所示。结果，当外磁场为“0”时，在钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向之间形成的相关角度达到最大值，(大约90°)，随着外磁层强度(绝对值)的增加，相关角度减小。这可以通过图19、20、37和38得到证实。
此外，从图13也可以清楚地看出，当在图13中的箭头A所示的预定方向上磁化镀覆膜(NiCo)时，所述镀覆膜(NiCo)构成每个磁场施加磁层时，在通过镀覆膜的剩磁磁化在镀覆膜之间产生的磁场方向将与镀覆膜的磁化方向不同，而将在与镀覆膜M的端表面垂直的方向上，如图13中的箭头B所示。因此，如图41所示，如果设计镀覆膜M的端面形状，并在箭头C所示的方向上磁化此镀覆膜，可以在薄片上的适当位置处局部产生所需要的方向的磁场(由箭头D所示的方向)。因此，通过利用这种方式，可以在一个衬底上制造具有固定磁化轴的磁隧道效应元件TMR1、TMR2(在一个基片上的磁隧道效应元件TMR1、TMR2，其中钉扎层的磁化方向彼此相交)。
下面将描述根据本发明第三实施例的磁传感器。当用TMR元件构成上述第一和第二实施例的磁传感器时，第三实施例的磁传感器由GMR元件构成。此外，此磁传感器配置有用于检测X轴方向的磁场的X轴传感器和用于检测Y轴方向的磁场的Y轴磁传感器，其中Y轴垂直于X轴。
更具体地说，此磁传感器60具有矩形(通常是正方形)形状，具有在如图42所示的平面图中彼此垂直的、沿着X轴和Y轴的侧边，并且磁传感器60包含：由石英玻璃制成的单个基片(相同的衬底)60a，该基片60a在垂直于X轴和Y轴的Z轴方向上厚度很小；形成在基片60a上的八个GMR元件61-64、71-74；形成在基片60a上的八个焊盘65-68、75-78；和连接焊盘和元件的连接线。
在X轴的负方向上的基片60a的端部附近和总的来说在Y轴方向的基片60a的中央部分稍下一点的位置形成第一X轴GMR元件61，钉扎层的钉扎磁化方向在X轴的负方向上，如图42中的箭头所示。在X轴的负方向的基片60a的端部附近和总的来说在Y轴方向的基片60a的中央部分稍上一点的位置形成第二X轴GMR元件62，钉扎层的钉扎磁化方向在X轴的负方向上，如图42中的箭头所示。在X轴的正方向的基片60a的端部附近和总的来说在Y轴方向的基片60a的中央部分稍上一点的位置形成第三X轴GMR元件63，钉扎层的钉扎磁化方向在X轴的正方向上，如图42中的箭头所示。在X轴的正方向上的基片60a的端部附近和总的来说在Y轴方向的基片60a的中央部分稍下一点的位置形成第四X轴GMR元件64，钉扎层的钉扎磁化方向在X轴的正方向上，如图42中的箭头所示。
在Y轴的正方向上的基片60a的端部附近和总的来说在X轴方向上的基片60a的中央部分稍左的位置形成第一Y轴GMR元件71，钉扎层的钉扎磁化方向在Y轴的正方向上，如图42中的箭头所示。在Y轴的正方向上的基片60a的端部附近和总的来说在X轴方向上的基片60a的中央部分稍右的位置形成第二Y轴GMR元件72，钉扎层的钉扎磁化方向在Y轴的正方向上，如图42中的箭头所示。在Y轴的负方向上的基片60a的端部附近和总的来说在X轴方向上的基片60a的中央部分稍右的位置形成第三Y轴GMR元件73，钉扎层的钉扎磁化方向在Y轴的负方向上，如图42中的箭头所示。在Y轴的负方向上的基片60a的端部附近和总的来说在X轴方向上的基片60a的中央部分稍左的位置形成第四Y轴GMR元件74，钉扎层的钉扎磁化方向在Y轴的负方向上，如图42中的箭头所示。
GMR元件61-64、71-74具有基本上彼此相同的结构，除了它们在基片60a上的位置和相对于基片60a钉扎层的的钉扎磁化方向不同。因此下文将第一X轴GMR元件61作为代表例来描述它们的结构。
如第一X轴GMR元件61的平面图43和沿图43的2-2线的剖面示意图44所示，第一X轴GMR元件61包含由自旋阀(spin valve)膜SV制成并且用Y轴方向作为其纵向的多个窄带形部分61a......61a和由如CoCrPt硬铁磁材料制成的偏磁膜(硬铁磁薄膜层)61b...61b，偏磁膜61b......61b形成在Y轴方向上的每个窄带形部分61a的两个端部下面。每个窄带形部分61a...61a在每个偏磁膜61b的上表面上在X轴方向延伸，并且与相邻的窄带形部分61a连接。
如图45中的膜结构所示，第一X轴GMR元件61的自旋阀膜SV由自由层(自由磁化层)F、由Cu制成的厚2.4nm(24)的导电隔层S、钉扎层(或称固定层，固定磁化层)P和顶层C构成，然后层叠到构成衬底的基片60a上，所示顶层C由钛(Ti)或钽(Ta)制成，并且厚2.5nm(25)的厚度。
自由层F是其磁化方向随外磁场方向变化的层，并且由形成在基片60a上面的CoZrNb非晶磁层61-1、形成在CoZrNb非晶磁层61-1上面的NiFe磁层61-2和形成在NiFe磁层61-2上面的CoFe层61-3构成，CoZrNb非晶磁层61-1的厚度为8nm(80)，NiFe磁层61-2的厚度为3.3nm(33)，CoFe层61-3的厚度为大约1-3nm(10-30)。CoZrNb非晶磁层61-1和NiFe磁层61-2构成软磁薄膜层。CoFe层61-3用于防止NiFe层61-2中的Ni和隔层S61-4中的Cu的扩散。这里，上述偏磁膜61b...61b在Y轴方向(图43中的箭头所示的右和左方向)给自由层F施加偏磁场，用于保持自由层F的同轴各向异性。
固定磁化层P是厚2.2nm(22)的CoFe磁层61-5和厚24nm(240)的反铁磁膜61-6的重叠(叠层)，反铁磁膜61-6由包含45-55摩尔％Pt的PtMn合金形成。以交换耦合的方式顺着CoFe磁层61-5衬以磁化的反铁磁膜61-6，以便构成其磁化方向钉扎(固定)在X轴负方向上的钉扎层。
如此构成的第一X轴GMR元件61具有与外电场成正比变化的电阻值，该外磁场沿着X轴在-Hc到+Hc的范围内变化，并且具有随沿Y轴变化的外磁场恒定的电阻值，如图46中的虚线所示。
通过第一至第四X轴GMR元件61-64的全桥连接构成X轴磁传感器，如图47中的等效电路所示。这里，在图47中箭头表示GMR元件61-64的钉扎层的钉扎磁化方向。在这种结构中，焊盘67和焊盘68分别与恒定的电源(未示出)的正极和负极连接，以便给出电压Vxin+(在本例中是5V)和电压Vxin-(在本例中是0V)。然后取出焊盘65和焊盘66的电压，作为电压Vxout+和Vxout-，取出它们(Vxout+-Vxout-)的电压差，作为传感器的输出Vxout。结果，X轴磁传感器显示了通常与外电场成正比变化的输出电压Vxout，此外磁场沿着X轴在-Hc到+Hc的范围内变化，如图48中的实线所示，并且X轴磁传感器还显示了随沿Y轴变化的外磁场的“0”输出电压，如图48中的虚线所示。
以与X轴磁传感器一样的方式，通过第一至第四Y轴GMR元件的完全桥连构成Y轴磁传感器。此外，焊盘77和焊盘78分别与恒定电源(未示出)的正极和负极连接，以便给出电压Vyin+(在本例中是5V)和电压Vyin-(在本例中是0V)。然后，取焊盘75和焊盘76之间的电压差，作为传感器的输出电压Vyout。结果，Y轴磁传感器显示了与沿着Y轴在-Hc至+Hc范围内变化的外磁场成比例的输出电压Vyout，如图49中的虚线所示，并且显示了总的来说随沿X轴变化的外磁场的“0”输出电压，如图49中的实线所示。
下面将描述以上述方式构成的磁传感器60的制造方法。首先，如平面图50所示，在矩形石英玻璃60a1上以岛状方式形成由上述自旋阀膜SV制成的多个膜M和将构成GMR元件的上述偏磁膜61b。利用超级高真空装置通过顺序层叠将膜M形成到精确的厚度。形成这些膜M，使得当通过后面进行的切割工艺沿着图50的虚线切割石英玻璃60a1，将其分为图42所示的各个基片60a时，膜M将位于图42所示的GMR元件61-64、71-74的位置。此外，在石英玻璃60a1的四个角形成除了十字形状以外具有矩形形状的对准(定位)掩膜60b。
然后，如平面图51和沿图51的3-3线切得的剖面图52所示，准备矩形金属板81，其中以正方形点阵结构形成了多个正方形通孔(即，彼此等间距地沿着X轴和Y轴形成正方形通孔，此正方形通孔具有平行于X轴和Y轴的边)。然后，将平行六面体形并且具有几乎与通孔一样的正方形截面的永久条形磁铁82...82插入金属板81的通孔中，使得形成磁极处永久条形磁铁82...82的端面平行于金属板81。此时，排列永久条形磁铁82...82，使得每个条形磁铁82的磁极的极性与和其相邻并间隔最短距离的其它永久条形磁铁82的磁极的极性不同。这里，采用的永久条形磁铁82...82具有相同大小的磁荷。
然后，如平面图53所示，准备厚大约0.5nm、由透明的石英玻璃制成的板83，此板83具有与上述金属板81几乎一样的矩形性长，让此板83在四个角上具有用于定位的、与上述石英玻璃60a1的对准掩模相匹配的形状的对准(定位)掩模83a。此外，在中央部分，在与插入上述金属板81的永久条形磁铁82...82的外形相对应的位置形成对准掩模83b。接着，如图54所示，利用粘合剂将永久条形磁铁82...82的上表面粘接到板83的下表面。此时，通过对准掩模83b确定永久条形磁铁82相对于板83的相对位置。然后，从下侧除去金属板81。在此步骤，永久条形磁铁82...82和板83形成以下列方式构成的磁阵列：即在正方形阵列的格点处设置了多个具有构成磁极的正方形端面的永久磁铁，每个永久磁铁的磁极的极性与和其相邻并间隔最短距离的其它永久条形磁铁82的磁极的极性不同。
然后，如图55所示，定位石英玻璃60a1，使得其上形成了将成为GMR元件的膜的表面与板83的上表面接触，在石英玻璃60a1中，形成了将成为GMR元件的膜(包含将成为钉扎层的磁层的层，即，该层包含成为固定磁化层的磁层)。通过使对准掩模83a的十字形与各个与上述对准掩模60b的已经去除了十字形的部分相吻合来精确地确定石英玻璃60a1相对于板83的相对位置。
图56是说明其中已经选取四个上述永久条形磁铁82...82的状态的透视图。从此图可以清楚地看出，在永久条形磁铁82...82的上表面上，形成的磁场从一个N极指向与N极相邻的距离最短的四个S极，即，在彼此相差90°的四个方向。因此，如图57的模型图所示，在将石英玻璃60a1放置在图55所示的板83的上表面上的状态下，在Y轴的正方向、X轴的正方向、Y轴的负方向和X轴的负方向的磁场施加给与N极的正方形端面的每个边平行并且将成为GMR元件的膜。
在本实施例中，利用这样的磁场，进行热处理以固定固定磁化层P的磁化方向(固定磁化层P的固定层)。即，在图55的状态下，通过夹持器CL将板83和石英玻璃60a1彼此固定，在真空中加热到250℃至280℃，并且使其保持这种状态大约4小时。
此后，取出石英玻璃60a1；形成图42所示的焊盘65-68、75-78；形成连接这些焊盘的布线；最后沿着图50所示虚线切割石英玻璃60a1。上述工艺完成了图42所示的磁传感器60的制造。
下面将描述利用上述磁传感器对磁性的测量结果。在此测量中，当磁传感器60的Y轴的正方向指向南时，方位角θ(测量角)限定为0°，如图58所示。测量结果示于图59。从图59可以清楚地看出，实线所示的X轴磁传感器输出Sx的变化像正弦曲线，虚线所示的Y轴磁传感器输出Sy的变化像余弦曲线。图48和49所示的特性正是所预期的结果。
在这种情况下，可以通过下列方式来确定方位角：(1)当X轴磁传感器输出Sx和Y轴磁传感器输出Sy都是正值时，θ＝arctan(Sx/Sy)；(2)当Y轴磁传感器输出Sy为负值时，θ＝180°+arctan(Sx/Sy)；(3)当X轴磁传感器输出Sx为负值，Y轴磁传感器输出Sy为正值时，θ＝360°+arctan(Sx/Sy)。因此，例如可以将磁传感器60用作磁性(方位角)传感器，它可以安装到如手提电话的便携式电子设备上。这里，如果当方位角在从270至360的范围内时，允许从90°至0°范围内的显示，那么当输出所Sy为正值时，可以通过θ＝arctan(Sx/Sy)来确定方位角，当输出Sy为负值时，可以通过θ＝180°+arctan(Sx/Sy)来确定方位角。
如上所述，根据第三实施例，准备以下列方式构成的磁铁阵列，使得多个永久磁铁设置在正方形格的格点处，每个永久磁铁的磁极的极性与和其相邻并间隔最短距离的其它永久磁铁的磁极的极性不同，利用由磁铁阵列形成的磁场，将成为上述钉扎层的磁层的磁化方向被钉扎。因此，在单个基片上，可以容易地形成GMR元件，其中钉扎层地钉扎磁化方向彼此不同(彼此垂直)。此外，通过此方法，可以一次大量制造单个基片，每个基片具有其中钉扎层的钉扎磁化方向彼此不同的GMR元件，从而减少单个基片的制造费用。
这里，本发明并不限于上述实施例，在本发明的范围内可以作出各种修改。例如，尽管在上述第一和第二实施例中采用具有大的剩磁磁化的NiCo作为镀覆层，但也可以用具有大的剩磁磁化的其它材料(例如Co)来代替NiCo。另外，可以将第一和第二实施例中的固定磁化层的固定磁化方向的方法应用于其它如第三实施例中的具有钉扎层(具有固定磁化轴的层)的磁阻效应元件。此外，尽管在上述三个实施例的固定磁化层中可钉扎层(pinning layer)使用PtMn，但也可以用FeMn、IrMn等来代替PtMn。

Claims (1)

1.一种磁传感器，包括包含钉扎层和自由层的磁隧道效应元件，所述磁隧道效应元件具有随在钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向之间形成的相对角度变化的电阻值，
所述磁传感器包括多个所述磁隧道效应元件以及单个具有正方形形状的基片，以这样的方式形成所述磁传感器，即将多个所述磁隧道效应元件设置在所述单个基片上，所述多个磁隧道效应元件中的至少两个的钉扎层具有钉扎在彼此垂直的方向上的磁化方向，每个钉扎后的磁化方向分别平行于所述单个基片的每个边。
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