[发明专利]集成式磁力计及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有两轴或三轴的集成式磁力计，以及一种制造该集成式磁力计的方法。

背景技术

在现有技术中，已知制造基于多层磁阻传感器的集成式磁力计，该集成式磁力计利用了巨磁电阻效应或利用隧道磁电阻效应。例如，可参考以下的文献：

-M.Hehn,F.Montaigne和A.Schuhl“Magnétoresistance géante et électroniquedespin（巨磁电阻和自旋电子学）”，[Giant magnetoresistance and spin electronics]，Techniques de l’Ingénieur，E2 135，第一章和第二章；

-J.Daughton等，“Magnetic Field Sensors Using GMR Multilayer（利用GMR多层的磁场传感器）”，IEEE transactions on magnetics，第30卷，第6号，1994年11月；和

-M.Tondar等，“Picotesla field sensor design using spin-dependent tunneling devices（利用自旋依赖穿隧装置的Picotesla场传感器设计）”，Journal of Applied Physics（应用物理学杂志），第80卷，第11号，pp.6688-6690，1998年6月1日。

这些磁电阻传感器由一叠薄层制成，该薄层沉积在例如硅制成的平坦衬底上。

更准确地，如图1A所示，巨磁电阻（GMR）磁阻传感器由例如钴制成的两个磁层CM1和CM2组成，该两个磁层由例如铜制成的金属层CMET分隔，该金属层的厚度为纳米级。由于该底层CM2的磁化强度（磁矩）M₂对任何外部磁场（假设该外部磁场不是太强烈）不灵敏，因此底层CM2可以认为是“坚硬”的，然而，由于顶层CM1的磁矩M₁可以被中等强度的外部磁场改变，因此顶层CM1可以认为是“柔软”的。通过将“坚硬”层沉积在被称为阻挡层CB的反铁磁性层而实现该“坚硬”层的磁化。通过将“柔软”层退火至居里点，紧接着在具有合适方向的磁场的存在下冷却“柔软”层，而实现该“柔软”层的磁化。

平行于层CM1和层CM2测量的该结构的电阻，取决于M₁和M₂之间的角度θ的余弦。为了获得线性响应，在没有外部磁场的情况下，通常选择M₁和M₂相互垂直。

当外部磁场B应用于图1的结构时，该“柔软”层的磁矩M₁改变方向，并且角θ改变。首先，仅与M₁垂直的、且位于这些层的平面内的磁场B的分量作用于传感器的方向上。换句话说，当两个磁化强度M₁和M₂在没有磁场的情况下相互垂直时，该传感器仅对定向于“坚硬”层的磁化方向M₂上的磁场的分量灵敏。

在GMR传感器中，电流平行于这些层的平面流动。从而，这种传感器为狭窄且细长的带的形式，且在传感器的末端具有电极EL（图1B）。

第二种类型的传感器，隧道磁电阻（TMR）传感器也是由例如钴（Co）、铁（Fe）或钴铁（CoFe）的传导铁磁材料的两层EF1和EF2组成，该材料在“电极”中可相同或不同，该两层由例如氧化铝（Al₂O₃）或氧化镁（MgO）的绝缘体的薄层CI分隔，该薄层通常具有在0.8nm-5nm范围内的厚度。如同GMR传感器，底部电极EF2的磁化强度是固定的，然而顶部电极的磁化强度可被外部磁场改变。电子通过隧道效应穿过绝缘屏障的概率以及隧道结JT的电阻，取决于两个磁化层的磁化强度之间的角度θ的余弦。如同GMR传感器，当层EF1和层EF2的磁化作用在没有磁场的存在下垂直时，TMR传感器仅对沿着其“坚硬”电极的磁化方向定向的磁场分量灵敏。

在TMR传感器中，电流垂直于这些层的平面流动。从而，这样传感器以两个交叉的带的形式存在，该交叉的带由铁磁电极EF1和EF2构成，EF1和EF2由层CI分隔，如图2所示。

在磁电阻传感器中，不论磁电阻传感器为GMR型或TMR型，都存在消除偏移的问题，即，与磁场无关的电阻分量。该偏移量大，且取决于温度。