[发明专利]用于制造磁场传感装置的方法和设备以及相应的磁场传感装置

说明书

本发明涉及一种用于永久磁化施加在芯片基板(12)上的磁场传感装置(10)中的至少一个铁磁层的方法和装置。所述方法包括步骤：‑在芯片基板(12)上制造至少一个磁阻元件(14)；‑在所述芯片基板(12)上施加至少一个软磁结构元件(18)；‑将所述磁阻元件(14)加热到所述反铁磁层的材料的所述阻挡温度之上，并且施加预处理磁场(38)；‑将所述磁阻元件(14)冷却至低于所述阻挡温度；‑移除所述预处理磁场(38)。根据本发明，所述软磁结构元件(18)被布置成使得，所施加的预处理磁场(38)基本上垂直于芯片基板表面(36)穿透所述软磁结构元件(18)，并且在所述磁阻元件(14)的位置处产生平行于所述芯片基板表面延伸的磁场分量，所述磁场分量穿透所述磁阻元件(14)的所述铁磁层的至少一部分。

本发明涉及一种用于制造磁场传感装置的方法和设备，以及通过根据本发明的方法制造的磁场传感装置。特别地，本发明旨在永久磁化沉积于芯片基板的磁场传感装置中的至少一个铁磁层，特别是同时磁化在两个或更多个方向上的多个相邻的铁磁层，从而提供具有高灵敏度和改进质量的磁场传感装置。

背景技术

磁阻传感装置用于基于电阻测量磁场，并由此用于间接测量例如距离、角度或电流强度等其它物理量。这种传感装置基于通过施加外磁场而导致芯片结构的电阻变化的磁阻效应。基于巨磁阻效应(GMR效应)或隧道磁阻效应(TMR效应)的磁场传感装置近来被越来越多地使用。这些磁场传感装置包括非磁性和磁性材料的薄膜结构，其中磁耦合或自旋效应影响通过层的电阻。在基于GMR和TMR的磁阻层系统中分别可以实现电阻基于外磁场高达5％(GMR)或高达600％(TMR)的变化。为了制造TMR传感器，形成构成隧道势垒的至少两个铁磁体和一个绝缘层的层结构，使得电子能够穿过两个铁磁层之间的绝缘层。在TMR传感器的情况下，该绝缘层例如为Al₂O₃或MgO；在GMR传感器的情况下，常常使用例如Cu或Ru的薄导电层。隧道元件的电阻取决于两个铁磁层如何相对于彼此磁化。如果两个铁磁层彼此平行磁化，则电阻最小。如果两个铁磁层彼此反平行磁化，则电阻最大。在实践中，两个铁磁层之一的磁化方向通常是固定的(钉扎(gepinnt))，使得该层的磁化对外磁场不响应或仅作出弱响应。该层称为参考层，也称为钉扎层或永久磁化层。相反，另一层被形成为使得其磁化以限定的方式遵循外磁场。该层称为检测层或自由层。通过分成对外磁场进行不同响应的参考层和检测层，可以在改变外磁场时获得电阻的变化并实现感知装置。电阻依赖性与检测层(也称为“自由层”)的磁化方向和参考层(所谓的“固定层”)的磁化方向之间的角度相关。

薄膜技术被用于制造这种结构。在制造方法的框架内，参考层的磁化方向可以永久地设定，这通常被称为钉扎。为了钉扎铁磁层(也被称为参考层)，该铁磁层通常耦合到反铁磁性的相邻层。为了设定磁化方向，将电阻元件加热到所谓的阻挡温度(在该阻挡温度下，反铁磁层与铁磁层之间的交换耦合消失)以上的温度，并且该温度通常小于铁磁层的居里温度。在加热到高于阻挡温度并且低于居里温度之后，铁磁层受到外磁场的作用，该外磁场迫使铁磁层获得限定的磁化方向。当反铁磁层在施加磁场时冷却至低于阻挡温度时，该磁化方向得以保持。

非常希望能够在一个芯片基板上单独且彼此独立地设置不同的钉扎方向，从而可以指定多于一个的单一钉扎方向。惠斯通电桥尤其在传感技术方面非常有用。在这里，理想的是惠斯通电桥的四个分支形成相同并且仅在钉扎方向上不同。

从现有技术中已知用于制造提供磁阻传感器的钉扎结构的多种不同的解决方案。例如，DE 10 2012 208 882描述了形成平面于(planar zu)芯片基板表面的磁场，以使得能够在整个芯片基板上提供均匀的钉扎方向。以类似的方式，在DE 11 2009 001 140中，在介于200℃和350℃之间的温度下平行于芯片表面施加外磁场，以便预设铁磁层。例如，在US 6501 678 B1中，提出了一种能够在芯片基板内提供复杂(komplexe)磁场定向的磁印(magnetfeldstempel)。