專利名稱：磁傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用巨磁電阻元件(或GMR元件)的自旋閥型的磁傳感器及其制作方法。
本申請(qǐng)要求日本專利申請(qǐng)第2003-421236、2003-199280和2003-199281號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容在本文中參考引用。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，各種使用自旋閥型磁電阻元件如巨磁電阻元件(或GMR元件)的磁傳感器已經(jīng)開發(fā)出來并投入實(shí)際使用，在磁場作用下磁電阻元件的電阻發(fā)生變化。
例如，GMR元件由磁化方向在指定方向被釘扎的被釘扎層和磁化方向隨外加磁場變化的自由層組成，其中它表示在磁化方向上的與被釘扎層和自由層之間的相對(duì)關(guān)系相應(yīng)的電阻，通過測量元件的電阻可以檢測外加磁場。
包含在磁傳感器中的GMR元件由微細(xì)線條圖案組成，線條以Z字形方式折疊多次，由此可以在一個(gè)非常小的面積內(nèi)增加總路徑長度，從而增加阻抗，因而可以減少消耗的電流。
在前述具有Z字形圖案的GMR元件中，微細(xì)線條的折疊部分(或彎曲部分)由磁電阻膜構(gòu)成，這可以使得GMR元件的靈敏度方向不一致；換句話說，這破壞了外磁場和磁電阻元件的電阻之間的線性關(guān)系(或線性度)；因而，難以精確測量磁場的強(qiáng)度。
考慮前述結(jié)構(gòu)的不足，開發(fā)了一種使用具有Z字形圖案的GMR元件的磁傳感器，其中彎曲部分由無磁性膜構(gòu)成。傳統(tǒng)知曉的磁傳感器的例子在日本專利申請(qǐng)公開第2000-206217號(hào)和日本專利申請(qǐng)公開第2002-299728號(hào)中有介紹。
與GMR元件的彎曲部分由磁電阻膜構(gòu)成的磁傳感器相比，前述的磁傳感器可以精確測量磁場強(qiáng)度，然而前述的磁傳感器可能無法充分維持磁電阻膜的自由層中的單軸各向異性，因?yàn)閺澢糠钟蔁o磁性膜組成。鑒于這個(gè)原因，當(dāng)一個(gè)具有相當(dāng)高強(qiáng)度的干擾磁場施加到外磁場時(shí)，自由層的磁化方向可能無法與其初始磁化方向保持一致(或重建)；因而，這種磁傳感器不可能總是以好的重現(xiàn)性來測量外磁場的強(qiáng)度。
此外，開發(fā)了另一種磁傳感器，其中為了保持GMR元件的自由層中的單軸各向異性，設(shè)置一偏磁層(相應(yīng)于由鐵磁性物質(zhì)構(gòu)成的永磁體膜)與GMR元件的彎曲部分附近的磁電阻膜的兩端接觸。
在前述的磁傳感器中，具有Z字形圖案的GMR元件包括磁電阻膜和無磁性膜，其中永磁體膜設(shè)置在其電阻電路中彎曲部分的附近。也即，該磁傳感器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且難以制造。
圖49是傳統(tǒng)上知曉的磁傳感器結(jié)構(gòu)的截面示意圖，例如，在日本專利申請(qǐng)公開第H12-137906號(hào)中所顯示的。
圖49所示的磁傳感器包括由具有給定厚度的石英或硅晶片組成的襯底201；位于襯底201上由GMR元件構(gòu)成的磁電阻元件202；位于襯底201上由非磁性材料構(gòu)成的掩埋膜203；由永磁體膜構(gòu)成的偏磁層204，該偏磁層與磁電阻元件202的兩端相連，且經(jīng)由掩埋膜203設(shè)置在襯底201上；覆蓋磁電阻元件202和偏磁層204的所有表面的、由氧化硅膜構(gòu)成的第一保護(hù)膜205和由氮化硅膜構(gòu)成的第二保護(hù)膜206。
第一保護(hù)膜205和第二保護(hù)膜206可以被統(tǒng)一稱作保護(hù)膜207。
在前述磁傳感器中，在磁電阻元件兩端，偏磁層204的所有上表面沒有被磁電阻元件202的下表面完全覆蓋?；谶@個(gè)原因，磁電阻元件202的連接方式是它懸于偏磁層204的部分上表面之上。這種磁傳感器會(huì)引起保護(hù)膜207在偏磁層204和保護(hù)膜207之間的界面處分離，例如在加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)(或熱循環(huán)試驗(yàn))過程中。因此需要提供一種具有足夠高的環(huán)境耐久性的磁傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種磁傳感器，可以精確測量外磁場的強(qiáng)度而不會(huì)破壞磁電阻膜的電阻與外磁場強(qiáng)度之間的線性關(guān)系(或線性度)，通過保持了磁電阻膜的自由層中的單軸各向異性能夠以良好的重復(fù)性測量外磁場的強(qiáng)度，并且可以用相對(duì)簡單的制作工藝生產(chǎn)。
本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是提供一種改進(jìn)環(huán)境耐久性的磁傳感器。
在本發(fā)明的第一方面，一種磁傳感器包括一自旋閥型的磁電阻元件，磁電阻元件的兩端與一由永磁體膜構(gòu)成的偏磁層相連，其中形成一保護(hù)膜以覆蓋磁電阻元件和偏磁層，該磁傳感器的特征在于在磁電阻元件的兩端磁電阻元件的下表面完全覆蓋偏磁層的上表面。
在上述的結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選地是磁電阻元件兩端的側(cè)面與偏磁層的側(cè)面間的距離不超過3微米，其中該距離是從保護(hù)膜觀察磁電阻元件在磁傳感器的周緣部分中測量得到的。
在本發(fā)明的第二方面，一種磁傳感器包括一個(gè)位于襯底上的自旋閥型的磁電阻元件，其中一個(gè)由永磁體膜構(gòu)成的偏磁層與磁電阻元件的兩端相連，并且設(shè)置一覆蓋磁電阻元件和偏磁層的上表面的保護(hù)膜。其特征在于在保護(hù)膜和偏磁層之間提供一中間層。
前述的磁傳感器可以被局部改變使得磁電阻元件的兩端設(shè)置成局部覆蓋偏磁層，其中中間層被設(shè)置成與磁電阻元件、保護(hù)膜和偏磁層相關(guān)連，使得它完全覆蓋偏磁層的上表面。
在上述的結(jié)構(gòu)中，中間層可以被設(shè)置成覆蓋偏磁層上表面的沒有被磁電阻元件覆蓋的部分。此外，中間層可設(shè)置成覆蓋磁電阻元件的上表面和側(cè)面。
在本發(fā)明的第三方面，一種磁傳感器包括多個(gè)磁電阻膜，均呈現(xiàn)出帶狀，這些磁電阻膜被設(shè)置成幾乎互相平行；多個(gè)永磁體膜，其設(shè)置在磁電阻膜的兩端附近，其中磁電阻膜的一端通過永磁體膜與相鄰磁電阻膜連接，且磁電阻膜的另一端通過另一永磁體膜與相鄰的磁電阻膜相連，從而磁電阻膜以Z字形圖案接合永磁體膜。
在上述結(jié)構(gòu)中，磁電阻膜由順序疊置在襯底上的一釘扎層、一被釘扎層、一間隔層、和一自由層組成，其中自由層的單軸各向異性方向與磁電阻膜的縱向方向和永磁體膜的磁化方向相一致。
此外，永磁體膜被設(shè)計(jì)成按以下方式接合磁電阻膜永磁體膜的配置的總形狀比設(shè)定為1以上，且永磁體膜的縱向方向與磁電阻膜的縱向方向一致。
永磁體膜由一種導(dǎo)電材料構(gòu)成，以確保在相鄰磁電阻膜的相應(yīng)端之間建立電連接。
在本發(fā)明的第四方面，一種磁傳感器包括至少一個(gè)磁電阻元件(即GMR元件)和至少一個(gè)永磁體，它們均設(shè)置在襯底上，其中磁電阻元件包括一自由層、位于自由層上的間隔層和位于間隔層上的被釘扎層，其中磁電阻元件的寬度在6微米到8微米之間，間隔層的厚度在28埃到34埃之間。優(yōu)選地是自由層的厚度為125埃，且被釘扎層的厚度為30埃。
在上述的結(jié)構(gòu)中，有可能在確保GMR元件高靈敏度的情況下抑制出現(xiàn)磁滯，其中可以在調(diào)整GMR元件尺寸的情況下，也即GMR元件的寬度、自由層的厚度、間隔層的厚度和被釘扎層的厚度，控制靈敏度方向(或靈敏度角度)。通過試驗(yàn)和研究確定，在適當(dāng)?shù)卦O(shè)定尺寸使得GMR元件的寬度在6微米到8微米之間、間隔層的厚度在28埃到34埃之間時(shí)，磁傳感器的靈敏度可以提高同時(shí)抑制出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象。這里，有可能將靈敏度方向的偏差降到近于0。
上述磁傳感器的特征在于在考慮Cu的靈敏度依賴的情況下，增加GMR元件的寬度和間隔層的厚度；因此有可能基本消除磁滯現(xiàn)象，該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于減小了各向異性磁場(Hk)；并且因此有可能生產(chǎn)具有高靈敏度的磁傳感器，其可以抑制靈敏度方向的偏差。也就是說，該磁場傳感器可有效地作為一個(gè)磁方向傳感器工作，例如，其方位測量精確度滿足以度為單位的要測量的十六個(gè)方向的要求。
在本發(fā)明的第五方面，提供一種制作磁傳感器的方法，其中，每個(gè)呈現(xiàn)帶狀的磁電阻元件(或GMR元件)設(shè)置在襯底上，且偏磁層設(shè)置在GMR元件的兩端并與其相連，其中它主要包括三個(gè)步驟，即第一步是在GMR元件上形成一抗蝕劑以便形成指定圖案；第二步是使得抗蝕劑回流從而形成一具有傾斜形狀的抗蝕劑膜；第三步是將離子束沿傾斜方向投射到襯底上以便對(duì)GMR元件進(jìn)行研磨，從而帶狀GMR元件在其縱向方向的側(cè)面成錐形。
在上面，在第三步后進(jìn)行第四步，將離子束以垂直的方向投射到襯底上以便對(duì)GMR元件進(jìn)行進(jìn)一步地研磨。由于帶狀GMR元件的側(cè)面成錐形，沒有暴露在外磁場中的GMR元件的自由層的磁化方向被迫沿著帶狀GMR元件的縱向方向排列。
也即，由于帶狀GMR元件在縱向方向的側(cè)面形成錐形，有可能阻止在GMR元件的兩端形成磁壁(magnetic wall)(或邊緣彎曲壁)，有可能充分地控制GMR元件響應(yīng)外磁場的磁各向異性；因此，有可能確保自由層的磁化均勻性，從而確保磁傳感器響應(yīng)外磁場的輸出穩(wěn)定性。于是，即使一個(gè)強(qiáng)磁場施加到磁傳感器上，仍有可能使得磁傳感器精確恢復(fù)初始狀態(tài)在自由層中建立的原始磁化方向。
按照前述的磁傳感器的制作方法，有可能提高磁傳感器響應(yīng)外磁場的輸出穩(wěn)定性，而不會(huì)大量改變GMR元件的結(jié)構(gòu)和磁傳感器的形成圖形。
前述制作方法的特征在于離子束沿傾斜方向入射到襯底上，以便對(duì)GMR元件進(jìn)行研磨，從而有可能防止研磨掉的材料不期望地再次粘附到GMR元件上；因此有可能實(shí)現(xiàn)高度精確的加工，從而顯著地提高制造產(chǎn)量。


將參考下列附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的這些和其他目標(biāo)、方面以及實(shí)施例，其中圖1是一個(gè)截面示意圖，顯示按照本發(fā)明第一實(shí)施例的磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖2A是一個(gè)平面示意圖，顯示從保護(hù)膜方向看到的、包含在圖1所示磁傳感器中的磁電阻元件和偏磁層的布置；圖2B是平面示意圖的一部分，顯示偏磁層的周緣部分；圖3是顯示在步驟B-1中制作第一實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖4是顯示在步驟B-2中制作第一實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖5是顯示在步驟B-3中制作第一實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖6是顯示在步驟B-4中制作第一實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖7是顯示在步驟B-5中制作第一實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖8是顯示在步驟B-9中制作第一實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖9是顯示在制作完成時(shí)制作第一實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖10是一截面示意圖，顯示按照本發(fā)明第二實(shí)施例的磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖11是一截面示意圖，顯示按照本發(fā)明第三實(shí)施例的磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖12是一截面示意圖，顯示按照本發(fā)明第四實(shí)施例的磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖13是顯示在步驟B-1中制作第二實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖14是顯示在步驟B-2中制作第二實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖15是顯示在步驟B-3中制作第二實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖16是顯示在步驟B-4中制作第二實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖17是顯示在步驟B-5中制作第二實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖18是顯示在步驟B-9中制作第二實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖19是顯示步驟B-11中制作第二實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖20是顯示步驟B-12中制作第二實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；
圖21是一個(gè)平面示意圖，顯示在第二實(shí)施例的磁傳感器中磁電阻元件和相連層的配置；圖22是顯示在步驟E-1中制作第三實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖23是顯示在步驟E-2中制作第三實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖24是顯示在步驟E-3中制作第三實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖25是顯示在步驟E-5中制作第三實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖26是顯示在步驟E-6中制作第三實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖27是顯示在步驟E-7中制作第三實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖28是顯示在步驟E-8中制作第三實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖29是顯示步驟E-12中制作第三實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖30是顯示步驟E-13中制作第三實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖31是顯示步驟E-14中制作第三實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖32是顯示步驟E-15中制作第三實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖33是一個(gè)平面示意圖，顯示第三實(shí)施例的磁傳感器中磁電阻元件和相關(guān)層的配置；圖34是顯示在步驟H-1中制作第四實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖35是顯示在步驟H-2中制作第四實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖36是顯示在步驟H-3中制作第四實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖37是顯示在步驟H-4中制作第四實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖38是顯示在步驟H-5中制作第四實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖39是顯示在步驟H-9中制作第四實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖40是顯示步驟H-11中制作第四實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖41是顯示步驟H-12中制作第四實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖42是顯示步驟H-13中制作第四實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖43是顯示步驟H-14中制作第四實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖44是顯示步驟H-15中制作第四實(shí)施例磁傳感器所用結(jié)構(gòu)的截面圖；圖45是一個(gè)平面示意圖，顯示第四實(shí)施例的磁傳感器中磁電阻元件和相連層的配置；圖46是一個(gè)工藝流程圖，顯示制作圖1和圖10中示出的按照本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的磁傳感器的步驟；圖47是一個(gè)工藝流程圖，顯示制作圖11中示出的按照本發(fā)明第三實(shí)施例的磁傳感器的步驟；圖48是一個(gè)工藝流程圖，顯示制作圖12中示出的按照本發(fā)明第四實(shí)施例的磁傳感器的步驟；圖49是一個(gè)截面示意圖，顯示傳統(tǒng)上知曉的磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖50是一個(gè)平面示意圖，顯示按照本發(fā)明第五實(shí)施例的磁傳感器的總體結(jié)構(gòu)；圖51是顯示圖50所示的磁傳感器中包括的X軸GMR元件的結(jié)構(gòu)的平面示意圖；圖52是沿圖51中線A-A的截面圖；圖53是沿圖51中線B-B的截面圖；圖54顯示X軸GMR元件中使用的磁電阻膜的結(jié)構(gòu)；圖55是顯示與圖51中所示的X軸GMR元件相比較經(jīng)過修改的X軸GMR元件的結(jié)構(gòu)的平面示意圖；圖56是對(duì)應(yīng)于樣品1的X軸GMR元件的磁電阻特性的示圖；圖57是對(duì)應(yīng)于樣品1和樣品3的X軸GMR元件所建立的離散磁場穩(wěn)定性的示圖；圖58是示出對(duì)應(yīng)于樣品2的X軸GMR元件的結(jié)構(gòu)的平面示意圖；圖59是對(duì)應(yīng)于樣品2的X軸GMR元件的磁電阻特性的示圖；圖60是示出對(duì)應(yīng)于樣品3的X軸GMR元件的結(jié)構(gòu)的平面示意圖；圖61示意性示出按照本發(fā)明第六實(shí)施例的用在磁傳感器中的GMR元件的結(jié)構(gòu)；圖62是一平面示意圖，顯示按照第六實(shí)施例的使用沿X軸和Y軸分布的GMR元件的一個(gè)雙軸磁傳感器的結(jié)構(gòu)；圖63是顯示雙軸磁傳感器中GMR元件排列的平面示意圖；圖64是一布線圖，示出了雙軸磁傳感器中形成的GMR元件的橋連接；圖65標(biāo)繪當(dāng)GMR元件的寬度在6微米到10微米之間變化時(shí)關(guān)于磁傳感器的靈敏度值；圖66標(biāo)繪當(dāng)GMR元件的間隔層厚度改變時(shí)關(guān)于靈敏度方向的偏差值；圖67標(biāo)繪當(dāng)GMR元件的間隔層的厚度改變時(shí)關(guān)于靈敏度的數(shù)值；圖68是與構(gòu)成GMR元件的各層厚度有關(guān)的靈敏度依從關(guān)系的示圖；圖69是與構(gòu)成GMR元件的各層厚度有關(guān)的靈敏軸依從關(guān)系的示圖；
圖70是與構(gòu)成GMR元件的各層厚度有關(guān)的涉及翻轉(zhuǎn)連接磁場(Hin)依從關(guān)系的示圖；圖71顯示了在GMR元件的寬度方向上影響自由層的磁場；圖72是顯示影響GMR元件中自由層的磁場分量的透視圖；圖73顯示了影響自由層的磁場與GMR元件的靈敏度方向之間的關(guān)系；圖74顯示了磁性薄膜與MR元件之間的尺寸關(guān)系；圖75是顯示對(duì)應(yīng)于本發(fā)明第七實(shí)施例的磁傳感器的結(jié)構(gòu)的平面示意圖；圖76顯示圖75中所示的磁傳感器所用X軸磁傳感器的結(jié)構(gòu)的平面圖；圖77顯示構(gòu)成第七實(shí)施例的磁傳感器的一GMR元件的結(jié)構(gòu)；圖78是顯示GMR元件的外部形貌的透視圖；圖79是一個(gè)流程圖，顯示制作第七實(shí)施例磁傳感器的方法的步驟；圖80是顯示處于制作第七實(shí)施例磁傳感器的步驟J2的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖81是顯示處于制作第七實(shí)施例磁傳感器的步驟J3的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖82是顯示處于制作第七實(shí)施例磁傳感器的步驟J4的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖83是顯示處于制作第七實(shí)施例磁傳感器的步驟J5的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖84是顯示處于制作第七實(shí)施例磁傳感器的步驟J6的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖85是顯示處于制作第七實(shí)施例磁傳感器的步驟J10的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖86A是顯示步驟J10和步驟J11后的GMR元件和抗蝕劑膜的平面圖；圖86B是沿著圖86A中的C-C線的截面圖；圖86C是沿著圖86A中的D-D線的截面圖；圖87A是沿垂直方向入射離子束的、沿D-D線的GMR元件的截面圖；圖87B是沿垂直方向入射離子束的、沿C-C線的GMR元件的截面圖；圖88A是沿傾斜方向入射離子束的、沿D-D線的GMR元件的截面圖；圖88B是沿傾斜方向入射離子束的、沿C-C線的GMR元件的截面圖；圖89A是沿傾斜方向入射離子束的、沿D-D線的GMR元件的截面圖；圖89B是沿傾斜方向入射離子束的、沿C-C線的GMR元件的截面圖；圖90是顯示經(jīng)歷步驟J14的SiOx成膜的、沿C-C線的GMR的截面圖；圖91顯示外磁場和按照不同樣品的磁傳感器的輸出變化之間的關(guān)系；圖92是顯示GMR元件中自由層的磁化方向的平面圖；圖93A是顯示按照第七實(shí)施例的第一優(yōu)化的、沿C-C線的GMR元件的截面圖；
圖93B是顯示按照第七實(shí)施例的第一優(yōu)化的、GMR元件的配置圖案的平面圖；圖94A是顯示按照第七實(shí)施例的第二優(yōu)化的、沿C-C線的GMR元件的截面圖；圖94B是顯示按照第七實(shí)施例的第二優(yōu)化的、GMR元件的配置圖案的平面圖；圖95A是顯示按照第七實(shí)施例的第三優(yōu)化的、沿C-C線的GMR元件的截面圖；圖95B是顯示按照第七實(shí)施例的第三優(yōu)化的、GMR元件的配置圖案的平面圖；圖96A是顯示按照第七實(shí)施例的第四優(yōu)化的、沿C-C線的GMR元件的截面圖；圖96B是顯示按照第七實(shí)施例的第四優(yōu)化的、沿D-D線的GMR元件的截面圖；以及圖96C是顯示按照第七實(shí)施例的第四優(yōu)化的、GMR元件的配置圖案的平面圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過結(jié)合附圖以實(shí)施例的方式進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。
1.第一實(shí)施例圖1是一個(gè)截面圖，顯示了按照本發(fā)明第一實(shí)施例的磁傳感器的結(jié)構(gòu)。圖2A和2B提供了顯示圖1所示的磁傳感器從保護(hù)膜方向看到的磁電阻元件的示意圖，其中圖2A是全貌圖，圖2B是示意圖的一部分，顯示了偏磁體的周緣部分。
在圖1中，一種磁傳感器10包括由給定厚度的石英或硅晶片組成的襯底11；位于襯底11上由GMR元件構(gòu)成的磁電阻元件12；位于襯底11上由非磁性材料構(gòu)成的掩埋膜13；由永磁體膜構(gòu)成的偏磁層14，其連接磁電阻元件12的兩端并通過掩埋膜13設(shè)置在襯底11上；用來覆蓋偏磁層14的全部上表面的第一保護(hù)膜15；和位于第一保護(hù)膜15上表面的第二保護(hù)膜16。
第一保護(hù)膜15和第二保護(hù)膜16可被統(tǒng)一稱作保護(hù)膜17。
前述的磁傳感器10的特征在于在磁電阻元件12的兩端的下表面12a大致完全覆蓋偏磁層14的上表面14a。
前述的磁傳感器10的技術(shù)特征即磁電阻元件12的下表面12a完全覆蓋偏磁層14的上表面14a將參考圖2A和2B進(jìn)行描述。即，在圖2B所示的偏磁層14的周緣部分14d處，磁電阻元件12的側(cè)面12b與偏磁層14的側(cè)面14b不在同一平面；磁電阻元件12的側(cè)面12c與偏磁層14的側(cè)面14c不在同一平面上；并且磁電阻元件12兩端處的下表面12a覆蓋偏磁層14的上表面14a。
當(dāng)從保護(hù)膜17觀察磁電阻元件12時(shí)，關(guān)于偏磁層14的周緣部分14d，在磁電阻元件12的兩端其下表面12a以如下方式覆蓋偏磁層14的上表面14a磁電阻元件12兩端的側(cè)面與偏磁層14的側(cè)面之間的距離不超過3微米。也即，如圖2B所示，在偏磁層14的周緣部分14d，磁電阻元件12的側(cè)面12b與偏磁層14的側(cè)面14b之間的距離d1和磁電阻元件12的側(cè)面12c與偏磁層14的側(cè)面14c之間的距離d2均不超過3微米。
當(dāng)磁電阻元件12兩端的側(cè)面與偏磁層14的側(cè)面之間的距離超過3微米時(shí)，偏磁層14和保護(hù)膜17之間的結(jié)合力變得不足和變??；因此，當(dāng)來自外部的剪切應(yīng)力反復(fù)作用時(shí)，如加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)(或熱循環(huán)試驗(yàn))中，在偏磁層14和保護(hù)膜17之間的界面處會(huì)出現(xiàn)保護(hù)膜17的分離。
磁電阻元件12由以下層順序疊放而組成自由層、由銅(Cu)組成的具有導(dǎo)電性的間隔層、由鈷-鐵(CoFe)合金組成的被釘扎層、由鉑-錳(Pt-Mn)合金組成的釘扎層、以及由鈦(Ti)、鉭(Ta)等的薄金屬膜構(gòu)成的帽層。
自由層隨外磁場的方向改變其磁化方向。例如，它包括一鈷鋯鈮(CoZrNb)非晶磁性層、一疊置在CoZrNb非晶磁性層上的鎳鐵(NiFe)磁性層、和一疊置在NiFe磁性層上的鈷鐵(CoFe)層。
為保持自由層的單軸各向異性，偏磁層14在指定方向上施加偏磁場。
CoZrNb非晶磁性層和NiFe磁性層二者都是軟鐵磁性材料；并且采用CoFe層以防止NiFe磁性層中鎳的擴(kuò)散和間隔層中銅的擴(kuò)散。
間隔層是由銅或者銅合金構(gòu)成的一薄金屬膜。
被釘扎層由鈷鐵(CoFe)磁性層制成。該CoFe磁性層以翻轉(zhuǎn)連接(switched-connection)方式被反鐵磁性膜支撐，因而它的磁化方向被釘扎(或被固定)。
釘扎層由疊置在CoFe磁性層上的、由PtMn合金(含有45-55摩爾百分比的鉑)組成的反鐵磁性膜制成。
被釘扎層和釘扎層將統(tǒng)一稱為釘層。
掩埋層13由厚度約為40納米的鉻(Cr)的薄金屬膜制成。
偏磁層14由厚度約為90納米的、由鈷鉑鉻(CoCrPt)合金構(gòu)成的薄金屬膜制成。
第一保護(hù)膜15是一由氧化硅構(gòu)成的薄膜(以SiOx膜提及)。
第二保護(hù)膜16是一由氮化硅構(gòu)成的薄膜(以SiN膜提及)。
下面，將參考圖3到圖9和圖46介紹本實(shí)施例的磁傳感器的制作方法。
圖46是一個(gè)流程圖，表示本實(shí)施例的磁傳感器的制作方法中的步驟A、B-1到B-13和C，圖3到圖9以截面圖的方式顯示層狀結(jié)構(gòu)，以解釋本實(shí)施例的磁傳感器的制作方法。
在制作方法中，首先準(zhǔn)備由石英或硅晶片組成的襯底11。有可能事先在襯底11上制作用于控制磁傳感器的LSI部分。也即，在步驟A(顯示預(yù)處理工藝)中，用公知的方法形成晶體管器件、布線、絕緣膜和接觸以形成一層保護(hù)膜，其中形成一些開口用于連接。
接著，如圖3所示，在由石英或者硅晶片構(gòu)成的襯底11的上表面采用濺射方法形成厚度為40納米左右的鉻的掩埋膜13。接著，在掩埋膜13的上表面采用濺射的方法制備一偏磁層14，該層由鈷鉑鉻合金組成，厚度為90納米(見B-1步驟)。
接著，如圖4所示，以旋涂或者浸涂的方法在偏磁層14的上表面形成一隨機(jī)厚度的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面設(shè)置一塊具有假定圖形的掩模，隨后進(jìn)行曝光和顯影工藝，使得光致抗蝕劑中不需要的部分被去除。接著，加熱光致抗蝕劑使其回流，如此產(chǎn)生其兩端發(fā)生彎曲的抗蝕劑膜20(見B-2步驟)。
接著，如圖5所示，執(zhí)行離子研磨以便部分去除掩埋膜13和偏磁層14中沒有被抗蝕劑膜20覆蓋的部分，由此掩埋膜13和偏磁層14形成預(yù)定的形狀(見B-3步驟)。在B-3步驟中，由于抗蝕劑膜20的兩端呈彎曲形狀，采用離子研磨(ion milling)使得掩埋膜13和偏磁層14的側(cè)面傾斜于襯底11。
接著，如圖6所示，采用清洗液如丙酮、N-methyl-2-pyrolidone等去除抗蝕劑膜20，使得偏磁層14的表面經(jīng)歷清洗以便徹底去除抗蝕劑膜20(見B-4步驟)。
接著，如圖7所示，在襯底11的上表面、掩埋膜13的側(cè)面和偏磁層14的上表面和側(cè)面執(zhí)行離子束濺射方法或者磁控濺射方法，于是制備一磁電阻元件12(見B-5步驟)。
接著，在外部空間中排列的磁陣列(未顯示)被設(shè)置在對(duì)應(yīng)于偏磁層14的指定位置，由此，磁場以指定的方向施加到磁電阻元件12的釘層上(見B-6步驟)。
接著，磁陣列和偏磁層14被固定在指定的布置，將它們放置在真空狀態(tài)下，然后在280℃加熱四小時(shí)。也即，對(duì)磁電阻元件12的釘層中的釘扎層進(jìn)行歸一化熱處理(見B-7步驟)。
接著，將磁陣列從指定位置移去(見B-8步驟)。
然后，如圖8所示，以旋涂或者浸涂的方法在磁電阻元件12的上表面形成一隨機(jī)厚度的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面設(shè)置一塊具有假定圖形的掩模，隨后進(jìn)行曝光和顯影工藝，使得光致抗蝕劑中不需要的部分被去除。接著，加熱光致抗蝕劑使其回流，如此產(chǎn)生一層兩端發(fā)生彎曲的抗蝕劑膜21(見B-9步驟)。
接著，執(zhí)行離子研磨以便部分去除磁電阻元件12中沒有被抗蝕劑膜21覆蓋的部分，也即磁電阻元件12形成指定的形狀(見B-10步驟)。在B-10步驟中，由于抗蝕劑膜21兩端呈彎曲形狀，采用離子研磨的方法使得磁電阻元件12的側(cè)面傾斜于襯底11。
接著，采用清洗液如丙酮、N-methyl-2-pyrolidone去除抗蝕劑膜21，使得磁電阻元件12的表面經(jīng)歷清洗以便完全去除抗蝕劑膜21(見B-11步驟)。
接著，采用等離子CVD(即，Chemical Vapor Deposition，化學(xué)氣相沉積)的方法在磁電阻元件12的表面形成厚度約為150納米的、由氧化硅膜組成的第一保護(hù)膜15(見B-12步驟)。
接著，采用等離子體CVD方法在第一保護(hù)膜的表面形成由厚度約為300納米的氮化硅膜組成的第二保護(hù)膜16(見B-13步驟)。
順便提及一下，也可以在第一保護(hù)膜15和第二保護(hù)膜16上再形成一層由聚酰亞胺樹脂構(gòu)成的第三保護(hù)膜。
接著，在C步驟，在第一保護(hù)膜15和第二保護(hù)膜16的指定位置形成開口；在此處形成襯墊；然后，晶片進(jìn)行劃片并分解成單個(gè)芯片，每個(gè)芯片用樹脂包封。
接下來，將詳細(xì)描述磁傳感器樣品，然而本實(shí)施例并非僅限于下列樣品。
按照本實(shí)施例的制作方法，實(shí)際生產(chǎn)了多種磁傳感器樣品，每個(gè)樣品含有厚度為5納米的磁電阻元件。
具體地，通過分別改變距離d為1微米、2微米和3微米，制作了三種磁傳感器，其中，在偏磁層的周緣部分中，從保護(hù)膜方向(或其上表面)觀察磁電阻元件時(shí)，磁電阻元件兩端的側(cè)面和偏磁層的側(cè)面之間的距離設(shè)定為d。此外，使用前述的磁傳感器樣品進(jìn)行了塑模封裝。
(1)附著性測試用修補(bǔ)帶(由Scotch 3M公司生產(chǎn))粘接到磁傳感器的上表面(也即設(shè)置有保護(hù)膜的磁傳感器的表面)；接著修補(bǔ)帶被剝掉，并檢查在磁傳感器中的偏磁層和保護(hù)膜間的界面處是否出現(xiàn)分離。對(duì)一百個(gè)磁傳感器樣品進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)，以計(jì)算在前述界面處出現(xiàn)分離的樣品數(shù)目，結(jié)果在表1中列出。
(2)加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)將塑模封裝的磁傳感器在嚴(yán)格的環(huán)境條件下進(jìn)行加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)，其中樣品在-65℃保持30分鐘；然后在5分鐘內(nèi)升溫到室溫；樣品在室溫保持30分鐘；然后在5分鐘內(nèi)升溫到150℃；樣品在150℃保持30分鐘；然后在5分鐘內(nèi)降溫到室溫；在室溫保持30分鐘；然后在5分鐘內(nèi)降溫到-65℃。這里，每個(gè)磁傳感器樣品經(jīng)過500次前述的加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)。
之后，用發(fā)煙硝酸腐蝕，打開塑模封裝，以檢驗(yàn)在磁傳感器的偏磁層和保護(hù)膜的界面處是否出現(xiàn)分離。對(duì)二十個(gè)磁傳感器的塑模封裝樣品進(jìn)行了相同的試驗(yàn)，以計(jì)算在前述的界面處出現(xiàn)分離的樣品數(shù)目。結(jié)果在表1中列出。
在上面，磁傳感器的比較樣品采用本實(shí)施例的制作方法制作，其中每個(gè)樣品包含厚度為50納米的磁電阻元件。
也即，磁傳感器的各比較樣品被制造成將距離d設(shè)定為15微米，其中，在偏磁層的周緣部分中，從保護(hù)膜方向觀察磁電阻元件，磁電阻元件兩端的側(cè)面和偏磁層的側(cè)面之間的距離設(shè)定為d。
對(duì)前面所述的磁傳感器的比較樣品進(jìn)行塑模封裝。
然后，如同前面的磁傳感器樣品一樣，對(duì)封入磁傳感器的比較樣品的塑模封裝進(jìn)行粘附性試驗(yàn)和加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果在表1中列出。
表1

表1的結(jié)果清楚地表明在每個(gè)按照本實(shí)施例制作的磁傳感器的前述樣品中，偏磁層與保護(hù)膜之間的粘附性有較大提高，且表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境耐久性。
相比較，在磁傳感器的比較樣品中，偏磁層與保護(hù)膜之間的粘附性不足，且環(huán)境耐久性較差。
如上所述，本實(shí)施例的特征在于偏磁層的上表面被磁電阻元件兩端的下表面完全覆蓋，從而有可能提高偏磁層和保護(hù)膜之間的粘附性，有可能改善環(huán)境耐久性(尤其是耐溫度變化能力)，因此也有可能提高其在磁場中使用的可靠性。
2、第二實(shí)施例圖10是一個(gè)截面圖，顯示了按照本發(fā)明第二實(shí)施例的磁傳感器的結(jié)構(gòu)。
圖10所示的磁傳感器110包括由給定厚度的石英或硅晶片構(gòu)成的襯底111，位于襯底111上由一GMR元件構(gòu)成的磁電阻元件112，位于襯底111上由一非磁性材料構(gòu)成的掩埋膜113，由一永磁體膜構(gòu)成的偏磁層114，該層經(jīng)由掩埋膜113設(shè)置在襯底111上并分別連接磁電阻元件112的兩端，用來完全覆蓋磁電阻元件112和偏磁層114的第一保護(hù)膜115，用于覆蓋第一保護(hù)膜115的上表面的第二保護(hù)膜116，以及位于偏磁層114和第一保護(hù)膜115之間以便完全覆蓋偏磁層114的上表面114a的中間層118。
第一保護(hù)膜115和第二保護(hù)膜116可被統(tǒng)一稱作保護(hù)膜117。
在前述的磁傳感器110中，中間層118由諸如鉻(Cr)、鉭(Ta)和鈦(Ti)等組成的薄金屬膜制成。
優(yōu)選地是，中間層118的厚度在5納米到15納米之間。
當(dāng)中間層118的厚度小于5納米時(shí)，偏磁層114和保護(hù)膜117之間的結(jié)合力變得不足；因此當(dāng)來自外部的剪切應(yīng)力反復(fù)作用到磁傳感器時(shí)，如在加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)中，偏磁層114和保護(hù)膜117之間的界面有可能出現(xiàn)保護(hù)膜117的分離。
另一方面，當(dāng)中間層118的厚度大于15納米時(shí)，對(duì)于偏磁層114來說難以在指定的方向?qū)Υ烹娮柙?12施加偏磁場(bias magnetic field)。
磁電阻元件112由以下層順序疊放而組成自由層、由銅(Cu)組成的導(dǎo)電性間隔層、由鈷-鐵(CoFe)合金組成的被釘扎層、由鉑-錳(PtMn)合金組成的釘扎層和由諸如鉭的薄金屬膜構(gòu)成的帽層。
自由層可以隨外加磁場的方向改變其磁化方向。例如，它包括一鈷鋯鈮(CoZrNb)非晶磁性層、一位于CoZrNb非晶磁性層上的鎳鐵(NiFe)磁性層和一位于NiFe磁性層上的鈷鐵(CoFe)層。
為保持自由層的單軸各向異性，偏磁層114在指定方向上施加一偏磁場。
CoZrNb非晶磁性層和NiFe磁性層二者都是軟鐵磁性材料；并采用CoFe層以防止NiFe磁性層中鎳的擴(kuò)散和間隔層中銅的擴(kuò)散。
間隔層是由銅或者銅合金構(gòu)成的薄金屬膜。
被釘扎層由鈷鐵(CoFe)磁性層構(gòu)成。該CoFe磁性層以翻轉(zhuǎn)連接(switched-connection)方式被反鐵磁性膜支撐，因而其磁化方向被釘扎(或被固定)。
釘扎層由位于CoFe磁性層上、由PtMn合金(鉑含量為45-55摩爾百分比)構(gòu)成的反鐵磁性膜制成。
被釘扎層和釘扎層將統(tǒng)一稱為釘層。
掩埋層113由厚度約為40納米的鉻(Cr)的金屬薄膜制成。
偏磁層114由厚度約為90納米的、由鈷鉑鉻(CoCrPt)合金組成的金屬薄膜制成。
第一保護(hù)膜115是一由氧化硅組成的薄膜(以SiOx膜指代)。
第二保護(hù)膜116是一由氮化硅組成的薄膜(以SiN膜指代)。
3、第三實(shí)施例圖11是一個(gè)截面圖，顯示了按照本發(fā)明第三實(shí)施例的磁傳感器的結(jié)構(gòu)。
圖11所示的磁傳感器120包括由給定厚度的石英或硅晶片組成的襯底121，位于襯底121上由一GMR元件構(gòu)成的磁電阻元件122，位于襯底121上由一非磁性材料構(gòu)成的掩埋膜123，由一永磁體膜構(gòu)成的偏磁層124，該層通過掩埋膜123設(shè)置在襯底121上并分別連接磁電阻元件122的兩端，用來完全覆蓋磁電阻元件122和偏磁層124的第一保護(hù)膜125，用來覆蓋第一保護(hù)膜125的上表面的第二保護(hù)膜126，以及完全覆蓋偏磁層124的上表面124a中沒有被磁電阻元件122覆蓋的部分的中間層128。
第一保護(hù)膜125和第二保護(hù)膜126可被統(tǒng)一稱作保護(hù)膜127。
用保護(hù)膜127覆蓋磁電阻元件122和偏磁層124意味著保護(hù)膜127完全覆蓋這兩層，沒有留出連接用開口。
在上面，中間層128完全覆蓋偏磁層124的上表面124a中沒有被磁電阻元件122覆蓋的部分產(chǎn)生以下效果。也即，當(dāng)從其上表面(即從保護(hù)膜127)觀察磁電阻元件122時(shí)，磁電阻元件122的側(cè)面122a和中間層128的側(cè)面128a之間沒有空隙，因而偏磁層124沒有暴露在外，或者在磁電阻元件122的側(cè)面122a和中間層128的側(cè)面128a之間基本沒有形成空隙。
優(yōu)選地是，磁電阻元件122的側(cè)面122a和中間層128的側(cè)面128a之間的距離不超過3微米。
當(dāng)磁電阻元件122的側(cè)面122a和中間層128的側(cè)面128a之間的距離超過3微米時(shí)，偏磁層124和保護(hù)膜127之間的結(jié)合力變得不足，使得在加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)等中當(dāng)來自外部的剪切應(yīng)力反復(fù)施加到磁傳感器上時(shí)，在偏磁層114和保護(hù)膜117之間的界面處可能出現(xiàn)保護(hù)膜117的分離。
磁電阻元件122由以下層順序疊放而組成自由層、由銅(Cu)組成的導(dǎo)電性間隔層、由鈷-鐵(CoFe)合金組成的被釘扎層、由鉑-錳(Pt-Mn)合金組成的釘扎層和由如鉭的薄金屬膜構(gòu)成的帽層。也即，磁電阻元件122具有與前述圖10中所示的磁電阻元件112類似的結(jié)構(gòu)。
掩埋膜123是厚度約40納米的鉻的金屬薄膜。
偏磁層124是厚度約90納米的、由鈷鉑鉻(CoCrPt)合金組成的金屬薄膜。
第一保護(hù)膜125是一由氧化硅組成的薄膜(以SiOx膜指代)。
第二保護(hù)膜126是一由氮化硅組成的薄膜(以SiN膜指代)。
中間層128是由如鉻(Cr)、鉭(Ta)和鈦(Ti)組成的金屬薄膜。
4、第四實(shí)施例圖12是一個(gè)截面圖，顯示了按照本發(fā)明第四實(shí)施例的磁傳感器的結(jié)構(gòu)。
圖12所示的磁傳感器130包括由給定厚度的石英或硅晶片構(gòu)成的襯底131，位于襯底131上由一GMR元件構(gòu)成的磁電阻元件132，位于襯底131上由一非磁性材料構(gòu)成的掩埋膜133，由一永磁體膜構(gòu)成的偏磁層134，該層通過掩埋膜123設(shè)置在襯底131上并分別連接磁電阻元件132的兩端，用來完全覆蓋磁電阻元件132和偏磁層134的第一保護(hù)膜135，用來覆蓋第一保護(hù)膜135的上表面的第二保護(hù)膜136，以及完全覆蓋偏磁層134的上表面134a中沒有被磁電阻元件132覆蓋的部分的中間層138，中間層138還覆蓋磁電阻元件132兩端的側(cè)面132b以及磁電阻元件132的上表面132a的一部分。
第一保護(hù)膜135和第二保護(hù)膜136可被統(tǒng)一稱作保護(hù)膜137。
中間層138完全覆蓋偏磁層134的上表面134a中沒有被磁電阻元件132覆蓋的部分具有以下作用。也即，當(dāng)從保護(hù)膜137觀察中間層138時(shí)，中間層138的側(cè)面138a和偏磁層134的側(cè)面134b不在同一平面上，并且偏磁層134的上表面134a被中間層138的下表面138b覆蓋。
在磁傳感器130中，中間層138的下表面138b以如下方式覆蓋偏磁層134的上表面134a從保護(hù)膜137方向觀察中間層138，偏磁層134的側(cè)面134b與中間層138的側(cè)面138a之間的間隙不超過1微米。
當(dāng)中間層138的側(cè)面138a與偏磁層134的側(cè)面134b之間的距離超過1微米時(shí)，偏磁層134和保護(hù)膜137之間的結(jié)合力變得不足和變??；因此當(dāng)在加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)等中來自外部的剪切應(yīng)力反復(fù)作用到磁傳感器上時(shí)，在偏磁層134和保護(hù)膜137之間的界面處可能出現(xiàn)保護(hù)膜137的分離。
磁電阻元件132由以下層順序疊放而組成自由層、由銅(Cu)組成的導(dǎo)電性間隔層、由鈷-鐵(CoFe)合金組成的被釘扎層、由鉑-錳(PtMn)合金組成的釘扎層和由如鉭(Ta)的薄金屬膜構(gòu)成的帽層。也即，磁電阻元件132具有與前述圖10中所示的磁電阻元件112類似的結(jié)構(gòu)。
掩埋膜133是厚度約40納米的鉻的金屬薄膜。
偏磁層134是厚度約90納米的、由鈷鉑鉻(CoCrPt)合金組成的薄膜薄膜。
第一保護(hù)膜135是一由氧化硅組成的薄膜(以SiOx膜指代)。
第二保護(hù)膜136是一由氮化硅組成的薄膜(以SiN膜指代)。
中間層138是由如鉻(Cr)、鉭(Ta)和鈦(Ti)組成的金屬薄膜。
5、制作方法(1)第二實(shí)施例的制作方法圖10所示的第二實(shí)施例的磁傳感器110的制作方法將參照?qǐng)D46和圖13到21進(jìn)行詳細(xì)描述。第二實(shí)施例的制作方法與參考圖3到9和圖46描述的第一實(shí)施例的前述制作方法部分類似。
圖46是一個(gè)流程圖，顯示第二實(shí)施例的磁傳感器的制作方法的步驟。圖13到圖20以截面圖的方式顯示層狀結(jié)構(gòu)，以解釋第二實(shí)施例的磁傳感器的制作方法，及圖21是顯示磁電阻元件112和相關(guān)層的配置的平面示意圖。
在制作方法中，首先準(zhǔn)備由石英或硅晶片組成的襯底111。有可能事先在襯底111上制作大規(guī)模集成電路部分以控制磁傳感器。也即，在步驟A(顯示預(yù)處理工藝)中，用公知的方法形成晶體管器件、布線、絕緣膜和接觸以形成一保護(hù)膜，其中形成一些開口用于連接。
接著，如圖13所示，在由石英或者硅晶片組成的襯底111的上表面采用濺射方法形成厚度約為40納米左右的鉻的掩埋膜113。接著，在掩埋膜113的上表面采用濺射方法制備一偏磁層114，該層由鈷鉑鉻合金組成，厚度為90納米。隨后，在偏磁層114的上表面用濺射方法制備一由鉻組成的中間層118，其厚度在5納米到15納米之間(見B-1步驟)。
接著，如圖14所示，以旋涂或者浸涂的方法在中間層118的上表面形成一層隨機(jī)厚度的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面放置一塊具有假定圖形的掩模，隨后進(jìn)行曝光和顯影工藝，使得光致抗蝕劑中不需要的部分被去除。接著，加熱光致抗蝕劑產(chǎn)生回流，如此產(chǎn)生一層兩端發(fā)生彎曲的抗蝕劑膜140(見B-2步驟)。
接著，如圖15所示，采用離子研磨以便部分去除掩埋膜113、偏磁層114和中間層118中沒有被抗蝕劑膜140覆蓋的部分，由此掩埋膜113、偏磁層114和中間層118形成預(yù)定的形狀(見B-3步驟)。在B-3步驟中，相應(yīng)于抗蝕劑膜140兩端的彎曲形狀執(zhí)行離子研磨，使得掩埋膜113、偏磁層114和中間層118的側(cè)面傾斜于襯底111。位于磁電阻元件112兩端附近的偏磁層114的指定部分作為建立與磁電阻元件112電連接的引線，其中它們的一部分可被充分定形以便設(shè)置在用于連接的開口上。
接著，如圖16所示，采用清洗液如丙酮、N-methyl-2-pyrolidone去除抗蝕劑膜140，使得偏磁層114的表面經(jīng)歷清洗以便完全去除抗蝕劑膜140(見B-4步驟)。
接著，如圖17所示，在襯底111的上表面、掩埋膜113和偏磁層114的側(cè)面以及中間層118的上表面和側(cè)面，采用離子束濺射或者磁控濺射的方法制備一磁電阻元件112(見B-5步驟)。
接著，將在外部空間排列的磁陣列(未顯示)設(shè)置在對(duì)應(yīng)于偏磁層114的指定位置，從而，磁場以指定的方向施加到磁電阻元件112的釘層上(見B-6步驟)。
接著，磁陣列和偏磁層114以指定的布置被固定，將它們放置在真空狀態(tài)中，然后在280℃加熱四小時(shí)。也即，對(duì)磁電阻元件112的釘層中的釘扎層進(jìn)行歸一化熱處理(見B-7步驟)。
接著，將磁陣列從指定位置移去(見B-8步驟)。
接著，如圖18所示，以旋涂或者浸涂的方法在磁電阻元件112的上表面形成一隨機(jī)厚度的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面放置一塊具有一定圖形的掩模，隨后進(jìn)行曝光和顯影工藝，使得光致抗蝕劑中不需要的部分被去除。接著，加熱光致抗蝕劑產(chǎn)生回流，如此產(chǎn)生一兩端發(fā)生彎曲的抗蝕劑膜141(見B-9步驟)。
接著，采用離子研磨以便部分去除磁電阻元件112中沒有被抗蝕劑膜141覆蓋的部分，也即磁電阻元件112形成指定的形狀(見B-10步驟)。在B-10步驟中，由于抗蝕劑膜141兩端呈彎曲形狀，采用離子研磨使得磁電阻元件112的側(cè)面傾斜于襯底111。
接著，如圖19所示，采用清洗液如丙酮、N-methyl-2-pyrolidone去除抗蝕劑膜141，使得磁電阻元件112的表面進(jìn)行清洗以便完全去除抗蝕劑膜141(見B-11步驟)。
接著，如圖20所示，采用等離子CVD方法在襯底111、磁電阻元件112和中間層118的上表面形成厚度約為150納米、由氧化硅膜組成的第一保護(hù)膜115(見B-12步驟)。
圖21是從磁電阻元件112的上表面看到的示意圖，其中為簡化起見第一保護(hù)膜115沒有畫出來。
接著，采用等離子CVD方法在第一保護(hù)膜115的表面形成厚度約為300納米、由氮化硅膜組成的第二保護(hù)膜116(見B-13步驟)。
順便提及一下，也可在第一保護(hù)膜115和第二保護(hù)膜116上進(jìn)一步形成一由聚酰亞胺樹脂構(gòu)成的第三保護(hù)膜。
接著，在C步驟，在第一保護(hù)膜115和第二保護(hù)膜116的指定位置形成開口；在此處形成襯墊；然后，晶片進(jìn)行劃片并分解成單個(gè)芯片，每個(gè)芯片用一樹脂包封。
(2)第三實(shí)施例的制作方法圖11所示的第三實(shí)施例的磁傳感器120的制作方法將參照?qǐng)D47和圖22到33進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖47是一個(gè)流程圖，顯示第三實(shí)施例的磁傳感器的制作方法中的步驟D、E-1到E-16和F。圖22到圖32以截面圖的方式顯示多層結(jié)構(gòu)，以解釋第三實(shí)施例的磁傳感器的制作方法，且圖33是顯示磁電阻元件122和相關(guān)層的排列方式的平面示意圖。
在制作方法中，首先準(zhǔn)備由石英或硅晶片組成的襯底121。有可能事先在襯底121上制作大規(guī)模集成電路部分以控制磁傳感器。也即，在步驟D(顯示預(yù)處理工藝)中，用公知的方法形成晶體管器件、布線、絕緣膜和接觸以形成一層保護(hù)膜，其中形成一些開口用于連接。
接著，如圖22所示，在由石英或者硅晶片組成的襯底121的上表面采用濺射的方法形成厚度約為40納米左右的鉻的掩埋膜123。接著，在掩埋膜123的上表面采用濺射的方法制備一偏磁層124，該層由鈷鉑鉻合金組成，其厚度為90納米。
隨后，在偏磁層124的上表面用濺射的方法制備一由鉻組成的中間層128，其厚度在5納米到15納米之間(見E-1步驟)。
接著，如圖23所示，以旋涂或者浸涂的方法在中間層128的上表面形成一具有隨機(jī)厚度的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面放置一塊具有一定圖形的掩模，隨后進(jìn)行曝光和顯影工藝，使得光致抗蝕劑中不需要的部分被去除。接著，加熱光致抗蝕劑產(chǎn)生回流，如此產(chǎn)生一層兩端發(fā)生彎曲的抗蝕劑膜150(見E-2步驟)。
接著，如圖24所示，采用離子研磨以便部分去除中間層128中沒有被抗蝕劑膜150覆蓋的部分，由此露出偏磁層124，于是中間層128形成預(yù)定的形狀(見E-3步驟)。在E-3步驟中，由于抗蝕劑膜150的兩端呈彎曲形狀，采用離子研磨的方法使得中間層128的側(cè)面傾斜于襯底121。
接著，采用清洗液如丙酮、N-methyl-2-pyrolidone去除抗蝕劑膜150，使得中間層128的表面進(jìn)行清洗以便完全去除抗蝕劑膜150(見E-4步驟)。
接著，如圖25所示，在部分去除中間層128的偏磁層124的上表面和中間層128的上表面，采用旋涂或者浸涂的方法形成一層隨意厚度的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面放置一塊具有一定圖形的掩模，隨后進(jìn)行曝光和顯影工藝，使得光致抗蝕劑中不需要的部分被去除。接著，加熱光致抗蝕劑產(chǎn)生回流，如此產(chǎn)生一層兩端發(fā)生彎曲的抗蝕劑膜151(見E-5步驟)。
接著，如圖26所示，采用離子研磨去除掩埋膜123、偏磁層124和中間層128中沒有被抗蝕劑膜151覆蓋的指定部分，使得襯底121部分露出，由此掩埋膜123、偏磁層124和中間層128形成預(yù)定的形狀(見E-6步驟)。在B-6步驟中，對(duì)應(yīng)于抗蝕劑膜151兩端的彎曲形狀執(zhí)行離子研磨，使得掩埋膜123、偏磁層124和中間層128的側(cè)面傾斜于襯底121。
接著，如圖27所示，采用清洗液如丙酮、N-methyl-2-pyrolidone去除抗蝕劑膜151，使得偏磁層124和中間層128的表面進(jìn)行清洗以便完全去除抗蝕劑膜151(見E-7步驟)。
接著，如圖28所示，在襯底121的上表面、掩埋膜123和偏磁層124的側(cè)面以及中間層128的上表面和側(cè)面，采用離子束濺射或者磁控濺射的方法制備一磁電阻元件122，如GMR元件(見E-9步驟)。
接著，磁陣列與偏磁層124按照指定排列固定，將它們放置在真空狀態(tài)中，然后在280℃加熱四小時(shí)。也即，對(duì)磁電阻元件122的釘層中的釘扎層進(jìn)行歸一化熱處理(見E-10步驟)。
接著，將磁陣列從指定位置移去(見E-11步驟)。
接著，如圖29所示，在磁電阻元件122中其下不存在中間層128的選定區(qū)域的上表面，以旋涂或者浸涂的方法形成一層隨機(jī)厚度的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面放置一塊具有一定圖形的掩模，隨后進(jìn)行曝光和顯影工藝，使得光致抗蝕劑中不需要的部分被去除。接著，加熱光致抗蝕劑產(chǎn)生回流，如此產(chǎn)生一層兩端發(fā)生彎曲的抗蝕劑膜152(見E-12步驟)。
接著，如圖30所示，采用離子研磨以便部分去除磁電阻元件122中沒有被抗蝕劑膜152覆蓋的部分，使得襯底121、掩埋膜123和偏磁層124的側(cè)面以及中間層128露出，從而形成指定形狀的磁電阻元件122(見E-13步驟)。在E-13步驟中，對(duì)應(yīng)于抗蝕劑膜152兩端的彎曲形狀采用離子研磨，使得磁電阻元件122的側(cè)面傾斜于襯底121。
接著，如圖31所示，采用清洗液如丙酮、N-methyl-2-pyrolidone去除抗蝕劑膜152，使得磁電阻元件122的表面進(jìn)行清洗以便完全去除抗蝕劑膜152(見E-14步驟)。
接著，如圖32所示，采用等離子CVD方法在襯底121、磁電阻元件122和中間層128的上表面形成厚度約為150納米、由氧化硅膜組成的第一保護(hù)膜125(見E-15步驟)。
圖33是從磁電阻元件122的上表面看到的示意圖，其中為簡化起見第一保護(hù)膜125沒有畫出來。
接著，采用等離子CVD方法在第一保護(hù)膜125的表面形成厚度約為300納米、由氮化硅膜組成的第二保護(hù)膜126(見E-16步驟)。
順便提及一下，也可在第一保護(hù)膜125和第二保護(hù)膜126上進(jìn)一步形成一層由聚酰亞胺樹脂構(gòu)成的第三保護(hù)膜。
接著，在F步驟，在第一保護(hù)膜125和第二保護(hù)膜126的指定位置形成開口；在此處形成襯墊；然后，晶片進(jìn)行劃片并分解成單個(gè)芯片，每個(gè)芯片用一樹脂包封。
(3)第四實(shí)施例的制作方法圖12所示的第四實(shí)施例的磁傳感器130的制作方法將參照?qǐng)D48和圖34到45進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖48是一個(gè)流程圖，顯示第四實(shí)施例的磁傳感器的制作方法中的步驟G、H-1到H-16和I。圖34到圖44以截面圖的方式顯示多層結(jié)構(gòu)，以解釋第四實(shí)施例的磁傳感器的制作方法，且圖45是顯示磁電阻元件132和相關(guān)層的排列方式的平面示意圖。
在制作方法中，首先準(zhǔn)備由石英或硅晶片組成的襯底131。有可能事先在襯底131上制作大規(guī)模集成電路部分以控制磁傳感器。也即，在步驟G(顯示預(yù)處理工藝)中，用公知的方法形成晶體管器件、布線、絕緣膜和接觸以形成一層保護(hù)膜，其中形成一些開口用于連接。
接著，如圖34所示，在由石英或者硅晶片構(gòu)成的襯底131的上表面采用濺射的方法形成厚度約為40納米左右的鉻的掩埋膜133。接著，在掩埋膜133的上表面采用濺射的方法制備一偏磁層134，該層由鈷鉑鉻合金組成，其厚度為90納米(見H-1步驟)。
接著，如圖35所示，以旋涂或者浸涂的方法在偏磁層134的上表面形成一層隨機(jī)厚度的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面放置一塊具有一定圖形的掩模，隨后進(jìn)行曝光和顯影工藝，使得光致抗蝕劑中不需要的部分被去除。接著，加熱光致抗蝕劑產(chǎn)生回流，如此產(chǎn)生一層兩端發(fā)生彎曲的抗蝕劑膜160(見H-2步驟)。
接著，如圖36所示，采用離子研磨以便部分去除掩埋膜133和偏磁層134中沒有被抗蝕劑膜160覆蓋的部分，由此露出襯底131，于是掩埋膜133和偏磁層134形成預(yù)定的形狀(見H-3步驟)。在H-3步驟中，相應(yīng)于抗蝕劑膜160兩端的彎曲形狀執(zhí)行離子研磨，使得掩埋膜133和偏磁層134的側(cè)面傾斜于襯底131。
接著，如圖37所示，采用清洗液如丙酮、N-methyl-2-pyrolidone去除抗蝕劑膜160，使得偏磁層134的表面進(jìn)行清洗以便完全去除抗蝕劑膜160(見H-4步驟)。
接著，如圖38所示，在部分去除掩埋膜133和偏磁層134后露出的襯底131的上表面，采用離子束濺射或者磁控濺射的方法制備一磁電阻元件132，例如GMR元件(見H-5步驟)。
接著，將在外部空間排列的磁陣列設(shè)置在與偏磁層134相對(duì)應(yīng)的指定位置，由此，磁場以指定的方向施加到磁電阻元件132的釘層上(見H-6步驟)。
接著，磁陣列和偏磁層134以指定的布置被固定，將它們放置在真空狀態(tài)中，然后在280℃加熱四小時(shí)。于是，對(duì)磁電阻元件132的釘層中的釘扎層進(jìn)行歸一化熱處理(見H-7步驟)。
接著，將磁陣列從指定位置移去(見H-8步驟)。
接著，如圖39所示，在其下存在偏磁層134的磁電阻元件132的選定區(qū)域的上表面，以旋涂或者浸涂的方法形成一層隨機(jī)厚度的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面放置一塊具有一定圖形的掩模，隨后進(jìn)行曝光和顯影工藝，使得光致抗蝕劑中不需要的部分被去除。接著，加熱光致抗蝕劑產(chǎn)生回流，如此產(chǎn)生一層兩端發(fā)生彎曲的抗蝕劑膜161(見H-9步驟)。
接著，采用離子研磨以便部分去除磁電阻元件132中沒有被抗蝕劑膜161覆蓋的部分，使得襯底131和偏磁層134局部露出，于是磁電阻元件132形成指定的形狀(見H-10步驟)。在H-10步驟中，對(duì)應(yīng)于抗蝕劑膜161兩端的彎曲形狀采用離子研磨，使得磁電阻元件132的側(cè)面傾斜于襯底131。
接著，如圖40所示，采用清洗液如丙酮、N-methyl-2-pyrolidone去除抗蝕劑膜161，使得磁電阻元件132的表面進(jìn)行清洗以便完全去除抗蝕劑膜161(見H-11步驟)。
接著，如圖41所示，在襯底131的整個(gè)上表面、偏磁層134的部分上表面和側(cè)面以及除端部外的磁電阻元件132的整個(gè)上表面，以旋涂或者浸涂的方法形成一層隨機(jī)厚度的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面放置一塊具有一定圖形的掩模，隨后進(jìn)行曝光和顯影工藝，使得光致抗蝕劑中不需要的部分被去除，于是按預(yù)定的形狀形成一抗蝕劑膜162(見H-12步驟)。
接著，如圖42所示，在磁電阻元件132的上表面和兩端側(cè)面、偏磁層134的上表面以及抗蝕劑膜162的上表面，采用濺射的方法制備一中間層138(見H-13步驟)。
接著，如圖43所示，采用清洗液如丙酮、N-methyl-2-pyrolidone等去除抗蝕劑膜162，使得襯底131、磁電阻元件132和中間層138的表面進(jìn)行清洗以便完全去除抗蝕劑膜162(見H-14步驟)。
接著，如圖44所示，采用等離子CVD方法在襯底131、磁電阻元件132和中間層138的上表面形成由氧化硅膜組成的、厚度約為150納米的第一保護(hù)膜135(見H-15步驟)。
圖45是從磁電阻元件132的上表面看到的示意圖，其中為簡化起見第一保護(hù)膜135沒有畫出來。
接著，采用等離子CVD方法在第一保護(hù)膜135的表面形成厚度約為300納米、由氮化硅膜組成的第二保護(hù)膜136(見H-16步驟)。
順便提及一下，也可在第一保護(hù)膜135和第二保護(hù)膜136上進(jìn)一步形成一由聚酰亞胺樹脂構(gòu)成的第三保護(hù)膜。
接著，在I步驟，在第一保護(hù)膜135和第二保護(hù)膜136的指定位置形成開口；在此處形成襯墊；然后，晶片進(jìn)行劃片并分解成單個(gè)芯片，每個(gè)芯片用一樹脂包封。
接著，將采用各種樣品來進(jìn)一步描述前述的實(shí)施例；當(dāng)然，本發(fā)明并不僅限于這些實(shí)施例。
也即，按照前述的實(shí)施例中的制作方法，多種磁傳感器樣品以預(yù)定的尺寸被實(shí)際生產(chǎn)出來，其中各磁電阻元件的寬度為7.5微米，相鄰磁電阻元件的間距為3微米，且偏磁層的寬度為18微米。
在前述的磁傳感器中，偏磁層上形成的中間層厚度為5納米，從沒有與磁電阻元件接合的偏磁層端部測量的中間層長度為3微米。然后，這些生產(chǎn)出來的磁傳感器樣品被塑模封裝。
(1)附著性測試用一塊修補(bǔ)帶(由Scotch 3M公司生產(chǎn))粘接到磁傳感器的上表面(也即設(shè)置有保護(hù)膜的磁傳感器表面)；接著修補(bǔ)帶被剝掉，以試驗(yàn)在磁傳感器中偏磁層和保護(hù)膜的界面處是否出現(xiàn)分離。對(duì)一百個(gè)磁傳感器樣品進(jìn)行了相同的試驗(yàn)，以計(jì)算在前述的界面處出現(xiàn)分離的樣品數(shù)目。
(2)加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)經(jīng)過塑模封裝的磁傳感器在嚴(yán)格的環(huán)境條件下進(jìn)行加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)，其中樣品在-65℃保持30分鐘；然后在5分鐘內(nèi)升溫到室溫；樣品在室溫保持30分鐘；然后在5分鐘內(nèi)升溫到150℃；樣品在150℃保持30分鐘；然后在5分鐘內(nèi)降溫到室溫；在室溫保持30分鐘；然后在5分鐘之內(nèi)降溫到-65℃。這里，每個(gè)磁傳感器樣品經(jīng)過500次前述的加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)。
之后，用發(fā)煙硝酸腐蝕，打開塑模封裝，以檢驗(yàn)在磁傳感器中偏磁層和保護(hù)膜的界面處是否出現(xiàn)分離。對(duì)二十個(gè)磁傳感器的塑模封裝樣品進(jìn)行了相同的試驗(yàn)，以計(jì)算在前述的界面處出現(xiàn)分離的樣品數(shù)目。
在上面，磁傳感器的比較樣品采用本實(shí)施例的制作方法制作，其中它們中不包含中間層。
對(duì)上面所述的磁傳感器的比較樣品進(jìn)行塑模封裝。
接著，按照與前面的磁傳感器樣品相同的方法，對(duì)密封有磁傳感器的比較樣品的塑模封裝進(jìn)行附著性試驗(yàn)和加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)。
在按照前述實(shí)施例生產(chǎn)的磁傳感器樣品中，在附著性試驗(yàn)中每100個(gè)樣品中有1個(gè)樣品發(fā)生分離，在加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)中沒有樣品發(fā)生分離。
在磁傳感器的比較樣品中，在附著性試驗(yàn)中每100個(gè)樣品中有32個(gè)樣品發(fā)生分離，在加熱冷卻循環(huán)試驗(yàn)中每100個(gè)樣品中有7個(gè)樣品發(fā)生分離。
結(jié)果表明，由于中間層的存在，按照本實(shí)施例的各磁傳感器中偏磁層和保護(hù)膜之間的粘附性強(qiáng)，同樣環(huán)境的耐久性也增強(qiáng)。
相反，在比較樣品的磁傳感器中，偏磁層和保護(hù)膜之間的粘附性不足和較小，且其環(huán)境耐久性較弱。
如上所述，按照第二、第三和第四實(shí)施例制作的各磁傳感器的特征在于提供與磁電阻元件、保護(hù)膜和偏磁層關(guān)連的一中間層，使得偏磁層的上表面被中間層完全覆蓋。這里，磁傳感器可以這樣設(shè)計(jì)使得沒有被磁電阻元件覆蓋的偏磁層的上表面部分被中間層覆蓋，并且磁電阻元件的上表面和兩端側(cè)面被中間層覆蓋。
因此，有可能提高偏磁層和保護(hù)膜之間的粘附性；因而，磁傳感器具有優(yōu)異的環(huán)境耐久性，尤其是承受溫度變化的能力；也即，有可能顯著提高生產(chǎn)磁傳感器的可靠性。
6、第五實(shí)施例圖50是一平面示意圖，顯示采用本發(fā)明第五實(shí)施例制作的磁傳感器的總體結(jié)構(gòu)。
也即，圖50中的磁傳感器301由以下構(gòu)成具有近似正方形形狀和預(yù)定厚度的石英襯底302；位于石英襯底302上的一對(duì)X軸GMR元件331和332，以便形成一用于檢測X軸方向的磁場的X軸磁傳感器；和位于石英襯底302上的一對(duì)Y軸GMR元件341和342，以便形成一Y軸磁傳感器以檢測與X軸方向垂直的Y軸方向的磁場。
順便提及一下，可以用硅晶片來代替石英襯底302。
圖51是X軸GMR元件331的結(jié)構(gòu)的平面示意圖；圖52是沿著圖51中A-A線的截面圖；以及圖53是沿著圖51中B-B線的截面圖。
X軸GMR元件331和332分別位于石英襯底302上與X軸垂直的兩側(cè)的中點(diǎn)附近，其中二者相互平行設(shè)置。類似地，Y軸GMR元件341和342分別位于石英襯底302上與Y軸垂直的兩側(cè)的中點(diǎn)附近，其中二者相互平行設(shè)置。
X軸GMR元件331和332以及Y軸GMR元件341和342的每一個(gè)由多個(gè)均為帶狀的磁電阻膜305和位于磁電阻膜305縱向方向上的兩端的多個(gè)永磁體膜(或者偏磁膜)306組成。永磁體膜306由具有高矯頑力和高矩形比的硬鐵磁性物質(zhì)如CoCrPt組成的長方形薄膜構(gòu)成。
彼此相鄰設(shè)置的‘成對(duì)’磁電阻膜305的一端通過單個(gè)永磁體膜306連接在一起。彼此相鄰設(shè)置的成對(duì)磁電阻膜305的另一端通過另一個(gè)永磁體膜306連接在一起。
永磁體膜306通過布線(未示出)連接，這樣，通過單個(gè)永磁體膜306連接的成對(duì)磁電阻膜305的端部電連接在一起。
于是，磁電阻膜305和永磁體膜306以串聯(lián)方式連接和以Z字形方式排列，其中磁電阻膜305通過永磁體膜306和布線進(jìn)行電氣串聯(lián)連接以便充當(dāng)電阻電路。因此，從外部引入的電流流過由磁電阻膜305組成的電阻電路，從而測量電阻電路的電壓以計(jì)算磁電阻膜305的電阻，由此可以估算外加磁場的強(qiáng)度。優(yōu)選地是將磁電阻膜305的寬度設(shè)置在6微米到8微米的范圍內(nèi)。
接下來，詳細(xì)討論磁電阻膜305的結(jié)構(gòu)。圖54顯示了包含在X軸GMR元件331中的磁電阻膜305的結(jié)構(gòu)。也即，磁電阻膜305由如下按順序疊放在石英襯底302上的各層構(gòu)成一自由層F，一由銅(Cu)或者銅合金組成的導(dǎo)電性間隔層S，一由CoFe組成的被釘扎層PD，一由PtMn組成的釘扎層PN，和一由鈦(Ti)或者鉭(Ta)組成的金屬薄膜制成的帽層C。
自由層F隨外磁場的方向改變其磁化方向，其中自由層包括一CoZrNb非晶磁性層305a，一位于CoZrNb非晶磁性層305a上的NiFe磁性層305b，和一位于NiFe磁性層305b上的CoFe層305c。
CoZrNb非晶磁性層305a和NiFe磁性層305b都由一種軟鐵磁性物質(zhì)構(gòu)成，且CoFe層305c是一防擴(kuò)散層，以防止NiFe磁性層305b中Ni的擴(kuò)散和間隔層S中Cu的擴(kuò)散。
被釘扎層PD由CoFe磁性層305d構(gòu)成，該層以翻轉(zhuǎn)連接(switchedconnection)方式被一反鐵磁薄膜305e支持，使得它的磁化方向被釘扎(或固定)在X軸的負(fù)方向。
釘扎層PN位于CoFe磁性層305d的上面，其由一種含有45-55摩爾百分比Pt的PtMn合金組成的反鐵磁薄膜305e構(gòu)成。反鐵磁薄膜305e在歸一化熱處理后形成，在施加X軸負(fù)方向磁場的狀態(tài)下實(shí)施歸一化熱處理。
被釘扎層PD和釘扎層PN將被統(tǒng)一稱為釘層。
其它X軸GMR元件332和Y軸GMR元件341和342具有與X軸GMR元件331相同的結(jié)構(gòu)，除了它們具有沿圖50中箭頭所示方向被釘扎(或固定)的特定磁化方向外；因此，細(xì)節(jié)描述將被省略。
被設(shè)置與磁電阻膜305的兩端接觸的永磁體膜306在沿著磁電阻膜305的縱軸方向的方向上被磁化。
如上所述，被釘扎層PD的磁化方向垂直于其縱軸，永磁體膜306的磁化方向沿著縱軸；因而，在磁電阻膜305的被釘扎層PD的磁化方向與永磁體膜306的磁化方向之間形成90°夾角。
基于前述永磁體膜306的磁化，有可能保持磁電阻膜305的自由層F中的單軸各向異性。
如圖50所示，X軸GMR元件331的被釘扎層PD的“被釘扎”磁化方向位于X軸的負(fù)方向。X軸GMR元件332的被釘扎層PD的被釘扎磁化方向位于X軸的正方向。此外，Y軸GMR元件341的被釘扎層PD的被釘扎磁化方向位于Y軸的正方向。Y軸GMR元件342的被釘扎層PD的被釘扎磁化方向位于Y軸的負(fù)方向。
在X軸磁傳感器中，X軸GMR元件331和332以串聯(lián)方式連接(或半橋方式連接)。這里，對(duì)X軸磁傳感器施加直流電壓，以測量X軸GMR元件331和332之間的中點(diǎn)電位，其可以作為X軸磁傳感器的輸出。
基于此原因，X軸磁傳感器的輸出可以隨X軸外磁場的變化大致成比例地改變。
順便提及一下，X軸磁傳感器可以由一對(duì)X軸GMR元件331和一對(duì)X軸GMR元件332構(gòu)成，其采用全橋方式連接。
與X軸磁傳感器類似，在Y軸磁傳感器中，Y軸GMR元件341和342以串聯(lián)方式連接(或半橋方式連接)。這里，在Y軸磁傳感器上施加一直流電壓，以測量Y軸GMR元件341和342之間的中點(diǎn)電位，其可作為Y軸磁傳感器的輸出，其可以隨Y軸外磁場的變化大致成比例地改變。
與上面所述的X軸磁傳感器類似，Y軸磁傳感器可以由一對(duì)Y軸GMR元件341和一對(duì)Y軸GMR元件342構(gòu)成，這時(shí)采用全橋方式連接。
如上面所述，第五實(shí)施例的磁傳感器301基于X軸磁傳感器的輸出和Y軸磁傳感器的輸出可以檢測外磁場的強(qiáng)度。
磁傳感器301包括GMR元件331、332、341和342，均具有Z字形圖案，其中彎折部分對(duì)應(yīng)于永磁體膜306，這與通常磁電阻膜305被用作彎折部分不同。這樣使得GMR元件的靈敏度方向均勻。也即，有可能精確測量外磁場的強(qiáng)度而不破壞磁電阻膜305的電阻和外磁場強(qiáng)度之間的線性關(guān)系(或線性度)。
此外，本實(shí)施例的特征在于永磁體膜306被設(shè)置成與磁電阻膜305的兩端連接，每個(gè)磁電阻膜305呈現(xiàn)帶狀。也即，由于永磁體膜306的磁化，有可能保持磁電阻膜305的自由層F中的單軸各向異性；因此，有可能以好的可重復(fù)性測量外磁場的強(qiáng)度。
與傳統(tǒng)知曉的磁傳感器不同，本實(shí)施例不使用無磁性膜，其中每個(gè)具有Z字形圖案的GMR元件331、332、341和342由磁電阻膜305(均呈現(xiàn)帶狀)和永磁體膜306組成，其中永磁體膜306被設(shè)置成與磁電阻膜305的兩端接觸。也即，本實(shí)施例的磁傳感器301具有相對(duì)簡單的結(jié)構(gòu)，易于制作。
磁電阻膜305的自由層F中的單軸各向異性方向被迫與磁電阻膜305的縱向方向和永磁體膜306的磁化方向一致。因此，自由層F的單軸各向異性方向可以通過磁電阻元件305的形狀磁各向異性和永磁體膜306的磁化來保持；因而，有可能以優(yōu)異的重復(fù)性來測量外磁場的強(qiáng)度。
優(yōu)選地是，以下列方式設(shè)置磁電阻膜305和永磁體膜306永磁體膜306的矩形比，即永磁體膜306的長度(位于圖51的水平方向)和寬度(位于圖51的垂直方向)之間的長寬比設(shè)定為1以上，并且永磁體膜306的縱向方向大致與磁電阻膜305的縱向方向一致。
于是，有可能增加永磁體膜306的透過系數(shù)，由此其磁化程度不易減小。由于永磁體膜306的磁化，有可能以一種穩(wěn)定狀態(tài)保持磁電阻膜305的自由層F中的單軸各向異性方向；因此，有可能以優(yōu)異的重復(fù)性測量外磁場強(qiáng)度。
當(dāng)然，本發(fā)明并非僅限于本實(shí)施例，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下可以用各種方式進(jìn)行改變。
例如，永磁體膜306由一種導(dǎo)電材料組成，使得它可以起到布線的作用。
圖55是一個(gè)平面示意圖，顯示了由多個(gè)磁電阻膜305和參與布線功能的多個(gè)永磁體膜306X組成的X軸GMR元件331X。
磁電阻膜305通過永磁體膜306X進(jìn)行電氣串聯(lián)連接，使得可以通過永磁體膜306X對(duì)具有Z字形圖案的磁電阻膜305進(jìn)行充電。
通孔(即，電鍍通孔)361在永磁體膜306X的指定位置形成，使得通過通孔361，永磁體膜306X與自設(shè)置于石英襯底302上的襯墊和其他元件(未顯示)延伸的布線部分307電氣連接。
由于永磁體膜306A起到布線的作用，因此沒有必要額外提供布線部分；因此，有可能簡化磁傳感器的制作工藝，使其因此易于生產(chǎn)。
接著，詳細(xì)描述按照第五實(shí)施例制作的磁傳感器的各種樣品。
(1)樣品1磁傳感器的樣品1具有與圖50所示的磁傳感器301相同的結(jié)構(gòu)。
圖56顯示按照樣品1的X軸GMR元件331的磁電阻特性，其中有可能獲得磁電阻隨外磁場強(qiáng)度大致成比例變化的磁電阻特性，外磁場沿X軸方向施加且在-30奧斯特到30奧斯特的范圍內(nèi)。
圖57顯示關(guān)于按照樣品1和樣品3的兩種磁傳感器在X軸GMR元件331和X軸GMR元件332之間建立的散射磁場的穩(wěn)定性。
通過評(píng)估磁電阻元件的磁化性能來定義散射磁場的穩(wěn)定性，方法是當(dāng)曾加在各X軸GMR元件331和332上的外磁場消失后，自由層的磁化方向符合(或恢復(fù))初始磁化方向的程度。也即，它可以表示為初始狀態(tài)下產(chǎn)生的初始傳感器輸出與外磁場消失后產(chǎn)生的傳感器輸出之間的差異(或變化)。當(dāng)初始傳感器輸出與外磁場消失后產(chǎn)生的傳感器輸出之間的變化變小時(shí)，當(dāng)曾施加到傳感器的外磁場消失后，自由層的磁化方向趨于符合(或恢復(fù))初始磁化方向。因而，有可能以好的重復(fù)性測量外磁場的強(qiáng)度。
用于評(píng)估磁傳感器301的散射磁場穩(wěn)定性是通過以下方法測試的。
其磁化方向與磁傳感器301的X軸成45°角傾斜的外磁場以交替的方式施加到包括X軸GMR元件331和332的X軸磁傳感器上；接著，撤消磁場，并測量X軸傳感器的輸出。
接著，用一個(gè)初始化線圈對(duì)X軸GMR元件331和332進(jìn)行初始化處理，線圈放在X軸GMR元件331和332的緊下方以恢復(fù)各GMR元件的自由層中的初始磁化狀態(tài)。這里，通過用指定的電流進(jìn)行通電，初始化線圈可以在與各GMR元件的縱向和自由層的方向一致的指定方向產(chǎn)生一磁場。
在曾施加到X軸GMR元件331和332的外磁場撤消后，進(jìn)行十次初始化操作，其中，每次初始化操作后測量X軸傳感器的輸出。
重復(fù)進(jìn)行上述的一系列操作，直至外磁場的強(qiáng)度增加20奧斯特，從而有可能檢測到X軸傳感器在初始狀態(tài)產(chǎn)生的初始輸出與進(jìn)行初始化操作后各初始化后的狀態(tài)下產(chǎn)生的輸出之間的差值、在連續(xù)初始化狀態(tài)下產(chǎn)生的X軸傳感器輸出之間的差值以及X軸傳感器的輸出變化。
在對(duì)應(yīng)于樣品1的磁傳感器301中，外磁場撤消和每次初始化操作后，從初始傳感器輸出算起，傳感器的輸出變化幾乎為零，除非外磁場的強(qiáng)度超過140奧斯特。這證明磁電阻膜305的自由層F中的磁化方向幾乎與其初始磁化方向一致。也即，可以說對(duì)應(yīng)于樣品1的磁傳感器301可以以好的重復(fù)性測量外磁場的強(qiáng)度。
結(jié)果是，對(duì)應(yīng)于樣品1的磁傳感器301能夠精確測量外磁場的強(qiáng)度，而不會(huì)破壞其磁電阻和外磁場強(qiáng)度之間的線性關(guān)系(或線性度)，其中，當(dāng)施加到磁傳感器的外磁場撤消后，自由層F的磁化方向幾乎與其初始磁化方向一致；因此，有可能以好的重復(fù)性測量外磁場的強(qiáng)度。
(2)樣品2圖58是顯示對(duì)應(yīng)于樣品2的X軸GMR元件431的結(jié)構(gòu)的平面示意圖。樣品2與樣品1的不同之處在于各X軸GMR元件431和它的相應(yīng)Y軸GMR元件僅由磁電阻膜405組成。對(duì)應(yīng)于樣品2的X軸GMR元件431的其他部分的結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)于樣品1的X軸GMR元件331的結(jié)構(gòu)類似；因此，這里詳細(xì)的描述將被省略。
圖59顯示對(duì)應(yīng)于樣品2的X軸GMR元件431的磁電阻特性。也即，在外磁場的作用下出現(xiàn)了磁電阻特性的相當(dāng)大的磁滯回線；因此，很難在磁電阻和磁場強(qiáng)度之間建立一種單一線性關(guān)系?；诖嗽?，對(duì)于相同強(qiáng)度的外磁場，磁電阻可能會(huì)隨著磁化方向發(fā)生巨大的變化。也即，不可能觀察到磁電阻和外磁場強(qiáng)度之間的線性度；因而很難精確測量外磁場的強(qiáng)度。
這是因?yàn)樵趯?duì)應(yīng)于樣品2的各X軸GMR元件431和它的相應(yīng)Y軸GMR元件中，其Z字形圖案的彎折部分由磁電阻膜構(gòu)成；因此，磁電阻膜405的各向異性在彎折部分無法保持，并且靈敏度方向變得不均勻。
(3)樣品3圖60是顯示對(duì)應(yīng)于樣品3的X軸GMR元件531的結(jié)構(gòu)的平面圖。樣品3與樣品1的不同之處在于在X軸GMR元件531和它的相應(yīng)Y軸GMR元件中，磁電阻膜505的Z字形圖案的彎折部分由非磁性膜500構(gòu)成。對(duì)應(yīng)于樣品3的X軸GMR元件531的其他部分的結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)于樣品1的X軸GMR元件331的結(jié)構(gòu)類似；因此，這里詳細(xì)的描述將被省略。
如圖57所示，當(dāng)外磁場強(qiáng)度等于或超過40奧斯特時(shí)，在撤消施加到磁傳感器的外磁場后，測量到的對(duì)應(yīng)于樣品3的磁傳感器的輸出變化不為零；于是，磁電阻膜505的自由層F的磁化方向沒有恢復(fù)其初始磁化方向。甚至對(duì)X軸GMR元件531進(jìn)行十次初始化操作后，傳感器的輸出變化仍不為零，自由層F的磁化方向仍沒有恢復(fù)其初始磁化方向。隨著外磁場強(qiáng)度的增加，傳感器的輸出變化增加。因而，結(jié)果顯示對(duì)應(yīng)于樣品3的磁傳感器無法以好的重復(fù)性測量外磁場的強(qiáng)度。
這是因?yàn)樵趯?duì)應(yīng)于樣品3的X軸GMR元件531和其相應(yīng)的Y軸GMR元件中，磁電阻膜505的Z字形圖案的彎折部分由非磁性膜構(gòu)成；因此，難于保持磁電阻膜505的自由層F中的單軸各向異性。
總之，第五實(shí)施例的磁傳感器可以以優(yōu)異的重復(fù)性精確測量外磁場的強(qiáng)度；因而，第五實(shí)施例可應(yīng)用于利用磁傳感器的磁分析和磁醫(yī)用設(shè)置。
7、第六實(shí)施例按照本發(fā)明的第六實(shí)施例的磁傳感器被設(shè)計(jì)利用GMR元件來測量關(guān)于地磁學(xué)(或陸地磁學(xué))的絕對(duì)方向(或絕對(duì)方位)，其中各GMR元件具有圖61所示的結(jié)構(gòu)，其中在由石英玻璃組成的襯底601上依次疊放包括CoZrNb層、NiFe層和CoFe層的具有三層結(jié)構(gòu)的自由層602；一由Cu組成的間隔層603；一由CoFe組成的被釘扎層604；一由PtMn組成的釘扎層605；和一由Ti組成的帽層606。這里，自由層602隨外磁場改變其磁化方向，被釘扎層604的磁化方向被固定(或釘扎)。假設(shè)外磁場施加到圖61中的GMR元件，其中當(dāng)自由層602的磁化方向變成與被釘扎層604的磁化方向相同時(shí)，流過間隔層603的傳導(dǎo)電子難于被散射，使得電阻降低；然而當(dāng)自由層602的磁化方向與被釘扎層604的磁化方向相反時(shí)，流過間隔層603的傳導(dǎo)電子易于被散射，使得電阻增加。也即，GMR元件呈現(xiàn)與自由層602的磁化方向和被釘扎層604的磁化方向之間的相對(duì)關(guān)系相對(duì)應(yīng)的電阻；因此，有可能通過測量電阻來檢測外磁場的強(qiáng)度。
為了精確地測量一個(gè)非常小的磁場，當(dāng)施加的外磁場撤消和沒有對(duì)磁傳感器施加外磁場時(shí)，必須保持自由層沿預(yù)定方向的磁化方向(即，初始磁化方向)處于穩(wěn)定的狀態(tài)?；诖嗽颍仨毿纬善矫嬉晥D上為長方形形狀的“薄”自由層，其中自由層的長邊(或縱軸)被設(shè)計(jì)成與其初始磁化方向一致，從而，利用使磁化方向沿縱向排列的形狀各向異性，迫使自由層的各磁化部分的磁化方向與初始磁化方向一致。為了使自由層在外磁場撤消后重建和以穩(wěn)定的方式長時(shí)間維持初始磁化方向，在自由層沿縱向的兩端設(shè)置對(duì)應(yīng)于永磁體膜的偏磁膜，使得所述偏磁膜通常施加一實(shí)現(xiàn)初始磁化方向的特定磁場到該自由層。
順便提及一下，GMR元件的靈敏度依賴于GMR元件的MR比、無磁場時(shí)自由層的釘扎和磁化之間形成的角度以及自由層的易磁化能力。GMR元件感應(yīng)小磁場的靈敏度方向垂直于無磁場時(shí)自由層的磁化方向。
日本專利申請(qǐng)出版物第2002-299728號(hào)中公開的磁傳感器有如下缺點(diǎn)當(dāng)出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象時(shí)，方向測量的范圍橢圓形地變形，或者在測量中可能明顯出現(xiàn)預(yù)定偏移，從而產(chǎn)生不希望的方向偏差，這使得在方向測量上引起不希望的靈敏度變化。
有可能制作一個(gè)9微米至10微米寬的GMR元件樣品，其中自由層厚度為125埃，間隔層厚度為24埃，被釘扎層厚度為22埃。使用這種GMR元件的磁傳感器有磁滯現(xiàn)象，因而無法滿足方位地磁傳感器的要求。
因此，第六實(shí)施例提供一種沒有磁滯、高靈敏度、且可以減小其靈敏度方向偏差的磁傳感器。
在圖61所示的前述GMR元件中，在由邊長為2毫米的方形石英玻璃組成的襯底602(見圖62)上，依次疊放包括CoZrNb層、NiFe層和CoFe層的具有三層結(jié)構(gòu)的自由層602；由Cu或Cu合金組成的間隔層603；由CuFe組成的被釘扎層604；由PtMn組成的釘扎層605；以及由Ti組成的帽層606。
具體地，自由層602是其磁化方向隨外磁場改變的磁性層。間隔層603是一由Cu或Cu合金組成的金屬薄膜。被釘扎層604由CoFe磁性層組成的鐵磁性物質(zhì)構(gòu)成，其中其磁化方向被固定。釘扎層605位于被釘扎層604上面，由含有45-55mol％Pt的PtMn合金組成的反鐵磁性物質(zhì)構(gòu)成。自由層602、間隔層603、被釘扎層604、釘扎層605和帽層606的全部被統(tǒng)一稱為自旋閥膜607。
圖62是顯示一種磁傳感器結(jié)構(gòu)的平面圖，其中GMR元件沿著兩個(gè)軸即X軸和Y軸放置。在圖62所示的磁傳感器中，在邊長為2毫米的方形石英玻璃襯底601上，設(shè)置了用于檢測沿X軸方向的磁場的X軸磁傳感器609和用于檢測沿Y軸方向的磁場的Y軸磁傳感器610。X軸磁傳感器609和Y軸磁傳感器610均具有包括圖61所示的自旋閥膜607的多層結(jié)構(gòu)。
圖63顯示了磁傳感器609和610的每一個(gè)的平面形狀，其中均呈帶狀的多個(gè)自旋閥膜607相互平行設(shè)置，并且多個(gè)偏磁膜611設(shè)置在自旋閥膜607的兩端以建立自旋閥膜607之間的串聯(lián)連接。偏磁膜611由具有高矯頑力和高矩形比的CoCrPt組成的硬鐵磁物質(zhì)的薄膜構(gòu)成。
圖64是顯示在圖62所示的X軸磁傳感器609和Y軸磁傳感器610之間建立的橋式連接的連線圖。在這種橋式連接中，利用一個(gè)電流源和其他類似儀器將Vi+施加到“I+”端(612)，將Vi-施加到“I-”端(613)。此外，Vout+從“O+”端(614)讀出，Vout-從“O-”端(615)讀出。因此，基于Vout+和Vout-之間的電位差產(chǎn)生傳感器輸出Vout。
假定圖71所示影響自由層602的磁場施加到GMR元件，其中隨著GMR元件寬度增加，各向異性磁場(Hk)616變小，然而，當(dāng)與外磁場相比Hk變得太小時(shí)，可能出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象。
在GMR元件的層狀結(jié)構(gòu)中，磁場可能以三種磁路(magnetic fieldconnection)影響自由層602，即，一種由被釘扎層604產(chǎn)生的靜態(tài)磁路(Hs)619，一種依賴于被釘扎層604和間隔距離的翻轉(zhuǎn)磁路(Hin)618，和由偏磁膜611產(chǎn)生的靜態(tài)磁路(Hm)。當(dāng)被釘扎層604的厚度增加時(shí)，靜態(tài)磁路(Hs)619變強(qiáng)。當(dāng)間隔層603厚度減小時(shí)，翻轉(zhuǎn)磁路(Hin)618變強(qiáng)。GME元件有如下性質(zhì)當(dāng)其寬度增加時(shí)，來源于被釘扎層604的靜態(tài)磁路619變?nèi)?。?dāng)自由層602厚度增加時(shí)，所有前述的磁路變小。
關(guān)于影響自由層602和GMR元件靈敏度方向的磁場，如圖73所示，自由層的磁化方向D與磁化歷史和影響自由層602的磁場有關(guān)。當(dāng)產(chǎn)生非常小磁場的地磁作用到自由層602時(shí)，無論釘扎與否，GMR元件的靈敏度方向變得與沒有磁場時(shí)的磁化方向垂直。隨著影響自由層602的磁場變小，GMR元件的靈敏度增加，然而可能容易出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象。
第六實(shí)施例考慮到前述背景而設(shè)計(jì)，其特征在于GMR元件的寬度在6到8微米之間，間隔層的厚度在28到34埃之間，自由層的厚度設(shè)定為125埃，且被釘扎層的厚度設(shè)定為30埃。
圖65畫出了關(guān)于按照第六實(shí)施例的磁傳感器測量的有關(guān)靈敏度和靈敏度方向偏差的值，其中GMR元件的寬度在6微米到10微米之間變化，其中釘層的磁化方向相對(duì)于磁電阻元件的縱向方向傾斜90°。圖65顯示可以通過增加GMR元件的寬度提高磁傳感器的靈敏度，然而產(chǎn)生靈敏度方向的偏差，使得在GMR元件的寬度為9微米以上的磁傳感器中，GMR元件的電阻比下降，并且靈敏度應(yīng)該達(dá)到峰值。圖65顯示在GMR元件的寬度在6微米到8微米之間的磁傳感器中，有可能保持相對(duì)高的靈敏度，且靈敏度方向偏差可以減小。因此，本實(shí)施例中設(shè)置GMR元件的寬度在6微米到8微米之間。
圖65顯示靈敏度受到GMR元件寬度的顯著影響，其中可以估算來自于被釘扎層的靜態(tài)磁場連接Hs隨著GMR元件形狀(或?qū)挾?的變化而改變。因此，在GMR元件的偏置調(diào)節(jié)方面，GMR元件的寬度和間隔層的厚度是非常重要的因素。
自由層的厚度和被釘扎層的厚度都對(duì)靈敏度影響不大，然而由Cu組成的間隔層的厚度是影響靈敏度的重要因素。
圖68顯示組成GMR元件的各層的厚度對(duì)于磁傳感器的靈敏度產(chǎn)生的影響，其中垂直軸代表靈敏度對(duì)于組成GMR元件的各層的厚度的依賴關(guān)系。圖68清楚地表明由Cu組成的間隔層的厚度對(duì)于靈敏度有最大的影響；因此，適當(dāng)設(shè)定間隔層的厚度非常重要。
圖69顯示組成GMR元件的各層的厚度對(duì)于磁傳感器的靈敏軸(或靈敏度方向)產(chǎn)生的影響，其中垂直軸代表靈敏軸對(duì)于組成GMR元件的各層的厚度的依賴關(guān)系。圖69清楚地表明由Cu組成的間隔層的厚度對(duì)于靈敏軸有最大的影響；因此，適當(dāng)設(shè)定間隔層的厚度非常重要。
換句話說，與間隔層的厚度相比，自由層厚度和被釘扎層厚度均對(duì)靈敏度和靈敏軸產(chǎn)生較小的影響。
順便提及一下，施加到自由層的偏磁場包括來自于被釘扎層的靜態(tài)磁場連接(static magnetic field connection)(Hs)和翻轉(zhuǎn)連接磁場(switched-connection magnetic field)(Hin)。這里，來自被釘扎層的靜態(tài)磁場連接(Hs)與GMR元件的形狀有關(guān)；因此難以獨(dú)立測量。反過來，翻轉(zhuǎn)連接磁場(Hin)可以采用任意圖形容易地測量，與形狀無關(guān)。圖70表明翻轉(zhuǎn)連接磁場(Hin)對(duì)于組成GMR元件的各不同層厚度的依賴關(guān)系。圖70清楚地表明翻轉(zhuǎn)連接磁場(Hin)與由Cu組成的間隔層的厚度有非常密切的聯(lián)系。
圖66和圖67中畫出了當(dāng)GMR中自由層的厚度變化時(shí)，關(guān)于靈敏度方向偏差和靈敏度的值，其中黑方塊標(biāo)記代表關(guān)于GMR元件的寬度為7.5微米的磁場傳感器所測量到的數(shù)值。數(shù)值的測量與下述的磁傳感器有關(guān)，其中釘層的磁化方向相對(duì)于磁電阻元件的縱向方向傾斜45°。圖66和圖67顯示當(dāng)GMR元件的間隔層厚度設(shè)定為28埃時(shí)可以實(shí)現(xiàn)最高的靈敏度和最小的靈敏度方向偏差?？梢员３窒喈?dāng)高的靈敏度，直到GMR元件的間隔層厚度達(dá)到34埃；然而，當(dāng)間隔層的厚度超過34埃時(shí)，靈敏度有所減小。另一方面，只要GMR元件的間隔層厚度在28埃到34埃之間變化，靈敏度方向的偏差大致保持接近0°；然而，當(dāng)GMR元件的間隔層厚度超過34埃時(shí)，該數(shù)值變大。因此，本實(shí)施例設(shè)定間隔層的厚度在28埃到34埃之間。
圖74顯示磁性薄膜和磁電阻(MR)元件之間的尺寸關(guān)系，其中“X”代表磁性薄膜的寬度，“Y”代表磁性薄膜的長度，這里X＜Y。關(guān)于其寬度分別設(shè)定為7.5微米和5微米的MR元件的兩個(gè)樣品來說，優(yōu)選地按照如下尺寸設(shè)計(jì)磁性薄膜。
表2

在圖61到64所顯示的本發(fā)明的GMR元件中，其中寬度設(shè)定為7.5微米，間隔層的厚度設(shè)定為28埃，以及被釘扎層的厚度設(shè)定為30埃，其在靈敏度和靈敏度方向上表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，其中釘層的磁化方向相對(duì)于GMR元件的縱向方向傾斜45°，并且磁性薄膜的寬度為20微米，長度為60微米。這里，它證明靈敏度為1.94毫伏/奧斯特，且靈敏度方向偏差為0-3度。
8.第七實(shí)施例GMR元件的被釘扎層的磁化方向被釘扎以與帶狀GMR元件的短邊方向一致，從而自由層的磁化方向必定沿帶狀GMR元件的縱向方向排列使其與沒有外磁場施加到GMR元件時(shí)的初始狀態(tài)下被釘扎層的磁化方向成90度。在初始狀態(tài)下自由層的磁化方向?qū)⒈划?dāng)作自由層的易(磁化)軸方向。
采用預(yù)定的方法使得自由層的易磁化軸方向與帶狀GMR元件的縱向方向一致，以此通過控制GMR元件的磁各向異性來確保磁傳感器響應(yīng)外磁場的穩(wěn)定性，GMR元件形成為預(yù)定圖案以獲得實(shí)現(xiàn)帶狀形狀的形狀比。
然而，該方法的缺點(diǎn)在于缺乏自由層磁化的穩(wěn)定性，自由層應(yīng)該在與外磁場無關(guān)的情況下被磁化；由此當(dāng)磁傳感器暴露在相對(duì)弱的磁場中時(shí)，磁傳感器的輸出將會(huì)改變。
或者，采用另一種方法，通過在GMR元件的兩端設(shè)置偏磁層來施加偏磁場，強(qiáng)制性地控制自由層易軸方向與帶狀GMR元件的縱向方向一致。按照此方法，偏磁層沿自由層易軸方向磁化以便控制自由層的磁化，從而有可能提高磁傳感器響應(yīng)外磁場的穩(wěn)定性。
然而，本方法的缺點(diǎn)在于隨著外磁場的強(qiáng)度增加，難以恢復(fù)被磁化的自由層的初始狀態(tài)。圖92是顯示上述的GMR元件的自由層的磁化方向的平面示意圖，其中被外磁場磁化的磁壁(或者邊緣彎曲壁)形成于沿著帶狀GMR元件的縱向方向的自由層的兩端。這里，當(dāng)外磁場改變時(shí)，自由層的磁化過程變得不均勻，所以磁傳感器輸出的線性度降低；初始狀態(tài)下自由層的磁化方向沿略微偏離帶狀GMR元件的縱向方向的方向上排列，由于在外磁場撤消后邊緣彎曲壁仍然保留，導(dǎo)致磁傳感器的輸出變得不穩(wěn)定；因此，難以恢復(fù)自由層初始狀態(tài)下建立的原始磁化方向。
考慮前述的缺點(diǎn)，第七實(shí)施例設(shè)計(jì)提供一種磁傳感器，其可以充分證明GMR元件響應(yīng)外磁場的磁各向異性，可確保輸出相對(duì)于外磁場的穩(wěn)定性，并甚至在施加強(qiáng)磁場后仍可精確恢復(fù)自由層初始狀態(tài)建立的原始磁化方向。
圖75是顯示對(duì)應(yīng)于本發(fā)明第七實(shí)施例的磁傳感器的平面示意圖。也即，圖75所示的一種磁傳感器701包括由石英或硅晶片組成的、具有指定厚度的襯底702，用于檢測X軸方向的磁場的X軸磁傳感器731和732，以及用于檢測Y軸方向的磁場的Y軸磁傳感器741和742。
在磁傳感器701中，襯底702由方形的石英或者硅晶片組成。前述的四個(gè)磁傳感器731、732、741和742分別沿著方形襯底702的四邊設(shè)置，使得每個(gè)磁傳感器都大致位于方形襯底702的各邊的中心附近。每個(gè)磁傳感器731、732、741和742都呈帶狀，它們的縱向方向與方形襯底702的各邊平行。順便提及一下，在圖75中，定義水平方向?yàn)閄軸方向，定義垂直方向?yàn)閅軸方向，從而X軸磁傳感器731和732被設(shè)置為平行于方形襯底702沿著Y軸方向的邊；同時(shí)Y軸磁傳感器741和742被設(shè)置為平行于方形襯底702沿著X軸方向的另外兩邊。
圖76是顯示X軸磁傳感器731的結(jié)構(gòu)的平面示意圖。由于其它磁傳感器在結(jié)構(gòu)上與X軸磁傳感器731基本相同，與X軸磁傳感器731的不同之處在于關(guān)于其被釘扎層的磁化方向的釘扎方向，因此，細(xì)節(jié)描述將被省略。在圖76中，X軸磁傳感器731包括帶狀GMR元件705，分別連接GMR元件705兩端的偏磁層706，和連接偏磁層706的線引出部分707，其中箭頭方向指示自由層的磁化方向。
按照本實(shí)施例的X軸磁傳感器731如下設(shè)計(jì)，使得均呈帶狀的四個(gè)GMR元件705沿其縱向方向平行設(shè)置在襯底702上，其間具有指定的距離。這里，在圖76的上部毗連在一起的第一和第二GMR元件的左端被形成在第一偏磁層706的右端，使得第一和第二GMR元件705通過第一偏磁層706電連接在一起。此外，第二和第三GMR元件705的右端形成于第二偏磁層706的左端，使得第二和第三GMR元件705通過第二偏磁層706電連接在一起。而且，第三和第四GMR元件705的左端形成于第三偏磁層706的右端，使得第三和第四GMR元件705通過第三偏磁層706電連接在一起。第一和第四GMR元件705的右端均形成于單個(gè)偏磁層706的左端，所述單個(gè)偏磁層706形成于帶狀的線引出部分707的左端。也即，四個(gè)GMR元件705通過偏磁層706設(shè)置成Z字形圖案，從而它們每一個(gè)都與線引出部分707電連接。
GMR元件705、偏磁層706和線引出部分707按照指定的次序順序疊在一起，從而它們?cè)谥付ǖ亩瞬窟B接在一起使得它們以Z字形方式設(shè)置，于是形成整體上作為一個(gè)電阻的串聯(lián)電路。電流從外部施加到電路上；接著測量電壓以估算GMR元件705的總電阻，基于此可以計(jì)算出外磁場的強(qiáng)度。
接著，將參考圖77描述GMR元件705，其是一個(gè)顯示GMR元件705的結(jié)構(gòu)的截面圖。也即，GMR元件705包括一自由層F，一由Cu組成的導(dǎo)電間隔層S，一由鈷鐵(CoFe)合金組成的被釘扎層PD，一由鉑錳(PtMn)合金組成的釘扎層PN，和一由Ti或Ta組成的金屬薄膜制成的帽層C，這些層在襯底702上按順序疊起來。
自由層F隨外磁場的方向改變其磁化方向，其中自由層包括一鈷鋯鈮(CoZrNb)非晶磁性層，一形成于CoZrNb非晶磁性層上的鎳鐵(NiFe)磁性層，和一形成于NiFe磁性層上的鈷鐵(CoFe)層。
為了保持磁化的單軸各向異性(如，自由層的易軸方向)，偏磁層706沿帶狀GMR元件705的縱向方向?qū)ψ杂蓪覨施加磁場。
在自由層F中，CoZrNb非晶磁性層和NiFe磁性層均由一種軟鐵磁性材料組成，并且提供CoFe層是為了防止NiFe磁性層中出現(xiàn)鎳的擴(kuò)散和間隔層S中出現(xiàn)銅的擴(kuò)散。
間隔層S由銅或者銅合金組成的導(dǎo)電金屬薄膜制成。
被釘扎層PD由一鈷鐵(CoFe)磁性層構(gòu)成，其中CoFe磁性層以翻轉(zhuǎn)連接方式被形成釘扎層PN的反鐵磁薄膜支撐，使其磁化方向被釘扎(或者固定)在帶狀GMR元件705的短邊方向上，該磁化方向如圖75的箭頭所示。
釘扎層PN形成于CoFe磁性層上，由含有45-55摩爾百分比鉑的PtMn合金構(gòu)成的反鐵磁薄膜制成。在指定方向施加磁場的條件之下的標(biāo)準(zhǔn)熱處理中，形成反鐵磁薄膜。
順便提及一下，被釘扎層PD和釘扎層PN統(tǒng)稱為一釘層。
帽層C由鈦(Ti)或者鉭(Ta)組成的一金屬薄膜制成，其中采用該帽層以防止釘扎層PN的氧化從而保護(hù)釘扎層。
按照本實(shí)施例的GMR元件705的特征在于位于縱向方向的側(cè)面708形成錐形面。
圖78是顯示GMR元件705的外觀的透視圖，其中向右方向稱為短邊方向，向后方向稱為縱向方向。這里，側(cè)面709位于短邊方向，側(cè)面708位于縱向方向。每個(gè)位于GMR元件705的縱向方向的側(cè)面708形成錐形，并以θ角度傾斜以得到寬底形狀。由于GMR元件705的縱向方向的側(cè)面708形成錐形面，從而有可能以指定的方向排列自由層F的磁化方向使其在無外磁場施加到GMR元件705上的初始條件下與GMR元件705的縱向方向一致。
優(yōu)選地是，角θ在50度到85度之間變化。與其側(cè)面708呈現(xiàn)錐形且傾斜90度的GMR元件705相比，其側(cè)面708呈現(xiàn)錐形且傾斜處于上述范圍之內(nèi)的角度θ的GMR元件705改變了磁分區(qū)(或者磁疇)的形成；于是，有可能避免形成如圖92所示的磁壁(或者邊緣彎曲壁)；并有可能提高自由層F磁化的均勻性，從而有可能穩(wěn)定磁傳感器響應(yīng)外磁場時(shí)的輸出。此外，甚至當(dāng)一個(gè)強(qiáng)磁場施加到磁傳感器上，仍有可能精確恢復(fù)與GMR元件的縱向方向一致的自由層的原始磁化方向。
與GMR元件705相連的偏磁層706由一厚度為90納米左右的金屬薄膜制成，其由具有高矯頑力和高形狀比的鈷鉻鉑(CoCrPt)合金組成的磁性膜構(gòu)成。偏磁層706被磁化，使得其磁化方向位于GMR元件705的縱向方向。
如圖75中箭頭所示，被釘扎層PD的磁化方向位于GMR元件705的短邊方向，而偏磁層706的磁化方向位于GMR元件705的縱向方向。也即，在被釘扎層PD的磁化方向和偏磁層706的磁化方向之間形成90度的角。
由于偏磁層706的磁化，GMR元件705的自由層沿著縱向方向被磁化，如圖76所示。即，可以保持自由層的單軸各向異性(即自由層易軸方向)。
如上所述，本發(fā)明的特征在于偏磁層706與帶狀GMR元件705的兩端相連，其中GMR元件705的側(cè)面708形成錐形面。于是，有可能充分控制GMR元件705響應(yīng)外磁場的磁各向異性；有可能提高自由層磁化的均勻性，于是確保磁傳感器響應(yīng)外磁場的輸出穩(wěn)定性；并且甚至在對(duì)磁傳感器施加強(qiáng)磁場后，仍有可能精確恢復(fù)自由層中的原始磁化方向。
順便提及一下，與前述的磁傳感器相比，本實(shí)施例的磁傳感器提高了在外磁場作用下的輸出穩(wěn)定性，而不會(huì)實(shí)質(zhì)改變GMR元件的膜結(jié)構(gòu)和其形成圖形。
接著，介紹按照本實(shí)施例的磁傳感器的制作方法。
圖79是一個(gè)流程圖，顯示按照本實(shí)施例磁傳感器的制造方法的各步驟；圖80到圖85以及圖87A和87B、圖88A和88B、圖89A和89B及圖90是顯示被制作的磁傳感器的結(jié)構(gòu)的截面圖。
在本實(shí)施例的磁傳感器的制作方法中，首先準(zhǔn)備一種由石英或者硅晶片組成的襯底702。有可能事先制作大規(guī)模集成電路部分以控制磁傳感器，其中在預(yù)處理工藝中(見步驟J1)，電路元件如晶體管、布線、絕緣膜、接觸和保護(hù)膜采用公知的方法制作；接著形成穿過保護(hù)層的開口以確保連接。
接著，進(jìn)行磁體膜成膜(見步驟J2)，其中如圖80所示，采用濺射的方法在襯底702的上表面形成一由鉻組成的、厚度約為40納米的掩埋膜710。接著，采用濺射方法在掩埋膜710的上表面形成一由鈷鉑鉻(CoCrPt)合金組成的、厚度約為90納米的偏磁膜706。
接著，進(jìn)行磁體切割(見步驟J3)，其中如圖81所示，以旋涂或者浸涂的方法在偏磁層706的上表面形成一隨機(jī)厚度的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面放置一塊具有一定圖形的掩模，隨后進(jìn)行曝光；之后進(jìn)行顯影工藝，使得光致抗蝕劑中不需要的部分被去除，于是形成一抗蝕劑膜711。接著，加熱光致抗蝕劑并產(chǎn)生回流，如此產(chǎn)生兩端發(fā)生彎曲的抗蝕劑膜711X。
接著，進(jìn)行磁體研磨(見步驟J4)，其中如圖82所示，在指定的方向采用離子研磨以去除掩埋膜710和偏磁層706中沒有被回流后的抗蝕劑膜711X覆蓋的指定部分，使得掩埋膜710和偏磁層706分別形成指定的形狀。在步驟J4中，相應(yīng)于回流后抗蝕劑膜711X兩端的彎曲形狀執(zhí)行離子研磨，使得掩埋膜710和偏磁層706的側(cè)面傾斜于襯底702。
接著，進(jìn)行抗蝕劑去除(見步驟J5)，其中如圖83所示，采用清洗液如丙酮、N-methyl-2-pyrolidone等去除抗蝕劑膜711X，使得去除抗蝕劑膜711X時(shí)偏磁層706的表面可以清洗。
接著，進(jìn)行GMR成膜(見步驟J6)，其中如圖84所示，采用離子束濺射或者磁控濺射的方法在襯底702的上表面、掩埋膜710的側(cè)面和偏磁層706的上表面和側(cè)面形成GMR元件705。
接著，進(jìn)行磁陣列設(shè)置(見步驟J7)，其中外空間提供的一磁陣列被放置在相對(duì)于偏磁層706的指定位置，從而對(duì)GMR元件705的釘層按指定的方向施加磁場。
接著，進(jìn)行到標(biāo)準(zhǔn)化熱處理(見步驟J8)，其中，磁陣列和偏磁層706的布置被固定并在真空下、280攝氏度加熱四小時(shí)。由此實(shí)施對(duì)GMR元件705的釘層內(nèi)釘扎層的標(biāo)準(zhǔn)化熱處理，從而被釘扎層的磁化方向被釘扎(或固定)在GMR元件705的短邊方向。
接著，從指定的位置移去磁陣列(見步驟J9)。
接著，進(jìn)行到GMR圖形形成(見步驟J10)，其中如圖85所示，采用旋涂或者浸涂的方法在GMR元件705的上表面形成一厚度在0.3微米到5微米之間的光致抗蝕劑。在光致抗蝕劑的表面放置一塊具有假定圖形的掩模，接著曝光；然后進(jìn)行顯影工藝以去除光致抗蝕劑中不需要的部分，于是形成一抗蝕劑膜720。圖85中的C-C線與圖86A中的C-C線相對(duì)應(yīng)。通過限定在GMR元件705上形成的光致抗蝕劑的厚度在上述的范圍之內(nèi)，有可能減少抗蝕劑回流后抗蝕劑膜720X的傾斜角β。順便提及一下，圖86A中沿D-D線的抗蝕劑寬度例如在6微米到8微米之間。
接著，進(jìn)行到抗蝕劑回流(見步驟J11)，其中在一定的溫度內(nèi)(120攝氏度到180攝氏度之間)、一定的時(shí)間內(nèi)(在1分鐘到30分鐘之間)加熱抗蝕劑膜720，使得抗蝕劑回流，由此位于縱向和短邊方向的抗蝕劑膜720的所有端部都適當(dāng)?shù)貜澢?，于是形成具有斜坡的抗蝕劑膜720X。這里，與前面的加熱溫度100攝氏度相比，抗蝕劑膜720在更高的溫度下加熱，并且加熱時(shí)間設(shè)定在前述范圍之內(nèi)，由此有可能減少位于縱向方向的抗蝕劑膜720X的側(cè)面的傾斜角度β。
圖86A到圖86C顯示了執(zhí)行GMR圖形形成(見步驟J10)和抗蝕劑回流(見步驟J11)后，GMR元件705、抗蝕劑膜720和回流后的抗蝕劑膜720X之間的關(guān)系，其中圖86A是一個(gè)平面示意圖，顯示X軸磁傳感器731的結(jié)構(gòu)，圖86B是沿著圖86A中C-C線的截面圖，以及圖86C是沿著圖86A中D-D線的截面圖。
經(jīng)過步驟J10后，抗蝕劑膜720具有矩形的平行管形狀(由圖86B和86C中的點(diǎn)劃線表示)，其中分別位于短邊方向和縱向方向的抗蝕劑膜720X側(cè)面傾斜于襯底702的傾斜角α和β均被設(shè)定為90度。
前述的抗蝕劑膜720被加熱以造成抗蝕劑回流，這在襯底702的整個(gè)表面上進(jìn)行；于是，對(duì)于短邊方向和縱向方向在相同的條件下加熱，其中抗蝕劑膜720X側(cè)面的形狀與光致抗蝕劑的圖形有關(guān)。在圖86A和圖86B的截面圖中，用實(shí)線畫出了回流后抗蝕劑膜720X的形狀。如圖86B所示，其是沿著圖86A中的C-C線的截面圖，襯底702和位于短邊方向的抗蝕劑膜720X的側(cè)面之間形成的傾斜角度α在30度到80度之間。如圖86C所示，其是沿著圖86A中的D-D線的截面圖，襯底702和位于縱向方向的抗蝕劑膜720X的側(cè)面之間形成的傾斜角度β在50度到85度之間。
接著，進(jìn)行到GMR研磨(見步驟J12)，其中離子束沿傾斜方向入射到襯底702以便在GMR元件705上進(jìn)行研磨，由此GMR元件705中沒有被回流后抗蝕劑膜720X覆蓋的指定部分被去除，并且位于縱向方向的GMR元件702的側(cè)面708形成錐形面。
在步驟J12，相應(yīng)于分別位于短邊方向和縱向方向的抗蝕劑膜720X端部的彎曲形狀執(zhí)行離子研磨，使得位于縱向方向的GMR元件705的側(cè)面708和位于短邊方向的GMR元件705的側(cè)面709分別以不同的錐形角度傾斜于襯底702。
在離子研磨中，可以采用使用氬氣、氧、CF4等的指定離子束，其中最優(yōu)選的是氬氣。離子束的入射角傾斜于襯底702，其中優(yōu)選地是相對(duì)于晶片表面的法線傾斜5度到30度。此外，在指定的條件下進(jìn)行離子研磨，其中壓力在0.01帕到0.1帕之間，加速電壓在0.3千伏到0.8千伏之間，并且研磨時(shí)間在1分鐘到3分鐘之間。
當(dāng)采用沿垂直方向加在襯底702上(與襯底702的表面成90度)的離子束進(jìn)行離子研磨時(shí)，換句話說，當(dāng)采用所謂的垂直離子研磨時(shí)，難以使得位于縱向方向的GMR元件705的側(cè)面708呈現(xiàn)錐形，因?yàn)槲挥诳v向方向的抗蝕劑膜720X的側(cè)面所成的傾角β相對(duì)較大，從而錐形角θ有可能大約等于90度。通過使離子束按照前述的角度范圍與襯底702傾斜，換句話說，通過執(zhí)行所謂的傾斜束入射離子研磨，位于GMR元件705縱向方向的側(cè)面708可以形成角度θ在50度到85度之間的錐形面。由于位于GMR元件705的縱向方向的側(cè)面708具有錐形面，有可能按照指定的方向排列GMR元件705中自由層的磁化方向，該方向與沒有外磁場施加到磁傳感器上時(shí)的初始狀態(tài)的縱向方向一致。
在抗蝕劑膜720回流前，即使采用傾斜束入射離子研磨，位于GMR元件705的縱向方向的側(cè)面708也無法被加工成具有處于前述范圍之內(nèi)的錐度θ。這是因?yàn)槲挥诳v向方向的抗蝕劑膜720的側(cè)面均成90度的傾斜角β，所以即使采用傾斜束入射離子研磨，側(cè)面708仍必然形成接近于90度的錐度θ。也即，必須使得抗蝕劑膜720進(jìn)行抗蝕劑回流以改變抗蝕劑膜720X的整個(gè)形狀，使其傾斜角度β處于前述的范圍之內(nèi)；接著對(duì)回流后的抗蝕劑膜720X采用傾斜束入射離子研磨，使得位于縱向方向的GMR元件705的側(cè)面708的θ在50度到85度之間。
通過執(zhí)行抗蝕劑回流(見步驟J11)和GMR研磨(見步驟J12)，位于GMR元件705的短邊方向的另一側(cè)面709形成錐形面，其中其傾斜角度在30度到80度之間。
存在的問題是當(dāng)采用垂直離子研磨時(shí)，通過離子研磨切除的材料必定容易重新粘附到位于GMR元件705的縱向方向的側(cè)面708上。在本實(shí)施例中，在采用傾斜束入射離子研磨前，襯底702以圖87A和87B、圖88A和88B、圖89A和89B所示的方式旋轉(zhuǎn)，在所有方向進(jìn)行傾斜束入射離子研磨，以避免出現(xiàn)不希望的材料再附著，于是提高工藝精確度。
由于GMR元件705由一種金屬或磁性物質(zhì)構(gòu)成，與回流后的抗蝕劑膜720X相比，離子研磨速度相對(duì)較高。與垂直離子研磨相比，傾斜束入射離子研磨的優(yōu)點(diǎn)在于GMR元件705的側(cè)面可以被加速形成錐形面，于是提高制作的產(chǎn)量。
當(dāng)襯底702和回流后的抗蝕劑膜720X之間形成的傾斜角度較大時(shí)，即使采用傾斜束入射離子研磨，GMR元件705中對(duì)應(yīng)于未被離子束照射到的陰影部分的指定側(cè)面可能在其底部留有痕跡，由此這些部分容易再粘附被離子研磨掉的材料。當(dāng)采用傾斜束入射離子研磨時(shí)同時(shí)旋轉(zhuǎn)襯底702，有可能去除再粘附。
為了改進(jìn)GMR元件705使得在執(zhí)行傾斜束入射離子研磨后側(cè)面不會(huì)在底部留下痕跡，需要通過使離子束沿垂直方向加在襯底702上對(duì)GMR元件進(jìn)行離子研磨(見步驟J12)。即使在傾斜束入射離子研磨后采用垂直離子研磨，有可能防止被離子研磨切去的材料又回淀到位于GMR元件705縱向方向的側(cè)面708上，因?yàn)閭?cè)面708已經(jīng)形成了錐形面。
接著，進(jìn)行抗蝕劑除去(見步驟J13)，其中采用由丙酮、N-methyl-2-pyrolidone組成的清洗液部分去除抗蝕劑膜720X，使得GMR元件705的表面被清洗。
接著，進(jìn)行到SiOx成膜(見步驟J14)，其中如圖90所示，在GMR元件705的上表面采用等離子化學(xué)氣相沉積的方法以形成由氧化硅膜組成的、厚度約為150納米的第一保護(hù)膜715。
接著，進(jìn)行到SiN成膜(見步驟J15)，其中在第一保護(hù)膜715的上表面采用等離子化學(xué)氣相沉積的方法來形成由氮化硅膜組成的、厚度約為300納米的第二保護(hù)膜716。
第一保護(hù)膜715和第二保護(hù)膜716可以被統(tǒng)一稱作保護(hù)膜717。也可以在第一保護(hù)膜715和第二保護(hù)膜716之上另外形成一由聚酰亞胺樹脂組成的第三保護(hù)膜。
接著，進(jìn)行到后處理工藝(見步驟J16)，其中在第一保護(hù)膜715和第二保護(hù)膜716的指定位置形成開口；形成襯墊；然后，襯底702被切割以劃成分立的芯片，每個(gè)芯片用樹脂封裝。
本實(shí)施例的磁傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)可以充分控制GMR元件響應(yīng)外磁場的磁各向異性；通過改善自由層中磁化的均勻性可以確保磁傳感器響應(yīng)外磁場時(shí)輸出的穩(wěn)定性；以及甚至在強(qiáng)磁場施加到磁傳感器后，可以精確恢復(fù)自由層中在初始狀態(tài)下建立的原始磁化方向。
按照根據(jù)本實(shí)施例的磁傳感器的制作方法，可提高磁傳感器響應(yīng)外磁場的輸出穩(wěn)定性，而不會(huì)過多改變GMR元件的膜結(jié)構(gòu)和磁傳感器的形成圖形。
接著，將通過多個(gè)樣品對(duì)本實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，這些樣品被制作出來用于試驗(yàn)和測量。
按照根據(jù)第七實(shí)施例的磁傳感器的制作方法，制作了多種具有厚度為40納米的GMR元件的磁傳感器，其中每個(gè)磁傳感器樣品包括均呈帶狀且形狀比設(shè)定為“16”的GMR元件，其中偏磁層位于GMR元件的兩端，其位于縱向方向的側(cè)面形成錐形面(θ設(shè)定為75度)。
在試驗(yàn)中，對(duì)磁傳感器施加外磁場，然后撤消外磁場；其后，沿自由層易軸方向(即，GMR元件的縱向方向)施加一個(gè)強(qiáng)度為40奧斯特的初始磁場，于是，測量磁傳感器的輸出以檢測相比較于放置在初始狀態(tài)的磁傳感器輸出的輸出變化。結(jié)果顯示當(dāng)從初始狀態(tài)計(jì)算的輸出變化變小時(shí)；自由層的磁化方向可被精確恢復(fù)以與初始狀態(tài)下GMR元件的縱向方向一致。
圖91顯示了外部施加的磁場和磁傳感器的下述各種樣品的輸出變化之間的關(guān)系。
比較樣品1是按照前述的制作方法生產(chǎn)的，其中它實(shí)現(xiàn)具有厚度約40納米的GMR元件的磁傳感器，其中呈帶狀的GMR元件將形狀比設(shè)定為“16”。接著，比較樣品1的磁傳感器的輸出變化按上述方法測量。結(jié)果用與點(diǎn)線連接的小圓標(biāo)記標(biāo)繪在圖91中。
比較樣品2是按照前述的制作方法生產(chǎn)的，其中它實(shí)現(xiàn)具有厚度為40納米的GMR元件的磁傳感器，其中GMR元件設(shè)計(jì)成具有形狀比“16”，并且其中偏磁層被設(shè)置在GMR元件的兩端。接著，測量比較樣品2的磁傳感器的輸出變化。結(jié)果用與虛線連接的小三角標(biāo)記標(biāo)繪在圖91中。
此外，也測量了按照本實(shí)施例的磁傳感器的輸出變化，結(jié)果用與實(shí)線連接的“x”標(biāo)記在圖91中畫出。
圖91顯示比較樣品1和比較樣品2的磁傳感器在施加強(qiáng)磁場后自由層的磁化方向必定與初始狀態(tài)原始建立的縱向方向形成偏差。與此相反，在本實(shí)施例的磁傳感器中，GMR元件的側(cè)面在縱向方向形成錐形面，優(yōu)勢在于即使在施加強(qiáng)磁場之后，自由層的磁化方向仍可以精確恢復(fù)到初始狀態(tài)。
接著，將描述對(duì)第七實(shí)施例進(jìn)行的各種變化。
第一個(gè)變化(見圖93A和圖93B)被設(shè)計(jì)用于提高偏磁層的粘附性，方法是采用Z字形GMR圖案來覆蓋偏磁層的上表面，其中GMR元件可進(jìn)行錐形成形。
第二個(gè)變化(見圖94A和圖94B)被設(shè)計(jì)用于在偏磁層上形成GMR元件時(shí)提供定位精度的一定余量，方法是采用其中GMR元件的彎曲部分被設(shè)置在偏磁層內(nèi)部的Z字形GMR圖案，其中GMR元件可進(jìn)行錐形成形。
第三個(gè)變化(見圖95A和圖95B)被設(shè)計(jì)用于提高在GMR元件兩端處自由層的磁化均勻性，方法是采用其中在GMR元件的彎曲部分之內(nèi)形成切口的Z字形GMR圖案，其中GMR元件可進(jìn)行錐形成形。
第四個(gè)變化(見圖96A、圖96B和圖96C)被設(shè)計(jì)采用一Z字形GMR圖案，其中在偏磁層外面設(shè)置GMR元件的彎曲部分外面的指定部分以覆蓋偏磁層的上表面和側(cè)面，其中切口形成于GMR元件的彎曲部分內(nèi)，并且其中GMR元件可進(jìn)行錐形成形。
由于本發(fā)明可以在不背離其精神和基本特征的情況下以多種形式實(shí)施，因而本實(shí)施例是例證性的，而不是限制性的，因?yàn)楸景l(fā)明的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書限定，而不是由前面的描述限定，因此所有落在權(quán)利要求的界限和范圍內(nèi)的或者等效的界限和范圍內(nèi)的改變都已經(jīng)被權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種磁傳感器，包括多個(gè)磁電阻膜，以彼此實(shí)質(zhì)上平行的方式分布，各磁電阻膜具有類帶形狀；和多個(gè)永磁體膜，被分別配置在所述磁電阻膜的端部附近，其中所述永磁體膜被配置成以Z字形圖案接合所述磁電阻膜，使得所述磁電阻膜的一端通過一個(gè)永磁體膜與相鄰的磁電阻膜連接，并且該磁電阻膜的另一端通過另一個(gè)永磁體膜與相鄰的磁電阻膜連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁傳感器，其中通過在一襯底上順序疊層一釘扎層、一被釘扎層、一間隔層和一自由層而構(gòu)成所述磁電阻膜，并且其中該自由層的單軸各向異性方向與所述磁電阻膜的縱向方向和所述永磁體膜的磁化方向一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁傳感器，其中所述永磁體膜被配置成以下列方式接合所述磁電阻膜，使得所述永磁體膜的排列的總矩形比設(shè)定為‘1’以上，并且所述永磁體膜的縱向方向與所述磁電阻膜的縱向方向相一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的磁傳感器，其中所述永磁體膜被配置成以下列方式接合所述磁電阻膜，使得所述永磁體膜的排列的總矩形比設(shè)定為‘1’以上，并且所述永磁體膜的縱向方向與所述磁電阻膜的縱向方向相一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)的磁傳感器，其中所述永磁體膜由導(dǎo)電材料組成以便實(shí)現(xiàn)相鄰磁電阻膜的端部之間電連接在一起。
6.一種磁傳感器，包括襯底；形成于所述襯底上的自旋閥型的磁電阻元件；配置成連接所述磁電阻元件的兩端的偏磁層；和用于分別覆蓋所述磁電阻元件和所述偏磁層的保護(hù)膜，其中在所述磁電阻元件的兩端，所述偏磁層的上表面被所述磁電阻元件的下表面完全覆蓋。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的磁傳感器，其中所述磁電阻元件的所述兩端的側(cè)面和所述偏磁層的側(cè)面之間的距離不超過3um，其中該距離通過從所述保護(hù)膜觀測所述磁電阻元件在所述偏磁層的周緣部分中測量得到。
8.一種磁傳感器，包括襯底；配置在所述襯底上的自旋閥型的磁電阻元件；由永磁體膜構(gòu)成的偏磁層，其與所述磁電阻元件的兩端相連；保護(hù)膜，配置成分別覆蓋所述磁電阻元件和所述偏磁層；以及配置在所述偏磁層與所述保護(hù)膜之間的中間層。
9.一種磁傳感器，包括襯底；配置在所述襯底上的自旋閥型的磁電阻元件；由永磁體膜構(gòu)成的偏磁層，其與所述磁電阻元件的兩端相連，且所述磁電阻元件配置成覆蓋所述偏磁層的一部分；保護(hù)膜，配置成分別覆蓋所述磁電阻元件和所述偏磁層；以及中間層，配置成與所述磁電阻元件、所述保護(hù)膜和所述偏磁層相連以便完全覆蓋所述偏磁層的上表面。
10.一種磁傳感器，包括襯底；配置在所述襯底上的自旋閥型的磁電阻元件；由永磁體膜構(gòu)成的偏磁層，其與所述磁電阻元件的兩端相連，且所述磁電阻元件配置成覆蓋所述偏磁層的一部分；保護(hù)膜，配置成分別覆蓋所述磁電阻元件和所述偏磁層；以及中間層，配置成覆蓋所述偏磁層的上表面的未被所述磁電阻元件覆蓋的部分。
11.一種磁傳感器，包括襯底；配置在所述襯底上的自旋閥型的磁電阻元件；由永磁體膜組成的偏磁層，其與所述磁電阻元件的兩端相連，所述磁電阻元件配置成覆蓋所述偏磁層的一部分；配置成分別覆蓋所述磁電阻元件和所述偏磁層的保護(hù)膜；和中間層，配置成覆蓋未被所述磁電阻元件覆蓋的所述偏磁膜的上表面的部分和覆蓋所述磁電阻元件的上表面和所述磁電阻元件的所述兩端的側(cè)面。
12.一種磁傳感器，包括襯底；配置在所述襯底上的自旋閥型的磁電阻元件；由永磁體膜構(gòu)成的偏磁層，其與所述磁電阻元件的兩端相連；配置成分別覆蓋所述磁電阻元件和所述偏磁層的保護(hù)膜；以及配置成完全覆蓋所述偏磁層的上表面和覆蓋所述磁電阻元件的上表面和所述磁電阻元件的所述兩端的側(cè)面的中間層。
13.一種磁傳感器，包括配置在襯底上的至少一個(gè)磁電阻元件；以及配置在所述襯底上的至少一個(gè)永磁體；其中，所述磁電阻元件包括一自由層、一形成于所述自由層上的間隔層和一形成于所述間隔層上的被釘扎層，以及其中，所述磁電阻元件的寬度在6um到8um之間，并且所述間隔層的厚度在28至34之間。
14.一種磁傳感器的制造方法，其中一偏磁層與形成在一襯底上的具有類帶形狀的磁電阻元件的兩端相連接，所述制造方法包括下列步驟在所述磁電阻元件上涂覆抗蝕劑以便形成一抗蝕劑圖案；加熱所述抗蝕劑圖案使其回流，于是形成其表面傾斜的抗蝕劑膜；以及沿傾斜方法對(duì)該襯底施加離子束，于是在所述磁電阻元件上執(zhí)行研磨；其中位于縱向方向上的所述磁電阻元件的指定側(cè)表面經(jīng)歷錐形成形。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的磁傳感器的制造方法，其中當(dāng)在所述磁電阻元件上執(zhí)行研磨后，沿垂直方向?qū)㈦x子束加在襯底上，于是進(jìn)一步在所述磁電阻元件上執(zhí)行研磨。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的磁傳感器的制造方法，其中位于縱向方向上的所述磁電阻元件的所述側(cè)表面經(jīng)歷錐形成形，使得所述磁電阻元件的自由層的磁化方向在沒有施加外部磁場的情況下被迫沿所述磁電阻元件的縱向方向排列。
全文摘要
提供一種磁傳感器及其制造方法，該磁傳感器包括襯底、自旋閥型的磁電阻元件、偏磁層(或者永磁體膜)和保護(hù)膜，其中偏磁層與磁電阻元件的兩端連接，在磁電阻元件的兩端偏磁層的上表面被磁電阻元件的下表面完全覆蓋。在這里，從保護(hù)膜方向看，磁電阻元件兩端的側(cè)面和偏磁層側(cè)面之間的距離不超過3微米。此外，偏磁層的一部分可以被磁電阻元件的兩端覆蓋，并且一中間層設(shè)置為與磁電阻元件、偏磁層和保護(hù)膜相連以便完全覆蓋偏磁層的上表面。
文檔編號(hào)G01R33/09GK1598609SQ200410069969
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月18日
發(fā)明者涌井幸夫, 吉田晉, 相曾功吉 申請(qǐng)人:雅馬哈株式會(huì)社