传感器在现代系统中广泛用于测量或检测物理参数，例如但不打算局限于，位置、运动、力、加速度、温度、压力等。在现有技术中存在许多不同类型的传感器用于测量这些和其他参数。但是，它们都遭受本领域中众所周知的各种限制，例如尺寸和重量过度、敏感度和/或动态范围不足、成本、可靠性和其他因素。因此，继续存在对于改进的传感器，特别是可以容易地与半导体器件和集成电路集成在一起的传感器，从而制造方法的需求。
因此，期望提供一种适合于测量各种物理参数的改进传感器和方法。另外，期望传感器和方法简单、严格且可靠，此外可以与半导体器件和集成电路结构和制造方法兼容，以及优选地但不是必需地适合于在相同衬底上形成。此外，期望改进的传感器和方法将正在测量的物理参数转换成电信号。本发明的其他期望特征和特性将从结合附随附图以及前述技术领域和背景的随后详述和附加权利要求中变得明白。

本发明将结合下面的附图在下文描述，其中类似的数字表示类似的元件，以及
图1是根据本发明一种实例实施方案，使用磁性隧道结(MTJ)的传感器的简化示意侧视图和电路；
图2是图1的磁性隧道结的侧视图的集合，说明其中的磁自旋轴的不同取向；
图3是图1的磁性隧道结的分解平面图的集合，说明其中的磁自旋轴的不同取向；
图4是对于磁自旋轴的两种不同取向，磁性隧道结的电流对比电压的简化曲线图；
图5-7是磁性隧道结的电阻作为外加磁场的函数的简化曲线图；
图8是根据本发明另一种实例实施方案的磁性隧道结传感器的简化示意侧视图，其使用支撑其位置取决于传感器输入的磁场源的可移动悬臂梁；
图9是图8的磁性隧道结传感器的简化平面图，其中载流柔性U形悬臂梁依赖于传感器输入提供变化的磁场到磁性隧道结；
图10是图8的磁性隧道结传感器的简化平面图，其中单个柔性悬臂梁支撑依赖于传感器输入提供变化的磁场到磁性隧道结的永久磁体；
图11是根据本发明另一种实例实施方案，通过磁性隧道结传感器的简化示意横截面视图；
图12是图11的传感器的简化部分切去平面图；
图13是与图11类似但是根据本发明再一种实例实施方案的简化示意横截面视图；
图14是与图11类似但是根据本发明又一种实例实施方案且使用有源磁场源的简化示意横截面视图；
图15是显示更多细节的图14的传感器的简化部分切去平面图；
图16是与图14类似但是根据本发明另一种实例实施方案，适合于测量温度或压力的简化示意横截面视图；
图17是发明的传感器的制造方法的简化流程图；
图18是与图17的流程图类似但是显示更多细节的简化流程图；
图19是说明图17-18的方法的一种实施方案的更多细节的一组示意横截面视图；
图20是与图19的那些类似但是根据本发明方法的另一种实例实施方案的一组示意横截面视图；
图21是与图19-20的那些类似但是根据本发明方法的再一种实例实施方案的一组横截面视图；
图22是根据本发明一种实施方案的MTJ的电极的分解平面图，其中电极中至少一个是正方的；
图23是根据本发明实施方案的MTJ的电极的分解平面图，其中任何一个或两个电极都具有各种实例、非正方形状；
图24是根据本发明实施方案的MTJ的电极的平面图，其中电极中至少一个具有相对于另一个电极的各种角度排列；
图25是多个传感器的简化平面图，其中不同尺寸的悬臂梁支撑位于多个MTJ附近的磁场源；
图26是简化示意电路图，其中图25的多个MTJ说明为电并联；以及
图27是对于图26的并联方案，隧穿电阻RT对比力或加速度F的简化曲线图，其中RT是通过多个隧道结的隧穿电阻的并联组合并且F是同时施加到多个传感器的加速度或力。

下面的详细描述实际上仅是示范性的而不打算限制本发明或者本发明的应用和使用。而且，并不打算由在前面技术领域、背景、简述或下面的详述中提出的任何显式或隐式理论限制。
为了说明简单且清晰，附图说明构造的一般方式，并且可以省略众所周知的特征和技术的描述和细节以避免不必要地混淆本发明。另外，附图中的元件不一定按比例绘制。例如，图中元件或区域的一些的尺寸可能相对于其他元件或区域而夸大，以帮助促进本发明的实施方案的理解。
说明书和权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等，如果存在的话，可以用来区分类似的元件，而不一定用于描述特定的顺序或年代次序。应当理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，使得这里描述的本发明的实施方案例如能够以除说明或另外在这里描述的那些之外的顺序操作。此外，术语“由......构成”、“包括”、“具有”及其任何变体打算覆盖非排他的包括，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或装置并不一定局限于那些元素，而是可以包括没有显式列出或者这种过程、方法、物品或装置固有的其他元素。
说明书和权利要求中的术语“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“上面”、“下面”等，如果存在的话，用于描述目的而不一定用于描述永久的相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，使得这里描述的本发明的实施方案例如能够在除说明或另外在这里描述的那些之外的其他取向中操作。如这里使用的术语“连接(耦合)”定义为以电学或非电学方式直接或间接连接。
图1是根据本发明的一种实例实施方案，使用磁性隧道结(MTJ)32和可移动磁场源(MFS)34的传感器30的简化示意侧视图和电路。磁场源(MFS)34如由箭头44-1、44-2(集体地为44)指示地自由移动并且提供相对于MTJ 32移动的磁场35，从而依赖于MFS 34与MTJ 32的相对位置改变MTJ 32处磁场H的强度和/或方向。MTJ 32包括第一电极36、绝缘隧穿电介质37和第二电极38。当电压Vt跨越MTJ 32而施加时，电流It因量子力学隧穿从电极36通过绝缘体37流到电极38或者相反，取决于外加电压的极性。
电极36，38期望地是例如磁性材料，但是不打算局限于，NiFe、CoFe等，或者更一般地，其电子自旋轴可以集体对准的材料。适当电极材料和排列的实例是常见用于磁电阻随机存取存储器(MRAM)器件的材料和结构，其在本领域中众所周知且尤其包含铁磁材料。期望电极36，38具有不同的矫顽力，也就是，电极36应当具有高矫顽力使得它的自旋轴取向可以被钉扎从而基本上不受MFS 34的移动所影响，而电极38应当具有比较低的矫顽力，使得它的自旋轴取向由MFS 34的移动改变。期望电极36的矫顽力比电极38的矫顽力高大约两个数量级，但是更大和更小的比例也可用。电极的矫顽力可以通过根据本领域中众所周知的方法改变它们的组成而调节。实例自旋轴对准在图1中指示，其中电极36的矢量40(在下文自旋轴40)指示电极36中的电子自旋轴垂直于图1的附图平面对准且面向平面内，并且电极38的矢量42(在下文自旋轴42)指示电极38中的电子自旋轴平行于附图平面对准且在图1中面向右，也就是与自旋轴40正交。可以在磁场存在的情况下通过适当热处理以及通过其他方法将自旋轴取向被钉扎在一个方向或另一个方向上。期望地钉扎下电极36，也就是与磁场源34距离最远的电极中的自旋轴。自旋轴可以依赖于例如源34的磁场方向而被钉扎在任何方便的方向上。上(最接近MFS 34)电极38中的自旋轴42是自由的，也就是不被钉扎并且响应由MFS 34提供的磁场35相对于电极36中的被钉扎自旋轴40改变取向。磁场源导体34A方便地提供在MTJ 32附近，但是位于与MFS 34相对的一侧上，并且定向以便在磁场方面与MFS 34呈直角。电流If方便地提供在MFS导体34A中以便帮助将自旋轴42取向改变到仅使用MFS 34可能的方向之外的其他方向，或者在通过接近MFS 34而取向改变之后将自旋轴42恢复到先前状态。
图2是图1的磁性隧道结(MTJ)32，也就是MTJ 32-1...32-5的侧视图的集合，说明电极36，38中磁自旋轴40，42的不同相对取向。在MTJ 32-1中，自由自旋轴42-1和被钉扎自旋轴40-1平行，位于图2的附图平面内并且都面向右。在MTJ 32-2中，自由自旋轴42-2和被钉扎自旋轴40-2平行且位于附图平面内，但是面向相反(反平行)方向，轴42-2面向左而轴40-2面向右。在MTJ 32-3中，自旋轴正交，电极38中的自由自旋轴42-3位于附图平面内且面向右，而电极36的被钉扎自旋轴40-3垂直于附图平面且面向附图平面内。在MTJ 32-4中，自旋轴反平行，自旋轴42-2面向附图平面内而自旋轴40-4面向附图平面外。在MTJ 32-5中，自旋轴42-5和40-5平行，垂直于附图平面且面向附图平面内。图2的实例并不意味着穷举，而仅仅说明各种相对自旋轴取向是可能的。其他相对取向也是可能的。
图3是图1的磁性隧道结32的分解平面图32-6，32-7，32-8的集合，说明其中的磁自旋轴的不同取向，如垂直于图2的视图看到的。虽然在图1-2中，电极38位于电极36上面且由隧穿电介质37与其相隔，但是在图3中，电极36，38从这种对准位移，使得可以更容易地看到位于电极36，38平面中的自旋轴的方位取向。例如，在图3的MTJ 32-6中，自旋轴42-6和40-6具有与图2的MTJ 32-1的自旋轴42-1和40-1相同的取向，并且在图3的MTJ32-7中，自旋轴42-7和40-7具有与图2的MTJ 32-3的自旋轴42-3和40-3相同的取向。但是，图3的MTJ 32-8说明另一种可能性，也就是，自旋轴42-8具有与自旋轴40-8既不平行也不正交的方位取向，而是位于相对于自旋轴40-8呈中间方位角。在前述中，假定电极36，38足够薄使得自旋轴40，42总是位于电极36，38的平面内，但是可能在电极36，38的平面中以不同的相对方位角而定向。
电极36和38中自旋轴的相对取向影响MTJ 32的电学性质。这是因为，自旋取向影响最多隧穿发生的费米能级附近的电子状态的密度，因此影响恒定势垒厚度时对于相同的外加电场或外加电压的隧穿可能性。图4显示对于磁自旋轴40，42的两种不同取向，磁性隧道结32的典型电流对比电压曲线图50。迹线51对应于自旋轴40，42平行的情况并且迹线52对应于自旋轴40，42反平行的情况。对于跨越MTJ 32的给定电压Vt＝Vt(1)，当It对比Vt特性对应于迹线51时MTJ 32具有电导率Ct(1)，并且当It对比Vt特性对应于迹线52时具有不同的电导率Ct(2)。换句话说，当MTJ 32处于由迹线51表征的状态时，那么对于Vt＝Vt(1)，It＝It(1)，并且当MTJ 32处于由迹线52表征的状态时，对于相同的电压Vt＝Vt(1)，则It＝It(2)＜It(1)。电导率Ct或电阻Rt或者恒定电压时电流It的该差异可以用来检测电极36，38中自旋轴40，42的相对取向的变化。因为电极38中的自旋轴取向取决于外加磁场H(例如参看图1)，电导率或电阻的变化或者恒定电压时电流的变化可以用来检测H的变化或者可以引起H变化的任何物理参数的变化。如图1中说明的，MFS 34相对于MTJ 32的位置或取向的变化(例如由箭头44-1和44-2说明的)引起MTJ 32处H变化，因此可以引起MTJ 32的电学性质以可预测的方式变化。如图4中指示的，对于两种情况的隧穿电阻Rt可以从关系Rt(2)＝Vt(1)/It(2)和Rt(1)＝Vt(1)/It(1)中计算。
图5-7是MTJ 32的隧穿电阻Rt作为外加磁场H的函数的简化曲线图60，62，64。图5的曲线图60说明电极38像单个磁畴一样开关的情况，也就是它的自旋轴42保持基本上不变直到达到临界磁场Hc或-Hc，由此它基本上突然改变或取向改变到新的取向。例如，如果MTJ 32处于由Vt＝Vt(1)时Rt＝Rt(1)表征的状态，它保持在该状态直到H＝Hc然后取向改变到由Rt＝Rt(2)表征的状态。当它向回取向改变时，它保持在该状态直到H＝-Hc。当期望传感器20响应加速度、力、温度、位置、压力或者例如通过使得MFS 34相对于MTJ 32移动而引起H变化的任何其他物理参数的变化具有二进制输出时，该类型的磁滞行为非常有用。向回取向改变所需的磁场-Hc可以方便地由图1中显示的电流导线34A提供。
图6的曲线图62说明电极38表现出相当于多个磁畴的情况，其可以在稍微不同的磁场Hc′≤Hc≤Hc″单独取向改变。为了说明假设MTJ 32处于由Rt＝Rt(1)表征的状态，那么随着H增加，Rt保持不变直到H＝Hc′，由此Rt开始在恒定电压下逐渐增加直到H＝Hc″，由此Rt锁定在Rt＝Rt(2)。磁滞循环62具有倾斜平行六面体形状。图7显示电极38的材料和取向是这样的(例如彼此呈直角)，使得磁化可以响应H的增加或减小而连续旋转的情况。那么磁滞循环基本上毁坏成几乎直线，如由在Rt＝Rt(1)和Rt＝Rt(2)处具有两个极值的Rt对比H曲线图64显示的。当自旋轴42可以相对于自旋轴40连续旋转时，该情况发生，如例如图3的MTJ 32-8中显示的。图1中显示的电流导线34A方便地结合由曲线图60，62描绘的方案使用以提供磁场-Hc，使得自旋轴42可以重置，也就是取向改变回到它由磁场35扰乱之前的初始取向。
图8是根据本发明的实例实施方案的磁性隧道结传感器70的简化示意侧视图，其使用具有其位置取决于到传感器70的输入的磁场源86的可偏转悬臂梁84。MTJ传感器(MTJS)70包括衬底72，方便地MTJ器件32和具有磁场源86的悬臂梁84形成于其上的半导体衬底。衬底72期望地具有提供用于测量MTJ 32的电学性质变化的电子电路系统73的部分74，但这不是必需的。当使用有源磁场源(例如参看图9)时，电路系统73也可以包括磁场源(MFS)部分86的电流驱动器，但这不是必需的。导体76方便地用作到MTJ电极36的电接触并且导体78用作到MTJ电极38的电接触。导体76，78方便地由Ta/TaN制成，但这不打算限制，并且可以使用任何合理的导电材料。绝缘层(没有显示)可以提供在导体76与部分74之间。虽然没有显示以避免使图8-10过度混乱，但是图1的电流导线34A也可以提供在MTJ 32下面，也就是导体76与衬底72的区域74之间，但这不是必需的。提供电介质区域75以支撑电极78。隧穿电介质37方便地由氧化铝制成，虽然也可以使用可以在非常薄、基本上均匀且没有针孔的层中制造的其他高度绝缘材料，例如MgO。电介质平面化层77提供在导体76，78上面。悬臂梁84的区域82由层77的区域92支撑。悬臂梁84的部分85和86是自由的，也就是它们可以如由箭头88指示地移动。梁84的磁场源(MFS)部分86位于MTJ 32上面。凹槽或开口80提供在层77中以允许悬臂梁84的部分85和MFS部分86例如朝向和远离MTJ 32偏转，如由箭头88指示的。如结合图9和10说明的，MFS86可以是有源的，也就是载流(例如参看图8-9)，或者可以是无源的，也就是包括永久磁体87(例如参看图8，10)。无论什么物理参数期望由传感器70测量，这种物理参数耦合到悬臂梁84以便使得它响应这种物理参数的变化如由箭头88指示地偏转。
图9是与图8的传感器70的实例实施方案相对应的磁性隧道结传感器70-1的简化平面图90-1，其中悬臂梁84具有U形，如可以在图9中看到的。载流可偏转悬臂梁84-1具有提供变化的磁场到磁性隧道结(MTJ)32的MFS部分86-1。 MTJ 32在平面图90-1中看到，电极38最接近观察者。U形悬臂梁84-1具有锚固在层77的区域92-1上的末端区域82-1，以及在层77中的凹入区域或开口80-1上延伸的部分85-1和86-1。 MFS部分86-1形成“U”的底部并且覆盖在MTJ 32上面。电流96流过包括MFS部分86-1的U形悬臂梁84-1，并且在MTJ 32附近产生与图1的传感器20的磁场35类似的磁场。这种方案称作具有有源磁场源(MFS)，也就是磁场由电流而不是由永久磁体产生。虽然悬臂梁84-1说明为具有“U”形的直的、恒定宽度的腿部，这种直的恒定宽度的腿部仅为了说明方便，而不打算限制，并且基于这里的描述本领域技术人员将理解，可以使用适合于容纳期望电流并且在箭头88的方向上提供期望偏转特性的任何U形。
图10是与图8的传感器70的另一种实例实施方案相对应的磁性隧道结传感器70-2的简化平面图90-2，其中具有永久磁体87位于其上的MFS部分86-2的悬臂梁84-2响应到传感器70-2的输入的变化提供变化的磁场到磁性隧道结32。这种方案称作具有无源磁场源，也就是磁场由永久磁体而不是由载流导线或线圈产生。MTJ 32在平面图90-2中看到，电极38最接近观察者。悬臂梁84-2是具有锚固在层77的区域92-2上的末端区域82-2，以及在层77中的凹槽或开口80-2上延伸的部分85-2和86-2的单梁。提供永久磁体87，由任何方便的方法连接到MTJ 32上方的MFS部分86-2。磁体87方便地，但不是必需地安装在部分86-2下面的梁84-2的下侧，而是也可以安装在部分86-2上面或部分86-2上的其他位置。磁体87在MTJ 32附近产生与图1的传感器20的磁场35类似的磁场。虽然悬臂梁84-2在图10中说明为在锚固区域82-2与MFS部分86-2之间具有渐细宽度93，但这仅为了说明方便，并且本领域技术人员将理解，可以使用任何形状以便在箭头88的方向上提供悬臂梁84-2的期望偏转特性。
图11-16说明MTJ 32如何可以用来提供能够检测多种物理参数的传感器。图11-16打算是非限制性实例，并且基于这里的描述本领域技术人员将理解，遵循这些和其他实例在这里讲授的基本原理的许多其他实现是可能的。为了描述方便，图11-16的传感器说明为分立、独立形式，而不是包括感测和/或驱动电路系统的集成电路的部分，但是这并不排除。图11-16和相关讨论目的仅为了便于说明，而不打算限制。基于这里的描述本领域技术人员将理解，这些各种实例中讲授的原理可以分离或集成形式使用。
图11是根据本发明另一种实例实施方案通过磁性隧道结传感器100的简化示意横截面视图。图12是图11的传感器100的简化部分切去平面图。为了使得它们更容易在图12中可见并且不打算限制，MTJ 32假设在平面图中基本上正方并且磁场源104假设在平面图中是圆形的，但是这仅为了描述方便。传感器100包括MTJ 32，导线或导体76，78安装在主体101中。再次参考图11，具有与图8和10的源87以及图1的源34类似的磁场源104的隔膜102位于MTJ 32上，其中MFS 104类似于图8和10的源87以及图1的源34。具有磁场源104的隔膜102响应各种外部刺激如由箭头106指示地移动。这具有改变MTJ 32处的磁场H，从而使得它的电学性质改变的效果，如结合图1-7说明的。因此，传感器100可以检测可以改变磁场源(MFS)104与MTJ 32的相对位置的任何物理参数或函数的变化。这种物理现象的非限制性实例是运动、加速度、力、压力、温度等。
图13是与图11的传感器100类似但是根据本发明再一种实例实施方案的传感器111的简化示意横截面视图。传感器111不同于传感器100在于包括粘附柄105和粘附孔107，以便于将具有MFS 104的隔膜102耦合到远程输入，例如但不局限于，其位置或加速度将被监控或检测的对象，或者用于耦合到其尺寸或间隔随着温度、压力或其他物理参数变化的器件。
图14是一般地与图11类似但是根据本发明又一种实例实施方案并且使用与图8-9的磁场源悬臂梁84，86以及图1的源34类似的有源磁场源悬臂梁108的传感器112的简化示意横截面视图。图15是显示更多细节的图14的传感器112的简化部分切去平面图。与图8-9的悬臂梁84类似并且与磁场源86类似的末端110位于MTJ 32上的悬臂梁108安装在隔膜102与MTJ 32之间。控制或耦合装置109方便地提供在隔膜102的下侧，也就是面向悬臂梁108的一侧，以便于隔膜102到悬臂梁108的耦合运动106。悬臂梁108的第一端锚固主体101中区域101-1中并且远端110在图14中垂直方向上朝向或远离MTJ 32自由移动。如在图15中可以更容易看到的，悬臂梁108期望是U形，形成“U”的“底部”的远端110位于MTJ 32上，类似于图8-9的MFS 86。悬臂梁108适合于载有与图9的电流96类似的电流114，其在MTJ 32附近产生与图1的磁场35类似的磁场H。经由控制或耦合装置109耦合到悬臂梁108的隔膜102的位置的变化改变MTJ 32处的磁场H，从而改变它的电学性质，如结合图1-7说明的。因此，图14-15的方案可以用作已经提及的任何物理参数的传感器，并且具有更多优点，即通过改变驱动电流114，可以调节MTJ 32处的环境磁场H使得传感器112依赖于期望二进制输出(例如参看图5)还是模拟输出(例如参看图7)还是其组合(例如参看图6)在最有利的范围内操作。这是显著的优点。
图16是与图14的传感器112类似但是根据本发明另一种实例实施方案的简化示意横截面视图。传感器116特别适合于测量压力和/或温度。传感器116不同于传感器114在于包括具有位于隔膜102上的内室120的外壳118。当期望传感器116主要用作压力传感器时，可选的I/O口119提供在外壳118中并且耦合到将要确定其压力的室或线或区域。室120中压力的增加使得隔膜102和悬臂梁108的远端110朝向MTJ 32移动，从而增大MTJ 32处的磁场H。当室120中的压力降低时，相反的情况发生并且MTJ 32处的磁场H减小。响应磁场H的变化电学性质的相应变化提供反映压力变化的电学输出。如先前说明的，该输出可能是二进制、模拟或二者的混合。
当期望传感器116用作温度传感器时，省略或密封可选的I/O口119，从而在室120内捕获已知量的气体。随着室120内气体的温度响应外壳118的温度变化而升高或降低，室120内气体的压力因此响应，隔膜102朝向或远离MTJ 32移动并且MTJ 32的电学性质以已经对于压力传感器的情况描述的相同方式变化。通过调节参考温度下的初始气体压力以及可选地驱动电流114，从MTJ 32输出的参考温度可能设置为期望值。类似地，传感器116的动态范围可以通过选择悬臂梁108和隔膜102的弹簧常数而改变。通过适当设计隔膜102和/或悬臂梁108，传感器116的响应可以依赖于期望的应用做成线性或非线性。本领域技术人员理解如何使得悬臂弹簧或隔膜具有线性或非线性响应。这些是本发明的另外优点。虽然图16的压力和温度传感器116已经说明使用U形有源磁场源，但这不打算限制，并且也可以使用无源磁场源和单臂悬臂梁。可能期望提供MTJ 32的温度稳定性使得MTJ 32自身性质的温度变化与MFS 104或110的运动引起的变化相比较并不显著。
图17是发明的传感器的制造方法122的简化流程图。方法122从开始123和初始形成MTJ步骤124开始，其中制备例如与图1和8-18的MTJ 32类似的磁性隧道结(MTJ)，具有或不具有图1的导体34A。本领域技术人员将理解MTJ 32的几何形状和排列仅是示范性的而不打算限制。也可以使用其他MTJ构造。在随后的步骤125中，可移动磁场源(MFS)，例如图1和8-16中说明的MFS 34，86，87，104，110可移动地耦合到MTJ 32，使得MTJ 32处的磁场因相应MFS的运动而改变。可以使用任何类型的磁场源。在图11-16中说明的构造的传感器的情况下，包含MFS 104，110的隔膜102附着在MTJ 32上面。然后方法122一般地在结束126处完成。
图18是与图17的方法122类似但是显示更多细节的方法122′的简化流程图。开始123′和形成MTJ步骤124与方法122中相同。在图18中，步骤125细分成在MTJ上添加平面化隔离物步骤127，继之以在平面化隔离物上形成MFS步骤128，以及然后步骤129，其中去除步骤128中提供的平面化隔离物的一部分以形成凹腔或开口80，使得MFS(例如MFS 34，86，87，104，110)可以响应期望感测或测量的变化的物理参数相对于MTJ(例如MTJ32)移动，由此该移动改变MTJ(例如MTJ 32)处的磁场。方法122′适合于使用集成电路技术制造传感器30，70的情况，但并不局限于此。方法122′然后继续到结束126′。
图19是通过步骤132-148说明图17-18的方法的实施方案的更多细节的一组简化示意横截面视图(在下文方法130)。方法130可以细分成与图17-18的步骤124相对应的步骤132-138以及与图17-18的步骤125类似的步骤140-148(集体地为125-1)。方法130方便地对于MTJ传感器32作为集成电路的部分制造的情况而描述，但是本领域技术人员将理解如何着手将传感器制造成独立(free-standing)元件。在初始步骤132中，提供衬底150，优选地适合于制备集成电路的半导体衬底(例如Si、GaAs等)。在步骤134中，使用众所周知的半导体集成电路处理技术形成晶体管和/或其他元件，以在衬底150中和/或衬底150上提供MTJ传感器的测量和/或驱动电路系统152以及如果期望的话电流导线34A。本领域技术人员将理解如何做。这对于本发明不是必需的。在步骤136中，生长或沉积由例如氧化硅和/或氮化硅或其他绝缘材料制成的电介质层154，并且由例如铝、铜、钽、氮化钽、钛、氮化钛等制成的第一导体76沉积或形成于其上且形成图案，从而可选地在区域157中与电路152的适当元件接触。由例如铱锰、铂锰、钴铁、钴铁硼、钌等或者其组合制成的第一电极36沉积在导体76上并且与其电接触，并且形成图案以形成MTJ 32的第一电极36(参看图8)。所选材料的组合应当具有相对高的矫顽力。到目前为止提供的各种半导体、电介质和导体区域或层，以及衬底150足够耐火以便承受可以用来将电极36中的自旋轴40钉扎在预先确定取向上的退火温度(例如200-350摄氏度)是期望的，但不是必需的。但是，也可以使用钉扎自旋轴40的其他方法。在步骤138中，例如由氧化铝或氧化镁制成的隧穿电介质37生长或沉积在电极36上，并且由例如镍铁、钴铁、钴铁硼、钌等制成并且可能覆盖有导电材料例如钽、氮化钽、钛、氮化钛等的导电电极38生长或沉积在隧穿电介质37上。在电极38中使用的材料的组合应当具有比制成电极36的材料低的矫顽力。电极36、电介质37和电极38形成图1和8中说明的MTJ 32。导体76，78方便地提供以分别接触电极36，38。虽然导体76，78显示在位置157，169接触电路152的适当元件，这不是必需的，并且它们可能以任何方便的方式耦合到驱动电子设备。
由例如二氧化硅、氮化硅、磷掺杂二氧化硅等制成的第一平面化层166沉积或生长或者另外形成于现有结构上，使得电极38的顶面暴露。作为选择，第一平面化层166可以沉积，然后例如通过化学机械抛光(CMP)工艺或通过一系列光刻和刻蚀，从电极38的顶面的全部或部分选择性地去除。由例如铝、铜、钽、氮化钽、钛、氮化钛等或者甚至这些类型材料的组合制成的导体78然后沉积、生长或另外形成于其上以便与电极38电接触，并且可选地在位置169与电路152的适当元件电接触。从导体78延伸到位置169的下沉锤(sinker)163可以同时且作为导体78的一部分形成，或者可以在导体78形成之前或之后单独形成。任何方案是可用的。但是，下沉锤163(以及步骤136的下沉锤153)不是必需的，并且导体78(和导体76)可以路由到其他位置而不是到掩埋电路152。在步骤140中，由例如二氧化硅、氮化硅、磷掺杂二氧化硅等制成且具有顶面171的第二平面化层170沉积、生长或者另外形成于第一平面化层166和导体78上。第二平面化层170的厚度173将部分地决定悬臂梁84与MTJ 32的周围间隔。厚度173有用地在0.1-1.0微米的范围内，方便地在0.1-0.5微米的范围内且优选地在0.2-0.4微米的范围内。如果永久磁体87安装在面向MTJ 32的悬臂梁84的底面上，那么它的厚度需要考虑。
梁84期望的材料然后生长或沉积或者另外形成于表面171上适当位置中，使得MFS区域86，110(参看图8-12)将位于MTJ 32上并且位于层170上的锚固区域82(参看图8-12)由期望梁长度与其相隔。多种材料，纯的或合金或合成物或层叠结构可以用于梁84的材料。Cu、Al、Au、Ti、W、多晶硅及其各种混合物和合金是适当材料的非限制性实例，但是也可以使用其他材料。这种材料方便地但不是必需地通过溅射、共溅射、蒸发、电镀、无极电镀或化学汽相沉积形成或沉积，或者可以使用其组合。溅射和共溅射，也许结合电镀是优选的，但是也可以使用其他材料和工艺。重要的在于梁84具有适合于期望应用的尺寸和刚度。基于这里的描述本领域技术人员将理解如何为他们的应用设计和制造具有期望性质的悬臂梁。图9中说明的类型的实例梁结构使用Cu制造，梁厚度在大约0.3-1.0微米的范围内，U形臂宽度大约为100微米，并且MFS区域86(参看图8-10)大约为5微米宽度。
在步骤144中，由例如二氧化硅或氮化硅制成的另外掩蔽层174方便地生长或沉积或者另外形成于第二平面化层170以及支撑梁84上。孔或开口175使用本领域众所周知的方法，例如使用一系列光刻和刻蚀提供在其中。留下悬臂梁84的一部分82(参看图8-12)由掩蔽层174覆盖。孔或开口175另外稍微延伸到梁84的剩余部分的外围，使得在方法步骤146中，位于开口175下面的平面化层170的部分178可以例如通过湿法刻蚀工艺去除，从而在它的位置中形成凹腔或凹槽80。本领域技术人员将认识到，如果在它形成之前沿着凹腔80的内壁垂直地以及沿着凹腔80的底部提供刻蚀停止层(没有显示)，实现该工艺的更好控制。梁84现在是自由的，除了锚固到平面化层170(例如图8的区域77)的一部分(例如图8的部分92)的部分(例如图8的部分82)之外。在方法步骤148中，去除掩蔽层174的剩余部分(期望地但不是必需地)，并且可选地，用于提供电流96的导线179(参看图8-9)结合或另外耦合到梁84的部分82。如果图11的构造与无源MFS 87一起使用，则不需要导线179。
图20是与图19的方法130的步骤132-148类似但是根据本发明方法的另一种实例实施方案的一组简化示意横截面视图132-138，140′-148′(集体地方法130′)。方法130′可以细分成与图1 7-18的步骤124相对应的步骤132-138以及与图17-18的步骤125类似的步骤140′-148′(集体地125-2)。在图19-20中使用相同的参考数字标识类似的区域或层，其中区域或层不一定完全相同但是类似，通过使用加撇(′)的相同参考数字标识它们。例如，图20中的步骤140′与图19中的步骤140类似，图20中的表面171′与图19中的表面171类似，等等。因为方法130，130′之间的显著共同性，在这里引用方法130的讨论作为参考并且仅在这里说明显著不同。方法130′的步骤132-138与方法130中基本上相同并且不在这里进一步描述。步骤140′-148′在一些方面不同。在步骤140′中，由例如磷掺杂二氧化硅制成的牺牲区域172沉积并形成图案，以便具有与对于提供在悬臂梁84下面的凹腔80(参看图8)期望的基本上相同的形状、位置和厚度173′。区域172和第二平面化层170′有差异地可刻蚀或可溶解是重要的，也就是能够将区域172溶解掉而不显著影响第二平面化层170′或者任何下面的层或区域。由例如二氧化硅或氮化硅制成的第二平面化层170′在步骤142′中形成以便具有与牺牲区域172的顶面171″基本上齐平的顶面171′。这可以例如通过沉积第二平面化层170′，继之以CMP步骤或其他平面化工艺的序列实现。在步骤144′中，以与先前在方法130中描述的基本上相同的方式并且使用基本上相同的材料以及形状和尺寸形成悬臂梁84。在步骤146′中，刻蚀掉牺牲区域172，在悬臂梁84下面留下与图8的凹腔或凹槽80相对应的凹腔或凹槽80。在步骤148′中，导线179可选地附着到梁84，如先前结合方法130的步骤148描述的。方法130′的最终结果与由方法130获得的结果类似。方法130′是优选的。
图21是与图19-20的那些类似但是根据本发明方法的另一种实例实施方案200的一组示意横截面视图132-138，140′，202-206。方法200可以细分成与图17-18的步骤124相对应的步骤132-138以及与图17-18的步骤125类似的步骤140′，202-206(集体地125-3)。在图19-21中使用相同的参考数字标识类似的区域或层，其中区域或层不一定完全相同但是类似，遵循通过使用加撇(′)的相同参考数字标识它们的相同约定，如结合方法130′使用的。方法200的步骤132-138与方法130，130′中基本上相同并且不在这里进一步描述。步骤140′和202-206在一些方面不同。在步骤140′中，牺牲区域172以与已经在方法130′中描述的相同方式形成并形成图案，以便具有与对于提供在悬臂梁84′下面的凹腔80(参看图8)期望的基本上相同的形状、位置和厚度173′。区域172和第一平面化层166有差异地可刻蚀或可溶解是重要的，也就是能够将区域172溶解掉而不显著影响第一平面化层166或电极78。在步骤202中，然后以与先前在方法130，130′中描述的基本上相同的方式和使用基本上相同的材料形成悬臂梁84′。在步骤202中，梁84′方便地锚固在平面化层166上，但这不是必需的，并且也可以使用与方法130′中使用的类似、使用第二平面化层的结构。在步骤204中，溶解或刻蚀掉牺牲区域172，在悬臂梁84′下面留下凹腔或凹槽80′。在步骤206中，导线179可选地附着到梁84，如先前结合方法130的步骤148描述的。方法200的最终结果与由方法130′获得的结果类似。
图22显示根据本发明一种实施方案的MTJ32的电极36，38的分解平面图300，其中电极中至少一个是正方的。电极36，38在图23中横向位移，使得可以更容易地看到它们的相对形状和尺寸。当装配以形成MTJ 32时，它们一个位于另一个上面，也就是，电极38位于电极36上。电极38最接近MFS 34，86。电极36-1，38-1显示为基本上正方的，也就是具有X和Y尺寸Y36-1＝X36-1＝Y38-1＝X38-1。为了说明方便，这是到目前为止用于最大部分的表示，但并不是必需的。电极36-2，38-2不同，电极36-2是矩形并且Y36-2＞X36-2且Y38-2＝X38-2。再次，这仅打算说明电极的各种可能形状，而不是穷举或限制。
图23显示根据本发明实施方案的MTJ的电极36，38的平面图310，其中任何一个或两个电极都具有各种实例、非正方形状。例如，在310-1中，电极36，38的任何一个或两个都是矩形且细长(elongated)的，并且尺寸X显著大于Y，在310-2中，电极36，38的任何一个或两个都是细长的，并且X＞＞Y且具有三角形末端，以及在310-3中，电极36，38的任何一个或两个都是细长的，并且X＞＞Y且具有圆形末端。当电极一个位于另一个上面以形成MTJ 32时，它们的较长尺寸可以相对于彼此呈各种角度，如图24中示意说明的。这在使用显著不对称的电极形状的某些情况下是有用的，因为薄电极中平面图不对称性影响电子自旋轴可以旋转的易度或难度。例如，虽然本领域中已知在磁场存在的情况下通过热处理钉扎第一电极中的电子自旋轴，另一种方法是使得电极形状高度不对称，例如在平面图中长而窄，因为使得电子自旋轴旋转远离这种不对称形状的长方向是非常困难的。但是，可以使用钉扎自旋轴的任何方案。
图24显示根据本发明实施方案的MTJ的电极的平面图320，其中电极36，38中至少一个相对于另一个电极具有各种角度方案。为了便于说明，第一电极36-4显示为单个连续电极，各种分段的第二电极38-4-1...38-4-4以不同角度与它交叉。但这不打算限制，并且电极36-4可以由每个位于第二电极38-4-1...38-4-4的单个下面的独立段构成。第二电极38-4-1取向，其长尺寸与电极36-4呈角度(a3)，例如与第一电极36-4的长尺寸基本上正交。第二电极38-4-2取向，其长尺寸与第一电极36-4的长尺寸基本上平行(或反平行)。第二电极38-4-3取向，其长尺寸相对于第一电极36-4的长尺寸呈角度(a1)，并且第二电极38-4-4取向，其长尺寸呈角度(a2)，其中0≤a≤90度。因此，多种不同的相对角取向可以用于第一和第二电极36，38。
图25显示具有不同长度333，335，337的多个悬臂梁332，334，336的简化平面图330，其用来支撑位于多个MTJ 32A，32B，32C附近的磁场源86A，86B，86C。通过使用具有相同横截面但是不同长度(或者不同横截面但是类似长度，或者具有其他尺寸和形状变化)的悬臂梁，偏转不同梁所需的力或加速度可以不同。因此，可以使得每个梁在力或加速度或压力或温度或其他物理参数的不同范围上响应。通过将它们组合在单个传感器中，传感器的总体动态范围可以任意扩展。在图25的实例中，传感器332，334，336之间的唯一差异是梁长度333，335，337。这种多个传感器可以由相同工艺基本上同时在相同衬底上制造，各个传感器的不同几何形状由掩模变化而不是由工艺变化提供。这是本发明的显著优点。
图26是图25的多个MTJ 32A，32B，32C说明为由分别导向端子343，345的导线342，344电并联的简化示意电路图340。图27是对于MTJ 32A，32B，32C的并联方案，RT对比F的简化曲线图，其中RT是各个MTJ 32A，32B，32C的电阻Rt的并联组合并且F是同时施加到多个传感器332，334，336的悬臂梁84A，84B，84C的加速度或力。为了说明方便，假设MTJ 32A，32B，32C具有基本上完全相同的Rt对比H特性，但是悬臂梁84A，84B，84C具有不同的刚度，使得对于传感器336，H＝Hc在F＝1时发生，对于传感器334，H＝Hc在F＝2时发生，以及对于传感器332，H＝Hc在F＝3个单位时发生。换句话说，F＝1时，梁84C完全偏转(相对于它的停止或者区域86-3接触MTJ 32C)，F＝2时，梁84B完全偏转(相对于它的停止或者区域86-2相对于MTJ32B)，以及F＝3时，梁84A完全偏转(相对于它的停止或者区域86A接触MTJ 32A)，并且每种情况下的限制位置在相关MTJ处产生Hc。然后对于与图5中所示类似的各个Rt对比H特性，这三个梁方案对于曲线图352，354，356给出图27中示意显示的RT对比F响应。曲线图352的迹线358对应于F＝1的力(或加速度)已经施加到传感器330并且最容易偏转的传感器(例如传感器336)提供Hc到MTJ 32C的情况。曲线图354的迹线360对应于F＝2的力(或加速度)已经施加到传感器330并且次容易偏转的传感器(例如传感器334)提供Hc到MTJ 32B的情况。曲线图356的迹线362对应于F＝3的力(或加速度)已经施加到传感器330并且最不容易偏转的传感器(例如传感器332)提供Hc到MTJ 32A的情况。在该实例中，假设所有MTJ最初都处于它们的低电阻态中，随着传感器330暴露于的力或加速度增加，电路340中测量的总电阻RT以分段方式增加。每个传感器方便地包括与图1的导体34A类似的电流导线(这里没有显示)，以便随着F去除提供-Hc从而将电极38中的自旋轴取向改变回到它的初始状态。因此，通过使用具有不同弹簧常数和偏转范围的多个传感器，可以实现更宽的总体动态范围，或者如图27中所示量化的或者通过使用其响应类似于图6或7的MTJ而是模拟的。虽然图26中说明的并联电气方案是有用的，但也可以使用串联方案。任何一种方案都起作用。能够使用相同的制造工艺在相同衬底上容易地构造具有不同响应的传感器，使用仅掩模差异改变各个传感器的几何形状，是本发明的显著优点。虽然已经根据悬臂梁传感器描述了使用多个传感器扩展动态范围，但这仅为了说明而不打算限制。基于这里的描述本领域技术人员将理解，也可以使用例如图11-16中说明的隔膜型传感器，以及组合其相对位置响应传感器输入而变化的多个MTJ和多个MFS的其他物理方案。
提供用于形成传感器的第一实例方法，包括形成磁性隧道结(MTJ)，在MTJ上沉积隔离物，在隔离物上提供磁场源(MFS)，MFS具有至少部分地位于MTJ上的部分，以及去除MFS与MTJ之间的隔离物的一部分使得位于MTJ上的MFS的部分可以响应到传感器的输入而相对于MTJ移动。提供另一种实例方法，其中第一形成步骤包括沉积配置成其电子自旋轴可以被钉扎的第一电极，在第一电极上提供隧穿电介质，以及在隧穿电介质上沉积配置成其电子自旋轴可以自由的第二电极。提供再一种实例方法，其中沉积第一电极的步骤包括沉积相对于第二电极具有高矫顽力的第一电极的材料，以及沉积第二电极的步骤包括沉积相对于第一电极具有低矫顽力的第二电极的材料。提供又一种实例方法，还包括在提供MFS的步骤之前，在磁场存在的情况下热处理第一电极以将其电子自旋轴钉扎在预先确定的取向上。在另一种实例实施方案中，提供MFS的步骤包括在隔离物上沉积梁，其具有适合于包括位于第二电极上且偏转地响应输入的MFS的第一端，以及具有位于不在第二电极上的隔离物的远端部分上的第二端。在另一种实例实施方案中，提供MFS的步骤包括沉积适合于载有通过其位于MTJ上的部分的电流的导体。
第二实例方法包括提供支撑衬底，在衬底上沉积第一电极，其中第一电极包括具有第一矫顽力的磁性材料，在第一电极上形成隧穿电介质，沉积第二电极与隧穿电介质接触，其中第二电极包括具有小于第一矫顽力的第二矫顽力的磁性材料，悬置悬臂梁使得适合于相对于第二电极移动并且包括磁场源(MFS)的第一端位于第二电极上，以及将悬臂梁的第二远端耦合到衬底。在另一种实例实施方案中，安装步骤包括形成具有载流导体的MFS。在再一种实例实施方案中，悬置悬臂梁的步骤包括在衬底上和第二电极上沉积牺牲隔离物，形成至少部分位于牺牲隔离物上的梁，以及去除位于MFS下面的牺牲隔离物的一部分。在又一种实例实施方案中，悬置梁的步骤包括形成U形的梁，U形的闭端包括MFS，以及耦合梁的步骤包括将U形的敞开远端耦合到衬底。在另一种实例实施方案中，提供步骤包括提供包含耦合到MTJ的电子器件的半导体衬底，从而当有源时提供电流到MTJ并且测量跨越MTJ的电压降。
本发明方法的第三实例实施方案包括制造具有第一含铁磁的电极和第二含铁磁的电极的磁性隧道结(MTJ)，两个电极由适合于在其间提供隧穿传导的电介质相隔，以及安装可移动地悬置在第二含铁磁的电极附近的磁场源(MFS)，使得MTJ与MFS之间的距离响应到传感器的输入的变化引起由MFS源提供的MTJ处的磁场变化，从而改变MTJ的电学性质。在本发明方法的另一种实施方案中，安装步骤包括形成具有载流导体的MFS。在再一种实施方案中，安装步骤包括沉积包括适合于载流的U形导体的MFS从而提供MTJ处的磁场。在又一种实施方案中，安装步骤包括安装永久磁体作为磁场源。在另一种实施方案中，安装步骤包括将MFS悬置在悬臂梁上。在另一种实施方案中，制造步骤包括在支撑物上形成MTJ，以及安装步骤包括将MFS耦合到与MTJ相隔的悬臂梁的第一端，并且将悬臂梁的第二远端锚固到支撑物。在另一种实施方案中，该方法包括将第一电极的电子自旋轴钉扎在预先确定的取向上而保持第二电极的自旋轴自由。在另一种实施方案中，该方法还包括在制造步骤之前，在MTJ附近提供电导体并且定位以在与MTJ上的U形导体的一部分中流动的电流呈基本上直角的方向上载流。在另一种实施方案中，制造步骤包括制造具有细长第一和第二电极的MTJ，并且使得第二电极的较长尺寸取向与第一电极的较长尺寸基本上垂直。在另一种实施方案中，该方法还包括在公共衬底上基本上同时制造多个隧道结(MTJ)，基本上同时安装多个磁场源(MFS)，使得每个MFS可移动地悬置在MTJ的一个附近，其中这种多个MFS共同地接收传感器输入但是具有对其的不同可移动响应，以串联或并联或其组合的形式对MTJ中的至少一些电耦连以提供组合输出。
虽然至少一种实例实施方案已经在前面详述中提出，但是应当理解存在许多变化。同样应当理解，一种或多种实例实施方案仅是实例，而不打算以任何方式限制本发明的范围、适用性或构造。然而，前面的详述将为本领域技术人员提供实现一种或多种实例实施方案的方便路线图。应当理解，可以在元件的功能和排列方面进行各种改变而不背离如附加权利要求及其法律等价物中陈述的本发明的范围。