XMR传感器设备
阅读：835发布：2021-10-26
专利汇可以提供XMR传感器设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且XMR 传感器 设备。提供了传感器设备和方法，其中，在第一 磁阻传感器 堆的顶部上提供第二磁阻传感器堆。，下面是XMR传感器设备专利的具体信息内容。
1.一种传感器设备，包括：
第一磁阻传感器堆，该第一磁阻传感器堆包括对第一自由层处的第一磁场敏感的第一自由层，以及
第二磁阻传感器堆，在第一磁阻传感器堆的顶部上提供，该第二磁阻传感器堆包括对第二自由层处的第二磁场敏感的第二自由层，
其中第一磁阻传感器堆和第二磁阻传感器堆包括至少一个共享层。
2.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，第一自由层本质上在磁性上独立于第二自由层。
3.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中，第一自由层与第二自由层之间的间距为15 nm或更多。
4.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中，第一磁阻传感器堆和第二磁阻传感器堆是基于巨磁阻、各向异性磁阻、超大磁阻或隧道磁阻中的至少一个。
5.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中：
第一磁阻传感器堆包括在第一自由层与共享层之间的第一钉扎层；并且第二磁阻传感器堆包括在第二自由层与共享层之间的第二钉扎层。
6.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中至少一个共享层包括反铁磁层。
7.根据权利要求6所述的传感器设备，其中：
第一磁阻传感器堆包括邻近于共享的反铁磁层的第一钉扎层；并且
第二磁阻传感器堆包括邻近于共享的反铁磁层的第二钉扎层，使得共享的反铁磁层确定第一钉扎层和第二钉扎层的磁性取向。
8.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中第一磁阻传感器堆包括具有预定磁性取向的第一钉扎层，并且其中第二磁阻传感器堆包括具有预定磁性取向的第二钉扎层。
9.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中第一磁阻传感器堆包括第一铁磁参考层，并且其中第二磁阻传感器堆包括第二铁磁参考层。
10.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中第一或第二磁阻传感器堆中的至少一个包括邻近于相应的第一或第二自由层提供的反铁磁层。
11.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中第一和第二磁阻传感器堆是作为单一磁阻传感器元件可操作的。
12.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中第一自由层处的第一磁场本质上等于第二自由层处的第二磁场。
13.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中第一自由层处的第一磁场和第二自由层处的第二磁场每个包括将由传感器设备感测的外部磁场。
14.一种装置，包括：
可移动磁性设备，以及
邻近于可移动磁性设备的根据权利要求1—13中的任一项所述的传感器设备。
15.根据权利要求14所述的装置，还包括控制器，控制器适于基于来自传感器设备的信号来控制至少一个受控设备。
16.一种方法，包括：
提供第一磁阻传感器堆，第一磁阻传感器堆包括对第一自由层处的第一磁场敏感的第一自由层，
提供在第一磁阻传感器堆的顶部上的第二磁阻传感器堆，第二磁阻传感器堆包括对第二自由层处的第二磁场敏感的第二自由层，以及
为第一和第二磁阻传感器堆提供至少一个共享层。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括耦合第一和第二磁阻传感器堆，使得第一和第二磁阻传感器堆作为单一磁阻元件是可操作的。
XMR传感器设备
技术领域
[0001] 本申请涉及XMR传感器设备和对应方法。
背景技术
[0002] 在许多应用中使用磁场传感器。例如，针对速度或移动检测，例如可在所谓的极轮上提供磁体，因此在极轮旋转时生成已调制磁场。然后该场的调制可被磁场传感器检测。由此检测的磁场及其调制然后指示例如极轮的旋转速度。作为极轮的替代，例如还可使用在移动时生成已调制磁场的齿轮或线性磁性元件。并且其它应用使用磁场传感器，例如磁性存储设备、比如硬盘。
[0003] 磁场传感器包括霍尔传感器和基于磁阻（MR）效应的传感器（也称为XMR传感器）。在许多情况下，XMR传感器展现比霍尔传感器更低的抖动（jitter），其对于某些应用而言可能是重要的，例如汽车应用中的速度检测和/或间接胎压监视系统。然而，XMR传感器对与感测方向正交的磁场敏感。归因于此，例如XMR传感器相对于极轮或其它可移动磁性设备的不精确定位可引起抖动增加。
发明内容
发明内容
[0004] 根据实施例，提供了一种传感器设备，该传感器设备包括：第一磁阻传感器堆，该第一磁阻传感器堆包括对第一自由层处的第一磁场敏感的第一自由层，以及第二磁阻传感器堆，在第一磁阻传感器堆的顶部上提供，该第二磁阻传感器堆包括对第二自由层处的第二磁场敏感的第二自由层，其中第一磁阻传感器堆和第二磁阻传感器堆包括至少一个共享层。根据另一实施例，提供了一种方法，所述方法包括：提供第一磁阻传感器堆，第一磁阻传感器堆包括对第一自由层处的第一磁场敏感的第一自由层，提供在第一磁阻传感器堆的顶部上的第二磁阻传感器堆，第二磁阻传感器堆包括对第二自由层处的第二磁场敏感的第二自由层，以及为第一和第二磁阻传感器堆提供至少一个共享层。还提供了另外的实施例。附图说明
[0005] 图1是图示出根据实施例的传感器设备的示意性截面图。
[0006] 图2是图示出根据实施例的传感器设备中的电接触的示意图。
[0007] 图3是图示出根据另一实施例的传感器设备中的电接触的示意图。
[0008] 图4是图示出根据实施例的设备的层结构的图。
[0009] 图5是图示出根据另一实施例的设备的层结构的图。
[0010] 图6是图示出根据实施例的方法的流程图。
[0011] 图7是图示出根据实施例的设备的应用示例的图。
具体实施方式
[0012] 在下文中，将参考附图来详细地描述各种实施例。应注意的是这些实施例仅仅用于说明性目的且不应解释为是限制性的。例如，虽然可将实施例描述为包括多个不同细节、特征或元件，但是在其它实施例中，这些细节、特征或元件中的某些可被省略，可以以与所示出的不同的方式实现，和/或可用替换细节、特征或元件来替换。另外地或替换地，在其它实施例中，可提供并未在这里明确地描述或在图中示出的附加细节、特征或元件。
[0013] 某些实施例涉及磁场传感器设备。磁场传感器设备可例如包括XMR传感器。如在这里使用的术语XMR传感器可指的是基于一个或多个磁阻（MR）效应的传感器。用于磁阻效应的非限制性示例包括GMS（巨磁阻）、CMR（超大磁阻）、AMR（各向异性磁阻）或TMR（隧道磁阻）。
[0014] 在某些实施例中，磁场传感器设备可包括第一XMR传感器堆和在第一XMR传感器堆的顶部上的第二XMR传感器堆。如这里所使用的术语“堆”可指的是相互上下地放置的多个层以形成XMR传感器堆。第一XMR传感器堆和第二XMR传感器堆中的每个可包括也称为传感器层的自由层和/或参考层。第一和第二XMR传感器堆在其对外部磁场的响应方面可本质上相互独立。在某些实施例中，第一和第二XMR传感器堆的自由层之间的距离可为15 nm或更多，例如20 nm或更多。
[0016] 在某些实施例中，可将第一XMR传感器堆和第二XMR传感器堆电耦合以作为单一XMR传感器元件是可操作的。在某些实施例中，这可减少抖动。
[0017] 现在转到附图，在图1中，图示出根据实施例的XMR传感器设备10的示意性截面图。XMR传感器设备10包括衬底11。衬底11可例如是半导体衬底，例如包括硅晶片的衬底，但是不限于此。除下面更详细地讨论的元件之外，还可在衬底11上形成电子设备或电路。
[0018] 在衬底11上，提供第一XMR传感器堆12。在第一XMR传感器堆12的顶部上提供第二XMR传感器堆13。如由点14所指示的，在第二XMR传感器堆13的顶部上，在某些实施例中可提供一个或多个另外的XMR传感器堆。第一XMR传感器堆12 和第二XMR传感器堆13每个可包括多个层。在某些实施例中，第一XMR传感器堆12和第二XMR传感器堆13还可共享一个或多个层，例如反铁磁层，如稍后将更详细地描述的。
[0019] 在图1的示例中，xy平面可对应于衬底11的平面（例如，衬底11的表面可在xy方向上延伸）。z方向可对应于与之垂直的方向，例如垂直于衬底11的表面。在此类坐标系中，在z方向上的第一XMR传感器堆12上提供（例如堆叠）第二XMR传感器堆13。
[0020] 应注意的是图中的表示仅仅是示意性的且不一定按比例，而是为了表示方便而被选择的。例如，在某些实施例中，在x和/或y方向上的第一和第二XMR传感器堆12、13的宽度可比在z方向上的高度更高，例如更高至少一个数量级。例如，宽度可为约10 µm或更多，而该高度可为约30—40nm，仅给出示例。这还可应用于下面参考图2—5进一步解释的XMR传感器堆。
[0021] 在某些实施例中，第一XMR传感器堆12和第二XMR传感器堆13每个可包括自由层（也称为传感器层）和参考层。另外，第一XMR传感器堆12和第二XMR传感器堆13中的每一个可包括其中磁化方向被反铁磁层钉扎的钉扎层。还可使用其它配置。在某些实施例中，第一XMR传感器堆12的自由层对第一XMR传感器堆12的自由层处的磁场的响应可本质上独立于第二XMR传感器堆13的自由层对第二XMR传感器堆13的自由层处的磁场的响应。在某些应用中，第一XMR传感器堆12的自由层处的磁场可本质上与第二XMR传感器堆13的自由层处的磁场相同。在实施例中，第一和第二XMR传感器堆12、13的自由层处的磁场可包括要感测的外部磁场。
[0022] 在某些实施例中，第一XMR传感器堆12和第二XMR传感器堆13的敏感方向可以是x方向。在这方面的敏感方向可指的是其中将被测量的磁场的方向。在某些实施例中，提供两个XMR传感器堆12、13可减少与x方向正交的y方向上的磁场所引起的抖动。在某些实施例中，可将抖动减少至 ，n是所提供的XMR传感器堆的数目。此减少基本上是统计减少，假设堆的自由层本质上相互独立。在某些实施例中，类似于图1的第一和第二XMR传感器堆12、13的XMR传感器堆对y方向上的此类磁场的响应可至少在一定程度上逐个XMR传感器堆地不同。因此，y方向上的磁场的影响可在一起使用XMR传感器堆时至少部分地相互抵消。
[0023] 在某些实施例中，第一XMR传感器堆12和第二XMR传感器堆13可相互电耦合以本质上作为单一XMR元件可操作。这将参考图2和3来解释。
[0025] 在以下解释中，将出于说明性目的而使用具有第一XMR传感器堆和第二XMR传感器堆的XMR设备。然而，应理解的是，如已经相对于图1所指示的，在其它实施例中，可提供超过两个XMR传感器堆。在这方面，应将类似于“包括第一XMR传感器堆和第二XMR传感器堆”的术语解释为也涵盖其中提供了除第一和第二XMR传感器堆之外的一个或多个另外的XMR传感器堆的情况。
[0026] 在图2中，图示出第一XMR传感器堆20和在第一XMR传感器堆20的顶部上的第二XMR传感器堆21之间的电耦合。图2的实施例中的第一和第二XMR传感器堆20、21可例如是GMR堆，但不限于此。在GMR传感器元件中，在许多应用中测量由传感器堆的层限定的平面中的电阻（例如，在自由层的表面或界面处）。然而，应注意的是在其它实施例中，也在GMR传感器堆中，可施加垂直于此平面的电流，如稍后参考图3所解释的。为了测量平面中的上述电阻，在图2的实施例中，用示意性地图示出的电连接22将第一XMR传感器堆20和第二XMR传感器堆21并联地耦合。在图2的情况下，如已经相对于图1所述，XMR传感器堆20、21的宽度可比XMR传感器堆20、21的高度更高例如一个数量级或更多。在某些实施例中，在如图2中所示的电连接22的情况下，因此，感测电流Isense因此本质上在位于第一XMR传感器堆20和第二XMR传感器堆21的层的平面中的方向上流过例如第一XMR传感器堆和第二XMR传感器堆。可用各种技术来提供电连接22，例如按照惯例用于电接触部件或层的在半导体处理中使用的技术。例如，可通过类似于图1的衬底11之类的衬底上的金属沉积和结构化来提供第一XMR传感器堆20和第二XMR传感器堆21之间的电耦合。应认为图2中所示的电连接22仅仅是示意性的，并且第一和第二XMR传感器堆20、21的接触可与所示的不同，例如在第一XMR传感器堆20的底部处或者在XMR传感器堆20和/或21的侧面处，只要感测电流主要在平面内方向上流过XMR传感器堆20、21即可。
[0027] 为了测量磁场，例如，可在图2中测量由感测电流Isense引起的电压降。在其它实施例中，可施加固定电压，并且可测量电流/感测。
[0028] 在图2中，通过将第一XMR传感器堆20和第二XMR传感器堆21并联地耦合，可降低总电阻。在某些实施例中，这可增加感测电流Isense。在其它实施例中，Isense可以是例如由已调节电流源生成的固定电流。
[0029] 在图3中，图示出根据另一实施例的传感器设备。图3的实施例包括第一XMR传感器堆30和第二XMR传感器堆31。在图3的实施例中，第一XMR传感器堆30和第二XMR传感器堆31可以是TMR堆，然而其不限于此。在TMR堆中，通常将隧道势垒（例如MgO隧道势垒）提供为第一XMR传感器堆30和第二XMR传感器堆31两者中的层中的一个。许多TMR应用中的感测电流垂直于层表面流动。然而，在其它实施例中，感测电流也可以是如参考图2所解释的平面内感测电流。在使用垂直于层表面的感测电流的实施例中，如由电连接33所示，可将第一XMR传感器堆30和第二XMR传感器堆31串联地耦合，使得例如感测电流连续地流过第一XMR传感器堆30的隧道势垒和第二XMR传感器堆31的隧道势垒。可通过调整隧道势垒的厚度来调整电阻。并且在这个情况下，可例如用按照惯例在半导体处理中采用的任何技术来形成电连接33，并且可以以与所示的不同的方式来提供。
[0030] 接下来，参考图4和5，将详细地解释用于XMR传感器堆的示例。
[0031] 在图4中，图示出包括第一XMR传感器堆和第二XMR传感器堆的组合堆42的示例。堆42本质上是所谓的底部自旋阀40和顶部自旋阀41的组合。底部自旋阀40和顶部自旋阀41可以是例如GMR堆。
[0032] 底部自旋阀40包括在籽层（seed layer）411的顶部上的反铁磁层412。籽层411可包括允许在其顶部上沉积反铁磁层412的任何适当材料。反铁磁层412可例如包括PtMn、IrMn和/或NiMn。邻近于反铁磁层412，提供了由例如CoFe之类的铁磁材料制成的钉扎层413。钉扎层413的磁性取向可由反铁磁层412确定。
[0033] 在钉扎层413的顶部上，提供了例如由钌（Ru）制成的非磁性层414，后面是铁磁参考层415。参考层415例如可由CoFe和/或CoFeB制成。
[0034] 在参考层415的顶部上，可提供非磁性层416。非磁性层416可包括例如Cu或MgO。在非磁性层415的顶部上，提供了自由层417，也称为传感器层。自由层417可由比如CoFe、NiFe、CoFeB之类的铁磁材料或不同铁磁材料的组合制成。在自由层417的顶部上，提供了例如由TaN制成的覆盖层418。在这里给出的任何材料仅仅是以示例的方式给出的，并且在其它实施方式中可使用其它适当材料。
[0035] 外部磁场可相对于钉扎层413和/或参考层415改变自由层417的磁性取向，其改变底部自旋阀堆40的电阻。
[0036] 顶部自旋阀堆41本质上对应于底部自旋阀堆40，其中层的顺序被改变，例如除籽层和覆盖层之外，本质上相反。在堆41中，籽层43后面是由例如CoFe、NiFe、CoFeB之类的铁磁材料或不同铁磁材料的组合制成的自由层44。在自由层44的顶部上，提供了非磁性层45，例如包括Cu和/或MgO。
[0037] 非磁性层45后面是铁磁参考层，例如包括CoFe和/或CoFeB，后面是非磁性层47。非磁性层47可例如包括钌（Ru）。
[0038] 在非磁性层47的顶部上，提供了由类似于CoFe的铁磁材料制成的钉扎层48，后面是包括例如PtMn、IrMn和/或NiMn的反铁磁层49。反铁磁层49确定钉扎层48的磁性取向。自由层44响应于相对于钉扎层48和/或参考层46的取向测量的外部磁场而改变其磁性取向，这改变顶部自旋阀堆41的电阻。
[0039] 根据已提到的实施例的组合堆42本质上是底部自旋阀堆40和顶部自旋阀堆41的组合。
[0040] 堆42包括籽层419上的层420—424。实施例中的层420—424对应于顶部自旋阀堆41的层44—48。在钉扎层424的顶部上提供了例如由PtMn制成的反铁磁层425。在反铁磁层
425的顶部上，提供了层426—430，其对应于底部自旋阀堆40的层413—417。在自由层430的顶部上，提供了例如TaN的覆盖层431。
425的顶部上，提供了层426—430，其对应于底部自旋阀堆40的层413—417。在自由层430的顶部上，提供了例如TaN的覆盖层431。
[0041] 因此，堆42本质上对应于堆41的顶部上的堆40，其中反铁磁层425被共享，并且仅提供了一个籽层419和一个覆盖层431。因此，在堆42中，反铁磁层425确定钉扎层424和钉扎层426两者的磁性取向。由于在某些实施例中反铁磁层和在其中使用的材料是比较昂贵的，所以在某些实施例中共享反铁磁层可用来降低成本。然而，在其它实施例中，可提供用于不同XMR传感器堆的单独反铁磁层。
[0042] 在堆42中，自由层430和自由层420用作本质上独立的传感器层。在这种情况下，“本质上独立的”指示其最多以可忽略的方式相互影响，并独立地用来感测相应的局部磁场。在某些实施例中，通过自由层420和430中的独立感测，至少在某些程度上，可在统计上减少在敏感方向（例如图1的示例中的y方向）外面的磁场分量的效应，因为来自自由层420处和自由层430处的此类场的影响可在某些程度上相互抵消，特别是在统计上改变磁化方向的情况下。
[0043] 为了提供自由层420和自由层430之间的独立，在某些实施例中，自由层420和自由层430之间的间距可超过15 nm，例如30 nm或更多。在其它实施例中，可使用其它间距距离。
[0044] 在图5中，图示出根据实施例的本质上对应于在顶部自旋阀堆51的顶部上的底部自旋阀堆50的组合堆52。图5的实施例本质上是图4的实施例的变型。特别地，底部自旋阀堆50的层511—518对应于底部自旋阀堆40的层511—518，顶部自旋阀堆51的层53—510对应于顶部自旋阀堆41的层43—410，并且组合堆52的层519—531对应于图4的组合堆42的层
419—431，并且因此将被不再次详细地描述。参考图4所述的变型和替换也可应用于图5的对应的层和堆。除图4的实施例之外，在图5的实施例中，邻近于自由层提供反铁磁层。例如，在底部自旋阀堆50中，邻近于自由层517提供反铁磁层533，并且在顶部自旋阀堆51中，邻近于自由层54提供反铁磁层532。在组合堆52中，邻近于自由层520提供反铁磁层534，并且邻近于自由层530提供反铁磁层535。
419—431，并且因此将被不再次详细地描述。参考图4所述的变型和替换也可应用于图5的对应的层和堆。除图4的实施例之外，在图5的实施例中，邻近于自由层提供反铁磁层。例如，在底部自旋阀堆50中，邻近于自由层517提供反铁磁层533，并且在顶部自旋阀堆51中，邻近于自由层54提供反铁磁层532。在组合堆52中，邻近于自由层520提供反铁磁层534，并且邻近于自由层530提供反铁磁层535。
[0045] 这些反铁磁层532、533、534和535向相应的自由层517、532、520和530提供优先磁化方向。这在某些实施例中可进一步帮助减少抖动。用于自由层的优选方向可与由反铁磁层512、59或525引起的磁性取向正交。
[0046] 相对于图4和5所示的堆仅用作示例，并且在其它实施例中，可使用其它系统，例如包括隧道势垒的TMR系统。此外，在某些实施例中，可不使用共享层。例如，可相互上下地提供两个底部自旋阀堆40或两个顶部自旋阀堆41以提供没有共享层的组合堆。并且，在某些实施例中，可省略所示层中的某些。例如，在某些实施例中，可仅使用在中间没有附加参考层的钉扎层和自由层。还可使用XMR传感器堆的任何其它常规实施方式，然后可相互上下地提供该XMR传感器堆以形成实施例。
[0047] 在图6中，示出了图示出根据实施例的方法的流程图。图6的方法可例如用来制造参考图1—5所讨论的实施例中的任何实施例，但是还可将其用于制造其它实施例。
[0048] 在图6中的60处，提供了第一XMR传感器堆。在61处，该方法包括在第一XMR传感器堆上提供第二XMR传感器堆以形成组合堆。第一和第二XMR传感器堆可共享一个或多个层，例如反铁磁层。
[0049] 在62处，可选地，使第一和第二XMR传感器堆电接触以作为单一XMR传感器元件是可操作的，例如，如参考图2和3所示和所解释的。
[0050] 在图7中，图示出根据某些实施例的用于XMR传感器设备的示例性应用环境。然而，应强调的是这仅仅用作示例，并且可在各种应用中使用根据实施例的XMR传感器设备。
[0051] 图7中所示的装置包括XMR传感器设备，其可包括在第一XMR传感器堆的顶部上提供的第二XMR传感器堆，例如，如相对于图1—5所示。邻近于与旋转轴70耦合的极轮71放置XMR传感器设备73。例如，可将旋转轴70耦合到汽车的车轮以使得能够测量车轮速度，或者可与汽车的转向柱（steering column）耦合。然而，图7中所示的装置的应用不限于汽车应用。在其它实施例中，作为极轮71的替代，可使用另一磁性设备，其在移动例如齿轮或线性磁性设备时生成已调制磁场。
[0052] 极轮71包括沿着其圆周布置的多个磁体72。磁体72可以是永久磁体，或者可以例如是电磁体。磁体的数目和/或布置可不同于在图7中出于说明性目的所示的那个。
[0053] 当轴70和由此的极轮71旋转时，XMR传感器设备73经历已调制磁场。这可用于检测速度和/或方向。在某些实施例中，通过提供如所述的第一和第二XMR传感器堆，可减少XMR传感器设备73的抖动，特别是在XMR传感器设备73相对于极轮71的略微不精确放置的情况下。
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